Почему твердые литосферные плиты сталкиваются. Литосферные плиты

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).

Длительное время в геологической науке господствовала гипотеза о неизменном положении континентов и океанов. Было принято считать, что те и другие возникли сотни миллионов лет назад и никогда не меняли своего положения. Лишь изредка, когда высота континентов существенно снижалась, а уровень Мирового океана повышался, море наступало на низменности и затапливало их.

Среди геологов утвердилось мнение, что земная кора испытывает только медленное вертикальное перемещение и благодаря этому создается наземный и подводный рельеф.

С мыслью, что «земная твердь» находится в беспрестанном вертикальном движении, за счет которого формируется рельеф Земли, абсолютное большинство геологов согласилось давно. Часто эти движения имеют большую амплитуду и скорость и приводят к крупным катастрофам, например землетрясениям. Однако имеются еще и очень медленные, не ощутимые даже самыми чувствительными приборами вертикальные движения с переменным знаком. Это так называемые колебательные движения. Только за очень продолжительный промежуток времени обнаруживается, что горные вершины выросли на несколько сантиметров, а речные долины углубились.

В конце XIX - начале XX в. некоторые естествоиспытатели усомнились в справедливости этих предположений и стали осторожно высказывать идеи о единстве материков в геологическом прошлом, в настоящее время разделенных обширными океанами. Эти ученые, как и многие люди прогрессивных взглядов, оказались в затруднительном положении, поскольку их предположение было бездоказательно. Действительно, если вертикальные колебания земной коры можно было объяснил, какими-то внутренними силами (например, воздействием тепла Земли), то перемещение громадных континентов по земной поверхности сложно было представить.

ГИПОТЕЗА ВЕГЕНЕРА

В начале XX в. большую популярность среди естествоиспытателей, благодаря трудам немецкого геофизика А. Вегенера, получила идея перемещения материков. Он провел многие годы в экспедициях и в ноябре 1930 г. (точная дата неизвестна) погиб на ледниках Гренландии. Научный мир был потрясен известием о гибели А. Вегенера, находившегося в расцвете творческих сил. К этому времени достигла зенита популярность его идеи о дрейфе материков. Многие геологи и геофизики, палеогеографы и биогеографы с интересом восприняли их, стали появляться талантливые работы, в которых развивались эти идеи.

А. Вегенеру пришла мысль о возможном перемещении материков, когда он внимательно рассматривал географическую карту мира. Его поразило удивительное сходство очертаний берегов Южной Америки и Африки. Позднее, А. Вегенер познакомился с палеонтологическими материалами, свидетельствующими о существовании некогда сухопутных связей между Бразилией и Африкой. В свою очередь, это послужило толчком к проведению более детального анализа имеющихся геологических и палеонтологических данных и привело к твердому убеждению о правильности его предположения.

Преодолеть господство хорошо разработанной концепции о неизменности положения материков, или гипотезы фиксизма, остроумным, по чисто умозрительным предположением мобилистов, основанным пока только па сходстве конфигураций противоположных берегов Атлантического океана, в первое время было сложно. А. Вегенер считал, что он сможет убедить всех своих оппонентов в справедливости дрейфа материков лишь тогда, когда будут собраны веские доказательства, основанные на обширном геологическом и палеонтологическом материалах.

Для подтверждения дрейфа материков А. Вегенер и его сторонники приводили четыре группы независимых доказательств: геоморфологические, геологические, палеонтологические и палеоклиматические. Итак, все началось с определенного сходства береговых линий материков, расположенных по обе стороны от Атлантического океана, менее четкое совпадение имеют очертания береговых линий материки, окружающие Индийский океан. А. Вегенер предположил, что около 250 млн. лет назад все материки были сгруппированы в единый гигантский суперматерик - Пангею. Этот суперматерик состоял из двух частей. На севере располагалась Лавразия, которая объединяла Евразию (без Индии) и Северную Америку, а на юге - Гондвана, представленная Южной Америкой, Африкой, Индостаном, Австралией и Антарктидой.

Реконструкция Пангеи была основана главным образом на геоморфологических данных. Они полностью подтверждаются сходством геологических разрезов отдельных материков и ареалами развития определенных типов животного и растительного царств. Вся древняя флора и фауна южных гондванских материков образует единое сообщество. Многие наземные и пресноводные позвоночные, а также мелководные беспозвоночные формы, не способные активно перемещаться на большие расстояния и жившие как будто бы на разных материках, оказались удивительно близкими и похожими друг на друга. Трудно представить, каким образом могла расселиться древняя флора, если бы материки были отдалены один от другого на такое же огромное расстояние как в настоящее время.

Убедительные доказательства в пользу существования Пангеи, Гондваны и Лавразии получены А. Вегенером после обобщения палеоклиматических данных. В то время уже было хорошо известно, что почти на всех южных материках обнаружены следы крупнейшего покровного оледенения, которое произошло около 280 млн. лет назад. Ледниковые образования в виде фрагментов древних морен (их называют тиллитами), остатков форм ледникового рельефа и следов движения ледника известны в Южной Америке (Бразилия, Аргентина), Южной Африке, Индии, Австралии и Антарктиде. Трудно представить, как при современном положении материков могло возникнуть оледенение почти одновременно в столь удаленных друг от друга районах. Кроме того, большинство из перечисленных районов оледенения располагаются и настоящее время в экваториальных широтах.

Противники гипотезы дрейфа материков выставляли следующие аргументы. По их мнению, хотя все эти континенты в прошлом располагались в экваториальных и тропических широтах, они находились на значительно более высоком, чем в настоящее время, гипсометрическом положении, что обусловило появление в их пределах льда и снега. Ведь сейчас на горе Килиманджаро имеется многолетний снег и лед. Однако маловероятно, чтобы общая высота материков в то далекое время составляла 3500-4000 м. Для этого предположения нет никаких оснований, так как в этом случае материки подвергались бы интенсивному размыву и на их обрамлении должны были скопиться толщи грубообломочного материала, подобные накоплениям в конечных бассейнах стока горных рек. В действительности же на шельфе материков отлагались лишь тонкозернистые и хемогенные осадки.

