Глубинные процессы в недрах Земли могли привести к исчезновению огромных пластов горных пород, сохранивших свидетельства сотен миллионов лет истории планеты. К такому выводу пришли исследователи, изучившие одну из крупнейших геологических загадок — Великое несогласие. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nature.
В некоторых местах Земли древние горные породы возрастом более миллиарда лет непосредственно соприкасаются со слоями, образовавшимися сотни миллионов лет спустя. Пород, которые должны были находиться между ними, нет. Это означает, что огромный промежуток геологической истории оказался утрачен: соответствующие отложения либо не сформировались, либо были уничтожены эрозией.
Наиболее известный пример такого явления находится в Большом каньоне в США. Здесь относительно молодые осадочные породы лежат непосредственно на гораздо более древнем основании. Однако подобные разрывы обнаружены и в других частях света, в том числе в Северной Европе и Китае.
Это явление получило название «Великое несогласие» (Great Unconformity). В некоторых местах оно охватывает 200 миллионов лет и более. Учёные десятилетиями пытались понять, что могло привести к исчезновению столь значительных частей геологической летописи.
Теперь исследователи Сантош Дхунгана и Николя Фламан предложили объяснение, связывающее Великую несогласованность геологических слоёв с движением вещества глубоко внутри Земли.
Континенты поднимались, а ледники уничтожали древние породы
До сих пор одной из главных гипотез происхождения Великого несогласия считалось глобальное оледенение, известное как «Земля-снежок» (или «Земля — снежный ком»). Примерно 720–635 миллионов лет назад ледники могли покрывать огромные территории планеты, разрушая и стирая древние горные породы.
Однако оставался вопрос: почему столь масштабная эрозия происходила на одних континентах и почему её следы лучше всего сохранились в Северной Америке?
Авторы нового исследования предполагают, что ключевую роль сыграли процессы в мантии — толстом слое горячих горных пород между земной корой и ядром.
Хотя мантия состоит преимущественно из твёрдого вещества, на протяжении миллионов лет оно способно очень медленно перемещаться. Горячие массы поднимаются из глубины, а более холодные опускаются. Это движение называется мантийной конвекцией.
Оно может влиять не только на движение тектонических плит, но и на высоту поверхности целых континентов. Когда глубинные потоки поднимаются, поверхность над ними способна постепенно приподниматься. Когда преобладают нисходящие потоки, она опускается.
Учёные предполагают, что сотни миллионов лет назад именно такой механизм поднял обширные территории древних континентов. В результате они оказались более уязвимыми для разрушительного воздействия ледников.
Ледники способны разрушать породы значительно интенсивнее рек. Согласно исследованию, скорость ледниковой эрозии может примерно на порядок превышать речную. Поэтому даже относительно небольшое, но продолжительное поднятие поверхности могло способствовать уничтожению огромных объёмов древних пород.
Почему исчезнувшие слои сохранились в геологической истории как пробел
По реконструкции исследователей, процесс состоял из двух основных этапов.
Сначала, в неопротерозойскую эру, значительные территории континентов постепенно поднимались. В период глобальных оледенений ледники разрушали обнажившиеся горные породы, удаляя древние слои.
Затем ситуация изменилась. В начале палеозойской эры, примерно 540 миллионов лет назад, многие из этих территорий начали опускаться. Их затапливали моря, на дне которых накапливались новые осадочные породы.
Таким образом, молодые отложения легли непосредственно на гораздо более древние породы, сохранив границу между ними. Именно эта граница сегодня позволяет геологам увидеть следы исчезнувших миллионов лет.
Особенность предложенного механизма заключается в том, что он объясняет не только разрушение древних пород, но и последующее сохранение следов эрозии. Если бы континенты продолжали подниматься, более поздние геологические процессы могли бы уничтожить и саму границу Великого несогласия.
