Ранее считалось, что поверхность Земли статичная и жесткая. Однако появившаяся теория тектоники плит изменила все понимание почвенного образования. Она указывает на постоянное движение поверхности планеты. И доказательством тому служат землетрясения, извержения вулканов, образование гор и вулканических бассейнов. Что об этом известно?
Читайте «Хайтек» в
Недра Земли можно делить на слои по их механическим (в частности реологическим) или химическим свойствам. По механическим свойствам выделяют литосферу, астеносферу, мезосферу, внешнее ядро и внутреннее ядро. По химическим свойствам Землю можно разделить на земную кору, верхнюю мантию, нижнюю мантию, внешнее ядро и внутреннее ядро.
Центральная, наиболее глубокая часть планеты Земля, геосфера, находящаяся под мантией Земли и, предположительно, состоящая из железо-никелевого сплава с примесью других сидерофильных элементов. Глубина залегания — 2 900 км.
Мантия Земли простирается до глубины 2 890 км, что делает ее самым толстым слоем Земли. Давление в нижней мантии составляет около 140 ГПа (1,4·106 атм).
Мантия состоит из силикатных пород, богатых железом и магнием по отношению к вышележащей коре. Высокие температуры в мантии делают силикатный материал достаточно пластичным, чтобы могла существовать конвекция вещества в мантии, выходящего на поверхность через разломы в тектонических плитах.
Толщина земной коры может быть от 5 до 70 км в глубину от поверхности. Самые тонкие части океанической коры, которые лежат в основе океанических бассейнов (5–10 км), состоят из плотной железо-магниевой силикатной породы, такой как базальт.
В нашем материале речь пойдет в верхней части строения Земли: о литосферных плитах.
Как устроены литосферные плиты?
Существует два принципиально разных вида земной коры — кора континентальная и кора океаническая. Некоторые литосферные плиты сложены исключительно океанической корой, другие состоят из блока континентальной коры, впаянного в кору океаническую.
Суммарная мощность (толщина литосферы) океанической литосферы меняется в пределах от 2–3 км в районе рифтовых зон океанов до 80–90 км вблизи континентальных окраин. Толщина континентальной литосферы достигает 200–220 км.
Литосферные плиты постоянно меняют свои очертания, они могут раскалываться в результате рифтинга и спаиваться, образуя единую плиту в результате коллизии. Литосферные плиты также могут тонуть в мантии планеты, достигая глубины внешнего ядра.
С другой стороны, разделение земной коры на плиты неоднозначно, и по мере накопления геологических знаний выделяются новые плиты, а некоторые границы плит признаются несуществующими. Поэтому очертания меняются со временем и в этом смысле. Особенно это касается малых плит, в отношении которых геологами предложено множество кинематических реконструкций, зачастую взаимно исключающих друг друга.
Скорость горизонтального движения литосферных плит в наше время варьируется от 1 до 6 см в год (скорость раздвигания плит — от 2 до 12 см в год). Скорость раздвигания плит от Срединно-Атлантического хребта в северной части его составляет 2,3 см в год, а в южной части — 4 см в год.
Наиболее быстро раздвигаются плиты вблизи Восточно-Тихоокеанского хребта у острова Пасхи — их скорость 18 см в год. Медленнее всего раздвигаются плиты в Аденском заливе и Красном море — со скоростью 1–1,5 см в год.
Карта литосферных плит
Типы столкновений литосферных плит:
Граница столкновения проходит между океанической и континентальной плитой. Плита с океанической корой подвигается под континентальную плиту. Примеры столкновения: плита Наска с Южноамериканской плитой и плита Кокос с Североамериканской плитой.
Одна из плит подвигается под другую — ту, на которой находится группа островов. Примеры столкновения: Североамериканская плита с Охотской плитой, с Амурской плитой, с Филиппинской плитой, с Индо-Австралийской плитой; Южноамериканская плита с Карибской плитой.
Тип столкновения, когда ни одна из плит не уступает другой и они обе образуют горы. Примеры: Индостанская плита с Евразийской плитой.
Как двигаются литосферные плиты?
Согласно современному научному подходу к движению плит, земная кора состоит из относительно целостных блоков — литосферных плит, которые находятся в постоянном движении относительно друг друга.
При этом в зонах расширения (срединно-океанических хребтах и континентальных рифтах) в результате спрединга (англ. seafloor spreading — растекание морского дна) образуется новая океаническая кора, а старая поглощается в зонах субдукции.
Тепловая конвекция в веществе мантии возникает как эффективный механизм передачи тепловой энергии из ядра Земли и представляет собой конвективные ячейки размером до нескольких тысяч километров. Над восходящими потоками мантийного вещества, то есть горячими и менее плотными, располагаются зоны спрединга океанского дна.
Нисходящие струи остывшего и более плотного мантийного вещества увлекают за собой литосферные плиты в зонах субдукции. Движение плит осуществляется за счет вязкого сцепления вещества верхней мантии, находящегося в конвективном движении, с неровной подошвой литосферы.
