Суперконтинентальные циклы синхронизированы с периодами активности суперплюмов
Теория тектоники литосферных плит, связывающая их движение с конвекцией в мантии, хорошо объясняет механизм взаимодействия между плитами, но не дает ответа на вопрос, почему земные континенты с определенной периодичностью то собираются вместе, формируя суперконтиненты, то снова расходятся. Австралийские ученые предложили оригинальную гипотезу о связи стадий суперконтинентального цикла с эволюцией структур нижней части мантии Земли — крупных областей с низкой скоростью сдвига (LLSVP), которые еще называют суперплюмами. Пока ученые не делают выводов о том, что является причиной, а что следствием (и является ли), указывая лишь на то, что может иметь место синхронизация между поведением литосферных плит и процессами на границе ядра и мантии.
В конце 1970-х годов с помощью новаторского тогда метода глубинного зондирования Земли — сейсмической томографии (Seismic tomography) — геофизики обнаружили на границе ядра и мантии (Core–mantle boundary) две антиподально расположенные области, в которых скорости прохождения поперечных сейсмических волн — так называемых S-волн, или сдвиговых волн, — были аномально низкими. Одна из этих областей находится под африканским континентом, другая — под южной частью Тихого океана (рис. 1). Их назвали крупными областями (провинциями) с низкой скоростью сдвига (Large low-shear-velocity provinces, LLSVP), или суперплюмами, по аналогии с мантийными плюмами — горячими «каплями» мантийного вещества, всплывающими от границы ядра и мантии к поверхности. Для мантийных плюмов тоже характерны пониженные скорости прохождения S-волн.
В поперечнике суперплюмы достигают нескольких тысяч километров и, предположительно, поднимаются от внешнего ядра вверх в мантию на тысячу километров (рис. 2).
Рис. 2. Суперплюмы в мантии как они выглядят с Северного (а) и Южного (b) полюсов. В центре показано ядро Земли с проекцией на него контуров континентов. Рисунок из статьи S. Cottaar, V. Lekic, 2016. Morphology of seismically slow lower-mantle structures. См. также анимацию с сайта ru.wikipedia.org
Относительно плотности вещества в суперплюмах у ученых нет единого мнения, но ясно, что оно в пределах LLSVP более разогретое, чем в окружающей мантии, поэтому скорости распространения S-волн в них ниже.
Рис. 3. Упрощенная модель разветвленной системы LLSVP, каждая из ветвей которой в верхней мантии прослеживается как самостоятельный мантийный плюм (плюмы показаны темно-синим). Числами обозначена глубина в км. Рисунок с сайта eos.org
Недавние детальные исследования нижней и верхней мантии с применением сейсмической томографии (K. Hosseini et al., 2019. Global mantle structure from multi-frequency tomography using P, PP and P-diffracted waves) показали, что многие мантийные плюмы, над которыми на поверхности Земли располагаются вулканы так называемых горячих точек и целые области вулканизма, связанного с расплавами высокотемпературного глубокого мантийного происхождения, являются ветвями, отходящими от суперплюмов, а не самостоятельными гигантскими каплями разогретого пластичного вещества, поднимающимися к поверхности от пограничного слоя ядро-мантия, как считалось ранее (рис. 3).
Такие ветви (или струи) разогретого материала, отходящие от Африканского суперплюма, фиксируются под Исландией, островом Вознесения, архипелагом Кергелен, Афарской котловиной, Канарскими и Азорскими островами. Ответвлениями Тихоокеанской LLSVP являются мантийные плюмы под островом Пасхи, Галапагосскими и Маркизскими островами, Гавайями и Французской Полинезией. Все эти острова имеют вулканическое происхождение и сложены базальтами.
