Тектоническая карта земли

Действительно ли Земля – единственная из известных нам планет с тектоникой плит?

Время на прочтение

Если две плиты на Земле расходятся в разные стороны, то на их границе образуется новая кора. Если же они сходятся вместе, то кора в этом месте разрушается, когда одна плита заезжает под другую. Бывает ещё, что кора трансформируется, когда плиты скользят горизонтально друг мимо друга

Без тектоники плит наша планета была бы совсем другой. Постоянные перемены в земной коре обеспечивают нам стабильный климат, дают месторождения минералов и нефти, а также океаны с поддерживающим жизнь балансом химических веществ. Они даже дают толчок эволюции каждые несколько сотен миллионов лет.

Откуда же взялась тектоника земных плит? Модели показывают, что для того, чтобы тектоника плит начала работать, планета должна быть подходящего размера. Если она получится слишком маленькой, то её литосфера — твёрдая часть коры и верхней мантии — будет слишком толстой. Слишком большой — и её мощное гравитационное поле сожмёт все плиты вместе, крепко удерживая и не давая двигаться. Условия также должны быть оптимальными: породы, из которых состоит планета, должны быть не слишком горячими, не слишком холодными, не слишком влажными и не слишком сухими.

Но даже если эти условия соблюдены, есть ещё один решающий фактор, который необходимо учитывать. Каким-то образом литосфера должна расколоться так, чтобы один кусок погрузился под другой. Сегодня мы наблюдаем этот процесс, известный как «субдукция», на границе многих океанических бассейнов, когда холодное, плотное океаническое дно скользит, заходя под более плавучую континентальную кору, и погружается в мантию.

Озеро Байкал. Площадь водной поверхности Байкала — 31 722 км2 (без учёта островов), что примерно равно площади таких стран, как Бельгия или Нидерланды. По площади водного зеркала Байкал занимает седьмое место среди крупнейших озёр мира. Озеро находится в своеобразной котловине, со всех сторон окружённой горными хребтами и сопками. Байкал — самое глубокое озеро на Земле, 1642 м. Оно находится в самой глубокой из известных на Земле континентальных рифтовых долин, образовавшихся в результате раздвижения тектонических плит

Однако ранняя Земля была намного теплее, чем сегодня, и вместо хрупкой внешней коры её покрывала липкая масса, в которой должны были появиться первые трещины. Многочисленные компьютерные модели пытались смоделировать условия, в которых спонтанно произошёл бы разлом коры, но пока все они потерпели неудачу.

Первую дыру мог проделать мантийный плюм (горячий мантийный поток, двигающийся от основания мантии у ядра Земли независимо от конвективных течений в мантии), прорвавшийся снизу. Или, возможно, толчком послужил астероид или комета, которая при ударе пробила липкий поверхностный слой и запустила цепь событий, приведших к появлению первых движущихся плит.

Ещё одна неясность заключается в том, когда именно это могло произойти. В океанической коре можно нарыть очень мало исторической информации, потому что большая её часть недостаточно древняя — океаническая кора обычно разрушается в зонах субдукции всего через 200 миллионов лет после образования океанического хребта. Тем не менее, свидетельства океанической коры, которая избежала субдукции, дают подсказки. Офиолиты — это обломки древней океанической коры, которые наползли на континентальную кору в зоне субдукции, а не оказались под ней. Недавнее исследование датировало образец кандидата в офиолиты в Гренландии возрастом в 3,8 миллиарда лет — это самая древняя датировка, связанная с тектоникой плит.

Распад суперконтинента Гондвана, который в своё время был большой частью Пангеи, на более мелкие континенты — Южную Америку, Антарктиду, Африку, Австралию, а также компоненты других узнаваемых континентов, таких как Аравия и Индия

Какой бы ни была точная дата начала тектонических процессов, с тех пор они формируют и изменяют форму поверхности нашей планеты. В ходе этого процесса происходит круговорот воды, углерода и азота, что создаёт среду, идеально подходящую для жизни. Он также привёл к образованию многих месторождений нефти, газа и минералов, которые мы находим на Земле: всё благодаря давлению и запеканию горных пород до нужной степени. Вулканы, извергающие в атмосферу углекислый газ, и ползающие тектонические плиты вместе поддерживают климат, пригодный для жизни.

