- 4.1. Основные положения тектоники плит.
- 4.2. Слабые стороны тектоники плит
- Глубинная геодинамика, или Как работает мантия Земли
- Скользящие по астеносфере
- По следу горячей точки
- Первопроходцы горячих полей
- Сейсмотомография – ключ к пониманию глубинных процессов
- Исландская горячая точка и дрейф Сибирского континента
4.1. Основные положения тектоники плит.
1. Первое положение тектоники плит касается особенностей строения верхней части Земли, которое определяется развитием двух отличных по реологическим свойствам оболочек – литосферы и астеносферы (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Оболочечное строение Земли.
Выделение литосферы и астеносферы производится по сейсмическим (характер изменения скоростей сейсмических волн) или магнитотеллурическим (степень сопротивления естественным электрическим токам) данным.
2. Второе положение отражает латеральную неоднородность литосферы, в которой выделяется ограниченное число тектонически обособленных блоков, именуемых литосферными плитами . Основанием для выделения плит послужило размещение очагов землетрясений, которое характеризуется резко выраженной неравномерностью (рис. 4.2).
Рис. 4.2. Размещение эпицентров землетрясений на поверхности Земли, по М. Баразанги и Дж. Дорману (1969).
Линейные зоны концентрации сейсмических очагов и явились границами плит, внутренние же части плит очень слабо сейсмичны (рис. 4.3.).
Рис. 4.3. . Литосферные плиты Земли.
В современной Земле выделяются 7 крупных (мега-) и разное количество средних (мезо-) и малых (мини-, микро-) плит. Неопределенность в выделении средних и малых плит связана с наличием поясов рассеянной сейсмичности в Евразии, Северной Америке, Африке (см. рис. 4.2 и рис. 4.4), а также крайне слабым проявлением или отсутствием сейсмичности на отдельных участках, которые считаются границами даже крупных плит (например, граница между Евразийской и Северо-Американской плитами в пределах северо-востока России или граница между Американскими плитами в Центральной Атлантике).
Рис. 4.4. Сейсмичность Внутренней Азии и западной части Альпийско-Гималайского складчатого пояса.
Крупными плитами являются (их границы и наименования, за редким исключением, не претерпели изменений с момента выделения в 1960-х гг.):
- Тихоокеанская;
- Евразийская (Евраазиатская);
- Северо-Американская;
- Южно-Американская;
- Антарктическая;
- Африканская;
- Индо-Австралийская (Австралийская).
Из средних и малых плит большая часть ученых выделяет следующие плиты (указаны в алфавитном порядке):
- Аравийская;
- Карибская;
- Кокос;
- Наска;
- Филиппинская;
- Хуан-де-Фука.
К ним иногда добавляются:
- Амурская;
- Анатолийская;
- Горда;
- Индокитайская;
- Индостанская;
- Каролинская;
- Китайская;
- Колымская;
- Охотская;
- Скотия;
- Сомалийская;
- Эгейская.
Положение некоторых из них отражено на Рис. 4.5.
Рис. 4.5. Карта литосферных плит Земли.
В поясах рассеянной сейсмичности в Северной Америке и Азии возможно выделение более десятка микроплит, которые, вероятно, являются не блоками литосферы (собственно литосферными плитами), а блоками земной коры (рис. 4.6).
Рис. 4.6. Плиты и микроплиты Внутренней Азии и части Альпийско-Гималайского пояса.
Происхождение микроплит обычно связывают с дроблением (торошением) крупных плит при их взаимодействии.
Отмеченная неопределенность в выделении некоторых средних и малых плит ни в коей мере не умаляет значение второго положения тектоники плит, т.к. границы крупных и указанных первыми средних и малых плит в большинстве случаев однозначно определяются по расположению очагов землетрясений (рис. 4.7).
Рис. 4.7. Расположение эпицентров землетрясений за 1990-2005 гг. (без контуров материков).
Литосферные плиты находятся в постоянном относительном движении по поверхности астеносферы, при этом основная тектоническая, сейсмическая и магматическая активность сосредоточена на их границах (рис. 4.8).
Рис. 4.8. Современные сейсмичность, вулканизм и границы плит.
3. Третье положение тектоники плит касается характера их взаимных перемещений. Различают три основных типа перемещения – раздвижение, сближение и сдвиг (горизонтальное скольжение) плит (рис. 4.9).
Рис. 4.9. . Основные типы перемещения литосферных плит.
Этим перемещениям соответствуют следующие типы границ:
а) дивергентные границы – вдоль них происходит раздвижение плит со скоростями до 18 см/год, этот геодинамический процесс называется спредингом (рис. 4.10);
Рис. 4.10. Дивергентные границы.
б) конвергентные границы – отражают сближение плит, которое может осуществляться несколькими способами:
— пододвиганием океанской плиты под континентальную или другую океанскую плиту, процесс субдукции (рис. 4.11);
Рис. 4.11. Конвергентные (субдукционные) границы.
— надвиганием океанской плиты на континентальную – обдукция (рис. 4.12);
Рис. 4.12. Надвигание океанской плиты на континентальную и проявление обдуцированных пластин в виде офиолитов.
— столкновением двух континентальных плит, при котором обычно происходит подвиг одной плиты под другую, данный процесс – коллизия (рис. 4.13);
Рис. 4.13. Конвергентные границы (столкновение и взаимодействие континентальных плит).
