Будова кратонів може змінюватися через взаємодію їх літосфери і мантійних плюмів

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 55

Ріс. 1. Топографія і тектонічна історія Південної Атлантики. Піднесені кратони — Сан-Франциско (SF), Конго (CG) і Калахарі (KH). Опущені кратони — Західноафриканський (WA), Амазонський (AZ) і Ла-Плата (RP). Кольорові точки на чорних лініях — траєкторії «гарячих точок», розташованих над мантійними плюмами (Ma — млн років тому). Білі квадрати — місця прояву вулканізму в крейдяному періоді. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Geoscience

Теорія тектоніки плит непогано пояснює глобальні тектонічні процеси, що спостерігаються в океанах і на околицях континентів: спрединг, рифтинг, субдукцію тощо. Щодо центральних частин континентів — кратонів — вважається, що вони залишалися холодними і стабільними протягом мільярдів років. Нові результати геофізичних досліджень та їх комп’ютерної обробки показують, що кратони також можуть піддаватися активізації. Це узгоджується з гіпотезою взаємодії мантійних плюмів і літосфери, яка не суперечить теорії тектоніки плит, а, швидше, доповнює її.

Найдавніші гірські породи на земній поверхні розташовані в межах кратонів — стабільних блоків стародавньої континентальної кори, розташованих в глибині материків, далеко від активних континентальних околиць — зон, де поверхневі породи затягуються в мантію, залучаючись в процес вторинної переробки. Кратони — це своєрідні «ядра» всіх сучасних континентів. Сотні мільйонів і навіть мільярди років з ними нічого не відбувалося: вони не розколювалися на частини, в їх межах не проявлялася вулканічна або сейсмічна активність, шари порід не зминалися в складки і не відбувалося гороосвіта. Володіючи позитивною плавучістю відносно підстилаючої мантії, ці потужні, глибоко вкорінені блоки Землі протягом геологічної історії то «розпливалися» по поверхні планети, то збиралися у величезні суперконтиненти. Тривалу стабільність кратонів зазвичай пов’язують з їх нейтрально-позитивною плавучістю і механічною міцністю їх літосфери, що захищає кору кратонів від динамічних процесів, що відбуваються в підстилаючій мантії.

Однак результати недавніх досліджень групи геологів з США та Італії, опубліковані в журналі Nature Geoscience, показують, що і в межах кратонів були періоди активізації, гороосвіти, вулканізму і сейсмічної активності. Вихідним моментом послужили несподівані геофізичні дані, отримані вченими при аналізі поведінки сейсмічних хвиль під неопротерозойськими кратонами Конго і Калахарі (Африка) і кратоном Сан-Франциско (Південна Америка), що складали в кінці докембрія єдиний кратон Західної Гондвани (рис. 1).

Зазвичай для кратонів характерний низький топографічний рельєф. Це пояснюється тим, що вони протягом тривалого часу залишалися стабільними і вони тільки руйнувалися в результаті ерозії. Однак саме ці три кратони, які привернули увагу дослідників, характеризуються високим рельєфом. До того ж вони зазнали значних змін протягом і після мезозойської ери, про що свідчать широко поширені в їх межах підняття і вулканізм, що відносяться до крейдяного періоду.

Дослідники обробляли геофізичні дані за допомогою суперкомп’ютера Blue Waters в Національному центрі суперкомп’ютерних додатків в Іллінойсі, сподіваючись краще зрозуміти будову цих піднесених областей. Комп’ютерна модель, створена одним з авторів роботи, професором Ліцзюнем Лю (Lijun Liu), об’єднує в собі елементи моделі тектоніки плит і моделі мантійно-літоферної взаємодії (теорія плюмів), дозволяючи відновлювати історію розвитку територій. Ця чотирьохмірна геодинамічна модель є унікальною і першою подібною моделлю в світі. В її основі закладено алгоритм, аналогічний алгоритмам цифрових моделей передбачення погоди. Головним принцип — розглядати внутрішню будову Землі не як набір слоїстих оболонок, а як складну систему щільнісних і термічних неоднорідностей (рис. 2).

