Тектоника - это раздел геологии, который изучает строение земной коры и движение литосферных плит. Но она настолько многогранна, что играет значительную роль во многих других науках о Земле. Применяется тектоника в архитектуре, геохимии, сейсмологии, при изучении вулканов и во многих других областях.
Наука тектоника
Тектоника - наука относительно молодая, она занимается изучением движения литосферных плит. Впервые мысль о движении плит озвучена в теории дрейфа континентов Альфредом Вегенером в 20-х годах XX века. Но своё развитие она получила только в 60-е годы XX века, после проведения исследований рельефа на континентах и дна океана. Полученный материал позволил по-новому взглянуть на ранее существующие теории. Теория литосферных плит появилась в результате развития идей теории дрейфа материков, теории геосинклиналей и гипотезе контракций.
Тектоника - наука, изучающая силу и природу сил, которые формируют горные массивы, сминают породы в складки, растягивают земную кору. Она лежит в основе всех геологических процессов, происходящих на планете.
Контракционная гипотеза
Гипотеза контракции была выдвинута геологом Эли де Бомоном в 1829 году на собрании Академии наук Франции. Она объясняет процессы горообразования и складчатости земной коры под воздействием уменьшения объёма Земли из-за охлаждения. В основу гипотезы легли представления Канта и Лапласа о первичном огненно-жидком состоянии Земли и её дальнейшем охлаждении. Поэтому процессы горообразования и складкообразования объяснялись как процессы сжатия земной коры. В дальнейшем, остывая, Земля уменьшала свой объём и сминалась в складки.
Контракционная тектоника, определение которой подтверждало новое учение о геосинклиналях, объясняло неравномерное строение земной коры, стала прочной теоретической базой для дальнейшего развития науки.
Теория геосинклиналей
Существовала на рубеже конца XIX и начала XX веков. Она объясняет тектонические процессы циклическими колебательными движениями земной коры.
Внимание геологов было обращено на то, что породы могут залегать как горизонтально, так и дислоцировано. Горизонтально залегающие породы отнесли к платформам, а дислоцированные - к складчатым областям.
Согласно теории геосинклиналей, на начальной стадии из-за активных тектонических процессов происходит прогиб, опускание земной коры. Этот процесс сопровождается сносом осадков и формированием мощной толщи осадочных отложений. В дальнейшем происходит процесс горообразования и появление складчатости. На смету геосинклинальному режиму приходит платформенный, который характеризуется незначительными тектоническими движениями с образованием небольшой мощности осадочных пород. Завершающая стадия - это стадия образование континента.
Почти 100 лет господствовала геосинклинальная тектоника. Геология того времени испытывала нехватку фактического материала, впоследствии накопленные данные привели к созданию новой теории.
Теория литосферных плит
Тектоника - это одно из направлений в геологии, которое легло в основу современной теории о движении литосферных плит.
Согласно теории часть земной коры - литосферные плиты, которые находятся в непрерывном движении. Их движение происходит относительно друг друга. В зонах растяжения земной коры (срединно-океанические хребты и континентальные рифты) образуется новая океаническая кора (зона спрейдинга). В зонах погружения блоков земной коры происходит поглощение старой коры, а также погружение океанической под континентальную (зона субдукции). Также в рамках теории объясняются процессы горообразований и вулканической активности.
Глобальная тектоника плит включает в себя такое ключевое понятие, как геодинамическая обстановка. Характеризуется она совокупностью геологических процессов, в пределах одной территории, в определённый времени. Для одной и той же геодинамической обстановки характерны одни и те же геологические процессы.
Строение земного шара
Тектоника - это раздел геологии, который изучает строение планеты Земля. Земля в грубом приближении имеет форму сплющенного эллипсоида и состоит из нескольких оболочек (слоёв).
В выделяют следующие слои:
- Земная кора.
- Мантия.
- Ядро.
Земная кора - это наружный твёрдый слой Земли, от мантии она отделяется границей, которая называется поверхностью Мохоровича.