в) трансформные границы – происходит горизонтальное скольжение одной плиты относительно другой вдоль плоскости трансформного разлома (рис. 4.14).
Рис. 4.14. Трансформные границы.
Рис. 4.15. Расположение осевых частей срединно-океанских хребтов.
Здесь происходит непрерывное рождение новой океанской коры и литосферы, в связи с чем дивергентные границы именуются еще конструктивными (рис. 4.16).
Рис. 4.16. Новообразование океанской коры и литосферы в осевых зонах срединно-океанских хребтов.
Конвергентные границы выражены глубоководными желобами (субдукционные границы) и молодыми горно-складчатыми сооружениями (коллизионные границы); т.к. на этих границах происходит погружение в мантию океанских плит и их поглощение, то они иногда называются деструктивными (рис. 4.17).
Рис. 4.17. Расположение конвергентных границ.
Трансформные границы в сравнении с дивергентными и конвергентными границами играют подчинённую роль.
Все перечисленные границы плит сочленяются друг с другом (рис. 4.18).
Рис. 4.18. Границы плит, направления и скорости перемещения плит, центры современной сейсмической и вулканической активности.
Наиболее интересны в геодинамическом отношении так называемые тройные сочленения, где сходятся три границы, при этом они могут быть разного рода – оси спрединга, оси глубоководных желобов, трансформные разломы. Основные типы тройных сочленений показаны на рисунке 4.19.
Рис. 4.19. Главные типы трансформных разломов (I) и тройных сочленений (II).
4. Четвертое положение касается вопросов соотношения спрединга и субдукции, и изменения объема Земли. По этому положению, в первоначальной версии тектоники плит, площадь формирующейся в зонах спрединга океанской коры равна площади коры, поглощаемой в зонах субдукции, т.е. спрединг компенсируется субдукцией, следовательно, объём Земли остается постоянным. Это положение используется при проведении глобальных плитнотектонических расчетов и реконструкций (примеры которых приводятся в подглаве 4.3), в которых площадь поверхности Земли принимается постоянной.
В природных условиях движение плит начинается в осевых зонах срединно-океанских хребтов, откуда плиты “разъезжаются” в разные стороны ортогонально хребтам. Учитывая, что трансформные разломы характеризуются такой же ориентировкой (перпендикулярны срединно-океанским хребтам), то они могут рассматриваться в качестве “эйлеровых широт”.
Одним из способов определения местоположения полюса вращения (“эйлерова полюса”) является восстановление перпендикуляров к трансформным разломам, точка пересечения которых и будет отражать этот полюс (рис. 4.20 ).
Рис. 4.20. . Визуализация теоремы Эйлера и определение полюса вращения.
В настоящее время для каждой пары сопряженных плит определены координаты полюсов раскрытия (рис. 4.21).
Рис. 4.21. Глобальная кинематическая модель современного относительного движения литосферных плит.
Перемещение плит именно вдоль дуг окружностей и изменение скорости этого перемещения в зависимости от положения относительно полюса раскрытия накладывает некоторые ограничения при оценке движений геологического прошлого и очень широко используется при палеотектонических реконструкциях.
6. Шестое положение раскрывает причину движения плит. В первоначальной (классической) версии тектоники плит 1968 г. это была тепловая общемантийная конвекция. Над её восходящими ветвями располагаются осевые (рифтовые) зоны срединно-океанских хребтов (зоны спрединга или дивергентные границы), а нисходящие ветви контролируют положение зон субдукции; океанская литосфера движется от срединно-океанских хребтов к зонам субдукции, увлекаемая горизонтальными отрезками мантийных течений, подобно конвейеру (рис. 4.22).
Рис. 4.22. Кинематика литосферных плит.
Впоследствии модели мантийной конвекции были усложнены, наряду с тепловой конвекцией была признана высоковероятной химико-плотностная конвекция, также стали рассматриваться варианты мантийных течений на различных глубинных уровнях (см. пункт 2.2.3. Неоднородность и динамика мантии). Кроме этого, дополнительной движущей плиты силой была признана гравитация, которая может способствовать соскальзыванию литосферных плит по склонам срединно-океанских хребтов ввиду их значительного превышения над абиссальными равнинами , а также затягиванию плит в зоны субдукции на участках, где плотность плит начинает превышать плотность астеносферы (рис. 4.23).
Рис. 4.23. Вариации плотности вещества тектоносферы.
4.2. Слабые стороны тектоники плит
Основные тектоно-магматические процессы сосредоточены на границах плит (см., например, рис. 4.18), при этом отдельные внутренние части плит также могут отличаться развитием довольно значительных тектонических дислокаций и магматических проявлений.
Рис. 4.18. Границы плит, направления и скорости перемещения плит, центры современной сейсмической и вулканической активности.
Это свидетельствует о том, что литосферные плиты не являются монолитными и недеформируемыми, как постулировалось в первоначальном (классическом) варианте тектоники плит.
