Геологи связали океанские приливы с формированием новых суперконтинентов
Геофизики связали между собой глобальный приливно-отливный океанский цикл длительностью в несколько десятков миллионов лет и еще более длинный суперконтинетальный цикл, который описывает процессы формирования и распада суперконтинентов и длится несколько сот миллионов лет. С помощью компьютерного моделирования удалось показать, что сейчас океаны на Земле находятся вблизи максимума энергии полусуточных приливов и до момента следующего слияния материков в единый суперконтинент окажутся в нем еще раз, пишут ученые в Geophysical Research Letters.
Считается, что примерно 200–400 миллионов лет назад все участки суши на Земле образовывали единый суперконтинент — Пангею, которая, постепенно распадаясь на части, образовала современные материки. А на основе экстраполяции современных тектонических процессов геологи пришли к выводу, что еще через 100–200 миллионов лет материки вновь должны собраться вместе, сформировав уже новый суперконтинент. Таким образом, для тектонического движения литосферных плит, которое приводит к перемещению участков суши с образованием и разрушением одного единого материка, можно выделить суперконтинентальный цикл продолжительностью от 400 до 600 миллионов лет.
Группа геофизиков из Великобритании, Португалии и Австралии под руководством Маттиаса Грина (J. A. Mattias Green) из Бангорского университета показала, что этот длинный суперконтинентальный цикл напрямую связан с более коротким циклом, который отвечает за приливно-отливные океанские течения и длительность которого составляет 40–60 миллионов лет. Чтобы показать, как непрерывное движение литосферных плит отражается на резонансных колебаниях океанской воды на таких длительных временных масштабах, геофизики провели компьютерное моделирование, связывающее тектонические процессы, которые будут происходить на планете ближайшие 250 миллионов лет, с изменением рельефа океанского дна и глобальным движением воды.
Для моделирования использовалась приливная океаническая модель, которая описывает гидродинамику океанской воды в результате астрономического влияния и вращения Земли, и упрощенная модель рельефа океанского дна, в которой, исходя из известного объема океана, выделяется несколько зон по глубине и учитывается точное положение зон субдукции и срединно-океанических хребтов.
Результаты моделирования показали, что для океанских приливно-отливных процессов тоже можно выделить суперцикл продолжительностью в несколько десятков миллионов лет, который описывает изменение амплитуды океанских приливов и непосредственно связан с тектоническим движением и суперконтинентальным циклом. Оказалось, что сейчас Земля находится вблизи максимума энергии полусуточных океанских приливов (то есть фактически в состоянии резонанса) и во время текущего суперконтинетального цикла должна оказаться в нем еще раз — примерно через 150 миллионов лет. При этом из-за близости максимума энергии колебательного приливного процесса средняя скорость ее диссипации сейчас также находится выше среднего значения.
По словам ученых, после следующего океанского приливного резонанса, энергия колебаний снова пойдет на спад, и продолжит постепенно уменьшаться в течение всего дальнейшего процесса формирования нового суперконтинента в следующие 100 миллионов лет.
Ученые утверждают, что процесс диссипации энергии в колебательной системе океанских приливов и отливов, которые сопровождает движение континентов на планете, может отразиться в том числе на взаимодействии между Землей и Луной, а также на системе океанских течений и климатических процессах на планете. Поэтому все эти механизмы необходимо учитывать при исследовании геологического прошлого и будущего Земли и развития жизни на планете.
Если будущее движение континентов на Земле в результате тектонических процессов можно прогнозировать и исследовать только с помощью компьютерного моделирования, то информацию о прошлых суперконтинентах ученые получают в том числе и из геологических данных. Например, обнаружение в Гималаях следов двух субдукционных зон помогло объяснить причину аномально быстрого дрейфа Индостана. А присутствие циркона в образцах вулканических горных пород на Маврикии подтвердило существование в прошлом еще одного континента в Индийском океане.
