Поверхностная оболочка Земли состоит из частей - литосферных или тектонических плит. Они представляют собой целостные крупные блоки, находящиеся в непрерывном движении. Это приводит к возникновению различных явлений на поверхности земного шара, в результате которых неизбежно меняется рельеф.
Тектоника плит
Тектонические плиты - это составные части литосферы, отвечающие за геологическую активность нашей планеты. Миллионы лет назад они представляли собой единое целое, составляя крупнейший сверхконтинент под названием Пангея. Однако в результате высокой активности в недрах Земли этот материк раскололся на континенты, которые удалились друг от друга на максимальное расстояние.
По версии ученых, через несколько сотен лет этот процесс пойдет в обратном направлении, и тектонические плиты вновь начнут совмещаться друг с другом.
Рис. 1. Тектонические плиты Земли.
Земля является единственной планетой в Солнечной системе, чья поверхностная оболочка разбита на отдельные части. Толщина тектонических достигает несколько десятков километров.
Согласно тектонике - науке, изучающей литосферные пластины, огромные участки земной коры со всех сторон окружены зонами повышенной активности. На стыках соседних плит и происходят природные явления, которые чаще всего вызывают масштабные катастрофические последствия: извержения вулканов, сильнейшие землетрясения.
Движение тектонических плит Земли
Основной причиной, по которой вся литосфера земного шара находится в непрерывном движении, является тепловая конвекция. В центральной части планеты царят критически высокая температура. При нагревании верхние слои вещества, находящегося в недрах Земли, поднимаются, в то время как верхние слои, уже охлажденные, опускаются к центру. Непрерывная циркуляция вещества и приводит в движение участки земной коры.
ТОП-1 статья которые читают вместе с этой
Скорость движения литосферных плит составляет примерно 2-2,5 см в год. Поскольку их движение происходит на поверхности планеты, то на границе их взаимодействия возникают сильные деформации в земной коре. Как правило, это приводит к формированию горных хребтов и разломов. Например, на территории России так были образованы горные системы Кавказ, Урал, Алтай и другие.
Рис. 2. Большой Кавказ.
Существует несколько типов движения литосферных плит:
- Дивергентное - две платформы расходятся, образуя подводную горную гряду или провал в земле.
- Конвергентное - две пластины сближаются, при этом более тонкая погружается под более массивную. При этом формируются горные массивы.
- Скользящее - две пластины движутся в противоположных направлениях.
Африка буквально раскалывается на две части. Были зафиксированы большие трещины внутри земли, простирающиеся через большую часть территории Кении. Согласно прогнозам ученых, примерно через 10 миллионов лет африканский континент как единое целое прекратит свое существование.
Что мы знаем о литосфере?
Тектонические плиты — это крупные стабильные участки коры Земли, которые являются составными частями литосферы. Если обратиться к тектонике, науке, изучающей литосферные платформы, то мы узнаем, что большие по площади участки земной коры со всех сторон ограничены специфическими зонами: вулканической, тектонической и сейсмической активностями. Именно на стыках соседствующих плит и происходят явления, которые, как правило, имеют катастрофические последствия. К ним можно причислить как извержения вулканов, так и сильные по шкале сейсмической активности землетрясения. В процессе изучения планеты тектоника платформ сыграла очень важную роль. Ее значение можно сравнить с открытием ДНК или гелиоцентрической концепцией в астрономии.
Если вспомнить геометрию, то мы можем представить, что одна точка может быть местом соприкосновения границ трех и более плит. Изучение тектонической структуры земной коры показывают, что наиболее опасными и быстро разрушающимися, являются стыки четырех и более платформ. Данное формирование наиболее неустойчивое.
Литосфера делится на два типа плит, разных по своим характеристикам: континентальную и океаническую. Стоит выделить тихоокеанскую платформу, сложенную из океанической коры. Большинство других состоят из так называемого блока, когда континентальная плита впаивается в океаническую.
Расположение платформ показывает, что около 90% поверхности нашей планеты состоит из 13 больших по размеру, стабильных участков земной коры. Остальные 10% припадают на небольшие формирования.
Ученые составили карту наиболее крупных тектонических плит:
- Австралийская;
- Аравийский субконтинент;
- Антарктическая;
- Африканская;
- Индостанская;
- Евразийская;
- Плита Наска;
- Плита Кокос;
- Тихоокеанская;
- Северо- и южно-американские платформы;
- Плита Скотия;
- Филипинская плита.
Из теории мы знаем, что твердая оболочка земли (литосфера) состоит не только из плит, формирующих рельеф поверхности планеты, но и из глубинной части — мантии. Континентальные платформы имеют толщину от 35 км (на равнинных территориях) до 70 км (в зоне горных массивов). Учеными доказано, что наибольшую толщину имеет плита в зоне Гималаев. Здесь толщина платформы достигает 90 км. Самая тонкая литосфера находится в зоне океанов. Ее толщина не превышает 10 км, а в некоторых районах этот показатель равняется 5 км. На основании информации о том, на какой глубине находится эпицентр землетрясения и какова скорость распространения сейсмических волн, производятся расчеты толщины участков земной коры.
