A Model of Global Tectonics for the Last 600 Myr

Planeten vår er et komplisert dynamisk system som er i stadig utvikling på flere ulike skalaer. På stor skala endrer jordens geografi seg over millioner av år på grunn av langsomme, men ofte konstante forflytninger av de tektoniske platene og konveksjon i den underliggende mantelen. Over lange tidsskalaer er platetektonikk et fasinerende og dramatisk fenomen som samler og sprer kontinenter, åpner og lukker havområder, og danner fjellkjeder som senere kan eroderes bort. Ikke overraskende har disse prosessene påvirket utformingen av jordens geologi, men det gir oss også muligheten til å studere storskala og langsiktige prosesser på jorda som vi ellers ikke kan undersøke, for eksempel mantelkonveksjon. En modell for jordens platetektoniske historie er derfor nødvending for å forstå global jorddynamikk. Vårt mål med dette prosjektet var derfor å bygge detaljerte platetektoniske modeller for de siste 600 millioner år av jordens historie. Men dette er en svært utfordrende oppgave. Havområder og havbunnsskorpe utgjør i dag ~60 % av jordens overflate, men den eldste havbunnsskorpen er bare omkring 200 millioner år gammel fordi eldre havbunnsplater er resirkulert inn i den dype jorden (mantelen) langs platetektoniske grenser (subduksjonssoner). Følgelig, når platetektonikk rekonstrueres lengre og lengre tilbake i tid, er det færre observasjoner tilgjengelig, og for omkring 200 millioner år siden mangler informasjon om omtrent 60 % av jordens overflate. Inntil nylig har redusert tilgjengelighet av gammel havbunnsskorpe vært et uoverstigelig problem, og realistiske platetektoniske modeller var ikke mulig for mer enn de siste 200 millioner år. Med dette prosjektet har vi lagd tektoniske modeller hele 500 millioner år tilbake i tid, og kontinentale rekonstruksjoner enda videre tilbake i tid (~700 millioner år tilbake). Dette arbeidet har førte til nye ideer om oppsprekkingen av et superkontinent (Rodinia) og til nye perspektiver om utviklingen av noen av jordens største hav og fjellsystemer. I tillegg til utviklingen av nye modeller fra jordens dype geologiske fortid, har arbeidet også vært fokusert på å forbedre eksisterende modeller av de siste 200 millioner år. Dette har førte til store fremskritt i vår forståelse av den kinematiske historien bak Stillehavsplaten (som for tiden er det største på jorden). Fordi åpen og reproduserbar vitenskap var sentralt for dette prosjektet, har vi også formidlet de metodene og verktøyene som var utviklet å danne modellene. Blant disse er et innovativt nytt verktøy som kan generere 'aldersgitter' (kart over alderen til den gamle havbunnen) av nå mistet havbassenger, og i tidsrom hvor det aldri før har blitt forsøkt (fra 250 tilbake til 400 Ma). Et annet nøkkelkomponent i dette prosjektet har vært å utnytte de nye modellene for å oppnå en dypere forståelse av forbindelsene mellom den tektoniske historien og planetenes dynamikk. Ett bemerkelsesverdig eksempel er at vi har vist sterke koblinger mellom subduksjon, reverseringer av magnetfelt og avgassing fra jordens mantel ved magmatiske øybuer. Slutten av dette prosjektet er bare begynnelsen: formidlingen av disse modellene gjør det mulig for forskere verden rundt å takle stor geologiske problemer som tidligere var utilnærmelig.

This project extended quantitative plate tectonic reconstructions backwards in time, to ~700-400 million years ago. Significant discoveries include a new understanding of the breakup of Rodinia and major revisions to the kinematic history of the Pacific. These models will open doors to new research frontiers and a deeper understanding of links between tectonics, mantle convection and long-term climate change in providing a framework that can feed numerical simulations and offer quantitative predictions of important geophysical parameters. The tools and methods used to develop these models have been formalized and disseminated so that others can further revise and expand them. Further major milestones were reached through exploitation of these models; for example, we discovered the time-dependent subduction flux to correlate both with the rate of polarity reversals of the magnetic field, and the rate of mantle degassing, with broad implications for geodynamics and paleoclimate.

Plate tectonics embodies the first-order, long-term dynamics of Earth as expressed at its surface and therefore occupies a central role in our understanding of Earth's operation in the present, as well as its past evolution. Through plate tectonics we are able to elucidate and inter-relate global geological observables (e.g. volcanism, earthquakes) and, with a sufficient sampling of time, consider grand and long-term Earth processes, such as mantle convection, the life-cycle of supercontinents, or the evolution of ocean basins. The conventional approach to reconstructing plate tectonic histories relies greatly on kinematic data preserved in the oceans, namely marine magnetic anomalies, fracture zone geometries and hotspot tracks. However, due to the incessant operation of subduction, Earth's oceanic lithosphere is continually being recycled, and so those kinematic records of the past are progressively lost with time. The conventional approach to reconstructing plate motion thus becomes increasingly difficult backwards in time, and prior to ~130 Ma (Early Cretaceous), it becomes impossible. Consequently, the study of pre-Cretaceous paleogeography has long been stranded in the superseded framework of continental drift and the innumerable advancements offered by the plate tectonic paradigm remain unexploited. Following recent developments in geodynamic theory and analytical tools, it is finally feasible to break new ground and rigorously consider plate tectonics in pre-Cretaceous time. Specifically, we can now reconstruct both the paleo-latitude and paleo-longitude of continents and, in conjunction with plate tectonic fundamentals and geologic data, use those reconstructions to resolve the kinematics of now-extinct oceanic lithosphere. In this project, we will construct an absolute, global plate tectonic model for the last 600 Myr, which will provide a novel and landmark foundation for a broad range of future work in tectonics, paleogeography, and Earth science.