Как двигаются тектонические плиты. Теория тектоники плит. Причины, двигающие плиты

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):

1. Континентальная плита с океанической. Океаническая кора плотнее, чем континентальная, и погружается под континент в зоне субдукции .
2. Океаническая плита с океанической. В таком случае одна из плит заползает под другую и также формируется зона субдукции, над которой образуется островная дуга .
3. Континентальная плита с континентальной. Происходит коллизия , возникает мощная складчатая область. Классический пример - Гималаи .

В редких случаях происходит надвигание океанической коры на континентальную - обдукция . Благодаря этому процессу возникли офиолиты Кипра , Новой Каледонии , Омана и другие.

В зонах субдукции поглощается океаническая кора, и тем самым компенсируется её появление в срединно-океанических хребтах . В них происходят исключительно сложные процессы взаимодействия коры и мантии. Так океаническая кора может затягивать в мантию блоки континентальной коры, которые по причине низкой плотности эксгумируются обратно в кору. Так возникают метаморфические комплексы сверхвысоких давлений, один из популярнейших объектов современных геологических исследований.

Большинство современных зон субдукции расположены по периферии Тихого океана , образуя тихоокеанское огненное кольцо. Процессы, идущие в зоне конвергенции плит, по праву считаются одними из самых сложных в геологии. В ней смешиваются блоки разного происхождения, образуя новую континентальную кору.

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.

• 1)_Первая гипотеза возникла во второй половине 18 века и получила название гипотеза поднятий. Ее предложили М. В. Ломоносов, немецкие ученые А. фон Гумбольдт и Л. фон Бух, шотландец Дж. Хаттон. Суть гипотезы в следующем - поднятия гор вызваны подъемом из глубин Земли расплавленной магмы, которая на своем пути оказывала раздвигающее действие на окружающие слои, приводившее к образованию складок, пропастей разной величины. Ломоносов впервые выделил два типа тектонических движений - медленные и быстрые, вызывающие землетрясения.
• 2) В середине 19 века на смену этой гипотезе пришла гипотеза контракции французского ученого Эли де Бомона. В ее основе была космогоническая гипотеза Канта и Лапласа о происхождении Земли как первоначально раскаленного тела с последующим постепенным охлаждением. Этот процесс приводил к уменьшению объема Земли, и в результате Земная кора сжималась, и возникали складчатые горные сооружения подобные гигантским «морщинам».
• 3) В середине 19 века англичанин Д. Эйри и священник из Калькутты Д. Пратт открыли закономерность в положениях аномалий силы тяжести - высоко в горах аномалии оказывались отрицательными, т. е. обнаруживался дефицит массы, а в океанах аномалии были положительными. Чтобы объяснить это явление предложили гипотезу, согласно которой земная кора плавает на более тяжелом и вязком субстрате и находится в изостатическом равновесии, которое нарушается действием внешних радиальных сил.
• 4) Космогоническую гипотезу Канта-Лапласа сменила гипотеза О. Ю. Шмидта о первоначальном твердом, холодном и однородном состоянии Земли. Возникла необходимость иного подхода в объяснении формирования земной коры. Такую гипотезу предложил В. В. Белоусов. Называется она радиомиграционная. Суть этой гипотезы:
• 1. Основной энергетический фактор - радиоактивность. Разогрев Земли с последующим уплотнением вещества происходил благодаря теплу радиоактивного распада. Радиоактивные элементы на начальных этапах развития Земли распределялись равномерно, и поэтому разогрев был сильным и повсеместным.
• 2. Нагревание первичного вещества и его уплотнение привело к разделению магмы или ее дифференциации на базальтовую и гранитную. В последней концентрировались радиоактивные элементы. Как более легкая, гранитная магма “всплывала” в верхнюю часть Земли, а базальтовая погружалась вниз. При этом происходила и температурная дифференциация.

Современные геотектонические гипотезы разрабатываются, используя идеи мобилизма. В основе этой идеи лежат представления о преобладании в тектонических движениях земной коры горизонтальных движений.

• 5) Впервые для объяснения механизма и последовательности геотектонических процессов немецким ученым А. Вегенером была предложена гипотеза горизонтального дрейфа континентов.
• 1. Сходство очертаний берегов Атлантического океана, особенно в южном полушарии (у Ю. Америки и Африки).
• 2. Сходство геологического строения континентов (совпадение некоторых региональных тектонических простираний, сходство в составе и возрасте пород и др.).