Процесс формирования литосферных плит
Литосфера состоит преимущественно из кристаллических веществ, образовавшихся в результате охлаждения магмы при выходе на поверхность. Описание структуры платформ говорит об их неоднородности. Процесс формирования земной коры происходил длительный период, и длится до сих пор. Через микротрещины в породе расплавленная жидкая магма выходила на поверхность, создавая новые причудливые формы. Ее свойства менялись в зависимости от смены температуры, и образовывались новые вещества. По этой причине минералы, которые находятся на разной глубине, отличаются по своим характеристикам.
Поверхность земной коры зависит от влияния гидросферы и атмосферы. Постоянно происходит выветривание. Под действием данного процесса меняются формы, а минералы измельчаются, меняя свои характеристики при неизменном химическом составе. В результате выветривания поверхность становилась более рыхлой, появлялись трещины и микровпадины. В этих местах появлялись отложения, которые нам известны как грунт.
Карта тектонических плит
На первый взгляд кажется, что литосфера стабильна. Верхняя ее часть таковой и является, но вот нижняя, которая отличается вязкостью и текучестью, подвижна. Литосфера делится на определенное число частей, так называемых тектонических плит. Ученые не могут сказать из скольких частей состоит земная кора, поскольку помимо крупных платформ, имеются и более мелкие формирования. Названия самых больших плит были приведены выше. Процесс формирования земной коры происходит постоянно. Мы этого не замечаем, поскольку данные действия происходят очень медленно, но сопоставив результаты наблюдений за разные периоды, можно увидеть, на сколько сантиметров в год смещаются границы образований. По этой причине тектоническая карта мира постоянно обновляется.
Тектоническая плита Кокос
Платформа Кокос является типичным представителем океанических частей земной коры. Она расположена в Тихоокеанском регионе. На западе ее граница проходит по хребту Восточно-Тихоокеанского поднятия, а на востоке ее границу можно определить условной линией вдоль побережья Северной Америки от Калифорнии до Панамского перешейка. Данная плита пододвигается под соседнюю Карибскую плиту. Эта зона отличается высокой сейсмической активностью.
Сильнее всего от землетрясений в данном регионе страдает Мексика. Среди всех стран Америки именно на ее территории расположено больше всего потухших и действующих вулканов. Страна перенесла большое количество землетрясений с магнитудой выше 8 баллов. Регион достаточно густонаселенный, поэтому помимо разрушений, сейсмическая активность приводит и к большому числу жертв. В отличии от Кокоса, расположенные в другой части планеты, Австралийская и Западно-Сибирская платформы отличаются стабильностью.
Движение тектонических плит
Долгое время ученые пытались выяснить, почему в одном регионе планеты гористая местность, а в другом равнинная, и почему происходят землетрясения и извержения вулканов. Различные гипотезы строились преимущественно на тех знаниях, которые были доступны. Лишь после 50-х годов двадцатого столетия удалось более детально изучить земную кору. Изучались горы, образованные на местах разлома плит, химический состав этих плит, а также создавались карты регионов с тектонической активностью.
В изучении тектоники особое место заняла гипотеза о перемещениях литосферных плит. Еще в начале двадцатого века немецкий геофизик А. Вегенер выдвинул смелую теорию о том, почему они двигаются. Он тщательно исследовал схему очертаний западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки. Отправной точкой в его исследованиях стала именно схожесть очертаний данных континентов. Он предположил, что, возможно, эти материки были раньше единым целым, а затем произошел разлом и начался сдвиг частей коры Земли.
Его исследования затрагивали процессы вулканизма, растяжение поверхности дна океанов, вязко-жидкую структуру земного шара. Именно труды А. Вегенера были положены в основу исследований, проводимых в 60-х годах прошлого века. Они стали фундаментом для возникновения теории «тектоники литосферных плит».
Данная гипотеза описывала модель Земли следующим образом: тектонические платформы, имеющие жесткую структуру и обладающие разной массой, размещались на пластичном веществе астеносферы. Они находились в очень неустойчивом состоянии и постоянно перемещались. Для более простого понимания можно провести аналогию с айсбергами, которые постоянно дрейфуют в океанических водах. Так и тектонические структуры, находясь на пластичном веществе, постоянно перемещаются. Во время смещений плиты постоянно сталкивались, заходили одна на другую, возникали стыки и зоны раздвижения плит. Данный процесс происходил из-за разности в массе. В местах столкновений образовывались области с повышенной тектонической активностью, возникали горы, происходили землетрясения и извержения вулканов.
Скорость смещения составляла не более 18 см в год. Образовывались разломы, в которые поступала магма из глубинных слоев литосферы. По этой причине породы, составляющие океанические платформы, имеют разный возраст. Но ученые выдвинули даже более невероятную теорию. По мнению некоторых представителей научного мира, магма выходила на поверхность и постепенно охлаждалась, создавая новую структуру дна, при этом «избытки» земной коры под действием дрейфа плит, погружались в земные недра и снова превращались в жидкую магму. Как бы там ни было, а движения материков происходят и в наше время, и по этой причине создаются новые карты, для дальнейшего изучения процесса дрейфа тектонических структур.
Есть два типа литосферы. Океаническая литосфера имеет океаническую кору толщиной около 6 км. Она в основном покрыта морем. Материковую литосферу покрывает материковая кора толщиной от 35 до 70 км. Большей частью эта кора выступает над , образуя сушу.