Поэтому наиболее приемлемое объяснение этому уникальному явлению, т. е. нахождению в современной экваториальной и тропической областях Земли древних морен, состоит в том, что 260 - 280 млн. лет назад материк Гондвана, состоящий из собранных воедино Южной Америки, Индии, Африки, Австралии и Антарктиды, находился в высоких широтах, вблизи Южного географического полюса.

Противники гипотезы дрейфа не могли представить, каким образом материки перемещались на столь большие расстояния. А. Вегенер объяснял это на примере движения айсбергов, которое осуществлялось под влиянием центробежных сил, обусловленных вращением планеты.

Благодаря простоте и наглядности и, главное, убедительности приводимых в защиту гипотезы дрейфа материков фактов, она довольно быстро стала популярной. Однако вслед за успехом довольно скоро наступил кризис. Начало критическому отношению к гипотезе положили геофизики. Они получили большое число фактов и физических противоречий в цепи логических доказательств перемещения материков. Это им позволило доказывать неубедительность способа и причин дрейфа материков, и к началу 40-х годов эта гипотеза растеряла почти всех своих сторонников. К 50-м годам XX в. большинству геологов казалось, что гипотеза дрейфа материков должна быть окончательно оставлена и может рассматриваться лишь как один из исторических парадоксов науки, не получивших подтверждения и не выдержавший проверку временем.

ПАЛЕОМАГНЕТИЗМ И НЕОМОБИЛИЗМ

С середины XX в. ученые приступили к интенсивному исследованию рельефа и геологии океанического дна его глубинных недр, а также физики, химии и биологии океанических вод. Морское дно стали прощупывать многочисленными приборами. Расшифровывая записи сейсмографов и магнитометров, геофизики получали новые факты. Было установлено, что многие горные породы в процессе своего образования приобретали намагниченность по направлению существующего геомагнитного полюса. В большинстве случаев эта остаточная намагниченность остается без изменения многие миллионы лет.

В настоящее время уже хорошо разработаны методики отбора образцов и определения их намагниченности на специальных приборах - магнитометрах. Определяя направление намагниченности горных пород различного возраста, можно узнать, как менялось в каждом, конкретно взятом районе направление геомагнитного поля за тот или иной промежуток времени.

Изучение остаточной намагниченности горных пород привело к двум фундаментальным открытиям. Во-первых, установлено, что в течение длительной истории Земли намагниченность менялась многократно - от нормальной, т. е. соответствующей современной, до обратной. Это открытие было подтверждено в начале 60-х годов нашего столетия. Оказалось, что ориентация намагниченности четко зависит от времени и на основании этого были построены шкалы обращений магнитного поля.

Во-вторых, при изучении колонок лав, залегающих по обе стороны от срединно-океанических хребтов, обнаружена определенная симметрия. Это явление получило название полосовой магнитной аномалии. Такие аномалии симметрично располагаются по обе стороны от срединно-океанического хребта, и каждая их симметричная пара имеет один и тот же возраст. Причем последний закономерно увеличивается по мере удаления от оси срединно-океанического хребта в сторону материков. Полосовые магнитные аномалии представляют собой как бы запись инверсий, т. е. изменений направления магнитного поля на гигантской «магнитной ленте».

Американский ученый Г. Хесс высказал предположение, многократно подтвержденное впоследствии, что частично расплавленное мантийное вещество поднимается на поверхность по трещинам и через рифтовые долины, расположенные в осевой части срединно-океанического хребта. Оно растекается в разные стороны от оси хребта и при этом как бы растаскивает, раскрывает океаническое дно. Мантийное вещество постепенно заполняет рифтовую трещину, застывает в ней, намагничивается исходя из существующей магнитной полярности, а затем, разрываясь примерно посередине, отодвигается новой порцией расплава. На основании времени инверсии и порядка чередования прямой и обратной намагниченности определяется возраст океанов и расшифровывается история их развития.

Полосовые магнитные аномалии океанического дна оказались наиболее удобной информацией для восстановления эпох полярности геомагнитного поля в геологическом прошлом. Но имеется еще очень важное направление изучения магматических пород. Основываясь на остаточной намагниченности древних пород, удается определить направление палеомеридианов, а следовательно, и координаты Северного и Южного полюсов в ту или иную геологическую эпоху.

Первые определения положения древних полюсов показали, что чем древнее исследуемая эпоха, тем сильнее отличается местонахождение магнитного полюса от современного. Однако главное заключается в том, что координаты полюсов, определенные по одновозрастным горным породам, для каждого в отдельности континента одинаковые, а для разных континентов имеют расхождение, которое увеличивается по мере углубления в далекое прошлое.

Одним из феноменов палеомагнитных исследований была несовместимость положения магнитных древних и современных полюсов. При попытке совместить их каждый раз требовалось передвигать континенты. Примечательно, что при совмещении позднепалеозойских и раннемезозойских магнитных полюсов с современными континенты сдвигались в единый огромный материк, очень похожий на Пангею.

Столь ошеломляющие результаты палеомагнитных исследований способствовали возвращению к гипотезе о дрейфе материков со стороны широких научных кругов. Английский геофизик Е. Буллард и его коллеги решили проверить исходную предпосылку дрейфа материков - сходство контуров материковых глыб, разобщенных в настоящее время Атлантическим океаном. Совмещение проводилось с помощью электронно-вычислительных машин, но уже не по контуру береговых линий, как это делал А. Вегенер, а по изобате 1800 м, которая проходит примерно посередине континентального склона. Контуры материков, расположенные по обоим краям Атлантики, на значительном протяжении совпали.

