Размер зерен пород в мантии Земли влияет на тектонику

Планета формируется силами глубоко в её недрах. Они сталкивают плиты земной коры, вызывая образование гор и вулканов в зонах столкновения. Однако при реконструкции происходящего внутри Земли мы ограничены косвенными наблюдениями. Новое исследование, опубликованное в Nature Geoscience группой структурной геологии и тектоники Департамента наук о Земле ETH, показывает, что один ключевой фактор ранее не учитывался в моделях адекватно, хотя его потенциальный эффект был известен: размер зерен мантийных пород.

Размер зерен важен, поскольку влияет на механизм деформации пород в верхней мантии. При размере зерен в несколько миллиметров деформация происходит в основном за счёт смещения кристаллической решётки минералов — механизм дислокационного ползучести (dislocation creep). При меньшем размере зерен преобладает диффузионное течение (diffusion creep), когда деформация происходит за счёт миграции атомных вакансий. В зависимости от преобладающего механизма меняется прочность пород. Мелкозернистые породы, образующиеся в зонах сдвига, значительно слабее крупнозернистых.

«До сих пор мы не могли реалистично представить эти различия в динамической модели», — объясняет ведущий автор исследования Йонас Ру. Его новая модель, учитывающая современные данные о росте основного минерала оливина и пересмотренную энергию, затрачиваемую на измельчение зерен, показывает, что уменьшение размера зерен, активация диффузионного течения и последующее ослабление верхней мантии значительно снижают силы, необходимые для начала рифтогенеза, и облегчают раскол континентов.

Кроме того, модель разрешает давний парадокс: с одной стороны, верхняя мантия должна быть достаточно прочной, чтобы объяснить пологие углы погружения тектонических плит в зонах субдукции. С другой, при таких высоких напряжениях породы должны быть хрупкими и порождать землетрясения, которые наблюдаются крайне редко. Новая модель показывает, что мелкозернистые пластичные зоны сдвига снимают высокие напряжения до уровня, исключающего землетрясения, при этом верхняя мантия в целом остаётся достаточно прочной, что соответствует наблюдаемой геометрии погружающихся плит.