Ученые объяснили, почему на Земле есть активная тектоника, а на Венере — нет

Тектоника плит – фундаментальный аспект геологической активности и истории Земли. Помимо постоянного изменения положения континентов, она также играет важную роль в поддержании условий, обеспечивающих существование на Земле обитаемых объектов. Однако Земля – единственная земная (каменистая) планета в Солнечной системе с активной тектоникой плит. Это вполне объяснимо для Меркурия и Марса, которые представляют собой одноплитные планеты, в значительной степени геологически неактивные из-за быстрого охлаждения их недр миллиарды лет назад. Однако Венера, «сестра» Земли, остаётся своего рода загадкой.

До настоящего времени планетологи не смогли определить, почему Венера геологически неактивна по сравнению с Землёй. Однако международная группа учёных недавно совершила значительный прорыв в нашем понимании планет земной группы и их тектонической эволюции. Под руководством исследователей из Гонконгского университета группа использовала передовые численные модели для выявления шести различных режимов планетарной тектоники. Их исследование предоставляет новую основу для классификации различных видов планетарной тектоники и инструменты для будущих исследований планет. Статья с результатами нового исследования была опубликована в журнале Nature Communications.

Тектонические режимы описывают крупномасштабную деформацию поверхности планеты и процессы, которые её обуславливают. Эти режимы определяют геологическую активность планеты, её внутреннюю эволюцию, магнитное поле и состав атмосферы – всё это играет огромную роль в пригодности планеты для жизни. Например, бесконечный цикл литосферы Земли (земной коры и верхней мантии) является неотъемлемой частью углеродного цикла планеты, включая вулканическую активность и секвестрацию углерода в карбонатных породах. Это обеспечивает стабильность уровня углекислого газа (основного парникового газа) в нашей атмосфере в течение длительного времени.

Между тем, собственное магнитное поле Земли обусловлено действием динамо в ядре, где расплавленное внешнее ядро вращается в противоположном направлении относительно твёрдого внутреннего ядра планеты. Это поле препятствует достижению поверхности большей частью космических лучей, взаимодействующих с верхними слоями атмосферы Земли, где они могли бы причинить значительный вред живым существам. Одна из самых сложных загадок планетологии заключается в том, почему на Земле происходит тектоника плит, а на Венере – нет. Учитывая, что Венера сопоставима по размерам, массе и плотности с Землёй, механизм, который остановил геологическую активность на Марсе и Меркурии, не должен применяться.

Тектоническая активность плит Земли характеризуется режимом «подвижной крышки», характеризующимся наличием хребтов, разломов и зон субдукции. Постоянная циркуляция литосферы Земли, при которой хребты поднимаются, а зоны субдукции опускают материал вниз, во многом напоминает конвейер, непрерывно обновляющий поверхность Земли. На планетах, не испытывающих тектонической активности, кратеры и другие особенности сохраняются в течение многих веков и дольше. В предыдущих исследованиях учёные предлагали дополнительные тектонические режимы, такие как «вялая крышка» или «плутонически-мягкая крышка».

Однако геологам до сих пор неясно, как эти режимы соотносятся друг с другом и с планетами земной группы в целом. В поисках ответа на этот вопрос руководитель исследования Тяньян Лю из Гонконгского университета (HKU) и его команда провели статистический анализ моделей мантийной конвекции, чтобы составить список возможных тектонических режимов. 

«Благодаря статистическому анализу огромного объёма модельных данных нам впервые удалось количественно идентифицировать шесть тектонических режимов. К ним относятся подвижная крышка (как у современной Земли), стагнирующая крышка (как у Марса) и недавно обнаруженный нами «эпизодически-мягкий» режим. Этот новый режим характеризуется чередованием двух режимов активности, предлагая новый взгляд на переход планет из неактивного в активное состояние», - объясняет Лю.

Серьёзной проблемой в изучении геологической активности является гистерезис (или «эффект памяти») – явление, при котором тектоническое состояние планеты в значительной степени зависит от её прошлой, а не только от текущей активности. Чтобы преодолеть это препятствие, группа также разработала комплексную диаграмму, описывающую переход всех шести режимов друг в друга по мере остывания планет земной группы. Это показало, что пути тектонической эволюции удивительно предсказуемы, особенно в условиях ослабления литосферы с течением времени. Согласно геологическим данным, именно это и произошло на Земле.

По мере охлаждения литосферы она становилась более склонной к растрескиванию, что привело к образованию плит и современному тектоническому состоянию Земли. Поскольку эта активность имела решающее значение для поддержания условий, благоприятных для жизни в том виде, в котором мы её знаем, эти результаты дают важную подсказку о том, как и когда Земля стала пригодной для жизни планетой. Кроме того, это даёт убедительное объяснение геологии Венеры, которая в значительной степени согласуется с режимами «плутонически-мягкой крышки» или «эпизодически-мягкой крышки», выявленными в их модели. В этих режимах литосфера ослабляется поднимающейся магмой, что приводит к региональной, прерывистой вулканической активности, а не к глобальным процессам, инициируемым мантией.

Это ещё один интересный вывод из исследования группы, который может пролить свет на многолетние споры о вулканизме на Венере. Хотя планетологи когда-то считали Венеру геологически мёртвой, недавние открытия поставили под сомнение эту точку зрения, указав на наличие действующих вулканов. Данное исследование подтверждает эти выводы, указывая на то, что вулканизм может сохраняться, несмотря на отсутствие активности тектонических плит. По сути, результаты группы предоставляют теоретическую основу и потенциальные места наблюдений для будущих миссий к Венере. 

«Наши модели тесно связывают мантийную конвекцию с магматической активностью. Это позволяет нам рассматривать длительную геологическую историю Земли и современное состояние Венеры в рамках единой теоретической модели и обеспечивает важнейшую теоретическую основу для поиска потенциально обитаемых аналогов Земли и суперземель за пределами нашей Солнечной системы», - отметил соавтор исследования профессор Максим Д. Балмер из Университетского колледжа Лондона (UCL).