Учёные смоделировали движение океанов и континентов за миллиард лет и описали, как это влияет на жизнь на Земле

Учёные воспользовались возможностями современных компьютеров и объединили геомагнитные данные, показывающие положение горных пород относительно магнитных полюсов, и геологические данные, описывающие активность на границах больших тектонических плит. Данное исследование опубликовали в журнале Earth-Science Reviews. По результатам работы был смонтирован ролик, показывающий движение гигантских тектонических плит нашей планеты вместе с континентами и океанами. Этот материал назвали первой полномасштабной реконструкцией, охватывающей настолько внушительный временной отрезок геологической истории Земли, включая современную эпоху.

На ролике видно, что каждый континент буквально обошёл всю планету вдоль и поперек. Один из участников исследования, доктор Майкл Тетли, пояснил, что плиты двигаются по сантиметрам в год. По его словам, наблюдение за тем, как тектонические плиты смещаются, имеет важное значение для исследования Земли. Это нужно, в том числе для понимания в какие эпохи планета стала пригодной для жизни и что нас ждет впереди. Рассматриваются и такие аспекты как поиск критически важных ресурсов, необходимых для «низкоуглеродного» будущего человеческой цивилизации. Новейшие технологии в области компьютерного моделирования позволили увидеть, что полученная реконструкция выходит за рамки классической идеи континентального дрейфа, она демонстрирует полную эволюционирующую конфигурацию тектонических плит и границ плит.

Например, особая проблема для неопротерозоя и кембрия заключается в том, что многие существующие интерпретации геологических и палеомагнитных данных остались оторванными от более молодых, более ограниченных периодов в геологической истории Земли (неопротерозой – период от 2500 – 541 млн лет назад, эпоха бактерий и водорослей; кембрий – 541 млн лет назад, с него началась палеозойская эра). Особой проблемой при создании объемных временных реконструкций является демонстрация непрерывных тектонических движений в течение нескольких циклов существования суперконтинента.

Мы впервые представляем непрерывную модель, охватывающую огромный период в 1 млрд лет (1000- 520 млн лет назад), включая пересмотренные, в соответствии с современными знаниями, данные о неопротерозое-кембрии.

Новая реконструкция соединяется с моделями фанерозоя (начало соответствует кембрийскому периоду, характеризуется резким увеличением числа биологических видов: членистоногие, хордовые, сложные растения), что позволяет увидеть предгондванские (Гондвана – древний суперконтинент) времена, это необходимо для количественного анализа и дальнейших региональных уточнений в исследованиях.

Модель показывает движение полюсов по Гондване в период от 540 млн. до 320 млн. лет назад, и в постгондванское время от 320 млн лет назад до 0 лет (в настоящее время). В основе моделирования - палеомагнитные данные и сведения о состоянии границ тектонических плит. Это исследование задумано как первый шаг в создании тектонической реконструкции за последний миллиард лет истории Земли. Например, Антарктида, которую мы рассматриваем сегодня как самое холодное и негостеприимное место на Земле, когда-то располагалась на экваторе.

Исследователь Майкл Тетли, на презентации вышеописанной геологической реконструкции заявил: «Жизнь на Земле не существовала бы без движения тектонических плит. С этой моделью мы приблизились к пониманию того, как наша прекрасная голубая планета стала колыбелью человечества». Его коллега Дитмар Мюллер пояснил, что есть и другие (не тектонические) факторы влияющие на климат планеты: «Не всегда на полюсах было холодно. Климат зависит от морских течений. Если перенос тепла из экваториальной части в приполярную работает, то климат везде будет сравнительно одинаковым. Так, 400-350 млн лет назад на Южном полюсе было тепло, росли хвойные леса, оледенения не было». Реконструкция показывает, что оледенение Антарктиды началось примерно 45 млн лет назад, тогда Южная Америка окончательно отделалась от нее, что позволило сформироваться антарктическому циркумполярному течению. Оно не даёт тёплой воде с экватора проникать в высокие южные широты. Подобные исследования проводили и раньше — в 2017 году. Учёные из австралийских университетов Сиднея и Аделаиды впервые детально и полностью показали движение тектонических плит Земли за последние 500 миллионов лет. Точное время того, когда началась тектоническая активность, остаётся одним из главных вопросов геологии.

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ

Тектоника плит — это объединяющая теория современной геологии, связывающая эволюцию и процессы, происходящие в мантии, литосфере, гидросфере и атмосфере. Тектонические силы контролируют скорость подъема и эрозии там, где континенты сталкиваются или разделяются. Эти силы распределяют потоки энергии между океанами, литосферой и мантией по мере развития континентальных конфигураций. Эволюционирующие тектонические конфигурации плит также определяют изменения в распределении биологических видов по различным массивам суши, и регулируют скорость химического обмена между поверхностью Земли и глубокими недрами.

