Литосферные плиты.
На рубеже 60-70 годов двадцатого века в
геологии возродились идеи мобилизма
нсамого начала века, допускавшие крупные
горизонтальные перемещения, в т.ч. и
континентальных масс. Эта концепция
получили название тектоники литосферных
плит или новой глобальной тектоники.
Основные положения тектоники литосферных
плит выглядят следующим образом:
1. Литосфера Земли (земная кора вместе
с твердой верхней мантией, лежащей над
астеносферой) состоит из нескольких
крупных жестких блоков – литосферных
плит. Плиты в своих центральных частях
лишены сейсмичности, тектонически
стабильны. В большинство из них из них
включены («впаяны») материки.
2. Литосферные плиты перемещаются по
поверхности размягченной более пластичной
астеносферы. Наиболее крупные плиты —
это Тихоокеанская, Евразиатская,
Северо-Американская, Южно-Американская,
Африканская, Антарктическая,
Индо-Австралийская.
3. Литосферные плиты разделены протяженными
сравнительно узкими границами – зонами
глубинных разломов, уходящих своими
корнями в астеносферу. Для них характерна
повышенная сейсмическая и часто
вулканическая активность.
Литосферная плита – относительно
устойчивый и внутренне монолитный
участок литосферы (включающий земную
кору океанического и материкового
типов). Плиты разделены зонами повышенной
сейсмической активности. Они перемещаются
со скоростью 1-12 см/год по слою астеносферы
от зон растяжения (рифтовых долин
срединно-океанических хребтов) к зонам
сжатия, где они сталкиваются между собой
и их вещество частично погружается
вглубь мантии или участвует в формировании
орогенных (горных) поясов. Поскольку
литосферные плиты движутся по сферической
поверхности Земли, они совершают и
вращательные движения вокруг определенных
полюсов вращения. Помимо 7 наиболее
крупных плит, впервые выделенных в 1968
г (Евразийской, Африканской, Индийской,
Северо- и Южно-Американской, Тихоокеанской,
Антарктической) существует значительное
количество более мелких литосферных
блоков, имеющих самостоятельное движение.
Различают три главных типа границ
литосферных плит:
1. Дивергентные границы — плиты
расходятся друг от друга.
2. Конвергентные границы — контактируют
плиты, двигающиеся навстречу друг другу.
3. Трансформные границы — вдоль них
происходит горизонтальное скольжение
одной плиты относительно другой.
Дивергентные границы литосферных
плит совпадают с рифтовыми долинами
срединно-океанических хребтов. Здесь
происходят излияния (в основном подводные)
лав базальтового состава, выплавляющихся
из мантии. В рифтовой долине каждая
новая порция лавы, остывая и твердея,
раздвигает в противоположные стороны
литосферные плиты. Благодаря этому
вновь образованная океанская кора
отодвигается от срединно-океанических
хребтов, подобно огромному конвейеру.
Процесс растяжения литосферы и раздвигание
жестких литосферных плит в области
срединно-океанических хребтов называется
«спредингом» (англ. растягивание,
расширение). Скорость разрастания
океанского дна колеблется от нескольких
миллиметров до 18 см в год. По мере удаления
от рифтовой зоны океанская кора становится
холоднее и тяжелее, и постепенно
опускается в астеносферу, а океан
становится глубже.
Конвергентные границы. Поскольку
радиус Земли не увеличивается, а
океанической коры древнее 180 млн. лет
не известно, должен существовать процесс,
компенсирующий «разрастание» дна
океанов. Разновидностью конвергентной
границы являются зоны субдукции
(от англ. погружение), например, по
краям Тихого океана. Тяжелая и холодная
океанская литосфера, подходя к более
толстой но легкой континентальной,
уходит под нее, как бы подныривает —
поддвигается. Если в контакт входят две
океанские плиты, то погружается более
древняя, так как она тяжелее и холоднее,
чем молодая литосферная плита. Зоны,
где происходит субдукция, морфологически
выражены глубоководными желобами. В
зоне погружения океанской плиты,
возникают напряжения, которые, разряжаясь,
провоцируют землетрясения. Гипоцентры
землетрясений маркируют границу
между двумя плитами и образуют наклонную
так называемую сейсмофокальную зону,
погружающуюся под континентальную
литосферу до глубин 700 км. Эту зону по
имени американского сейсмолога X.
Беньофа называют зоной Беньофа.
Угол погружения океанских плит различный,
вплоть до вертикального.
При погружение океанской литосферы на
глубину 100-200 км (в зону высоких температур
и давлений) из нее выделяются активные
газовые компоненты и перегретые водные
растворы. Эти флюиды вызывают плавление
горных пород континентальной литосферы
и образование магматических очагов,
питающих вулканы островных дуг, развитых
параллельно глубоководным желобам.
Вулканические цепи располагаются тем
ближе к глубоководному желобу, чем круче
наклон субдуцирующей океанской литосферы.
Край плиты, под которую погружается
океанская, срезает скопившиеся на
последней отложения, как нож бульдозера,
деформирует их, сминает в складки. Этот
комплекс пород присоединяется к
континентальной плите в виде так
называемого аккреционного клина
(от англ.— приращение). Какая-то часть
осадочных отложений при этом опускается
вместе с плитой в глубины мантии.
Погружающаяся океанская плита может
также частично разрушить край
континентальной литосферы и захватить
ее фрагменты в мантию.