ТЕКТОНИКА ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ

Открытия первичной намагниченности, полюсов магнитных аномалий с переменным знаком, симметричных осям срединно-океанических хребтов, изменение положения магнитных полюсов со временем и целый ряд других открытий привели к возрождению гипотезы дрейфа материков.

Представление о расширении дна океанов от осей срединно-океанических хребтов к периферии получило многократное подтверждение, особенно после глубоководного бурения. Большой вклад в развитие идей мобилизма (дрейфа материков) внесли сейсмологи. Их исследования позволили уточнить картину распределения зон сейсмической активности на земной поверхности. Оказалось, что эти зоны довольно узкие, но протяженные. Они приурочены к окраинам материков, островным дугам, а также к срединно-океаническим хребтам.

Возрожденная гипотеза дрейфа материков получила название тектоники литосферных плит. Эти плиты медленно перемещаются по поверхности нашей планеты. Их толщина иногда достигает 100-120 км, но чаще составляет 80-90 км. Литосферных плит на Земле немного (рис. 1) - восемь крупных и около полутора десятков мелких. Последние часто называют микроплитами. Две крупные плиты расположены в пределах Тихого океана и представлены тонкой и легко проницаемой океанической корой. Антарктическая, Индо-Австралийская, Африканская, Северо-Американская, Южно-Американская и Евразийская литосферные плиты обладают корой континентального типа. Они имеют различные края (границы). В тех случаях, когда плиты расходятся, их края называют дивергентными. Поскольку они расходятся, в образующуюся трещину (рифтовую зону) поступает мантийное вещество. Оно застывает на поверхности дна и наращивает океаническую кору. Новые порции мантийного вещества расширяют рифтовую зону, что заставляет двигаться литосферные плиты. На месте их раздвига образуется океан, размеры которого все время увеличиваются. Этот тип границ фиксируется современными океаническими рифтовыми трещинами вдоль осей срединно-океанических хребтов.

Рис. 1. Современные литосферные плиты Земли и направление их движения.

1 - оси раздвижения и разломы; 2 - планетарные пояса сжатия; 3 - конвергентные границы плит; 4 - современные континенты

Когда литосферные плиты сходятся, их границы носят название конвергентных. В зоне сближения происходят сложные процессы. Можно выделить два главных. В случае, когда океаническая плита сталкивается с другой океанической или континентальной, она погружается в мантию. Процесс этот сопровождается короблением и разламыванием. В зоне погружения возникают глубокофокусные землетрясения. Именно в этих местах располагаются зоны Заварицкого - Беньоффа.

Океаническая плита поступает в мантию и там частично переплавляется. При этом наиболее легкие ее компоненты, расплавляясь, вновь поднимаются на поверхность в виде вулканических извержений. Именно такую природу имеет Тихоокеанское огненное кольцо. Тяжелые компоненты медленно погружаются в мантию и могут опускаться вплоть до границ ядра.

В случае, когда сталкиваются две континентальные литосферные плиты, возникает эффект типа торошения.

Его мы многократно наблюдаем во время ледохода, при этом льдины сталкиваются и раздрабливаются, надвигаясь друг на друга. Земная кора континентов значительно легче, чем мантия, поэтому плиты не погружаются в мантию. При столкновении они сжимаются и на их краях возникают крупные горные сооружения.

Многочисленные и многолетние наблюдения позволили геофизикам установить средние скорости перемещения литосферных плит. В пределах Альпийско-Гималайского пояса сжатия, который образовался в результате столкновения Африканской и Индостанской плит с Евразийскои, скорости сближения составляют от 0,5 см/год в районе Гибралтара до 6 см/год в районах Памира и Гималаев.

В настоящее время Европа «отплывает» от Северной Америки со скоростью до 5 см/год. Однако Австралия «уходит» от Антарктиды с максимальной скоростью - в среднем 14 см/год.

Наиболее высокими скоростями перемещения обладают океанические литосферные плиты - их скорость в 3-7 раз выше скорости континентальных литосферных плит. Самой «быстрой» является Тихоокеанская плита, а самой «медленной» - Евразийская.

МЕХАНИЗМ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ

Сложно вообразить, что обширные и массивные материки могут медленно перемещаться. Еще труднее ответить на вопрос, почему они перемещаются? Земная кора представляет охлажденную и полностью раскристаллизованную массу. Снизу она подстилается частично расплавленной астеносферой. Легко предположить, что литосферные плиты возникли при остывании частично расплавленного вещества астеносферы аналогично процессу образования льда в водоемах в зимний период. Однако разница заключается в том, что лед легче воды, а раскристаллизованные силикаты литосферы тяжелее своего расплава.

Каким же образом формируются океанические литосферные плиты?

В пространство между ними поднимается горячее и частично расплавленное вещество астеносферы, которое, попадая на поверхность океанического дна, охлаждается и, кристаллизуясь, превращается в породы литосферы (рис. 2). Образовавшиеся ранее участки литосферы как бы «промерзают» еще сильнее и раскалываются трещинами. Новая порция горячего вещества поступает в эти трещины и, застывая, увеличиваясь в объеме, раздвигает их. Процесс многократно повторяется.

Рис. 2. Схема движения жестких литосферных плит (по Б. Айзексу и др.)

Породы литосферы тяжелее подстилающего горячего вещества астеносферы и, следовательно, чем она толще, тем глубже опускается, или проседает, в мантию. Почему же литосферные плиты, если они тяжелее вещества расплавленной мантии, не тонут в ней? Ответ довольно прост. Они не тонут потому, что к тяжелой мантийной части континентальных плит сверху «припаяна» легкая земная кора, выполняющая роль поплавка. Поэтому средняя плотность пород континентальных плит всегда меньше средней плотности горячего вещества мантии.

