CC BY
1
УДК 551.24.031 Научная статья
СОЧЕТАНИЕ ДВУХ СТИЛЕЙ ТЕКТОНИКИ В СУПЕРКОНТИНЕНТАЛЬНОМ ЦИКЛЕ
Н.А. Божко
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Ленинские горы 1, Москва, 119991, Россия
Аннотация. Рассматриваются проявления тектоники мантийных плюмов и тектоники литосферных плит, совместно участвующие в суперконтинентальном цикле, и характеризуются роли в этом процессе механизмов каждой из них.
Ключевые слова: суперконтинент, цикл, стадии, фазы цикла, распад и сборка
Original article
COMBINATION OF TWO STYLES OF TECTONICS DURING SUPERCONTINENTAL CYCLE
Nickolay A. Bozhko
Lomonosov Moscow State University, Leninskie gory 1, Moscow, 119991, Russia
Abstract. The article examines the manifestations of tectonics of mantle plumes and tectonics of lithospheric plates jointly involved in the supercontinental cycle and characterizes the role of the mechanisms of each of them in this process.
Key words: supercontinent, cycle, stages, phases of cycle, break-up and formation
Суперконтинентальный цикл (СЦ) включает в себя повторяющееся объединение всех существовавших на Земле разобщенных континентальных масс в единый суперконтинент, его распад и последующую сборку в новый. Остается до конца неясным наше понимание глубинных механизмов, ответственных за ход этого процесса. В статье на основании имеющихся данных рассматриваются роли механизмов тектоники мантийных плюмов и тектоники литосферных плит в СЦ, принимающих в нем совместное участие.
Структура СЦ. Базовые понятия
В структуре СЦ выделяются две стадии: собственно суперконтинентальная (слитных континентов) и межконтинентальная (разобщенных континентов), отражающие смену двух состояний
© 2023, Н.А. Божко
Земли: 1) один континент — один океан и 2) несколько континентов — несколько океанов. Каждая из этих стадий состоит соответственно из двух фаз: интеграции — деструкции и фрагментации — конвергенции (Божко [БогИко], 2009).
Фаза агломерации в новообразованном суперконтиненте характеризуется интеграционной обстановкой, общим уплотнением, завершением развития недавно возникших складчатых поясов. Кульминация этого процесса выражается в виде достижения суперконтинентом полной зрелости и слитности, за которыми следует фаза деструкции с развитием континентального рифтогенеза как пролога к его распаду.
В течение фазы фрагментации следующей стадии происходит распад суперконтинента, новообразование океанов с развитием в них процессов спрединга.
В фазу конвергенции процессы субдукции, как и континентальные коллизии, в этих океанах приводят к их закрытию. Происходит создание нового суперконтинента, завершающего СЦ.
Результаты исследований (например, Mitchell et al., 2021) показывают, что функционирование СЦ обеспечивается сочетанием механизмов тектоники литосферных плит и тектоники мантийных плюмов.
Роль тектоники мантийных плюмов в суперконтинентальной цикличности
При образовании суперконтинента, что впервые отметил Д. Андерсон (Anderson, 1982), возникает теплоизоляция мантии. Суперконтинентальная изоляция связана с повышением температуры мантии ниже суперконтинента из-за неэффективности теплопередачи у мощной континентальной литосферы по сравнению с более тонкой океанической литосферой. Эта континентальная изоляция может контролировать цикл суперконтинентов, оказывая значительное влияние на нижележащую мантию. В течение длительного времени суперконтинент будет улавливать избыточное тепло и вызывать подъем (за счет теплового расширения), частичное плавление мантии и, в конечном счете, распад континентального материала. Термоизоляция, создаваемая суперконтинентом, лишенным срединно-океанических хребтов с их максимальным тепловым потоком, оказывает влияние на нижележащую мантию, повышая ее температуру и вызывая термальные апвеллинги. Под суперконтинентом в результате теплового расширения, вызванного континентальной изоляцией, образуется большой геоид-ный максимум, подобный современному профилю геоида над Африкой. М. Гурнис (Gurnis, 1988) создал первые численные модели формирования и распада суперконтинентов, показывающие, что большой континент может препятствовать охлаждению мантии, что приводит к ее перегреву и фрагментации континента. Такое геодинамическое событие имело место в середине мезопро-терозоя при тепловом максимуме, который, как предполагается, возник в результате теплоизоляции мантии под континентальной литосферой суперконтинента Нуна (Brown, Johnson, 2018). Континентальная литосфера значительно больше препятствует потере тепла из недр Земли по сравнению с океанической литосферой из-за ее большей мощности.
