Основные положения тектоники литосферных плит
Основные положения тектоники плитДоказательства реальности механизма тектоники литосферных плит
Тектоника плит (plate tectonics) — современная геодинамическая концепция, основанная на положении о крупномасштабных горизонтальных перемещениях относительно целостных фрагментов литосферы (литосферных плит). Таким образом, тектоника плит рассматривает движения и взаимодействия литосферных плит.
Впервые предположение о горизонтальном движении блоков коры было высказано Альфредом Вегенером в 1920-х годах в рамках гипотезы «дрейфа континентов», но поддержки эта гипотеза в то время не получила. Лишь в 1960-х годах исследования дна океанов дали неоспоримые доказательства горизонтальных движении плит и процессов расширения океанов за счёт формирования (спрединга) океанической коры. Возрождение идей о преобладающей роли горизонтальных движений произошло в рамках «мобилистического» направления, развитие которого и повлекло разработку современной теории тектоники плит. Основные положения тектоники плит сформулированы в 1967-68 группой американских геофизиков — У. Дж. Морганом, К. Ле Пишоном, Дж. Оливером, Дж. Айзексом, Л. Сайксом в развитие более ранних (1961-62) идей американских учёных Г. Хесса и Р. Дигца о расширении (спрединге) ложа океанов
В воскресенье вечером я заскочила в магазин около дома прямо перед самым закрытием. Схватила пачку масла, сыр, помидоры и прибежала на кассу.
Там заканчивала процесс покупки семейная пара, и вовсю полыхал скандал. Я не знаю, кто виноват и что случилось, но жена строго что-то выговаривала кассиру, муж бормотал жене: «Наташа, хватит!», а кассир сидела, низко опустив голову.
Было очевидно, что у Наташи не заладился день, она горстями вычёрпывает из себя злость, выплёскивает её на кассира и не может остановиться. Я слышала лишь обрывки фраз, типа «Это не ваш магазин!», «Вы тут всего лишь кассир», «Я не к вам в гости пришла, я тут клиент».
Видимо, женщине показалось, что кассир не достаточно приветлива. Возможно, так и было, я не знаю, но она с такой страстью на неё шипела, такую публичную порку устроила несчастному кассиру, что хотелось сказать всем магазином: «ТРИ-ЧЕТЫРЕ: НАТАША, ХВАТИТ!».
Наконец, они ушли. Наташа на прощанье выхватила чек и посмотрела на кассира взглядом, обещающим проблемы.
Кассир пробила мне покупки. Масло. Сыр. Помидорки. Она при этом смотрела в пол. Да, не очень приветливо, но мне всё равно, я сюда не за улыбками пришла.
— Пакет нужен?
— Карта магазина есть?
Я протянула карту, она подняла лицо, чтобы отсканировать мою карту, и тут я вижу, что по её лицу катятся слёзы.
— Вы плачете? Господи! Из-за неё? Из-за этой Наташи?
Я растерялась, оглянулась, схватила на прикассовой зоне шоколадки, попросила её их мне пробить, и когда покупка состоялась, я посмотрела на её бейджик, прочла имя и говорю тоном конферансье:
Она вытирала лицо ладонями, успокоиться не получалось, началась суета, магазин закрывался, и я взяла свои покупки, помахала ей рукой и убежала домой.
Это в воскресенье вечером было.
В понедельник утром я умчала в Екатеринбург. Сегодня, в среду, вернулась.
И перед детскими кружками я опять заскочила в продуктовый магазин: дети попросили винегрет на ужин, нужно купить овощей.
И тут вдруг вопрос от кассира:
— Это вы?
Я узнаю Надежду, точнее вспоминаю.
А слонёнок — ну такая прелесть. Я аж растерялась. От восторга. Спасибо даже не сказала.
— А сколько по времени занимает связать такого слонёнка?
— Не могу передать, насколько! Очень нравится!
— У меня ещё и цыпленок есть, и лисичка, — Надежда стала показывать на телефоне то, что она связала.
Я аж проснулась. И взбодрилась.
Он для меня символ знаете чего?
То есть вот берётся — и создаётся. НАМИ.
Из ничего. Из ниток и спиц, из шоколада с фундуком, из желания обнять плачущего человека.
Вот день этот был сложный, и вдруг резко всплеск — и он стал отличный просто. Прекрасный, я бы сказала, день.
А в сумке у меня теперь живёт слонёнок.
Его зовут Фундук. В честь тех шоколадок))
Геофизики представили глобальную реконструкцию тектонических
перемещений литосферных плит в течение последнего миллиарда лет. Она впервые
объединила в рамках непрерывной и согласованной кинематической модели
палеомагнитные данные об изменении расположения континентов с геологическими данными
об эволюции границ между плитами. О результатах моделирования сообщает статья в
Earth-Science Reviews.
Тектоника плит — это геодинамическая концепция, основанная
на представлении о земной литосфере как о совокупности подвижных фрагментов —
литосферных плит, которые в процессе перемещения непрерывно взаимодействуют
между собой. Движение плит управляется конвекционными мантийными потоками и
представляет собой элемент системы теплопереноса от центра Земли к поверхности.
Нижние слои литосферных плит образованы породами мантии, верхние — это кора
либо только океанического типа, либо океанического и континентального.
Взаимодействие движущихся плит приводит к образованию на границах между ними
зон сейсмической и вулканической активности. Границы между плитами, движущимися
во встречном направлении, называются конвергентными, границы между
раздвигающимися плитами — дивергентными. Если плиты двигаются в одном
направлении, но с разными скоростями, границу между ними называют трансформной.
Различия процессов, происходящих на границах того или иного типа, обусловливают
формирование разных геологических структур — рифтов, глубоководных желобов,
складчатых систем.
Тектонические процессы начали играть значимую роль в палеогеографии
Земли, по-видимому, около 3,2 миллиарда лет. Но глобальные реконструкции
тектонической истории с использованием комплекса геологических и геофизических
(палеомагнитных) данных, полученных с континентов и с океанского дна,
ограничены ближайшими к современности 200 миллионами лет. Это максимальный
возраст океанической коры, так как более древнее дно океанов поглощено в
процессе субдукции (погружения одной плиты под другую) на конвергентных
границах. Поэтому моделирование отражает движение плит и эволюцию границ с
полнотой, достаточной для количественного анализа, лишь со времени начала
распада суперконтинента Пангея, существовавшего в позднем палеозое — раннем
мезозое, около 335–170 миллионов лет назад. При этом абсолютные координаты
рассчитывают в системе отсчета, связанной с движениями Африканской плиты,
которые определены несколькими независимыми методами.