Движение плит также заставляет контуры океанов меняться, горы подниматься и опускаться, а континенты собираться вместе и расходиться. Каждые 500-700 миллионов лет тектоника плит объединяет континенты, образуя суперконтинент. Последний из них, Пангея, существовал 250 миллионов лет назад, и примерно через 250 миллионов лет континенты снова столкнутся друг с другом.

Когда эти суперконтиненты медленно распадаются, разделяя суши и образуя мелкие моря, эволюция идёт полным ходом, образуя бесчисленное множество новых видов, которые заселяют новые места обитания.

В конце концов, литосфера застынет, поскольку Земля остынет и конвекционные потоки в мантии станут слишком слабыми, чтобы толкать плиты. Никто точно не знает, сколько ещё осталось тектонике плит, и остановится ли она до того, как наша планета будет поглощена Солнцем. Но давайте не будем слишком беспокоиться об этом: к тому времени, когда это произойдёт, люди, скорее всего, станут далёким воспоминанием в жизни планеты.

На Земле тектоника плит создаёт горы, вызывает цунами и формирует вулканы. Перефразируя слова покойного эволюционного биолога Теодосия Добжанского, можно сказать, что ничто на поверхности Земли не имеет смысла, если не рассматривать этот процесс. И в этом отношении наш дом, похоже, уникален. Конечно, другие планеты геологически активны, но нам ещё предстоит найти подобную Земле систему тектоники плит в других местах Вселенной.

Томас Уоттерс, старший научный сотрудник Национального музея авиации и космонавтики в Вашингтоне, занимается тектоникой планет. Он говорит, что в то время как на Земле есть, по меньшей мере, 15 движущихся плит, все свидетельства указывают на то, что Меркурий является одноплитной планетой.

Это означает, что на поверхности Меркурия не могут происходить тектонические процессы в том виде, в котором они нам знакомы. На Земле отдельные плиты расходятся, сталкиваются лоб в лоб или трутся друг о друга. На Меркурии мы не видим таких явлений, потому что у планеты только одна плита. Тем не менее, кора планеты не совсем инертна. Глубоко под поверхностью внутренние слои Меркурия остывают. Падение температуры под поверхностью заставляет ядро планеты сжиматься, и кора делает то же самое. Получается, что Меркурий сжимается.

Коре приходится приспосабливаться к этому уменьшению объёма. Поскольку планета становится меньше, одинокая плита Меркурия сминается. Если бы вы отправились в поход по поверхности планеты, то встретили бы на своём пути высокие скалы и вытянутые долины. Эти особенности рельефа образованы надвиговыми разломами, где материалы коры сталкиваются, разрываются, и одна часть коры надвигается на другую. Подобные разломы можно найти и на Земле — особенно в местах, где сходятся две плиты.

Уоттерс был ведущим автором статьи 2016 года о некоторых откосах Меркурия — ступенчатых хребтах, образованных разломами в коре. Возраст тех из них, которые рассматривала его команда, составляет менее 50 миллионов лет, что делает их довольно молодыми по геологическим стандартам. Их возраст указывает на то, что Меркурий всё ещё испытывает движение коры.

Марсианские пейзажи должны быть просто завораживающими. На красной планете находится самый большой вулкан в Солнечной системе и самый большой каньон. Учёные назвали последний «Валлес Маринерис». Его длина составляет 3 000 километров, а ширина — 600 километров, и по сравнению с ним крупнейшие каньоны Земли выглядят как мелкие трещины.

Сгенерированный компьютером вид марсианской горы Олимп демонстрирует размеры вулкана, его кальдеру и длинные наклонные стороны, которые делают его крупнейшим из известных в настоящее время планетарных вулканов. Поскольку на Марсе отсутствует тектоника плит, магматическая камера под Олимпом при извержении постоянно растёт. Он был крупнейшим в Солнечной системе на протяжении миллиардов лет и продолжает расти

Марс также примечателен своей дихотомией планетарной коры: толщина коры южного полушария в среднем составляет 58 километров, в то время как толщина коры северного полушария в среднем всего 32 километра. Уоттерс говорит, что этот «топографический контраст» напоминает различия «между континентами Земли и океаническими бассейнами».

