Американские геологи исследовали, была ли связь между столкновением ранней Земли с предполагаемой планетой Тейей и началом субдукции на Земле. Для воспроизведения условий древней геодинамики исследователи создали двух- и трехмерные модели этого процесса.
Значительная геологическая задача заключается в объяснении того, почему тектонические плиты сталкиваются и сдвигаются друг относительно друга (геологи используют термин субдукцией). Наша планета выделяется среди других в Солнечной системе, поскольку только на ней присутствует активная плитная тектоника. Венера, несмотря на сходство с Землей по массе, размеру, плотности и гравитации (ранее ее даже называли «сестрой Земли»), вероятно, имеет иную форму тектонических процессов, основанную на внутриплитном магматизме. Движения плит не зафиксированы и на Марсе, еще одной планете, схожей с Землей по своему типу.
Вопросы, касающиеся механизмов субдукции на Земле, до сих пор вызывают дискуссии — для изучения геодинамических процессов ученые используют данные, полученные из древних минералов. В частности, анализ цирконовых пород, обнаруженных в Западной Австралии показал, формирование земной коры, по данным исследований, началось 4,35 миллиарда лет назад. Известно, что примерно за 200 миллионов лет до этого прото-Земля столкнулась с гипотетической планетой Тейя (хотя эта гипотеза вызывает споры у многих ученых считают устаревшей), в результате чего образовалась Луна.
Считается, что формирование Луны и начало субдукции на Земле могут быть связаны между собой. Предполагалось, что причиной начала тектоники плит стало мантийный плюм или удар крупного космического тела.
На этот раз четверо геологов из Калифорнийского университета решили изучить, могло ли столкновение с Тейей спровоцировать первую субдукцию на Земле. Для этого исследователи разработали двумерную модель ранней геодинамики мантии катархейского эона (началось формирование Земли приблизительно 4,567-4,031 миллиарда лет назад, после чего ученые проверили, как мог возникнуть механизм тектоники плит, используя трехмерные модели. Результаты исследования опубликованы в журнале Geophysical Research Letters.
Построенные модели охватывают период, наступивший через 50 миллионов лет после затвердевания жидкого океана магмы. Авторы исследования полагают, что температура границы «ядро — мантия» в то время превышала современные значения, достигая 5273 кельвина, а не 3473-4573 кельвина. Предполагается, что нагрев был вызван железным осадком от гипотетической Тейи. Данные условия могли приводить к частичному или полному плавлению в этом слое. Модели описывают процесс формирования субдукции следующим образом: после столкновения Тейи с Землей часть гипотетической планеты осталась в виде двух крупных областей с низкой скоростью сдвига . Эти структуры располагаются в области стыка нижней мантии и ядра.
Через 99 миллионов лет после столкновения в этих массивных структурах формируется мантийный плюм. Он поднимается вверх в мантию (для наглядности можно представить это как капли) и сужается из-за низкой вязкости. По мере сближения с уплотнившейся литосферной толщей плюм ослабляет ее, и, согласно результатам моделирования, через 109 миллионов лет проникает в литосферу. Так возникает высокотемпературное, маловязкое образование клиновидной формы. Через 123 миллиона лет после удара этот клин раздвигает литосферу, опуская ее края, что приводит к формированию зон субдукции, которые впоследствии плиты поддерживают уже самостоятельно.
Несмотря на это, такая ситуация может реализоваться при пределе текучести литосферы, достигающем 80 мегапаскалей. При значении в 100 мегапаскалей субдукция начинается только с одной стороны, а при 150 мегапаскалях плюмы оказываются неспособны преодолеть литосферу. Кроме того, процесс не инициируется при низкой температуре границы «мантия — ядро»: он поддерживается до тех пор, пока температура не снизится до ≥ 3773 кельвинов, но не запускается при 3273 кельвинах.
Этот механизм был проверен с использованием нескольких трехмерных моделей, и результаты подтвердились, за исключением случая, когда предел текучести литосферы достигал 100 мегапаскалей, что не привело к субдукции. Тем не менее, исследователи продемонстрировали, что температура на границе между ядром и мантией является определяющим фактором для тектоники плит на Земле. Согласно моделированию, авторы работы объясняют нагрев этой зоны осаждением ядра гипотетической Тейи, произошедшим при столкновении 4,5 миллиарда лет назад.