Когда началась тектоника плит?

Вопрос

Поверхность Земли разбита на жёсткие плиты, которые медленно движутся — на несколько сантиметров в год. Там, где они расходятся, образуется новое океанское дно; там, где сталкиваются, одна погружается под другую в мантию. Этот процесс называется субдукцией, и он строит горы и вулканы. Такая машина перерабатывает кору, управляет климатом на долгих отрезках времени, перемещая углерод между поверхностью и недрами, и создаёт континенты, на которых мы живём.

Ни у одной другой известной планеты её нет. У Венеры, похожей по размеру, единая жёсткая оболочка. Марс остановился давно. А на Земле плиты, по-видимому, двигались не всегда: молодая планета была гораздо горячее, а горячие породы ведут себя иначе. Так когда же началась тектоника плит? Ответы исследователей — от более чем четырёх миллиардов лет назад до менее чем одного миллиарда.

Что известно

Тектоника плит как теория утвердилась в 1960-х годах. Вскоре геологи начали спрашивать, действовала ли она всегда. В 1966 году Тузо Уилсон показал, что на месте нынешней Атлантики уже открывался и закрывался древний океан. Это был первый признак того, что у процесса долгая история.
Древнейшие известные минеральные зёрна — цирконы с холмов Джек-Хиллс в Западной Австралии — имеют возраст около 4,4 миллиарда лет. Их химия указывает, что жидкая вода и какая-то континентальная кора существовали очень рано. Была ли эта кора создана плитами — спорно.
Образцы пород старше примерно 3,5 миллиарда лет редки и сильно изменены. Большая часть ранней летописи уничтожена — среди прочего самой тектоникой плит.
Многие типичные признаки современной субдукции появляются лишь поздно. Голубые сланцы и породы сверхвысоких давлений, образующиеся, когда холодную кору затягивает глубоко и быстро выносит обратно, почти все моложе примерно 800 миллионов лет.
Другие признаки, например изменения химии континентальной коры и характера роста континентов, заметно меняются около 3,2–2,5 миллиарда лет назад.
Ранняя мантия была, возможно, на 200 градусов горячее нынешней. Более горячая мантия даёт более толстую и плавучую океанскую кору, которой труднее тонуть.

Основные гипотезы

Очень рано

Плиты в какой-то форме двигались уже более четырёх миллиардов лет назад, почти сразу, как появилась твёрдая кора. Сторонники ссылаются на химию древнейших цирконов и утверждают, что только тектоника плит способна эффективно охлаждать планету.

Постепенный старт в архее

До тектоники плит была «застойная» или «мягкая» оболочка: кора, которую ломали и перерабатывали горячие плюмы, «капли» и случайная кратковременная субдукция. Глобальное непрерывное движение плит возникло постепенно, около 3,2–2,5 миллиарда лет назад, по мере остывания мантии.

Поздно

Тектоника плит современного типа, с глубокой холодной субдукцией, началась лишь около миллиарда лет назад или позже, как показывает возраст голубых сланцев и похожих пород. Раньше Земля работала по-другому.

Не один старт

Возможно, тектоника плит несколько раз начиналась и останавливалась или действовала в одних регионах и не действовала в других, прежде чем стать постоянной. Тогда сам вопрос об одной дате поставлен неверно.

Где заканчивается понимание

Трудность в том, что свидетельства — это летопись, написанная тем самым процессом, который мы пытаемся датировать, а он стирает собственное прошлое. Океанское дно старше примерно 200 миллионов лет почти целиком ушло в субдукцию. От первых миллиардов лет остались обломки, часто переплавленные и деформированные, по которым приходится восстанавливать общую картину.

И признаки расходятся, потому что измеряют разное. Признак субдукции в одном месте ещё не доказывает существования глобальных плит; отсутствие современных типов пород может означать лишь то, что более горячая Земля создавала другие. Каждую гипотезу можно подкрепить какими-то данными — в зависимости от того, что считать определением «тектоники плит».

А в основе лежит вопрос физики: мы до сих пор до конца не понимаем, почему на Земле вообще есть плиты. Модели того, как оболочка горячей планеты раскалывается на плиты, сильно зависят от прочности пород, содержания воды и температуры — а всё это для ранней Земли известно плохо.

Что могло бы дать ответ

Общепринятое определение тектоники плит, которое можно распознать в древних породах, и набор признаков, указывающих на одно и то же время.
Больше хорошо сохранившихся древних пород и новые химические методы, позволяющие отличить кору, созданную плитами, от коры, возникшей иначе.
Физические модели ранней Земли, которые предсказывают, какая тектоника и когда должна была появиться, и согласуются с летописью пород.
Сравнение с другими планетами, включая каменистые экзопланеты, которое покажет, насколько распространена тектоника плит и что для неё нужно.