дестабилизация земной коры что это
Новое в блогах
Дрожь Земли: 5 опаснейших разломов в земной коре
Согласно современному научному представлению о строении и движении твердой оболочки нашей планеты, литосферные плиты, из которых и состоит верхний слой этой самой оболочки, находятся в непрестанном движении относительно друг друга.
В одних местах плиты ползут друг на друга, в других — расходятся, а на границах этих перемещений образуются сейсмически, вулканически и тектонически активные зоны. И хотя плиты движутся невероятно медленно (от 1 до 10 см в год в зависимости от направления движения), их «непоседливость» доставляет немало неприятностей и беспокойства людям, выбравшим такие места в качестве постоянного места проживания.
Какие бывают разломы
Разумеется, официальная геология классифицирует десятки видов сдвигов, разломов, разрывов и трещин в земной коре, но, к нашему счастью, все они более или менее умещаются в три основные группы по направлению движения пород:
— сброс (или разлом со смещением по падению): основное направление движения происходит в вертикальной плоскости;
— сдвиг: основное направление движения происходит в горизонтальной плоскости;
— сбросо-сдвиг: основное направление движения происходит в обеих плоскостях.
Сан-Андреас (Калифорния, США)
В 2015 году на экраны вышел фильм-катастрофа Брэда Пейтона «Разлом Сан-Андреас», по сюжету которого разлом становится причиной девятибалльного землетрясения. В реальности толчков такой мощности пока не было, поэтому сложно прогнозировать, что произойдет в Калифорнии, если такое когда-нибудь случится
Официально крупнейший и, пожалуй, самый опасный разлом на планете — калифорнийский Сан-Андреас, пролегающий вдоль границы Тихоокеанской и Северо-Американской литосферных плит.
Впервые на разлом обратил внимание профессор Калифорнийского университета в Беркли Эндрю Лоусон (Andrew Lawson) в 1895 году, он же дал геологическому образованию название в честь располагающейся в этом регионе долины Сан-Андреас.
Лоусон изучал разлом с 1895 по 1908 год, причем 18 апреля 1906 произошло сильнейшее землетрясение в Сан-Францискомагнитудой 7,7, которое ученый уже тогда связал с потенциальным разрастанием разлома на юг Калифорнии.
Разрушенная эстакада после землетрясения Лома-Приета в 1989 году
Сан-Андреас достигает почти 1200 километров в длину и регулярно становится причиной сильных землетрясений в регионе, таких как произошедшее 17 октября 1989 землетрясение Лома-Приета магнитудой 7,1.
Сейчас самым сейсмоопасным участком разлома считается тот, что проходит вблизи Лос-Анджелеса. И так как землетрясений здесь не было давно, геологи предупреждают, что новая катастрофа может быть невероятно мощной.
Тихоокеанское огненное кольцо
Тихоокеанское вулканическое огненное кольцо
Не разлом, а в буквальном смысле слова пороховая бочка Земли — Тихоокеанское вулканическое огненное кольцо — объединяет 328 из 540 известных действующих наземных вулканов на планете.
Область проходит по периметру Тихого океана: на западном побережье она тянется от полуострова Камчатка через Курильские, Японские и Филиппинские острова, остров Новая Гвинея, Соломоновы острова и Новую Зеландию до Антарктиды, а к восточной части образования относятся вулканы Северо-Восточной Антарктиды, острова Огненная Земля, Анд, Кордильер и Алеутских островов.
«Живу как на вулкане» — так может сказать любой индонезиец. Причем союз «как» он может даже опустить
И все же одним из самых опасных участков кольца считается индонезийский. Именно здесь располагается плита, формирующая дно Индийского океана и постепенно уходящая под Тихоокеанскую. Итог такого соседства — регулярные разрушительные извержения, землетрясения и спровоцированные ими цунами, которые превращают жизнь на райских островах в ад на Земле.
Озеро Киву (Руанда и Демократическая Республика Конго)
Жизнь на озере Киву кажется идиллией. До поры до времени
Одно из Великих африканских озер, пресноводное Киву, располагается в Восточно-Африканской рифтовой долине — рельефном образовании на границе Африканской и Аравийской тектонических плит.
