Глубоко в Земле под нами лежат два сгустка размером с континенты. Один из них находится под Африкой, другой - под Тихим океаном. Их корни уходят на глубину 2 900 км (1 800 миль) под поверхность, почти на полпути к центру Земли. Считается, что они являются местом зарождения поднимающихся столбов горячей породы, называемых “глубокими мантийными плюмами”, которые достигают поверхности Земли. Когда эти плюмы впервые достигают поверхности, происходят гигантские вулканические извержения – такие, которые способствовали вымиранию динозавров 65,5 миллионов лет назад. Плюмы также могут контролировать извержение породы под названием кимберлит, которая приносит алмазы с глубины 120-150 км (а в некоторых случаях и до 800 км) на поверхность Земли. Ученые давно знали о существовании этих пятен, но вопрос о том, как они вели себя на протяжении истории Земли, оставался открытым. В новом исследовании мы смоделировали миллиард лет геологической истории и обнаружили, что плюмы собираются вместе и распадаются, подобно континентам и суперконтинентам...


Модель эволюции земных пузырей

Сгустки находятся в мантии – толстом слое горячей породы между земной корой и ядром. Мантия твердая, но медленно течет в течение длительного времени. Мы знаем о существовании мантии, потому что она замедляет волны, вызванные землетрясениями, что говорит о том, что мантия горячее, чем окружающая ее среда.

Ученые в целом согласны с тем, что появление пятен связано с движением тектонических плит на поверхности Земли. Однако то, как менялись эти пятна на протяжении истории Земли, озадачило их.

Одна из школ считает, что нынешние пятна действовали как якоря, зафиксированные на месте в течение сотен миллионов лет, пока другие породы двигались вокруг них. Однако мы знаем, что тектонические плиты и мантийные плюмы перемещаются со временем, и исследования показывают, что форма сгустков меняется.

Наше новое исследование показывает, что земные глыбы меняют форму и местоположение гораздо чаще, чем считалось ранее. Фактически, на протяжении истории они собирались и распадались так же, как континенты и суперконтиненты на поверхности Земли.

Мы использовали Национальную вычислительную инфраструктуру Австралии, чтобы запустить передовое компьютерное моделирование движения мантии Земли на протяжении миллиарда лет.

Эти модели основаны на реконструкции движения тектонических плит. Когда плиты сталкиваются друг с другом, дно океана проталкивается между ними в процессе, известном как субдукция.

Холодная порода со дна океана опускается все глубже и глубже в мантию и, достигнув глубины около 2 000 км, выталкивает горячие сгустки в сторону.


Мы обнаружили, что подобно континентам, сгустки могут собираться – образуя “суперсгустки”, как в нынешней конфигурации – и разрушаться со временем.

Ключевым аспектом наших моделей является то, что, несмотря на изменение положения и формы пузырей с течением времени, они по-прежнему соответствуют схеме вулканических и кимберлитовых извержений, зарегистрированных на поверхности Земли. Ранее эта закономерность была ключевым аргументом в пользу того, что шарики являются неподвижными “якорями”.

Поразительно, но наши модели показывают, что Африканский шар был собран всего 60 миллионов лет назад – что резко контрастирует с предыдущими предположениями о том, что шар мог существовать примерно в своей нынешней форме почти в десять раз дольше.

Остающиеся вопросы о пузырях

Как возникли сгустки? Из чего именно они состоят? Мы до сих пор не знаем.

Пятна могут быть более плотными, чем окружающая мантия, и поэтому они могут состоять из материала, отделенного от остальной мантии на ранних этапах истории Земли. Это может объяснить, почему минеральный состав Земли отличается от того, который ожидается по моделям, основанным на составе метеоритов.

В качестве альтернативы, плотность пятен можно объяснить накоплением плотного океанического материала из плит породы, столкнутых вниз в результате движения тектонических плит.

Независимо от этих дебатов, наша работа показывает, что опускающиеся плиты с большей вероятностью переносят фрагменты континентов в африканское пятно, чем в тихоокеанское.

Интересно, что этот результат согласуется с недавней работой, предполагающей, что источник мантийных плюмов, поднимающихся из Африканского сгустка, содержит континентальный материал, в то время как плюмы, поднимающиеся из Тихоокеанского сгустка, не содержат его.

Отслеживание пузырей для поиска минералов и алмазов

Хотя наша работа затрагивает фундаментальные вопросы об эволюции нашей планеты, она также имеет практическое применение.

Наши модели обеспечивают основу для более точного определения местонахождения минералов, связанных с подъемом мантии. К ним относятся алмазы, поднятые на поверхность кимберлитами, которые, по-видимому, связаны с этими сгустками.

Магматические сульфидные месторождения, которые являются основным мировым запасом никеля, также связаны с мантийными плюмами. Помогая найти такие полезные ископаемые, как никель (важный компонент литий-ионных батарей и других технологий возобновляемой энергии), наши модели могут способствовать переходу к экономике с низким уровнем выбросов.