Строение кратонов может меняться из-за взаимодействия их литосферы и мантийных плюмов

Теория тектоники плит неплохо объясняет глобальные тектонические процессы, наблюдаемые в океанах и на окраинах континентов: спрединг, рифтинг, субдукцию и т. д. Относительно центральных частей континентов — кратонов — считается, что они оставались холодными и стабильными в течение миллиардов лет. Новые результаты геофизических исследований и их компьютерной обработки показывают, что кратоны также могут подвергаться активизации. Это согласуется с гипотезой взаимодействия мантийных плюмов и литосферы, которая не противоречит теории тектоники плит, а, скорее, дополняет ее.

Самые древние горные породы на земной поверхности расположены в пределах кратонов — стабильных блоков древней континентальной коры, расположенных в глубине материков, вдали от активных континентальных окраин — зон, где поверхностные породы затягиваются в мантию, вовлекаясь в процесс вторичной переработки. Кратоны — это своеобразные «ядра» всех современных континентов. Сотни миллионов и даже миллиарды лет с ними ничего не происходило: они не раскалывались на части, в их пределах не проявлялась вулканическая или сейсмическая активность, слои пород не сминались в складки и не происходило горообразование. Обладая положительной плавучестью относительно подстилающей мантии, эти мощные, глубоко укоренившиеся блоки Земли в течение геологической истории то «расплывались» по поверхности планеты, то собирались в огромные суперконтиненты. Длительную стабильность кратонов обычно связывают с их нейтрально-положительной плавучестью и механической прочностью их литосферы, что защищает кору кратонов от динамических процессов, происходящих в подстилающей мантии.

Однако результаты недавних исследований группы геологов из США и Италии, опубликованные в журнале Nature Geoscience, показывают, что и в пределах кратонов были периоды активизации, горообразования, вулканизма и сейсмической активности. Исходным моментом послужили неожиданные геофизические данные, полученные учеными при анализе поведения сейсмических волн под неопротерозойскими кратонами Конго и Калахари (Африка) и кратоном Сан-Франциско (Южная Америка), составлявших в конце докембрия единый кратон Западной Гондваны (рис. 1).

Обычно для кратонов характерен низкий топографический рельеф. Это объясняется тем, что они в течение длительного времени оставались стабильными и они только разрушались в результате эрозии. Однако именно эти три кратона, привлекшие внимание исследователей, характеризуются высоким рельефом. К тому же они претерпели значительные изменения в течение и после мезозойской эры, о чем свидетельствуют широко распространенные в их пределах поднятия и вулканизм, относящиеся к меловому периоду.

Исследователи обрабатывали геофизические данные с помощью суперкомпьютера Blue Waters в Национальном центре суперкомпьютерных приложений в Иллинойсе, надеясь лучше понять строение этих приподнятых областей. Компьютерная модель, созданная одним из авторов работы, профессором Лицзюнем Лю (Lijun Liu), объединяет в себе элементы модели тектоники плит и модели мантийно-литосферного взаимодействия (теория плюмов), позволяя восстанавливать историю развития территорий. Эта четырехмерная геодинамическая модель является уникальной и первой подобной моделью в мире. В ее основе заложен алгоритм, аналогичный алгоритмам цифровых моделей предсказания погоды. Главным принцип — рассматривать внутреннее строение Земли не как набор слоистых оболочек, а как сложную систему плотностных и термических неоднородностей (рис. 2).

Рис. 2. Объемная модель литосферы и подстилающей мантии Центральной и Южной Атлантики, построенная на основе анализа сейсмических волн. Вверху показан высотный профиль этой части земной поверхности. Внизу слева — соответствующая шкала высот (в км), правее от нее — шкала отклонений скорости прохождения поперечных сейсмических волн. Черные стрелки показывают направление мантийных потоков, а также направление погружения в мантию литосферной плиты Наска (Nazca Slab). African LLSVP — крупная отрицательная аномалия прохождения поперечных сейсмических волн под Африканским континентом. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

В результате проведенного моделирования было выявлено следующее: под возвышенными кратонами Африки и Южной Америки в континентальной коре фиксируются отчетливые аномалии повышенных скоростей прохождения поперечных сейсмических волн (темно-синий цвет на рис. 2). Ниже располагаются участки верхних слоев верхней мантии сложной конфигурации, сложенные веществом нейтральной плавучести, для которых характерны более низкие скорости прохождения волн (бирюзовый цвет). Неожиданным стало отсутствие под кратонами глубоких мощных литосферных корней. Ранее считалось, что именно наличие мощных корней литосферы, обладающей меньшей плотностью, чем подстилающая мантия, позволяет континентальным блокам плавать поверх плотной горячей мантии. Да и сама верхняя мантия под изученными кратонами по результатам моделирования оказалась не такой уж плотной. Более плотная область верхней мантии, зафиксированная в виде крупной отрицательной аномалии прохождения поперечных сейсмических волн, находится глубоко под Африканским континентом (см.: African LLSVP и Large low-shear-velocity provinces).

То есть наблюдается как бы отслоение нижних, более плотных слоев верхней мантии от верхних, обладающих нейтральной плавучестью и «припаянных» к корням континентальной коры.

Именно с процессом мантийной деламинации (расслоения), произошедшей в позднемеловое–раннекайнозойское время, авторы связывают активизацию стабильных до этого южно-атлантических кратонов. А отделение и погружение нижних, более плотных слоев верхней мантии в менее плотную астеносферную мантию увеличило плавучесть литосферы кратонов, что выразилось в их топографическом поднятии. Причиной же запуска механизма деламинации могло быть взаимодействие нижних слоев литосферы, в состав которой входит земная кора и верхняя мантия, с горячей магмой всплывающих мантийных плюмов (рис. 3).

Рис. 3. Схема деламинации корней литосферы. Нижние, более плотные слои верхней мантии отслаиваются от вышележащих нейтрально-плавучих слоев и погружаются в астеносферу — разрыв происходит из-за всплывающих мантийных плюмов. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Сначала всплывающие плюмы прогревали и ослабляли сплошность литосферы над ними. С этим периодом связан региональный метаморфизм, вулканизм и образование кимберлитов. Затем происходило изостатическое поднятие кратонов, следствием которого был запуск интенсивных эрозионных процессов, приводящих к истончению коры. Завершался цикл плюмово-литосферного взаимодействия восстановлением термической стабильности в корневой части литосферы и термическим «нарастанием» нового нижнего слоя верхней мантии. По сравнению с первичным новый нижний слой верхней мантии характеризуется меньшей плотностью и более высоким положением границы Мохо. Это еще больше увеличивало плавучесть, что приводило к формированию аномально высокого рельефа.

Это исследование демонстрирует, что гипотеза плюмово-литосферного взаимодействия хорошо дополняет широко принятую в геологии теорию тектоники плит, позволяя объяснить причины и механизмы процессов активизации древних кратонов, протекавшей без нарушения их сплошности и при сохранении стабильности верхних слоев их литосферы.

Источник: 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 Стрекопытов