Тайны формирования ландшафтов: новая теория мантийных волн

В 2005 году, путешествуя по Драконовым горам в Лесото, я был поражен величественными откосами, поднимающимися на более чем километр. Эти природные образования заставили меня задуматься о том, как они возникли. Совсем недавно ученые представили новую теорию, опубликованную в журнале Nature, которая может объяснить, как такие впечатляющие геологические структуры формируются вдали от активных тектонических границ. Исследования показывают, что распад суперконтинентов, таких как Гондвана, может инициировать процессы, которые приводят к образованию этих загадочных ландшафтов, открывая новые горизонты в геологии и понимании нашей планеты.

phys.org: В 2005 году я путешествовал по извилистым дорогам через Драконовы горы в Лесото, на юге Африки. Возвышающиеся скалы, известные как откосы, прерывают ландшафт, поднимаясь на километр и более. Ошеломленный драматическим пейзажем, я задался вопросом: как, черт возьми, он образовался?

Внешняя оболочка нашей планеты разделена на семь или восемь основных секций, или тектонических плит, на которых расположены континенты. Мы ожидаем, что континенты поднимутся на активных границах этих плит, где часто концентрируются вулканизм и землетрясения.

Но почему — и как — эти впечатляющие особенности формируются вдали от этих границ? Наша новая теория, опубликованная в Nature после почти двух десятилетий размышлений и судебной экспертизы, объясняет, как поднятие, подобное тому, что наблюдалось в Дракенсберге, может происходить в предположительно стабильных частях континентов.

Континенты, которые мы теперь знаем, когда-то были объединены в единый огромный "суперконтинент". Одним из таких примеров была Гондвана, существовавшая сотни миллионов лет назад и начавшая распадаться в эпоху динозавров. Мы полагаем, что когда эти суперконтиненты распадаются, это запускает своего рода процесс перемешивания под континентами, который мы сейчас называем "мантийной волной". Это движение в недрах Земли медленно распространяется по частично расплавленному дну материка, нарушая его глубинные корни.

Мантия - это слой Земли толщиной 2900 км, который находится под внешней корой, на которой мы живем. Чтобы изучить, что происходит, когда континенты распадаются, мы создали сложные динамические модели, имитирующие свойства земной коры и мантии, а также то, как они физически деформируются при воздействии сил.

Когда континенты разделяются, раскаленная порода из мантии устремляется вверх, заполняя образовавшуюся брешь. Этот горячий камень трется о холодный континент, охлаждается, становится плотнее и тонет, подобно лавовой лампе.

Что ранее оставалось незамеченным, так это то, что это движение возмущает не только область вблизи так называемой рифтовой зоны (где земная кора раздвигается), но и близлежащие корни континентов. Это, в свою очередь, запускает цепочку нестабильностей, вызванных разницей в температуре и плотности, которые распространяются вглубь континента. Этот процесс не разворачивается в одночасье — требуется много десятков миллионов лет, чтобы эта "волна" распространилась вглубь континентов.

Эта теория может иметь серьезные последствия для других аспектов жизни на нашей планете. Например, если эти мантийные волны удалят от корней континентов около 30-40 километров горных пород, как мы предполагаем, это приведет к каскаду серьезных воздействий на поверхность. Потеря этого каменистого "балласта" делает континент более плавучим, заставляя его подниматься подобно воздушному шару после того, как он сбросил свои мешки с песком.

Это поднятие земной поверхности, происходящее непосредственно над мантийной волной, должно вызвать усиление эрозии со стороны рек. Это происходит потому, что поднятие поднимает ранее погребенные породы, делает склоны круче, делая их более неустойчивыми, и позволяет рекам образовывать глубокие долины. Мы подсчитали, что глубина эрозии в некоторых случаях должна составлять один-два километра, а то и больше.

Внутренние части континентов считаются одними из самых труднопроходимых и устойчивых частей планеты, поэтому удаление нескольких километров от этих регионов - непростая задача.

Но вблизи границ этих стабильных континентальных регионов, называемых кратонами, мы видим откосы высотой в километр, как в Лесото. Эти гигантские откосы окружают эти регионы, простираясь на тысячи километров. Они свидетельствуют о фундаментальном изменении ландшафта, произошедшем примерно в то же время, когда суперконтинент Гондвана распался на части — около 180 миллионов лет назад.
Загадочные плато

В глубине материка от этих огромных склонов находятся плоскогорья, такие как Центральное плато Южной Африки, которые возвышаются более чем на километр над уровнем моря. Происхождение этих плато долгое время оставалось загадкой и, как правило, не было связано с этими склонами.

Некоторые ученые ранее ссылались на явление, известное как мантийные плюмы — колоссальные выбросы горячего, плавучего материала из глубин Земли — в качестве возможного объяснения возникновения плато.

Такие шлейфы потенциально могут поднимать и динамически поддерживать земную кору. Однако в геологических записях с окружающих континентов или океанов за соответствующий период времени нет никаких свидетельств наличия такого внутреннего континентального шлейфа. Может ли наша мантийная волна предложить новое объяснение?

Чтобы проверить наши прогнозы, мы обратились к термохронологии — науке, которая помогает нам понять, как горные породы, находящиеся на поверхности или вблизи нее, охлаждались с течением времени. Некоторые минералы, такие как апатит, чувствительны как к температуре, так и ко времени. Подобно бортовому самописцу, эти минералы фиксируют "историю охлаждения", предоставляя моментальные снимки того, как менялась температура данной породы.

Здесь мы использовали многочисленные существующие измерения, проведенные по всей Южной Африке. Этот анализ подтвердил предсказания нашей модели: эрозия на несколько километров произошла по всему региону примерно в то время, когда предполагали наши модели. Еще более примечательно то, что эрозия распространялась по Южной Африке по схеме, очень похожей на мантийную волну в наших расчетах.

Чтобы глубже изучить эту связь, мы применили другой вид моделирования, называемый моделированием эволюции ландшафта, который исследует, как вода взаимодействует с ландшафтом и как, когда ландшафт формируется реками, поверхность Земли эффективно подпрыгивает или "прогибается" в ответ.

Когда мы включили мантийную волну в нашу компьютерную модель, она показала, как теоретически она может образовывать высокогорные плато. Наши результаты объясняют, как вертикальные перемещения континентов могут происходить вдали от активных границ тектонических плит, где, как известно, происходит наибольшее поднятие.

Массовая эрозия, происходящая во время этих мантийных волнений, может привести к интенсивному химическому выветриванию горных пород, в результате чего из атмосферы удаляется углекислый газ, что способствует глобальному похолоданию. Эти поднятия также могут физически разделять флору и фауну, что приводит к видообразованию и формирующей эволюции. Мы проделали долгий путь в понимании процессов, которые приводят к образованию горных хребтов вдали от границ континентов. И меня до сих пор поражает, что все это началось с потрясающего вида на ландшафт Лесото.