Современные движения литосферных плит фиксируются несколькими методами, самыми распространенными из которых являются методы космической геодезии. Современные GPS-приемники способны фиксировать перемещения плит с точностью до долей миллиметра в год.
Последствия движения литосферных плит также можно наблюдать в сейсмодислокациях — нарушениях сплошности горных пород, возникающих в результате землетрясений, которые, в свою очередь, являются следствием мгновенного снятия напряжений в земной коре.
Известный пример сейсмодислокации — забор на ферме в Калифорнии, неподалеку от Сан-Франциско, разделенный на две части, сдвинутые вдоль разлома Сан-Андреас относительно друг друга на несколько метров.
Модель тектоники плит на поверхности вулканического лавового озера
Более 90% поверхности Земли в современную эпоху покрыто восьмью крупнейшими литосферными плитами:
Что ученые узнали о теории тектоники плит?
Ученый Брэдфорд Фоули из Пенсильванского университета США уверен, что поверхность Земли нельзя считать статичной, ведь она постоянно взволнована. Более того, по мнению специалиста, тектоника действует правильно, расставляя все на свои места. Разломы земной коры также являются результатом взаимодействия подземных плит.
На протяжении веков наука считала, что поверхность Земли, ее крайний слой статичен и жесток. Он не движется и не изменяется. Однако появившаяся теория тектоники плит изменила все понимание почвенного образования. Она явно указывает на постоянное движение поверхности планеты. И доказательством тому служат землетрясения, извержения вулканов, образование гор и вулканических бассейнов.
Все эти события так или иначе связаны с горячими недрами Земли. Все знакомые нам пейзажи, которые есть на планете, являются продуктами эонного цикла, в которого планета занята постоянным усовершенствованием себя.
Тектоника плит сегодня описывает весь внешний слой Земли. Он занимает толщину около 100 км и разбивается на своеобразные паззлы из плит породы, несущей континенты и морское дно. При этом пластины, образующиеся в процессе этого движения, опускаются вглубь планеты. Этот цикл, как заявляют ученые, создает многие геологические чудеса, но он же является и причиной многих стихийных бедствий на нашей планете.
Он связывает между собой многие несовместимые вещи: спрединг морского дна и магнитные полосы в местах формирования землетрясений и горных хребтов. Геодинамик Брэдфорд Фоули из Пенсильванского университета считает, что тектоника плит действует правильным образом, поскольку она все расставляет на свои места.
А потому теория кажется не просто убедительной, а реальной. Поверхность Земли нельзя считать неподвижной. Она постоянно взволнованная и беспокойная. Образуемые разломы — это тоже результат взаимодействия тектонических плит. Они подтверждают идею дрейфующих континентов, которая считается необычной.
Возраст дна океанов (красный цвет соответствует молодой коре)
Какое будущее у науки тектоники?
Несмотря на кажущуюся простоту и изящность, по мере накопления новых данных концепция тектоники литосферных плит непрерывно развивается.
Одним из актуальных вопросов современной тектоники и геодинамики остается объяснение причин внутриплитного магматизма и магматизма горячих точек, в результате которого возникают цепочки океанических островов, например, Гавайи или супервулканы вроде Йеллоустонского, а также крупные магматические провинции, скажем, Сибирские траппы и траппы плато Декан в Индии.
Одной из наиболее распространенных гипотез, объясняющих причины внутриплитного магматизма, является концепция мантийных плюмов — струй горячего мантийного вещества, поднимающихся с границы ядро — мантия и являющихся источником избыточного (по сравнению со средним для мантии значением) тепла, которое инициирует выплавление огромных объемов магмы.
В случае излияния на поверхность континента или океанского дна эти расплавы, по составу соответствующие базальтам, формируют крупные изверженные провинции.
Если при подъеме к поверхности земли плюм упирается в океанскую кору, то он прожигает ее, в результате чего формируются вулканические острова — подводные вулканы, вершины которых возвышаются над поверхностью океана, или крупные океанские базальтовые плато вроде плато Онтонг-Джава в Тихом океане.
Аборты и наука: что будет с детьми, которых родят
Земля достигнет критической отметки температуры через 20 лет
В космосе нашли гравитационные волны, меняющие пространство и время. Что это значит?
Научно-обоснованных
предложений (тектонические гипотезы)
о причинах движения и деформации земной
коры, создающие ее структуры, существует
довольно много. Однако
вопросы о причинах тектонических
деформаций до сих пор нельзя считать
окончательно
решенными. Наибольшей популярностью
пользуется гипотеза «новой глобальной
тектоники»,
предложенная в 60-70-е годы 20 века X.