Океанические же плиты тяжелее мантии, и поэтому они рано или поздно погружаются в мантию и тонут под более легкими континентальными плитами.

Довольно длительное время океаническая литосфера, подобно гигантским «расплющенным блюдцам», удерживается на поверхности. В соответствии с законом Архимеда масса вытесненной из-под них астеносферы равна массе самих плит и заполняющих литосферные понижения воды. Возникает существующая длительное время плавучесть. Однако долго так продолжаться не может. Целостность «блюдца» временами нарушается в местах возникновения избыточных напряжений, причем они тем сильнее,чем глубже погружаются плиты в мантию, а следовательно, чем они древнее. Вероятно, в литосферных плитах, имевших возраст древнее 150 млн. лет, возникали напряжения, намного превышающие предел прочности самой литосферы, они раскалывались и погружались в горячую мантию.

ГЛОБАЛЬНЫЕ РЕКОНСТРУКЦИИ

На основании изучения остаточной намагниченности горных пород континентов и океанического дна устанавливаются положение полюсов и широтная зональность в геологическом прошлом. Палеошироты, как правило, не совпадают с современными географическими широтами, и эта разница все сильнее увеличивается по мере удаления от настоящего времени.

Совокупное использование геофизических (палеомагнитных и сейсмических), геологических, палеогеографических и палеоклиматических данных позволяет осуществить реконструкции положения материков и океанов для различных отрезков времени геологического прошлого. В этих исследованиях принимают участие многие специалисты: геологи, палеонтологи, палеоклиматологи, геофизики, а также специалисты по вычислительной технике, поскольку не сами расчеты векторов остаточной намагниченности, а интерпретация их немыслима без применения ЭВМ. Реконструкции осуществлялись независимо друг от друга советскими, канадскими и американскими учеными.

На протяжении почти всего палеозоя южные материки были объединены в единый огромный континент Гондвану. Нет никаких достоверных свидетельств существования в палеозое Южной Атлантики и Индийского океана.

В начале кембрийского периода, примерно 550 – 540 млн. лет назад, наиболее крупным материком являлась Гондвана. Ей противостояли в северном полушарии разобщенные материки (Северо-Американский, Восточно-Европейский и Сибирский), а также небольшое число микроконтинентов. Между Сибирским и Восточно-Европейским континентами, с одной стороны, и Гондваной, с другой, располагался Палеоазиатский океан, а между Северо-Американским материком и Гондваной находился палео-Атлантический океан. Кроме них, в то далекое время существовало обширное океаническое пространство - аналог современного Тихого океана. Конец ордовика, около 450 - 480 млн. лет назад, характеризовался сближением континентов в северном полушарии. Их столкновения с островными дугами приводили к наращиванию окраинных частей Сибирской и Северо-Американской суши. Палеоазиатский и палео-Атлантический океаны начинают сокращаться в размерах. Через некоторое время на этом месте возникает новый океан - Палеотетис. Он занимал территорию современной Южной Монголии, Тянь-Шаня, Кавказа, Турции, Балкан. Новый водный бассейн возник и на месте современного Уральского хребта. Ширина Уральского океана превышала 1500 км. Согласно палеомагнитным определениям, Южный полюс в это время находился в северо-западной части Африки.

В первой половине девонского периода, 370 - 390 млн. лет назад, материки начинали объединяться: Северо-Американский с Западной Европой, в результате чего возник, правда не надолго, новый материк - Еврамерика. Современные горные сооружения Аппалачей и Скандинавии образовались за счет столкновения этих континентов. Палеотетис несколько сократился в размерах. На месте Уральского и Палеоазиатского океанов сохранялись небольшие реликтовые бассейны. Южный полюс находился в районе нынешней Аргентины.

Значительная часть Северной Америки располагалась в южном полушарии. В тропических и экваториальных широтах находились Сибирский, Китайский, Австралийский континенты и восточная часть Еврамерики.

Ранний карбон, примерно 320-340 млн. лет назад, характеризовался продолжающимся сближением континентов (рис. 3). В местах их столкновения возникли складчатые области и горные сооружения - Урал, Тянь-Шань, горные массивы Южной Монголии и Западного Китая, Салаир и др. Возникает новый океан Палеотетис II (Палеотетис второй генерации). Он отделял Китайский континент от Сибирского и Казахстанского.

Рис.3. Положение материков в раннем карбоне (340 млн. лет назад)

В середине каменноугольного периода значительная часть Гондваны оказалась в полярном районе южного полушария, что привело к одному из величайших в истории Земли оледенений.

Поздний карбон - начало пермского периода 290 - 270 млн. лет назад, ознаменовался объединением материков в гигантскую континентальную глыбу - суперматерик Пангею (рис. 4). Он состоял из Гондваны на юге и Лавразии на севере. Лишь Китайский континент отделялся океаном Палеотетис II от Пангеи.

Во второй половине триасового периода, 200 - 220 млн. лет назад, хотя расположение континентов было примерно таким же, как и в конце палеозоя, тем не менее произошли изменения в очертаниях континентов и океанов (рис. 5). Китайский континент соединился с Евразией, прекратил существование Палеотетис II.

Однако почти одновременно возник и начал усиленно расширяться новый океанический бассейн - Тетис. Он отделил Гондвану от Евразии. Внутри его сохранились изолированные микроконтиненты - Индокитайский Иранский, Родопский, Закавказский и др.

Возникновение нового океана было обусловлено дальнейшим развитием литосферы - распадом Пангеи и разделением всех известных в настоящее время материков. В начале раскололась Лавразия - в районе со временного Атлантического и Северного Ледовитого океанов. Затем отдельные ее части стали отодвигаться друг от друга и тем самым освободили место для Северной Атлантики.

