Течение в астеносфере увлекает тектонические плиты

Новое моделирование астеносферы Земли показало, что конвективные циклы и течение, вызванное перепадами давления, иногда могут заставлять самый текучий слой мантии планеты двигаться даже быстрее, чем тектонические плиты, которые находятся над ним.

К такому выводу пришли геофизики из Университета Райса, смоделировавшие течение в 100-мильном (около 160 км) слое мантии, который начинается у основания литосферы — тектонических плит Земли. Исследование, опубликованное в журнале Earth and Planetary Science Letters, направлено на решение одного из самых дискутируемых вопросов геофизики: что движет 57 взаимосвязанными плитами литосферы, чье скольжение, трение и столкновения вызывают землетрясения, формируют континенты и постепенно меняют поверхность планеты каждые несколько миллионов лет?

«Тектонические плиты "плавают" поверх астеносферы, и ведущая теория последних 40 лет утверждает, что литосфера движется независимо от неё, а астеносфера движется только потому, что её тащат плиты», — пояснила ведущий соавтор исследования, аспирант Алана Семпл. — Однако детальные наблюдения группы из обсерватории Ламонт-Доэрти показали более сложную картину: скорость в центре астеносферы постоянна, но меняется у её верхней и нижней границ, а иногда она, судя по всему, течёт в ином направлении, чем литосфера».

Вычислительное моделирование, проведённое в Райсе, предлагает теоретическую основу, способную объяснить эти загадочные наблюдения. «Мы показали, как такие ситуации могут возникать из-за комбинации течения в астеносфере, вызванного движением плит и перепадами давления», — отметил соавтор работы, профессор Адриан Лена́рдик. Ключом стало осознание, что теория бывшего постдока Райса Тобиаса Хёйнка может объяснить данные обсерватории Ламонт, если учесть более точное представление о вязкости астеносферы. Численное моделирование Аланы Семпл с такой вязкостью подтвердило, что модифицированная модель объясняет новые наблюдения, предлагая новый взгляд на связь литосферы и астеносферы.

Несмотря на то что астеносфера состоит из горных пород, под колоссальным давлением они могут течь. «Тепловая конвекция в мантии Земли создаёт динамические перепады давления, — пояснила Семпл. — Относительная слабость астеносферы по сравнению с плитами позволяет ей реагировать на эти перепады иначе. Наши модели показывают, как это может приводить к скоростям течения, превышающим скорости плит, и как течение в астеносфере может не совпадать по направлению с движением плит, что согласуется с наблюдениями группы Ламонт».

Модель также демонстрирует, как конвективные циклы и течение, вызванное давлением, могут влиять на движение плит. «Наша работа предполагает, что течение в астеносфере, обусловленное давлением, может вносить вклад в движение тектонических плит, увлекая их за собой, — сказала Семпл. — Значительный вклад, безусловно, вносит и "тяга плиты" — гравитационный процесс, притягивающий плиту к зоне субдукции. Она может оставаться доминирующим механизмом, но наши модели показывают, что вклад течения в астеносфере в движение плит более значителен, чем считалось ранее».