Плиты
Горные породы и минералы
Движущиеся плиты
Плиты земной коры постоянно перемещаются в разных направлениях, хотя и очень медленно. Средняя скорость их движения равна 5 см в год. Примерно с такой же скоростью растут ваши ногти. Поскольку все плиты плотно прилегают друг к другу, движение любой из них действует на окружающие плиты, заставляя и их постепенно перемещаться. Плиты могут перемещаться по-разному, что можно видеть на их границах, но причины, вызывающие движение плит, ученым пока неизвестны. Видимо, этот процесс может не иметь ни начала, ни конца. Тем не менее некоторые теории утверждают, один тип движения плит может быть, так сказать, «первичным», а от него уже приходят в движение все прочие плиты.
Один из типов движения плит - это «подныривание» одной плиты под другую. Некоторые ученью полагают, что именно этот тип движения вызывает все прочие перемещения плит. На некоторых границах расплавленная порода, пробиваясь на поверхность между двумя плитами, затвердевает по их краям, расталкивая эти плиты. Этот процесс тоже может вызывать перемещение всех других плит. Считается также, что, помимо первичного толчка, движение плит стимулируют гигантские тепловые потоки, циркулирующие в мантии (см. статью « «).
Дрейфующие материки
Ученые полагают, что со времени образования первичной земной коры движение плит изменяло положение, очертания и размеры материков и океанов. Этот процесс назвали тектоникой плит . Приводятся разные доказательства этой теории. Например, очертания таких материков, как Южная Америка и Африка, выглядят так, будто они когда-то составляли единое целое. Обнаружилось и несомненное сходство в строении и возрасте горных пород, слагающих древние горные цепи на обоих материках.
1. По мнению ученых, массивы суши, ныне образующие Южную Америку и Африку, более 200 млн. лет назад были соединены друг с другом.
2. Видимо, дно Атлантического океана постепенно расширялось, когда на границах плит формировалась новая порода.
3. Сейчас Южная Америка и Африка удаляются друг от друга со скоростью порядка 3,5 см в год из-за движения плит.
Дрейф материков
Обратимся к наиболее важным для обитателей Земли представлениям теории тектоники литосферных плит – крупных, до многих миллиона км 2 , глыб земной литосферы, фундамент которых образуют сильно смятые в складки магматические, метаморфизированные и гранитные породы, прикрытые сверху 3-4 километровым "чехлом" осадочных пород. Рельеф платформы составляют обширные равнины и отдельные горные хребты. Ядром каждого материка является одна или несколько древних платформ, окаймленных горными хребтами. Движение литосферных плит лежит в основе .
Начало XX в. ознаменовалось появлением гипотезы, которой в дальнейшем было суждено сыграть ключевую роль в науках о Земле. Ф. Тейлор (1910), а вслед за ним А. Вегенер (1912) высказали идею о горизонтальных перемещениях материков на большие расстояния (дрейфе материков), но "В 30-е годы XX в. в тектонике утвердилось течение, считавшее ведущим типом движений земной коры вертикальные движения, в основе которых лежали процессы дифференциации вещества мантии Земли. Оно получило название фиксизма, ибо признавало постоянно фиксированным положение блоков коры относительно подстилающей мантии". Однако в 1960-х гг. после открытия в океанах глобальной системы срединно-океанических хребтов, опоясывающих весь земной шар и местами выходящих на сушу, и ряда других результатов происходит возврат к идеям начала XX в. о дрейфе континентов, но уже в новой форме – тектоники плит, которая остается ведущей теорией в науках о Земле. Она вытеснила господствовавшее в середине XX века представление о ведущей роли в смещениях и деформациях земной коры вертикальных движений и вывела на первое место горизонтальные перемещения литосферных плит, включавших не только кору, но и верхи мантии.
Основные положения тектоники плит сводятся к следующему. Литосфера подстилается менее вязкой астеносферой. Литосфера разделена на ограниченное число больших (7) и малых плит, границы которых проводятся по сгущению очагов землетрясений. К числу крупных плит принадлежат: Тихоокеанская, Евразиатская, Северо-Американская, Южно-Американская, Африканская, Индо-Австралийская, Антарктическая. Литосферные плиты, движущиеся по астеносфере, обладают жёсткостью и монолитностью. При этом «континенты не прокладывают себе путь сквозь океаническое дно под воздействием какой-то невидимой силы (что предполагалось в первоначальной версии «дрейфа материков»), а пассивно плывут по мантийному материалу, который поднимается вверх под гребнем хребта и затем распространяется от него в обе стороны». В этой модели океаническое дно «представляется гигантской конвейерной лентой, выходящей на поверхность в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов и затем скрывающихся в глубоководных желобах»: расширение (спрединг) ложа океанов в связи с расхождением плит вдоль осей срединных хребтов и рождение новой океанской коры компенсируется её поглощением в зонах поддвига (субдукции) океанской коры в глубоководных желобах, благодаря чему объём Земли остаётся постоянным. Этот процесс сопровождается «многочисленными мелкофокусными землетресениями (с эпицентрами на глубинах нескольких десятков километров) в рифтовых зонах и глубокофокусными землетресениями в районе глубоководных желобов (рис. 12.2, 12.3) .