Киву разделяет Руанду и Демократическую Республику Конго, причем на территории последней находится один из крупнейших островов мира, расположенных в пресной воде, — Иджви. Котловина озера постепенно расширяется, что вызывает не только углубление водоема, но и вулканическую активность в регионе. Так, в 1948 году произошло извержение находящегося неподалеку вулкана Китуро. Говорят, что вода в Киву тогда закипела, и вся рыба, в тот момент плававшая в озере, сварилась — местным оставалось лишь подцеплять готовый ужин из воды.
Извержение вулкана Ньирагонго, расположенного в 20 километрах к северу от Киву, в 2017 году
«Спусковым крючком» катастрофы может стать, например, извержение одного из расположенных в регионе вулканов. В 2017 году здесь в очередной раз извергался Ньирагонго — тогда обошлось.
Байкальский рифт (Россия)
В последние годы Байкал превратился в настоящий круглогодичный туристический аттракцион: летом тут ловят рыбу и купаются, а зимой катаются по льду на собачьих упряжках и внедорожниках
«А есть ли опасные разломы на территории России?» — спросите вы. Отвечаем: есть, причем один из них известен каждому соотечественнику с детства, и это одно из главных природных достояний нашей страны, объект из списка всемирного наследия ЮНЕСКО — озеро Байкал. Точнее, Байкальская рифтовая зона, или Байкальский рифт — глубинный разлом коры протяженностью 1500 километров, центральная часть которого заполнена водой. Это и есть Байкал.
По мнению геологов, рифт — результат расхождения Евразийской и Амурской плит (последняя, кстати, со скоростью 4 мм в год ползет в сторону Японии и там сталкивается с Северо-Американской и Филиппинской плитами, что и является одной из причин постоянной сейсмической активности на Японских островах).
Сейчас в это сложно поверить, но однажды вся эта красота может исчезнуть, а на ее месте будут простираться воды огромного океана
Главная опасность, как и в случае с Киву, кроется на дне озера. По сути, дно Байкала — это тектонический разлом, а берега водоема постоянно расходятся. По прогнозам ученых, через каких-то несколько сотен миллионов лет (мелочь в масштабах Вселенной) Байкал превратится в самый что ни на есть океан.
Впрочем, пока наибольшей головной болью для живущих здесь людей становятся не сильные, но регулярные землетрясения, когда часть суши уходит под землю, порой прихватывая с собой жилые дома, и более редкие, но оттого не менее опасные извержения вулканов.
Рифт Сусва (Кения)
И вновь Африка, но теперь речь пойдет о сравнительно «молодой» трещине. Рифт Сусва в Кении, несмотря на пока относительно небольшие размеры и недавнее появление (новости о разломе появились в прессе в начале апреля 2018), уже беспокоит как местных жителей, так и специалистов по геологическому прогнозированию — есть мнение, что он может расколоть континент на две части.
Как часть более крупного, так называемого Кенийского рифта Сусва, названный так в честь расположенного неподалеку одноименного вулкана, интересует ученых давно, ведь именно в этой области находится граница Африканской и Аравийской плит. В последнее время ситуация в регионе нестабильна, о чем свидетельствуют многочисленные извержения подземных вулканов.
Если трещина продолжит расти, то, по прогнозам некоторых геологов, она расколет Африку уже через 50 миллионов лет. Примерно такая же трещина, по словам сторонников этой гипотезы, более 135 миллионов лет назад «развела» Африку с Южной Америкой.
При этом неприятности для людей могут начаться раньше: через разлом проходит автомобильная трасса (по местным меркам вполне оживленная), и пока «дыру» в ней просто засыпали, но если расползание продолжится, то внушительная часть дороги просто уйдет под землю.
Точки дестабилизации земной коры приходят в движение
Землетрясение магнитудой 5,3 балла зафиксировано геологической службой США около полуночи между Сан-Франциско и Лос-Анджелесом в 25 километрах от города Кингсити в Калифорнии. Вслед за первым толчком последовал афтершок магнитудой 3,1 балла.
Полиция штата не получала данных о пострадавших и разрушениях.
Последнее сильное землетрясение в этом регионе произошло 17 января 1994 года, когда погибли 72 человека, около 9 тысяч пострадали, в городе произошли масштабные разрушения. Магнитуда составила 6,6 баллов по шкале Рихтера.
За октябрь на западном побережье США произошло уже 4 землетрясения силой более 4 баллов по 12-балльной шкале, причём каждое последующее было сильнее предыдущего.
Коричневой чертой на карте обозначен разлом.