Образование суперконтинента значительной площади вызывает появление термального «одеяла», что приводит к нагреванию мантии, возникновению в ней мантийных поднятий, плюмов и суперплюмов как агентов теплопереноса, что в свою очередь создает напряжение растяжения в суперконтиненте, приводящих к его деструкции в виде рифтогенеза и к последующему распаду. Некоторые авторы считают это самодостаточным
условием последнего (Coltice et al., 2007). Однако исследования показывают, что для распада суперконтинента одной термоизоляции недостаточно (O'Neill et al., 2009; Heron, Lowman, 2010). Необходимо участие мантийных плюмов. В многочисленных работах, посвященных геодинамике СЦ, в той или иной степени обсуждается значение плюмов и суперплюмов (Nance et al., 2014). Вместе с тем взгляды на их роль и происхождение расходятся.
Согласно распространенной модели (Condie, 1998; Maruyama et al., 2007 и др.), рождение суперплюмов связывается с лавинами литосферных слэбов, возникающих в зонах субдукций по краям суперконтинента. Субдуцирующая океаническая литосфера при сборке суперконтинентов либо опускается в глубинную мантию, либо горизонтально выполаживается в переходной зоне мантии вдоль границы на глубине 660 км в виде застойных слэбов. Сгустки этих застоявшихся слэбов опускаются в глубокую мантию и скапливаются как «кладбища» плит на границе ядро—мантия, где появляется крутой геотермальный градиент. Накопление континентальной коры в слэбовом захоронении вызывает со временем его радиоактивный нагрев. Вместе с теплом из ядра этот радиоактивный нагрев играет основную роль в рождении плюмов и суперплюмов, которые позже поднимаются и приводят к распаду суперконтинента. Возможно, такой процесс является дополняющим фактором плюмообразования, вызванного термоизоляционным эффектом.
Континентальная изоляция максимально проявляется при полной сборке суперконтинента благодаря тому, что к этому времени он долго находился в ее условиях, накапливая тепло. Это соответствует данным о том, что плюмы начинают образовываться под суперконтинентом через 50—100 млн лет после его формирования (Li et al., 2003), то есть в основном в фазу деструкции, отмеченной широким проявлением континентального рифтогенеза.
Применительно к структуре СЦ (Божко [Bo-zhko], 2009) фазу агломерации можно связывать с появлением первых прогрессирующих плюмов и рассматривать как подготовку к максимальному проявлению тектоники мантийных плюмов в фазы деструкции и фрагментации. Кульминация плю-мового процесса, по-видимому, приходится на окончание фазы деструкции и переход к распаду суперконтинента.
Таким образом, прогрессирующее формирование плюмов и суперплюмов в стадию слитного суперконтинента играет деструктивную роль по отношению к нему. В образовании суперконтинента уже содержится предрасположенность к его распаду. Вместе с тем необходимо отметить созидательную роль плюмов, связанную с прояв-
лением внутриплитной тектоники и магматизма и, в частности, с формированием крупных магматических провинций. Эта тема широко освещена в мировой и отечественной литературе и не затрагивается здесь прежде всего ввиду ее большой объемности.
Роль тектоники литосферных плит в суперконтинентальной цикличности
Непосредственное отношение к данной теме имеет общий дискуссионный вопрос о времени появления тектоники литосферных плит в истории Земли, который подробно здесь не рассматривается. Можно предположить, что этот процесс начался в позднем архее. Анализ имеющихся результатов геологических исследований и моделирований, проведенных для хадея и эоархея (O'Neill, Debaille, 2014), выявил «застойно-эпизодический» характер эволюции этого интервала в разогретой мантии, без классической субдукции.