Кроме явления субдукции существует
более редкий процесс, (абдукция),
т. е. надвигание океанской литосферы
на континентальную. Примером является
огромный тектонический покров (размером
500 х 100 км) на восточной окраине Аравийского
полуострова, сложенный типичной
океанской корой, перекрывающей древние
докембрийские толщи Аравийского
щита.
Еще одни вариант конвергентной границы
— коллизия или столкновение, двух
континентальных плит, которые из-за
относительной легкости слагающего их
материала не могут погрузиться друг
под друга, а сталкиваются, образуя
горно-складчатый пояс с очень сложным
внутренним строением. Например, так
возникли Гималайские горы, когда 50 млн.
лет назад Индостанская плита столкнулась
с Азиатской. Аналогично сформировался
Альпийский горно-складчатый пояс при
коллизии Африкано-Аравийской и Евразийской
континентальных плит.
Причиной относительного перемещения
плит считается тепловая конвекция
вещества в мантии. Рифтовые зоны
располагаются над восходящими ветвями
конвективных ячей. Зоны субдукции
совпадают с нисходящими ветвями.
Океаническая литосфера движется от
рифтов к этим зонам, увлекаемая как
конвейером горизонтальными участками
этих ячей. В целом перемещение вещества
Земли происходит по замкнутому контуру.
Скорость конвективных потоков составляет
от 1 до 3 см/год. В земной коре эти течения
в замкнутых ячеях порождают тектонические
движения в виде поднятий и опусканий,
сжатия и растяжения. Они приводят к
короблению поверхности материковых
плит, их перемещению или дроблению.
Расчеты показывают, что за 5 миллиардов
лет, которые существует планета Земля,
все вещество мантии, по крайней мере,
12 – 15 раз полностью прошло цикл конвекции.
В теории тектонических плит литосфера разбита на тектонические плиты, которые претерпевают некоторые крупномасштабные движения. Пограничные области между пластинами метко называются границами плит. В зависимости от их движения относительно друг друга эти границы плит бывают трех видов: дивергентные, конвергентные и трансформные.
Дивергентные границы
Дивергентные границы — это те, которые удаляются друг от друга. Когда они разделяются, они образуют так называемый раскол. По мере того как зазор между двумя пластинами увеличивается, нижележащий слой может стать достаточно мягким, чтобы расплавленная лава под ним могла пробиться вверх. Этот толчок вверх приводит к образованию вулканических островов. Расплавленная лава, которой удается вырваться на свободу, в конечном итоге остывает и образует часть дна океана.
Некоторые образования, обусловленные расходящимися границами плит, — это Срединно-Атлантический хребет и хребет Гаккеля. На суше у вас есть озеро Байкал в Сибири и озеро Танганьика в Восточной Африке.
Конвергентные границы
Конвергентные границы — это те, которые движутся навстречу друг другу. Когда они сталкиваются, обычно происходит субдукция. То есть более плотная пластина погружается или уходит под менее плотную. Иногда границы пластин также деформируются. Сходящиеся границы несут ответственность за создание самых глубоких и высоких структур на Земле.
Среди тех, что образовались из-за сходящихся границ плит, находятся горная вершина Чогори и гора Эверест, самые высокие вершины в мире. Они образовались, когда Индийская плита погрузилась под Евразийскую плиту. Еще одно экстремальное образование из-за сходящейся границы — Марианская впадина, самая глубокая область на Земле.
Трансформные границы
Границы трансформации — это те, которые скользят рядом друг с другом. Чтобы вы не вообразили скользкое скольжение, обратите внимание на то, что задействованные поверхности подвергаются огромным нагрузкам и деформациям и на мгновение удерживаются на месте. В результате, когда две пластины, наконец, преуспевают в движении относительно друг друга, высвобождается огромное количество энергии. Это вызывает землетрясения.
Разлом Сан-Андреас в Северной Америке, пожалуй, самая популярная граница трансформации. Граница трансформации также известна как трансформационный разлом или граница консервативной плиты.
Перемещение пластин обычно составляет всего несколько сантиметров в год. Однако из-за огромных масс и задействованных сил они обычно приводят к землетрясениям и извержениям вулканов. Если взаимодействие между границами плит происходит всего лишь на несколько сантиметров в год, то можно просто представить себе, сколько времени потребовалось бы для того, чтобы возникли наземные образования, которые мы видим сегодня.
Дивергентные границы или границы раздвижения плит
Это
границы между плитами, двигающимися в
противоположные стороны. В рельефе
Земли эти границы выражены рифтами, в
них преобладают деформации растяжения,
мощность коры пониженная, тепловой
поток максимален, и происходит активный
вулканизм. Если такая граница образуется
на континенте, то формируется
континентальный рифт, который в дальнейшем
может превратиться в океанический
бассейн с океаническим рифтом в центре.
В океанических рифтах в результате
спрединга формируется новая океаническая
кора.
На
океанической коре рифты приурочены к
центральным частям срединно-океанических
хребтов. В них происходит образование
новой океанической коры. Общая их
протяжённость более 60 тысяч километров.
К ним приурочено множество гидротермальных
источников, которые выносят в океан
значительную часть глубинного тепла,
и растворённых элементов. Высокотемпературные
источники называются чёрными
курильщиками, с ними связаны значительные
запасы цветных металлов.
Раскол
континента на части начинается с
образования рифта.
Кора утончается и раздвигается,
начинается магматизм.
Формируется протяжённая линейная
впадина глубиной порядка сотен метров,
которая ограничена серией сбросов.