Впрочем, землетрясение произошло не только в Калифорнии, но также и в другой неспокойной зоне. Около 1:25 по всемирному времени (это 5:25 по Москве) землетрясение произошло у северных берегов Исландии, в 18 километрах от города Сиглуфьордур. Сила толчков составила 5,7 баллов. Глубина очага — 9,9 км. О пострадавших и повреждениях ничего не сообщалось. Землетрясение может стать сигналом к извержению исландских вулканов. Так, извержение вулкана Эйяфьятлайокюдль весной 2010 года парализовало авиасообщение в Европе. Извержению также предшествовала сейсмическая активность. Извержения Эйяфьядлайёкюдля в 920, 1612, и 1821—1823 годах предшествовали извержению другого, более крупного вулкана — Катлы. По мнению ряда сейсмологов, сейчас также существует такая вероятность.
Третье за сутки землетрясение более 5 баллов произошло в России на острове Сахалин. Оно являет картину общей активизации сейсмических процессов на Дальнем Востоке (вместе с Японией). Землетрясение произошло в 26 км от Охи около 16 часов по московскому времени, очаг залегал на глубине около 10 км. Сведений о разрушениях и пострадавших нет. Магнитуда составила 5,1 балла по 12-балльной шкале.
Использованы данные Геологической службы США.
По материалам : Источник
felbert
felbertМозаика странностей
Felbert’s Freak Collection
В последнее время люди по всему миру фиксируют странные звуки, которые слышатся с небес и напоминают громоподобные стоны. С начала этого года тревожные явления слышали не раз в Канаде, в Австралии, Чили и на восточном побережье США. Ученые высказывают предположения, что странные звуки могут свидетельствовать о дестабилизации земного ядра и объяснять заметно ускорившееся смещение магнитных полей Земли. Вот одно из последних свидетельств «сотрясения небес» из Канады, обратите внимание как странно ведёт себя собака:
Ещё несколько видео со странными звуками за последний месяц: 1, 2, 3.
Есть гипотеза, что эти звуки сигнализируют о «проскальзывании» земного ядра (жидкое ядро вращается с другой скоростью, чем скорость вращения планеты). Мощнейшие колебания глубоко внутри планеты выходят наружу, а небеса отражают звук, захватывая и усиливая частоты.
Силы, нарастающие в ядре глубоко в сердце планеты, также мигрируют из глубин наружу до земной коры. Скольжение слоёв в недрах планеты создаёт невероятные давления… давление настолько велико, что температура нарастает, и плавит металлы, которые ведут себя как жидкости. Вода становится сверхперегретой плазмой и взаимодействует со слоями кристаллов кварца, излучая слышимую вибрацию.
Добавляют давления и подземные суперштормы, которые угрожают вырваться наружу, вызывая катаклизмы планетарного масштаба. Странные звуки могут являться ранним предупреждением о крупных изменениях, происходящих глубоко у нас под ногами. Настораживает также тот факт, что современная наука знает куда больше о космосе и сосредоточена на угрозе извне, выслеживая траектории далеких объектов, тогда как многое что творится в недрах планеты до конца непонятно.
Кто и как поломал Землю, или откуда возникли планетарные горные хребты и разломы
В предыдущей статье Пространственные спектры и фрактальность рельефа, силы тяжести и снимков мы уже рассмотрели фрактальность рельефа и поля силы тяжести и показали, как она возникает в относительно тонкой и хрупкой земной коре толщиной от 5 км под океанами и до 100-150 км под материками. Также мы вычислили, что под корой находится слой упругий, так что верхний масштаб фрактальности ограничен примерно 200 км. При этом, мы наблюдаем разломы и горные хребты планетарного масштаба, пересекающие моря и океаны. Очевидно, что планетарные структуры масштаба десятков тысяч километров никак не могут быть объяснены явлениями в земной коре масштаба десятков-сотен километров, хотя все эти структуры самоподобны, то есть фрактальны. Таким образом, именно планетарные структуры являются первичными и воспроизводятся на меньших масштабах при тектонических процессах за счет хрупкости земной коры. Сегодня мы поговорим о том, откуда возникли эти первичные структуры, или кто и как «поломал» Землю.