Может ли это несоответствие быть следствием тектоники плит? Ан Инь, профессор геологии Калифорнийского университета, написал множество работ о поверхности Марса. В 2012 году он предположил, что марсианское плато, называемое поднятием Тарис, могло быть образовано зоной субдукции — местом, где одна плита погружается под другую. В том же году он назвал Валлес Маринерис возможной пограничной зоной между двумя плитами.

«Это гипотезы, подкреплённые знаниями, — говорит Инь, — но с получением новых данных в ближайшие пару десятилетий всё может измениться». На данный момент он придерживается мнения, что на Марсе существует примитивная форма тектоники плит. Однако, даже если это правда, Марс не обладает большим количеством плит. Кроме того, активность, связанная с плитами, на красной планете развивается гораздо медленнее, чем на Земле.

Перейдём к другим нашим небесным соседям. Газообразная атмосфера Венеры делает её сложной планетой для исследования. Тем не менее, нам удалось кое-что узнать о её поверхности. « Нынешняя кора Венеры относительно молода, — говорит Уоттерс. Судя по некоторым кратерам, оставленным метеоритами, возраст её современной поверхности составляет менее 1 миллиарда лет».

Однако возраст — это ещё не всё. Как и на Земле, на Венере есть свои хребты, разломы и (возможно, действующие) вулканы. В исследовании 2017 года утверждается, что Венера во многом обязана своим рельефом доисторическим мантийным плюмам. Эти столбы расплавленной породы иногда достигают коры планеты. Когда это происходит, они часто порождают «горячую точку» вулканической активности. Здесь, на Земле, лава, выброшенная мантийными плюмами, создала Гавайские острова, а также Исландию.

Теоретически, вулканический материал, высвобождаемый горячими точками, может объяснить наличие короны: больших структур овальной формы, обнаруженных на поверхности Венеры. Вулканические выбросы могли даже привести к образованию необычных зон субдукции вокруг хребтов. Не совсем тектоника плит, но тоже довольно интересный процесс.

Кто и как поломал Землю, или откуда возникли планетарные горные хребты и разломы

В предыдущей статье Пространственные спектры и фрактальность рельефа, силы тяжести и снимков мы уже рассмотрели фрактальность рельефа и поля силы тяжести и показали, как она возникает в относительно тонкой и хрупкой земной коре толщиной от 5 км под океанами и до 100-150 км под материками. Также мы вычислили, что под корой находится слой упругий, так что верхний масштаб фрактальности ограничен примерно 200 км. При этом, мы наблюдаем разломы и горные хребты планетарного масштаба, пересекающие моря и океаны. Очевидно, что планетарные структуры масштаба десятков тысяч километров никак не могут быть объяснены явлениями в земной коре масштаба десятков-сотен километров, хотя все эти структуры самоподобны, то есть фрактальны. Таким образом, именно планетарные структуры являются первичными и воспроизводятся на меньших масштабах при тектонических процессах за счет хрупкости земной коры. Сегодня мы поговорим о том, откуда возникли эти первичные структуры, или кто и как «поломал» Землю.

Слева направо приведены следующие изображения Земли: магнитное поле (EMAG2), гравитационное (Sandwell & Smith), рельеф ( GEBCO 2020 Bathymetry). Смотрите HOWTO: Visualization on The Globe

Введение

Линеаменты вот уже более столетия и до наших дней служат предметом одного из главных споров в среде геологов и геофизиков — что это такое и реально ли они существуют:

Линеаменты — (лат. lineamentum — линия, контур), линейные и дугообразные элементы рельефа планетарного масштаба, связанные с глубинными разломами. Данный термин предложил использовать в 1904 г. американский геолог У. Хоббс (Хобс). Википедия: Линеаменты