Мантия, в свою очередь, подразделяется на верхнюю и нижнюю. Границей, разделяющей слои мантии, является слой Голицина. Земная кора и верхняя часть мантии, до астеносферы, являются литосферой Земли.
Ядро является центром земного шара, отделяется от мантии границей Гуттенберга. Оно разделяется на жидкое внешнее и твёрдое внутреннее ядро, между ними существует переходная зона.
Строение земной коры
К строению земной коры прямое отношение имеет наука тектоника. Геология изучает не только процессы, происходящие в недрах Земли, но и её строение.
Земная кора - это верхняя часть литосферы, является внешней твёрдой сложена она породами различного физико-химического состава. По физико-химическим параметрам существует подразделение на три слоя:
- Базальтовый.
- Гранито-гнейсовый.
- Осадочный.
Так же есть разделение в строении земной коры. Выделяется четыре основных типа земной коры:
- Континентальная.
- Океаническая.
- Субконтинентальная.
- Субокеаническая.
Континентальная кора представлена всеми тремя слоями, мощность её варьируется от 35 до 75 км. Верхний, осадочный слой, развит широко, но, как правило, имеет небольшую мощность. Следующий слой, гранито-гнейсовый, имеет максимальную мощность. Третий слой, базальтовый, сложен из метаморфических пород.
Представлена двумя слоями - осадочным и базальтовым, мощность её составляет 5-20 км.
Субконтинентальная кора, как и континентальная, состоит из трёх слоёв. Отличие состоит в том, что мощность гранито-гнейсового слоя в субконтинентальной коре гораздо меньше. Такой тип коры встречается на границе континента с океаном, в области активного вулканизма.
Субокеаническая кора близка к океанической. Отличие состоит в том, что мощность осадочного слоя может достигать 25 км. Этот тип коры приурочен к глубинным прогибам земной коры (внутриконтинентальные моря).
Литосферная плита
Литосферные плиты - это крупные блоки земной коры, являющиеся частью литосферы. Плиты способны перемещаться относительно друг друга по верхней части мантии - астеносфере. Отделены плиты друг от друга глубоководными желобами, срединно-океаническими хребтами и горными системами. Характерной особенность литосферных плит является то, что они способны сохранить жёсткость, форму и строение длительное время.
Тектоника Земли говорит о том, что литосферные плиты находятся в постоянном движении. С течением времени они меняют свой контур - могут расколоться или срастись. На сегодняшний день выделено 14 крупных литосферных плит.
Тектоника литосферных плит
Процесс, формирующий внешний облик Земли, напрямую связан с тектоникой литосферных плит. Тектоника мира подразумевает, что происходит движение не континентов, а литосферных плит. Сталкиваясь друг с другом, они формируют горные массивы или глубокие океанические впадины. Землетрясения и извержения вулканов являются следствием движения литосферных плит. Активная геологическая деятельность приурочена в основном к краям этих образований.
Движение литосферных плит зафиксировано при помощи спутников, но природа и механизм этого процесса пока остаётся тайной.
В океанах процессы разрушения и накопления осадков имеют замедленный характер, поэтому тектонические движения хорошо отражаются в рельефе. Рельеф дна имеет сложно расчленённую структуру. Выделяются образованные в результате вертикальных движений земной коры, и структуры, полученные из-за горизонтальных движений.
К структурам океанического дна относятся такие формы рельефа, как абиссальные равнины, океанические котловины и срединно-океанические хребты. В зоне котловин, как правило, наблюдается спокойная тектоническая обстановка, в зоне срединно-океанических хребтов отмечается тектоническая активность земной коры.
Тектоника океанов ещё включает в себя такие структуры, как глубоководные желоба, океанические горы и гийоты.
Причины, двигающие плиты
Движущей геологической силой является тектоника мира. Основной причиной, по которой происходит движение плит, является мантийная конвекция, создающаяся теплогравитационными течениями в мантии. Это происходит из-за разности температур на поверхности и в центре Земли. Внутри породы нагреваются, происходит их расширение и уменьшение плотности. Лёгкие фракции начинают всплывать, а на их место опускаются холодные и тяжёлые массы. Процесс переноса тепла происходит непрерывно.
