Геофизики представили глобальную реконструкцию тектонических перемещений литосферных плит в течение последнего миллиарда лет. Она впервые объединила в рамках непрерывной и согласованной кинематической модели палеомагнитные данные об изменении расположения континентов с геологическими данными об эволюции границ между плитами. О результатах моделирования сообщает статья в Earth-Science Reviews.
Тектоника плит — это геодинамическая концепция, основанная на представлении о земной литосфере как о совокупности подвижных фрагментов — литосферных плит, которые в процессе перемещения непрерывно взаимодействуют между собой. Движение плит управляется конвекционными мантийными потоками и представляет собой элемент системы теплопереноса от центра Земли к поверхности. Нижние слои литосферных плит образованы породами мантии, верхние — это кора либо только океанического типа, либо океанического и континентального. Взаимодействие движущихся плит приводит к образованию на границах между ними зон сейсмической и вулканической активности. Границы между плитами, движущимися во встречном направлении, называются конвергентными, границы между раздвигающимися плитами — дивергентными. Если плиты двигаются в одном направлении, но с разными скоростями, границу между ними называют трансформной. Различия процессов, происходящих на границах того или иного типа, обусловливают формирование разных геологических структур — рифтов, глубоководных желобов, складчатых систем.
Тектонические процессы начали играть значимую роль в палеогеографии Земли, по-видимому, около 3,2 миллиарда лет. Но глобальные реконструкции тектонической истории с использованием комплекса геологических и геофизических (палеомагнитных) данных, полученных с континентов и с океанского дна, ограничены ближайшими к современности 200 миллионами лет. Это максимальный возраст океанической коры, так как более древнее дно океанов поглощено в процессе субдукции (погружения одной плиты под другую) на конвергентных границах. Поэтому моделирование отражает движение плит и эволюцию границ с полнотой, достаточной для количественного анализа, лишь со времени начала распада суперконтинента Пангея, существовавшего в позднем палеозое — раннем мезозое, около 335–170 миллионов лет назад. При этом абсолютные координаты рассчитывают в системе отсчета, связанной с движениями Африканской плиты, которые определены несколькими независимыми методами.
Для более раннего времени — вплоть до миллиарда лет назад — ученые уже построили модели, воссоздающие конфигурацию континентов и даже состояние границ между плитами, однако каждая из них охватывает разные периоды или регионы. Полностью непрерывной модели, охватывающей тектоническую историю Земли за это время, до сих пор не существовало. Реконструкция положения плит базируется на решении задач о вращении твердого тела с использованием теоремы Эйлера. При решении этих задач ученые оперируют данными о широте, долготе и углах поворота, и для ранних эпох единственным источником этих данных служат результаты палеомагнитных измерений. По направлению намагниченности пород можно установить, как изучаемое геологическое тело было ориентировано по отношению к полюсу и на какой широте находилось. Однако абсолютную долготу установить таким образом нельзя из-за симметрии геомагнитного поля относительно оси вращения Земли.
Древнейшие долготы плит восстанавливаются двумя методами. Первый из них базируется на предположении о длительной устойчивости крупнейших восходящих потоков в мантии, но применимость этого метода для докембрийских моделей оставалась спорной. Основой другого метода служит модель ортоверсии, согласно которой в каждом новом цикле образования суперконтинента плиты располагаются под углом 90 градусов к предыдущему положению. Ограничения на этот метод накладывает недостаток палеомагнитных данных.
Исследователи из Австралии, Китая и Франции под руководством Эндрю Мердита (Andrew S. Merdith) из Лионского университета-1 имени Клода Бернара сумели объединить тектонические модели, построенные для разных геологических эр.
На первом этапе ученые отобрали из множества современных моделей развития тектоники четыре, наиболее полно описывающие перемещение плит в комплексе с эволюцией границ между ними. Глобальная модель YOU19 реконструирует тектонику за последние 410 миллионов лет, то есть от среднего палеозоя до настоящего времени. В ней движение плит привязано и к палеомагнитной, и к мантийной системе отсчета. Модели DOM16 и DOM18 — региональные. DOM16 включает реконструкцию тектоники Гондваны и древних плит Лаврентия и Балтика, а DOM18 — Гондваны, Сибирской и Китайской плит. Обе эти модели относятся к раннему палеозою (500–410 миллионов лет назад). Глобальная модель MER17 охватывает промежуток времени от 1000 до 520 миллионов лет назад — неопротерозойскую эру и самую раннюю часть палеозоя. Она представлена только в палеомагнитной системе отсчета, не имеет поправки на истинное движение полюсов и не привязана к мантийной системе отсчета, то есть к твердому телу Земли. Контроль абсолютной палеодолготы в этой модели отсутствует.
Затем ученые разработали для всех моделей единую методику определения по палеомагнитным измерениям кажущегося перемещения полюсов, которое отражает изменение положения плит во времени. Эта методика потребовала корректировки местонахождения некоторых континентов в неопротерозое: Западно-Африканского кратона, Конго, Янзцы, Сино-Корейского кратона и Тарима (древний микроконтинент в составе современной Центральной Азии). Благодаря коррекции удалось уточнить конфигурацию протерозойского суперконтинента Родиния. Для палеозоя геофизики скорректировали положение Сибирского кратона и Лавруссии, объединявшей Северо-Американский (Лаврентия) и Восточно-Европейский (Балтика) древние континенты.
Для моделирования границ древних литосферных плит исследователи привлекли геологические данные, в первую очередь офиолитовые комплексы (остатки древней океанической коры на континентах, указывающие на существование зон субдукции). Осадочные бассейны, характер окаменелостей, геохимические признаки использовались для определения широтных полос и выравнивания некогда смежных регионов, условия метаморфизма совместно со структурными данными — для вывода тектонических условий.
Итогом стало построение согласованной модели, связавшей кинематику плит в докембрии и в более позднее время. Она охватила миллиард лет, истекший с начала неопротерозоя, и включила в себя один полный суперконтинентальный цикл — от Родинии до Пангеи — и позднейшие движения плит. Модель, которую авторы визуализировали в видеоролике продолжительностью 40 секунд, открывает возможности для количественного анализа древних тектонических процессов. Эти процессы не только формируют структуру недр и определяют облик земной поверхности, но и влияют на химические потоки между поверхностью и глубокими недрами, а также на развитие биосферы, так как от расположения континентальных массивов зависят циркуляция океанских вод и распределение видов на суше. Поэтому в дальнейшем модель Мердита и его коллег может послужить основой исследований, связанных с эволюцией гидросферы, атмосферы и биосферы Земли в позднем протерозое.
Ранее геофизики обнаружили, что древнее магнитное поле Земли могло генерироваться в мантии, а также рассказали, как образовалась древняя земная кора.