Впрочем, с появлением общедоступных данных дистанционного зондирования планеты эти споры лишены смысла, поскольку существование линеаментов легко доказать. На карте ниже показан способ определить границы всех тектонических плит и микроплит нашей планеты, при выделении по указанным точкам штрихов и анализе их направленности ясно проявляются несколько наиболее вероятных направлений, как будет показано далее:

Тектонические плиты и микроплиты, образующие планетарного масштаба структуры, легко выделить с помощью высокочастотной гауссовой фильтрации глобальной модели поля силы тяжести, см. ноутбук

Обратимся за современным определением к энциклопедии:

Ниже мы рассмотрим основные свойства линеаментов, а также их происхождение и необходимость анализа для геологических исследований всех масштабов.

Системы линеаментов

Исследования по территории всей планеты, однозначно доказывают существование выделенных направлений. Как показано на диаграммах ниже:

С практической точки зрения чрезвычайно важна фрактальность линеаментов, поскольку их выделение позволяет получить информацию для геологического исследования всех масштабов:

По масштабу выделяют Л. планетарные, региональные и локальные. Л. всех масштабов образуют 2 системы: ортогональную, состоящую из Л. субмеридионального и субширотного простираний, и диагональную, образованную Л. северо-западного – юго-восточного и юго-западного – северо-восточного простираний; при этом Л. всех простираний равноудалены друг от друга (т. н. правило эквидистантности). Предполагается, что появление Л. иных простираний связано с тектоническим вращением блоков земной коры, в которых они начали развиваться. Большая российская энциклопедия: ЛИНЕАМЕ́НТ

Обратим внимание, что для всех масштабов линеаменты имеют одни и те же направления, складывающиеся в две системы: крестообразную (горизонтальные плюс вертикальные) и диагональную. Более детальный анализ показывает, что

Было установлено, что повсеместно в макро, микро- и мезорельефе фиксируются четыре главные системы линеаментов: субширотная (90°-100°), субмеридиональная (350°-10°), и две диагональных (северо-западная, и северо-восточная). В отдельных районах выявлена второстепенная система линеаментов северо-восточного простирания (60°) (Анохин et al., 2016).

Если следовать терминологии энциклопедии, это соответствует двум с половиной линеаментным системам.

Планетарные структуры имеют огромную протяженность и глубину, а региональные и локальные имеют те же направления, но связаны с соответствующей тектоникой. Образование планетарных структур предшествовало началу земной тектоники.

Образование планетарных линеаментов

Поскольку появление планетарного масштаба структур может быть объяснено лишь силами планетарного масштаба, мы уже близки к разгадке:

Образование планетарных и региональных Л. связывают с напряжениями, возникающими в результате вращения Земли вокруг своей оси и её обращения вокруг Солнца (ротационные причины); происхождение локальных Л. может быть обусловлено тектоническими перестройками внутри блока земной коры. Большая российская энциклопедия: ЛИНЕАМЕ́НТ

Энциклопедия дает нам еще не всю разгадку, поскольку равномерное вращение не должно приводить к растрескиванию всей планеты. Отсюда остается один шаг до полного объяснения:

Регулярность систем разломов, одинаково ориентированных на разном масштабном уровне указывает на постоянство векторов динамических нагрузок их образовавших. Такие напряжения могут создавать только глобальные, планетарные, космогенные факторы, прежде всего – изменение скорости вращения Земли (Ю. Л. Ребецкий, 2015).

Иными словами, это означает, что

Фактически на Земле, и на континентах и в океанах развита единая закономерно ориентированная тектонолинеаментная сеть древнего заложения, образованная на ранних этапах формирования жесткой коры под влиянием космических, существенно ротационных факторов (Анохин et al., 2016).