Современный стиль тектоники литосферных плит в отдельных областях Земли отмечен к рубежу 3 млрд лет и утвердился к 2,7 млрд лет (Condie, Kröner, 2008), хотя, согласно, например, исследованию (Hamilton, 2007), наступление этого механизма произошло только в позднем протерозое.
С распадом суперконтинента и появлением спрединга возникает самоорганизующийся режим мантийной конвекции, приводящий к новообразованию океанов. При этом исследования (Gurnis, 1988; Coltice et al., 2007 и др.) показывают, что процессы в СЦ происходят в условиях длинноволновой мантийной конвекции. Коротковолновая конвекция с большим количеством нисходящих потоков не может привести к образованию суперконтинентов из-за того, что континентальные блоки будут захвачены различными нисходящими потоками, что препятствует их столкновению.
Имеются различные взгляды на постоянство характера конвекции. Ряд исследователей (Mitchell et al., 2021) настаивает на общемантийной конвекции, другие (например, Bigging, Thomas, 2003) отмечают чередование в СЦ общемантийной и двухъярусной конвекций, тогда как существует мнение и о постоянстве двуслойной конвекции (Prévot et al., 2000).
При рассмотрении способа формирования суперконтинента обычно обсуждаются два варианта его сборки: «экстраверсия» (закрытие внешнего, окружающего суперконтинент океана) и «интро-версия» (закрытие внутренних океанов). При этом в последних работах отмечается несоответствие, требующее непременного объяснения, между результатами большинства геодинамических моделирований, приводящих к экстраверсии, и хорошо изученной и задокументированной сборкой Пан-
геи, происходившей в стиле интроверсии (Murphy, Nance, 2012). Автору представляется, что замыкание внутренних океанов является, возможно, единственным механизмом при формировании суперконтинентов в течение этой фазы СЦ. Внешний океан, возможно, никогда не закрывался, но сужался и расширялся в зависимости от процессов во внутренних океанах.
Д. Сантош с соавторами (Santosh et al., 2009) выделили две различные категории зон субдукции на земном шаре: Циркум-Тихоокеанскую зону и Тетисную, выявив при этом роль Y-образных тройных сочленений в сборке суперконтинентов. Эти районы охлаждают нижележащую мантию и значительно понижают ее температуру по сравнению с близлежащими регионами. Y-образные домены также ускоряют охлаждение за счет большей субдукции и, таким образом, способствуют более сильному нисходящему потоку по сравнению с другими областями мантии. Допускается сочетание интроверсии и экстраверсии при завершении формирования суперконтинента, которое имело место в случае сборки Родинии, а также прогнозируется при объединении будущего суперконтинента Ама-сия (Maruyama et al., 2007; Santosh et al., 2009). Как видно, в этом вопросе существуют различные мнения. При любых моделях формирование нового суперконтинента заканчивается и переходит в фазу конвергенции СЦ.
По мере того, как суперконтинент объединяется, субдукция между сталкивающимися континентами в конечном счете прекращается. В то же время формирование стационарного суперконтинента порождает субдукцию на его краях, происходит формирование аккреционных оро-генических систем. Взаимодействие внутренних процессов с событиями во внешнем океане в СЦ представляет самостоятельную, еще слабоизучен-ную проблему.
В стадию разобщенных континентов СЦ продолжается присутствие мантийных плюмов и суперплюмов, двигающихся независимо от конвективных течений в мантии и в основном выполнивших деструктивную роль по отношению к существовавшему суперконтиненту. На данной стадии они участвуют в анорогенных тектоно-магматических процессах на континентах и в океанах, в создании крупных магматических провинций (КМП) и находятся в сложном и разнообразном взаимодействии с литосферными плитами. В нашей литературе этой проблеме посвящена статья В.Н. Пучкова [Puchkov] (2016). Плюмы могут ускорять или замедлять движение литосфер-ных плит (Burke, Cannon, 2014). При перемещении плит происходит удлинение под ними плюма, формирование вулканических цепочек типа Гавайских островов. При взаимодействии плюмов
со срединно-океаническими хребтами происходит заметный изгиб оси спрединга.