На движение плит действуют ещё рад факторов. Например, астеносфера в зонах восходящих потоков является приподнятой, а в зонах погружения - опущенной. Таким образом, формируется наклонная плоскость и происходит процесс «гравитационного» соскальзывания литосферной плиты. Оказывают влияние и зоны субдукции, где холодная и тяжёлая океаническая кора затягивается под горячую континентальную.
Мощность астеносферы под континентами значительно меньше, а вязкость больше, чем под океанами. Под древними частями континентов астеносфера практически отсутствует, поэтому в этих местах они не двигаются и остаются на месте. А так как литосферная плита включает в себя и континентальную, и океаническую часть, то присутствие древней континентальной части будет препятствовать движению плиты. Движение чисто океанических плит происходит быстрее, чем смешанных, а тем более континентальных.
Механизмов, приводящих в движение плит, много, условно их можно выделить в две группы:
Совокупность процессов движущих сил отражает в целом геодинамический процесс, который охватывает все слои Земли.
Архитектура и тектоника
Тектоника - это не только чисто геологическая наука, связанная с процессами, происходящими в недрах Земли. Она используется и в повседневной жизни человека. В частности, применяется тектоника в архитектуре и строительстве каких-либо строений, будь то здания, мосты или подземные сооружения. Здесь в основу ложатся законы механики. В этом случае под тектоникой понимается степень прочности и устойчивости конструкции в данной конкретной местности.
Теория литосферных плит не объясняет связи движений плит с глубинными процессами. Нужна теория, которая бы объясняла не только строение и движение литосферных плит, но и процессы, происходящие внутри Земли. Разработка подобной теории связана с объединением таких специалистов, как геологи, геофизики, географы, физики, математики, химики и многие другие.
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
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).
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).
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.
Мантийная конвекция и геодинамические процессы
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.
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.
Геофизические данные.
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
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).
Теория тектоники плит – это современная наука о происхождении и развитии литосферы Земли. Основные идеи теории тектоники плит таковы. Литосферные плиты находятся над пластической и вязкой оболочкой, астеносферой . Астеносфера – это слой пониженной твердости и вязкости в верхней части мантии Земли. Плиты плавают и медленно перемещаются в горизонтальном направлении по астеносфере.
При раздвижении плит на противоположной стороне океанических рифов, находящихся в середине долины, появляются трещины, которые заполняются молодыми базальтами, поднимающимся из мантии Земли. Океанические плиты иногда оказываются под континентальными плитами, или скользят относительно друг друга по вертикальной плоскости разломов. Раздвижение и подлезание плит компенсируется рождением новой океанической коры на местах трещины.
Современная наука объясняет причины перемещения литосферных плит тем, что в недрах Земли накапливается тепло, из-за которого возникают конвекционные течения вещества мантии. Мантийные струи возникают даже на границе ядра и мантии. А охлажденные океанические плиты постепенно погружаются в мантию. Это дает толчок к гидродинамическим процессам. Падающие плиты задерживаются около 400 млн. лет на границе 700 км, и после накопления достаточного веса «проваливаются » сквозь границы, в нижнюю мантию, достигая поверхности ядра. Это становится причиной подъема мантийных струй на поверхность. На границе 700 км эти струи расщепляется, и проникают в верхнюю мантию, порождая в ней восходящее течение. Над этими течениями образуется линия раздвижения плит. Под действием мантийных струй, происходит тектоника плит.
В 1912 году немецкий геофизик, метеоролог Альфред Вегенер, на основе схожести атлантических берегов Северной и Южной Америки с Европой и Африкой, а также на основе палеонтологических и геологических данных доказал «дрейф материков ». Эти данные он опубликовал в 1915 году в Германии.
