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 (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.
Океаническая кора 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 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.
Литосферные плиты Земли представляют собой огромные глыбы. Их фундамент образован сильно смятыми в складки гранитными метаморфизированными магматическими породами. Названия литосферных плит будут приведены в статье ниже. Сверху они прикрыты трех-четырехкилометровым "чехлом". Он сформирован из осадочных пород. Платформа имеет рельеф, состоящий из отдельных горных хребтов и обширных равнин. Далее будет рассмотрена теория движения литосферных плит.
Появление гипотезы
Теория движения литосферных плит появилась в начале двадцатого столетия. Впоследствии ей суждено было сыграть основную роль в исследованиях планеты. Ученый Тейлор, а после него и Вегенер, выдвинул гипотезу о том, что с течением времени происходит дрейф литосферных плит в горизонтальном направлении. Однако в тридцатые годы 20-го века утвердилось другое мнение. Согласно ему, перемещение литосферных плит осуществлялось вертикально. В основе этого явления лежал процесс дифференциации мантийного вещества планеты. Оно стало называться фиксизмом. Такое наименование было обусловлено тем, что признавалось постоянно фиксированное положение участков коры относительно мантии. Но в 1960-м году после открытия глобальной системы срединно-океанических хребтов, которые опоясывают всю планету и выходят в некоторых районах на сушу, произошел возврат к гипотезе начала 20-го столетия. Однако теория обрела новую форму. Тектоника глыб стала ведущей гипотезой в науках, изучающих структуру планеты.
Основные положения
Было определено, что существуют крупные литосферные плиты. Их количество ограниченно. Также существуют литосферные плиты Земли меньшего размера. Границы между ними проводят по сгущению в очагах землетрясений.
Названия литосферных плит соответствуют расположенным над ними материковым и океаническим областям. Глыб, имеющих огромную площадь, всего семь. Наибольшие литосферные плиты - это Южно- и Северо-Американские, Евро-Азиатская, Африканская, Антарктическая, Тихоокеанская и Индо-Австралийская.
Глыбы, плывущие по астеносфере, отличаются монолитностью и жесткостью. Приведенные выше участки - это основные литосферные плиты. В соответствии с начальными представлениями считалось, что материки прокладывают себе дорогу через океаническое дно. При этом движение литосферных плит осуществлялось под воздействием невидимой силы. В результате проведенных исследований было выявлено, что глыбы плывут пассивно по материалу мантии. Стоит отметить, что их направление сначала вертикально. Мантийный материал поднимается под гребнем хребта вверх. Затем происходит распространение в обе стороны. Соответственно, наблюдается расхождение литосферных плит. Данная модель представляет океаническое дно в качестве гигантской Она выходит на поверхность в рифтовых областях срединно-океанических хребтов. Затем скрывается в глубоководных желобах.
Расхождение литосферных плит провоцирует расширение океанических лож. Однако объем планеты, несмотря на это, остается постоянным. Дело в том, что рождение новой коры компенсируется ее поглощением в участках субдукции (поддвига) в глубоководных желобах.
Почему происходит движение литосферных плит?
Причина состоит в тепловой конвекции мантийного материала планеты. Литосфера подвергается растяжению и испытывает подъем, что происходит над восходящими ветвями от конвективных течений. Это провоцирует движение литосферных плит в стороны. По мере удаления от срединно-океанических рифтов происходит уплотнение платформы. Она тяжелеет, ее поверхность опускается вниз. Этим объясняется увеличение океанической глубины. В итоге платформа погружается в глубоководные желоба. При затухании от разогретой мантии она охлаждается и опускается с формированием бассейнов, которые заполняются осадками.
Зоны столкновения литосферных плит - это области, где кора и платформа испытывают сжатие. В связи с этим мощность первой повышается. В результате начинается восходящее движение литосферных плит. Оно приводит к формированию гор.
Исследования
Изучение сегодня осуществляется с применением геодезических методов. Они позволяют сделать вывод о непрерывности и повсеместности процессов. Выявляются также зоны столкновения литосферных плит. Скорость подъема может составлять до десятка миллиметров.
Горизонтально крупные литосферные плиты плывут несколько быстрее. В этом случае скорость может составить до десятка сантиметров в течение года. Так, к примеру, Санкт-Петербург поднялся уже на метр за весь период своего существования. Скандинавский полуостров - на 250 м за 25 000 лет. Мантийный материал движется сравнительно медленно. Однако в результате происходят землетрясения, и прочие явления. Это позволяет сделать вывод о большой мощности перемещения материала.
Используя тектоническую позицию плит, исследователи объясняют множество геологических явлений. Вместе с этим в ходе изучения выяснилась намного большая, нежели это представлялось в самом начале появления гипотезы, сложность процессов, происходящих с платформой.