Хессом, Р. Дидом и др. « Новая глобальная
тектоника» предполагает существование
подкорковых конвекционных течений и
опирается
на данные палеомагнетизма и результаты
бурения морского дна. Согласно «новой
глобальной
тектоники», сравнительно «хрупкая»
литосфера, подстилаемая пластичной
астеносферой,
разделена на жесткие плиты, отделенные
друг от друга тектоническими
разрывами. Плиты
включают материки и части океанов и
испытывают относительно
друг
друга раздвиг (спрединг) с образованием
рифтовых зон, а затем океанов; подвиг
(субдукция) с
погружением одной плиты под другую
(рисунок 14, 15) или образуются трансформные
разломы. Это длительно действующие
правосторонние или левосторонние
сдвиги. В процессе созидания или
разрушения коры не участвуют. Здесь
преобладают
сдвиговые и разрывные дислокации. В
нашией стране вопросы «новой глобальной
тектоники» разрабатывали академики В.
Е. Хайн, П. И. Кропоткин, А. В. Пейве и др.
В
настоящее время в верхней оболочке
Земли выделяют семь крупных плит:
Тихоокеанская, Евразийская,
Индо-австралийская, Антарктическая,
Африканская, Северо- и южноамериканская
(рисунок 16). В пределах крупных плит
выделяют средние и мелкие плиты или
блоки. Все плиты перемещаются друг
относительно друга, поэтому их границы
чётко маркируются зонами повышенной
сейсмичности.
Рисунок 16. Схема
плит.
Подземные воды.
Вода
в природе имеет широкое распространение.
Она содержится
в атмосфере, гидросфере и биосфере.
Горные
породы по своему происхождению и
вследствие вторичных
процессов (выветривания, выщелачивания,
тектонические подвижек
и др.) не являются монолитными, а содержат
в себе поры, пустоты
и трещины самых различных форм
и
размеров. Это облегчает инфильтрацию
атмосферных осадком и конденсацию паров
воды в коре выветривания,
способствуя образованию в ней водоносных
горизонтов.
Воды могут стекать по уклону кровли
водоупорных плотных невыветрелых
или слабо затронутых выветриванием
пород. Воды, находящиеся
о верхней части литосферы называет
подземными. Подземные воды
играют большую роль в жизни и хозяйственной
деятельности человека.
Для
строителей подземные воды служат либо
источником водоснабжения,
или выступает как фактор, затрудняющий
строительство. Особенно
сложно производство земляных и горных
работ в
условиях
притока
подземных вод, затапливающих котлованы,
карьеры, и другие виды
выработок. Появление подземных вод в
рыхлых породах ведёт к ухудшению
их физико-механических свойств. В
глинистых породах насыщение
водой, как правило, приводит к текучести,
а в песчаных —
к плывучести. В известняках, гипсах,
каменной соли подземные воды
вызывают растворение вещества с
образованием крупных пустот.
По
классификации академика Е. М. Сергеева
выделяются следующие
виды воды в горных породах.
Вода в виде пара.
Связанная
вода: прочно связанная, или адсорбированная
вода, рыхло
связанная, или слабо связанная вода.
Капиллярная
вода: вода углов пор (капиллярно-неподвижная
вода);
подвешенная вода (капиллярно-подвижная
вода); собственно капиллярная
вода (капиллярно-легкоподвижная вода)
;
Гравитационная
вода: просачивающаяся вода;
вода грунтового потока.
Вода в твердом
состоянии.
Кристаллизационная,
цеолитная и конституционная вода.
Гидрогеология,
наука о происхождении, условиях
залегания и законах перемещения подземных
вод, изучает все виды и, главный
ооризом, гравитационную, залегающую
в
различных по взрасту,
составу, происхождению и проницаемости
горных породах.
Рисунок
17. Схема залегания ненапорных грунтовых
вод:
1 – зона аэрации, 2 – зона насыщения,
3 – кайма, 4 – верховодка.
Рисунок 18. Напорные
воды. Строение артизианского бассейна
на примере
Днепропетровского-Донецкого
(по О. К. Ланге):
1 – граниты архея,
2 – пески и глины девона и юры, 3 – глины
юры,
4 – пески мела, 5 – мергельно-меловая
толща мела, 6 – суглинки кайнозоя,
7 –
мощность водоносного горизонта, 8 –
артезианские скважины.
При строительстве
фундаментов и подземных сооружений в
зоне влияния подземных вод
последние анализируются на предмет их
агрессивного воздействия на конструкции
Виды
агрессии: общекислотная, углекислая,
сульфатная, магнезиальная, выщелачивающая.
Расчеты проводят по нормативным
документам. В зависимости от вида
агрессивности
грунтовых вод принимаются мероприятия
по защите конструкций.
Возраст
грунтовых вод определяется по возрасту
вмещающих пород. Например, юрские,
четвертичные и др.
Свободную
поверхность грунтовых вод называют
зеркалом или уровнем грунтовых вод. По
условиям своего залегания эти воды
могут образовывать потоки, озёра или
бассейны. Территория, на которой воды
просачиваются в горные породы,
называется областью питания. Площадь,
в пределах которой они залегают,
называют областью распространения.
Местность, где грунтовые
воды выходят на поверхность, называют
областью дренажа. Поверхностные
слои горных пород, не содержащие свободную
воду, называют
зоной аэрации (рисунок 19).