Учёные смоделировали миллиард лет движения земной мантии
Чтобы проверить гипотезу, исследователи создали компьютерные модели движения вещества внутри Земли за последний миллиард лет.
Они использовали шесть вариантов моделирования, учитывающих реконструкции положения континентов, движение тектонических плит, расположение зон погружения земной коры в мантию и изменения температуры в глубинах планеты.
Расчёты проводились с помощью программы CitcomS, предназначенной для трёхмерного моделирования мантийной конвекции. В моделях использовалась вычислительная сетка примерно из 13 миллионов узлов.
Учёные сопоставили полученные результаты с геологическими данными о количестве осадочных пород, сохранившихся на разных континентах.
Моделирование показало, что древние континентальные массивы Лаврентия, Балтика и Северный Китай пережили длительные периоды поднятия, за которыми последовало опускание. Лаврентия включала значительную часть современной Северной Америки, а Балтика — территории, составляющие основу Северной и Восточной Европы.
Особенно хорошо предложенный сценарий согласуется с историей Лаврентии. Именно здесь, согласно моделям, сложились благоприятные условия для образования и сохранения Великого несогласия.
Важным обстоятельством оказались и размеры древнего континента. Большая площадь Лаврентии и относительно ограниченная тектоническая деформация её окраин помогли сохранить следы масштабной эрозии.
В других регионах история была сложнее. Например, Южная Америка и Австралия, согласно большинству моделей, пережили несколько циклов поднятия и опускания. В результате более поздняя эрозия могла частично уничтожить следы первоначального Великого несогласия.
Как это связано с появлением сложной жизни
Великое несогласие представляет интерес не только для геологов. Его формирование происходило незадолго до одного из важнейших событий в истории жизни на Земле — кембрийского взрыва.
Около 539 миллионов лет назад начался кембрийский период, в течение которого в геологической летописи появляется большое разнообразие животных с принципиально новыми формами строения тела.
Причины столь быстрого по геологическим меркам увеличения разнообразия животных остаются предметом научных дискуссий. Авторы исследования предполагают, что масштабная эрозия континентов могла повлиять на химический состав океанов.
Разрушение горных пород сопровождалось переносом огромных объёмов минерального материала с суши в моря. Это могло изменить доступность химических элементов, необходимых для биологических процессов, и создать условия, благоприятные для дальнейшего развития сложных организмов.
Таким образом, движение вещества в глубинах Земли могло косвенно повлиять на эволюцию жизни на её поверхности.
Однако исследование не доказывает, что именно эти процессы вызвали кембрийский взрыв. Авторы рассматривают такую связь как возможное следствие изменений ландшафтов и химического состава морской воды, которое ещё предстоит подробно изучить.
Почему загадка пока не решена окончательно
Исследователи подчёркивают, что их выводы основаны на компьютерных моделях, а реконструировать движение тектонических плит сотни миллионов лет назад чрезвычайно сложно. Чем дальше в прошлое, тем меньше сохранилось геологических свидетельств и тем выше неопределённость расчётов.
Кроме того, модели учитывают прежде всего крупномасштабные процессы в мантии на глубинах более 350 километров. Они не воспроизводят все локальные изменения рельефа, которые могли влиять на разрушение и накопление пород.
Авторы также отмечают, что их подход способен завышать рассчитанную амплитуду поднятия и опускания поверхности примерно вдвое. Поэтому наиболее надёжной частью результатов они считают общую последовательность изменений, а не точную высоту древних континентов.
Тем не менее моделирование позволило объединить несколько ранее предложенных объяснений Великого несогласия. Глобальные оледенения действительно могли уничтожать горные породы, но движение мантии создавало условия, при которых эрозия охватывала огромные территории, а её следы сохранялись сотни миллионов лет.
По мнению авторов, Великая несогласованность геологических слоёв может быть одним из наиболее масштабных видимых свидетельств процессов, происходивших в глубинах Земли и менявших облик целых континентов.