Рис. 12.2. Схема конвекционного течения в мантии, вызываемого разностью плотностей (по Рингвуду и Грину (из [Стейси, с. 80]). На этой схеме указаны предполагаемые фазовые и химические превращения, сопровождающие конвекционные перемещения вещества мантии из-за изменения давления и температуры на разных глубинах.
Рис.12.3. Схематический разрез Земли на основе гипотезы разрастания (спрединга) океанического дна - б; район глубоководного желоба - в: литосферная плита погружается в астеносферу (А), упирается в ее днище (Б и В) и разламывается – отламывается часть ("слэб") (Г) –. В зоне «трения» плит – мелкофокусные землетрясения (черные кружки), в зоне «упора» и «разлома» плиты – глубокофокусные землетрясения (белые кружки) (по Уеда, 1980)
"Данные сейсмической томографии свидетельствуют о погружении глубоко в мантию наклонных зон повышенных сейсмических скоростей – пластин-слэбов океанской литосферы. Эти данные совпадают с давно установленными по гипоцентрам землетрясений сейсмофокальными поверхностями, достигающими кровли нижней мантии. Впервые было обнаружено, что в ряде случаев слэбы опускаются и на большие глубины, проникая в нижнюю мантию. Поведение погружающихся слэбов оказывается неоднозначным: одни из них, достигая нижней мантии, не пересекают ее, а отклоняются вдоль поверхности, принимая практически горизонтальное положение; другие – пересекают кровлю нижней мантии, но затем образуют раздув и не погружаются глубже; третьи же уходят на большие глубины, в некоторых районах достигая ядра… Важный, результат новейших сейсмотомографических исследований – открытие отрыва нижней части погружающегося слэба. Это явление также не было полной неожиданностью. Сейсмологи констатировали в отдельных регионах исчезновение на некоторой глубине очагов землетрясений, а затем их возникновение вновь еще глубже" [Хаин 2002].
Причина перемещения литосферных плит – тепловая конвекция в мантии Земли. Над восходящими ветвями конвективных течений литосфера испытывает подъём и растяжение, приводящее к раздвигу плит в возникающих рифтовых зонах. С удалением от срединно-океанических рифтов литосфера уплотняется, тяжелеет, поверхность её опускается, что объясняет увеличение глубины океана, и в конечном счёте погружается в глубоководных желобах. В континентальных рифтах затухание восходящих потоков разогретой мантии ведёт к охлаждению и погружению литосферы с образованием бассейнов, заполняемых осадками. В зонах схождения и столкновения плит кора и литосфера испытывают сжатие, мощность коры возрастает, и начинаются интенсивные восходящие движения, ведущие к горообразованию. Все эти процессы, включая движение литосферных плит и слэбов, имеют непосредственное отношение к механизмам формирования полезных ископаемых.
Современные тектонические движения изучаются геодезическими методами, показывающими, что они происходят непрерывно и повсеместно. Скорость вертикальных движений составляет от долей до первых десятков мм, горизонтальных на порядок выше - от долей до первых десятков см в год (Скандинавский п-ов за 25 тыс. лет поднялся на 250 м, Санкт-Петербург за время своего существования поднялся на 1 м). Т.е. причиной землетрясений, извержений вулканов, медленных вертикальных (горы высотой в тысячи метров образуются за миллионы лет) и горизонтальных перемещений (за сотни миллионов лет это приводит к смещениям в тысячи километров) являются медленные, но чрезвычайно мощные перемещения вещества мантии.
«Положения теории тектоники плит прошли экспериментальную проверку в ходе начатого в 1968 г. глубоководного бурения с американского научно-исследовательского судна "Гломар Челленджер", подтвердившего образование океанов в процессе спрединга, в результате исследований рифтовых долин срединных хребтов, дна Красного моря и Аденского залива со спускаемых подводных аппаратов, также установивших реальность спрединга и существование пересекающих срединные хребты трансформных разломов, и, наконец, в изучении современных движений плит различными методами космической геодезии. С позиций тектоники плит находят объяснение многие геологические явления, но вместе с тем выяснилась большая, чем предусматривалась исходной теорией, сложность процессов взаимных перемещений плит… Не получило объяснения в тектонике плит периодическое изменение интенсивности тектонических движений и деформаций, существование устойчивой глобальной сети глубоких разломов и некоторые др. Остаётся открытым вопрос о начале действия тектоники плит в истории Земли, поскольку прямые признаки плитно-тектонических процессов … известны лишь с позднего протерозоя. Тем не менее некоторые исследователи признают проявление тектоники плит начиная с архея или раннего протерозоя. Из др. планет Солнечной системы некоторые признаки тектоники плит усматриваются на Венере".
