Геологическая модель возрастом в миллиард лет объясняет Великое несогласие, наблюдаемое в Гранд-Каньоне

Сотни миллионов лет могут исчезнуть между двумя соседними слоями породы. В таких местах, как Гранд-Каньон, более молодые осадочные породы покоятся на гораздо более древнем кристаллическом фундаменте, оставляя огромный интервал незарегистрированным. Загадка заключается не только в том, что удалило недостающий материал, но и в том, почему полученная граница сохранилась на таких огромных территориях.

Исследование, опубликованное в журнале Nature, предлагает объяснение, связывающее эту границу с циркуляцией глубоко внутри Земли. Сантош Дхунгана, докторант Университета Вуллонгонга, и научный руководитель Николас Фламан смоделировали, как мантийный поток меняет континентальные возвышения. Их результаты показывают, что длительное поднятие подготовило ландшафты к эрозии, в то время как позднее опускание позволило осадкам похоронить и сохранить их.

Работа посвящена как созданию, так и выживанию Великого Несогласия. Он предполагает широкую геологическую среду, в которой ледники и другие поверхностные процессы могут удалять горные породы. Он не устанавливает, что все недостающие интервалы образовались одновременно или что один механизм объясняет каждое местоположение.

Несогласие отмечает пробел в геологической летописи, вызванный эрозией, периодом без отложений или тем и другим. Обычно более молодые осадочные слои накапливаются над более старыми. При несогласии последовательность скачет, потому что часть промежуточной истории никогда не накапливалась локально или больше не сохраняется.

Великое несогласие включает в себя разрывы продолжительностью от 200 миллионов до более чем миллиарда лет, в зависимости от местоположения. Кембрийские породы обычно залегают на гораздо более древних фундаментах, хотя возраст первых отложений над границей варьируется. В документе описывается, что возраст этих месторождений по всей Северной Америке составляет от 635 до 482 миллионов лет.

Это изменение имеет значение при оценке объяснений. Широкая граница не обязательно должна представлять собой одно всемирное событие с одинаковой датой. Его нынешний вид может сочетать в себе эрозию, отсутствие отложений, более позднее захоронение и последующие изменения, которые различаются от места к месту.

Поэтому исследователи задались вопросом, что может способствовать схожим долгосрочным историям в крупных континентальных глубинах. Их предполагаемая движущая сила — мантийная конвекция, чрезвычайно медленная циркуляция горячих, преимущественно твердых пород под земной корой. Это движение может изменить высоту суши, не создавая при этом узкого горного хребта.

Геологи называют возникшие в результате широкие изменения рельефа динамической топографией. Поднимающаяся мантия может поддерживать континент на большой площади, а изменение циркуляции может уменьшить эту поддержку. С течением геологического времени поверхность может подниматься или опускаться по мере движения континента через нижележащий поток. Последствия могут распространяться на тысячи километров в течение миллионов лет.

Команда исследовала шесть моделей мантийной конвекции, возраст которых составляет один миллиард лет. Эти модели использовали реконструкции движений древних плит, чтобы определить, как развивались недра Земли. Различные предположения позволили исследователям проверить, сохранились ли основные закономерности в нескольких версиях моделирования.

Они сосредоточились на изменениях плавучести и вязкости на глубине более 350 километров, исключив из этих расчетов влияние более мелководных объектов. Этот выбор подчеркивал плавные изменения в масштабах континента. Исследователи также сравнили смоделированные структуры глубокой мантии со структурами, полученными на основе сейсмических изображений, и изучили их связь с прошлыми вулканическими провинциями.

У этого подхода есть важное ограничение: он имеет тенденцию переоценивать размер длинноволновых изменений высоты примерно в два раза. В результате исследователи подчеркнули, выросли или опустились площади, и когда эти тенденции изменились. Их аргументация больше опирается на последовательность движений, чем на точные оценки высоты поднятия.