В общем, плюмы представляют собой всплывающее разогретое разуплотненное мантийное вещество, которое в отдельных случаях может “прожигать” литосферу и проявляться на её поверхности центрами магматической деятельности (“горячими точками” ), при этом проявляется магматизм преимущественно щелочно-базальтового состава, что служит указанием на значительную глубину формирования магм, вплоть до нижнемантийного уровня. В связи с перемещениями литосферных плит происходит смещение продуктов магматической деятельности, при этом активным в каждый момент времени является вулканический центр, расположенный непосредственно над плюмом, а в смещенных относительно плюма вулканических постройках процессы магматизма уже не проявляются (т.е. формируется линейная вулканическая зона, которая представляет собой след, оставляемый прохождением литосферной плиты над мантийной струей – плюмом, источник которого считается неподвижным относительно плит). Одним из наиболее ярких примеров вышесказанного является Гавайский плюм, породивший не только одноименные острова, но и Императорский хребет, изучение которых Дж. Вилсоном и Дж. Морганом и привело к появлению гипотезы “горячих точек” и “мантийных струй (плюмов)”. В пределах цепочки Гавайских островов активной в магматическом отношении является лишь её крайняя юго-восточная часть, где расположены широко известные современные вулканы Килауэа, Мауна-Лоа и Мауна-Кеа. В северо-западном направлении они сменяются островами с потухшими вулканами с последовательно увеличивающимся возрастом до 42-43 млн лет (эоцен). Далее Гавайские острова сменяются подводным Императорским хребтом, представленным цепью подводных вулканических возвышенностей в возрастном диапазоне до 78 млн лет (поздний мел) (рис. 4.24).
Рис. 4.24. Изменение возраста вулканов Гавайских островов и подводного Императорского хребта.
Такое закономерное изменение возраста вулканических центров связано с перемещением Тихоокеанской плиты над плюмом, положение которого вышеназванные авторы считали стационарным, а смену северо-западной ориентировки Императорского хребта на запад-северо-западное простирание Гавайских островов они усматривали в изменении направления движения Тихоокеанской плиты (рис. 4.25).
Рис. 4.25. Формирование Гавайского архипелага.
Современными исследователями выделяется около 50 горячих точек в океанах и на континентах (рис. 4.26), с большей частью которых связан вулканизм щелочно-базальтового состава.
Рис. 4.26. Расположение современных горячих точек.
Рис. 4.27. Сейсмотомографические разрезы Гавайского и Исландского плюмов.
Следующим очень важным вопросом является время начала проявления тектоники плит, т.к. первоначально она была ориентирована на объяснение происхождения современных океанов и тектонических движений последних 170-180 млн лет (такой возраст имеют древнейшие осадки в пределах современных океанов). А каков был основной механизм тектогенеза до этого времени?
Рис. 4.28. Один из вероятных механизмов формирования континентальной коры в архее.
: 29 Дек 2011 , Семь веков российской истории , том 42,
№6
Глубинная геодинамика, или Как работает мантия Земли
В геологии за последние полвека произошли кардинальные изменения во взглядах на внутреннее строение и механизмы геологической эволюции нашей планеты. Благодаря успехам сейсмической томографии в глубинах Земли обнаружены две огромные области более горячей материи, простирающиеся до самого ядра планеты. Интересно, что их проекции на поверхность практически совпали с так называемыми горячими полями мантии, которые были выделены советскими геологами еще тридцать лет назад по косвенным данным. Сделанные открытия легли в основу концепции глубинной геодинамики, которая связала явления, происходившие на поверхности Земли, с процессами во внутренних оболочках планеты. В рамках этой концепции стало возможным не только понять причины неоднократного образования и разрушения суперконтинентов (как пример в настоящей статье дана реконструкция дрейфа Сибирского континента за последние полмиллиарда лет), но и предсказывать события, способные изменить карту материков и океанов в будущем
Геология как наука, в рамках которой стало возможно проводить экспериментальные исследования, предсказывать причины и проявления геологических, особенно глубинных, процессов, определять возраст различных минералов, пород и геологических структур, оформилась только в XX в. И это несмотря на то, что использование определенных минеральных образований было неотъемлемой частью культуры и хозяйственной деятельности человека с начала его существования. Обобщение разрозненных сведений было выполнено только в 30-х годах XIX в. выдающимся британским геологом Ч. Лайелем в фундаментальном труде «Основы геологии» (Lyell, 1830—1833). В нем были сформулированы основные положения об актуализме и униформизме, которые явились первой парадигмой геологии. С этого времени геология стала развиваться в рамках «нормальной науки» (в понятии Т. Куна).
Однако понадобилось много времени, крупные открытия в сопряженных науках, чтобы геология начала отражать Землю в полном объеме с учетом взаимодействия глубинных, эндогенных процессов с поверхностными процессами. Хочется напомнить, что еще в начале XX в. геологи были убеждены, что возраст Земли составляет всего 20—100 млн лет, и только открытие радиоактивности, позволившее определять возраст минералов и горных пород, дало инструмент, с помощью которого удалось показать, что возраст нашей планеты составляет около 4,5 млрд лет.
Скользящие по астеносфере
Для развития геологической науки большое значение имели полученные в прошлом столетии данные о строении Земли. Особо важным стало выделение литосферы, в которую включена земная кора. Литосфера характеризуется большой прочностью в отличие от подстилающей ее астеносферы, в которой имеется частично расплавленное вещество, в связи с чем в ней могут возникать конвективные потоки. Но все возможные разрывы, а соответственно, глубинные и поверхностные землетрясения, регистрируются именно в литосфере.