Тектоника плит не смогла объяснить изменения интенсивности деформаций и движения, наличие глобальной устойчивой сети из глубоких разломов и некоторые другие явления. Остается также открытым вопрос об историческом начале действия. Прямые признаки, указывающие на плитно-тектонические процессы, известны с периода позднего протерозоя. Однако ряд исследователей признает их проявление с архея или раннего протерозоя.
Расширение возможностей для исследования
Появление сейсмотомографии обусловило переход этой науки на качественно новый уровень. В середине восьмидесятых годов прошлого века глубинная геодинамика стала самым перспективным и молодым направлением из всех существовавших наук о Земле. Однако решение новых задач осуществлялось с использованием не только сейсмотомографии. На помощь пришли и прочие науки. К ним, в частности, относят экспериментальную минералогию.
Благодаря наличию нового оборудования появилась возможность изучать поведение веществ при температурах и давлениях, соответствующих максимальным на глубинах мантии. Также в исследованиях использовались методы изотопной геохимии. Эта наука изучает, в частности, изотопный баланс редких элементов, а также благородных газов в различных земных оболочках. При этом показатели сравниваются с метеоритными данными. Применяются методы геомагнетизма, с помощью которых ученые пытаются раскрыть причины и механизм инверсий в магнитном поле.
Современная картина
Гипотеза тектоники платформы продолжает удовлетворительно объяснять процесс развития коры в течение хотя бы последних трех миллиардов лет. При этом имеются спутниковые измерения, в соответствии с которыми подтвержден факт того, что основные литосферные плиты Земли не стоят на месте. В результате вырисовывается определенная картина.
В поперечном сечении планеты присутствует три самых активных слоя. Мощность каждого из них составляет несколько сотен километров. Предполагается, что исполнение главной роли в глобальной геодинамике возложено именно на них. В 1972 году Морган обосновал выдвинутую в 1963-м Вилсоном гипотезу о восходящих мантийных струях. Эта теория объяснила явление о внутриплитном магнетизме. Возникшая в результате плюм-тектоника становится с течением времени все более популярной.
Геодинамика
С ее помощью рассматривается взаимодействие достаточно сложных процессов, которые происходят в мантии и коре. В соответствии с концепцией, изложенной Артюшковым в его труде "Геодинамика", в качестве основного источника энергии выступает гравитационная дифференциация вещества. Этот процесс отмечается в нижней мантии.
После того как от породы отделяются тяжелые компоненты (железо и прочее), остается более легкая масса твердых веществ. Она опускается в ядро. Расположение более легкого слоя под тяжелым неустойчиво. В связи с этим накапливающийся материал собирается периодически в достаточно крупные блоки, которые всплывают в верхние слои. Размер подобных образований составляет около ста километров. Этот материал явился основой для формирования верхней
Нижний слой, вероятно, представляет собой недифференцированное первичное вещество. В ходе эволюции планеты за счет нижней мантии происходит рост верхней и увеличение ядра. Более вероятно, что блоки легкого материала поднимаются в нижней мантии вдоль каналов. В них температура массы достаточно высока. Вязкость при этом существенно снижена. Повышению температуры способствует выделение большого объема потенциальной энергии в процессе подъема вещества в область силы тяжести примерно на расстояние в 2000 км. По ходу движения по такому каналу происходит сильный нагрев легких масс. В связи с этим в мантию вещество поступает, обладая достаточно высокой температурой и значительно меньшим весом в сравнении с окружающими элементами.
За счет пониженной плотности легкий материал всплывает в верхние слои до глубины в 100-200 и менее километров. С понижением давления падает температура плавления компонентов вещества. После первичной дифференциации на уровне "ядро-мантия" происходит вторичная. На небольших глубинах легкое вещество частично подвергается плавлению. При дифференциации выделяются более плотные вещества. Они погружаются в нижние слои верхней мантии. Выделяющиеся более легкие компоненты, соответственно, поднимаются вверх.
Комплекс движений веществ в мантии, связанных с перераспределением масс, обладающих разной плотностью в результате дифференциации, называют химической конвекцией. Подъем легких масс происходит с периодичностью примерно в 200 млн лет. При этом внедрение в верхнюю мантию отмечается не повсеместно. В нижнем слое каналы располагаются на достаточно большом расстоянии друг от друга (до нескольких тысяч километров).
Подъем глыб
Как было выше сказано, в тех зонах, где происходит внедрение крупных масс легкого нагретого материала в астеносферу, происходит частичное его плавление и дифференциация. В последнем случае отмечается выделение компонентов и последующее их всплытие. Они достаточно быстро проходят сквозь астеносферу. При достижении литосферы их скорость снижается. В некоторых областях вещество формирует скопления аномальной мантии. Они залегают, как правило, в верхних слоях планеты.
