Ранее считалось, что земная кора нашей планеты неподвижна. И только в 1960-х годах была открыта теория тектоники плит, доказывающая постоянное движение литосферы. С тех пор ученые задаются вопросом, когда же на Земле начались тектонические процессы, и что послужило тому причиной.
Впервые гипотезу о движении земной коры выдвинул в 1920- х годах немецкий геофизик Альфред Вегенер в рамках теории «дрейфа материков».
По его мнению, на Земле сначала возник слой гранитных пород. Примерно 570–280 миллионов лет назад они все соединились в один большой праконтинент — Пангею. В это же время вокруг материка образовался праокеан. Затем Пангея раскололась на несколько частей и под влиянием центробежных сил в результате вращения Земли и взаимным притяжением Земли, Солнца и Луны начался дрейф материков от полюсов к экватору.
Однако тогда революционная идея Вегенера не получила признания. И уже в 1960-х годах в результате исследований океанического дна были получены данные о процессах расширения океанической коры, называемые спредингом, и о зонах субдукции, в которых одна тектоническая плита погружается под другую. Эти исследования породили в итоге современную теорию тектоники плит, которая вскоре стала общепринятой концепцией в науках о Земле.
Согласно теории тектоники плит, земная кора делится на два вида. Это древняя континентальная кора и более молодая кора океаническая (не старше 200 миллионов лет). Литосферные плиты могут состоять только из океанической коры, или же из океанической и континентальной вместе.
Земля сейчас покрыта 8 крупнейшими литосферными плитами, среди них Австралийская, Антарктическая, Африканская, Евразийская, Индостанская, Тихоокеанская, Северо-Американская и Южно-Американская плиты. Кроме этого существует еще пятнадцать малых плит и множество микроплит.
Главной движущей силой тектонических плит является конвекция в мантии. Течения в мантии образуются из-за большой разницы температур около центра Земли (температура ядра около 5000 °С) и на ее поверхности. Горячие слои, находящиеся в недрах Земли, поднимаются, а верхние слои более низкой температуры наоборот движутся к центру.
В результате постоянно перемещающиеся конвективные потоки приводят в движение земную кору. При этом скорость движения литосферных плит составляет в среднем от 2 до 2,5 см в год.
Движение тектонических плит Земли определило ее геологическую и биологическую историю. Многие ученые считают, что без движения плит, жизнь на Земле была бы невозможна.
На сегодняшний день, однако, остается невыясненным вопрос о том, что послужило отправной точкой запуска движения земной коры и период, когда это произошло. По данному вопросу проведено много исследований, в которых называются разные даты, порою с разницей в несколько миллиардов лет.
Ранее считалось, что тектоника плит началась незадолго до образования первого континента, около 2-х миллиардов лет назад, несмотря на то, что возраст Земли составляет 4,56 млрд лет. Но сравнительно недавно проведенные исследования отодвигают эту дату на более ранний срок.
В частности, в 2020 году ученые провели анализ грунта на древнейшем участке земной коры, в кратоне Пилбара в Австралии возрастом около 3,2 млрд лет. Они зафиксировали, что данный участок земной коры дрейфовал примерно на 2,5 см в год. Это, по их мнению, свидетельствует о начале тектонической активности в тот период.
Позднее американские ученые Смитсоновского института заявили, что нашли доказательства начала движения тектонических плит 3,6 млрд лет назад. Они проанализировали взятые из холмов Джек-Хиллз в Западной Австралии древние цирконы возрастом 4,3 миллиарда лет, когда еще сама Земля находилась в зачаточном состоянии, всего около 200 миллионов лет.
В результате ученые обнаружили заметное увеличение концентрации алюминия примерно 3,6 миллиарда лет назад. Так как цирконы с высоким содержанием алюминия могли образоваться только в результате плавления горных пород на глубине под поверхностью Земли, это означает, что кора планеты стала толще и начала остывать. Данное свидетельство утолщения земной коры как раз и было вызвано переходом к современной тектонике плит, считают ученые.
Кроме того существует исследование китайских ученых из Института геологии и геофизики (IGG) Китайской академии наук, которые утверждают, что тектоника плит стала глобальной только 2 миллиарда лет назад, основываясь на данных, взятых из зон субдукции.
Субдукция является одним из характерных признаков тектоники плит. Обычно плотная океанская кора уходит вглубь земли, а континентальная плита поднимается. Наиболее известным континентальным столкновением на Земле сегодня являются Гималайские горы, возникшие, когда Индийская плита врезалась в Евразию, и теперь меньший континент Индии двигается под мегаконтинент.
Ученые из IGG провели сейсмологическое исследование структуры древней коры в одном из старейших регионов Китая — Ордосе и сравнили ее с данными из Гималаев. При этом они обнаружили, по существу, ту же самую глубинную структуру возрастом 2 миллиарда лет.
Ученые отметили, что хотя субдукция, возможно, происходила в самом начале формирования планеты, но тектоника плит стала глобальной только 2 миллиарда лет назад. «Сразу же после того, как тектоника плит стала глобальной, Земля, возможно, сформировала свой первый суперконтинент, — сказал соавтор доктор Росс Митчелл из IGG. — Это совпадение слишком убедительно, чтобы его игнорировать».
По одной из версий ученых, причиной, спровоцировавшей начало тектонических процессов на изначально неподвижной Земле, могли стать удары метеоритов. Ведь как раз в период между 4,1 и 3,6 млрд лет назад Земля, как и другие планеты Солнечной системы, подвергалась мощной метеоритной бомбардировке.
Австралийские ученые создали модель Земли эпохи катархея (4-4,5 млрд лет назад), с твердой монолитной литосферой и перегретую изнутри, и рассмотрели варианты столкновения с ней крупных протопланетных тел шириной до 1700 км.
Результаты показали, что мощные метеоритные удары могли привести к тому, что твердая поверхность Земли стала погружаться в мантию. Это могло запустить процесс субдукции, когда край одной плиты уходит под другую. Фактически именно субдукция обеспечивает тектонику, разрушая старые плиты, запуская землетрясения, вулканы и рост новых гор, считают ученые.
Ряд исследований показал, что тектоника плит является существенно важной для поддержания жизни на Земле. Без рециркуляции земной коры, мы не могли бы иметь стабильную температуру на поверхности. Без субдукции и создания новой коры океаны могли бы остаться лишенными питательных веществ, дающих жизнь.