Для более раннего времени — вплоть до миллиарда лет назад —
ученые уже построили модели, воссоздающие конфигурацию континентов и даже состояние
границ между плитами, однако каждая из них охватывает разные периоды или
регионы. Полностью непрерывной модели, охватывающей тектоническую историю Земли
за это время, до сих пор не существовало. Реконструкция положения плит
базируется на решении задач о вращении твердого тела с использованием теоремы
Эйлера. При решении этих задач ученые оперируют данными о широте, долготе и
углах поворота, и для ранних эпох единственным источником этих данных служат
результаты палеомагнитных измерений. По направлению намагниченности пород можно
установить, как изучаемое геологическое тело было ориентировано по отношению к
полюсу и на какой широте находилось. Однако абсолютную долготу установить таким
образом нельзя из-за симметрии геомагнитного поля относительно оси вращения
Земли.
Древнейшие долготы плит восстанавливаются двумя методами.
Первый из них базируется на предположении о длительной устойчивости крупнейших
восходящих потоков в мантии, но применимость этого метода для докембрийских
моделей оставалась спорной. Основой другого метода служит модель ортоверсии, согласно которой в
каждом новом цикле образования суперконтинента плиты располагаются под углом 90
градусов к предыдущему положению. Ограничения на этот метод накладывает
недостаток палеомагнитных данных.
Исследователи из Австралии, Китая и Франции под руководством
Эндрю Мердита (Andrew S. Merdith) из Лионского
университета-1 имени Клода Бернара сумели объединить тектонические модели,
построенные для разных геологических эр.
На первом этапе ученые отобрали из множества современных
моделей развития тектоники четыре, наиболее полно описывающие перемещение плит
в комплексе с эволюцией границ между ними. Глобальная модель YOU19 реконструирует тектонику за
последние 410 миллионов лет, то есть от среднего палеозоя до настоящего
времени. В ней движение плит привязано и к палеомагнитной, и к мантийной системе
отсчета. Модели DOM16 и
DOM18 — региональные. DOM16 включает реконструкцию
тектоники Гондваны и древних плит Лаврентия и Балтика, а DOM18 — Гондваны, Сибирской и Китайской
плит. Обе эти модели относятся к раннему палеозою (500–410 миллионов лет
назад). Глобальная модель MER17
охватывает промежуток времени от 1000 до 520 миллионов лет назад —
неопротерозойскую эру и самую раннюю часть палеозоя. Она представлена только в
палеомагнитной системе отсчета, не имеет поправки на истинное движение полюсов и
не привязана к мантийной системе отсчета, то есть к твердому телу Земли.
Контроль абсолютной палеодолготы в этой модели отсутствует.
Затем ученые разработали для всех моделей единую методику
определения по палеомагнитным измерениям кажущегося перемещения полюсов,
которое отражает изменение положения плит во времени. Эта методика потребовала
корректировки местонахождения некоторых континентов в неопротерозое: Западно-Африканского
кратона, Конго, Янзцы, Сино-Корейского кратона и Тарима (древний микроконтинент
в составе современной Центральной Азии). Благодаря коррекции удалось уточнить
конфигурацию протерозойского суперконтинента Родиния. Для палеозоя геофизики
скорректировали положение Сибирского кратона и Лавруссии, объединявшей
Северо-Американский (Лаврентия) и Восточно-Европейский (Балтика) древние
континенты.
Для моделирования границ древних литосферных плит
исследователи привлекли геологические данные, в первую очередь офиолитовые
комплексы (остатки древней океанической коры на континентах, указывающие на
существование зон субдукции). Осадочные бассейны, характер окаменелостей,
геохимические признаки использовались для определения широтных полос и
выравнивания некогда смежных регионов, условия
метаморфизма совместно со структурными данными — для вывода тектонических
условий.
https://youtube.com/watch?v=gQqQhZp4uG8%3Ffeature%3Doembed
Итогом стало построение согласованной модели, связавшей кинематику
плит в докембрии и в более позднее время. Она охватила миллиард лет, истекший с
начала неопротерозоя, и включила в себя один полный суперконтинентальный цикл —
от Родинии до Пангеи — и позднейшие движения плит. Модель, которую авторы
визуализировали в видеоролике продолжительностью 40 секунд, открывает
возможности для количественного анализа древних тектонических процессов. Эти
процессы не только формируют структуру недр и определяют облик земной
поверхности, но и влияют на химические потоки между поверхностью и глубокими
недрами, а также на развитие биосферы, так как от расположения континентальных
массивов зависят циркуляция океанских вод и распределение видов на суше.
Поэтому в дальнейшем модель Мердита и его коллег может послужить основой исследований,
связанных с эволюцией гидросферы, атмосферы и биосферы Земли в позднем
протерозое.
Ранее геофизики обнаружили, что древнее магнитное поле Земли
могло генерироваться в мантии, а также рассказали, как образовалась древняя
земная кора.
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
За прошедшие десятилетия тектоника плит значительно изменила свои основные положения. Ныне их можно сформулировать следующим образом:
- расхождение (дивергенция), выраженное рифтингом и спредингом;
- схождение (конвергенция) выраженное субдукцией и коллизией;
- сдвиговые перемещения по трансформным разломам.
38 Основные этапы развития земной коры
Основные события в развитии Земной коры в докембрии и палеозое
- Докембрийский этап
- Палеозойский этап
- Основные особенности геологической истории Земли в Палеозое
Историю формирования Земной коры разделяют на несколько крупных этапов. Не все из них изучены одинаково детально и достоверно. Это связано с тем, что одни участки, погружаясь, претерпевали глубокий метаморфизм и их первичную природу трудно восстановить. Другие участки воздымались и подвергались разрушительным воздействиям экзогенных процессов. Крупные блоки пород превращались в обломочный материал, который сносился на большие расстояния, и тем самым выпадали полностью или частично из первичного геологического разреза. Поэтому еще много событий в истории Земли рассматривается на уровне предположений.
