Основные положения глобальной тектоники

Основой теоретической геологии начала XX в. была контракционная гипотеза. Земля остывает подобно испечённому яблоку, и на ней появляются морщины в виде горных хребтов. Против этой схемы выступил немецкий учёный-метеоролог Альфред Вегенер, который выступил с теорией дрейфа материков. Но критики теории Вегенера поставили во главу угла вопрос о силе, двигающей континенты, и проигнорировали всё множество фактов, безусловно подтверждавших теорию. После смерти Альфреда Вегенера теория дрейфа материков была отвергнута, получив статус маргинальной науки. Правда, некоторые учёные не признали вердикт мировых авторитетов и продолжили поиск доказательств движения материков. Так дю Туа объяснял образование гималайских гор столкновением Индостана и Евразийской плиты.

К началу 1960-х гг. была составлена карта рельефа дна Мирового океана, которая показала, что в центре океанов расположены срединно-океанические хребты, которые возвышаются на 1,5 - 2 км над абиссальными равнинами, покрытыми осадками. Эти данные позволили Р. Дицу и Гарри Хессу в 1962 - 1963 гг. выдвинуть гипотезу спрединга (англ. seafloor spreading - растекание морского дна). Согласно этой гипотезе, в мантии происходит конвекция со скоростью около 1 см./год. Континенты не плывут по океанической коре, а перемещаются по мантии, будучи пассивно «впаяны» в литосферные плиты. Согласно концепции спрединга, океанические бассейны структуры непостоянные, неустойчивые, континенты же -- устойчивые.

В 1963 г. гипотеза спрединга получает мощную поддержку в связи с открытием полосовых магнитных аномалий океанического дна. Они были интерпретированы как запись инверсий магнитного поля Земли. После этого тектоника плит начала победное шествие в науках о Земле.

Целью настоящей работы является изучение основных положений глобальной тектоники.

1. Основные положения тектоники плит

Данные положения можно сформулировать следующим образом:

* Верхняя часть твёрдой Земли делится на хрупкую литосферу и пластичную астеносферу. Конвекция в астеносфере - главная причина движения плит.

* Современная литосфера делится на 8 крупных плит, десятки средних плит и множество мелких. Мелкие плиты расположены в поясах между крупными плитами. Сейсмическая, тектоническая и магматическая активность сосредоточена на границах плит.

* Литосферные плиты в первом приближении описываются как твёрдые тела, и их движение подчиняется теореме вращения 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 суперконтинента Пангеи, произошедшего 200-150 млн. лет назад, и образовались современные континенты.

* Существует три основных типа относительных перемещений плит:

1) расхождение (дивергенция), выражено рифтингом и спредингом;

2) схождение (конвергенция) выраженное субдукцией и коллизией;

3) сдвиговые перемещения по трансформным геологическим разломам.

Соответственно, выделяются и три типа основных границ плит.

Дивергентные границы - границы, вдоль которых происходит раздвижение плит.

Геодинамическую обстановку, при которой происходит процесс горизонтального растяжения земной коры, сопровождающийся возникновением протяженных линейно вытянутых щелевых или ровообразных впадин 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).

В ходе спрединга каждый импульс растяжения сопровождается поступлением новой порции мантийных расплавов, которые, застывая, наращивают края расходящихся от оси 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.

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.

* Спрединг в океанах компенсируется субдукцией и коллизией по их периферии, причём радиус и объём Земли постоянны с точностью до термического сжатия планеты (в любом случае средняя температура недр Земли медленно, в течение миллиардов лет, уменьшается). Постоянство размеров Земли непрерывно опровергается, но попытки доказательства существенных изменений размеров планеты недостаточно обоснованы.

* Перемещение литосферных плит вызвано их увлечением конвективными течениями в астеносфере.

Существует два принципиально разных вида земной коры - кора континентальная (более древняя) и кора океаническая (не старше 200 миллионов лет). Некоторые литосферные плиты сложены исключительно океанической корой (пример - крупнейшая тихоокеанская плита), другие состоят из блока континентальной коры, впаянного в кору океаническую.