Позднеюрская эпоха, около 140 - 160 млн. лет назад, - это время дробления Гондваны (рис. 6). На месте раскола возникли Атлантический океанический бассейн и срединно-океанические хребты. Продолжал развиваться океан Тетис, на севере которого располагалась система островных дуг. Они находились на месте современного Малого Кавказа, Эльбурса и гор Афганистана и отделяли от океана окраинные моря.

В течение позднеюрского и мелового времени осуществлялось перемещение континентов в широтном направлении. Возникли Лабрадорское море и Бискайский залив, Индостан и Мадагаскар отделились от Африки. Между Африкой и Мадагаскаром появился пролив. Длительное путешествие Индостанской плиты завершилось в конце палеогена столкновением с Азией. Здесь и образовались гигантские горные сооружения - Гималаи.

Океан Тетис начинал последовательно сокращаться и замыкаться, главным образом за счет сближения Африки и Евразии. На его северной окраине возникала цепь вулканических островных дуг. Аналогичный вулкапический пояс сформировался и на восточной окраине Азии. В конце мелового периода Северная Америка и Евразия соединились в районе Чукотки и Аляски.

В течение кайнозоя полностью замкнулся океан Тетис, реликтом которого сейчас является Средиземное море. Столкновение Африки с Европой привело к образованию Альпийско-Кавказской горной системы. Континенты начали постепенно сходиться в северном полушарии и расходиться в стороны в южном, распадаясь на отдельные изолированные блоки и массивы.

Сравнивая положения континентов в отдельные геологические периоды, мы приходим к мысли, что в развитии Земли существовали крупные циклы, на протяжении которых материки то сходились воедино, то расходились в разные стороны. Продолжительность каждого такого цикла составляет не менее 600 млн. лет. Есть основания считать, что образование Пангеи и ее распад не были единичными моментами в истории нашей планеты. Подобный супергигантский материк возник и в глубокой древности примерно 1 млрд. лет назад.

ГЕОСИНКЛИНАЛИ - СКЛАДЧАТЫЕ ГОРНЫЕ СИСТЕМЫ

В горах мы восхищаемся открывающейся красочной панорамой, поражаемся безграничными созидательными и разрушительными силами природы. Величественно стоят седые горные вершины, огромные ледники языками спускаются в долины, в глубоких каньонах бурлят горные реки. Нас удивляют не только дикая красота горных областей, но и те факты, о которых мы слышим от геологов, а они утверждают, что на месте обширных горных сооружений в далеком прошлом находились необозримые морские просторы.

Когда Леонардо да Винчи обнаружил высоко в горах остатки раковин морских моллюсков, он сделал правильный вывод о существовании там в древности моря, но ему тогда мало кто поверил. Каким же образом в горах на высоте 2-3 тыс. м могло оказаться море? Не одно поколение ученых-естествоиспытателей приложило большие усилия для того, чтобы доказать вероятность такого, казалось бы, небывалого случая.

Великий итальянец был прав. Поверхность нашей планеты все время находится в движении - горизонтальном или вертикальном. При ее опускании неоднократно случались грандиозные трансгрессии, когда свыше 40% современной поверхности суши покрывалось морем. При восходящем движении земной коры высота материков увеличивалась и море отступало. Происходила так называемая регрессия моря. Но каким же образом образовались грандиозные горные сооружения и обширные горные массивы?

Длительное время в геологии господствовали идеи преобладании вертикальных движений. В связи с этим существовало мнение, что благодаря таким движениям и образовались горы. Большинство горных сооружений земного шара сосредоточено в определенных поясах протяженностью в тысячи километров и шриной в несколько десятков или даже первых сотен километров. Для них характерны интенсивная складчатость, проявления разнообразных разрывов, интрузий магматических пород, даек, секущих толщи осадочных и метаморфических пород. Непрерывное медленное воздымание, сопровождающееся эрозионными процессами, формируют рельеф горных сооружений.

Горные области Аппалачей, Кордильер, Урала, Алтая, Тянь-Шаня, Гиндукуша, Памира, Гималаев, Альп, Кавказа - это складчатые системы, которые образовать в различные периоды геологического прошлого в эпохи тектонической и магматической активности. Для этих горных систем типична огромная мощность накопившихся осадочных образований, часто превышающая 10 км, что в десятки раз больше мощности аналогичных пород в пределах равнинной, платформенной части.

Открытие необычайно мощных толщ осадочных пород, смятых в складки, пронизанных интрузиями и дайками магматических пород, к тому же имеющих большую протяженность при сравнительно небольшой ширине, привело к созданию в середине XIX в. геосинклинальной теории формирования гор. Протяженная область мощных осадочных толщ, со временем превращающаяся горную систему, получила название геосинклинали. В противоположность ей устойчивые участки земной коры большой мощностью осадочных пород называют платформами.

Почти все горные системы земного шара, обладающие складчатостью, разрывами и магматизмом, -это древние геосинклинали, расположенные на краях континентов. Несмотря на огромную мощность, абсолютное большинство осадков имеют мелководное происхождение. Нередко на поверхностях напластований встречаются отпечатки знаков ряби, остатки мелководных донных животных и даже трещины усыхания. Большая мощность отложений свидетельствует о значительном и при этом достаточно быстром погружении земной коры. Наряду с типично мелководными осадками встречаются и глубоководные (например, радиоляриты и тонкозернистые осадки со своебразной слоистостью и текстурами).

Геосинклинальные системы изучаются в течение целого столетия и благодаря трудам многих поколений ученых разработана, казалось бы, стройная система последовательности их возникновения и эволюции. Единственным необъяснимым фактом до сих пор остается отсутствие современного аналога геосинклинали. Что можно считать современной геосинклиналью? Окраинное море или весь океан?

Однако с развитием концепции тектоники литосферных плит геосинклинальная теория претерпела некоторые изменения и было найдено место геосинклинальных систем в периоды растяжения, перемещения и столкновения литоеферных плит.