После возникновения Земли как планеты в ее развитии выделяют догеологический и геологический этапы.
Догеологический этап охватывает ~ 0.9 млрд. лет, характеризуется широким проявлением вулканизма с выделением газов и паров воды и формированием базальтового слоя земной коры.
Атмосфера состояла из водных паров, метана, углекислого газа, водорода, аммиака, сероводорода и др.
К концу этого этапа температура опустилась ниже 100оС, что привело к образованию первых водоемов. Таким образом, в догеологический этап развития Земли сформировались базальтовый слой, атмосфера и гидросфера.
В геологический этап формируются: гранитный и осадочный слои земной коры, изменился состав атмосферы и гидросферы, появился органический мир.
Геологическая история развития Земли в свою очередь подразделяется на несколько этапов, которые охватывают отдельные геохронологические подразделения и характеризуются особенностями в развитии: органического мира, комплексов горных пород, палеогеографии, строения земной коры.
Охватывает архейский и протерозойский эоны. Начало этапа ~4.5 млрд. лет, верхняя граница- 570 млн. лет. Архей подразделяют на ранний и поздний, а протерозой на: ранне-среднепротерозойскую и позднепротерозойскую эры. Поздний протерозой еще называют рифеем. На рубеже с палеозоем выделяют стратиграфическое подразделение- венд (соответствует периоду).
Развитие гидросферы и атмосферы и органического мира.
Состав первичной гидросферы — HCl, HF, H2S, CO2, SiO2 и др., ph=1-2 (очень кислая среда). На рубеже нижнего и верхнего архея возрастает ph, появляются хлориды K, Na, Mg, Ca. Состав воды — хлоридно-карбонатный.
Состав первичной атмосферы — CO2, H2S, NH4, CH4, HCl. Температура ~65-80о, давление высокое.
Первыми организмами считаются бактерии и сине-зеленые водоросли. Наиболее древние находки найдены в Австралии, возраст их 3.5 млрд. лет.
На рубеже ~ 3.0 млрд. лет (т.е. на границе нижнего и верхнего архея) появляется свободный кислород. Его появление способствует накоплению свободного азота- начинается эволюция атмосферы и гидросферы. К концу докембрийского этапа в атмосфере снижается содержание СО2 и возрастает О2+N2.
Гидросфера становится хлоридно-карбонатно-сульфатной.
На рубеже архея и протерозоя появляются грибы, в рифее — примитивные многоклеточные, а в конце протерозоя начинается развитие бесскелетных организмов- черви, медузы, полипы.
Развитие земной коры рассмотрим как параллельное формирование комплекса пород и структурных элементов.
Предполагают, что в раннем архее в обширных прогибах происходило излияние лав базальтов и образование железокремнистых пород. Это были прообразы геосинклиналей — протогеосинклинали. В результате метаморфизма первичные породы превратились в амфиболиты, гранулиты, гнейсы и др., а затем подверглись гранитизации. В результате этого образовались гранитогнейсовые купола, давшие начало формированию континентальной коры.
В верхнем архее в геосинклинальных условиях продолжается вулканизм и накопление осадочных пород, более разнообразных по составу — конгломераты, аркозовые песчаники, глинистые сланцы и железистые кварциты. Породы претерпели зеленокаменный метаморфизм, внедрение калиевых гранитов и превратились в зеленокаменные пояса, которые совместно с гранитогнейсовыми куполами стали прообразами древних платформ — протоплатформы.
В раннем протерозое формируется 2 типа комплексов пород.
1 тип — сильно метаморфизованные вулканогенные (основного и кислого составов) и осадочные (терригенные) толщи, образующие узкие линейные зоны. Эти зоны подверглись интенсивному смятию и интрузиям магм от основного до кислого состава (Бушвельдский дифференцированный массив в Ю.Африке). К концу раннего протерозоя эти толщи и блоки архейских пород были охвачены мощной гранитизацией и термальной проработкой (образование гранитов-рапакиви). Эти процессы спаяли воедино блоки архейских и раннепротерозойских пород. Таким образом, сформировался фундамент древних платформ, который некоторые геологи рассматривают как единый суперматерик- Пангея I.
2 тип комплексов пород формировался на обширных впадинах, представлен конгломератами и песчаниками. Этот комплекс пород залегает несогласно на архейских толщах, метаморфизован слабее 1 типа. Все это указывает на формирование платформенного чехла.
В верхнем протерозое происходили события, которые подготавливают последующие этапы формирования Земной коры. В чем это заключается?
1. На фундаменте древних платформ начинает формироваться осадочный чехол.
2. Начинается раскол суперматерика Пангея-I. В северном полушарии образовались платформы — Северо-Американская, Восточно-Европейская, Сибирская, а в южном полушарии находилась одна суперплатформа — Гондвана.
3. Между этими платформами начинают развиваться геосинклинальные пояса — Атлантический, Средиземноморский, Палеоазиатский, Тихоокеанский.
4. На платформах происходит заложение авлакогенов, заполненных терригенными осадками. Здесь же происходило извержение базальтов.
5. На рубеже рифея и венда проявился байкальский этап складчатости.
Что можно сказать о палеогеографии докембрия? По отдельным признакам предполагают, что рельеф в докембрии был равнинным или слабо холмистым. Климат: в архее был парниковый эффект и ультрафиолетовое облучение; в протерозое начинает формироваться климатическая зональность, но границы зон и их положение не устанавливаются, в раннем протерозое произошло 2 оледенения, а в венде оледенение было повсеместным.
Образование полезных ископаемых связано с грандиозными по масштабам процессами магматизма и метаморфизма.
Огромные запасы Fe руд сосредоточены в железистых кварцитах (джеспилитах). Это — КМА, Кривой Рог, Канада и т.д.
С метаморфическими комплексами пород связаны месторождения слюд (мусковита и флогопита) в Карелии, Сибири, Индии, Бразилии.
С интрузиями ультраосновного и основного составов связано образование месторождений Платины, Хромита в Ю.Африке (Бушвельдский и Великая Дайка), Cu-Ni — Печенга, Мончегорское, Ю.Африка, С.Америка
С осадочными породами формировались месторождения:
- осадочных Fe руд (Бакальская группа, Ю.Якутия и др.),
- медистых песчаников (Удокан, Ю.Африка),
- Au-конгломератов с U- Витватерсранд, Блайнд-Ривер (Канада),
- Mn руды — ЮАР, Гана, Индия
- Нефтеносные горизонты Лено-Тунгусской впадины- самые древние вендского возраста.
