Международная группа учёных добилась значительного прорыва в понимании тектонической эволюции планет земной группы. Используя передовые численные модели, команда впервые систематически классифицировала шесть различных планетарных тектонических режимов и выявила новый режим — «эпизодически-мягкий покров».
Исследование не только даёт важные подсказки о происхождении тектоники плит на Земле, но и предлагает надёжную теоретическую основу для расшифровки загадочных геологических особенностей Венеры. Результаты были опубликованы в журнале Nature Communications. Руководила группой исследователей кафедра наук о Земле и планетах Гонконгского университета (HKU), включая докторанта доктора Тяньян Лю, профессора Ман Хой Ли (также из кафедры физики) и профессора Мок Сау-Кинг Гуочунь Чжао.
Разнообразие тектонических режимов на планетах земной группы
Планеты земной группы демонстрируют разнообразные тектонические режимы, под которыми понимаются крупномасштабные деформации их поверхностных слоёв и процессы, вызывающие такие деформации. Эти режимы напрямую формируют геологическую активность планеты, её внутреннюю эволюцию, магнитное поле, состав атмосферы и даже потенциал для поддержания жизни.
Одной из самых устойчивых загадок в планетологии является вопрос, почему на Земле наблюдается активная тектоника плит, в то время как её «сестра-планета» Венера имеет совершенно иной геологический характер.
Деформация поверхности планеты как ключевой фактор
Способ деформации поверхности планеты является ключевым фактором, определяющим её эволюцию. Например, Марс демонстрирует тектонически неактивный режим «застойного покрова», что приводит к практически неподвижной поверхности, сохраняющей древние ударные кратеры.
В отличие от Марса, Земля функционирует в режиме «подвижного покрова» (тектоника плит) с сетью срединно-океанических хребтов, трансформных разломов и зон субдукции. Эти границы плит порождают такие геологические опасности, как землетрясения и вулканизм, но также способствовали стабилизации атмосферных и климатических условий Земли на протяжении миллионов и миллиардов лет, способствуя эволюции жизни.
Например, климатически активные соединения, такие как CO₂ или вода, могут быть захоронены в недрах Земли, когда океанические осадки подвергаются субдукции из-за тектоники плит, но могут быть возвращены в атмосферу через вулканы после длительного хранения в мантии, что приводит к примерно сбалансированным поверхностным условиям.
Выявление новых тектонических режимов
Прошлые исследования предлагали дополнительные тектонические режимы, такие как «вялый покров» или «плутонически-мягкий покров», но взаимосвязи между этими режимами и их связь с планетами земной группы оставались неясными.
«Благодаря статистическому анализу огромного количества модельных данных мы впервые смогли количественно определить шесть тектонических режимов», — объяснил доктор Тяньян Лю, первый автор статьи. «К ним относятся подвижный покров (как у современной Земли), застойный покров (как у Марса) и наш недавно обнаруженный «эпизодически-мягкий покров». Этот новый режим характеризуется чередованием двух режимов активности, что предлагает свежий взгляд на то, как планеты переходят из неактивного состояния в активное».
Преодоление «эффекта памяти»
Основным вызовом в прогнозировании тектонической эволюции планеты является «эффект памяти», или гистерезис, когда тектоническое состояние планеты зависит не только от её текущих условий, но и от её долгой истории.
«Наши модели показывают, что этот «эффект памяти» преодолим», — объяснил профессор Ман Хой Ли. «Особенно на эволюционном пути, где литосфера со временем ослабевает (как это происходит на Земле), переход между тектоническими режимами может быть удивительно предсказуемым. Это значительно повышает прогностическую силу нашей модели».
Исследовательская группа также разработала комплексную диаграмму, отображающую все шесть тектонических режимов в различных физических условиях, что позволило выявить вероятные пути перехода по мере охлаждения планеты с течением времени.
Профессор Гуочунь Чжао, академик Китайской академии наук, добавил: «Геологические данные свидетельствуют о том, что тектоническая активность на ранней Земле соответствует характеристикам нашего недавно идентифицированного режима. По мере того как Земля постепенно охлаждалась, её литосфера становилась более склонной к растрескиванию при определённых физических механизмах, что в конечном итоге привело к современной тектонике плит. Это ключевой элемент в объяснении того, как Земля стала обитаемой планетой».
Объяснение загадочной геологии Венеры
Результаты исследования также предлагают убедительное объяснение загадочной геологии Венеры. Модели показывают, что некоторые поверхностные особенности Венеры, такие как круговые «короны» шириной более 1000 км, весьма согласуются с режимами «плутонически-мягкий покров» или «эпизодически-мягкий покров». В этих режимах магматические интрузии ослабляют литосферный покров, что приводит к региональной, периодической тектонической активности, доминируемой мантийными плюмами, а не глобальной деформацией, обусловленной границами плит.
Профессор Чжун-Хай Ли из Университета Китайской академии наук, соавтор исследования, отметил: «Интересно сравнить результаты нашей модели с геологическими наблюдениями Венеры. Это даёт важные теоретические ориентиры и цели для будущих миссий на Венеру».
Это исследование закладывает новую основу для классификации и понимания тектонического разнообразия планет, предоставляя инструменты для будущих планетарных исследований.
«Наши модели тесно связывают конвекцию мантии с магматической активностью», — заключил доктор Максим Д. Боллмер из Университетского колледжа Лондона, ещё один соавтор исследования. «Это позволяет нам рассматривать долгую геологическую историю Земли и текущее состояние Венеры в рамках единой теоретической основы и предоставляет решающую теоретическую основу для поиска потенциально обитаемых аналогов Земли и суперземель за пределами нашей Солнечной системы».
Предоставлено Гонконгским университетом.