Тектоника плит, первоначально встреченная со скепсисом, особенно в нашей стране, – пишет академик В.Е. Хаин, – получила убедительное подтверждение в ходе глубоководного бурения и наблюдений с подводных спускаемых аппаратов в океанах, в непосредственных измерениях перемещений литосферных плит методами космической геодезии, в данных палеомагнетизма и других материалах и превратилась в первую действительно научную теорию в истории геологии. Вместе с тем за истекшие четверть века, по мере накопления нового и все более разнообразного фактического материала, добытого с помощью новых инструментов и методов, становилось все более очевидным, что тектоника плит не может претендовать на значение всеобъемлющей, подлинно глобальной модели развития Земли" (Геология…, с.43). Поэтому "довольно скоро после своего оформления, тектоника плит стала превращаться в основу других наук о твердой Земле" …Очень большое взаимовлияние… обнаружилось между геотектоникой и геофизикой с одной стороны, и петрологией (наука о горных породах) и геохимией – с другой. Синтез этих наук уже к началу 70-х годов породил новую, комплексную науку – геодинамику , изучающую всю совокупность глубинных, эндогенных (внутренних) процессов, изменяющих литосферу и определяющих эволюцию ее структуры, изучающей физические процессы, которые обусловливают развитие твердой Земли в целом, и силы, их вызывающие. "Данные сейсмического “просвечивания” Земли, получившего название “сейсмотомография”, показали, что активные процессы, приводящие в конечном счете к изменениям структуры земной коры и рельефа, зарождаются значительно глубже – в нижней мантии и даже на ее границе с ядром. Да и само ядро, как совсем недавно выяснилось, участвует в этих процессах…
Появление сейсмической томографии определило переход геодинамики на следующий уровень, и в середине 80-х годов она породила глубинную геодинамику, ставшую самым молодым и перспективным направлением в науках о Земле. В решении новых задач на помощь, кроме сейсмотомографии, пришли и некоторые другие науки: экспериментальная минералогия, благодаря новой аппаратуре имеющая теперь возможность исследовать поведение минерального вещества при давлениях и температурах, отвечающих максимальным глубинам мантии; изотопная геохимия, изучающая, в частности, баланс изотопов редких элементов и благородных газов в разных оболочках Земли и сравнивающая его с метеоритными данными; геомагнетизм, пытающийся раскрыть механизм и причины инверсий магнитного поля Земли; геодезия, уточняющая фигуру геоида (а также, что не менее важно, горизонтальные и вертикальные перемещения земной коры), и некоторые другие ветви наших знаний о Земле…
Уже первые результаты сейсмотомографических исследований показали, что современная кинематика литосферных плит вполне адекватна… лишь до глубин 300-400 км, а ниже картина перемещений мантийного вещества становится существенно иной…
Однако, теория тектоники литосферных плит продолжает удовлетворительно объяснять развитие земной коры континентов и океанов на протяжении по крайней мере последних 3 млрд лет, а спутниковые измерения перемещения литосферных плит подтвердили наличие перемещений для современной эпохи.
Таким образом, в настоящее время вырисовывается следующая картина. В поперечном сечении земного шара существуют три наиболее активных слоя, каждый мощностью в несколько сотен километров: астеносфера и слой D"" в основании мантии. По-видимому, им принадлежит ведущая роль в глобальной геодинамике, превращающейся в нелинейную геодинамику Земли как открытой системы, т.е. синергетические эффекты типа эффекта Бенара, могут иметь место в мантии и жидком ядре.
Для объяснения непонятного в рамках теории тектоники литосферных плит явления внутриплитного магматизма, и в особенности образования линейных вулканических цепей, в которых возраст построек закономерно увеличивается по мере удаления от современных активных вулканов, была выдвинута в 1963 г. Дж.Вилсоном и обоснована в 1972 г. В.Морганом Гипотеза восходящих мантийных струй (рис. 12.1, 12.5), выступающих на поверхность в “горячих точках” (размещение “горячих точек” на поверхности контролируется ослабленными, проницаемыми зонами в коре и литосфере, классический пример современной “горячей точки” – о. Исландия.). "Эта плюм-тектоника с каждым годом все более популярна.
Она становится… почти равноправным партнером плейт-тектоники (тектоники литосферных плит). Доказывается, в частности, что глобальный масштаб выноса глубинного тепла через “горячие точки” превосходит тепловыделение в зонах спрединга срединно-океанских хребтов… Имеются серьезные основания предполагать, что корни суперплюмов достигают самых низов мантии… Главная проблема – соотношение конвекции, управляющей кинематикой литосферных плит, с адвекцией (горизонтальным перемещением), вызывающей подъем плюмов. Они уже в принципе не могут быть независимыми процессами. Однако поскольку каналы, по которым поднимаются мантийные струи, более узкие, пока нет сейсмотомографических признаков его подъема из нижней мантии.
Очень важен вопрос о стационарности плюмов. Краеугольным камнем гипотезы Вилсона-Моргана было представление о фиксированном положении корней плюмов в подлитосферной мантии и о том, что образование вулканических цепей, с закономерным увеличением возраста построек по мере удаления от современных центров извержений, обязано “прошиванию” движущихся над ними литосферных плит горячими мантийными струями… Однако совершенно бесспорных примеров вулканических цепей гавайского типа не так уж много… Таким образом, в проблеме плюмов остается еще много неясного".
Геодинамика
В геодинамике рассматривается взаимодействие сложных процессов, идущих в коре и мантии. Один из вариантов геодинамики, дающий более сложную картину движения мантии, чем описанная выше (рис.12.2), разрабатывается членом-корреспондентом РАН Е.В. Артюшковым в его книге "Геодинамика" (М., Наука, 1979). На этом примере видно как переплетаются различные физические и химические модели в реальном геодинамическом описании.
