Горячий клейкий центр Земли и ее холодная, твердая внешняя оболочка ответственны за ползучее (и иногда катастрофическое) движение тектонических плит. Но теперь новое исследование обнаруживает интригующий баланс сил - сочащаяся мантия создает суперконтиненты, в то время как кора разрывает их на части.
Чтобы прийти к такому выводу о процессе тектоники плит, ученые создали новую компьютерную модель Земли, в которой кора и мантия рассматриваются как единая система. Со временем около 60% тектонических движений на поверхности этой виртуальной планеты было вызвано довольно мелкими силами - в пределах первых 62 миль (100 километров) от поверхности. Глубокая вспенивающая конвекция мантии привела остальных. Мантия стала особенно важной, когда континенты были объединены в суперконтиненты, в то время как мелкие силы доминировали, когда суперконтиненты разваливались в модели.
Эта «виртуальная Земля» - первая компьютерная модель, которая «рассматривает» корку и мантию как взаимосвязанную динамическую систему, сообщили исследователи 30 октября в журнале Science Advances. Ранее исследователи создавали модели тепловой конвекции в мантии, которые очень хорошо соответствовали наблюдениям реальной мантии, но не имитировали корку. А модели тектоники плит в коре могут предсказывать реальные наблюдения за движением этих плит, но они плохо сочетаются с наблюдениями мантии. Очевидно, что что-то упускалось в том, как модели соединяют две системы.
«Конвекционные модели были хороши для мантии, но не для плит, а тектоника плит была полезна для тарелок, но не для мантии», - сказал Николас Колтис, профессор Высшей школы Ecole Normale, часть Университета PSL в Париже. «И вся история развития системы - это обратная связь между ними».
Кора плюс мантия
Каждая модель интерьера Земли в начальной школе демонстрирует тонкий слой коры, покрывающей горячий деформируемый слой мантии. Эта упрощенная модель может создать впечатление, что кора просто движется по мантии, перемещаясь таким образом и необъяснимыми потоками ниже.
Но это не совсем верно. Ученые Земли давно знают, что кора и мантия являются частью одной и той же системы; они неизбежно связаны. Это понимание подняло вопрос о том, являются ли силы на поверхности, такие как субдукция одного куска коры под другим, или силы глубоко в мантии, в первую очередь, движущие движения плит, которые составляют корку. Ответ, найденный Колтиком и его коллегами, заключается в том, что этот вопрос некорректен. Это потому, что два слоя настолько переплетены, они оба вносят свой вклад.
За последние два десятилетия, сказал Колтис в интервью журналу Live Science, исследователи работали над компьютерными моделями, которые могли бы реалистично представлять взаимодействия между оболочкой и мантией. В начале 2000-х годов некоторые ученые разработали модели теплового движения (конвекции) в мантии, которое естественным образом породило нечто, похожее на тектонику плит на поверхности. Но эти модели были трудоемкими и не получили много последующей работы, сказал Колтис.
Coltice и его коллеги работали в течение восьми лет над их новой версией моделей. Только запуск симуляции занял 9 месяцев.
Построение модели Земли
Колтик и его команда должны были сначала создать виртуальную Землю, дополненную реалистичными параметрами: от теплового потока до размеров тектонических плит и времени, которое обычно требуется суперконтинентам для формирования и распада.
По словам Колтиса, существует множество способов, которыми модель не является идеальной мимикой Земли. Например, программа не отслеживает предыдущую деформацию породы, поэтому камни, которые деформировались ранее, не склонны к более легкой деформации в будущем в их модели, как это может быть в реальной жизни. Но модель по-прежнему создавала реалистичную виртуальную планету с зонами субдукции, континентальным дрейфом и океаническими хребтами и траншеями.
Помимо доказательства того, что мантийные силы доминируют, когда континенты объединяются, исследователи обнаружили, что горячие столбы магмы, называемые мантийными перьями, не являются главной причиной, по которой континенты распадаются. По словам Колтиса, зоны субдукции, где один кусок коры находится под воздействием другого, являются движущими силами континентального распада. Мантийные перья вступают в игру позже. Существующие восходящие плюмы могут достигать поверхностных пород, которые были ослаблены силами, создаваемыми в зонах субдукции. Затем они внедряются в эти более слабые места, что повышает вероятность разлома суперконтинента в этом месте.
Следующий шаг, сказал Колтис, - соединить модель и реальный мир с наблюдениями. В будущем, по его словам, модель может быть использована для изучения всего: от крупных событий вулканизма до того, как образуются границы плит, и как мантии перемещаются относительно вращения Земли.