Почти половина массы Земли состоит из Mg-перовскита, который устойчив в широком интервале давлений. Это основной минерал нижней мантии.Наиболее важным геологическим открытием XXI в. стало обнаружение в D«-слое, разделяющем нижнюю мантию и ядро, фазы постперовскита. Этот минерал имеет тот же химический состав, но на 2 % более высокую плотность, чем перовскит. Фазовый переход перовскита в постперовскит влечет за собой повышение температуры на 50°C. Это, очевидно, и вызывает тепловую конвекцию, приводящую к подъему мантийного вещества от слоя D« в верхи мантии
Три десятилетия назад в подошве мантии (внутренней оболочки) был открыт сравнительно узкий, имеющий мощность 150—350 км, слой D«, характеризующийся резким градиентом температуры: примерно от 4000° в подошве до 3000° на верхней границе. Этот слой имеет большое значение, так как до него доходят отдельные куски погружающейся в мантию литосферы и оттуда же начинается подъем глубинного мантийного вещества к поверхности Земли, о чем будет подробнее сказано ниже.
Крупные открытия, сделанные во второй половине прошлого столетия, привели к более полному пониманию особенностей строения и развития нашей планеты, но главное – была сформулирована концепция тектоники литосферных плит. В 1961 г. англичанин Р. Дитц и американец Г. Хесс, анализируя батиметрическую карту дна океанов, пришли к выводу, что срединно-океанические хребты, возвышающиеся над абиссальными долинами на 1—2 км, приурочены к центральным частям океанов. Наиболее хорошо это видно в Атлантическом океане, где подобный хребет прослеживается вдоль осевой зоны новообразованной коры океанического дна. Процесс разрастания океанического ложа они назвали «sea flow spreading» (растекание океанического дна). Образование новой коры происходит в центральных (рифтовых) структурах срединно-океанических хребтов.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КОНЦЕПЦИИ ТЕКТОНИКИ ПЛИТ
• Две внешние оболочки Земли – литосфера и астеносфера – взаимодействуют.
• Вещество астеносферы способно к течению, в связи с чем в ней может возникать конвекция, поддерживаемая энергией из внутренних оболочек Земли.
• Литосфера представляет собой внешнюю твердокаменную оболочку Земли, пассивно реагирующую на процессы, протекающие в астеносфере. Она рассечена узкими поясами деформации – зонами, характеризующимися высокой тектонической (в частности, сейсмической) и магматической активностью: рифтовыми срединно-океаническими хребтами и зонами субдукции. Эти зоны «разбивают» литосферу на ряд жестких литосферных плит, которые под действием сил вязкого трения, вызванных конвективными (или иными) потоками в астеносфере, перемещаются относительно друг друга
Американцы Ф. Вайн и М. Мэтьюз (1963) подтвердили спрединг наличием полосовых магнитных аномалий, образование которых определяется намагниченностью пород океанической коры в соответствии с современной им полярностью планетного магнитного поля. Полярность периодически меняется во времени с прямой (современная полярность) на обратную.
В1965 г. канадский геофизик Дж. Уилсон выделил особый тип разломов – трансформных. Их образование связано с горизонтальным перемещением океанической литосферы в стороны от срединно-океанического хребта. В. Морган и ряд других исследователей (1968) показали существенные различия глубинных геофизических структур срединных океанических хребтов и зон островных дуг. Для последних характерен поддвиг – опускание океанической литосферы в мантию до глубин около 600 км. Этот процесс был назван субдукцией.
Принципиальное отличие горячих точек от литосферных плит заключается в том, что перемещаются именно плиты, поэтому они занимают на поверхности Земли разную позицию в разное время, а горячие точки, напротив, долгое время сохраняют свое положение относительно абсолютной системы географических координат
После окончательного формулирования в 1968 г. основных положений тектоники плит, объясняющей современную динамику Земли, эта теория сразу же завоевала признание большинства ученых мира. Так, уже в 1971 г. более трети статей по геологии, опубликованных в журнале Nature, было посвящено соответствующей тематике – предложенная концепция дала возможность объяснить большую часть современных эндогенных процессов. В скором времени положения тектоники плит были применены к расшифровке истории формирования горно-складчатых поясов, при этом многие геологи считали, что новая концепция позволяет решить большую часть проблем, связанных с эволюцией Земли.
По следу горячей точки
Еще в 1963 г., когда только создавались основы тектоники плит, Т. Уилсон (Wilson, 1963) обратил внимание на действующие вулканы, которые располагаются внутри океанических плит и образуют вулканические цепи, ориентированные противоположно по отношению к вектору перемещения океанической плиты. Было сделано предположение, что вулканические цепи связаны с горячими точками мантии, прожигающими литосферу по мере ее прохождения над ними. Принципиальным отличием горячих точек от литосферных плит является то, что литосферные плиты перемещаются по астеносфере и поэтому занимают на поверхности Земли разную географическую позицию в разное время, горячие же точки долгое время сохраняют свое положение относительно абсолютной системы географических координат, тождественной современной.