Уровень
грунтовых вод не остаётся постоянным.
Его колебания зависят
от времени года, количества выпадающих
осадков, расположения
участка относительно поверхностных
водоёмов или постоянных водотоков.
Кроме того, как показал опыт строительства
во многих городах,
уровень грунтовых вод значительно
повышается в результате инфильтрации
промышленных и питьевых вод при
эксплуатации инженерных
водоводов.
Знание
режима направления движения и скорости
движения потока
грунтовых вод имеет
важное
значение для строительства.
Например,
по результатам изысканий, выполненных
в засушливое время
года, будет дано заключение о глубоком
залегании грунтовых вод.
Однако при таянии снегового покрова
или в дождливый сезон уровень
грунтовых вод резко повысится и может
вызвать затруднения не только в период
строительства, но и при эксплуатации
сооружения. При
утечке неочищенных сточных вод происходит
загрязнение грунтового потока и очень
важно, чтобы эти воды не проникали в
санитарные зоны и области питания
водозаборных скважин.
Тектонические движения земной коры
Тектоническими
называют движения земной коры, связанные
с внутренними силами в земной коре и
мантии Земли. Отрасль геологии,
которая изучает эти движения, а также
современное строение и развитие
структурных элементов земной коры
называетсятектоникой.
Крупнейшими
структурными элементами земной коры
являются платформы, геосинклинали и
океанические плиты.
Платформы –
огромные относительно неподвижные,
устойчивые участки земной коры. Для
платформ характерно двухъярусное
строение. Нижний, более древний ярус
(кристаллический фундамент) сложен
осадочными породами, смятыми в складки,
либо магматическими породами, подвергнутыми
метаморфизму. Верхний ярус (платформенный
чехол) почти целиком состоит из
горизонтально залегающих осадочных
горных пород.
Классическими
примерами платформенных областей
являются Восточно-Европейская (Русская)
платформа, Западно-Сибирская, Туранская
и Сибирская, занимающие огромные
пространства. В мире известны также
Северо-Африканская, Индийская и другие
платформы.
Мощность верхнего
яруса платформ достигает 1,5-2,0 км и более.
Участок земной коры, где верний ярус
отсутствует и кристаллический фундамент
выходит непосредственно на наружную
поверхность, называют щитами (Балтийский,
Воронежский, Украинский и др.).
В пределах платформ
тектонические движения выражаются в
виде медленных вертикальныз колебательных
движений земной коры. Слабо развиты или
совсем отсутствуют вулканизм и
сейсмические движения (землятресения).
Рельеф платформ имеет тесную связь с
глубинным строением земной коры и
выражен главным образом в виде обширных
равнин (низменностей).
Геосинклинали
– наиболее подвижные, линейно вытянутые
участки земной коры, обрамляющие
платформы. На ранних стадиях своего
развития они характеризуются интенсивными
погружениями, а на заключительных –
импульсивными поднятиями.
Геосинклинальные
области – это Альпы, Карпаты, Крым,
Кавказ, Памир, Гималаи, полоса Тихоокеанского
побережья и другие горно-складчатые
сооружения. Для всех этих областей
характерны активные тектонические
движения, высокая сейсмичность и
вулканизм. В этих же областях активно
развиваются мощные магматические
процессы с образованием эффузивных
лавовых покровов и потоков и интрузивных
тел (штоков и др.). В Северной Евразии
наиболее подвижным и сейсмически
активным регионом является Курило-Камчатская
зона.
Океанические
плиты – крупнейшие тектонические
структуры земной коры, составляют основу
дна океанов. В отличие от континентов
океанические плиты изучены недостаточно,
что связано со значительными трудностями
получения геологической информации об
их строении и составе вещества.
Различают
следующие главнейшие тектонические
движения земной коры:
Колебательные
тектонические движения проявляются в
виде медленных неравномерных поднятий
и опусканий отдельных участков земной
коры. Колебательный характер их движения
заключается в изменении его знака:
поднятие в одни геологические эпохи
сменяется опусканием в другие.
Тектонические движения этого типа
происходят непрерывно и повсеместно.
На земной поверхности нет тектонически
неподвижных участков земной коры –
одни поднимаются, другие опускаются.
По времени их
проявления колебательные движения
подразделяются на современные (последние
5-7 тыс.лет), новейшие (неоген и четвертичный
период) и движения прошлых геологических
периодов.
Современные
колебательные движения изучают на
специальных полигонах с помощью повторных
геодезических наблюдений методом
высокоточного нивелирования. О более
древних колебательных движениях судят
по чередованию морских и континентальных
отложений и ряду других признаков.
Скорость поднятия
или опускания отдельных участков земной
коры варьируется в широких пределах и
может достигать 10-20 мм в год и более.
Например, южное побережье Северного
моря в Голландии опускается на 5-7 мм в
год. От вторжения моря на сушу (трансгрессии)
Голландию спасают дамбы высотой до 15
м, которые постоянно надстраиваются. В
тоже время на близко расположенных
участках в Северной Швеции в прибрежной
зоне отмечаются современные поднятия
земной коры до 10-12 мм в год. В этих районах
часть портовых сооружений оказалась
удаленной от моря вследствие его
отступания от берегов (регресии).