Влияние мантийных плюмов в это время на плитнотектонические процессы очевидно, но оно несопоставимо по своему значению с деструктивной ролью по отношению к суперконтиненту, которую они играли на предыдущих фазах СЦ.
Сборка суперконтинента — процесс неодноактный, представляя собой, по существу, последовательность нескольких разновременных завершений циклов Вильсона. Вместе с тем создание суперконтинента укладывается в рамки наиболее продолжительной фазы конвергенции СЦ, играющей важную роль в формировании нового суперконтинента проявлениями межконтинентальных коллизий.
Результаты последних мировых исследований, в том числе палеомагнитных, свидетельствуют о том, что эти процессы в СЦ и, в частности, локализация и развитие новообразованных океанов происходят со значительным влиянием тектонической унаследованности и предопределенности (Божко [БогИко], 2019), что исключает хаотическую перетасовку континентальных блоков в процессе формирования и распада суперконтинентов. В этом плане заслуживают внимания результаты реконструкции суперконтинентов разного возраста, полученные по палеомагнитным данным (МееП, 2014). В них обнаруживается весьма значительное сходство между реконструкциями Колумбии, Ро-динии и Пангеи.
Заключение
В настоящее время еще остается много вопросов по увязке плитнотектонических и плюмовых процессов в ходе СЦ. Вместе с тем изложенное выше позволяет сделать некоторые выводы.
Плюм-тектоника проявляется в продолжении всего СЦ, доминируя полностью в стадию слитного суперконтинента, где выполняет деструктивную роль в подготовке и осуществлении распада суперконтинента и участвует в анорогенных тектоно-магматических процессах на континентах.
Плейт-тектоника также проявляется в продолжении всего СЦ, доминируя в межконтинентальную стадию, участвуя в распаде суперконтинента и выполняя в фазе конвергенции главную конструктивную роль в сборке нового суперконтинента.
Развитие СЦ идет при длинноволновой мантийной конвекции в сложном взаимодействии между тектоникой мантийных плюмов и тектоникой плит, а также с аккреционными событиями во внешнем океане на фоне тектонической унаследо-ванности.
В суперконтинентальном цикле имеет место равнозначное сочетание различных и разнонаправленных стилей тектоники: литосферных плит и мантийных плюмов. Без тектоники мантийных плюмов был бы невозможен распад суперконтинента, как и сборку нового трудно представить себе без плитотектонических субдукционных и коллизионных событий.
ЛИТЕРАТУРА
Божко Н.А. Суперконтинентальная цикличность в истории Земли // Вестник Московского университета. Серия 4. Геология. 2009. № 2. С. 13-27.
Божко H.А. Тектоническая унаследованность и предопределенность в ходе суперконтинентальной цикличности // Вестник Московского университета. 2019. Серия 4. Геология. 2019. № 6. С. 11-16.
ПучковВ.Н. Взаимосвязь плитотектонических и плю-мовых процессов // Геотектоника. 2016. № 4. С. 88—104.
Anderson D.L. Hotspots, polar wander, Mesozoic convection and the geoid // Nature. 1982. Vol. 297. P. 391-393.
Biggin A.J., Thomas D.N. Analysis of long-term variations in the geomagnetic poloidal field intensity and evaluation of their relationship with global geodynamics // Geophysical Journal International. 2003. Vol. 152. P. 392-415.
Brown M, Johnson T. Secular change in metamorphism and the onset of global plate tectonics // American Mineralogist. 2018. Vol. 103. P. 181-196.
Burke K., Cannon J.M. Plume-plate interaction // Canadian Journal of Earth Sciences. 2014. Vol. 51. P. 208-221.
Coltice N., Phillips B.R., Bertrand H., Ricard Y., Rey P. Global warming of the mantle at the origin of flood basalts over supercontinents // Geology. 2007. Vol. 35. P. 391-394.
