Раскрывая свидетельства происхождения тектоники плит

Минералы, заключённые внутри крошечных кристаллов, переживших разрушение континентов на протяжении миллиардов лет, могут помочь раскрыть происхождение тектоники плит и, возможно, даже дать ключи к пониманию того, как сложная жизнь зародилась на Земле.

Теория тектоники плит, описывающая, как земная кора разделена на плиты, плавающие и скользящие по слою пластичной породы внизу, получила широкое признание около 50 лет назад. Считается, что этот процесс в значительной степени сформировал окружающий мир, позволив образоваться континентам, создав огромные горные хребты при их столкновении, сформировав вулканические острова и вызывая катастрофические землетрясения.

Однако до сих пор ведутся споры о том, как именно и когда в 4,5-миллиардной истории нашей планеты сформировались плиты; оценки варьируются от менее одного миллиарда до 4,3 миллиарда лет назад. Также неясно, насколько быстро тектоника плит эволюционировала. Понимание этого может оказаться ключевым не только для эволюции самой планеты, но и для зарождения жизни. Условия, созданные тектоникой плит, как полагают, помогли сделать Землю пригодной для жизни и обеспечили жизненно важные питательные вещества для процветания сложной многоклеточной жизни.

Кристаллы-капсулы времени

Доктор Уго Морейра и его коллеги ищут ответы на эти вопросы внутри крошечных кристаллов циркона, которые являются капсулами времени далёкого прошлого Земли благодаря своей исключительной прочности. Многие из этих кристаллов датированы анализом радиоактивного распада содержащихся в них изотопов; некоторые имеют возраст до 4,4 миллиарда лет, являясь древнейшими известными фрагментами земной коры.

Учёные использовали цирконы для изучения истории континентальной коры, но этого пока недостаточно для консенсуса о начале тектоники плит. Исследователи проекта MILESTONE намерены изучить следы минералов апатита и полевого шпата, захваченных внутри кристаллов циркона, на масштабе около сотой доли миллиметра. Изотопы стронция и свинца в этих включениях могут дать беспрецедентные детали об источнике формирования циркона и о том, происходило ли это в магме под неподвижными или движущимися плитами.

Анализ стал возможен благодаря созданию лаборатории со специализированным высокочувствительным масс-спектрометром. Команда надеется начать анализ образцов в следующем месяце, в конечном итоге исследовав включения в более чем 5000 цирконах разного возраста со всего мира. Цель — определить, когда тектоника плит стала глобальной, а не локальной.

Подземные структуры

Другие исследователи ищут ключи к происхождению тектоники плит в двух массивных структурах размером с континент, обнаруженных глубоко под плитами Тихого океана и Африки. Эти «термохимические сваи», загадочные структуры на глубине около 2900 км на границе ядра и мантии, были обнаружены в 1990-х с помощью сейсмической томографии.

В последние десятилетия разгорелись споры об их возможной связи с движениями на поверхности планеты и, следовательно, с возникновением тектоники плит. Одна из теорий предполагает, что эти сваи стабильны в течение длительных геологических периодов, а их края соответствуют положению ключевых особенностей на поверхности, таких как супервулканы. Однако их экстремальная глубина затрудняет прямое наблюдение.

Мощность суперкомпьютеров

Проект TEROPPLATE использовал мощности суперкомпьютеров для исследования. Используя более 1000 компьютеров, команда создала 3D-модели Земли, чтобы показать, как предполагаемый химический состав крупных горячих областей в глубине может влиять на формирование мантийных плюмов.

Однако их модели показали, что сваи могут играть более пассивную роль в тектонике плит, чем считалось изначально, и что геологические особенности могли бы формироваться и без них. Эти находки не являются окончательными, но открывают другие интересные направления исследований, например, изучение последствий постоянного движения этих структур в мантии.

Некоторые результаты также указывают, что сваи могли быть достаточно устойчивыми, чтобы пережить самые ранние этапы существования Земли. Это делает возможным их присутствие в начале тектоники плит и, следовательно, пока неизвестную роль в этом процессе.

Всё это имеет значение для понимания нашего собственного места на Земле. Если тектоника плит эволюционировала быстро на ранних этапах истории Земли, это может ставить вопросы о том, почему сложная жизнь не появилась раньше и насколько тесно эти два процесса связаны.