После этого возможно два варианта
развития событий: либо расширение рифта
прекращается и он заполняется осадочными
породами, превращаясь в авлакоген,
либо континенты продолжают раздвигаться
и между ними, уже в типично океанических
рифтах, начинает формироваться
океаническая кора.
Конвергентными
называются границы, на которых происходит
столкновение плит. Возможно три варианта:
1.
Континентальная плита с океанической.
Океаническая кора плотнее, чем
континентальная и погружается под
континент в зоне субдукции.
2.
Океаническая плита с океанической. В
таком случае одна из плит заползает под
другую и также формируется зона субдукции,
над которой образуется островная
дуга.
3.
Континентальная плита с континентальной.
Происходит коллизия, возникает мощная
складчатая область. Классический
пример — Гималаи.
В
редких случаях происходит надвигание
океанической коры на континентальную — обдукция.
Благодаря этому процессу
возникли офиолиты Кипра, Новой
Каледонии, Омана и другие.
В
зонах субдукции поглощается океаническая
кора, и тем самым компенсируется её
появление в срединно-океанических
хребтах. В них происходят исключительно
сложные процессы взаимодействия коры
и мантии. Так океаническая кора может
затягивать в мантию блоки континентальной
коры, которые по причине низкой плотности
эксгумируются обратно в кору. Так
возникают метаморфические комплексы
сверхвысоких давлений, один из
популярнейших объектов современных
геологических исследований.
Большинство
современных зон субдукции расположены
по периферии Тихого океана, образуя
тихоокеанское огненное кольцо. Процессы,
идущие в зоне конвергенции плит, по
праву считаются одними из самых сложных
в геологии. В ней смешиваются блоки
разного происхождения, образуя новую
континентальную кору.
Активная
континентальная окраина возникает там,
где под континент погружается океаническая
кора. Эталоном этой геодинамической
обстановки считается западное
побережье Южной Америки, её часто
называют андийским типом
континентальной окраины. Для активной
континентальной окраины характерны
многочисленные вулканы и вообще мощный
магматизм. Расплавы имеют три компонента:
океаническую кору, мантию над ней и низы
континентальной коры.
Под
активной континентальной окраиной
происходит активное механическое
взаимодействие океанической и
континентальной плит. В зависимости от
скорости, возраста и мощности океанической
коры возможны несколько сценариев
равновесия. Если плита двигается медленно
и имеет относительно малую мощность,
то континент соскабливает с неё осадочный
чехол. Осадочные породы сминаются в
интенсивные складки, метаморфизуются
и становятся частью континентальной
коры. Образующаяся при этом структура
называется аккреционным
клином.
Если скорость погружающейся плиты
высока, а осадочный чехол тонок, то
океаническая кора стирает низ континента
и вовлекает его в мантию.
Островные
дуги — это цепочки вулканических
островов над зоной субдукции, возникающие
там, где океаническая плита погружается
под другую океаническую плиту. В качестве
типичных современных островных дуг
можно назвать Алеутские, Курильские, Марианские
острова, и многие другие архипелаги. Японские
острова также часто называют островной
дугой, но их фундамент очень древний и
на самом деле они образованы несколькими
разновременными комплексами островных
дуг, так что Японские острова
являются микроконтинентом.
Островные
дуги образуются при столкновении двух
океанических плит. При этом одна из плит
оказывается снизу и поглощается в
мантию. На верхней же плите образуются
вулканы островной дуги. Выгнутая сторона
островной дуги направлена в сторону
поглощаемой плиты. С этой стороны
находятся глубоководный желоб и
преддуговый прогиб.
За
островной дугой расположен задуговый
бассейн (типичные примеры: Охотское
море, Южно-Китайское море и т.д.)
в котором также может происходить
спрединг.
Столкновение
континентальных плит приводит к смятию
коры и образованию горных цепей. Примером
коллизии является Альпийско-Гималайский
горный пояс, образовавшийся в результате
закрытия океана Тетис и столкновения
с Евразийской плитой Индостана и Африки.
В результате мощность коры значительно
увеличивается, под Гималаями она
составляет 70 км. Это неустойчивая
структура, она интенсивно разрушается
поверхностной и тектонической эрозией.
В коре с резко увеличенной мощностью
идёт выплавка гранитов из метаморфизованных осадочных
и магматических пород. Так образовались
крупнейшие батолиты,
напр., Ангаро-Витимский и Зерендинский.
Земная поверхность состоит из нескольких сцепленных между собой больших плит, которые медленно движутся друг относительно друга.
Твердые планеты в своем развитии проходят период нагревания, основную энергию для которого дают падающие на поверхность планеты обломки космических тел (см. Гипотеза газопылевого облака). При столкновении этих объектов с планетой почти вся кинетическая энергия падающего объекта мгновенно преобразуется в тепловую, поскольку его скорость движения, составляющая несколько десятков километров в секунду, в момент удара резко падает до нуля. Всем внутренним планетам Солнечной системы — Меркурию, Венере, Земле, Марсу — этого тепла хватало если не для того, чтобы полностью или частично расплавиться, то хотя бы для того, чтобы размягчиться и сделаться пластичными и текучими. В этот период вещества с наибольшей плотностью передвигались к центру планет, образуя ядро, а наименее плотные, наоборот, поднимались на поверхность, образуя земную кору. Примерно так же расслаивается соус для салата, если его надолго оставить на столе. Этот процесс, называемый дифференциацией магмы, объясняет внутреннее строение Земли.