Аномальная мантия
Ее состав приблизительно соответствует нормальному мантийному веществу. Отличием аномального скопления является более высокая температура (до 1300-1500 градусов) и сниженная скорость упругих продольных волн.
Поступление вещества под литосферу провоцирует изостатическое поднятие. В связи с повышенной температурой аномальное скопление обладает более низкой плотностью, чем нормальная мантия. Кроме того, отмечается небольшая вязкость состава.
В процессе поступления к литосфере аномальная мантия довольно быстро распределяется вдоль подошвы. При этом она вытесняет более плотное и менее нагретое вещество астеносферы. По ходу движения аномальное скопление заполняет те участки, где подошва платформы находится в приподнятом состоянии (ловушки), а глубоко погруженные области она обтекает. В итоге в первом случае отмечается изостатическое поднятие. Над погруженными же областями кора остается стабильной.
Ловушки
Процесс охлаждения мантийного верхнего слоя и коры до глубины примерно ста километров происходит медленно. В целом он занимает несколько сотен миллионов лет. В связи с этим неоднородности в мощности литосферы, объясняемые горизонтальными температурными различиями, обладают достаточно большой инерционностью. В том случае, если ловушка располагается неподалеку от восходящего потока аномального скопления из глубины, большое количество вещества захватывается сильно нагретым. В итоге формируется достаточно крупный горный элемент. В соответствии с данной схемой происходят высокие поднятия на участке эпиплатформенного орогенеза в
Описание процессов
В ловушке аномальный слой в ходе охлаждения подвергается сжатию на 1-2 километра. Кора, расположенная сверху, погружается. В сформировавшемся прогибе начинают скапливаться осадки. Их тяжесть способствует еще большему погружению литосферы. В итоге глубина бассейна может составить от 5 до 8 км. Вместе с этим при уплотнении мантии в нижнем участке базальтового слоя в коре может отмечаться фазовое превращение породы в эклогит и гранатовый гранулит. За счет выходящего из аномального вещества теплового потока происходит прогревание вышележащей мантии и понижение ее вязкости. В связи с этим наблюдается постепенное вытеснение нормального скопления.
Горизонтальные смещения
При образовании поднятий в процессе поступления аномальной мантии к коре на континентах и океанах происходит увеличение потенциальной энергии, запасенной в верхних слоях планеты. Для сброса излишков вещества стремятся разойтись в стороны. В итоге формируются добавочные напряжения. С ними связаны разные типы движения плит и коры.
Разрастание океанического дна и плавание материков являются следствием одновременного расширения хребтов и погружения платформы в мантию. Под первыми располагаются крупные массы из сильно нагретого аномального вещества. В осевой части этих хребтов последнее находится непосредственно под корой. Литосфера здесь обладает значительно меньшей мощностью. Аномальная мантия при этом растекается в участке повышенного давления - в обе стороны из-под хребта. Вместе с этим она достаточно легко разрывает кору океана. Расщелина наполняется базальтовой магмой. Она, в свою очередь, выплавляется из аномальной мантии. В процессе застывания магмы формируется новая Так происходит разрастание дна.
Особенности процесса
Под срединными хребтами аномальная мантия обладает сниженной вязкостью вследствие повышенной температуры. Вещество способно достаточно быстро растекаться. В связи с этим разрастание дна происходит с повышенной скоростью. Относительно низкой вязкостью также обладает океаническая астеносфера.
Основные литосферные плиты Земли плывут от хребтов к местам погружения. Если эти участки находятся в одном океане, то процесс происходит со сравнительно высокой скоростью. Такая ситуация характерна сегодня для Тихого океана. Если разрастание дна и погружение происходит в разных областях, то расположенный между ними континент дрейфует в ту сторону, где происходит углубление. Под материками вязкость астеносферы выше, чем под океанами. В связи с возникающим трением появляется значительное сопротивление движению. В результате снижается скорость, с которой происходит расширение дна, если отсутствует компенсация погружения мантии в той же области. Таким образом, разрастание в Тихом океане происходит быстрее, чем в Атлантическом.
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).
Возможно, некоторые читатели слышали рассуждения на тему отождествления планеты Земля с неким живым сверхорганизмом. В частности, обычно утверждается, что Земля способна сама по себе контролировать процессы, происходящие на ней и с ней, помимо этого отвечая за существование жизни. Речь идёт о теории Геи . Гея в свою очередь являлась древнегреческой богиней Земли. По большому счёту совершенно не важно будет ли жизнь на планете следствием «осознанной» деятельности самой планеты как организма, стечением ряда «случайных» обстоятельств или же следствием существования вселенского закона о благоприятных для жизни зонах.
Так или иначе, жизнь на планете существует, и вполне вероятно, что для того чтобы она возникла, необходимы были множество различных по своей природе совпадений или допущений. Одним из которых, безусловно, является геология планеты.