Австралийские ученые из Университета Кёртина, сравнив состав 40 тысяч исследованных и датированных в предыдущих работах образцов мантийных базальтов, излившихся за последние 3 млрд лет, показали, что эти базальты, связанные с плюмовым магматизмом, в геохимическом плане легко отличимы от базальтов срединно-океанических хребтов (тип MORB — mid-ocean-ridge basalts) и островных дуг (тип IAB — island arc basalt) по повышенным содержаниям в них MgO, никеля, хрома, а также по характерному отношению Fe/Mn (рис. 4). Результаты этой работы опубликованы в статьях в журналах Nature Communications и Geology.
Рис. 4. Отношения Cr/Ni, Ni/Mg, Cr/Mg и (Fe/Mn)/Mg в плюмовых базальтах (верхний ряд), в базальтах срединно-океанических хребтов (средний ряд) и базальтах островных дуг (нижний ряд). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications
Получив геохимические маркеры плюмового магматизма, авторы сопоставили периоды его активизации с временем существования суперконтинентов за последние 3 млрд лет.
Примерно каждые 600 млн лет практически вся земная суша (все блоки континентальной коры) собираются вместе, и на Земле в это время присутствуют только один гигантский материк и один огромный океан. Затем начинается рифтогенез, суперконтинент раскалывается на несколько континентальных литосферных плит, которые растаскиваются по поверхности Земли внутренними силами, приводящими плиты в движение (см. Тектоника плит), пока все они снова не соберутся вместе.
Интервал времени между последовательными объединениями всей суши планеты в единый континент называется суперконтинентальным циклом. Ученые восстанавливают контуры и время существования древних суперконтинентов по фрагментам одновозрастной коры, находящихся в настоящее время иногда очень далеко друг от друга. Местоположение древних фрагментов суши определяется с помощью палеомагнитных исследований.
Сейчас мы живем в период распада суперконтинента Пангея, максимальная сборка которого произошла 335 млн лет назад: Атлантический океан расширяется, а Тихий океан закрывается, Индостан при этом движется на север, сминая Евразийскую плиту. Сейчас континенты находятся на этапе почти максимального разъединения, поэтому время жизни Пангеи определяется как 0,3–0,0 млрд лет.
Другие суперконтиненты, существование которых признается большинством ученых, — Родиния (время жизни 1,1–0,75 млрд лет назад) и Нуна (Колумбия, 1,8–1,2 млрд лет назад), а в архее гипотетически существовали суперконтиненты Кенорленд (2,7–2,1 млрд лет назад), Ур (2,8–2,4) и Ваальбара (3,6–2,8 млрд лет назад).
Некоторые исследователи относят к суперконтинентам Паннотию — крупный массив суши, который начал формироваться 750 млн лет назад в результате раскола Родинии. 600 млн лет назад ее куски снова собрались в полярной области, но объединения их в единый материк так и не произошло — они снова начали расходиться. В это время Паннотия распалась на части, самыми крупными из которых были Гондвана и Лавразия, которые тоже иногда относят к категории суперконтинентов.
Изучив периоды активизации плюмового магматизма в истории Земли, авторы выяснили, что они длятся по 500–700 млн лет, то есть примерно столько же, сколько и суперконтинентальный цикл, а эпизоды активизации плюмов (2,8–2,3; 1,6–1,3; 1,0–0,7 и 0,3–0,0 млрд лет назад) примерно совпадают с периодами существования суперконтинентов (рис. 5).
Рис. 5. Периоды активизации плюмового магматизма в истории Земли на основе геохимических индикаторов — отклонений содержания Cr, Ni и MgO от средних (оранжевые и серо-красные графики). По горизонтальной оси — возраст в млрд лет. Вертикальные зеленые полосы — периоды существования суперконтинентов Пангея, Родиния, Нуна (Колумбия) и гипотетического суперконтинента Суперия (Кенорленд). Размытые зеленые полосы — области неопределенности возраста суперконтинентов, а также периоды их сборки и разрушения. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications
Не делая выводов о том, что является причиной, а что следствием, авторы говорят о наличии синхронизации в поведении литосферных плит на поверхности Земли и процессами, протекающими на границе мантии и ядра. Фаза наибольшего прогрева этой глубинной области и развития в ней зон LLSVP совпадает с фазой максимальной сборки суперконтинентов и началом их распада, а холодная фаза (серо-красные графики на рис. 5) — с наиболее активными процессами движения литосферных плит.