Каким же образом происходило развитие складчатых систем? На тектонически активных окраинах континентов располагались протяженные области, испытывающие медленное погружение. В окраинных морях накапливались отложения мощностью от 6 до 20 км. Одновременно с ними здесь формировались вулканические образования в виде магматических интрузий, даек и лавовых покровов. Осадконакопление длилось десятки, а иногда даже и сотни миллионов лет.

Затем в орогенный этап происходили медленная деформация и преобразование геосинклинальной системы. Ее площадь сократилась, она как бы сплющилась. Возникли складки и разрывы, а также интрузии расплавленных магматических пород. В процессе деформации произошло смещение глубоководных и мелководных осадков и при высоких давлениях и температурах они подвергались метаморфизму.

В это время происходило воздымание, море полностью покидает территорию и образовались горные хребты массивы. Последующие процессы размыва горных пород, транспортировки и накопления обломочных осадков привели в конце концов к тому, что эти горы постепенно разрушались вплоть до отметок,близких к уровню моря. К такому же результату приводило и медленное погружение складчатых систем, находящихся на краях континентальной плиты.

В процессе формирования геосинклинальных систем принимают участие не только горизонтальные перемещения, но и вертикальные, осуществляемые главным образом в результате медленного движения литосферных плит. В случае, когда одна плита погружалась под другую, мощные осадки геосинклиналей в пределах окраинных морей, островных дуг и глубоководных желобов подвергались активному воздействию высоких температур и давления. Области погружения плиты носят название зон субдукции. Здесь породы опускаются в мантию, расплавляются и перерабатываются. Для этой зоны характерны сильнейшие землетрясения и вулканизм.

Там, где давление и температура были не столь высоки, происходило смятие горных пород в систему складок, а в местах наибольшей твердости пород их сплошность нарушалась разрывами и перемещениями отдельных блоков.

В областях сближения, а затем сталкивания континентальных литосферных плит ширина геосинклинальнои системы сильно уменьшалась. Одни части ее опускались глубоко в мантию, а другие, наоборот, надвигались на ближайшую плиту. Выжатые из глубины и смятые в складки осадочные и метаморфические образования многократно наслаиваясь друг на друга в виде гигантских чешуи, и в конце концов возникли горные массивы. Например, Гималаи образовались в результате столкновения двух больших литосферных плит - Индостанской и Евроазиатской. Горные системы южной Европы и Северной Африки, Крым, Кавказ, горные области Турции, Иран, Афганистан в основном сформировались в результате столкновения Африканской и Евроазиатской плит. Аналогичным образом, но в более древнее время возникли Уральские горы, Кордильеры, Аппалачи и другие горные области.

ИСТОРИЯ СРЕДИЗЕМНОГО МОРЯ

Моря и океаны формировались длительное время, пока не приобрели современный вид. Из истории развития морских бассейнов особый интерес представляет эволюция Средиземного моря. Вокруг него возникли первые цивилизованные государства, а история народов, населявших его побережье, хорошо известна. Но нам придется начать свое описание за много миллионов лет до появления здесь первого человека.

В глубокой древности, почти 200 млн. лет назад, на месте современного Средиземного моря существовал широкий и глубокий океан Тетис, Африка от Европы в то время отстояла на несколько тысяч километров. В океане находились крупные и мелкие архипелаги островов. Эти всем хорошо известные области, в настоящее время расположенные в Южной Европе, на Ближнем и Среднем Востоке - Иран, Турция, Синайский полуостров, Родопский, Апулийский, Татрский массивы, Южная Испания, Калабрия, Мезета, Канарские острова, Корсика, Сардиния, находились далеко к югу от современного их местоположения.

В мезозое между Африкой и Северной Америкой возник разлом. Он отделил от Африки Родопо-Турецкий массив и Иран, и по нему внедрялась базальтовая магма, формировалась океаническая литосфера и происходило раздвижение земной коры, или спрединг. Океан Тетис располагался в тропической области Земли и простирался от современного Атлантического океана через Индийский (последний составлял его часть) до Тихого. Максимальной широты Тетис достиг примерно 100- 120 млн. лет назад, а затем началось его последовательное сокращение. Медленно Африканская литосферная плита сближалась с Евроазиатской. Около 50 - 60 млн. лет назад от Африки отделилась Индия и начала свой беспримерный дрейф к северу, пока не столкнулась с Евразией. Размеры океана Тетис постепенно сокращались. Всего 20 млн. лет назад на месте обширного океана остались окраинные моря - Средиземное, Черное и Каспийское, размеры которых, однако, намного превышали современные. Не менее масштабные события происходили в последующее время.

В начале 70-х годов нашего столетия в Средиземном море под слоем рыхлых осадков мощностью в несколько сот метров были обнаружены эвапориты - разнообразные каменные соли, гипсы и ангидриты. Они образовались путем усиленного испарения воды около 6 млн. лет назад. Но неужели Средиземное море могло высохнуть? Именно такая гипотеза была высказана и поддерживается многими геологами. Предполагается, что 6 млн. лет назад Гибралтарский пролив закрылся и примерно через тысячу лет Средиземное море превратилось в огромную котловину глубиной 2 - 3 км с мелкими пересыхающими солеными озерами. Дно моря покрывалось слоем затвердевшего доломитового ила, гипса и каменной соли.

Геологи установили, что Гибралтарский пролив периодически открывался и вода через него из Атлантического океана попадала на дно Средиземного моря. При открытии Гибралтара атлантические воды низвергались в виде водопада, который по крайней мере в 15 - 20 раз превышал расход крупнейшего водопада Виктория на р. Замбези в Африке (200 км 3 /год). Закрытие и открытие Гибралтара происходило не менее 11 раз, и это обеспечило накопление толщи эвапоритов мощностью около 2 км.