Согласно изложенной в этой книге концепции основным источником энергии, для всех тектонических процессов является процесс гравитационной дифференциации вещества, который происходит в нижней мантии. После отделения от породы нижней мантии тяжелой компоненты (железа и пр.), которая опускается в ядро, «остается смесь твердых веществ, более легкая, чем вышележащая нижняя мантия… Расположение слоя легкого материала под более тяжелым веществом неустойчиво… Поэтому накапливающийся под нижней мантией легкий материал периодически собирается в крупные блоки размером порядка 100 км и всплывает в верхние слои планеты. Из этого материала за время жизни Земли сформировалась верхняя мантия.
Нижняя мантия скорее всего представляет собой первичное, еще не продифференцированное вещество Земли. В процессе эволюции планеты происходит рост ядра и верхней мантии за счет нижней мантии.
Наиболее вероятно, что подъем блоков легкого материала в нижней мантии происходит вдоль каналов (см. рис. 12.6), в которых температура вещества сильно повышена, а вязкость резко понижена. Повышение температуры связано с выделением большого количества потенциальной энергии при подъеме легкого материала в поле силы тяжести на расстояние ~2000 км. Пройдя через такой канал, легкий материал также сильно нагревается, на величину ~1000°. Поэтому в верхнюю мантию он поступает аномально нагретым и более легким по отношению к окружающим областям.
Благодаря пониженной плотности легкий материал всплывает в верхние слои верхней мантии, вплоть до глубин в 100-200 км и менее. Температура плавления составляющих его веществ с понижением давления сильно падает. Поэтому на небольших глубинах происходит частичное плавление легкого материала и вторичная дифференциация по плотности, после первичной дифференциации на границе ядро - мантия. Выделяющиеся при дифференциации более плотные вещества погружаются в нижние части верхней мантии, а наиболее легкие - всплывают наверх. Совокупность движений вещества в мантии, связанных с перераспределением в ней веществ с различной плотностью в результате дифференциации, можно назвать химической конвекцией.
Подъем легкого материала по каналам в нижней мантии происходит периодически с интервалами примерно в 200 млн. лет. В эпоху его подъема за время в несколько десятков миллионов лет и менее в верхние слои Земли с границы ядро - мантия поступают крупные массы сильно нагретого легкого материала, соответствующие по объему слою верхней мантии мощностью в несколько десятков километров и более. Однако внедрение легкого материала в верхнюю мантию происходит не повсеместно. Каналы в нижней мантии расположены на больших расстояниях друг от друга, порядка нескольких тысяч километров. Они могут образовывать и линейные системы, где каналы располагаются ближе друг к другу, но сами системы также будут сильно удалены друг от друга. Прошедший через каналы легкий материал в верхней мантии всплывает в основном вертикально и заполняет области, расположенные над каналами (см. рис. 12.6), не распространяясь на большие расстояния в горизонтальном направлении. В верхних частях мантии недавно внедрившиеся крупные объемы легкого материала образуют сильно выраженные высокотемпературные неоднородности с повышенной электропроводностью, пониженными скоростями упругих волн и их повышенным затуханием. Горизонтальный масштаб неоднородностей в поперечном направлении ~ 1000 км…
В верхних слоях верхней мантии происходит резкое понижение вязкости ее вещества. Благодаря этому на глубинах в среднем от 100 до 200 км образуется слой пониженной вязкости -астеносфера . Ее вязкость в областях сравнительно холодной мантии η ~ 10 19 - 10 20 пуаз.
Там, где в астеносфере расположены недавно поднявшиеся с границы ядро-мантия крупные массы легкого нагретого материала, вязкость этого слоя падает еще сильнее, а мощность увеличивается. Над астеносферой находится много более вязкий слой - литосфера , которая в общем случаевключает кору и верхние, наиболее холодные и вязкие слои верхней мантии . Мощность литосферы в стабильных областях ~100 км и достигает несколько сотен км. Значительное повышение вязкости, по крайней мере на три порядка величины, происходит и в мантии под астеносферой.
Химическая конвекция связана с большими перемещениями крупных масс вещества в верхней мантии. Однако течения в мантии сами по себе не приводят к значительным вертикальным или горизонтальным смещениям литосферы. Это связано с резким понижением вязкости в астеносфере, играющей роль смазочного слоя между литосферой и основной частью мантии, расположенной под астеносферой. Из-за существования астеносферы вязкое взаимодействие литосферы с течениями в подстилающей мантии, даже при их большой интенсивности, оказывается слабым. Поэтому тектонические движения земной коры и литосферы не связаны непосредственно с этими течениями" [Артюшков, с. 288-291] и механизмы вертикального и горизонтального движения литосферы требуют особого рассмотрения.