Condie K.C. Episodic continental growth and supercontinents: a mantle avalanche connection // Earth and Planetary Science Letters. 1998. Vol. 163. P. 97-108.
Condie K.C., Kröner A. When did plate tectonics begin? Evidence from the geologic record // Condie K.C., Pease V. (eds). When did Earth First Adopt a Plate Tectonics Mode of Behavior? Geological Society of America. Special Paper. 2008. N 440. P. 281-294.
Gurnis M. Large-scale mantle convection and the aggregation and dispersal of supercontinents // Nature. 1988. Vol. 332. P. 695-699.
Hamilton W.B. Earth's first two billion years — The era of internally mobile crust // Hatcher R.D., Jr., Carlson M.P., McBride J.H., Martínez Catalán J.R. (eds). 4-D Framework of Continental Crust. Geological Society of America Memoir. 2007. Vol. 200. P. 233-296.
Heron P. J, Lowman J.P. Thermal response of the mantle
following the formation of a 'super-plate'// Geophysical Research Letters. 2010. Vol. 37. L22302.
Li Z.X., LiX.H., Kinny P.D., Wang J., Zhang S., Zhou H. Geochronology of Neoproterozoic synrift magmatism in the Yangtze Craton, South China and correlations with other continents: evidence for a mantle superplume that broke up Ro-dinia // Precambrian Research. 2003. Vol. 122. P. 85-109.
Maruyama S., Santosh M, Zhao D. Superplume, supercontinent, and post-perovskite: mantle dynamics and antiplate tectonics on the core-mantle boundary // Gondwana Research. 2007. Vol. 11. P. 7-37.
Meert J.G. Strange attractors, spiritual interlopers and lonely wanderers: The search for pre-Pangean supercon-tients // Geoscience Frontiers. 2014. Vol. 5. P. 155-166.
MitchellR.N., ZhangN, Salminen J., Liu Y, Spencer C.J., Steinberger B., Murphy J.B., Li Z.-X. The supercontinent cycle // Nature Reviews Earth & Environment. 2021. Vol. 2, N 5. P. 358-374.
Murphy J.B., Nance R.D. Speculations on the mecha-
nisms for the formation and breakup of supercontinents // Geoscience Frontiers. 2012. Vol. 4. P. 185-194.
Nance R.D, Murphy J.B, Santosh M. The supercontinent cycle: A retrospective essay // Gondwana Research. 2014. Vol. 25. P. 4-29.
O'Neill C., Debaille V. The evolution of Hadean-Eoar-chaean geodynamics // Earth and Planetary Science Letters. 2014. Vol. 406. P. 49-58.
O'Neill C., Lenardic A., Jellinek A.M., Moresi L. Influence of supercontinents on deep mantle flow // Gondwana Research. 2009. Vol. 15, N 3-4. P. 276-287.
Prévot M., Mattern E., Camps P., Daignieres M. Evidence for a 20° titling of the Earth's rotation axis 110 million years ago // Earth and Planetary Science Letters. 2000. Vol. 179. P. 517-528.
Santosh M, Maruyama S., Yamamoto S. The making and breaking of supercontinents: some speculations based on superplumes, superdownwelling and the role of tectosphere // Gondwana Research. 2009. Vol. 15. P. 324-341.
REFERENCES
Anderson D.L. Hotspots, polar wander, Mesozoic convection and the geoid. Nature. 1982. 297:391-393.
Biggin A.J., Thomas D.N. Analysis of long-term variations in the geomagnetic poloidal field intensity and evaluation of their relationship with global geodynamics. Geophysical Journal International. 2003. 152:392—415.
Bozhko N.A. Supercontinental cyclicity in Earth history. Vestnik Moskovskogo Universiteta. Seriya 4. Geologiya. 2009. 2:13-27. (In Russian).
Bozhko N.A. Tectonic inheritance and predetermination during supercontinental cyclicity. Vestnik Moskovskogo Universiteta. Seriya 4. Geologiya. 2019. 6:11-16. (In Russian).