Слева направо приведены следующие изображения Земли: магнитное поле (EMAG2), гравитационное (Sandwell & Smith), рельеф ( GEBCO 2020 Bathymetry). Смотрите HOWTO: Visualization on The Globe
Введение
Линеаменты вот уже более столетия и до наших дней служат предметом одного из главных споров в среде геологов и геофизиков — что это такое и реально ли они существуют:
Линеаменты — (лат. lineamentum — линия, контур), линейные и дугообразные элементы рельефа планетарного масштаба, связанные с глубинными разломами. Данный термин предложил использовать в 1904 г. американский геолог У. Хоббс (Хобс). Википедия: Линеаменты
Впрочем, с появлением общедоступных данных дистанционного зондирования планеты эти споры лишены смысла, поскольку существование линеаментов легко доказать. На карте ниже показан способ определить границы всех тектонических плит и микроплит нашей планеты, при выделении по указанным точкам штрихов и анализе их направленности ясно проявляются несколько наиболее вероятных направлений, как будет показано далее:
Тектонические плиты и микроплиты, образующие планетарного масштаба структуры, легко выделить с помощью высокочастотной гауссовой фильтрации глобальной модели поля силы тяжести, см. ноутбук
Обратимся за современным определением к энциклопедии:
ЛИНЕАМЕ́НТ (от лат. lineamentum – линия), линия резкого изменения параметров геологич. структуры, географич. среды и геофизич. полей. К Л. относят: границы континентальной и океанич. коры; зоны сочленения платформ, плит и складчатых поясов; линии выклинивания тектонических зон; линейное расположение вулканов… Большая российская энциклопедия: ЛИНЕАМЕ́НТ
Ниже мы рассмотрим основные свойства линеаментов, а также их происхождение и необходимость анализа для геологических исследований всех масштабов.
Системы линеаментов
Исследования по территории всей планеты, однозначно доказывают существование выделенных направлений. Как показано на диаграммах ниже:
Розы-диаграммы направлений линеаментов континентов Земли. а – сопоставление общей направленности различных форм рельефа, б – направленность всех форм по всем континентам, в – роза-диаграмма направлений разрывных нарушений по всем континентам Земли. На круговых шкалах – направления лимба, градусы; на радиальных – количество замеров (в среднем по 165 км) [Анохин, 2006, 2011; Анохин, Маслов, 2009, 2015]
С практической точки зрения чрезвычайно важна фрактальность линеаментов, поскольку их выделение позволяет получить информацию для геологического исследования всех масштабов:
По масштабу выделяют Л. планетарные, региональные и локальные. Л. всех масштабов образуют 2 системы: ортогональную, состоящую из Л. субмеридионального и субширотного простираний, и диагональную, образованную Л. северо-западного – юго-восточного и юго-западного – северо-восточного простираний; при этом Л. всех простираний равноудалены друг от друга (т. н. правило эквидистантности). Предполагается, что появление Л. иных простираний связано с тектоническим вращением блоков земной коры, в которых они начали развиваться. Большая российская энциклопедия: ЛИНЕАМЕ́НТ
Обратим внимание, что для всех масштабов линеаменты имеют одни и те же направления, складывающиеся в две системы: крестообразную (горизонтальные плюс вертикальные) и диагональную. Более детальный анализ показывает, что
Было установлено, что повсеместно в макро, микро- и мезорельефе фиксируются четыре главные системы линеаментов: субширотная (90°-100°), субмеридиональная (350°-10°), и две диагональных (северо-западная, и северо-восточная). В отдельных районах выявлена второстепенная система линеаментов северо-восточного простирания (60°) (Анохин et al., 2016).
Если следовать терминологии энциклопедии, это соответствует двум с половиной линеаментным системам.
Планетарные структуры имеют огромную протяженность и глубину, а региональные и локальные имеют те же направления, но связаны с соответствующей тектоникой. Образование планетарных структур предшествовало началу земной тектоники.
Образование планетарных линеаментов
Поскольку появление планетарного масштаба структур может быть объяснено лишь силами планетарного масштаба, мы уже близки к разгадке:
Образование планетарных и региональных Л. связывают с напряжениями, возникающими в результате вращения Земли вокруг своей оси и её обращения вокруг Солнца (ротационные причины); происхождение локальных Л. может быть обусловлено тектоническими перестройками внутри блока земной коры. Большая российская энциклопедия: ЛИНЕАМЕ́НТ
Энциклопедия дает нам еще не всю разгадку, поскольку равномерное вращение не должно приводить к растрескиванию всей планеты. Отсюда остается один шаг до полного объяснения:
Регулярность систем разломов, одинаково ориентированных на разном масштабном уровне указывает на постоянство векторов динамических нагрузок их образовавших. Такие напряжения могут создавать только глобальные, планетарные, космогенные факторы, прежде всего – изменение скорости вращения Земли (Ю.Л. Ребецкий, 2015).