Основные положения тектоники плит
Основные положения тектоники плит можно свети к нескольким основополагающим
1. Верхняя каменная часть планеты разделена на две оболочки, существенно различающиеся по реологическим свойствам: жесткую и хрупкую литосферу и подстилающую её пластичную и подвижную астеносферу.
2. Литосфера разделена по плиты, постоянно движущиеся по поверхности пластичной астеносферы. Литосфера делится на 8 крупных плит, десятки средних плит и множество мелких. Между крупными и средними плитами располагаются пояса, сложенные мозаикой мелких коровых плит.
Границы плит являются областями сейсмической, тектонической и магматической активности; внутренние области плит слабо сейсмичны и характеризуются слабой проявленностью эндогенных процессов.
Более 90 % поверхности Земли приходится на 8 крупных литосферных плит:
Австралийская плита,
Антарктическая плита,
Африканская плита,
Евразийская плита,
Индостанская плита,
Тихоокеанская плита,
Северо-Американская плита,
Южно-Американская плита.
Средние плиты: Аравийская (субконтинент), Карибская, Филиппинская, Наска и Кокос и Хуан де Фука и др..
Некоторые литосферные плиты сложены исключительно океанической корой (например, Тихоокеанская плита), другие включают фрагменты и океанической и континентальной коры.
3. Различают три типа относительных перемещений плит: расхождение (дивергенция), схождение (конвергенция) и сдвиговые перемещения.
Соответственно, выделяются и три типа основных границ плит.
Дивергентные границы – границы, вдоль которых происходит раздвижение плит.
Процессы горизонтального растяжения литосферы называют рифтогенезом. Эти границы приурочены к континентальным рифтам и срединно-океанических хребтам в океанических бассейнах.
Термин «рифт» (от англ. rift – разрыв, трещина, щель) применяется к крупным линейным структурам глубинного происхождения, образованным в ходе растяжения земной коры. В плане строения они представляют собой грабенообразные структуры.
Закладываться рифты могут и на континентальной, и на океанической коре, образуя единую глобальную систему, ориентированную относительно оси геоида. При этом эволюция континентальных рифтов может привести к разрыву сплошности континентальной коры и превращению этого рифта в рифт океанический (если расширение рифта прекращается до стадии разрыва континентальной коры, он заполняется осадками, превращаясь в авлакоген).
Строение континентального рифта
Процесс раздвижения плит в зонах океанских рифтов (срединно-океанических хребтов) сопровождается образованием новой океанической коры за счёт магматических базальтовых расплав поступающих из астеносферы. Такой процесс образования новой океанической коры за счёт поступления мантийного вещества называется спрединг (от англ. spread – расстилать, развёртывать).
Строение срединно-океанического хребта
В ходе спрединга каждый импульс растяжения сопровождается поступлением новой порции мантийных расплавов, которые, застывая, наращивают края расходящихся от оси СОХ плит.
Именно в этих зонах происходит формирование молодой океанической коры.
Конвергентные границы – границы, вдоль которых происходит столкновение плит. Главных вариантов взаимодействия при столкновении может быть три: «океаническая – океаническая», «океаническая – континентальная» и «континентальная — континентальная» литосфера. В зависимости от характера сталкивающихся плит, может протекать несколько различных процессов.
Субдукция – процесс поддвига океанской плиты под континентальную или другую океаническую. Зоны субдукции приурочены к осевым частям глубоководных желобов, сопряжённых с островными дугами (являющихся элементами активных окраин). На субдукционные границы приходится около 80% протяжённости всех конвергентных границ.
При столкновении континентальной и океанической плит естественным явлением является поддвиг океанической (более тяжёлой) под край континентальной; при столкновении двух океанических погружается более древняя (то есть более остывшая и плотная) из них.
Зоны субдукции имеют характерное строение: их типичными элементами служат глубоководный желоб – вулканическая островная дуга – задуговый бассейн. Глубоководный желоб образуется в зоне изгиба и поддвига субдуцирующей плиты. По мере погружения эта плита начинает терять воду (находящуюся в изобилии в составе осадков и минералов), последняя, как известно, значительно снижает температуру плавления пород, что приводит к образованию очагов плавления, питающих вулканы островных дуг. В тылу вулканической дуги обычно происходит некоторое растяжение, определяющее образование задугового бассейна. В зоне задугового бассейна растяжение может быть столь значительным, что приводит к разрыву коры плиты и раскрытию бассейна с океанической корой (так называемый процесс задугового спрединга).
Модель процесса субдукции
Погружение субдуцирующей плиты в мантию трассируется очагами землетрясений, возникающих на контакте плит и внутри субдуцирующей плиты (более холодной и вследствие этого более хрупкой, чем окружающие мантийные породы). Эта сейсмофокальная зона получила название зона Беньофа-Заварицкого.
В зонах субдукции начинается процесс формирования новой континентальной коры.
Значительно более редким процессом взаимодействия континентальной и океанской плит служит процесс обдукции – надвигания части океанической литосферы на край континентальной плиты. Следует подчеркнуть, что в ходе этого процесса происходит расслоение океанской плиты, и надвигается лишь её верхняя часть – кора и несколько километров верхней мантии.
При столкновении континентальных плит, кора которых более лёгкая, чем вещество мантии, и вследствие этого не способна в неё погрузиться, протекает процесс коллизии. В ходе коллизии края сталкивающихся континентальных плит дробятся, сминаются, формируются системы крупных надвигов, что приводит к росту горных сооружений со сложным складчато-надвиговым строением. Классическим примером такого процесса служит столкновение Индостанской плиты с Евразийской, сопровождающееся ростом грандиозных горных систем Гималаев и Тибета.
Модель процесса коллизии
Процесс коллизии сменяет процесс субдукции, завершая закрытие океанического бассейна. При этом в начале коллизионного процесса, когда края континентов уже сблизились, коллизия сочетается с процессом субдукции (продолжается погружение под край континента остатков океанической коры).
Для коллизионных процессов типичны масштабный региональный метаморфизм и интрузивный гранитоидный магматизм. Эти процессы приводят к созданию новой континентальной коры (с её типичным гранито-гнейсовым слоем).