Вертикальные движения литосферных плит
В областях внедрения в астеносферу крупных масс сильно нагретого легкого материала происходит его частичное плавление и дифференциация. Выделившиеся при дифференциации наиболее легкие компоненты легкого материала, всплывая наверх, быстро проходят через астеносферу и достигают подошвы литосферы, где скорость их всплывания резко падает. Это вещество в ряде областей образует скопления так называемой аномальной мантии в верхних слоях Земли. По составу она примерно соответствует нормальной мантии под корой в стабильных областях, но отличается гораздо более высокой температурой, до 1300-1500°, и пониженными скоростями продольных упругих волн. Из-за повышенной температуры плотность аномальной мантии оказывается ниже плотности нормальной мантии. Ее поступление под литосферу приводит к изостатическому поднятию последней (по закону Архимеда).
Благодаря высокой температуре вязкость аномальной мантии очень низка. Поэтому поступая к литосфере, она быстро растекается вдоль ее подошвы, вытесняя ранее располагавшееся здесь менее сильно нагретое и более плотное вещество астеносферы. При своем движении аномальная мантия заполняет те области, где подошва литосферы приподнята, - ловушки, и обтекает глубоко погруженные участки подошвы литосферы - антиловушки. В результате кора над ловушками испытывает изостатическое поднятие, а над антиловушками в первом приближении остается стабильной.
Охлаждение коры и верхнего слоя мантии до глубины ~100 км происходит очень медленно и занимает несколько сотен миллионов лет. Поэтому неоднородности мощности литосферы, обусловленные горизонтальными температурными вариациями, обладают большой инерционностью.
Если ловушка расположена вблизи от восходящего потока аномальной мантии из глубины, то она захватывает ее в большом количестве и сильно нагретой. В результате над ловушкой образуется крупное горное сооружение… По этой схеме возникают высокие поднятия в области эпиплатформенного орогенеза (горообразования) в складчатых поясах на месте бывших невысоких горных сооружений, а также на островных дугах.
Слой аномальной мантии в ловушке под бывшим щитом при охлаждении сжимается на 1-2 км. При этом расположенная над ним кора испытывает погружение, а в образующемся прогибе накапливаются осадки. Под их тяжестью литосфера дополнительно погружается. Конечная глубина сформировавшегося таким образом осадочного бассейна может достигать 5-8 км.
Одновременно с уплотнением мантии в ловушке в нижней части базальтового слоя коры может происходить фазовое превращение базальта в более плотные гранатовый гранулит и эклогит. Оно также способно обеспечить сжатие литосферы на величину до 1-2 км и погружение до 5-8 км при заполнении прогиба осадками.
Описанные процессы сжатия в литосфере развиваются медленно, за времена ³ 10 2 млн. лет. Они приводят к образованию осадочных бассейнов на платформах. Их глубина определяется интенсивностью уплотнения мантии в ловушке и вещества коры в базальтовом слое и может достигать 15-16 км.
Тепловой поток, идущий из аномальной мантии, прогревает вышележащую мантию в литосфере и понижает ее вязкость. Поэтому аномальная мантия постепенно вытесняет расположенную в литосфере более плотную нормальную мантию и поступает на ее место к коре, значительно охладившись. При контакте аномальной мантии имеющей температуру Τ~800-900°С, с базальтовым слоем коры в этом слое за время ~ 1-10 млн. лет развивается фазовый переход в эклогит. Плотность эклогита выше плотности мантии. Поэтому он отрывается от коры и погружается в расположенную ниже астеносферу. Сильно утоненная кора изостатически погружается (см. рис. 12.6), и при этом возникает глубокая впадина, вначале заполняющаяся водой, а впоследствии-мощной толщей осадков. По описанной схеме образуются депрессии внутренних морей с консолидированной корой сильно пониженной мощности. Примерами могут служить Черноморская впадина и глубоководные впадины западного Средиземноморья.
Над областями подъема материала из мантии обычно развиваются как восходящие, так и нисходящие движения. Высокие горные сооружения образуются при заполнении высокотемпературной аномальной мантией (T³1000°С) ловушек под щитами и невысокими горами. Внутренние моря возникают на месте соседних осадочных бассейнов при проникновении к коре охладившейся аномальной мантии с Τ~800-900°С. Сочетание образовавшихся на новейшем этапе высоких гор и глубоких впадин в настоящее время характерно для Альпийского геосинклинального пояса Евразии.
Подъем аномальной мантии из глубины происходит в различных областях Земли. Если ловушки оказываются поблизости от таких областей, то они вновь захватывают аномальную мантию, а расположенная над ними территория снова испытывает поднятия. Антиловушки в большинстве случаев обтекаются аномальной мантией, и кора под ними продолжает погружаться.
Горизонтальные движения литосферных плит
Образование поднятий при поступлении к коре аномальной мантии на океанах и континентах увеличивает потенциальную энергию, запасенную в верхних слоях Земли. Кора и аномальная мантия стремятся растечься в стороны, чтобы сбросить этот излишек энергии. В результате в литосфере возникают большие добавочные напряжения, от нескольких сотен бар до нескольких килобар. С этими напряжениями связаны различные типы тектонических движений земной коры.