Геодезические
наблюдения, проведенные в районах
Черного, Каспийского и Азовского морей,
показали, что Прикаспийская низменность,
восточный берег Ахзовского моря, впдины
в устьях рек Терека и Кубани, северо-западный
берег Черного моря опускаются со
скоростью 2-4 мм в год. Как следствие, в
этих районах отмечается трансгрессия,
т.е. наступление моря на сушу. Наоборот,
медленные поднятия испытывают участки
суши на побережье Балтийского моря, а
также, например, районы Курска, горняе
районы Алтая, Саян, Новая земля и др.
Другие участки продолжают погружаться
Москва (3,7 мм/год), Санкт-Петербург (3,6
мм/год) и т.д.
Наибольшая
интенсивность колебательных движений
земной коры отмечается в геосинклинальных
областях, а наименьшая в платформенных
областях.
Геологическое
значение колебательных движений огромно.
Они определяют условия осадконакопления,
положение границ между сушей и морем,
обмеление или усиление размывающей
деятельности рек. Колебательные движения,
происходившие в новейшее время
(неоген-четвертичный период), оказали
решающее влияние на формирование
современного рельефа Земли.
Колебательные
(современные) движения необходимо
учитывать при строительстве гидротехнических
сооружений типа водохранилищ, плотин,
судоходных каналов, городов у моря и
т.д.
Складчатые
тектонические движения. В
геосинклинальных областях тектонические
движения могут существенно нарушать
первоначальную форму залегания горных
пород. Нарушение форм первичного
залегания горных пород, вызванные
тектоническим движением земной коры,
называют дислокациями. Их подразделяют
на складчаты и разрывные.
Складчатые
дислокации могут быть в форме вытянутых
линейных складок или выражаться в общем
наклоне слоев в одну сторону.
Антиклиналь –
вытянутая линейная складка, обращенная
выпуклостью вверх. В ядре (центре)
антиклинали залегают более древние
слои, на крыльях складки более молодые.
Синклиналь –
складка, аналогичная антиклинали, но
направленная выпуклостью вниз. В ядре
синклинали залегают более молодые слои,
чем на крыльях.
Моноклиналь –
представляет собой толщу слоев горных
пород, наклоненных в одну сторону под
одинаковым углом.
Флексура –
коленообразная складка со ступенчатым
изгибом слоев.
Ориентировку слоев
при моноклинальном залегании характеризуют
с помощью линии простирания, линии
падения и угла падения.
Разрывные
тектонические движения. Приводят к
нарушению сплошности горных пород и
разрыву их по какой-либо поверхности.
Разрывы в горных породах возникают в
тех случаях, когда напряжения в земной
коре превышают предел прочности горных
пород.
К разрывным
дислокациям относят сбросы, взбросы,
надвиги, сдвиги, грабены и горсты.
Сброс–
образуется в результате опускания одной
части толщи относительно другой.
Взброс — образуется
при поднятии одной части толщи относительно
другой.
Надвиг – смещение
блоков горных пород по наклонной
поверхности разлома.
Сдвиг – смещение
блоков горных пород в горизонтальном
направлении.
Грабен – участок
земной коры, ограниченный тектоническими
разрывами (сбросами) и опущенный по ним
относительно смежных участков.
Примером крупных
грабенов могут служить впадина озера
Байкал и долина р. Рейн.
Горст – приподнятый
участок земной коры, ограниченный
сбросами или взбросами.
Разрывные
тектонические движения часто сопровождаются
образованием различных тектонических
трещин, для которых характерны захват
ими мощных толщ горных пород, выдержанность
ориентировки, наличие следов смещений
и другие признаки.
Особым типом
разрывных тектонических нарушений
являются глубинные разломы, разделяющие
земную кору на отдельные крупные блоки.
Глубинные разломы имеют протяженность
сотни и тысячи километров и глубину
более 300 км. К зонам их развития приурочены
современные интенсивные землетрясения
и активная вулканическая деятельность
(например разломы Курило-Камчатской
зоны).
Тектонические
движения, вызывающие формирование
складок и разрывов, называются
горообразовательными.
Значение тектонических
условий для строительства. Тектонические
особенности района весьма существенно
влияют на выбор места расположения
различных зданий и сооружений, их
компоновку, условия возведения и
эксплуатацию строительных объектов.
Благоприятны для
строительства участки с горизонтальным
ненарушенным залеганием слоев. Наличие
дислокаций и развитой системы тектонических
трещин существенно ухудшает
инженерно-геологические условия района
строительства. В частности, при
строительном освоении территории, с
активной тектонической деятельностью
необходимо учитывать интенсивную
трещиноватость и раздробленность горных
пород, которая снижает их прочность и
устойчивость, резкое повышение
сейсмической активности в местах
развития разрывных дислокаций и другие
особенности.