Предпочтительная последовательность начинается с длительного поднятия в неопротерозойскую эру, перед кембрием. Более высокие континентальные поверхности остались бы подвержены процессам удаления горных пород. Более позднее проседание или погружение позволило бы морям продвигаться вперед и отложениям накапливаться на изношенном ландшафте.

Ледники остаются частью этого объяснения. В документе утверждается, что небольшой наклон континентов сам по себе не может вызвать достаточную речную эрозию, чтобы объяснить недостающий материал. Вместо этого устойчивый подъем во время криогенных ледниковых периодов мог способствовать обширной ледниковой эрозии во время Земли-снежка, примерно 720–635 миллионов лет назад.

Различие заключается между глубоким драйвером и процессами, выполняющими физическое удаление. Мантийный поток мог создать длительное обнажение, в то время как ледники разрушали обнаженные породы. Последующее погружение могло бы защитить образовавшуюся поверхность под более молодыми отложениями, а не сделать ее уязвимой для нового разрушения.

«Иногда то, чего не хватает, может рассказать нам больше об истории Земли, чем то, что мы видим», — сказал Фламент. Центральная идея команды заключается в том, что формирование и сохранение требуют благоприятной последовательности. Объяснение одной только эрозии оставляет без ответа, почему такая старая граница остается доступной для изучения геологами.

Модели подчеркивали Лаврентию, древний центр Северной Америки; Балтика, связанная с Северной Европой; и Северный Китай. В этих регионах обычно наблюдалось сочетание раннего поднятия и позднего опускания, что способствовало сохранению границы. Исследователи сравнили эти закономерности с записями об объемах отложений, сохранившихся на разных континентах.

Особенно благоприятным был один крупный цикл подъема, за которым следовал опускание. Повторное поднятие может размыть прежнюю границу и заменить ее более молодой. Таким образом, различные смоделированные истории Австралии и Южной Америки помогли объяснить, почему широко распространенная поверхность не сохранилась одинаково хорошо повсюду.

Большой размер Лаврентии и относительно ограниченная обработка по краям также способствовали сохранению. Гранд-Каньон представляет собой поразительное зрелище, но позднее поднятие и врез реки помогли выявить уже существовавшую границу. Создание древней поверхности и выставление ее на обозрение сегодня – это отдельные этапы ее истории.

Африка не придерживалась той же простой взаимосвязи между тенденциями высот и сохранившимися отложениями. Горные пояса и ограниченность дренажа внутри континента усложняли связь. Такие различия показывают, почему мантийные потоки следует рассматривать наряду с региональной тектоникой, эрозией и переносом наносов, а не рассматривать как их полную замену.

В более отдаленные времена реконструкции становятся менее точными, и модели мантии во многом зависят от них. Результаты также различались в шести моделях, включая время и силу поднятия в Балтии и Северном Китае. Альтернативные реконструкции пластин предлагают важный способ проверить, насколько надежно объяснение.

Исследование также поднимает вопросы о древних океанах. Континентальная эрозия и последующие наводнения могут изменить доставку отложений, мелководье и химический состав морской воды. Эти изменения, возможно, повлияли на условия окружающей среды, в которых животные диверсифицировались, но моделирование напрямую не демонстрирует эволюционную причину.

Это различие имеет значение, поскольку кембрийский взрыв повлек за собой биологические и экологические изменения, которые требуют собственных доказательств. Авторы называют эрозию, седиментацию и химию океана объектами дальнейших исследований. Связывание глубокой циркуляции с этими процессами расширит рамки за пределы распределения самой границы горных пород.

На данный момент модель дает проверяемое объяснение того, почему Великое несогласие сформировалось и сохранилось особенно хорошо в определенных регионах. Его сила заключается в том, что он связывает недостающую породу с более поздней сохранностью. Следующая задача — установить, насколько последовательно эта последовательность сохраняется при различных реконструкциях далекого прошлого Земли.

Эти ресурсы исследуют противоречивые объяснения, древние наводнения и пределы реконструкции недостающей геологической истории.

Результаты исследования доступны онлайн в журнале Nature.