У самых маленьких внутренних планет, Меркурия и Марса (а также у Луны), это тепло в конце концов выходило на поверхность и рассеивалось в космосе. Затем планеты затвердевали и (как в случае с Меркурием) в последующие несколько миллиардов лет проявляли низкую геологическую активность. История Земли была совсем другой. Поскольку Земля — самая крупная из внутренних планет, в ней сохранился и самый большой запас тепла. А чем крупнее планета, тем меньше у нее отношение площади поверхности к объему и тем меньше она теряет тепла. Следовательно, Земля остывала медленнее, чем другие внутренние планеты. ( То же самое можно сказать и о Венере, размер которой немного меньше Земли.)
Кроме того, с начала формирования Земли в ней происходил распад радиоактивных элементов, что увеличивало запас тепла в ее недрах. Следовательно, Землю можно рассматривать как шарообразную печь. Внутри нее непрерывно образуется тепло, переносится к поверхности и излучается в космос. Перенос тепла вызывает ответное перемещение мантии — оболочки Земли, расположенной между ядром и земной корой на глубине от нескольких десятков до 2900 км (см. Теплообмен). Горячее вещество из глубины мантии поднимается, охлаждается, а затем вновь погружается, замещаясь новым горячим веществом. Это классический пример конвективной ячейки.
Можно сказать, что порода мантии бурлит так же, как вода в чайнике: и в том, и в другом случае тепло переносится в процессе конвекции. Некоторые геологи считают, что для завершения полного конвективного цикла породам мантии требуется несколько сотен миллионов лет — по человеческим меркам очень большое время. Известно, что многие вещества с течением времени медленно деформируются, хотя на протяжении человеческой жизни они выглядят абсолютно твердыми и неподвижными. Например, в средневековых соборах старинные оконные стекла внизу толще, чем наверху, потому что в течение многих веков стекло стекало вниз под действием силы тяжести. Если за несколько столетий это происходит с твердым стеклом, то нетрудно представить себе, что то же самое может произойти с твердыми горными породами за сотни миллионов лет.
Наверху конвективных ячеек земной мантии плавают породы, составляющие твердую поверхность Земли, — так называемые тектонические плиты. Эти плиты состоят из базальта, самой распространенной излившейся магматической горной породы. Толщина этих плит примерно 10–120 км, и они перемещаются по поверхности частично расплавленной мантии. Материки, состоящие из относительно легких пород, таких как гранит, образуют самый верхний слой плит. В большинстве случаев толщина плит под материками больше, чем под океанами. Со временем процессы, происходящие внутри Земли, сдвигают плиты, вызывая их столкновение и растрескивание, вплоть до образования новых плит или исчезновения старых. Именно благодаря этому медленному, но непрерывному перемещению плит поверхность нашей планеты все время находится в динамике, постоянно изменяясь.
Важно понимать, что понятия «плита» и «материк» — не одно и то же. Например, Северо-Американская тектоническая плита простирается от середины Атлантического океана до западного побережья Северо-Американского континента. Часть плиты покрыта водой, часть — сушей. Анатолийская плита, на которой расположены Турция и Ближний Восток, полностью покрыта сушей, в то время как Тихоокеанская плита расположена полностью под Тихим океаном. То есть границы плит и береговые линии материков не обязательно совпадают. Кстати, слово «тектоника» происходит от греческого слова tekton («строитель») — тот же корень есть и в слове «архитектор» — и подразумевает процесс строительства или сборки.
Тектоника плит заметнее всего там, где плиты соприкасаются друг с другом. Принято выделять три типа границ между плитами.
В середине Атлантического океана поднимается к поверхности раскаленная магма, образовавшаяся в глубине мантии . Она прорывается сквозь поверхность и растекается, постепенно заполняя собой трещину между раздвигающимися плитами. Из-за этого морское дно расширяется и Европа и Северная Америка расходятся в стороны со скоростью несколько сантиметров в год. ( Это движение смогли измерить с помощью радиотелескопов, расположенных на двух континентах, сравнив время прихода радиосигнала от далеких квазаров.)
Если дивергентная граница расположена под океаном, в результате расхождения плит возникает срединно-океанический хребет — горная цепь, образованная за счет скопления вещества в том месте, где оно выходит на поверхность. Срединно-Атлантический хребет, простирающийся от Исландии до Фолклендов, — это самая длинная горная цепь на Земле. Если же дивергентная граница находится под материком, она буквально разрывает его. Примером такого процесса, происходящего в наши дни, служит Великая долина разломов, простирающаяся от Иордании на юг в Восточную Африку.
Если на дивергентных границах образуется новая кора, значит где-то в другом месте кора должна разрушаться, иначе Земля увеличивалась бы в размерах. При столкновении двух плит одна из них пододвигается под другую (это явление называется субдукцией, или пододвиганием). При этом плита, оказавшаяся внизу, погружается в мантию. Что происходит на поверхности над зоной субдукции, зависит от местонахождения границ плиты: под материком, на границе материка или под океаном.
Если зона субдукции расположена под океанической корой, то в результате пододвигания образуется глубокая срединно-океаническая впадина (желоб). Примером этого может служить самое глубокое место в Мировом океане — Марианская впадина около Филиппин. Вещество нижней плиты попадает вглубь магмы и расплавляется там, а потом может опять подняться к поверхности, образуя гряду вулканов — как, например, цепь вулканов на востоке Карибского моря и на западном берегу Соединенных Штатов.