К началу 70-х годов гипотеза горячих точек была принята многими исследователями. Предполагалось, что горячие точки представляют собой геохимические аномалии, так как магматические породы из таких точек (по сравнению с базальтами срединно-океанических хребтов) обогащены многими рассеянными химическими элементами. Сторонники этой концепции считали, что магматические породы, сформированные горячими точками, связаны с «пятнами» разогретой астеносферы, которые неподвижны и в свою очередь питаются мантийными плюмами – струями, поднимающимися из глубин нижней мантии, возможно от границы «ядро – мантия». В целом представления о горячих точках предполагали наличие узких (порядка 150 км в поперечнике) мантийных струй (или столбов), которые пронизывают всю толщу мантии, оставаясь неподвижными на протяжении десятков миллионов лет.
Внутри литосферной плиты, которая стоит над «пятном» разогретой мантии, формируется вулкан; при смещении плиты относительно горячей точки над ней образуется новый вулкан, а в итоге – цепь потухших вулканов, которые фактически трассируют след, прожигаемый горячей точкой на плите.
Внутриплитовые магматические породы образуют ассоциации пород повышенной щелочности, которые включают в первую очередь базальты, обогащенные литофильными химическими элементами, более свой-ственные породам коры и не характерные для верхней мантии.
В океанах внутриплитовый магматизм представлен главным образом базальтами океанических плато и островов, которые выделяются в особый геохимический тип базальтов – OIB (ocean island basalt, базальты океанических островов). К их составу близки базальты трапповых провинций, ярким примером которых являются Сибирские траппы.
В пределах континентов элементный состав пород внутриплитовых ассоциаций намного разнообразней, однако между составами базальтов океанических островов и базальтов внутриконтинентальных горячих точек отмечается большое сходство благодаря их соответствию OIB-типу
В этом отношении впечатляющим примером служит Гавайская горячая точка, с которой связано возникновение Гавайско-Императорского хребта, существующего почти 100 млн лет. Эту точку использовали многие исследователи для реконструкции перемещений Тихоокеанской плиты. Следует отметить, что реконструкции по Гавайской точке полностью совпадают с реконструкцией движения Тихоокеанской плиты, восстановленной по полосовым магнитным аномалиям.
Однако ряд исследователей, например (Runcorn, 1980), указывали, что геологические и физико-химические параметры мантии делают маловероятным существование плюмовых столбов. Была выдвинута концепция мембранной тектоники (Turcotte, 1974), согласно которой жесткие литосферные плиты, перемещаясь по эллиптической поверхности Земли, проходят через участки с различным радиусом кривизны, в результате чего в плитах возникают глубокие трещины, которые заполняются базальтовой выплавкой. Особенности состава мантийных выплавок объяснялись только разной глубиной образования магматических расплавов. У нас в стране такое объяснение горячих точек горячо поддерживалось О. Г. Сорохтиным (1979). Однако все эти гипотезы не предполагали наличия каких-либо глубинных структур Земли, влияющих на геологические процессы в верхних оболочках.
Первопроходцы горячих полей
К 1980 г. внутриплитовая магматическая активность была установлена как в океанах (вулканические острова и плато), так и на континентах, где о ее проявлениях свидетельствовали большие геохимические отличия по сравнению с породами, связанными с границами плит. При этом для отдельных горячих точек детально исследовались связанные с ними внутриплитовые магматические породы, особенности их состава и т. п.
Однако работ по анализу общих взаимосвязей горячих точек (как глубинных образований) и поверхностных геологических структур не было. Чтобы восполнить этот пробел в знаниях, видный советский геолог Л. П. Зоненшайн предложил автору этой статьи М. И. Кузьмину рассмотреть данную проблему. Подход был исключительно простым – найти чисто географические закономерности распределения на земной поверхности продуктов внутриплитового магматизма. При этом во внимание были приняты лишь объекты, имеющие сравнительно небольшой (0—15 млн лет) возраст, чтобы возможный дрейф континентов не вносил больших искажений.
Из полученной в результате карты распределения горячих точек следует, что существуют четыре области распространения современного внутриплитового магматизма: две больших – Тихоокеанская и Африканская и две малых – Центрально-Азиатская и Тасманская. Наиболее крупные из них достигают 10 000 км в поперечнике (Африканская и Тихоокеанская). Их размеры сопоставимы с размерами главных литосферных плит, однако контуры областей не совпадают с границами этих плит.
Результаты были опубликованы в статье «Внутриплитовый магматизм и его значение для понимания процессов в мантии Земли» (Зоненшайн, Кузьмин, 1983), а области распространения внутриплитового магматизма были названы горячими полями Земли. Было отмечено, что горячие поля Земли совпадают с крупными положительными аномалиями в рельефе, а также положительными отклонениями формы геоида. Судя по геохимическим особенностям внутриплитовых магматических пород, этим областям отвечают аномалии вещественного состава, по-видимому, связанные с нижней мантией. Последний вывод следует из того, что породы, образующиеся в океанических рифтовых зонах (т. е. на краях плит), являются продуктами плавления верхней, сильно истощенной в геохимическом отношении, мантии – и поэтому имеют очень низкое содержание всех литофильных химических элементов.
Таким образом, выделенные горячие поля мантии Земли можно было представить как области, в которых происходит подъем вещества и энергии нижней мантии к поверхности планеты, а располагающиеся между ними холодные поля (связанные с зонами субдукции литосферных плит) – как зоны, в которых вещество опускается в низы мантии. В совокупности эти процессы вырисовывали согласованную систему конвекционных течений в мантии.