гипотеза тектоники литосферных плит или новую глобальную тектонику. Главные положения этой гипотезы:

• 1. Земная кора с верхней частью мантии образует литосферу, которая подстилается пластичной астеносферой. Литосфера разделена на крупные блоки (плиты). Границами плит являются рифтовые зоны, глубоководные желоба, к которым примыкают разломы, глубоко проникающие в мантию - это зоны Беньофа-Заварицкого, а также зоны современной сейсмической активности.
• 2. Литосферные плиты горизонтально перемещаются. Это движение определяют два основных процесса - раздвигание плит или спрединг, погружение одной плиты под другую - субдукция или надвигание одной плиты на другую - обдукция.
• 3. В зону раздвига периодически поступают из мантии базальты. Доказательством раздвига служат полосовые магнитные аномалии в базальтах.
• 4. В районах островных дуг выделяются зоны скопления очагов глубокофокусных землетрясений, которые отражают зоны погружения плиты с базальтовой океанической корой под континентальную земную кору, т. е. эти зоны отражают зоны субдукции. В этих зонах, вследствие дробления и плавления, часть материала погружается, а другая в виде вулканов и интрузий проникает в континент и тем самым происходит наращивание мощности континентальной коры.

Тектоника литосферных плит (plate tectonics) - современная геологическая теория о движении литосферы. Согласно данной теории, в основе глобальных тектонических процессов лежит горизонтальное перемещение относительно целостных блоков 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. 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. 3). Различают три типа относительных перемещений плит: расхождение (дивергенция), схождение (конвергенция) и сдвиговые перемещения. 4). Объём поглощённой в зонах субдукции океанской коры равен объёму коры, возникающей в зонах спрединга. Это положении подчёркивает мнение о постоянстве объёма Земли. 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. 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.

Географические следствия движения Лит плит(Повышается сейсмическая активность, образуются разломы, появляются хребты, и так далее). В теории тектоники плит ключевое положение занимает понятие геодинамической обстановки -- характерной геологической структуры с определённым соотношением плит. В одной и той же геодинамической обстановке происходят однотипные тектонические, магматические, сейсмические и геохимические процессы.

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

Литосферные плиты имеют высокую жесткость и способны в течение продолжительного времени сохранять без изменений свое строение и форму при отсутствии воздействий со стороны.

Движение плит

Литосферные плиты находятся в постоянном движении. Это движение, происходящее в верхних слоях , обусловлено наличием присутствующих в мантии конвективных течений. Отдельно взятые литосферные плиты сближаются, расходятся и скользят относительно друг друга. При сближении плит возникают зоны сжатия и последующее надвигание (обдукция) одной из плит на соседнюю, или поддвигание (субдукция) расположенных рядом образований. При расхождении появляются зоны растяжения с характерными трещинами, возникающими вдоль границ. При скольжении образуются разломы, в плоскости которых наблюдается близлежащих плит.

Результаты движения

В областях схождения огромных континентальных плит, при их столкновении, возникают горные массивы. Подобным образом, в свое время возникла горная система Гималаи, образовавшаяся на границе Индо-Австралийской и Евразийской плит. Результатом столкновения океанических литосферных плит с континентальными образованиями являются островные дуги и глубоководные впадины.

В осевых зонах срединно-океанических хребтов возникают рифты (от англ. Rift – разлом, трещина, расщелина) характерной структуры. Подобные образования линейной тектонической структуры земной коры, имеющие протяженность сотни и тысячи километров, с шириной в десятки или сотни километров, возникают в результате горизонтальных растяжений земной коры. Рифты очень крупных размеров принято называть рифтовыми системами, поясами или зонами.

В виду того, что каждая литосферная плита является единой пластиной, в ее разломах наблюдается повышенная сейсмическая активность и вулканизм. Данные источники расположены в пределах достаточно узких зон, в плоскости которых возникают трения и взаимные перемещения соседних плит. Эти зоны называются сейсмическими поясами. Глубоководные желоба, срединно-океанические хребты и рифы представляют собой подвижные области земной коры, они расположены на границах отдельных литосферных плит. Это лишний раз подтверждает, что ход процесса формирования земной коры в данных местах и в настоящее время продолжается достаточно интенсивно.

Важность теории литосферных плит отрицать нельзя. Так как именно она способна объяснить наличие в одних областях Земли гор, в других – . Теория литосферных плит позволяет объяснить и предусмотреть возникновение катастрофических явлений, способных возникнуть в районе их границ.

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.