Согласно этой теории, материки «плавают» на нижнем базальтовом «озере» как айсберги. Согласно гипотезе Вегенера, 250 млн. лет назад существовал суперматерик Пангея (гр. пан - все, а гея – Земля, т.е. Вся Земля). Около 200 млн. лет назад Пангея разделилась на Лавразию на севере и Гондвану на юге. Между ними находилось море Тетис.
Существование суперконтинента Гондваны в начале мезозойской эры, подтверждается схожестью рельефа Южной Америки, Африки, Австралии и полуострова Индостан. В Антарктиде найдены залежи каменного угля, свидетельствующие о том, что в далеком прошлом в этих местах был жаркий климат и обильная растительность.
Палеонтологи доказали, что флора и фауна материков, которые образовались после распада Гондваны, являются одинаковыми и составляют одну семью. Схожесть угольных пластов Европы и Северной Америки и одинаковость останков динозавров свидетельствуют о том, что эти материки разделились после триасового периода.
В ХХ веке выяснилось, что в середине океанов существуют подводные горы высотой около 2 км, шириной от 200 до 500 км и с длиной до нескольких тысяч км. Их назвали среднеокеаническими хребтами (СХ) . Эти хребты кольцеобразно охватывали всю планету. Установлено, что наиболее сейсмоактивными местами земной поверхности являютсяСХ. Основным материалом этих гор является базальт.
Ученые обнаружили под океанами глубокие (около 10 км) океанические желоба, которые в основном располагаются на берегах материков или островов. Их обнаружили в Тихом и Индийском океанах. А в Атлантическом океане их нет. Самый глубокий желоб – это Марианский желоб , глубиной 11022 м, находящийся в Тихом океане. В глубоких желобах наблюдается большая сейсмическая активность, и земная кора таких мест проваливается внутрь мантии.
Американский ученый Г. Хесс предположил, что вещество мантии через рифтовые (анг. рифт – удаление, расширение) трещины поднимается вверх к центральным частям СХ, и, заполняя трещины, кристаллизируется, ориентируясь по направлению магнитного поля Земли. Через некоторое время, в ходе удаления друг от друга, опять появляется новая трещина , и процесс повторяется. Ученые, учитывая направление магнитного поля кристалликов вулканического происхождения и Земли, путем корреляции установили местонахождение и направление движения материков в разных геологических временах. Экстраполируя в обратном направлении движение материков, они получили суперматерики Гондвану и Пангею.
Самое активное место горных хребтов - это линия, проходящая посередине хребтов , где появляются разломы, достигающие до мантии. Длина разломов достигает от 10 км до 100 км. Рифты разделяют СХ на две части. Рифты, находящиеся между полуостровом Аравия и Африкой имеют длину около 6500 км. В сумме длина океанических рифтов около 90 тысяч км.
Осадочные породы накапливались, начиная с юрского периода . Вблизи СХ осадочные породы отсутствуют, а направление магнитного поля кристалликов совпадает с направлением магнитного поля Земли. Исходя из этих данных, в 1962 году американские геологи Г. Хесс и Р. Дитц, объяснили причины возникновения СХ тем, что земная кора под океанами скользит в противоположную сторону. И по этой причине, появляются рифтовые трещины и СХ. Причины дрейфа континентов связаны с возникновением СХ, которые расширяясь, отталкивают литосферные плиты, и тем самым, приводят их в движение.
Подводные плиты тяжелы , они при встрече с континентальными плитами проваливаются в мантию Земли. Вблизи Венесуэлы Караибская плита подвигается под Южно-Американскую. В последние годы, при помощи космических аппаратов установлено, что скорости движение плит разные. К примеру, скорость движения полуострова Индостан к северу составляет около 6 см/год, Северной Америки в сторону запада - 5 см/год и Австралии к северо-востоку - 14 см/год.
Скорость образования новой земной коры равна 2,8 км 2 /год. ПлощадьСХ равна 310 млн. км 2 , следовательно, они сформировались за 110 млн. лет. Возраст горных пород коры западной части Тихого океана равен 180 млн. лет. За последние 2 млрд. лет около 20 раз возникали новые и исчезали старые океаны.