В теории тектоники плит ключевое положение занимает понятие геодинамической обстановки - характерной геологической структуры с определённым соотношением плит. В одной и той же геодинамической обстановке происходят однотипные тектонические, магматические, сейсмические и геохимические процессы.

2. Литосферные плиты

Около 150 млн. лет назад на Земле существовал всего один континент - Пангея. Его окружал океан -- Панталасса. Примерно 120 миллионов лет назад Пангея разделилась на два континента -- Лавразию и Гондвану. Впоследствии эти материки образовали современные континенты. Континент Пангея раскололся на части под воздействием физических сил, которые сформировали огромные массы земли. Эти массы начали дрейфовать, сталкиваясь друг с другом, ломая береговую линию, вызывая землетрясения. При этом возникали новые континенты, вулканы, острова, горные хребты. Процесс созидания и разрушения земной поверхности не закончился и до настоящего времени.

Более 90 % поверхности Земли в современную эпоху покрыто 8 крупнейшими литосферными плитами:

* Австралийская плита

* Антарктическая плита

* Африканская плита

* Евразийская плита

* Индостанская плита

* Тихоокеанская плита

* Северо-Американская плита

* Южно-Американская плита

Большинство плит включает как материковую, так и океаническую кору.

Среди плит среднего размера можно выделить Аравийский полуостров и плиты Кокос и Плита Хуан де Фука, остатки огромной плиты Фаралон, слагавшей значительную часть дна Тихого океана, но ныне исчезнувшую в зоне субдукции под Северной и Южной Америками.

Плиты лежат на сравнительно мягком, пластичном слое мантии, по которому и происходит их скольжение при расширении океанического дна. Возраст самых старых ее участков не более 200 миллионов лет. Это значит, что на протяжении геологической истории океаническое дно не раз обновлялось.

Происходит это так: по глубинным разломам, которые разъединяют плиты, из мантии поднимается базальтовая магма, заполняющая разлом. Однако большая ее часть туда не поступает, а расходится под корой двумя потоками в противоположные от разлома стороны. Оба потока опускаются в мантию, сближаются и начинают вновь восходящее движение. Под воздействием этих потоков вещества склоны срединно-океанических хребтов раздвигаются в стороны, внедрение в разлом магмы приводит к расширению, раздвижению океанического дна.

Плиты перемещаются от линии подводных хребтов к линиям желобов со скоростью от 1 до 6 см в год. Это установлено по снимкам, сделанными искусственными спутниками Земли. В нашу эпоху наибольшей скоростью обладает Южно-Американская плита, её западный край движется со скоростью 16 см в год. Много загадок таит и материковая кора, континентальные платформы. Какова толщина континентальных плит? Некоторые ученые считают, что до 700 км. Их оппоненты полагают, что в центре Европы земная кора составляет всего лишь 10-15 км в толщину. (По сравнению с размерами Земли наши сверхглубокие скважины не больше, чем комариные укусы.)

Соседние плиты сближаются, расходятся или скользят одна относительно другой. Плиты плавают на поверхности верхней мантии, как куски льда на поверхности воды.

Если плиты, одна из которых имеет океаническую кору, а другая материковую, сближаются, то покрытая морем более «легкая» плита изгибается, как бы «ныряет» под континент. При этом образуются желоба, островные дуги, горные хребты, например такие, как Курильский желоб, Японские острова, Анды.

Если сближаются две плиты с материковой корой, то их края вместе со всеми накопленными на них осадочными породами сминаются в складки. Таким образом на границе двух плит образовались Гималаи.

Границы между литосферными плитами проходят по срединно-океаническим хребтам -- гигантским вздутиям на теле планеты или по глубоководным желобам -- гигантским трещинам или ущельям на океаническом дне. Общая длина этих разломов в подвижных поясах Земли достигает нескольких десятков тысяч километров. Наибольшей длины и глубины разломы достигают на дне океанов, но есть они и на суше. Гигантскими разломами в континентальной земной коре являются грабены Восточной Африки. Большие разломы пересекают земную поверхность в Восточной Сибири (впадина озера Байкал), в Европе и в других районах.

