Без тектоники плит наша планета была бы совсем другой. Постоянные перемены в земной коре обеспечивают нам стабильный климат, дают месторождения минералов и нефти, а также океаны с поддерживающим жизнь балансом химических веществ. Они даже дают толчок эволюции каждые несколько сотен миллионов лет.
Откуда же взялась тектоника земных плит? Модели показывают, что для того, чтобы тектоника плит начала работать, планета должна быть подходящего размера. Если она получится слишком маленькой, то её литосфера — твёрдая часть коры и верхней мантии — будет слишком толстой. Слишком большой — и её мощное гравитационное поле сожмёт все плиты вместе, крепко удерживая и не давая двигаться. Условия также должны быть оптимальными: породы, из которых состоит планета, должны быть не слишком горячими, не слишком холодными, не слишком влажными и не слишком сухими.
Но даже если эти условия соблюдены, есть ещё один решающий фактор, который необходимо учитывать. Каким-то образом литосфера должна расколоться так, чтобы один кусок погрузился под другой. Сегодня мы наблюдаем этот процесс, известный как «субдукция», на границе многих океанических бассейнов, когда холодное, плотное океаническое дно скользит, заходя под более плавучую континентальную кору, и погружается в мантию.
Однако ранняя Земля была намного теплее, чем сегодня, и вместо хрупкой внешней коры её покрывала липкая масса, в которой должны были появиться первые трещины. Многочисленные компьютерные модели пытались смоделировать условия, в которых спонтанно произошёл бы разлом коры, но пока все они потерпели неудачу.
Первую дыру мог проделать мантийный плюм (горячий мантийный поток, двигающийся от основания мантии у ядра Земли независимо от конвективных течений в мантии), прорвавшийся снизу. Или, возможно, толчком послужил астероид или комета, которая при ударе пробила липкий поверхностный слой и запустила цепь событий, приведших к появлению первых движущихся плит.
Ещё одна неясность заключается в том, когда именно это могло произойти. В океанической коре можно нарыть очень мало исторической информации, потому что большая её часть недостаточно древняя — океаническая кора обычно разрушается в зонах субдукции всего через 200 миллионов лет после образования океанического хребта. Тем не менее, свидетельства океанической коры, которая избежала субдукции, дают подсказки. Офиолиты — это обломки древней океанической коры, которые наползли на континентальную кору в зоне субдукции, а не оказались под ней. Недавнее исследование датировало образец кандидата в офиолиты в Гренландии возрастом в 3,8 миллиарда лет — это самая древняя датировка, связанная с тектоникой плит.
Какой бы ни была точная дата начала тектонических процессов, с тех пор они формируют и изменяют форму поверхности нашей планеты. В ходе этого процесса происходит круговорот воды, углерода и азота, что создаёт среду, идеально подходящую для жизни. Он также привёл к образованию многих месторождений нефти, газа и минералов, которые мы находим на Земле: всё благодаря давлению и запеканию горных пород до нужной степени. Вулканы, извергающие в атмосферу углекислый газ, и ползающие тектонические плиты вместе поддерживают климат, пригодный для жизни.
Движение плит также заставляет контуры океанов меняться, горы подниматься и опускаться, а континенты собираться вместе и расходиться. Каждые 500-700 миллионов лет тектоника плит объединяет континенты, образуя суперконтинент. Последний из них, Пангея, существовал 250 миллионов лет назад, и примерно через 250 миллионов лет континенты снова столкнутся друг с другом.
Когда эти суперконтиненты медленно распадаются, разделяя суши и образуя мелкие моря, эволюция идёт полным ходом, образуя бесчисленное множество новых видов, которые заселяют новые места обитания.
В конце концов, литосфера застынет, поскольку Земля остынет и конвекционные потоки в мантии станут слишком слабыми, чтобы толкать плиты. Никто точно не знает, сколько ещё осталось тектонике плит, и остановится ли она до того, как наша планета будет поглощена Солнцем. Но давайте не будем слишком беспокоиться об этом: к тому времени, когда это произойдёт, люди, скорее всего, станут далёким воспоминанием в жизни планеты.
На Земле тектоника плит создаёт горы, вызывает цунами и формирует вулканы. Перефразируя слова покойного эволюционного биолога Теодосия Добжанского, можно сказать, что ничто на поверхности Земли не имеет смысла, если не рассматривать этот процесс. И в этом отношении наш дом, похоже, уникален. Конечно, другие планеты геологически активны, но нам ещё предстоит найти подобную Земле систему тектоники плит в других местах Вселенной.
Томас Уоттерс, старший научный сотрудник Национального музея авиации и космонавтики в Вашингтоне, занимается тектоникой планет. Он говорит, что в то время как на Земле есть, по меньшей мере, 15 движущихся плит, все свидетельства указывают на то, что Меркурий является одноплитной планетой.