Южная Америка отделилась от Африки 135 млн. лет назад . Северная Америка отделилась от Европы 85 млн. лет назад . Индостанская плита 40 млн. лет назад столкнулась с Евроазиатской, в результате чего появились горы Тибета и Гималаев . Наукой установлено, что после образования земной коры (4,2 млрд. лет назад) в результате тектонических процессов четырежды происходил распад и образование Пангеи с периодом около одного миллиарда лет.
На стыках плит сосредоточена вулканическая активность. Вдоль линии стыка плит возникают цепочки вулканов , например, на Гавайских островах и в Гренландии. Длина вулканических цепей в настоящее время равна около 37 тысячам км. Ученые считают, что через несколько сотен млн. лет Азия объединится с Северной и Южной Америкой. Тихий океан закроется, а Атлантический океан расширится.
Вопросы для самоконтроля
1. Как называется теория о происхождении и развитии литосферы Земли?
2. Как называют слоя пониженной твердости, и вязкости, в верхней части мантии Земли?
3. Где океанические плиты раздвигаются на противоположной стороне?
4. Как объясняет современная наука причины перемещения литосферных плит?
5. Какие плиты погружаются в мантии Земли?
6. Что становится причиной подъема мантийных струй на поверхность?
7. Кто и когда, на основе схожести атлантических берегов Северной и Южной Америки с Европой и Африкой, доказал «дрейф материков ».
8. Сколько миллионов лет назад существовал суперматерик Пангея?
9. Сколько млн. лет назад Пангея разделилась на Лавразию на севере и Гондвану на юге?
10. Где находилось море Тетис?
11. Где найдены залежи каменного угля, свидетельствующие о том, что в далеком прошлом в этих местах был жаркий климат и обильная растительность?
12. Флора и фауна, каких материков, являются одинаковыми и составляют одну семью?
13. О чем свидетельствует схожесть угольных пластов Европы и Северной Америки?
14. Когда выяснили, что в середине океанов существуют среднеокеанические хребты?
15.Среднеокеанические хребты кольцеобразно охватывают всю планету или нет?
16. Где располагаются океанические желоба?
17. Какой океанический желоб самый глубокий и где оно находится?
18. Насколько частей делят рифты (трещины) среднеокеанические хребты?
19. Сколько тысяч км в сумме, длина океанических рифтов?
20. Кто и когда связывали причины дрейфа континентов, с возникновением среднеоканических хребтов?
21. Почему подводные плиты, при встрече с континентальными плитами проваливаются в мантию Земли?
22. Сколько см/год скорость движения Северной Америки в сторону запада?
23. Сколько см/год скорость движенияАвстралии к северо-востоку?
24. Сколько км 2 /год скорость образования новой земной коры?
25. Сколько млн. км 2 площадьсреднеокеанических хребтов?
26. Сколько млн. лет формировались среднеокеанические хребты?
27. По какой причине возникают цепочки вулканов?
28. На каких островах наблюдается цепочка вулканов?
29. Насколько тысяч км протянулась длина вулканических цепей, в настоящее время?
…******…
Тема 21. Экологии и здоровье
Характерной геологической структуры с определённым соотношением плит. В одной и той же геодинамической обстановке происходят однотипные тектонические, магматические, сейсмические и геохимические процессы.
История теории
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.
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.
Критики теории Вегенера поставили во главу угла вопрос о силе, двигающей континенты, и проигнорировали всё множество фактов, безусловно подтверждавших теорию. По сути, они нашли единственный вопрос, в котором новая концепция была бессильна, и без конструктивной критики отвергли основные доказательства. После смерти Альфреда Вегенера теория дрейфа материков была отвергнута, получив статус маргинальной науки , и подавляющее большинство исследований продолжали проводиться в рамках теории геосинклиналей . Правда, и ей пришлось искать объяснения истории расселения животных на континентах. Для этого были придуманы сухопутные мосты, соединявшие континенты, но погрузившиеся в морскую пучину. Это было ещё одно рождение легенды об Атлантиде . Стоит отметить, что некоторые учёные не признали вердикт мировых авторитетов и продолжили поиск доказательств движения материков. Так дю Туа (Alexander du Toit ) объяснял образование гималайских гор столкновением Индостана и Евразийской плиты .