Из рис. 5 видно, что первая и самая мощная холодная фаза началась в раннем протерозое, примерно 2,3 млрд лет назад. Скорее всего, по мнению авторов, это связано с запуском в это время механизма тектоники плит. В недавней новости Кислородная революция и событие Ломагунди связаны с тектоническими процессами в раннем протерозое («Элементы», 27.12.2019) рассказывалось о том, что на такое же время начала тектоники плит указывают и другие данные.
Основываясь на более детальных данных для двух последних суперконтинентальных циклов (Пангея и Родиния) авторы построили динамическую модель, связывающую процессы эволюции суперплюмов со сборкой и распадом суперконтинентов (рис. 6).
Рис. 6. Динамическая модель «суперконтинент—суперплюм» (построена на основе статьи Z. X. Li et al., 2019. Decoding Earth’s rhythms: Modulation of supercontinent cycles by longer superocean episodes). А — после формирования субдукционного пояса вокруг окончательно собравшейся 900 млн лет назад Родинии под ней формируется LLSVP, а с противоположной стороны, под океаном, — антиподальный суперплюм. Над LLSVP в период 850–600 млн лет назад образуются восходящие мантийные плюмы, отражениями которых на поверхности являются горячие точки с базальтами океанических островов (OIB), а также океанические (O-LIP) и континентальные (C-LIP) крупные магматические провинции (LIP — Large igneous provinces, подробнее о них см. в новости В крупных магматических провинциях могло быть два источника магмы, «Элементы», 18.04.2018); В — 600–350 млн лет происходит полный распад Родинии и вновь образовавшиеся континенты перемещаются в противоположное полушарие, где активность антиподальной LLSVP затихает. Суперплюм Родинии все еще активен до сих пор под Тихим океаном. С — 200 млн лет назад вокруг собравшейся Пангеи смыкается субдукционный пояс и погружающиеся плиты дают начало формированию под суперконтинентом нового суперплюма. D — современная конфигурация континентов и суперплюмов. Желтым показаны субдуцирующие океанические плиты, давшие начало суперплюму Родинии, синим — суперплюму Пангеи, зеленым — современные, образовавшиеся после распада Пангеи. Рисунок из обсуждаемой статьи в Geology
Авторы отмечают наличие динамической связи между тектоникой плит и суперплюмовыми событиями, подчеркивая, что именно субдуцирующие плиты дают материал для областей LLSVP. По крайней мере, так это, по их мнению, было в двух последних суперконтинентальных циклах. Что было причиной, а что следствием в архейском суперцикле, пока остается непонятным.
Источники:
1) Hamed Gamal El Dien, Luc S. Doucet, Zheng-Xiang Li. Global geochemical fingerprinting of plume intensity suggests coupling with the supercontinent cycle // Nature Communications. 2019. DOI: 10.1038/s41467-019-13300-4.
2) Luc S. Doucet, Zheng-Xiang Li, Richard E. Ernst, Uwe Kirscher, Hamed Gamal El Dien, Ross N. Mitchell. Coupled supercontinent–mantle plume events evidenced by oceanic plume record // Geology. 2019. DOI: 10.1130/G46754.1.
Владислав Стрекопытов
Рис. 1. Две крупные области пониженных скоростей прохождения поперечных волн (LLSVP) по данным сейсмической томографии — африканская и тихоокеанская (оранжевые пятна). Рисунок из статьи P. Koelemeijer et al., 2017. Density structure of Earth’s lowermost mantle from Stoneley mode splitting observations