За геологическую активность на Земле отвечают тектонические или литосферные плиты.
Литосферные плиты нашей планеты
Для более наглядного представления можно посмотреть 3D-модель:
Считается, что движение плит может влиять на существование жизни на планете. Так, геологическая активность свойственна не только Земле, но и небесным телам Солнечной системы. Впрочем, Земля уникальна не наличием землетрясений, которые есть даже на или Марсе (которые называются лунотрясения и марсотрясения, соответственно), а скорее наличием развитой и сильной тектонической активности.
Сейсмометр на Луне
Также Земля единственная планета в Солнечной системе, внешняя кора которой разбивается на плиты. Тектонические плиты достигают десятков километров толщины.
Мощность (толщина) слоёв Земли
Причину движения тектонических плит и материков пытались описать расширением радиуса Земли. Это очень красивая гипотеза, которая вряд ли имеет что-то общее с действительностью.
Модели Кристофа Хильгенберга, демонстрирующие расширяющуюся Землю
На самом деле, основной причиной активного движения литосферных плит является тепловая конвекция. Нижние слои при нагревании становятся легче и всплывают, а верхние вдали от источника тепла остывают и, тяжелея, опускаются вниз. Конвекцию можно наблюдать при движении ветра, когда в одних частях Земли воздух нагревается, а в других охлаждается в месте соприкосновения и создаётся движение. И если наблюдать ветер и воздушные потоки мы, по сути, не можем (их возможно только почувствовать), то на явление конвекции в лавовой лампе можно посмотреть.
Конечно масло в лавовой лампе - это не магматические горные породы в мантии, но не стоит забывать и про такой фактор как время. А именно, тот факт, что в масштабе секунд (в котором по сути живёт и мыслит отдельный человек) вещество мантии Земли твёрдое, но в масштабе лет и десятилетий это вещество приобретает жидкие свойства. Возможно, также это зависит от размеров рассматриваемого объекта.
Сравнение конвекции в мантии Земли и в лавовых лампах
Отчасти это говорит и о том, что жизнь и скорость восприятия окружающего пространства предпочтительнее всего именно в масштабе секунд (или максимум минут). Тогда как глобальные и космические процессы должны существовать в более медленном масштабе времени. Получается, что помимо необходимости существования благоприятных зон для жизни, существует необходимость и некоторого временного окна определённого масштаба. Но об этом мы поговорим позже.
Интересно будет посмотреть на явление конвекции в мантии по результатам современных исследований Шмеллинга , которые отображают холодные (синим) и горячие (красным) области в мантии Земли.
Конвективное движение в мантии Земли, цвет отображает температуру. Координата z отображает глубину до границы мантии с ядром (разрыв Гутенберга), а координата x отображает часть длины окружности ядра (или разрыва Гутенберга)
На данном изображении хорошо видно конвективное движение внутри мантии. Движение, вызываемое конвекцией, приводит к ряду процессов, а именно движению тектонических плит и его последствиям.
Движение между двумя плитами очевидно может быть либо сходящимся и сталкивающимся, либо же расходящимся с образованием разлома. Схождение или конвергенция приводит к субдукции (одна плита залезает под другую) или коллизии (смятие двух плит с образованием горных цепей). Расхождение или дивергенция приводит к спредингу (раздвижению плит с образованием хребтов в океанах) и рифтингу (с образованием разлома континентальной коры). Также существует третий тип движения плит - трансформный, когда плиты двигаются вдоль разлома. Так или иначе о характере движения плит стоит поговорить отдельно, особенно учитывая большое количество терминологии.
Скорость движения тектонических плит Земли, и типы движения этих плит у их границ
Также стоит упомянуть о толщине плит, или их мощности. Земная кора бывает материковой и океанической; океаническая земная кора достигает 5–15 км, тогда как материковая земная кора достигает 15–80 км. Это говорит о том, что по сравнению с мантией земная кора крайне «тонка». Поэтому движение плит и их стабильное состояние даже в масштабе секунд крайне сложно себе вообразить (если это вообще возможно). И поэтому движение тектонических плит само по себе может вызвать крайнее удивление своей невозможностью структуры, сложностью реализации и кажущейся ненадёжностью. Так или иначе, ничего лучшего нам не дано.
Результатом движения плит, помимо существующей жизни (хотя это и не доказано), можно назвать землетрясения и вулканизм. Если вулканы распространены не только на границах плит, то карта землетрясений за последние десятки лет чётко вырисовывает границы тектонических плит, и зависимость здесь видимо прямая. Кольцо вулканов вокруг Тихоокеанской плиты называют «Тихоокеанское огненное кольцо».
Карта недавних землетрясений и активных вулканов
К чему же приведёт движение тектонических плит на Земле в будущем, и что из этого получится, мы расскажем в последующих материалах.
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.
Загрузка...