Интенсивность
колебательных движений земной коры
обязательно учитывают при строительстве
защитных дамб, а также линейных сооружений
значительной протяженности (каналов,
железных дорог и пр.).
Тектоника
плит (plate tectonics) — современная геологическая
теория о движении литосферы. Согласно
данной теории, в основе глобальных
тектонических процессов лежит
горизонтальное перемещение относительно
целостных блоков литосферы – литосферных
плит. Таким образом, тектоника плит
рассматривает движения и взаимодействия
литосферных плит.
Впервые
предположение о горизонтальном движении
блоков коры было высказано Альфредом
Вегенером в 1920-х годах в рамках гипотезы
«дрейфа континентов», но поддержки эта
гипотеза в то время не получила. Лишь в
1960-х годах исследования дна океанов
дали неоспоримые доказательства
горизонтальных движении плит и процессов
расширения океанов за счёт формирования
(спрединга) океанической коры. Возрождение
идей о преобладающей роли горизонтальных
движений произошло в рамках
«мобилистического» направления, развитие
которого и повлекло разработку современной
теории тектоники плит. Основные положения
тектоники плит сформулированы в 1967-68
группой американских геофизиков — У.
Дж. Морганом, К. Ле Пишоном, Дж. Оливером,
Дж. Айзексом, Л. Сайксом в развитие более
ранних (1961-62) идей американских учёных
Г. Хесса и Р. Дигца о расширении (спрединге)
ложа океанов.
Основные
положения тектоники плит можно свети
к нескольким основополагающим
1.
Верхняя каменная часть планеты разделена
на две оболочки, существенно различающиеся
по реологическим свойствам: жесткую и
хрупкую литосферу и подстилающую её
пластичную и подвижную астеносферу.
Подошва
литосферы является изотермой приблизительно
равной 1300°С, что соответствует температуре
плавления (солидуса) мантийного материала
при литостатическом давлении, существующем
на глубинах первые сотни километров.
Породы, лежащие в Земле над этой изотермой,
достаточно холодны и ведут себя как
жесткий материал, в то время как
нижележащие породы того же состава
достаточно нагреты и относительно легко
деформируются.
2.
Литосфера разделена по плиты, постоянно
движущиеся по поверхности пластичной
астеносферы. Литосфера делится на 8
крупных плит, десятки средних плит и
множество мелких. Между крупными и
средними плитами располагаются пояса,
сложенные мозаикой мелких коровых плит.
Границы
плит являются областями сейсмической,
тектонической и магматической активности;
внутренние области плит слабо сейсмичны
и характеризуются слабой проявленностью
эндогенных процессов.
Более
90 % поверхности Земли приходится на 8
крупных литосферных плит:
Средние
плиты: Аравийская (субконтинент),
Карибская, Филиппинская, Наска и Кокос
и Хуан де Фука и др.
Некоторые
литосферные плиты сложены исключительно
океанической корой (например, Тихоокеанская
плита), другие включают фрагменты и
океанической и континентальной коры.
3.
Различают три типа относительных
перемещений плит: расхождение
(дивергенция), схождение (конвергенция)
и сдвиговые перемещения.
Соответственно,
выделяются и три типа основных границ
плит.
Дивергентные
границы – границы, вдоль которых
происходит раздвижение плит.
Геодинамическую
обстановку, при которой происходит
процесс горизонтального растяжения
земной коры, сопровождающийся
возникновением протяженных линейно
вытянутых щелевых или ровообразных
впадин называют рифтогенезом. Эти
границы приурочены к континентальным
рифтам и срединно-океанических хребтам
в океанических бассейнах.
Термин
«рифт» (от англ. rift – разрыв, трещина,
щель) применяется к крупным линейным
структурам глубинного происхождения,
образованным в ходе растяжения земной
коры. В плане строения они представляют
собой грабенообразные структуры.
Закладываться
рифты могут и на континентальной, и на
океанической коре, образуя единую
глобальную систему, ориентированную
относительно оси геоида. При этом
эволюция континентальных рифтов может
привести к разрыву сплошности
континентальной коры и превращению
этого рифта в рифт океанический (если
расширение рифта прекращается до стадии
разрыва континентальной коры, он
заполняется осадками, превращаясь в
авлакоген).
Процесс
раздвижения плит в зонах океанских
рифтов (срединно-океанических хребтов)
сопровождается образованием новой
океанической коры за счёт магматических
базальтовых расплав поступающих из
астеносферы. Такой процесс образования
новой океанической коры за счёт
поступления мантийного вещества
называется спрединг
В
ходе спрединга каждый импульс растяжения
сопровождается поступлением новой
порции мантийных расплавов, которые,
застывая, наращивают края расходящихся
от оси СОХ плит.
Именно
в этих зонах происходит формирование
молодой океанической коры.
Конвергентные
границы – границы, вдоль которых
происходит столкновение плит. Главных
вариантов взаимодействия при столкновении
может быть три: «океаническая –
океаническая», «океаническая –
континентальная» и «континентальная
— континентальная» литосфера. В зависимости
от характера сталкивающихся плит, может
протекать несколько различных процессов.