Трансформные границы – границы, вдоль которых происходят сдвиговые смещения плит.
Границы литосферных плит Земли
1 – дивергентные границы (а – срединно-океанские хребты, б – континентальные рифты); 2 – трансформные границы; 3 – конвергентные границы (а – островодужные, б – активные континентальные окраины, в – коллизионные); 4 – направления и скорости (см/год) движения плит.
4. Объём поглощённой в зонах субдукции океанской коры равен объёму коры, возникающей в зонах спрединга. Это положении подчёркивает мнение о постоянстве объёма Земли. Но такое мнение не является единственным и окончательно доказанным. Не исключено, что объём планы меняется пульсационно, или происходит уменьшение его уменьшение за счёт охлаждения.
5. Основной причиной движения плит служит мантийная конвекция, обусловленная мантийными теплогравитационными течениями.
Источником энергии для этих течений служит разность температуры центральных областей Земли и температуры близповерхностных её частей. При этом основная часть эндогенного тепла выделяется на границе ядра и мантии в ходе процесса глубинной дифференциации, определяющего распад первичного хондритового вещества, в ходе которого металлическая часть устремляется к центру, наращивая ядро планеты, а силикатная часть концентрируются в мантии, где далее подвергается дифференциации.
Нагретые в центральных зонах Земли породы расширяются, плотность их уменьшается, и они всплывают, уступая место опускающимся более холодными и потому более тяжёлым массам, уже отдавшим часть тепла в близповерхностных зонах. Этот процесс переноса тепла идёт непрерывно, в результате чего возникают упорядоченные замкнутые конвективные ячейки. При этом в верхней части ячейки течение вещества происходит почти в горизонтальной плоскости, и именно эта часть течения определяет горизонтальное перемещение вещества астеносферы и расположенных на ней плит. В целом, восходящие ветви конвективных ячей располагаются под зонами дивергентных границ (СОХ и континентальными рифтами), нисходящие – под зонами конвергентных границ.
Таким образом, основная причина движения литосферных плит – «волочение» конвективными течениями.
Кроме того, на плиты действуют ещё рад факторов. В частности, поверхность астеносферы оказывается несколько приподнятой над зонами восходящих ветвей и более опущенной в зонах погружения, что определяет гравитационное «соскальзывание» литосферной плиты, находящейся на наклонной пластичной поверхности. Дополнительно действуют процессы затягивания тяжёлой холодной океанской литосферы в зонах субдукции в горячую, и как следствие менее плотную, астеносферу, а также гидравлического расклинивания базальтами в зонах СОХ.
Рисунок — Силы, действующие на литосферные плиты.
К подошве внутриплитовых частей литосферы приложены главные движущие силы тектоники плит – силы мантийного “волочения” (англ. drag) FDO под океанами и FDC под континентами, величина которых зависит в первую очередь от скорости астеносферного течения, а последняя определяется вязкостью и мощностью астеносферного слоя. Так как под континентами мощность астеносферы значительно меньше, а вязкость значительно больше, чем под океанами, величина силы FDC почти на порядок уступает величине FDO. Под континентами, особенно их древними частями (материковыми щитами), астеносфера почти выклинивается, поэтому континенты как бы оказываются “сидящими на мели”. Поскольку большинство литосферных плит современной Земли включают в себя как океанскую, так и континентальную части, следует ожидать, что присутствие в составе плиты континента в общем случае должно “тормозить” движение всей плиты. Так оно и происходит в действительности (быстрее всего движутся почти чисто океанские плиты Тихоокеанская, Кокос и Наска; медленнее всего – Евразийская, Северо-Американская, Южно-Американская, Антарктическая и Африканская, значительную часть площади которых занимают континенты). Наконец, на конвергентных границах плит, где тяжелые и холодные края литосферных плит (слэбы) погружаются в мантию, их отрицательная плавучесть создает силу FNB (индекс в обозначении силы – от английского negative buoyance). Действие последней приводит к тому, что субдуцирующая часть плиты тонет в астеносфере и тянет за собой всю плиту, увеличивая тем самым скорость ее движения. Очевидно, сила FNB действует эпизодически и только в определенных геодинамических обстановках, например в случаях описанного выше обрушения слэбов через раздел 670 км.
Таким образом, механизмы, приводящие в движение литосферные плиты, могут быть условно отнесены к следующим двум группам: 1) связанные с силами мантийного “волочения” (mantle drag mechanism), приложенными к любым точкам подошвы плит, на рис. 2.5.5 – силы FDO и FDC; 2) связанные с силами, приложенными к краям плит (edge-force mechanism), на рисунке – силы FRP и FNB. Роль того или иного движущего механизма, а также тех или иных сил оценивается индивидуально для каждой литосферной плиты.
Совокупность этих процессов отражает общий геодинамический процесс, охватывающих области от поверхностных до глубинных зон Земли.
Принципиальная схема мантийной конвекции
Альтернативные схемы мантийной конвекции
Мантийная конвекция и геодинамические процессы
https://youtube.com/watch?v=9khkRFIQf5E%3Frel%3D0
В настоящее время в мантии Земли развивается двухъячейковая мантийная конвекция с закрытыми ячейками (согласно модели сквозьмантийной конвекции) или раздельная конвекция в верхней и нижней мантии с накоплением слэбов под зонами субдукции (согласно двухъярусной модели). Вероятные полюсы подъема мантийного вещества расположены в северо-восточной Африке (примерно под зоной сочленения Африканской, Сомалийской и Аравийской плит) и в районе острова Пасхи (под срединным хребтом Тихого океана – Восточно-Тихоокеанским поднятием).
Экватор опускания мантийного вещества проходит примерно по непрерывной цепи конвергентных границ плит по периферии Тихого и восточной части Индийского океанов.
Современный режим мантийной конвекции, начавшийся примерно 200 млн. лет назад распадом Пангеи и породивший современные океаны, в будущем сменится на одноячейковый режим (по модели сквозьмантийной конвекции) или (по альтернативной модели) конвекция станет сквозьмантийной за счет обрушения слэбов через раздел 670 км. Это, возможно, приведет к столкновению материков и формированию нового суперконтинента, пятого по счету в истории Земли.