Brown M., Johnson T. Secular change in metamorphism and the onset of global plate tectonics. American Mineralogist. 2018. 103:181-196.
Burke K., Cannon J.M. Plume-plate interaction. Canadian Journal of Earth Sciences. 2014. 51:208-221.
Coltice N., Phillips B.R., Bertrand H., Ricard Y., Rey P. Global warming of the mantle at the origin of flood basalts over supercontinents. Geology. 2007. 35:391-394.
Condie K.C. Episodic continental growth and supercontinents: a mantle avalanche connection. Earth and Planetary Science Letters. 1998. 163:97-108.
Condie K.C., Kroner A. When did plate tectonics begin? Evidence from the geologic record. In: Condie K.C., Pease V. (eds). When did Earth First Adopt a Plate Tectonics Mode of Behavior? Geological Society of America. Special Paper. 2008. 440:281-294.
Gurnis M. Large-scale mantle convection and the aggregation and dispersal of supercontinents. Nature. 1988. 332:695-699.
Hamilton W.B. Earth's first two billion years - The era of internally mobile crust. In: Hatcher R.D., Jr., Carlson M.P., McBride J.H., Martínez Catalán J.R. (eds). 4-D Framework
of Continental Crust. Geological Society of America Memoir. 2007. 200:233-296.
Heron P.J., Lowman J.P. Thermal response of the mantle following the formation of a 'super-plate'. Geophysical Research Letters. 2010. 37. L22302.
Li Z.X., Li X.H., Kinny P.D., Wang J., Zhang S., Zhou H. Geochronology of Neoproterozoic synrift magmatism in the Yangtze Craton, South China and correlations with other continents: evidence for a mantle superplume that broke up Rodinia. Precambrian Research. 2003. 122:85-109.
Maruyama S., Santosh M., Zhao D. Superplume, supercontinent, and post-perovskite: mantle dynamics and antiplate tectonics on the core-mantle boundary. Gondwana Research. 2007. 11:7-37.
Meert J.G. Strange attractors, spiritual interlopers and lonely wanderers: The search for pre-Pangean supercontinents. Geoscience Frontiers. 2014. 5:155-166.
Mitchell R.N., Zhang N., Salminen J., Liu Y., Spencer C.J., Steinberger B., Murphy J.B., Li Z.-X. The supercontinent cycle: Linking mantle convection and plate tectonic theory. Nature Reviews Earth & Environment. 2021. 2(5):358-374.
Murphy J.B., Nance R.D. Speculations on the mechanisms for the formation and breakup of supercontinents. Geoscience Frontiers. 2012. 4:185-194.
Nance R.D., Murphy J.B., Santosh M. The supercontinent cycle: A retrospective essay. Gondwana Research. 2014. 25:4-29.
O'Neill C., Debaille V. The evolution of Hadean-Eoar-chaean geodynamics. Earth and Planetary Science Letters. 2014. 406:49-58.
O'Neill C., Lenardic A., Jellinek A.M., Moresi L. Influence of supercontinents on deep mantle flow. Gondwana Research. 2009. 15(3-4):276-287.
Prévot M., Mattern E., Camps P., Daignieres M. Evidence
for a 20° tilting of the Earth's rotation axis 110 million years ago. Earth and Planetary Science Letters. 2000. 179:517—528.
Puchkov V.N. Interrelation of plate-tectonic and plume processes. Geotektonika. 2016. 4: 88—104. (In Russian).
Santosh M., Maruyama S., Yamamoto S. The making and breaking of supercontinents: some speculations based on superplumes, superdownwelling and the role of tectosphere. Gondwana Research. 2009. 15:324-341.
Сведения об авторе: Божко Николай Андреевич — докт. геол.-минерал. наук, проф. каф. динамической геологии геологического ф-та МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: [email protected]
Information about the author: Nikolay A. Bozhko — Dr. Sci. (Geol.-Mineral.), professor, Department of Dynamic Geology, Geological Faculty, Lomonosov Moscow State University, e-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 14.10.2023 Received 14.10.2023