Это означает, что на поверхности Меркурия не могут происходить тектонические процессы в том виде, в котором они нам знакомы. На Земле отдельные плиты расходятся, сталкиваются лоб в лоб или трутся друг о друга. На Меркурии мы не видим таких явлений, потому что у планеты только одна плита. Тем не менее, кора планеты не совсем инертна. Глубоко под поверхностью внутренние слои Меркурия остывают. Падение температуры под поверхностью заставляет ядро планеты сжиматься, и кора делает то же самое. Получается, что Меркурий сжимается.
Коре приходится приспосабливаться к этому уменьшению объёма. Поскольку планета становится меньше, одинокая плита Меркурия сминается. Если бы вы отправились в поход по поверхности планеты, то встретили бы на своём пути высокие скалы и вытянутые долины. Эти особенности рельефа образованы надвиговыми разломами, где материалы коры сталкиваются, разрываются, и одна часть коры надвигается на другую. Подобные разломы можно найти и на Земле — особенно в местах, где сходятся две плиты.
Уоттерс был ведущим автором статьи 2016 года о некоторых откосах Меркурия — ступенчатых хребтах, образованных разломами в коре. Возраст тех из них, которые рассматривала его команда, составляет менее 50 миллионов лет, что делает их довольно молодыми по геологическим стандартам. Их возраст указывает на то, что Меркурий всё ещё испытывает движение коры.
Одним из соавторов этой работы был астроном из Колорадо Кларк Р. Чепмен. Он сравнивает планету с высохшим фруктом. «Кора Меркурия сильно уменьшилась и, скорее всего, продолжает уменьшаться… потому что внутренняя часть охлаждается и сжимается», — объясняет Чепмен. «Грубым аналогом может служить кожура яблока: когда внутренняя часть яблока постепенно высыхает и сжимается, это приводит к тому, что кожица яблока становится морщинистой». Этот же процесс мы можем наблюдать и ближе к нашему дому. Луна, как и Меркурий, представляет собой тело с одной пластиной, которая сейчас сжимается по мере остывания его ядра.
Марсианские пейзажи должны быть просто завораживающими. На красной планете находится самый большой вулкан в Солнечной системе и самый большой каньон. Учёные назвали последний «Валлес Маринерис». Его длина составляет 3 000 километров, а ширина — 600 километров, и по сравнению с ним крупнейшие каньоны Земли выглядят как мелкие трещины.
Марс также примечателен своей дихотомией планетарной коры: толщина коры южного полушария в среднем составляет 58 километров, в то время как толщина коры северного полушария в среднем всего 32 километра. Уоттерс говорит, что этот «топографический контраст» напоминает различия «между континентами Земли и океаническими бассейнами».
Может ли это несоответствие быть следствием тектоники плит? Ан Инь, профессор геологии Калифорнийского университета, написал множество работ о поверхности Марса. В 2012 году он предположил, что марсианское плато, называемое поднятием Тарис, могло быть образовано зоной субдукции — местом, где одна плита погружается под другую. В том же году он назвал Валлес Маринерис возможной пограничной зоной между двумя плитами.
«Это гипотезы, подкреплённые знаниями, — говорит Инь, — но с получением новых данных в ближайшие пару десятилетий всё может измениться». На данный момент он придерживается мнения, что на Марсе существует примитивная форма тектоники плит. Однако, даже если это правда, Марс не обладает большим количеством плит. Кроме того, активность, связанная с плитами, на красной планете развивается гораздо медленнее, чем на Земле.
Перейдём к другим нашим небесным соседям. Газообразная атмосфера Венеры делает её сложной планетой для исследования. Тем не менее, нам удалось кое-что узнать о её поверхности. «Нынешняя кора Венеры относительно молода, — говорит Уоттерс. Судя по некоторым кратерам, оставленным метеоритами, возраст её современной поверхности составляет менее 1 миллиарда лет».
Однако возраст — это ещё не всё. Как и на Земле, на Венере есть свои хребты, разломы и (возможно, действующие) вулканы. В исследовании 2017 года утверждается, что Венера во многом обязана своим рельефом доисторическим мантийным плюмам. Эти столбы расплавленной породы иногда достигают коры планеты. Когда это происходит, они часто порождают «горячую точку» вулканической активности. Здесь, на Земле, лава, выброшенная мантийными плюмами, создала Гавайские острова, а также Исландию.
Теоретически, вулканический материал, высвобождаемый горячими точками, может объяснить наличие короны: больших структур овальной формы, обнаруженных на поверхности Венеры. Вулканические выбросы могли даже привести к образованию необычных зон субдукции вокруг хребтов. Не совсем тектоника плит, но тоже довольно интересный процесс.