6. Перемещения плит подчиняются законам сферической геометрии и могут быть описаны на основе теоремы Эйлера. Теорема вращения Эйлера утверждает, что любое вращение трёхмерного пространства имеет ось. Таким образом, вращение может быть описана тремя параметрами: координаты оси вращения (например, её широта и долгота) и угол поворота. На основании этого положения может быть реконструировано положение континентов в прошлые геологические эпохи. Анализ перемещений континентов привёл к выводу, что каждые 400-600 млн. лет они объединяются в единый суперконтинент, подвергающийся в дальнейшем распаду. В результате раскола такого суперконтинента Пангеи, произошедшего 200-150 млн. лет назад, и образовались современные континенты.
В 50-е годы ХХ в. геологические и геофизические исследования Земли проводились исключительно интенсивно. Особенно это касалось океанов, о строении дна которых и тем более о структуре земной коры в них и ее свойствах мало что было известно. Накопление новых данных началось еще в первой половине ХХ в., но прошло еще много времени, прежде чем полученные факты помогли рождению новой геологической теории. Именно теории, а не гипотезы.
В чем между ними разница? Теория обладает функцией «предсказуемости». С ее помощью, если теория правильна, можно прогнозировать те или иные свойства вещества, его строение, явления и т.д. Если прогноз подтверждается, следовательно теория имеет
право на существование. Гипотеза этими свойствами не обладает. И грош ей цена, если она не может объяснить появляющиеся новые данные.
Решающий вклад в современную геологическую теорию тектоники литосферных плит внесли следующие открытия: 1) установление грандиозной, около 60 тыс. км системы срединно-океанических хребтов и гигантских разломов, пересекающих эти хребты; 2) обнаружение и расшифровка линейных магнитных аномалий океанического дна, дающих возможность объяснить механизм и время его образования; 3) установление места и глубин гипоцентров (очагов) землетрясений и решение их фокальных механизмов, т.е. определение ориентировки напряжений в очагах; 4) развитие палеомагнитного метода, основанного на изучении древней намагниченности горных пород, что дало возможность установить перемещение континентов относительно магнитных полюсов Земли. Заслуга в создании «тектоники плит», которая была сформулирована к концу 60-х гг.ХХ в. принадлежит Тузо Уилсону (Канада), Ксавье Ле Пишону (Франция) и Джейсону Моргану (США).
Основная идея этой новой теории базировалась на признании разделения литосферы, т.е. верхней оболочки Земли, включающую земную кору и верхнюю мантию до астеносферы, на 7 самостоятельных крупных плит, не считая ряда мелких (рис. 3.3.1). Эти плиты в своих центральных частях лишены сейсмичности, они тектонически стабильны, а вот по краям плит сейсмичность очень высокая, там постоянно происходят землетрясения. Следовательно, краевые зоны плит испытывают большие напряжения, т.к. перемещаются относительно друг друга.
Рис. 3.3.1. Основные литосферные плиты (по В.Е.Хаину и М.Г.Ломизе): 1 — оси спрединга (дивергентные границы), 2 – зоны субдукции (конвергентные границы), 3 –
трансформные разломы, 4 – векторы «абсолютных» движений литосферных плит. Малые плиты: Х – Хуан-де-Фука; Ко – Кокос; К – Карибская; А – Аравийская; Кт – Китайская; И
– Индокитайская; О – Охотская; Ф – Филиппинская
Определив характер напряжений в очагах землетрясений на краях плит, удалось выяснить, что в одних случаях это растяжение, т.е. плиты расходятся и происходит это вдоль оси срединно-океанических хребтов, где развиты глубокие ущелья – рифты (англ. «рифт» – расщелина). Подобные границы, маркирующие зоны расхождения литосферных плит называются дивергентными (англ. дивергенс – расхождение) (рис. 3.3.2, I).
Рис. 3.3.2. Типы границ литосферных плит: 1 – дивергентные границы. Раскрытие океанских рифтов, вызывающих процесс спрединга: М – поверхность Мохоровичича, Л – литосфера; 2 – конвергентные границы. Субдуция (погружение) океанической коры под континентальную: тонкими стрелками показан механизм растяжения – сжатия в гипоцентрах землетрясений (звездочки); П – первичные магматические очаги; 3 – трансформные границы; 4 – коллизионные границы
На других границах плит в очагах землетрясений, наоборот, выявлена обстановка тектонического сжатия, т.е. в этих местах литосферные плиты движутся навстречу друг другу со скоростью, достигающей 10-12 см/год. Такие границы получили название конвергентных (англ.конвергенс–схождение),а их протяженность также близка к60тыс. км (рис. 3.3.2, II).
Существует еще один тип границ литосферных плит, где они смещаются горизонтально относительно друг друга, как бы сдвигаются, о чем говорит и обстановка скалывания в очагах землетрясений в этих зонах. Они получили название трансформных разломов (англ.трансформ–преобразовывать),т.к.передают,преобразуют движения отодной зоны к другой (рис. 3.3.2, III).
Некоторые литосферные плиты сложены как океанической, так и континентальной корой одновременно. Например, Южно-Американская единая плита состоит из океанической коры западной части южной Атлантики и из континентальной коры Южно-Американского континента. Только одна, Тихоокеанская плита целиком состоит из коры океанического типа. Когда мы говорим о плитах, следует помнить, что Земля круглая, поэтому плиты напоминают вырезанную арбузную корку. Иными словами, они перемещаются по сфере.
Современными геодезическими методами, включая космическую геодезию, высокоточные лазерные измерения и другими способами установлены скорости движения литосферных плит и доказано, что океанические плиты движутся быстрее тех, в структуру которых входит континент, причем, чем толще континентальная литосфера, тем скорость движения плиты ниже.
Почему перемещаются литосферные плиты? Общепринятой точкой зрения считается признание конвективного переноса вещества мантии. Поверхностным выражением такого явления являются рифтовые зоны срединно-океанических хребтов, где относительно более нагретая мантия поднимается к поверхности, подвергается плавлению и магма изливается в виде базальтовых лав в рифтовой зоне и застывает (рис. 3.3.3). Далее в эти застывшие породы вновь внедряется базальтовая магма и раздвигает в обе стороны более древние базальты. И так происходит много раз. При этом океаническое дно как бы наращивается, разрастается. Подобный процесс получил название спрединга (англ. спрединг – развертывание, расстилание). Таким образом, спрединг имеет скорость, измеряемую по обе стороны осевого рифта срединно-океанического хребта. Скорость разрастания океанического дна колеблется от первых мм до 18 см в год.