Ранее, глобальные реконструкции сосредоточивались на географическом положении основных континентов и сохранившихся в них геологических террейнов (тектонические разломы со своими структурными особенностями). Обобщение данные, полученных при исследованиях современных океанов, показали изменения суперконтинента Пангея (который в свое время раскололся на Лавразию и Гондвану) за последние 200 млн лет и позволили сформировать основу непрерывных моделей передвижения тектонических плит от мезозоя (геологическая эра в течение которой формировались современные очертания материков и океанов и современные биологические виды) до настоящего времени. Новые реконструкции используют геологические и геофизические данные для определения конфигураций и движений как континентальной, так и океанической литосферы. Вместе с развитием инструментов свободного программного обеспечения реконструкции движения плит позволяют количественно оценивать тектонические процессы во времени в рамках непрерывной, последовательной кинематической структуры, открывая части истории Земли для количественного анализа.

ЖИВАЯ ЗЕМЛЯ

Современные технологии позволили с высокой точностью определить границы тектонических плит. Для научных исследований используются спутники глобального позиционирования, которые показывают динамику и векторы всех изменений, происходящих на поверхности Земли. Поднимающиеся вверх шлейфы расплавленных горных пород с глубин, превышающих 2500 км, (мантия - раскалённый слой магмы находится под земной корой) ударяются о твердый панцирь коры и верхней части мантии. Это заставляет твердые поверхностные тектонические плиты двигаться в темпе роста ногтей человека. В стороне от мест подъема коры (который происходит под воздействием восходящих шлейфов расплавленной породы) находятся области, известные как зоны субдукции, где обширные участки океанского дна погружаются вглубь Земли. В конце концов эти нисходящие океанические плиты, расплавляясь, проходят через мантию и достигают границы между ядром и мантийными слоями Земли на глубине около 2900 км. От сюда они начинают движение вверх. Изучение этих явлений позволяет воспроизвести геологическую историю планеты на небольшом отрезке времени – не более чем в 200 млн. лет. Ранние периоды, охватывающие примерно 4 млрд лет, пока исследователям не доступны.

ГЛУБИННАЯ ИСТОРИЯ ЗЕМЛИ

Группой исследователей из университетов Сиднея, Аделаиды и Кертина предприняла попытку создать модель Земли ранних геологических эпох, так сказать - заглянуть в недоступную глубину времен. Для этого решено было выяснить или хотя бы обоснованно представить себе, как выглядели границы тектонических плит миллиард лет назад. Исследованиям подверглись породы, которые образовались над зонами субдукции, в областях континентальных столкновений или в трещинах, где плиты разрывались. Такие зоны есть на Мадагаскаре, в Эфиопии и на западе Бразилии.

Используя уже наработанные методы, можно определить координаты континентов в прошлом, поскольку некоторые железосодержащие породы как бы замораживают магнитное поле в них по мере формирования геологических платформ. Это похоже на окаменелый компас, стрелка которого в зависимости от мест формирования, связанных с широтой, направлена под определенным углом к центру земли. Вблизи экватора такое магнитное поле будет сориентировано примерно параллельно поверхности Земли, на полюсах оно опускается прямо к центру планеты. Если купить компас в Австралии и перевезти его в Канаду, он не сработает как должно, так как его стрелка будет стремиться вниз. Этот бытовой опыт, только очерчивает проблему. Более точные, так называемые, «палеомагнитные» измерения трудно сделать, и нелегко найти породы, которые сохраняют эти «записи» геологической истории планеты. Кроме того, они говорят нам только о дрейфе континентов, а не о положении и состоянии краев плит или океанов.

НА ЧТО ВЛИЯЕТ ДВИЖЕНИЕ ПЛИТ

Движения тектонических плиты влияют на многие процессы на Земле, включая климат, биосферу и гидросферу. Смещения суши и океанов планеты постоянно меняют ее облик. От расположения границ плит зависит то, как океанские течения перераспределяют тепло и химический состав воды. Различные водные массы в океане содержат тонко различающиеся элементы и их различные формы, известные как изотопы. Например, вода из океанских глубин зачастую не попадает на поверхность в течение многих тысяч лет и имеет иной химический состав, значительно отличающийся от поверхностного. Это важно, потому что разные водные массы содержат разное количество питательных веществ, и перераспределение их из одной части Земли в другую изменяет потенциал, поддерживающий жизнь в разных местах планеты.

Смещение тектонических плит также влияют на отражения солнечного излучения от поверхности планеты обратно в космос, от этого изменяется температура Земли.

Установлено, что скорость движения тектонических плит менялась с течением времени. В отдалённые по времени периоды геологической истории Земли было больше срединно-океанических вулканов, чем сейчас, это способствовало выталкиванию глубинных вод на поверхность и их интенсивной циркуляции. Раньше вулканические извержения происходили чаще, соответственно в атмосферу попадало больше парниковых газов и пыли.

Движение тектонических плит влияют на формирование горных хребтов на суше и на дне океанов, которые определяют направления атмосферных и океанических течений. Последние в свою очередь способствуют эрозии горных пород. Данный процесс, происходящий на дне океанов, блокирует парниковые газы и высвобождает минералы, необходимые для питания живым организмам.

Вот и выходит, что тектонические процессы, которые мы рассматриваем, как природные катаклизмы (землетрясения, цунами, извержения вулканов), несущие смерть и разрушения, на самом деле в глобальном рассмотрении, являются источником жизни на Земле.