Иными словами, это означает, что
Фактически на Земле, и на континентах и в океанах развита единая закономерно ориентированная тектонолинеаментная сеть древнего заложения, образованная на ранних этапах формирования жесткой коры под влиянием космических, существенно ротационных факторов (Анохин et al., 2016).
Линеаменты и тектоника
В результате взаимодействия вращения и охлаждения внешней оболочки Земли разделенные линеаментами участки литосферы планеты начали самостоятельное движение, образуя так называемые тектонические блоки. Легко показать, что тектоническая активность возникла после формирования структур линеаментов — действительно, планетарные линеаменты пересекают тектонические плиты, то есть являются первичными структурами. Кроме того, существование нескольких систем линеаментов приводит к выводу, что они возникли в разное время, то есть были вызваны разновременными явлениями изменения скорости вращения:
Само наличие сетей сквозных структур, пересекающих океаны, континенты и друг друга, указывает на то что океаны образовывались «in situ» путем деструкции и прогибания участков некогда единой жесткой протокоры Земли. Важно отметить, что уже в раннем докембрии в пределах щитов Европейской платформы были сформированы регулярные разломные сети, которые сегодня являются фрагментами протяженных сквозных структур (Анохин et al., 2016).
Докембрий охватывает 85% ранней истории Земли, а ранний докембрий здесь соответствует геологическому времени от 4-х до 3-х миллиардов лет назад. Тектоническая активность нашей планеты началась непосредственно после этого, то есть около 3 миллиардов лет назад, а диагональные линеаменты сформировались гораздо позже, в эпоху мезозоя, начавшуюся четверть миллиарда лет назад:
Существует мнение, что диагональные сети начали более активно развиваться в мезозое, в связи с существенным изменением скорости вращения Земли, сопровождающимся перераспределением глобальных геодинамических нагрузок в литосфере. Эти нагрузки уже не находили реализации в ортогональных разломных системах и оживляли новые трещины диагональных направлений. Мезозой стал эрой начала формирования современного глобального лика Земли. Главенствующую роль уже начинают играть процессы деструкции, обусловившие разламывание и взаимное перемещение отдельных участков, фрагментов и блоков этой коры. Собственно говоря, это и есть время начала образования впадин современных океанов (Анохин et al., 2016).
Поздние (диагональные) линеаменты имеют меньшую протяженность и меньшую глубину залегания, а также непосредственно связаны с современной фрактальной структурой поля силы тяжести и рельефа.
Заключение
В заключение сделаем практические выводы: поднятия глубинных структур (интрузии) и русла крупных рек соответствуют древней (крестообразной) системе линеаментов, а русла мелких рек и ручьев, а также рудные выходы приурочены к поздним (диагональным) линеаментам. Таким образом, региональный анализ древних линеаментов позволяет найти поднявшиеся геологические блоки с полезными ископаемыми и глубинные области нефтегазообразования, в то время как анализ более мелких поздних линеаментов помогает выделить непосредственно рудные и нефтегазоносные участки.
Если посмотреть на 3D геологические модели из моих предыдущих статей, легко заметить, что на всех них явно видны рассмотренные выше системы линеаментов. В Западной Сибири выделяются две с половиной системы линеаментов, а в Индонезии — две системы. Именно на пересечении выходов глубинных рудоносных структур системами линеаментов и расположены рудные месторождения. Существует связь и с нефтегазоносностью — линеаменты определяют области флюидообразования и направления их миграции. Разломность непосредственно связана с флюидопроницаемостью, что можно в динамике выделить на космических снимках, и об этом мы поговорим в следующий раз. В следующей статье мы покажем, насколько линеаменты важны для геологического анализа и как они позволяют находить даже малые месторождения полезных ископаемых по открытым данным дистанционного зондирования с помощью выделения линеаментов методами компьютерного зрения.
Ссылки
Анохин В.М. Глобальная дизъюнктивная сеть Земли: строение, происхождение и геологическое значение. 2006. С-Пб: Недра. 161 с.
Анохин В.М. Строение планетарной линеаментной сети. LAP LAMBERT Academic Publishing, GmbH & Co. KG. 2011. Saarbrucken, Germany. 247 с.