Субдукция
– процесс поддвига океанской плиты под
континентальную или другую океаническую.
Зоны субдукции приурочены к осевым
частям глубоководных желобов, сопряжённых
с островными дугами (являющихся элементами
активных окраин). На субдукционные
границы приходится около 80% протяжённости
всех конвергентных границ.
При
столкновении континентальной и
океанической плит естественным явлением
является поддвиг океанической (более
тяжёлой) под край континентальной; при
столкновении двух океанических
погружается более древняя (то есть более
остывшая и плотная) из них.
Зоны
субдукции имеют характерное строение:
их типичными элементами служат
глубоководный желоб – вулканическая
островная дуга – задуговый бассейн.
Глубоководный желоб образуется в зоне
изгиба и поддвига субдуцирующей плиты.
По мере погружения эта плита начинает
терять воду (находящуюся в изобилии в
составе осадков и минералов), последняя,
как известно, значительно снижает
температуру плавления пород, что приводит
к образованию очагов плавления, питающих
вулканы островных дуг. В тылу вулканической
дуги обычно происходит некоторое
растяжение, определяющее образование
задугового бассейна. В зоне задугового
бассейна растяжение может быть столь
значительным, что приводит к разрыву
коры плиты и раскрытию бассейна с
океанической корой (так называемый
процесс задугового спрединга).
Погружение
субдуцирующей плиты в мантию трассируется
очагами землетрясений, возникающих на
контакте плит и внутри субдуцирующей
плиты (более холодной и вследствие этого
более хрупкой, чем окружающие мантийные
породы). Эта сейсмофокальная зона
получила название зона Беньофа-Заварицкого.
В
зонах субдукции начинается процесс
формирования новой континентальной
коры.
Значительно
более редким процессом взаимодействия
континентальной и океанской плит служит
процесс обдукции – надвигания части
океанической литосферы на край
континентальной плиты. Следует
подчеркнуть, что в ходе этого процесса
происходит расслоение океанской плиты,
и надвигается лишь её верхняя часть –
кора и несколько километров верхней
мантии.
При
столкновении континентальных плит,
кора которых более лёгкая, чем вещество
мантии, и вследствие этого не способна
в неё погрузиться, протекает процесс
коллизии. В ходе коллизии края
сталкивающихся континентальных плит
дробятся, сминаются, формируются системы
крупных надвигов, что приводит к росту
горных сооружений со сложным
складчато-надвиговым строением.
Классическим примером такого процесса
служит столкновение Индостанской плиты
с Евразийской, сопровождающееся ростом
грандиозных горных систем Гималаев и
Тибета.
Процесс
коллизии сменяет процесс субдукции,
завершая закрытие океанического
бассейна. При этом в начале коллизионного
процесса, когда края континентов уже
сблизились, коллизия сочетается с
процессом субдукции (продолжается
погружение под край континента остатков
океанической коры).
Для
коллизионных процессов типичны масштабный
региональный метаморфизм и интрузивный
гранитоидный магматизм. Эти процессы
приводят к созданию новой континентальной
коры (с её типичным гранито-гнейсовым
слоем).
Трансформные
границы – границы, вдоль которых
происходят сдвиговые смещения плит.
4.
Объём поглощённой в зонах субдукции
океанской коры равен объёму коры,
возникающей в зонах спрединга. Это
положении подчёркивает мнение о
постоянстве объёма Земли. Но такое
мнение не является единственным и
окончательно доказанным. Не исключено,
что объём планы меняется пульсационно,
или происходит уменьшение его уменьшение
за счёт охлаждения.
5.
Основной причиной движения плит служит
мантийная конвекция, обусловленная
мантийными теплогравитационными
течениями.
Источником
энергии для этих течений служит разность
температуры центральных областей Земли
и температуры близповерхностных её
частей. При этом основная часть эндогенного
тепла выделяется на границе ядра и
мантии в ходе процесса глубинной
дифференциации, определяющего распад
первичного хондритового вещества, в
ходе которого металлическая часть
устремляется к центру, наращивая ядро
планеты, а силикатная часть концентрируются
в мантии, где далее подвергается
дифференциации.
Нагретые
в центральных зонах Земли породы
расширяются, плотность их уменьшается,
и они всплывают, уступая место опускающимся
более холодными и потому более тяжёлым
массам, уже отдавшим часть тепла в
близповерхностных зонах. Этот процесс
переноса тепла идёт непрерывно, в
результате чего возникают упорядоченные
замкнутые конвективные ячейки. При этом
в верхней части ячейки течение вещества
происходит почти в горизонтальной
плоскости, и именно эта часть течения
определяет горизонтальное перемещение
вещества астеносферы и расположенных
на ней плит. В целом, восходящие ветви
конвективных ячей располагаются под
зонами дивергентных границ (СОХ и
континентальными рифтами), нисходящие
– под зонами конвергентных границ.