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.
К началу 1960-х годов была составлена карта рельефа дна Мирового океана, которая показала, что в центре океанов расположены срединно-океанические хребты , которые возвышаются на 1,5-2 км над абиссальными равнинами , покрытыми осадками. Эти данные позволили Р. Дитцу (англ.) русск. и Г. Хессу (англ.) русск. в -1963 годах выдвинуть гипотезу спрединга . Согласно этой гипотезе, в мантии происходит конвекция со скоростью около 1 см/год. Восходящие ветви конвекционных ячеек выносят под срединно-океаническими хребтами мантийный материал, который обновляет океаническое дно в осевой части хребта каждые 300-400 лет. Континенты не плывут по океанической коре, а перемещаются по мантии, будучи пассивно «впаяны» в литосферные плиты. Согласно концепции спрединга, океанические бассейны - структуры непостоянные, неустойчивые, континенты же - устойчивые.
Возраст дна океанов (красный цвет соответствует молодой коре)
Эта же движущая сила (перепада высот) определяет степень упругого горизонтального сжатия коры силой вязкого трения потока о земную кору. Величина этого сжатия мала в области восхождения мантийного потока и увеличивается по мере приближения к месту опускания потока (за счёт передачи напряжения сжатия через неподвижную твёрдую кору по направлению от места подъёма к месту спуска потока). Над опускающимся потоком сила сжатия в коре так велика, что время от времени превышается прочность коры (в области наименьшей прочности и наибольшего напряжения), происходит неупругая (пластическая, хрупкая) деформация коры - землетрясение. При этом из места деформации коры выдавливаются целые горные цепи, например, Гималаи (в несколько этапов).
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 .
Относительно причины высокой температуры недр Земли существует несколько гипотез. В начале XX века была популярна гипотеза радиоактивной природы этой энергии. Казалось, она подтверждалась оценками состава верхней коры, которые показали весьма значительные концентрации урана , калия и других радиоактивных элементов , но впоследствии выяснилось, что содержания радиоактивных элементов в породах земной коры совершенно недостаточно для обеспечения наблюдаемого потока глубинного тепла. А содержание радиоактивных элементов в подкоровом веществе (по составу близком к базальтам океанического дна), можно сказать, ничтожно. Однако это не исключает достаточно высокого содержания тяжёлых радиоактивных элементов, генерирующих тепло, в центральных зонах планеты.
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.
Второстепенные силы
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 разноудаленные от них точки Земли). Сейчас приливной «горб» на Земле, вызванный притяжением Луны, в среднем около 36 см. Раньше Луна была ближе, и это имело большие 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.
Океанические рифты
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 , которые выносят в океан значительную часть глубинного тепла, и растворённых элементов. Высокотемпературные источники называются чёрными курильщиками , с ними связаны значительные запасы цветных металлов .
Континентальные рифты
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.
Конвергентные границы
Конвергентными называются границы, на которых происходит столкновение плит. Возможно три варианта (Convergent plate boundary):
- Континентальная плита с океанической. Океаническая кора плотнее, чем континентальная, и погружается под континент в зоне субдукции .
- Океаническая плита с океанической. В таком случае одна из плит заползает под другую и также формируется зона субдукции, над которой образуется островная дуга .
- Континентальная плита с континентальной. Происходит коллизия , возникает мощная складчатая область. Классический пример - Гималаи .
В редких случаях происходит надвигание океанической коры на континентальную - обдукция . Благодаря этому процессу возникли офиолиты Кипра , Новой Каледонии , Омана и другие.
В зонах субдукции поглощается океаническая кора, и тем самым компенсируется её появление в срединно-океанических хребтах . В них происходят исключительно сложные процессы взаимодействия коры и мантии. Так океаническая кора может затягивать в мантию блоки континентальной коры, которые по причине низкой плотности эксгумируются обратно в кору. Так возникают метаморфические комплексы сверхвысоких давлений, один из популярнейших объектов современных геологических исследований.