Разрастание дна океана и дрейф материков происходят вследствие одновременного расширения срединно-океанических хребтов и погружения в мантию плит океанической литосферы. Под срединными хребтами расположены крупные массы сильно нагретой аномальной мантии (см. рис. 12.6). В осевой части хребтов они находятся непосредственно под корой мощностью не более 5-7 км. Мощность литосферы здесь резко сокращена и не превышает мощности коры. Аномальная мантия растекается из области повышенного давления - из-под гребня хребта в стороны. При этом она легко разрывает тонкую океаническую кору, после чего в окружающих хребет океанических областях в литосфере возникает сжимающая сила Σ ХР ~ 10 9 бар·см. Под действием этой силы возможно перемещение плит океанической литосферы в стороны от оси хребта. Разрыв, образующийся в коре на оси хребта, заполняется базальтовой магмой, выплавляющейся из аномальной мантии. Застывая, она образует новую океаническую кору. Таким образом происходит разрастание дна океана.
Вязкость аномальной мантии под срединными хребтами из-за ее высокой температуры сильно понижена. Она может достаточно быстро растекаться, и поэтому разрастание дна океана происходит с высокой скоростью, в среднем от нескольких сантиметров до десяти сантиметров в год. Океаническая астеносфера также обладает сравнительно низкой вязкостью. При скорости движения литосферных плит ~10 см/год вязкое трение между литосферой и астеносферой под океанами практически не препятствует разрастанию дна океана и слабо влияет на напряжения в литосферном слое…
Литосферные плиты движутся по направлению от хребтов к зонам погружения. Если эти области расположены в одном и том же океане, то движение литосферы по астеносфере, имеющей низкую вязкость, происходит с высокой скоростью. В настоящее время такая ситуация характерна для Тихого океана.
Когда разрастание дна имеет место в одном океане, а компенсирующее его погружение - в другом, то происходит дрейф расположенного между ними континента в сторону области погружения. Вязкость астеносферы под континентами много выше, чем под океанами. Поэтому вязкое трение между литосферой и континентальной астеносферой оказывает заметное сопротивление движению, снижая скорость расширения дна, если оно не компенсируется погружением литосферы в мантию в том же океане. В результате, например, разрастание дна в Атлантическом океане происходит в несколько раз медленнее, чем в Тихом.
На границе между континентальной и океанической плитами в области погружения последней в мантию действует сила сжатия ~ 10 9 бар·см. Быстрое относительное перемещение плит вдоль этой границы в условиях сжимающих напряжений приводит к часто повторяющимся сильным землетрясениям". При этом "общей причиной движения коры и мантии является стремление Земли достичь состояния с минимальной потенциальной энергией".
Кора Земли разделена разломами на литосферные плиты, представляющие собой огромные цельные блоки, достигающие верхних слоев мантии. Они являются крупными стабильными частями земной коры и находятся в непрерывном движении, скользя по поверхности Земли. Литосферные плиты состоят либо из материковой, либо из океанической коры, а в некоторых континентальный массив сочетается с океаническим. Выделяют 7 наиболее крупных литосферных плит, которые занимают 90% поверхности нашей планеты: Антарктическая, Евразийская, Африканская, Тихоокеанская, Индо-Австралийская, Южноамериканская, Североамериканская. Кроме них существуют десятки плит средних размеров и много мелких. Между средними и крупными плитами находятся пояса в виде мозаик из мелких плит коры.
Теория тектоники литосферных плит
Теория литосферных плит изучает их движение и процессы, связанные с этим движением. Данная теория гласит о том, что причиной глобальных тектонических изменений является горизонтальное перемещение блоков литосферы - плит. Тектоника литосферных плит рассматривает взаимодействие и движение блоков земной коры.
Теория Вагнера
О том, что литосферные плиты горизонтально перемещаются, впервые высказал предположение в 1920-х годах Альфред Вагнер. Он выдвинул гипотезу о «дрейфе континентов», но она в то время не была признана достоверной. Позже, в 1960-х годах, проводились исследования океанического дна, в результате которых подтвердились догадки Вагнера о горизонтальном движении плит, а также выявлено наличие процессов расширения океанов, причиной которых является формирование океанической коры (спрединг). Основные положения теории в 1967-68 годах сформулировали американские геофизики Дж. Айзекс, К. Ле Пишон, Л. Сайкс, Дж. Оливер, У. Дж. Морган. Согласно этой теории границы плит находятся в зонах тектонической, сейсмической и вулканической активности. Границы бывают дивергентными, трансформными и конвергентными.
Движение литосферных плит
Литосферные плиты приходят в движение вследствие перемещения вещества, находящегося в верхней мантии. В зонах рифтов это вещество прорывает кору, расталкивая плиты. Большая часть рифтов располагается на океаническом дне, так как там земная кора гораздо тоньше. Наиболее крупные рифты, которые существуют на суше, находятся возле озера Байкал и Великих Африканских озер. Движение литосферных плит происходит со скоростью 1-6 см за год. Когда они между собой сталкиваются, на их границах возникают горные системы при наличии материковой коры, а в случае, когда одна из плит имеет кору океанического происхождения, образуются глубоководные желоба.
Основные положения тектоники плит сводятся к нескольким пунктам
- В верхней каменной части Земли существуют две оболочки, которые значительно отличаются по геологическим характеристикам. Этими оболочками являются жесткая и хрупкая литосфера и находящаяся под ней подвижная астеносфера. Подошва литосферы представляет собой раскаленную изотерму температурой 1300°С.
- Литосфера состоит из непрерывно движущихся по поверхности астеносферы плит земной коры.
Загрузка...