Рис, 2. Об’ємна модель літосфери і підстилаючої мантії Центральної і Південної Атлантики, побудована на основі аналізу сейсмічних хвиль. Вгорі показано висотний профіль цієї частини земної поверхні. Внизу ліворуч — відповідна шкала висот (за км), правіше від неї — шкала відхилень швидкості проходження поперечних сейсмічних хвиль. Чорні стрілки показують напрямок мантійних потоків, а також напрямок занурення в мантію літосферної плити Наска (Nazca Slab). African LLSVP — велика негативна аномалія проходження поперечних сейсмічних хвиль під Африканським континентом. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Geoscience

В результаті проведеного моделювання було виявлено наступне: під піднесеними кратонами Африки і Південної Америки в континентальній корі фіксуються виразні аномалії підвищених швидкостей проходження поперечних сейсмічних хвиль (темно-синій колір на рис. 2). Нижче розташовуються ділянки верхніх шарів верхньої мантії складної конфігурації, складені речовиною нейтральної плавучості, для яких характерні більш низькі швидкості проходження хвиль (бірюзовий колір). Несподіваною стала відсутність під кратонами глибокого потужного літосферного коріння. Раніше вважалося, що саме наявність потужного коріння літосфери, що володіє меншою щільністю, ніж підстилаюча мантія, дозволяє континентальним блокам плавати поверх щільної гарячої мантії. Та й сама верхня мантія під вивченими кратонами за результатами моделювання виявилася не такою вже щільною. Більш щільна область верхньої мантії, зафіксована у вигляді великої негативної аномалії проходження поперечних сейсмічних хвиль, знаходиться глибоко під Африканським континентом (див.: African LLSVP и Large low-shear-velocity provinces).

Тобто спостерігається як би відшарування нижніх, більш щільних шарів верхньої мантії від верхніх, що володіють нейтральною плавучістю і «припаяних» до коріння континентальної кори.

Саме з процесом мантійної деламінації (розшарування), що сталася в пізньоміловий-ранньокайнозойський час, автори пов’язують активізацію стабільних до цього південно-атлантичних кратонів. А відділення і занурення нижніх, більш щільних шарів верхньої мантії в менш щільну астеносферну мантію збільшило плавучість літосфери кратонів, що виразилося в їх топографічному піднятті. Причиною ж запуску механізму деламінації могла бути взаємодія нижніх шарів літосфери, до складу якої входить земна кора і верхня мантія, з гарячою магмою спливаючих мантійних плюмів (рис. 3).

Рис, 3. Схема деламінації коренів літосфери. Нижні, щільніші шари верхньої мантії відшаровуються від нейтрально-плавучих шарів і занурюються в астеносферу — розрив відбувається через спливаючі мантійні плюми. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Geoscience

Спочатку плюми прогрівали і послаблювали суцільність літосфери над ними. З цим періодом пов’язаний регіональний метаморфізм, вулканізм і утворення кімберлітів. Потім відбувалося ізостатичне підняття кратонів, наслідком якого був запуск інтенсивних ерозійних процесів, що призводять до витончення кори. Завершувався цикл плюмово-літосферної взаємодії відновленням термічної стабільності в кореневій частині літосфери і термічним «наростанням» нового нижнього шару верхньої мантії. У порівнянні з первинним новий нижній шар верхньої мантії характеризується меншою щільністю і більш високим положенням кордону Мохо. Це ще більше збільшувало плавучість, що призводило до формування аномально високого рельєфу.

Це дослідження демонструє, що гіпотеза плюмово-літосферної взаємодії добре доповнює широко прийняту в геології теорію тектоніки плит, дозволяючи пояснити причини і механізми процесів активізації стародавніх кратонів, що протікала без порушення їх суцільності і при збереженні стабільності верхніх шарів їх літосфери.

Джерело: Jiashun Hu, Lijun Liu, Manuele Faccenda, Quan Zhou, Karen M. Fischer, Stephen Marshak, Craig Lundstrom. Modification of the Western Gondwana craton by plume–lithosphere interaction // Nature Geoscience. 2018. DOI: 10.1038/s41561-018-0064-1.

Владислав Стрекопитов