Лесотское нагорье на юге Африки, на Центральном плато Большого уступа. Автор: профессор Том Джернон, Университет Саутгемптона
Ученые из Университета Саутгемптона ответили на один из самых загадочных вопросов в тектонике плит: как и почему «стабильные» части континентов постепенно поднимаются, образуя некоторые из величайших топографических особенностей планеты.
Они обнаружили, что когда тектонические плиты распадаются, глубоко в недрах Земли возникают мощные волны, которые могут вызвать подъем континентальных поверхностей более чем на километр.
Их выводы помогают разрешить давнюю загадку о динамических силах, которые формируют и связывают некоторые из самых драматичных форм рельефа Земли — обширные топографические особенности, называемые «уступами» и «плато», которые глубоко влияют на климат и биологию.
Новое исследование, проведенное под руководством Университета Саутгемптона, изучило влияние глобальных тектонических сил на эволюцию ландшафта на протяжении сотен миллионов лет. Результаты опубликованы 8 августа в журнале Nature.
Том Джернон, профессор наук о Земле в Университете Саутгемптона и ведущий автор исследования, сказал: «Ученые давно подозревали, что крутые топографические особенности высотой в километр, называемые Великими уступами, — как классический пример, опоясывающий Южную Африку, — образуются, когда континенты раскалываются и в конечном итоге разделяются. Однако объяснить, почему внутренние части континентов, находящиеся вдали от таких уступов, поднимаются и подвергаются эрозии, оказалось гораздо сложнее. Связан ли этот процесс вообще с образованием этих возвышающихся уступов? Проще говоря, мы не знали».
Уступ Драконовых гор в Южной Африке. Автор: профессор Жан Браун, GFZ Potsdam
Вертикальные движения стабильных частей континентов, называемых кратонами, остаются одним из наименее изученных аспектов тектоники плит.
Команда из Университета Саутгемптона, в которую входят доктор Теа Хинкс, доктор Дерек Кейр и Элис Каннингем, сотрудничала с коллегами из Центра Гельмгольца в Потсдаме — Германского исследовательского центра по наукам о Земле GFZ и Университета Бирмингема, чтобы ответить на этот фундаментальный вопрос.
Их результаты помогают объяснить, почему части континентов, ранее считавшиеся «стабильными», испытывают существенный подъем и эрозию, и как такие процессы могут распространяться на сотни или даже тысячи километров вглубь страны, образуя обширные возвышенные регионы, известные как плато, такие как Центральное плато Южной Африки.
Связь алмазов с эволюцией ландшафта
Основываясь на своем исследовании, связывающем извержения алмазов с континентальным распадом, опубликованном в прошлом году в журнале Nature, команда использовала передовые компьютерные модели и статистические методы, чтобы исследовать, как поверхность Земли реагировала на распад континентальных плит с течением времени.
Уступ Драконовых гор в Южной Африке. Автор: профессор Жан Браун, GFZ Potsdam
Они обнаружили, что когда континенты разделяются, растяжение континентальной коры вызывает активные движения в мантии Земли (объемный слой между корой и ядром).
Профессор Саша Брюн, возглавляющий секцию геодинамического моделирования в GFZ Potsdam, сказал: «Этот процесс можно сравнить со всеобъемлющим движением, которое движется к континентам и нарушает их глубокие основания».
Профессор Брюн и доктор Энн Глерум, также работающие в Потсдаме, провели моделирование, чтобы исследовать, как разворачивается этот процесс. Команда заметила интересную закономерность: скорость мантийных «волн», движущихся под континентами в их моделировании, близко соответствовала скорости крупных эрозионных событий, которые охватили ландшафт Южной Африки после распада древнего суперконтинента Гондвана.
Ученые собрали доказательства, чтобы предположить, что Великие Уступы берут начало на краях древних рифтовых долин, во многом похожих на крутые стены, которые можно увидеть на окраинах Восточно-Африканского разлома сегодня. Между тем, рифтовое событие также запускает «глубокую мантийную волну», которая движется вдоль основания континента со скоростью около 15–20 километров за миллион лет.
Уступ Драконовых гор в Южной Африке. Автор: профессор Жан Браун, GFZ Potsdam
Они полагают, что эта волна конвективно удаляет слои горных пород с континентальных корней.
«Подобно тому, как воздушный шар сбрасывает вес, чтобы подняться выше, эта потеря континентального материала заставляет континенты подниматься — этот процесс называется изостазией», — сказал профессор Брюн.
Основываясь на этом, команда смоделировала, как ландшафты реагируют на этот подъем, вызванный мантией. Они обнаружили, что мигрирующие нестабильности мантии вызывают волну поверхностной эрозии, которая длится десятки миллионов лет и движется по континенту с аналогичной скоростью. Эта интенсивная эрозия удаляет огромный вес породы, что заставляет поверхность земли подниматься еще выше, образуя приподнятые плато.
«Наши модели эволюции ландшафта показывают, как последовательность событий, связанных с рифтингом, может привести к образованию уступа, а также стабильного плоского плато, даже если слой в несколько тысяч метров пород был размыт», — объяснил Жан Браун, профессор моделирования процессов на поверхности Земли в GFZ Potsdam, также работающий в Потсдамском университете.
-
Спутниковый снимок Большого уступа из Sentinel Hub Earth Observation Browser. Снято с использованием набора данных Sentinel-2 L1C в мае 2020 года. Автор: профессор Том Джернон, Университет Саутгемптона
-
Спутниковый снимок Большого уступа (восточное нагорье Лесото) из браузера Sentinel Hub Earth Observation Browser. Снято с использованием набора данных Sentinel-2 L1C в мае 2022 года. Снежный покров выделяет возвышенный регион плато относительно низменностей, разделенных Большим уступом. Автор: профессор Том Джернон, Университет Саутгемптона
Исследование группы дает новое объяснение загадочным вертикальным движениям кратонов вдали от краев континентов, где подъем более распространен.
Доктор Стив Джонс, доцент кафедры систем Земли в Университете Бирмингема, добавил: «У нас есть убедительный аргумент в пользу того, что рифтогенез может при определенных обстоятельствах напрямую генерировать долгоживущие конвективные ячейки континентального масштаба в верхней мантии, и эти инициированные рифтогенезом конвективные системы оказывают глубокое влияние на топографию поверхности Земли, эрозию, седиментацию и распределение природных ресурсов».
Команда пришла к выводу, что та же самая цепочка возмущений мантии, которая заставляет алмазы быстро подниматься из глубоких недр Земли, также фундаментально формирует континентальные ландшафты, влияя на множество факторов, от регионального климата и биоразнообразия до моделей человеческих поселений.
Профессор Гернон, которому был присужден крупный благотворительный грант от фонда WoodNext, администрируемого фондом Greater Houston Community Foundation, на изучение глобального похолодания, объяснил, что распад континентов нарушает не только глубокие слои Земли, но и имеет последствия, которые отражаются на поверхности континентов, ранее считавшихся стабильными.
«Дестабилизация ядер континентов, должно быть, повлияла и на древний климат», — заключил профессор Гернон.
Дополнительная информация: Томас Гернон, Коэволюция окраин и внутренних частей кратонов во время распада континентов, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07717-1. www.nature.com/articles/s41586-024-07717-1
Информация о журнале: Nature
Предоставлено Университетом Саутгемптона