Если процессы, связанные с верхними оболочками, можно было описать в рамках тектоники литосферных плит, то обнаружение горячих полей позволило говорить о том, что конвективные явления имеют более глубинную природу. Иными словами, полученные результаты позволили впервые высказать представления о взаимосвязи процессов в нижней и верхней мантии.
Узкие мантийные струи, с которыми связаны горячие точки, могли представлять собой плюмы, отходящие от границы раздела нижней и верхней мантии, куда подходит разогретое вещество нижней мантии. Именно они порождают внутриплитовый магматизм и создают систему горячих точек. Неподвижность отдельных горячих точек относительно мигрирующих над ними литосферных плит определяется фиксированным положением горячих полей в глубинных горизонтах Земли, которое оставалось неизменным в течение как минимум 150 млн лет (Геотектоника, 1983). Заметим, что все эти выводы были сформулированы до появления сейсмотомографии, позволившей геологам понять внутреннюю структуру мантии во всем ее объеме.
Большую работу по пропаганде в Советском Союзе идей тектоники плит проделал замечательный геолог – член-корреспондент РАН Лев Павлович Зоненшайн (1929—1993). Он был инициатором перевода на русский язык фундаментальных работ по тектонике плит, которые и определили принятие этой парадигмы российским геологическим сообществом. Во многих регионах Советского Союза Зоненшайн создал научные творческие коллективы, задачей которых являлось переосмысление геологических данных с новых позиций. Наконец, он привлек специалиста по петрологии и геохимии магматических пород различных типов активных зон Земли (М. И. Кузьмина) и специалиста по металлогении и ранним (докембрийским) периодам развития Земли (В. М. Моралева) к написанию монографии «Новая глобальная тектоника, магматизм и металлогения». Эта книга вышла в свет в 1976 г. и стала настольной книгой для многих российских геологов, стремившихся изучить основы тектоники плит. Кроме того, он со своими коллегами-друзьями М. И. Кузьминым и Л. М. Натаповым подготовил монографию «Тектоника плит территории СССР» (вышедшую в издательстве «Недра» в 1990 г. и через год изданную за рубежом), ставшую фактически пояснительной запиской к геодинамической карте СССР.
Уже в начале 90-х годов Л. П. Зоненшайн понимал, что геология стоит перед переходом к глубинной геодинамике, охватывающей процессы в объеме всей Земли. В обращении к третьему международному совещанию по тектонике плит в Звенигороде 25 октября 1991 г. перед сложнейшей операцией он писал: «Назревает новая революция, она рождает новую науку, ее можно было бы назвать ГЛУБИННОЙ ГЕОДИНАМИКОЙ. Тектоника плит входит в нее лишь составной частью. Имеются в виду процессы в нижней мантии и на границе ядро – мантия (многие пионерские работы в этом направлении делались и в нашей стране, и об этом надо помнить)».
В тот же день Лев Павлович написал М. И. Кузьмину: «Как мы можем развивать хоть что-то подобное на создание общей теории (глубинной геодинамики) у нас в стране». Он считал, что необходимо развивать следующие направления в геологии: «(1) взаимодействие внешнее ядро – мантия, (2) слой D« и его геодинамика, (3) обмен и потоки вещества ядро – нижняя мантия – верхняя мантия, (4) глубинная геохимия и geochemical signature (особенности геохимии мантии), (5) историческая геохимия и историческая геодинамика, начиная с аккреции Земли до сегодня. Совсем не упомянул внутреннее ядро, ничего почти не знаем о нем, а может быть, outer – inner core interactions (взаимодействие внешнего и внутреннего ядра) – главное?».
В конце письма он писал: «Уверен, что международное научное сообщество с этими задачами справится, а мы выпадаем. Большая просьба как-то все же действовать, чтобы моя уверенность (в смысле нашего выпадения) оказалась напрасной»
К сожалению, информация о горячих полях мантии Земли так и не дошла до мирового геологического сообщества. Англоязычная версия статьи была подготовлена во время пребывания авторов в океанической экспедиции на Цейлоне и отправлена почтой в редакцию журнала Earth Planetary Science Letters, но до адресата не дошла. Полноценной копии не было, начались работы над другими задачами. Отсутствие подготовленной аудитории привело к тому, что эта идея на какое-то время была забыта.
Сейсмотомография – ключ к пониманию глубинных процессов
В 70—80-х годах прошлого столетия в результате совершенствования вычислительной техники и роста количества исследований по сейсмологии большое развитие получила сейсмотомография. На основе анализа скоростей прохождения сейсмических волн через тело Земли в ее мантии выделены крупные объемы, имеющие разные скорости прохождения этих волн. Благодаря этому факту и работе многих исследователей были сделаны очень важные выводы.
На Земле существуют две большие «низкоскоростные» провинции: Африканская и Тихоокеанская, которые в настоящее время также названы суперплюмами, так как данные сейсмотомографии показывают, что «низкоскоростное» мантийное вещество прослеживается от слоя D« до верхов мантии. Следует заметить, что проекции этих мантийных провинций на поверхности Земли совпадают с выделенными ранее горячими полями мантии Земли.