Анохин В.М., Маслов Л.А. Закономерности направленности линеаментов и разломов дна Российской части Японского моря. // Тихоокеанская геология. 2009. №2. С. 3-16.
Анохин В.М., Маслов Л.А. Опыт изучения закономерностей направленности и протяженности линеаментов и разломов в регионах // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2015. №1. Вып. 25. С. 231-242.
В архее корни континентов росли за счет двусторонней субдукции
Рис. 1. Перидотит, главная порода верхней мантии Земли, под микроскопом. Снимок сделан в проходящем свете. Размер поля зрения — 200 мкм. Порода состоит из оливина (прозрачно-зеленый), ортопироксена (серо-зеленый) и граната (фиолетовый). Фото с сайта tcd.ie
Результаты петролого-термомеханического моделирования, выполненного на трех суперкомпьютерах в России и Швейцарии, показали, как менялись свойства подстилающей литосферу верхней мантии на протяжении четырех с половиной миллиардов лет — от архея до наших дней. Результаты исследования, первая часть которого была опубликована в прошлом году, а вторая — совсем недавно, позволили ответить сразу на несколько основополагающих вопросов геологии: в каком виде работала тектоника плит на ранних этапах развития нашей планеты, как образовались первые кратоны — зародыши континентов, почему их корни уходят так глубоко в мантию и почему к этим корням приурочены практические все алмазы на Земле. Ключевой вывод из построенной модели заключается в том, что в архее литосферные плиты были более пластичными, чем сейчас, поэтому при их столкновении одна из погружающихся в мантию плит увлекала за собой вторую, — то есть субдукция была двусторонней. Этот механизм обеспечивал доставку в мантию веществ, необходимых для формирования гранитной магмы, ставшей впоследствии «фундаментом» континентальных плит.
Тектоника плит — важнейший механизм, определяющий не только современный облик Земли, но и его эволюцию в геологическом прошлом. В основе этого механима — два основных процесса: раздвижение плит в зонах срединно-океанических хребтов и континентальных рифтов (спрединг) и компенсирующее это раздвижение погружение океанических литосферных плит под континентальные в зонах субдукции. Известно, что первые блоки континентальной коры возникли на Земле в архее (4,0–2,5 млрд лет назад) и что тогда же начались их горизонтальные перемещения. Но когда заработал механизм субдукции, неизвестно. Разные методы исследований дают разные ответы на этот вопрос.
Например, изучение изотопного состава серы в сульфидных включениях в алмазах показало, что атмосферная сера начала попадать в мантию около 3 млрд лет назад, а это значит, что уже в среднем архее в том или ином виде существовала субдукция (см. новость Сульфидные включения в алмазах свидетельствуют о том, что субдукция началась еще в архее, «Элементы», 06.05.2019).
Геологи, изучавшие древнейшие на Земле минералы — цирконы из района Джек-Хиллс (Jack Hills) в Западной Австралии возрастом от 4,3 до 3,0 млрд лет, — установили, что примерно 3,6 млрд лет назад в составе этих минералов магматического происхождения появился алюминий — типичный химический элемент континентальной земной коры и индикатор ее глубинного плавления при погружении в мантию. По мнению исследователей, это свидетельствует о том, что уже в раннем архее сформировались первые протоконтиненты, а осадочный материал с поверхности начал затягиваться в мантию в зонах субдукции (см. новость Древнейшие цирконы из Джек-Хиллс указывают на то, что тектоника плит началась 3,6 миллиарда лет назад, «Элементы», 21.05.2021).
Однако прямые геологические признаки субдукции в виде магматических пород, характерных для островных дуг и активных континентальных окраин — двух главных типов тектонических обстановок зон субдукции, — появляются в геологической летописи только в позднем протерозое (то есть уже позже 1 млрд лет назад). До этого, если механизм тектоники плит и действовал, то он, скорее всего, отличался от современного.
Ученые из России, Швейцарии и Австралии во главе с заведующим кафедрой петрологии и вулканологии геологического факультета МГУ им. Ломоносова профессором Алексеем Перчуком построили модель процессов, происходивших в мантии Земли на ранних этапах развития планеты. Результаты моделирования позволили ответить на целый ряд основополагающих вопросов геологии, в том числе — понять, как сформировались корни континентов, почему именно к ним приурочены области образования алмазов и чем отличались тектоно-магматические процессы в архее от современных. Первая часть работы была опубликована в прошлом году в журнале Nature (A. L. Perchuk et al., 2020. Building cratonic keels in Precambrian plate tectonics), вторая вышла недавно в журнале Scientific Reports.