Если обе плиты на конвергентной границе находятся под материками, результат будет совсем другим. Материковая кора состоит из легких веществ, и обе плиты фактически плавают над зоной субдукции. Поскольку одна плита пододвигается под другую, два материка сталкиваются, и их границы сминаются, образуя материковый горный хребет. Так сформировались Гималаи, когда Индийская плита около 50 миллионов лет назад столкнулась с Евразийской. В результате такого же процесса сформировались и Альпы, когда Италия соединилась с Европой. А Уральские горы, старую горную цепь, можно назвать «сварочным швом», образовавшимся при объединении европейского и азиатского массивов.
Если материк покоится только на одной из плит, на нем будут образовываться складки и смятия по мере его наползания на зону субдукции. Примером этого служат Анды на Западном побережье Южной Америки. Они сформировались после того, как Южно-Американская плита наплыла на погрузившуюся под нее плиту Наска в Тихом океане.
Иногда бывает так, что две плиты не расходятся и не пододвигаются друг под друга, а просто трутся краями. Самый известный пример такой границы — разлом Сан-Андреас в Калифорнии, где движутся бок о бок Тихоокеанская и Северо-Американская плиты. В случае трансформной границы плиты сталкиваются на время, а затем расходятся, высвобождая много энергии и вызывая сильные землетрясения.
В заключение я хотел бы подчеркнуть, что, хотя тектоника плит включает в себя понятие о движении материков, это не то же самое, что гипотеза дрейфа материков, предложенная в начале ХХ века. Эта гипотеза была отвергнута (справедливо, по мнению автора) геологами из-за некоторых экспериментальных и теоретических неувязок. И тот факт, что наша современная теория включает в себя один аспект из гипотезы дрейфа материков — перемещение материков, — не означает, что ученые отвергли тектонику плит в начале прошлого века только для того, чтобы принять ее позже. Теория, которая принята сейчас, коренным образом отличается от прежней.
Текто́ника плит — современное научное представление в геотектонике о строении и движении литосферы, согласно которому 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. — растекание морского дна) образуется новая океаническая кора, а старая поглощается в зонах субдукции. Теория тектоники плит объясняет возникновение землетрясений, вулканическую деятельность и процессы горообразования, по большей части приуроченные к границам плит.
Классификация геотектонических процессов согласно концепции тектоники плит.
Карта основных тектонических плит Земли Дивергентные границы: Океанический рифт (центр спрединга) Континентальный рифт (зона расширения) Конвергентные границы: Трансформные границы:
Впервые идея о движении блоков коры была высказана в теории дрейфа континентов, предложенной Альфредом Вегенером в 1920-х годах. Эта теория была первоначально отвергнута. Возрождение идеи о движениях в твёрдой оболочке Земли («мобилизм») произошло в 1960-х годах, когда в результате исследований рельефа и геологии океанического дна были получены данные, свидетельствующие о процессах расширения (спрединга) океанической коры и пододвигания одних частей коры под другие (субдукции). Объединение этих представлений со старой теорией дрейфа материков породило современную теорию тектоники плит, которая вскоре стала общепринятой концепцией в науках о Земле.
В теории тектоники плит ключевое положение занимает понятие геодинамической обстановки — характерной геологической структуры с определённым соотношением плит. В одной и той же геодинамической обстановке происходят однотипные тектонические, магматические, сейсмические и геохимические процессы.
Основой теоретической геологии начала XX века была контракционная гипотеза. Земля остывает подобно испечённому яблоку, и на ней появляются морщины в виде горных хребтов. Развивала эти идеи теория геосинклиналей, созданная на основании изучения складчатых образований. Эта теория была сформулирована Джеймсом Даной, который добавил к контракционной гипотезе принцип изостазии. Согласно этой концепции, Земля состоит из гранитов (континенты) и базальтов (океаны). При сжатии Земли в океанах-впадинах возникают тангенциальные силы, которые давят на континенты. Последние вздымаются в горные хребты, а затем разрушаются. Материал, который получается в результате разрушения, откладывается во впадинах.
Против этой схемы выступил немецкий учёный-метеоролог Альфред Вегенер. 6 января 1912 года он выступил на собрании Немецкого геологического общества с докладом о дрейфе материков. Исходной посылкой к созданию теории стало совпадение очертаний западного побережья Африки и восточного Южной Америки. Если эти континенты сдвинуть, то они совпадают, как если бы образовались в результате раскола одного праматерика.
Вегенер не удовлетворился совпадением очертаний побережий (которые неоднократно замечались и до него), а стал интенсивно искать доказательства теории. Для этого он изучил геологию побережий обоих континентов и нашёл множество схожих геологических комплексов, которые совпадали при совмещении, так же, как и береговая линия. Другим направлением доказательства теории стали палеоклиматические реконструкции, палеонтологические и биогеографические аргументы. Многие животные и растения имеют ограниченные ареалы, по обе стороны Атлантического океана. Они очень схожи, но разделены многокилометровым водным пространством, и трудно предположить, что они пересекли океан.
Кроме того, Вегенер стал искать геофизические и геодезические доказательства. Однако в то время уровень этих наук был явно не достаточен, чтобы зафиксировать современное движение континентов. В 1930 году Вегенер погиб во время экспедиции в Гренландии, но перед смертью уже знал, что научное сообщество не приняло его теорию.
Изначально теория дрейфа материков была принята научным сообществом благосклонно, но в 1922 году она подверглась жёсткой критике со стороны сразу нескольких известных специалистов. Главным аргументом против теории стал вопрос о силе, которая двигает плиты. Вегенер полагал, что континенты двигаются по базальтам океанического дна, но для этого требовалось огромное усилие, и источника этой силы никто назвать не мог. В качестве источника движения плит предлагались сила Кориолиса, приливные явления и некоторые другие, однако простейшие расчёты показывали, что всех их абсолютно недостаточно для перемещения огромных континентальных блоков.
