Тектоника плит: влияние на глобальный климат и суперконтинентальный цикл

Литосфера — твердая внешняя оболочка Земли — разделена на около десятка крупных тектонических плит. Эти плиты толщиной 100–160 км, состоящие из океанической или континентальной коры, постоянно движутся. Их взаимодействие на дивергентных (расходящихся), конвергентных (сходящихся) и трансформных границах составляет основу теории тектоники плит. На расходящихся границах плиты раздвигаются, что приводит к подъему магмы из мантии и формированию новой океанической коры вдоль срединно-океанических хребтов. Этот процесс спрединга (расширения морского дна) — крупнейший источник вулканизма на планете, сопровождающийся выбросом огромных объемов диоксида углерода (CO₂) и других парниковых газов.

Интенсивность вулканизма срединно-океанических хребтов изменялась на протяжении истории Земли, оказывая мощное влияние на климат. Периоды быстрого спрединга коррелируют с высокими концентрациями атмосферного CO₂, что создает парниковые условия и глобальное потепление. Этот вулканизм также увеличивает объем океанических бассейнов, так как горячая молодая кора обладает большим рельефом. Это вытесняет морскую воду, вызывая эвстатическое (глобальное) повышение уровня моря и затопление континентальных шельфов. Затопление суши выводит горные породы из зоны химического выветривания — ключевого процесса удаления CO₂ из атмосферы. Таким образом, активный спрединг создает петлю положительной обратной связи, способствующую дальнейшему потеплению.

Конвергентные границы обеспечивают компенсирующий охлаждающий механизм. Здесь одна плита (океаническая) погружается под другую в зоне субдукции, формируя вулканические островные дуги или континентальные вулканические пояса (например, Анды). При столкновении континентов обширные толщи осадочных пород, особенно карбонатов (известняки), поднимаются и обнажаются. Атмосферный CO₂, растворяясь в осадках, образует слабую угольную кислоту, которая выветривает эти породы. Продукты выветривания (ионы кальция) с речным стоком попадают в океан, где образуют карбонат кальция (CaCO₃). Это эффективно связывает углерод в донных отложениях. Крупные коллизионные орогены (горные пояса) связаны с усиленным потреблением CO₂ и глобальным похолоданием.

Границы трансформных разломов, где плиты скользят горизонтально, не оказывают прямого значимого влияния на долгосрочный климат. Климатический эффект тектоники плит проявляется в масштабах миллионов лет, формируя основу долгосрочных климатических циклов. Выделение CO₂ при спрединге и его потребление при выветривании и субдукции создают медленно действующий «углеродный термостат» планетарного масштаба. Вариации скорости спрединга являются ведущей гипотезой, объясняющей наступление крупных ледниковых периодов: замедление спрединга снижает вулканические выбросы CO₂, что приводит к глобальному охлаждению.

Рисунок 1. Континентальные конфигурации в холодные и теплые периоды. Поздний каменноугольный период (~300 млн лет назад): суперконтинент Пангея, обширное оледенение Гондваны, низкий уровень моря. Поздний меловой период (~80 млн лет назад): распад Пангеи, обширный океан Тетис, высокий уровень моря и глобальный парниковый климат.

Периодическое объединение континентов в суперконтиненты (цикл длительностью 300–500 млн лет) оказывало глубочайшее влияние на климат. К известным суперконтинентам относятся Родиния (около 1 млрд лет назад), Гондвана (600–500 млн лет назад) и Пангея (распалась около 175 млн лет назад). Распад суперконтинента связан с глобальным потеплением из-за усиления вулканизма на новых срединно-океанических хребтах. Объединение континентов коррелирует с похолоданием, так как коллизионные горные пояса усиливают процессы выветривания, потребляющие CO₂.

Суперконтинентальный цикл — главный фактор долгосрочных изменений уровня моря. Во время распада континентов общая протяженность и активность срединно-океанических хребтов возрастает. Молодая кора имеет больший объем, что вытесняет воду и вызывает крупные трансгрессии (наступание моря) — уровень моря в меловом периоде был на 200-300 метров выше современного. Во время столкновений континентов формирование горных систем (например, Гималаев) приводит к удалению осадочного материала из океанических бассейнов и их углублению, что способствует регрессиям (отступанию моря). Столкновение Индии и Евразии, по оценкам, привело к существенному понижению глобального уровня океана.

Дополнительные факторы, такие как внутриплитный вулканизм («горячие точки»), также влияют на уровень моря, но их вклад меньше, чем у системы срединно-окенических хребтов. Таким образом, эпизоды объединения и фрагментации континентов задают долгосрочный ритм изменения климата и уровня моря: фрагментация ведет к потеплению и трансгрессиям, а объединение — к похолоданию и регрессиям. Эти медленные тектонические процессы формируют фундаментальный геологический фон, на который накладываются более быстрые орбитальные циклы Миланковича и современные антропогенные воздействия.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам геологических специальностей, профессиональным геологам-тектонистам, специалистам в области геодинамики и региональной геологии, а также всем, кто интересуется фундаментальными процессами формирования и эволюции земной коры.