Фрагменты древнейшей коры сегодня сохранились только на континентальных платформах, да и то, в их наиболее древних частях — кратонах, представляющих собой ядра протоматериков. Мощность литосферы — внешней твердой оболочки Земли, состоящей из земной коры и связанной с ней верхней части мантии — под кратонами достигает 150–200 км (а кое-где — и 350 км), в то время как в среднем для континентальной литосферы она составляет около 80 км. Эти самые глубокие области литосферы — так называемые корни континентов. На протяжении длительного геологического времени они обеспечивали тектоническую стабильность древних континентальных блоков и их гидростатическое равновесие с подстилающей мантией, поэтому их еще называют «кили кратонов» (cratonic keels).
Относительно механизма формирования глубинных корневых зон кратонов есть несколько гипотез. Некоторые ученые считают, что корни кратонов образовались в процессе субдукции, другие связывают их появление с вертикальным переносом вещества мантийными плюмами или с процессами переплавления оснований океанических платформ.
На первом этапе исследования авторы, используя мощности суперкомпьютера МГУ «Ломоносов» и двух суперкомпьютеров Швейцарской высшей технической школы Цюриха, создали цифровую модель, воспроизводящую особенности древней (архейской) океанической коры и мантии. Оказалось, что процесс субдукции в тот период сильно отличался от современного.
В современных условиях в зонах субдукции тяжелая верхняя мантия погружается вместе с океанической земной корой под континент и уходит на огромную глубину в сотни и тысячи километров. Там она вовлекается в процесс конвекции и циркулирует вместе с остальной мантией.
В докембрии верхняя мантия под океанами была довольно простого минерального и химического состава — в значительной степени обедненная железом и прочими компонентами, которые израсходовались на выплавление базальтов океанической коры. Мощность ее в то время была примерно в 4 раза больше, чем сейчас, — 30 км (по сравнению с современными 7 км). Кроме того, такая мантия, которую еще называют деплетированной или истощенной, была на 200–300°C горячее современной, а также более легкой и пластичной.
Если предыдущие гипотезы предполагали, что в корнях континентов находится переработанная кора (гипотеза субдукции) или приплавленный к основанию кратонов мантийный материал (гипотеза мантийных плюмов), то теперь авторы выяснили, что корни континентов формировались по неизвестному ранее механизму вязкого подтекания деплетированной мантии, подстилавшей когда-то океаническую кору.
Результаты моделирования показали, что докембрийская деплетированная мантия обладала положительной плавучестью по отношению к нижележащей мантии. Она не уходила на глубину вместе с субдуцирующей плитой, а отделялась от коры и затекала гигантскими «языками» под континент, где впоследствии застывала. В конце концов под континентом образовывалась стабильная слоистая структура, не конвектирующая вместе с остальной мантией. Эта структура оставалась на месте в течение нескольких миллиардов лет, формируя корни континентов. Они холоднее и легче, чем окружающая их мантия, а также отличаются от нее по составу.
Долгие годы перед геологами стоял неразрешимый вопрос: каким образом образовались эти древние корни и как они связаны с континентами. Интерес к этим структурам был связан еще и с тем, что мантийные части кратонов — это кладовая алмазов нашей планеты. Практически все алмазы, приуроченные к корням континентов, имеют возраст около 3 млрд лет, а в современных условиях не образуются.
Авторы исследования объясняют это следующим образом: при архейской субдукции легкая и горячая часть океанической мантии затекала под континент, а оставшаяся более холодная часть, насыщенная водными минералами, погружалась вместе с океанической корой на глубину. Там из нее выделялись углеродсодержащие водные флюиды, которые поднимались вверх и, дойдя до корней континентов, насыщали их углеродом, из которого позже кристаллизовались алмазы (рис. 2).