В периоды осушения Средиземного моря на крутых склонах его глубокой котловины стекавшие с суши реки прорезывали протяженные и глубокие каньоны. Один из таких каньонов обнаружен и прослежен на расстоянии около 250 км от современной дельты р. Рона по материковому склону. Он заполнен очень молодыми, плиоценовыми осадками. Другим примером такого каньона является подводное продолжение р. Нила в виде заполненного осадками каньона, прослеженного на расстоянии 1200 км от дельты.

Во время потери связи Средиземного моря с открытым океаном на его месте располагался своеобразный сильно опресненный бассейн, остатками которого в настоящее время являются Черное и Каспийское моря, этот пресноводный, а временами и засолоненный бассейн простирался от Центральной Европы до Урала и Аральского моря и назван Паратетисом.

Зная положение полюсов и скорости современного перемещения литосферных плит, скорости раздвижения и поглощения океанического дна, можно наметить путь движения континентов в будущем и представить их положение на какой-то отрезок времени.

Такой прогноз был сделан американскими геологами Р. Дитцем и Дж. Холденом. Через 50 млн. лет, по их предположениям, Атлантический и Индийский океаны разрастутся за счет Тихого, Африка сместится на север и благодаря этому постепенно ликвидируется Средиземное море. Гибралтарский пролив исчезнет, а «повернувшаяся» Испания закроет Бискайский залив. Африка будет расколота великими африканскими разломами и восточная ее часть сместится на северо-восток. Красное море настолько расширится, что отделит Синайский полуостров от Африки, Аравия переместится на северо-восток и закроет Персидский залив. Индия все сильнее будет надвигаться на Азию, а значит, Гималайские горы будут расти. Калифорния по разлому Сан-Андреас отделится от Северной Америки, и на этом месте начнет формироваться новый океанический бассейн. Значительные изменения произойдут в южном полушарии. Австралия пересечет экватор и придет в соприкосновение с Евразией. Этот прогноз требует значительного уточнения. Многое здесь еще остается дискуссионным и неясным.

Из книги «Современная геология». Н.А. Ясаманов. М. Недра. 1987 г.

Дивергенция

О том, что Пангея $ 135$ млн. лет тому назад распалась на Лавразию и Гондвану , утверждал еще А. Вегенер . Его гипотеза была названа мобилизмом . Гипотеза стала теорией во второй половине прошлого века. Движение плит литосферы было зафиксировано из космоса.

Земную кору образуют $15$ литосферных плит, из них $ 6$ плит являются самыми крупными.

К ним относятся:

• Евразийская плита;
• Североамериканская плита;
• Южноамериканская плита;
• Австралийская плита;
• Антарктическая плита;
• Тихоокеанская плита.

Скорость движения плит по разным оценкам составляет от $1$ мм-1$8$ см в год.

Относительные перемещения плит могут быть трех типов :

• Дивергенция;
• Конвергенция;
• Сдвиговые перемещения.

Дивергенция или расхождение выражается рифтингом и спредингом .

Раздвижение плит происходит вдоль дивергентных границ. Эти границы в рельефе планеты представлены рифтами , где преобладают деформации растяжения. Кора имеет пониженную мощность, а тепловой поток максимален, в результате происходит интенсивная вулканическая деятельность. В зависимости от того, где находится дивергентная граница, зависит дальнейшее развитие – если граница на континенте , то формируется континентальный рифт . В дальнейшем он может превратиться в океанический бассейн. Рифты на океанической коре приурочены к центральным частям срединно-океанических хребтов, где образуется новая океаническая кора . Её образование происходит за счет того, что из астеносферы поступает магматический базальтовый расплав.

Определение 1

Образование новой океанической коры за счет поступления мантийного вещества получило название спрединг

Срединно-океанические хребты делят на быстро-спрединговые – скорость раздвижения плит составляет $8$-$16$ см в год и медленно-спрединговые. Последние имеют отчетливо выраженную центральную депрессию. Это рифт глубиной $4$-$5$ тыс. метров. Образовавшийся рифт становится началом раскола континента. Постепенно формируется линейная впадина, имеющая глубину сотни метров и ограниченная серией сбросов.

Дальнейшее развитие событий может идти по двум вариантам :

• Прекращение расширения рифта, заполнение его осадочными породами и превращение в авлакоген ;
• Раздвижение континентов продолжается и начинается формирование океанической коры.

Определение 2

Авлакоген – это линейная подвижная зона внутри платформы

Конвергенция

Определение 3

Конвергенция – это схождение плит, которое выражается субдукцией и коллизией .

Существует несколько вариантов взаимодействия плит при их столкновении:

• Столкновение двух океанических плит;
• Столкновение океанической плиты с континентальной;
• Столкновение двух континентальных плит.

Замечание 1

Характер столкновения плит может быть разный, в зависимости от этого возможны различные процессы. Процесс субдукции возникает тогда, когда более тяжелая океанская плита поддвигается под континентальную плиту или другую океаническую. Если сталкиваются две океанические плиты, то погружаться будет более древняя , потому что она уже остывшая и плотная. Субдукция связана с формированием новой континентальной коры .

Иногда при взаимодействии континентальной и океанской плит возникает процесс обдукции , но он бывает значительно реже и в наши дни нигде не установлен. Но, тем не менее, участки с эпизодами обдукции известны и произошли они в недавнее геологическое время. В процессе обдукции часть океанской литосферы надвигается на край континентальной плиты. Кора континентальных плит более легкая, чем вещество мантии, поэтому при их столкновении погрузиться в неё не может, что приводит к процессу коллизии . В ходе этого процесса края континентальных плит дробятся и сминаются . В результате происходит формирование крупных надвигов и рост горных сооружений. Например, при столкновении Индостанской и Евразийской плит, произошел рост горных систем Гималаев и Тибета , а океан Тетис в результате этого был закрыт – коллизия завершает закрытие океанического бассейна. Современные конвергентные границы имеют общую протяженность около $57$ тыс. км. Их них $45$ тыс. км являются субдукционными, а остальные относятся к коллизионным границам.