Строго симметрично по обе стороны срединно-океанических хребтов во всех океанах расположены линейные магнитные положительные и отрицательные аномалии (рис. 3.3.4). Везде мы видим одну и туже последовательность аномалий, в каждом месте они узнаются, всем им присвоен свой порядковый номер.
Фред Вайн и Друм Мэтьюз из Кембриджского университета Великобритании в 1963 г. показали, что этот странный рисунок магнитных аномалий, не встречающийся на континентах, отражает последовательность внедрения базальтовой магмы в рифтовой зоне хребта. Застывая, базальты, проходя точку Кюри, приобретают намагниченность данной эпохи. Новая порция магмы внедряясь в уже застывшую, симметрично раздвигает их в обе стороны (рис. 3.3.5). Поэтому и магнитные аномалии располагаются симметрично относительно оси хребта. Иными словами, по обе стороны срединно-океанического хребта мы имеем две одинаковые «записи» изменения магнитного поля на протяжении
длительного времени. Нижний предел этой «записи» – 180 млн. лет. Древнее океанической коры не существует. Подобный процесс и есть спрединг.
Если спрединг происходит быстро, то полосы магнитных аномалий находятся дальше друг от друга, они как бы растянуты. А если спрединг более медленный, то аномалии располагаются ближе. Это обстоятельство позволяет вычислить скорость спрединга на любом пересечении срединно-океанического хребта, т.к. расстояние от полосы магнитной аномалии до осевой зоны рифта в хребте, поделенное на время и даст скорость спрединга.
Таким образом и происходит наращивание океанической литосферы по обе стороны хребта, по мере удаления от которого она становится холоднее и тяжелее и постепенно опускается, продавливая астеносферу, а океан тем временем, приобретает все большую глубину (рис. 3.3.6). Существует определенная зависимость между глубиной океана и возрастом океанического дна, выражаемая формулой:
n = 0,35 t
Когда был установлен процесс спрединга сразу же встал вопрос о том, куда же девается океаническая кора, если радиус Земли не увеличивается, а древнее чем 180 млн. лет океанической коры не существует? Где-то она должна поглощаться, но где? И такие конвергентные зоны были найдены и названы зонами субдукции (англ.сабдакшн–погружение).Располагаются они по краям Тихого океана и на востоке Индийского. Тяжелая и холодная океаническая литосфера подходя к более толстой и легкой континентальной, уходит под нее, как бы подныривает. Если в контакт входят две океанические плиты, то погружается более древняя, т.к. она тяжелее и холоднее, чем молодая плита.
Рис. 3.3.3. Происхождение полосовых магнитных аномалий в океанах. А и В – время нормальной, Б –
время обратной намагниченности пород: 1 – океаническая кора, 2 – верхняя мантия, 3 – рифтовая долина по оси срединно-океанического хребта, 4 – магма, 5 – полоса нормально и 6 – обратно намагниченных пород. Стрелки – наращивание океанического дна
Рис. 3.3.4. Полосовые
магнитные аномалии океанского дна у побережья Северной Америки (А.Рафф и Д.Мезон, 1961)
Рис. 3.3.5. Симметричная система линейных магнитных аномалий (в гаммах) на пересечении через Восточно-Тихоокеанское поднятие (51° ю.ш.). Верхний профиль – по данным аэромагнитной съемки, нижний – рассчитан по магнитохронологической шкале (дана справа), исходя из гипотезы Вайна – Мэтьюза о записи геомагнитных инверсий
в процессе двустороннего спрединга ( внизу блок-диаграмма) (по Ф.Вайну, 1966 и А.Коксу, 1969, с изменениями): 1 –прямая полярность, 2 –обратная полярность
Зоны, где происходит субдукция, морфологически выражены глубоководными желобами,
а сама погружающаяся океаническая холодная и упругая литосфера хорошо устанавливается по данным сейсмической томографии – объемного «просвечивания» глубоких недр планеты. Угол погружения океанических плит различный, вплоть до вертикального и плиты прослеживаются вплоть до границы верхней и нижней мантии в 670 км. Некоторые плиты останавливаются на этом уровне, иногда выполаживаясь и как бы скользя по границе. Другие – пересекают ее и погружаются в нижнюю мантию, местами достигая практически поверхности внешнего ядра – 2900 км (рис. 3.3.7).
Рис. 3.3.6. Гистограмма распределения площади дна океана по возрасту ( с шагом 20 млн лет), полученная измерении площадей на карте возраста океанской коры. Идеализированная кривая выведена путем усреднения столбиков гистограммы (по W.H.Berger, E.L. Winterer, 1974)
Когда океаническая плита при подходе к континентальной начинает резко изгибаться, в ней возникают напряжения, которые разряжаясь, провоцируют землетрясения. Гипоцентры или очаги землетрясений четко маркируют границу трения между двумя плитами и образуют наклонную сейсмофокальную зону, погружающуюся под континентальную литосферу до глубин в 700 км (рис. 3.3.8). Впервые эту зону обнаружил японский геофизик Кию Вадати в 1935 г., а в 1955 г. американский сейсмолог Хуго Беньоф подробно описал эти зоны, которые с тех пор и стали называться зонами Беньофа.
Гипоцентры землетрясений в зоне Беньофа не везде достигают границы верхней и нижней мантии, Иногда их глубина
Рис. 3.3.7. Сейсмотомографические профили. А – Центральная Америка, Б – Япония. Черные стрелки – глубоководные желоба. Черное – «теплая» мантия, серое – «холодная» мантия
как, например. Под Каскадными горами на западе США, не превышает первых десятков километров. Происходит это в тех случаях, когда холодная пластина океанической литосферы разогревается и в ней уже не могут происходить сколы, вызывающие землетрясения.
Рис. 3.3.8. Сейсмофокальная зона в
районе Японских островов. Кружки разного
землетрясения разной силы
Погружение океанической литосферы приводит еще к одним важным последствиям. При достижении ею на определенной глубине в 100-200 км высоких температур и давлений из нее выделяются флюиды – особые, перегретые минеральные растворы, которые вызывают плавление горных пород континентальной литосферы и образование магматических очагов, питающих цепи вулканов, развитых параллельно глубоководным желобам на активных окраинах Тихого океана и на восточной окраине Индийского океана. Вулканические цепи располагаются тем ближе к глубоководному желобу, чем круче наклонена субдуцирующая океаническая литосфера.
