Ученые выяснили, почему в геологической летописи Земли есть гигантская дыра

Фото из открытых источников

Новое исследование, опубликованное в журнале Nature, связывает Великое несогласие — разрыв в геологической летописи, составляющий сотни миллионов лет (местами более миллиарда), — с континентами, которые медленно поднимались и опускались. По мнению авторов, толчком к этому послужило движение горячих горных пород глубоко внутри Земли.

В Большом каньоне слои горных пород располагаются подобно страницам книги: самые старые — внизу, самые молодые — наверху. В одном месте стены каньона этот порядок нарушается.

Песчаники кембрийского периода, возраст которых составляет около 540 миллионов лет, залегают непосредственно на кристаллических породах, таких как гранит, возраст которого может превышать миллиард лет. Между ними ничего нет.

Геологи называют этот скачок Великим несогласием. В зависимости от места, недостающая геологическая летопись охватывает период от 200 миллионов лет до более чем миллиарда лет. Первые динозавры появились примерно 230 миллионов лет назад, поэтому даже самый короткий вариант этого разрыва почти равен времени, прошедшему с тех пор.

Первые описания содержатся в отчетах Джона Уэсли Пауэлла об исследовании реки Колорадо, опубликованных в 1875 году. С тех пор поверхности аналогичного возраста были обнаружены в Северной Америке, Северной Европе и Китае, а также в Австралии и Африке.

Этот промежуток находится непосредственно перед кембрийским взрывом, моментом, когда животный мир резко разнообразился. Количество сохранившихся в мире осадочных пород удвоилось за этой границей.

В 2012 году Шанан Питерс и Роберт Гейнс в журнале Nature предположили, что само образование несогласия могло способствовать этому взрыву. Таким образом, на протяжении более века геологи задаются вопросом, что же поглотило эти породы.

До настоящего времени существовало четыре основных кандидата. Наиболее известным является серия глобальных оледенений криогенового периода, произошедших от 720 до 635 миллионов лет назад, часто называемых «Землей-снежком».

Согласно этой теории, лед соскребал с континентов километры горных пород. Бренхин Келлер и его команда отстаивали ее в журнале PNAS в 2019 году.

Другие исследования указывали на распад континентов и активность мантийных плюмов (столбов необычайно горячих пород, поднимающихся из глубоких подземных слоев), на падение уровня моря или на вертикальные движения, вызванные движением мантии.

Проблема, по мнению авторов новой статьи, заключается в том, что ни одна из этих идей не была проверена с помощью динамических моделей, которые можно было бы сравнить с данными со всего мира.

Соавтор исследования Сантош Дхунгана из Университета Вуллонгонга (Австралия) и первый, резюмирует это образным сравнением: представьте себе книгу, из которой вырван огромный фрагмент посередине. По его мнению, эти страницы были потеряны не случайно.

Под земной корой находится мантия — слой горячих пород, который тверд, но очень медленно течет, подобно леднику, который выглядит неподвижным, но продолжает двигаться. Течения в мантии в одних местах поднимают поверхность, а в других — опускают ее.

Этот эффект называется динамической топографией, и он действует на огромные территории. В модели, разработанной Дхунганой и его научным руководителем Николасом Фламентом, изменения распространяются примерно на 5000 километров, что шире, чем континентальная часть Соединенных Штатов.

Идея проста. Если континент поднимается в течение сотен миллионов лет, эрозия сносит большую часть его горных пород. Если же он затем опускается на такой же период времени, море затопляет его, и новые отложения погребают изношенную поверхность, обеспечивая его сохранность.

В пресс-релизе университета Фламент описывает один длинный подъем, за которым следует один длинный спуск, как идеальный рецепт для удаления породы и сохранения эродированной поверхности.

Исследование не исключает существования ледников. Оно их учитывает. По мнению авторов, пологий наклон континента не создал бы склонов, достаточно крутых для того, чтобы реки размывали такое количество горных пород.

Однако устойчивое поднятие в криогеновый период способствовало бы ледниковой эрозии, которая, согласно исследованиям, цитируемым в статье, примерно в десять раз мощнее речной эрозии и может происходить на меньших высотах. Другими словами, мантия вывела бы континенты на заданные позиции, а лед выполнил бы большую часть работы.

Чтобы проверить эту идею, команда воссоздала движение мантии за последний миллиард лет. Они запустили шесть версий одной и той же симуляции на суперкомпьютере Gadi, входящем в состав Национальной вычислительной инфраструктуры Австралии.

В качестве эталона они выбрали версию, которая наилучшим образом воспроизводила глубинные структуры современной мантии и местоположение основных вулканических извержений.

Затем они сравнили результаты с количеством осадочных пород, сохранившихся на каждом континенте, используя более ранние сводки и Macrostrat — базу данных слоев горных пород, которая объединяет более 33 000 единиц горных пород.

Аналогичная картина наблюдается в Лаврентии (древнем ядре современной Северной Америки), Балтике (аналог Северной Европы) и северном Китае. Модели предсказывают длительный подъем в неопротерозое, эпоху, закончившуюся около 540 миллионов лет назад, за которым последовал длительный спад в течение последних 540 миллионов лет. Это соответствует скачку в количестве сохранившихся отложений в начале кембрийского периода почти на каждом континенте.

Африка является исключением. Она состоит из блоков с совершенно разной историей и пересекается древними горными хребтами, что усложняет интерпретацию. В северной части Южной Америки модели также указывают на другой регион, где могло сформироваться и сохраниться несогласие.

Исследование также объясняет, почему Великое несогласие изучается преимущественно в Северной Америке. Лаврентия очень обширна, и её края практически не деформированы, поэтому её поверхность сохранилась лучше.

По мнению авторов, его обнажение в Большом каньоне связано с Ларамийской орогенезой, периодом горообразования в западной части Северной Америки, и с последующим изменением русла реки Колорадо. Исследование Карлстрома и его коллег, опубликованное в 2014 году в журнале Nature Geoscience, датировало образование нынешнего каньона периодом от 5 до 6 миллионов лет назад.

В Балтике поверхность в основном погребена под более молодыми отложениями, и авторы связывают это с неоднократным горообразованием вдоль ее восточной окраины.

В северном Китае несогласие действительно выходит на поверхность, хотя этот блок меньше по размеру и был переработан в результате четырех эпизодов горообразования. Авторы предполагают, что утрата глубокого корня его литосферы (жесткой внешней оболочки Земли) в раннем меловом периоде, в эпоху динозавров, способствовала его обнаружению. В обоих случаях это гипотезы, а не доказанные факты.

Авторы признают ряд ограничений. Реконструкции движения тектонических плит становятся менее точными по мере удаления от истоков, и результаты в значительной степени зависят от них. Кроме того, этот метод имеет тенденцию завышать высоту деформаций примерно в два раза, поэтому исследователи сосредотачиваются на тенденции, а не на том, на сколько метров поднялся или опустился каждый регион.

Для Балтики и северного Китая поднятие наблюдается в четырех из шести симуляций, при этом между ними отмечаются существенные различия. А вариант, в котором использовалась другая базовая линия для отслеживания движений плит, не смог воспроизвести поднятие Лаврентии, и эта ошибка была использована для его исключения из модели.

Вопрос о жизни также остается открытым. Авторы предполагают, что эти изменения ландшафта повлияли на химический состав морской воды и способствовали кембрийскому взрыву, но оставляют для будущих исследований вопрос о том, как эрозия, осадки и состав океана повлияли на диверсификацию животных. На данный момент у Великого несогласия нет однозначного ответа, и еще предстоит выяснить, как лед и мантия участвовали в этом процессе.