Сдвиговые перемещения по трансформным разломам

Параллельное движение плит и их разная скорость приводит к трансформным разломам , которые представляют собой сдвиговые нарушения . Они очень редки на материках и широко распространены в океанах. В океане эти разломы направлены перпендикулярно срединно-океаническим хребтам и разбивают их на сегменты. На таких участках практически постоянны землетрясения и горообразование. Надвиги, складки, грабены формируются вокруг разлома. На материках такие сдвиговые границы довольно редки и достаточно активным примером такой границы является разлом Сан-Андреас . Он отделяет Тихоокеанскую плиту от Североамериканской плиты. Сан-Андреас тянется на $800$ миль и относится к самым сейсмоактивным районам планеты. Смещение плит здесь относительно друг друга происходит на $0,6$ см в год, а землетрясения, которые возникают один раз в $22$ года, имеют магнитуду более $6$ единиц. В зоне повышенной опасности находится город Сан-Франциско и большая часть бухты одноименного названия, потому что они находятся в непосредственной близости от разлома. Движение плит объясняется мантийной конвекцией, которая является основной их причиной. Конвекция образуется благодаря мантийным теплогравитационным течениям, а источником энергии для них служит разность температуры между центральными областями Земли и частями, близкими к поверхности. Породы, нагретые в центральных зонах, начинают расширяться, уменьшается их плотность и, уступая место более холодным, они всплывают. В результате непрерывности этого процесса возникают замкнутые упорядоченные конвективные ячейки. В её верхней части течение вещества почти горизонтальное, что и определяет перемещение плит.

Замечание 2

Если говорить в общем, то под зонами дивергентных границ располагаются восходящие ветви конвективных ячей, а под зонами конвергентных границ – нисходящие ветви и основной причиной движения литосферных плит является «волочение » конвективными течениями.

Можно назвать еще ряд факторов, действующих на плиты:

• Гравитационное «соскальзывание» литосферной плиты;
• Затягивание в зонах субдукции холодной океанской плиты в горячую;
• Гидравлическое расклинивание базальтами в зонах срединно-океанических хребтов.

Литосферные плиты состоят из океанских и континентальных частей. Ученые считают, что присутствие в составе плиты континента должно «тормозить » движение всей плиты. Так оно и есть, быстрее движутся чисто океанские плиты – Наска, Тихоокеанская . Медленнее движутся плиты, в составе которых большую площадь занимают континенты – Евразийская, Североамериканская, Южноамериканская, Антарктическая, Африканская.

Условно выделяют две группы мезанизмов, которые приводят в движение плиты:

• Силы мантийного «волочения»;
• Силы, приложенные к краям плит.

Хотя для каждой плиты движущие механизмы оцениваются индивидуально. Перемещения литосферных плит можно описать на основе теоремы Эйлера . Его теорема утверждает, что у любого вращения трехмерного пространства есть ось и вращение можно описать такими параметрами как координаты оси вращения и угол поворота . При помощи теоремы можно реконструировать положение континентов в прошлые геологические эпохи. Ученые пришли к выводу, анализируя данные о перемещении континентов, что каждые $400$-$600$ млн. лет они снова объединяются в единый суперконтинент, который в дальнейшем подвергается распаду.

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".

Тогда наверняка вы бы хотели знать, что такое литосферные плиты .

Итак, литосферные плиты представляют собой огромные блоки, на которые делится твердый поверхностный слой земли. Учитывая тот факт, что скальные породы под ними расплавлены, плиты медленно, со скоростью от 1 до 10 сантиметров в год, двигаются.

На сегодняшний день насчитывают 13 крупнейших литосферных плит, которые покрывают 90% земной поверхности.

Крупнейшие литосферные плиты:

• Австралийская плита - 47 000 000 км²
• Антарктическая плита - 60 900 000 км²
• Аравийский субконтинент - 5 000 000 км²
• Африканская плита - 61 300 000 км²
• Евразийская плита - 67 800 000 км²
• Индостанская плита - 11 900 000 км²
• Плита Кокос - 2 900 000 км²
• Плита Наска - 15 600 000 км²
• Тихоокеанская плита - 103 300 000 км²
• Северо-Американская плита - 75 900 000 км²
• Сомалийская плита - 16 700 000 км²
• Южно-Американская плита - 43 600 000 км²
• Филиппинская плита - 5 500 000 км²

Тут надо сказать, что существует земная кора континентальная и океаническая. Некоторые плиты состоят исключительно из одного типа коры (например, тихоокеанская плита), а некоторые из смешанных типов, когда плита начинается в океане и плавно переходит на континент. Толщина этих пластов составляет 70-100 километров.

Литосферные плиты плавают на поверхности частично расплавленного слоя земли – мантии. Когда плиты расходятся, трещины между ними заполняет жидкая порода, которая называется магмой. Когда магма затвердевает, она образует новые кристаллические породы. По поводу магмы поговорим подробнее в статье о вулканах.

Карта литосферных плит

Крупнейшие литосферные плиты (13 шт.)

В начале XX века американец Ф.Б. Тейлор и немец Альфред Вегенер одновременно пришли к выводу, что расположение континентов медленно изменяется. К слову сказать, именно это, в большой степени, является . Но ученые не смогли объяснить, как это происходит, до 60 годов двадцатого века, пока не выработалось учение о геологических процессах на морском дне.

Карта расположения литосферных плит

Именно ископаемые сыграли здесь главную роль. На разных материках были найдены окаменелые останки животных, которые явно не могли переплывать океан. Это вызвало предположение о том, что когда-то все материки были соединены и животные спокойно переходили между ними.

Подписывайтесь на . У нас много интересных фактов и увлекательных историй из жизни людей.