Рис. 2. Модель образования алмазоносных корней континентов. Красным пунктиром показана граница устойчивости графит-алмаз. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
В природных условиях кристаллизации алмазов начинается на глубинах от 140 км и более, при давлении выше 40 тысяч атмосфер, а на поверхность они выносятся в составе кимберлитовых расплавов, которые формируются из пород истощенной мантии ниже границы перехода графит-алмаз. При этом сами кимберлиты и трубки взрыва — структуры, которые они заполняют при прорыве на поверхность — обычно гораздо моложе захваченных ими из корневых частей континентов алмазов. Образование кимберлитовых трубок связано с периодами тектоно-магматической активизации древних кратонов, когда в них образуются каналы, по которым кимберлитовые расплавы за считаные часы поднимаются от основания континентов к поверхности.
На втором этапе исследований ученые с помощью своей модели посмотрели, как менялся механизм судбукции от архея (когда температура подлитосферной мантии превышала 1550°C) до наших дней (около 1300°C). Оказалось, что при температуре выше 1500°C ее характер коренным образом меняется. В отличие от субдукции в современном варианте, когда при встрече двух относительно жестких литосферных плит одна погружается под другую, для архейского времени более вероятным был механизм двусторонней «мягкой» субдукции, когда при столкновении двух пластичных океанических плит одна из них, погружаясь в мантию, увлекала за собой край другой (рис. 3).
Рис. 3. Петролого-термомеханическая модель двусторонней субдукции. При встречном столкновении двух океанических литосферных плит образуется V-образный клин (V-shaped terrain) — прообраз киля кратона. В его основании происходит частичное плавление океанической коры (partially molten oceanic crust), а оторвавшиеся от субдуцирующих плит фрагменты деплетированной мантии (depleted mantle) затем поднимаются к основанию клина, насыщая его углеродом, кремнеземом и водой (hydrated mantle). Рисунок из обсуждаемой статьи в Scientific Reports
При этом в верхней мантии формировался клин глубиной до 150–200 км, состоящий из пород океанической коры с большим количеством воды и прочих летучих компонентов. При переплавке на глубине такие породы могли дать начало очагам гранитной магмы, а мантийные клинья — стать зародышами кратонов, ядер современных континентов (наличие гранитного слоя — главное отличие континентальной земной коры от океанической) (рис. 4).
Рис. 4. Архейская двусторонняя (слева) и современная односторонняя (справа) субдукции. Авторы исследования считают, что корни древних континентов росли за счет образования под ними мантийного клина из «затекающего» слоя обедненной (истощенной) по своему химическому составу подлитосферной мантии. Рисунок из пресс-релиза к обсуждаемой статье в Scientific Reports
Истощенная мантия присутствует под океанической корой и в настоящее время, однако сейчас ее толщина значительно меньше. Она возникает при частичном плавлении перидотитов (основных пород верхней мантии) в зонах спрединга, где рождается океаническая кора. К тому же, сейчас слой деплетированной мантии расположен не в основании, а внутри литосферной плиты, и вместе с ней погружается в зоне субдукции до переходной зоны мантии или глубже — в нижнюю мантию.
Выводы, которые делают авторы исследования, исходя из результатов цифрового моделирования, хорошо согласуются с практическими наблюдениями. Данные геофизических и геохимических исследований указывают на то, что в корнях континентов кора и литосферная мантия оставались связанными на протяжении всей геологической истории — от архея до наших дней. Причем по составу эта архейская субконтинентальная мантия сильно отличается от окружающей ее более молодой мантии — в ней заметно выше отношение Si/Mg, она существенно холоднее и имеет признаки значительной метасоматической переработки в более позднее протерозойское и фанерозойское время (W. L. Griffin et al., 2003. The origin and evolution of Archean lithospheric mantle).
А результаты недавнего исследования ксенолитов перидотитов показали, что породы из килей архейских кратонов существенно обогащены кремнеземом по сравнению с перидотитами из более молодой мантии (E. L. Tomlinson, B. S. Kamber, 2021. Depth-dependent peridotite-melt interaction and the origin of variable silica in the cratonic mantle), что может указывать на их образование из деплетированных расплавов. По данным авторов, такие богатые кремнеземом породы перестали образовываться в литосферной мантии Земли примерно 2,5 млрд лет назад, на рубеже архея и протерозоя.
Источники:
1) A. L. Perchuk, T. V. Gerya, V. S. Zakharov, W. L. Griffin. Building cratonic keels in Precambrian plate tectonics // Nature. 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2806-7.
2) A. L. Perchuk, T. V. Gerya, V. S. Zakharov, W. L. Griffin. Depletion of the upper mantle by convergent tectonics in the Early Earth // Scientific Reports. 2021. DOI: 10.1038/s41598-021-00837-y.