Вялотекущая борьба фиксистов, как назвали сторонников отсутствия значительных горизонтальных перемещений, и мобилистов, утверждавших, что континенты всё-таки двигаются, с новой силой разгорелась в 1960-х годах, когда в результате изучения дна океанов были найдены ключи к пониманию «машины» под названием Земля.
Возраст дна океанов (красный цвет соответствует молодой коре)
В 1963 году гипотеза спрединга получает мощную поддержку в связи с открытием полосовых магнитных аномалий океанического дна. Они были интерпретированы как запись инверсий магнитного поля Земли, зафиксированная в намагниченности базальтов дна океана. После этого тектоника плит начала победное шествие в науках о Земле. Всё больше учёных понимали, что, чем тратить время на защиту концепции фиксизма, лучше взглянуть на планету с точки зрения новой теории и, наконец-то, начать давать реальные объяснения сложнейшим земным процессам.
Современное состояние тектоники плит
За прошедшие десятилетия тектоника плит значительно изменила свои основные положения. Ныне их можно сформулировать следующим образом:
Существует два принципиально разных вида земной коры — кора континентальная (более древняя) и кора океаническая (не старше 200 миллионов лет). Некоторые литосферные плиты сложены исключительно океанической корой (пример — крупнейшая тихоокеанская плита), другие состоят из блока континентальной коры, впаянного в кору океаническую.
Более 90 % поверхности Земли в современную эпоху покрыто 8 крупнейшими литосферными плитами:
Среди плит среднего размера можно выделить Аравийскую плиту, а также плиты Кокос и плиту Хуан де Фука, остатки огромной плиты Фаралон, слагавшей значительную часть дна Тихого океана, но ныне исчезнувшую в зоне субдукции под Северной и Южной Америками.
Сила, двигающая плиты
Модель тектоники плит на поверхности вулканического лавового озера
Горизонтальное движение плит происходит за счёт мантийных теплогравитационных течений — конвекции. Источником энергии для этих течений служит разность температуры центральных областей Земли, которые имеют очень высокую температуру (по оценкам, температура ядра составляет порядка 5000 °С) и температуры на её поверхности. Нагретые в центральных зонах Земли породы расширяются (см. термическое расширение), плотность их уменьшается, и они всплывают, уступая место опускающимся более холодным и потому более плотным массам, уже отдавшим часть тепла земной коре. Этот процесс переноса тепла (следствие всплывания лёгких горячих масс и погружения тяжёлых холодных масс) идёт непрерывно, в результате чего возникают конвективные потоки. Эти потоки замыкаются сами на себя и образуют устойчивые конвективные ячейки, согласующиеся по направлениям потоков с соседними ячейками. При этом в верхней части ячейки течение вещества происходит почти в горизонтальной плоскости, и именно эта часть течения увлекает плиты в горизонтальном же направлении с огромной силой за счёт огромной вязкости мантийного вещества. Если бы мантия была совершенно жидкой — вязкость пластичной мантии под корой была бы малой (например, как у воды), то через слой такого вещества с малой вязкостью не могли бы проходить поперечные сейсмические волны. А земная кора увлекалась бы потоком такого вещества со сравнительно малой силой. Но, благодаря высокому давлению, при относительно низких температурах, господствующих на поверхности Мохоровичича и ниже, вязкость мантийного вещества здесь очень велика (так, что в масштабе лет вещество мантии Земли — жидкое (текучее), а в масштабе секунд — твёрдое).
При пластической (хрупкой) деформации очень быстро (в темпе смещения коры при землетрясении) уменьшается и напряжение в ней — сила сжатия в очаге землетрясения и его окрестностях. Но сразу же по окончании неупругой деформации продолжается прерванное землетрясением очень медленное нарастание напряжения (упругой деформации) за счёт очень медленного же движения вязкого мантийного потока, начиная цикл подготовки следующего землетрясения.
Таким образом, движение плит — следствие переноса тепла из центральных зон Земли очень вязкой магмой. При этом часть тепловой энергии превращается в механическую работу по преодолению сил трения, а часть, пройдя через земную кору, излучается в окружающее пространство. Так что наша планета в некотором смысле представляет собой тепловой двигатель.
Другая модель объясняет нагрев химической дифференциацией Земли. Первоначально планета была смесью силикатного и металлического веществ. Но одновременно с образованием планеты началась её дифференциация на отдельные оболочки. Более плотная металлическая часть устремилась к центру планеты, а силикаты концентрировались в верхних оболочках. При этом потенциальная энергия системы уменьшалась и превращалась в тепловую энергию.
Другие исследователи полагают, что разогрев планеты произошёл в результате аккреции при ударах метеоритов о поверхность зарождающегося небесного тела. Это объяснение сомнительно — при аккреции тепло выделялось практически на поверхности, откуда оно легко уходило в космос, а не в центральные области Земли.