В отличие от них высокоскоростные мантийные провинции ассоциируются с холодными областями, которые характеризуются опусканием и поглощением литосферных плит мантией в зонах субдукции. Субдуцированная (поглощаемая) литосфера частично остается на границе верхней и нижней мантии, а частично погружается до слоя D«, расположенного на границе «ядро – мантия». Этот процесс формирует общемантийную конвекцию: «холодное» субдуцированное вещество в виде нисходящих потоков погружается в глубь мантии Земли, компенсирующий подъем горячей мантии происходит в виде мантийных плюмов. Погрузившееся в слой D« вещество литосферы под влиянием энергии, поступающей от ядра, формирует частично расплавленные массы (Kearey et al., 2009), которые являются зародышами поднимающихся к поверхности Земли горячих плюмов.
Горячая мантия суперплюмов в виде огромного облака поднимается через нижнюю мантию, распадаясь на ряд изолированных плюмов, которые образуют скопления горячих точек в верхней мантии в литосфере. Сопряженность восходящих и нисходящих потоков в мантии позволила предполагать тесную связь между процессами глубинной геодинамики, которым отвечают мантийные плюмы, и тектоникой плит.
Наиболее убедительным аргументом связи тектоники плит и тектоники плюмов является взаимосвязь процессов образования суперконтинентов и суперплюмов в единых суперконтинентальных циклах. В настоящее время установлено, что в процессе эволюции Земли возникали суперконтиненты, объединяющие практически все континентальные массы Земли. В дальнейшем они разрушались под действием суперплюмов, и движения отдельных континентов становились центробежными. Исследователи предполагают, что в разное время на нашей планете существовали как минимум четыре суперконтинента (Кенорленд, Колумбия, Родиния и Пангея), которые в дальнейшем разбивались зародившимися под ними суперплюмами.
Суперконтинент Родиния сформировался около 1 млрд лет назад и начал распадаться спустя примерно 250 млн лет под воздействием расположенного под ним Родинийского суперплюма. Предполагается, что одновременно с Родинийским существовал антиподальный ему суперплюм, расположенный в океане в противостоящем Родинии секторе Земли. После распада Родинии составляющие ее континенты, в том числе и Сибирь, могли переместиться в соответствующие области позднерифейского океана.
Попытка решения задачи абсолютных геореконструкций была предпринята в работе, опубликованной в журнале Earth-Science Review (Kuzmin et al., 2010). Полученные результаты позволили ответить на ряд вопросов, связанных с оценкой роли плюмов в геологической истории Земли и особенно с пониманием места горячих полей мантии Земли среди движущих механизмов ее развития.
Исландская горячая точка и дрейф Сибирского континента
Для того чтобы понять историю формирования Сибири в фанерозое, авторами были выполнены палеогеодинамические реконструкции. Для определения широтного положения геологических объектов в геологическом прошлом одним из ключевых является палеомагнитный метод. Для определения долготного положения требуются дополнительные построения.
При интерпретации установленных палеомагнитным методом данных был сделан вывод, что после распада Родинии Сибирь была выдворена за пределы суперконтинента и попала под влияние суперплюма, антиподального Родинийскому. Именно с этим суперплюмом, по-видимому, большую часть фанерозоя взаимодействовал Сибирский континент. Но для того, чтобы выполнить соответствующие абсолютные (т. е. привязанные к современной сетке географических координат) палеореконструкции, необходимо было определить положение проекции этого суперплюма на земной поверхности или, что то же самое, отвечающее ему горячее поле мантии.
Было принято решение использовать для этого Исландскую горячую точку, имеющую неизменное географическое положение в длительном интервале геологического времени. Так, судя по следу, оставленному этим плюмом в литосфере Сибири, Северной Америки и Северной Атлантики, он однозначно существует уже как минимум 150 млн лет. Кроме того, ряд исследователей считает, что 250 млн лет тому назад он же определил формирование Сибирской трапповой провинции. Действительно, пермо-триасовая палеоширота Сибирских траппов (62° ± 7°) приблизительно соответствует современной географической широте Исландии (65° ± 2°). Кроме того, данные по элементному составу относимых к Исландской горячей точке базальтов Западно-Сибирской рифтовой системы, Сибирских траппов, базальтов Арктического бассейна, Восточной Гренландии и Исландии свидетельствуют об изотопно-геохимических связях этих проявлений мантийного магматизма. Так, соотношение изотопов Sr и Nd в этих разновозрастных базальтах образует единый тренд в интервале времени от 300 млн лет назад до современности (Kuzmin et al., 2010).
Все эти сопоставления позволяют говорить о том, что северная граница Африканского горячего поля (суперплюма), фиксируемая Исландской горячей точкой, уже существовала к рубежу 250 млн лет. Была освещена и более ранняя страница в его истории: в статье (Torsvik et al., 2008) показано, что большая изверженная провинция с центром в Скагерракском грабене (Северное море), охватывающая огромную территорию от Англии до Германии и Швеции, существовала около 300 млн лет назад. В то время ее центр располагался в краевой части Африканского горячего поля, а именно вблизи его экваториальной зоны. В соответствии с этими данными, тогдашние контуры Африканской мантийной провинции были близки к современным.