Большинство современных зон субдукции расположены по периферии Тихого океана , образуя тихоокеанское огненное кольцо. Процессы, идущие в зоне конвергенции плит, по праву считаются одними из самых сложных в геологии. В ней смешиваются блоки разного происхождения, образуя новую континентальную кору.
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
Островная дуга
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.
Коллизия континентов
Столкновение континентов
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 .
Трансформные границы
Там, где плиты двигаются параллельным курсом, но с разной скоростью, возникают трансформные разломы - грандиозные сдвиговые нарушения, широко распространённые в океанах и редкие на континентах.
Трансформные разломы
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.
Внутриплитные процессы
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.
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.
Тектоника плит как система наук
Сейчас тектонику уже нельзя рассматривать как чисто геологическую концепцию. Она играет ключевую роль во всех науках о Земле, в ней выделилось несколько методических подходов с разными базовыми понятиями и принципами.
С точки зрения кинематического подхода , движения плит можно описать геометрическими законами перемещения фигур на сфере . Земля рассматривается как мозаика плит разного размера, перемещающихся относительно друг друга и самой планеты. Палеомагнитные данные позволяют восстановить положение магнитного полюса относительно каждой плиты на разные моменты времени. Обобщение данных по разным плитам привело к реконструкции всей последовательности относительных перемещений плит. Объединения этих данных с информацией, полученной из неподвижных горячих точек, сделало возможным определить абсолютные перемещения плит и историю движения магнитных полюсов Земли.
Теплофизический подход рассматривает Землю как тепловую машину , в которой тепловая энергия частично превращается в механическую. В рамках этого подхода движение вещества во внутренних слоях Земли моделируется как поток вязкой жидкости, описываемый уравнениями Навье - Стокса . Мантийная конвекция сопровождается фазовыми переходами и химическими реакциями, которые играют определяющую роль в структуре мантийных течений. Основываясь на данных геофизического зондирования, результатах теплофизических экспериментов и аналитических и численных расчётах, учёные пытаются детализировать структуру мантийной конвекции, найти скорости потоков и другие важные характеристики глубинных процессов. Особенно важны эти данные для понимания строения самых глубоких частей Земли - нижней мантии и ядра, которые недоступны для непосредственного изучения, но, несомненно, оказывают огромное влияние на процессы, идущие на поверхности планеты.
Геохимический подход . Для геохимии тектоника плит важна как механизм непрерывного обмена веществом и энергией между различными оболочками Земли. Для каждой геодинамической обстановки характерны специфические ассоциации горных пород. В свою очередь, по этим характерным особенностям можно определить геодинамическую обстановку, в которой образовалась порода.
Исторический подход . В смысле истории планеты Земля, тектоника плит - это история соединяющихся и раскалывающихся континентов, рождения и угасания вулканических цепей, появления и закрытия океанов и морей. Сейчас для крупных блоков коры история перемещений установлена с большой детальностью и за значительный промежуток времени, но для небольших плит методические трудности много большие. Самые сложные геодинамические процессы происходят в зонах столкновения плит, где образуются горные цепи, сложенные множеством мелких разнородных блоков - террейнов . При изучении Скалистых гор зародилось особое направление геологических исследований - террейновый анализ , который вобрал в себя комплекс методов, по выделению террейнов и реконструкции их истории.
тектонический разлом литосферный геомагнитный
Начиная с раннего протерозоя скорость движения литосферных плит последовательно снижалась с 50 см/год до ее современного значения около 5 см/год.
Снижение средней скорости движения плит будет происходить и далее, вплоть до того момента, когда благодаря увеличению мощности океанических плит и их трению друг о друга оно вообще не прекратится. Но произойдет это, по-видимому, только через 1-1,5 млрд лет.