Сила вязкого трения, возникающая вследствие тепловой конвекции, играет определяющую роль в движениях плит, но, кроме неё, на плиты действуют и другие, меньшие по величине, но также важные силы. Это — силы Архимеда, обеспечивающие плавание более лёгкой коры на поверхности более тяжёлой мантии. Приливные силы, обусловленные гравитационным воздействием Луны и Солнца (различием их гравитационного воздействия на разноудалённые от них точки Земли). Сейчас приливной «горб» на Земле, вызванный притяжением Луны, в среднем около 36 см. Раньше Луна была ближе, и это имело б́ольшие масштабы, деформация мантии приводит к её нагреву. Например, вулканизм, наблюдаемый на Ио (спутник Юпитера), вызван именно этими силами — прилив на Ио около 120 м. А также силы, возникающие вследствие изменения атмосферного давления на различные участки земной поверхности — силы атмосферного давления достаточно часто изменяются на 3 %, что эквивалентно сплошному слою воды толщиной 0,3 м (или гранита толщиной не менее 10 см). Причём это изменение может происходить в зоне шириной в сотни километров, тогда как изменение приливных сил происходит более плавно — на расстояниях в тысячи километров.
Это границы между плитами, двигающимися в противоположные стороны. В рельефе Земли эти границы выражены рифтами, в них преобладают деформации растяжения, мощность коры пониженная, тепловой поток максимален, и происходит активный вулканизм. Если такая граница образуется на континенте, то формируется континентальный рифт, который в дальнейшем может превратиться в океанический бассейн с океаническим рифтом в центре. В океанических рифтах в результате спрединга формируется новая океаническая кора.
Схема строения срединно-океанического хребта
На океанической коре рифты приурочены к центральным частям срединно-океанических хребтов. В них происходит образование новой океанической коры. Общая их протяжённость более 60 тысяч километров. К ним приурочено множество гидротермальных источников, которые выносят в океан значительную часть глубинного тепла, и растворённых элементов. Высокотемпературные источники называются чёрными курильщиками, с ними связаны значительные запасы цветных металлов.
Раскол континента на части начинается с образования рифта. Кора утончается и раздвигается, начинается магматизм. Формируется протяжённая линейная впадина глубиной порядка сотен метров, которая ограничена серией сбросов. После этого возможно два варианта развития событий: либо расширение рифта прекращается и он заполняется осадочными породами, превращаясь в авлакоген, либо континенты продолжают раздвигаться и между ними, уже в типично океанических рифтах, начинает формироваться океаническая кора.
Конвергентными называются границы, на которых происходит столкновение плит. Возможно три варианта (Convergent plate boundary):
В редких случаях происходит надвигание океанической коры на континентальную — обдукция. Благодаря этому процессу возникли офиолиты Кипра, Новой Каледонии, Омана и другие.
В зонах субдукции поглощается океаническая кора, и тем самым компенсируется её появление в срединно-океанических хребтах. В них происходят исключительно сложные процессы взаимодействия коры и мантии. Так океаническая кора может затягивать в мантию блоки континентальной коры, которые по причине низкой плотности эксгумируются обратно в кору. Так возникают метаморфические комплексы сверхвысоких давлений, один из популярнейших объектов современных геологических исследований.
Большинство современных зон субдукции расположены по периферии Тихого океана, образуя тихоокеанское огненное кольцо. Процессы, идущие в зоне конвергенции плит, по праву считаются одними из самых сложных в геологии. В ней смешиваются блоки разного происхождения, образуя новую континентальную кору.
Активные континентальные окраины
Активная континентальная окраина
Активная континентальная окраина возникает там, где под континент погружается океаническая кора. Эталоном этой геодинамической обстановки считается западное побережье Южной Америки, её часто называют андийским типом континентальной окраины. Для активной континентальной окраины характерны многочисленные вулканы и вообще мощный магматизм. Расплавы имеют три компонента: океаническую кору, мантию над ней и низы континентальной коры.
Под активной континентальной окраиной происходит активное механическое взаимодействие океанической и континентальной плит. В зависимости от скорости, возраста и мощности океанической коры возможны несколько сценариев равновесия. Если плита двигается медленно и имеет относительно малую мощность, то континент соскабливает с неё осадочный чехол. Осадочные породы сминаются в интенсивные складки, метаморфизуются и становятся частью континентальной коры. Образующаяся при этом структура называется аккреционным клином. Если скорость погружающейся плиты высока, а осадочный чехол тонок, то океаническая кора стирает низ континента и вовлекает его в мантию.
Островные дуги — это цепочки вулканических островов над зоной субдукции, возникающие там, где океаническая плита погружается под другую океаническую плиту. В качестве типичных современных островных дуг можно назвать Алеутские, Курильские, Марианские острова, и многие другие архипелаги. Японские острова также часто называют островной дугой, но их фундамент очень древний и на самом деле они образованы несколькими разновременными комплексами островных дуг, так что Японские острова являются микроконтинентом.
Островные дуги образуются при столкновении двух океанических плит. При этом одна из плит оказывается снизу и поглощается в мантию. На верхней же плите образуются вулканы островной дуги. Выгнутая сторона островной дуги направлена в сторону поглощаемой плиты. С этой стороны находятся глубоководный жёлоб и преддуговый прогиб.
За островной дугой расположен задуговый бассейн (типичные примеры: Охотское море, Южно-Китайское море и т. д.), в котором также может происходить спрединг.
Столкновение континентальных плит приводит к смятию коры и образованию горных цепей. Примером коллизии является Альпийско-Гималайский горный пояс, образовавшийся в результате закрытия океана Тетис и столкновения с Евразийской плитой Индостана и Африки. В результате мощность коры значительно увеличивается, под Гималаями она составляет 70 км. Это неустойчивая структура, она интенсивно разрушается поверхностной и тектонической эрозией. В коре с резко увеличенной мощностью идёт выплавка гранитов из метаморфизованных осадочных и магматических пород. Так образовались крупнейшие батолиты, напр., Ангаро-Витимский и Зерендинский.