Таким
образом, основная причина движения
литосферных плит – «волочение»
конвективными течениями.
Кроме
того, на плиты действуют ещё рад факторов.
В частности, поверхность астеносферы
оказывается несколько приподнятой над
зонами восходящих ветвей и более
опущенной в зонах погружения, что
определяет гравитационное «соскальзывание»
литосферной плиты, находящейся на
наклонной пластичной поверхности.
Дополнительно действуют процессы
затягивания тяжёлой холодной океанской
литосферы в зонах субдукции в горячую,
и как следствие менее плотную, астеносферу,
а также гидравлического расклинивания
базальтами в зонах СОХ.
К
подошве внутриплитовых частей литосферы
приложены главные движущие силы тектоники
плит – силы мантийного “волочения”
(англ. drag) FDO под океанами и FDC под
континентами, величина которых зависит
в первую очередь от скорости астеносферного
течения, а последняя определяется
вязкостью и мощностью астеносферного
слоя. Так как под континентами мощность
астеносферы значительно меньше, а
вязкость значительно больше, чем под
океанами, величина силы FDC почти на
порядок уступает величине FDO. Под
континентами, особенно их древними
частями (материковыми щитами), астеносфера
почти выклинивается, поэтому континенты
как бы оказываются “сидящими на мели”.
Поскольку большинство литосферных плит
современной Земли включают в себя как
океанскую, так и континентальную части,
следует ожидать, что присутствие в
составе плиты континента в общем случае
должно “тормозить” движение всей
плиты. Так оно и происходит в действительности
(быстрее всего движутся почти чисто
океанские плиты Тихоокеанская, Кокос
и Наска; медленнее всего – Евразийская,
Северо-Американская, Южно-Американская,
Антарктическая и Африканская, значительную
часть площади которых занимают
континенты). Наконец, на конвергентных
границах плит, где тяжелые и холодные
края литосферных плит (слэбы) погружаются
в мантию, их отрицательная плавучесть
создает силу FNB (индекс в обозначении
силы – от английского negative buoyance). Действие
последней приводит к тому, что субдуцирующая
часть плиты тонет в астеносфере и тянет
за собой всю плиту, увеличивая тем самым
скорость ее движения. Очевидно, сила
FNB действует эпизодически и только в
определенных геодинамических обстановках,
например в случаях описанного выше
обрушения слэбов через раздел 670 км.
Таким
образом, механизмы, приводящие в движение
литосферные плиты, могут быть условно
отнесены к следующим двум группам: 1)
связанные с силами мантийного “волочения”
(mantle drag mechanism), приложенными к любым
точкам подошвы плит, на рисунке – силы
FDO и FDC; 2) связанные с силами, приложенными
к краям плит (edge-force mechanism), на рисунке –
силы FRP и FNB. Роль того или иного движущего
механизма, а также тех или иных сил
оценивается индивидуально для каждой
литосферной плиты.
Совокупность
этих процессов отражает общий
геодинамический процесс, охватывающих
области от поверхностных до глубинных
зон Земли.
В
настоящее время в мантии Земли развивается
двухъячейковая мантийная конвекция с
закрытыми ячейками (согласно модели
сквозьмантийной конвекции) или раздельная
конвекция в верхней и нижней мантии с
накоплением слэбов под зонами субдукции
(согласно двухъярусной модели). Вероятные
полюсы подъема мантийного вещества
расположены в северо-восточной Африке
(примерно под зоной сочленения Африканской,
Сомалийской и Аравийской плит) и в районе
острова Пасхи (под срединным хребтом
Тихого океана – Восточно-Тихоокеанским
поднятием).
Экватор
опускания мантийного вещества проходит
примерно по непрерывной цепи конвергентных
границ плит по периферии Тихого и
восточной части Индийского океанов.
Современный
режим мантийной конвекции, начавшийся
примерно 200 млн. лет назад распадом
Пангеи и породивший современные океаны,
в будущем сменится на одноячейковый
режим (по модели сквозьмантийной
конвекции) или (по альтернативной модели)
конвекция станет сквозьмантийной за
счет обрушения слэбов через раздел 670
км. Это, возможно, приведет к столкновению
материков и формированию нового
суперконтинента, пятого по счету в
истории Земли.
6.
Перемещения плит подчиняются законам
сферической геометрии и могут быть
описаны на основе теоремы Эйлера. Теорема
вращения Эйлера утверждает, что любое
вращение трёхмерного пространства
имеет ось. Таким образом, вращение может
быть описана тремя параметрами: координаты
оси вращения (например, её широта и
долгота) и угол поворота. На основании
этого положения может быть реконструировано
положение континентов в прошлые
геологические эпохи. Анализ перемещений
континентов привёл к выводу, что каждые
400-600 млн. лет они объединяются в единый
суперконтинент, подвергающийся в
дальнейшем распаду. В результате раскола
такого суперконтинента Пангеи,
произошедшего 200-150 млн. лет назад, и
образовались современные континенты.