Линеаменты и тектоника

В результате взаимодействия вращения и охлаждения внешней оболочки Земли разделенные линеаментами участки литосферы планеты начали самостоятельное движение, образуя так называемые тектонические блоки. Легко показать, что тектоническая активность возникла после формирования структур линеаментов — действительно, планетарные линеаменты пересекают тектонические плиты, то есть являются первичными структурами. Кроме того, существование нескольких систем линеаментов приводит к выводу, что они возникли в разное время, то есть были вызваны разновременными явлениями изменения скорости вращения:

Само наличие сетей сквозных структур, пересекающих океаны, континенты и друг друга, указывает на то что океаны образовывались «in situ» путем деструкции и прогибания участков некогда единой жесткой протокоры Земли. Важно отметить, что уже в раннем докембрии в пределах щитов Европейской платформы были сформированы регулярные разломные сети, которые сегодня являются фрагментами протяженных сквозных структур (Анохин et al., 2016).

Докембрий охватывает 85% ранней истории Земли, а ранний докембрий здесь соответствует геологическому времени от 4-х до 3-х миллиардов лет назад. Тектоническая активность нашей планеты началась непосредственно после этого, то есть около 3 миллиардов лет назад, а диагональные линеаменты сформировались гораздо позже, в эпоху мезозоя, начавшуюся четверть миллиарда лет назад:

Существует мнение, что диагональные сети начали более активно развиваться в мезозое, в связи с существенным изменением скорости вращения Земли, сопровождающимся перераспределением глобальных геодинамических нагрузок в литосфере. Эти нагрузки уже не находили реализации в ортогональных разломных системах и оживляли новые трещины диагональных направлений. Мезозой стал эрой начала формирования современного глобального лика Земли. Главенствующую роль уже начинают играть процессы деструкции, обусловившие разламывание и взаимное перемещение отдельных участков, фрагментов и блоков этой коры. Собственно говоря, это и есть время начала образования впадин современных океанов (Анохин et al., 2016).

Поздние (диагональные) линеаменты имеют меньшую протяженность и меньшую глубину залегания, а также непосредственно связаны с современной фрактальной структурой поля силы тяжести и рельефа.

Заключение

В заключение сделаем практические выводы: поднятия глубинных структур (интрузии) и русла крупных рек соответствуют древней (крестообразной) системе линеаментов, а русла мелких рек и ручьев, а также рудные выходы приурочены к поздним (диагональным) линеаментам. Таким образом, региональный анализ древних линеаментов позволяет найти поднявшиеся геологические блоки с полезными ископаемыми и глубинные области нефтегазообразования, в то время как анализ более мелких поздних линеаментов помогает выделить непосредственно рудные и нефтегазоносные участки.

Если посмотреть на 3D геологические модели из моих предыдущих статей, легко заметить, что на всех них явно видны рассмотренные выше системы линеаментов. В Западной Сибири выделяются две с половиной системы линеаментов, а в Индонезии — две системы. Именно на пересечении выходов глубинных рудоносных структур системами линеаментов и расположены рудные месторождения. Существует связь и с нефтегазоносностью — линеаменты определяют области флюидообразования и направления их миграции. Разломность непосредственно связана с флюидопроницаемостью, что можно в динамике выделить на космических снимках, и об этом мы поговорим в следующий раз. В следующей статье мы покажем, насколько линеаменты важны для геологического анализа и как они позволяют находить даже малые месторождения полезных ископаемых по открытым данным дистанционного зондирования с помощью выделения линеаментов методами компьютерного зрения.

Ссылки

Анохин В. М. Глобальная дизъюнктивная сеть Земли: строение, происхождение и геологическое значение. 2006. С-Пб: Недра. 161 с.

Анохин В. М. Строение планетарной линеаментной сети. L AP LAMBERT Academic Publishing, GmbH & Co. K G. 2011. Saarbrucken, Germany. 247 с.

Анохин В. М., Маслов Л. А. Закономерности направленности линеаментов и разломов дна Российской части Японского моря. // Тихоокеанская геология. 2009. №2. С. 3-16.

Анохин В. М., Маслов Л. А. Опыт изучения закономерностей направленности и протяженности линеаментов и разломов в регионах // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2015. №1. Вып. 25. С. 231-242.

Анохин В. И., Ломакин И. Э., Шураев И. В. Планетарная линеаментная сеть и возможный механизм ее образования // НАН Украины ИНОС РАН, Спб НЦ РАН. 2016

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.

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.

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.