Там, где плиты двигаются параллельным курсом, но с разной скоростью, возникают трансформные разломы — грандиозные сдвиговые нарушения, широко распространённые в океанах и редкие на континентах.
В океанах трансформные разломы идут перпендикулярно срединно-океаническим хребтам (СОХ) и разбивают их на сегменты шириной в среднем 400 км. Между сегментами хребта находится активная часть трансформного разлома. На этом участке постоянно происходят землетрясения и горообразование, вокруг разлома формируются многочисленные оперяющие структуры — надвиги, складки и грабены. В результате в зоне разлома нередко обнажаются мантийные породы.
По обе стороны от сегментов СОХ находятся неактивные части трансформных разломов. Активных движений в них не происходит, но они чётко выражены в рельефе дна океанов линейными поднятиями с центральной депрессией.
Трансформные разломы формируют закономерную сетку и, очевидно, возникают не случайно, а в силу объективных физических причин. Совокупность данных численного моделирования, теплофизических экспериментов и геофизических наблюдений позволила выяснить, что мантийная конвекция имеет трёхмерную структуру. Кроме основного течения от СОХ, в конвективной ячейке за счёт остывания верхней части потока возникают продольные течения. Это остывшее вещество устремляется вниз вдоль основного направления течения мантии. В зонах этого второстепенного опускающегося потока и находятся трансформные разломы. Такая модель хорошо согласуется с данными о тепловом потоке: над трансформными разломами наблюдается его понижение.
Сдвиги на континентах
Сдвиговые границы плит на континентах встречаются относительно редко. Пожалуй, единственным ныне активным примером границы такого типа является разлом Сан-Андреас, отделяющий Северо-Американскую плиту от Тихоокеанской. 800-мильный разлом Сан-Андреас — один из самых сейсмоактивных районов планеты: в год плиты смещаются относительно друг друга на 0,6 см, землетрясения с магнитудой более 6 единиц происходят в среднем раз в 22 года. Город Сан-Франциско и большая часть района бухты Сан-Франциско построены в непосредственной близости от этого разлома.
Первые формулировки тектоники плит утверждали, что вулканизм и сейсмические явления сосредоточены по границам плит, но вскоре стало ясно, что и внутри плит идут специфические тектонические и магматические процессы, которые также были интерпретированы в рамках этой теории. Среди внутриплитных процессов особое место заняли явления долговременного базальтового магматизма в некоторых районах, так называемые горячие точки.
На дне океанов расположены многочисленные вулканические острова. Некоторые из них расположены в цепочках с последовательно изменяющимся возрастом. Классическим примером такой подводной гряды стал Гавайский подводный хребет. Он поднимается над поверхностью океана в виде Гавайских островов, от которых на северо-запад идёт цепочка подводных гор с непрерывно увеличивающимся возрастом, некоторые из которых, например, атолл Мидуэй, выходят на поверхность. На расстоянии порядка 3000 км от Гавайев цепь немного поворачивает на север и называется уже Императорским хребтом. Он прерывается в глубоководном жёлобе перед Алеутской островной дугой.
Для объяснения этой удивительной структуры было сделано предположение, что под Гавайскими островами находится горячая точка — место, где к поверхности поднимается горячий мантийный поток, который проплавляет двигающуюся над ним океаническую кору. Таких точек сейчас на Земле установлено множество. Мантийный поток, который их вызывает, был назван плюмом. В некоторых случаях предполагается исключительно глубокое происхождение вещества плюмов, вплоть до границы ядра — мантии.
Гипотеза горячих точек вызывает и возражения. Так, в своей монографии Сорохтин и Ушаков считают её несовместимой с моделью общей конвекции в мантии, и также указывают, что выделяющиеся магмы в гавайских вулканах как раз относятся к относительно холодным, и не свидетельствуют о повышенной температуре в астеносфере под разломом. « В этом отношении плодотворной является гипотеза Д. Таркота и Е. Оксбурга (1978), согласно которой литосферные плиты, перемещаясь по поверхности горячей мантии, вынуждены приспосабливаться к переменной кривизне эллипсоида вращения Земли. И хотя радиусы кривизны литосферных плит при этом меняются несущественно (всего на доли процента), их деформация вызывает в теле крупных плит появление избыточных напряжений растяжения или сдвига порядка сотен бар.»
Траппы и океанические плато
Кроме долговременных горячих точек, внутри плит иногда происходят грандиозные излияния расплавов, которые на континентах формируют траппы, а в океанах океанические плато. Особенность этого типа магматизма в том, что он происходит за короткое в геологическом смысле время — порядка нескольких миллионов лет, но захватывает огромные площади (десятки тысяч км²); при этом изливается колоссальный объём базальтов, сравнимый с их количеством, кристаллизующимся в срединно-океанических хребтах.
Известны сибирские траппы на Восточно-Сибирской платформе, траппы плоскогорья Декан на Индостанском континенте и многие другие. Причиной образования траппов также считаются горячие мантийные потоки, но, в отличие от горячих точек, они действуют кратковременно, и разница между ними не совсем ясна.
Горячие точки и траппы дали основания для создания так называемой плюмовой геотектоники, которая утверждает, что значительную роль в геодинамических процессах играет не только регулярная конвекция, но и плюмы. Плюмовая тектоника не противоречит тектонике плит, а дополняет её.