Для определения скоростей движения литосферных плит обычно используют данные по расположению полосчатых магнитных аномалий на океанском дне. Эти аномалии, как теперь установлено, появляются в рифтовых зонах океанов благодаря намагничиванию излившихся на них базальтов тем магнитным полем, которое существовало на Земле в момент излияния базальтов.
Но, как известно, геомагнитное поле время от времени меняло направление на прямо противоположное. Это приводило к тому, что базальты, излившиеся в разные периоды инверсий геомагнитного поля, оказывались намагниченными в противоположные стороны.
Но благодаря раздвижению океанского дна в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов более древние базальты всегда оказываются отодвинутыми на бoльшие расстояния от этих зон, а вместе с океанским дном отодвигается от них и "вмороженное" в базальты древнее магнитное поле Земли.
Рис.
Раздвижение океанической коры вместе с разнонамагниченными базальтами обычно развивается строго симметрично по обе стороны от рифтового разлома. Поэтому и связанные с ними магнитные аномалии также располагаются симметрично по обоим склонам срединно-океанических хребтов и окружающих их абиссальных котловин. Такие аномалии теперь можно использовать для определения возраста океанского дна и скорости его раздвижения в рифтовых зонах. Однако для этого необходимо знать возраст отдельных инверсий магнитного поля Земли и сопоставить эти инверсии с наблюдаемыми на океанском дне магнитными аномалиями.
Возраст магнитных инверсий был определен по детальным палеомагнитным исследованиям хорошо датированных толщ базальтовых покровов и осадочных пород континентов и базальтов океанского дна. В результате сопоставления полученной таким путем геомагнитной временной шкалы с магнитными аномалиями на океанском дне удалось определить возраст океанической коры на большей части акваторий Мирового океана. Все океанические плиты, сформировавшиеся раньше поздней юры, уже успели погрузиться в мантию под современными или древними зонами поддвига плит, и, следовательно, не сохранилось на океанском дне и магнитных аномалий, возраст которых превышал бы 150 млн лет.
Приведенные выводы теории позволяют количественно рассчитывать параметры движения в начале двух смежных плит, а затем и для третьей, взятой в паре с одной из предыдущих. Таким путем постепенно можно вовлечь в расчет главные из выделенных литосферных плит и определить взаимные перемещения всех плит на поверхности Земли. За рубежом такие расчеты были выполнены Дж. Минстером и его коллегами, а в России - С.А. Ушаковым и Ю.И. Галушкиным. Оказалось, что с максимальной скоростью океанское дно раздвигается в юго-восточной части Тихого океана (возле о. Пасхи). В этом месте ежегодно наращивается до 18 см новой океанической коры. По геологическим масштабам это очень много, так как только за 1 млн лет таким путем формируется полоса молодого дна шириной до 180 км, при этом на каждом километре рифтовой зоны за то же время изливается примерно 360 км3 базальтовых лав! По этим же расчетам Австралия удаляется от Антарктиды со скоростью около 7 см/год, а Южная Америка от Африки - со скоростью около 4 см/год. Отодвигание Северной Америки от Европы происходит медленнее - 2-2,3 см/год. Еще медленнее расширяется Красное море - на 1,5 см/год (соответственно здесь меньше изливается и базальтов - всего 30 км3 на каждый погонный километр Красноморского рифта за 1 млн лет). Зато скорость "столкновения" Индии с Азией достигает 5 см/год, чем объясняются развивающиеся на наших глазах интенсивные неотектонические деформации и рост горных систем Гиндукуша, Памира и Гималаев. Эти деформации и создают высокий уровень сейсмической активности всего региона (тектоническое влияние столкновения Индии с Азией сказывается и далеко за пределами самой зоны столкновения плит, распространяясь вплоть до Байкала и районов Байкало-Амурской магистрали). Деформации Большого и Малого Кавказа вызываются давлением Аравийской плиты на этот район Евразии, однако скорость сближения плит здесь существенно меньше - всего 1,5-2 см/год. Поэтому меньшей здесь оказывается и сейсмическая активность региона.
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.