Таким образом, благодаря субдукции на активной континентальной окраине наблюдается сильно расчлененный рельеф, высокая сейсмичность и энергичная вулканическая деятельность.
Говоря о субдукционных процессах следует сказать о судьбе осадков, которые перекрывают океаническую литосферу. Край плиты, под которую субдуцирует океаническая, подрезает осадки, скопившиеся на ней, как нож скрепера или бульдозера, деформирует эти отложения и приращивает их к континентальной плите в виде аккреционного клина (англ.аккрешион–приращение).Вместе с тем какая-то частьосадочных отложений, погружается вместе с плитой в глубины мантии. В различных местах этот процесс идет разными путями. Так, у побережья Центральной Америки, где пробурены скважины, почти все осадки пододвигаются под континентальный край, чему способствует сверхвысокое давление воды, содержащейся в порах осадков. Поэтому и трение очень мало. В ряде других мест погружающаяся океаническая литосферная плита разрушает, эродирует край континентальной литосферы и увлекает за собой вглубь ее фрагменты. Были произведены подсчеты количества материала ежегодно увлекаемого на глубину (1,0-1,5 км3), задерживаемого у края нависающей плиты при аккреции (0,2-0,4 км3) и вещества тектонической эрозии (примерно, 0,6 км3).
Кроме явления субдукции существует т.н. обдукция, т.е. надвигание океанической литосферы на континентальную, примером которой является огромный 500х100 км тектонический покров на восточной окраине Аравийского полуострова, сложенный типичной океанической корой, перекрывающей древние докембрийские толщи Аравийского щита (рис. ).
Также следует упомянуть о столкновении или коллизии двух континентальных плит, которые в силу относительной легкости слагающего их материала, не могут погрузиться друг под друга, а сталкиваются, образуя горно-складчатый пояс с очень сложным внутренним строением (рис. 3.3.1). Так, например, возникли Гималайские горы, когда 50 млн. лет назад Индостанская плита столкнулась с Азиатской. Так сформировался Альпийский горно-складчатый пояс при коллизии Африкано-Аравийской и Евразийской континентальных плит.
Рис. 3.3.9. Относительные движения литосферных плит и распределение скоростей спрединга в рифтовых зонах СОХ ( см/год): 1 – дивергентные и трансформные границы плит; 2 – планетарные пояса сжатия; 3 – конвергентные границы плит
Тектоника литосферных плит позволила совершенно точно восстановить картину распада последнего суперматерика Пангеи существование которого впервые предсказал выдающийся немецкий геофизик Альфред Вегенер в 1912 г. Рассчитанные абсолютные и относительные движения литосферных плит с момента начала распада Пангеи, т.е. со 180 млн. лет назад, хорошо известны и отличаются большой точностью (рис. 3.3.9).
Воссоздана картина раскрытия Атлантического и Индийского океанов, которое продолжается и в наши дни со скоростью около 2,0 см в год. Выяснена возможность некоторого проворачивания литосферы Земли по отношению к нижней мантии в западном направлении, что позволяет объяснить, почему на западной и восточной активных окраинах Тихого океана условия субдукции неодинаковы и возникает известная асимметрия Тихого океана с задуговыми, окраинными морями и цепями островов на западе и отсутствием таковых на востоке.
Теория тектоники литосферных плит впервые в истории геологии носит глобальный характер, т.к. она касается всех районов земного шара и позволяет объяснить их историю развития, геологическое и тектоническое строение. На сегодняшний день этой теории нет разумной альтернативы и она вполне закономерно сменила господствовавшую до этого геосинклинальную концепцию, вобрав из нее все наиболее ценное. В других учебных геологических курсах Вы сможете в этом убедиться.
Рис.3.3.9. Начальное образование покрова Семайл на востоке Аравийского полуострова (по Р..Дж. Колмену): 1 – океаническая кора (офиолиты), 2 – континентальная кора, 3 – платформенный чехол, 4 — глубоководные осадки
Некоторые доказательства реальности механизма тектоники литосферных плит
Удревнение возраста океанической коры по мере удаления от осей спрединга (см. рисунок). В этом же направлении отмечается нарастание мощности и стратиграфической полноты осадочного слоя.
Рисунок — Карта возраста пород океанического дна Северной Атлантики (по У. Питмену и М. Тальвани, 1972). Разным цветом выделены участки океанского дна различных возрастных интервалов; цифрами указан возраст в миллионах лет.
Рисунок – Томографический профиль через Эллинский желоб, остров Крит и Эгейское море. Серые кружки – гипоцентры землетрясений. Синим цветом показана пластина погружающейся холодной мантии, красным – горячая мантия (по данным В. Спэкмена, 1989)
Остатки огромной плиты Фаралон, исчезнувшей в зоне субдукции под Северной и Южной Америками, фиксируемые в виде слейбов «холодной» мантии (разрез поперек Сев. Америки, по S-волнам). По Grand, Van der Hilst, Widiyantoro, 1997, GSA Today, v. 7, No. 4, 1-7
Полосовые магнитные аномалии
Линейные магнитные аномалии в океанах были обнаружены в 50-х годах при геофизическом изучении Тихого океана. Это открытие позволило в 1968 году Хессу и Дицу сформулировать теорию спрединга океанического дна, которая выросла в теорию тектоники плит. Они стали одним из самых веских доказательств правильности теории.
Рисунок — Образование полосовых магнитных аномалий при спрединге.
Причиной происхождения полосовых магнитных аномалий является процесс рождения океанической коры в зонах спрединга срединно-океанических хребтов, излившиеся базальты при остывании ниже точки Кюри в магнитном поле Земли, приобретают остаточную намагниченность. Направление намагниченности совпадает с направлением магнитного поля Земли, однако вследствие периодических инверсий магнитного поля Земли излившиеся базальты образуют полосы с различным направлением намагниченности: прямым (совпадает с современным направлением магнитного поля) и обратным.
Рисунок — Схема образования полосовой структуры магнитоактивного слоя и магнитных аномалий океана (модель Вайна – Мэтьюза).