ВНУТРИПЛИТОВЫЙ МАГМАТИЗМ СИБИРСКОЙ ЧАСТИ АЗИАТСКОГО КОНТИНЕНТА
В разных областях Сибири обнаружены многочисленные позднерифейские и венд-кембрийские офиолитовые и островодужные комплексы, в которых содержатся породы, отвечающие базальтам типа OIB, характерные для океанических плато или океанических островов. Из этого следует, что в океане, окружавшем Сибирский континент, около 600 млн лет назад существовали океанические острова, образованные горячими точками. Такие же горячие точки воздействовали и на сам континент, в результате чего в его пределах сформировался ряд областей внутриплитного магматизма. Практически весь фанерозой, вплоть до самого последнего времени (> 25 млн лет), континент и его ближайшее океаническое окружение находились под влиянием горячего мантийного поля – суперплюма (Ярмолюк и др., 2006; Kuzmin et al., 2010; Кузьмин и др., 2011).
Так, после распада Родинии наиболее раннее взаимодействие литосферы Сибирского континента с мантийными плюмами пришлось на ранний и средний палеозой и привело к образованию двух крупных магматических провинций – Алтае-Саянской и Вилюйской. В первой неоднократно происходило образование комплексов щелочных магматических пород, свойственных мантийным плюмам. Расцвет внутриплитной активности в области был сопряжен с образованием системы грабенов (или рифтов), возникшей над крупным мантийным плюмом. Их образование сопровождалось крупномасштабными излияниями базальтовых лав, в том числе типа OIB. Другая изверженная провинция сформировалась в виде 3-лучевой системы рифтовых зон, одна ветвь которой представлена Вилюйским рифтом, а две другие ветви – краевыми расколами, определившими восточную (в современных географических координатах) границу палеоконтинента. По каждой из этих областей было сформировано не менее 105 км3 изверженных пород, сформированных в узком (продолжительностью 20—30 млн лет) интервале, что позволяет отнести их к разряду крупнейших изверженных провинций. В среднем девоне магматическая активность резко сократилась.
Следующая эпоха активного взаимодействия Сибири с мантийными плюмами пришлась на интервал 320—190 млн лет назад. В это время в ее пределах возникло несколько крупных магматических провинций.
Одна из них – Баргузинская – охватывает территорию более 2•105 км2 и характеризуется зональным строением: периферию образуют рифтовые зоны, а в центре располагается Ангаро-Витимский гранитоидный батолит. Предполагается, к его образованию привело масштабное плавление коры из-за теплового воздействия базальтовых магм. Т. е. эта центральная зона является примером формирования внутриплитовых гранитоидных пород под воздействием мантийного плюма.
Важнейшим событием конца позднего палеозоя на Северо-Азиатском континенте стало образование гигантской магматической провинции, объединяющей трапповую область Сибирской платформы и рифтовую систему Западной Сибири. Наиболее интенсивное их формирование, по оценкам, происходило в очень узком (3 млн лет) интервале времени. Вулканизм был связан с грабенами Западно-Сибирской рифтовой системы, которые прослеживаются через всю Западно-Сибирскую низменность от ее южной границы до акватории Ледовитого океана, имея протяженность более 1500 км.
В этот же период внутриплитовым магматизмом было охвачено и южное складчатое обрамление Сибири. Здесь сформировались траппы Тарима и сопряженная с ними система субпараллельных рифтовых зон в пределах Монголии: Гоби-Тяньшаньская и Главного Монгольского линиамента (разлома). Прогрессивному смещению центров плюмовой магматической активности в глубь Сибирского континента отвечают две другие рифтовые системы: Гоби-Алтайская и Северо-Монгольская. Одновременно со становлением последних двух зон между ними возник Хангайский гранитоидный батолит, формирование которого также связывается с плавлением коры под воздействием внутриплитных источников тепла. Становление рифтовой системы Центральной Азии завершилось образованием зонального Монголо-Забайкальского магматического ареала в раннем мезозое.
К рубежу 190 млн лет внутриплитовая активность резко сократилась, обозначив окончание соответствующей эпохи внутриплитового магматизма. Однако воздействие мантийных плюмов на литосферу Сибирского палеоконтинента возобновилось в позднем мезозое, когда в пределах Центрально-Азиатского обрамления Сибирской платформы образовался ряд рифтовых областей. Расцвет тектонической и магматической активности пришелся на начало раннего мела. Последующий этап характеризовался постепенно затухающей магматической активностью: в ряде областей в это время формировались отдельные небольшие по размерам лавовые поля и щитовые вулканы.
Новая вспышка внутриплитной активности пришлась на позднекайнозойскую эпоху (< 25 млн лет), охватив территорию Центральной и Восточной Азии. В это время сформировались новые вулканические области: Южно-Байкальская и другие, что было связано с зарождением серии новых горячих точек
Учитывая меридиональную вытянутость Африканского горячего поля и ее географическую стабильность, зафиксированную Исландской горячей точкой за последние 250 млн лет, было сделано предположение, что перемещения Сибири по широте в фанерозое были ограничены рамками этого поля. Соответственно, меридиональные границы Африканского суперплюма (между 10° з. д. и 70° в. д.) были приняты за рамки, в пределах которых Сибирь меняла долготную позицию. При этом ее широтные перемещения были существенно более значительны, что следует из данных многих авторов, обобщение которых сделал геофизик В. А. Кравчинский (Кузьмин и др., 2011 а). На основании этих реконструкций была составлена схема дрейфа Сибирского континента, начиная от 570 млн лет назад до современности.