Когда началась тектоника плит?

Уникальность Земли среди известных нам планет заключается в её тектонической активности. В отличие от Венеры или Марса, поверхность нашей планеты не является монолитной. Она разделена на множество жёстких плит, постоянно взаимодействующих между собой: сталкивающихся, расходящихся и погружающихся в мантию. Это динамичное взаимодействие, известное как тектоника плит, является движущей силой многих геологических процессов, формирующих облик Земли, и играет, как считается, ключевую роль в развитии и эволюции жизни. Однако точный момент возникновения тектоники плит остаётся одной из самых сложных и дискуссионных проблем в геологии.

Оценки варьируются от самых ранних стадий существования Земли, около 4 миллиардов лет назад, до относительно недавнего периода – 700 миллионов лет назад. Отсутствие однозначного ответа связано с несколькими факторами. Во-первых, геологическая летопись не является непрерывной. Многие древние породы были разрушены, переработаны или скрыты под более молодыми отложениями. Во-вторых, ранние формы тектоники плит могли существенно отличаться от современной. Они могли быть менее интенсивными, занимать меньшие площади, или проявляться в иных формах, которые сложно идентифицировать в древних породах.

Самые древние неоспоримые свидетельства современной тектоники плит относятся к неопротерозойской эре (1-0,541 млрд лет назад). Эти свидетельства основываются на обнаружении обильных офиолитов – фрагментов океанической коры, поднятых на континенты в результате тектонических процессов – и бластомилонитов – метаморфических пород, образовавшихся в зонах субдукции. Зоны субдукции представляют собой места, где одна тектоническая плита подныривает под другую, погружаясь в мантию. Наличие этих пород, широко распространённых в неопротерозойских отложениях, указывает на активные процессы столкновения и субдукции плит, характерные для современной тектоники.

Однако, мнение о неопротерозойском начале тектоники плит не является общепринятым. Многие геологи считают, что тектоника плит существовала и раньше, но её следы были практически полностью стёрты последующими геологическими процессами. 

Существование ранних форм тектоники плит подтверждается моделированием геодинамических процессов. Компьютерные модели показывают, что даже на ранних этапах существования Земли, когда её мантия была значительно горячее, чем сейчас, могли возникать процессы движения литосферных плит, хотя, возможно, эти процессы были менее интенсивными и отличались по механизмам. 

Химический состав земной коры также служит убедительным доказательством эволюции тектоники плит. Если бы земная кора образовалась исключительно из первичных вулканических пород, её состав был бы практически идентичен составу мантии. Однако наблюдаемые вариации в химическом составе свидетельствуют о масштабных процессах переплавления и рециклинга, характерных для тектоники плит. В частности, наличие определённых изотопных соотношений, таких как изотопы кислорода и гафния, в различных участках коры показывает, что породы неоднократно подвергались плавлению, смешиванию и дифференциации на разных глубинах, свидетельствуя о субдукции.

Исследование 2012 года указывает на начало интенсивного переплавления земной коры около 3 миллиардов лет назад. Это событие, по мнению профессора геолого-минералогических наук в Университете Сент-Эндрюс (Великобритания) Криса Хоксворта, могло ознаменовать переход к полноценной субдукции. 

Изучение цирконов — исключительно стойких минералов, выживающих даже при экстремальных температурах и давлениях — указывает даже на более ранние признаки тектонической активности. Исследования, проводимые Надеждой Драбон, специалистом по Земле и планетам из Гарвардского университета, и другими учёными, обнаружили структуры цирконов, аналогичные структурам, образующимся в современных зонах субдукции, уже около 3,8 миллиардов лет назад. Это свидетельствует о том, что отдельные элементы тектонической активности могли зарождаться ещё в архейском эоне. Уменьшение средней продолжительности жизни земной коры примерно в то же время также косвенно подтверждает возрастание активности субдукционных процессов. 

В контексте более ранней активности также стоит рассмотреть исследование 2023 года, которое изучало палеомагнитное поле Земли, запечатленное в цирконах. Результаты показали, что до 3,4 миллиардов лет назад зерна цирконов, по всей видимости, еще оставались на месте своего образования. Это может свидетельствовать об отсутствии масштабных горизонтальных перемещений континентальных плит, что является одним из ключевых признаков современной тектоники плит. Таким образом, возникновение тектоники плит могло быть постепенным процессом, где разные её аспекты, такие как субдукция и движение континентов, развивались асинхронно. 

Это "постепенное включение" могло быть связано с остыванием Земли и утолщением литосферных плит. Более тонкие и горячие плиты ранней Земли могли быть менее склонны к субдукции, в то время как более холодные и толстые плиты позднего архея и раннего протерозоя начинали испытывать силы, приводящие к их погружению. Роль гидросферы также крайне важна. Изменение количества воды на поверхности планеты в разные геологические эпохи могло существенно влиять на динамику тектоники плит.