Александр Дубов
Его выделение из мантийного расплава провоцирует быстрый подъем магмы
Ученые обнаружили большое содержание летучих компонентов, особенно углекислого газа, в составе расплавных включений в продуктах извержений вулкана Фогу в архипелаге Зеленого Мыса. По мнению исследователей, именно диоксид углерода, который отделяется от мантийного расплава на глубине 20–30 километров, вызывает быстрый подъем магмы с последующей мощной декомпрессией, ответственной за взрывной характер извержений Фогу. По-видимому, этот внутриплитный вулкан, расположенный на «горячей точке», питается непосредственно от мантийного источника, а не от промежуточного магматического резервуара в пределах коры. Об исследовании сообщает статья в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Поведение летучих веществ в магме (воды, углекислого и угарного газов, серы и ее соединений, «кислых дымов», содержащих хлор и фтор) ― это ключевой фактор динамики вулканических процессов. На больших глубинах, в условиях высокого давления, они растворены в мантийном веществе, но с понижением давления ближе к поверхности отделяются ― происходит дегазация магмы. Если отделение газов, среди которых, как правило, больше всего воды, затруднено, рост внутреннего давления приводит к взрывному извержению. Однако для понимания процессов дегазации и того, как они влияют на характер извержений, необходимо учитывать роль второго главного компонента летучей фазы ― двуокиси углерода. Численное моделирование показывает, что повышенное содержание углекислоты в смеси CO2—H2O способствует дегазации на глубинах 30–35 километров. Оно встречается у некоторых вулканов в зонах субдукции и особенно характерно для вулканов в районах внутриплитного магматизма, где массовая доля летучих превышает пять процентов. Оценить концентрацию CO2 в магматическом очаге или мантийном расплаве по продуктам извержений трудно, так как в большинстве случаев магма к моменту достижения поверхности оказывается уже сильно дегазирована. О ее первоначальном составе можно судить лишь по расплавным включениям ― микроскопическим карманам магмы, захваченным в ходе роста кристаллов. Такие включения могут выноситься при внутриплитных извержениях с глубин, близких к границе Мохо. Исследовать процессы дегазации при другой форме внутриплитного магматизма ― извержениях вулканов океанических островов ― взялись американские, британские, испанские и канадские геологи во главе с Эстебаном Газелом (Esteban Gazel) из Корнеллского университета. В качестве объекта исследования ученые выбрали расплавные включения в кристаллах оливина из тефры Фогу ― островного вулкана в составе архипелага Зеленого Мыса. Эта группа океанических островов сформировалась в ходе перемещения Африканской плиты над «горячей точкой» (hotspot) ― областью интенсивного магматизма, которую питает восходящий поток мантийного вещества. Образцы тонкой (с размером частиц до 2,8 миллиметра) тефры, отобранные в трех пунктах, происходят из отложений двух взрывов, произошедших предположительно в XV веке, и извержения 1951 года. Из частиц тефры были отобраны кристаллы оливина со стеклообразными расплавными включениями размером от 10 до 30 микрометров. Для измерения концентрации CO2 ученые применили метод рамановской спектроскопии, а чтобы учесть углекислоту, затраченную на образование карбоната магния на стенках газовых пузырьков внутри включений, образцы подвергали нагреву. Состав стеклообразной части включений определили с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов. Массовая доля летучих веществ оказалась высокой: до 2,0 процента двуокиси углерода, около 2,8 процента воды, а также 6,0 промилле серы, 1,9 промилле фтора и 1,1 промилле хлора. Газел и его коллеги предположили, что резервуар, в котором происходила дегазация, содержал почти не дифференцированный расплав, близкий по составу к примитивной мантии. Исследователи промоделировали различные сценарии образования пузырьков ― выделение газа при стекловании расплавного включения и одновременный захват растущим кристаллом газа и расплава. Рассчитав условия дегазации, они получили давление в диапазоне от 600 до 900 мегапаскалей, что соответствует глубинам 20–30 километров, то есть ниже границы Мохо (9–13 километров под вулканом Фогу). Уже в пределах коры скорость декомпрессии, рассчитанная по размерам включений и потерям воды, колебалась в пределах 0,005–0,05 мегапаскалей в секунду для извержений XV века и 0,0005–0,005 мегапаскалей в секунду в 1951 году. В первом случае магма поднялась от уровня границы Мохо самое большее за 22 часа, во втором ― за время от одного до девяти дней, по-видимому, задержавшись на короткий срок в небольшом промежуточном резервуаре. Действительно, событие 1951 года было относительно слабым: показатель его силы по шкале вулканической активности оценивается как пограничный между VEI-2 и VEI-3. Взрывные извержения XV века, судя по более крупным шлаковым конусам, были значительно сильнее. Но во всех трех случаях начальный, глубинный этап дегазации связан с выделением большого количества CO2, обусловившим быстрый подъем магмы. Пока Фогу ― единственный вулкан океанических островов, для которого выявлена такая особенность подготовки извержений. Однако не исключено, что будущие исследования обнаружат аналогичное поведение и у других вулканов, и понимание того, как CO2 провоцирует взрывные извержения, поможет оценить их опасность. Ранее N + 1 рассказывал о том, как ученые обнаружили нетипичные черты в активности канарского вулкана Кумбре-Вьеха, а также о том, что деформации поверхности перед извержением исландского вулкана Фаградальсфьядль объяснили внедрением насыщенного углекислотой магматического флюида.