В начале 1900-х годов, когда немецкий метеоролог Альфред Вегенер впервые предложил идеи, которые позже были развиты в теорию тектоники плит, его коллеги высмеивали его. Как могли такие огромные массы камней, как континенты, дрейфовать по планете? Теперь геологи знают, что континенты плавают на горячих камнях в мантии Земли, которые ведут себя как густая жижа.
В новой публикации в Nature исследователи предлагают своего рода дополнение к теории тектоники плит. Они говорят, что древний раскол тектонических плит создает бурлящие волны в мантии, которые медленно падают под континентами в течение десятков миллионов лет, формируя рельеф глубоко внутри континентальных недр.
Исследователи получают лучший прием, чем Вегенер. «Это сдвиг парадигмы», — говорит Йерун ван Хунен, геодинамик из Даремского университета. «Это не такой большой сдвиг парадигмы, как открытие тектоники плит… но это все равно весьма примечательное открытие». Скотт Кинг, геофизик из Политехнического института Вирджинии и Государственного университета, который рецензировал исследование, говорит, что ученые часто преувеличивают последствия своих исследований. «Я думаю, в этом случае они, возможно, не подняли столько шума… сколько могли бы», — говорит он.
Внутренние части континентов, или кратоны, представляют собой древние, стабильные тела горных пород, далекие от бурных пластов тектонических плит, которые ответственны за большую часть топографии Земли.
Поэтому несколько удивительно, что некоторые кратоны скрывают высокие плато с загадочным происхождением, среди них Бразильское нагорье к северо-западу от Рио-де-Жанейро, Западные Гаты на юге Индии и центральное плато Южной Африки. Тому Джернону, геологу из Университета Саутгемптона, расположение этих плато показалось «подозрительно систематическим»: их парад, один за другим, начинается вблизи побережий, и они, по-видимому, постепенно молодеют по мере удаления от побережья.
Это было знакомое чувство; он видел ту же самую картину в Южной Африке с возрастом и расположением кимберлитов, алмазосодержащих вулканических отложений. Эти подсказки привели Гернона к предположению в прошлом году, что извержения кимберлитов вызваны длинными, медленными мантийными волнами, распространяющимися внутрь от континентальных краев. Он задавался вопросом, может ли что-то подобное толкать плато вверх.
Чтобы проверить эту идею, Джернон и его коллеги опирались на модель, которая имитирует движения в мантии Земли после континентального распада, когда горячая мантийная порода поднимается в зазор между расходящимися тектоническими плитами. Подобно лавовой лампе, эта порода охлаждается, становится плотнее и тонет в перемешивающемся круговом узоре, называемом конвекцией. В модели, которая охватывала двумерный срез Земли, который был намного шире других симуляций, это перемешивание распространялось в поперечном направлении по обе стороны разлома, как волна. Модель показывала, как волны рябью пробегают по подбрюшьям континентов со скоростью от 15 до 20 километров за миллион лет, что составляет незначительную часть скорости ленивца.
По словам Гернона, когда они катятся мимо килей континентов, такие волны будут соскребать скалу и поглощать ее. Это оставляет после себя более легкую область континента, которая плавно поднимается, создавая плато высотой около 1-2 километров. Со временем силы ветра и воды будут врезаться в эту недавно обнажившуюся землю, размывая скалу, еще больше уменьшая ее нагрузку и заставляя ее подняться еще на полкилометра. Гернон сравнивает этот процесс с воздушным шаром, который сбрасывает свои мешки с песком и взлетает в небо. Возникающие в результате топографические поднятия в Бразилии, Индии и Южной Африке, по его словам, являются «призраком давно прошедшего эпизода рифтинга».
Чтобы подтвердить истинность модели, Гернон и его команда проанализировали опубликованные геологические данные, охватывающие 47 высокогорных участков в Южной Африке и 20 в Бразилии, регионы, которые разделились, когда суперконтинент Гондвана раскололся 140 миллионов лет назад. Эти данные фиксируют температурную историю пород, которые когда-то были погребены в каждом месте, показывая, когда они были подняты и охлаждены. Команда обнаружила, что момент максимального охлаждения в каждом месте — предположительно, когда эта часть высокогорья поднималась быстрее всего — отслеживал смоделированное развитие волн мантии по мере их миграции на континент. Например, в Южной Африке подъем и охлаждение были последними в Лесото, говорит Гернон, который может похвастаться многими драматическими особенностями суши. Вероятно, после этого волна мантии затихла.
Клэр Карри, геофизик из Университета Альберты, говорит, что теория объясняет, как континентальные внутренние районы, которые обычно считаются «скучными», на самом деле могут быть весьма динамичными. «Мы просто не видим этого, потому что все это происходит глубоко под поверхностью Земли», — говорит она.
Теория также могла бы устранить необходимость приписывать так много континентальных плато плюмам, колоннам мантийных пород, которые поднимаются из глубин Земли. Мантийные плюмы по-прежнему считаются жизнеспособной теорией, объясняющей подъем под плато Колорадо в Соединенных Штатах и в зоне Восточно-Африканского разлома. Но ван Хунен говорит, что конвективные мантийные волны являются лучшим объяснением континентальных возвышенностей, которые команда Гернона изучала в Бразилии, Индии и Южной Африке, потому что было бы маловероятно, чтобы под плато были плюмы с такими регулярными интервалами.
Исследователи считают, что мантийные волны могут объяснить не только плато и извержения алмазов. Джернон близок к публикации статьи, в которой исследует, как поднятие, вызванное волнами, может помочь объяснить биогеохимические циклы в геологическом прошлом, когда повышенная эрозия приносит в океан осадки, которые потребляют кислород, что приводит к вымиранию морских видов. Его команда также считает, что волны могут влиять на время и место крупных климатических событий, таких как ледниковые периоды, увеличивая обнажение пород, поглощающих углекислый газ. Ледяные щиты также образуются и накапливаются легче на холодных, неровных, приподнятых поверхностях.
Поскольку формирование плато напрягает горные породы, эти волны могли бы даже помочь объяснить землетрясения, которые происходят в континентальных внутренних районах, которые долгое время считались стабильными, например, в Западной Африке, говорит Фоларин Колаволе, структурный геолог из Колумбийского университета. Колаволе также видит последствия для эволюции, отмечая, что физические барьеры, созданные подъемом, могут привести к видообразованию флоры и фауны по обе стороны. «Ширина влияния теории велика», — говорит он.
Поскольку в этом исследовании использовались только данные о распаде Гондваны, исследователи не могут с уверенностью сказать, что каждый эпизод континентального рифтинга порождает эти формирующие Землю ряби. Они надеются, что другие проверят эту теорию на разных массивах суши и в разные моменты времени. «Когда я придумываю модель, мне нравится пытаться ее убить», — говорит Гернон. Эта, добавляет он, «все еще жива».