Границы плит -- это зоны самой высокой тектонической, сейсмической и вулканической активности. Здесь плиты, скользя по астеносфере, царапают друг друга, надвигаются друг на друга, иногда ломаются, и тогда дрожит вся Земля. У трещины Сан-Андреас в Калифорнии образовался разлом, который даже выходит на поверхность. На стыке плит (в зоне субдукции) океанические платформы как бы подныривают под материковые -- получается нечто вроде каменного «бутерброда». Бывшее океаническое дно исчезает в глубинах Земли. При этом происходят крупные землетрясения.

Совокупность описанных процессов отражает общий геодинамический процесс, охватывающих области от поверхностных до глубинных зон Земли.

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.

3. Движение плит

Сейчас уже нет сомнений, что горизонтальное движение плит происходит за счёт мантийных теплогравитационных течений - конвекции. Источником энергии для этих течений служит разность температуры центральных областей Земли, которые имеют очень высокую температуру (по оценкам, температура ядра составляет порядка 5000 °С) и температуры на её поверхности. 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 земной коре. Этот процесс переноса тепла (следствие всплывания лёгких-горячих масс и погружения тяжёлых-более холодных масс) идёт непрерывно, в результате чего возникают конвективные потоки. Эти потоки - течения замыкаются сами на себя и образуют устойчивые конвективные ячейки, согласующиеся по направлениям потоков с соседними ячейками. При этом в верхней части ячейки течение вещества происходит почти в горизонтальной плоскости, и именно эта часть течения увлекает плиты в горизонтальном же направлении с огромной силой за счёт огромной вязкости мантийного вещества. Если бы мантия была совершенно жидкой - вязкость пластичной мантии под корой была бы малой (скажем, как у воды или около того), то через слой такого вещества с малой вязкостью не могли бы проходить поперечные сейсмические волны. А земная кора увлекалась бы потоком такого вещества со сравнительно малой силой. Но, благодаря высокому давлению, при относительно низких температурах, господствующих на поверхности Мохоровичича и ниже, вязкость мантийного вещества здесь очень велика (так что в масштабе лет вещество мантии Земли жидкое (текучее), а в масштабе секунд - твёрдое).

Движущей силой течения вязкого мантийного вещества непосредственно под корой является перепад высот свободной поверхности мантии между областью подъёма и областью опускания конвекционного потока. Этот перепад высот, можно сказать, величина отклонения от изостазии, образуется из-за разной плотности чуть более горячего (в восходящей части) и чуть более холодного вещества, поскольку вес более и менее горячего столбов в равновесии одинаков (при разной плотности!). На самом же деле, положение свободной поверхности не может быть измерено, оно может быть только вычислено (высота поверхности Мохоровичича + высота столба мантийного вещества, по весу эквивалентного слою более лёгкой коры над поверхностью Мохоровичича).

Эта же движущая сила (перепада высот) определяет степень упругого горизонтального сжатия коры силой вязкого трения потока о земную кору. Величина этого сжатия мала в области восхождения мантийного потока и увеличивается по мере приближения к месту опускания потока (за счёт передачи напряжения сжатия через неподвижную твёрдую кору по направлению от места подъёма к месту спуска потока). Над опускающимся потоком сила сжатия в коре так велика, что время от времени превышается прочность коры (в области наименьшей прочности и наибольшего напряжения), происходит неупругая (пластическая, хрупкая) деформация коры - землетрясение. При этом из места деформации коры выдавливаются целые горные цепи, например, Гималаи (в несколько этапов).

При пластической (хрупкой) деформации очень быстро (в темпе смещения коры при землетрясении) уменьшается и напряжение в ней -- сила сжатия в очаге землетрясения и его окрестностях. Но сразу же по окончании неупругой деформации продолжается прерванное землетрясением очень медленное нарастание напряжения (упругой деформации) за счёт очень медленного же движения вязкого мантийного потока, начиная цикл подготовки следующего землетрясения.

Таким образом, движение плит -- следствие переноса тепла из центральных зон Земли очень вязкой магмой. При этом часть тепловой энергии превращается в механическую работу по преодолению сил трения, а часть, пройдя через земную кору, излучается в окружающее пространство. Так что наша планета в некотором смысле представляет собой тепловой двигатель.

Заключение

Тектоника плит - современная геологическая теория о движении литосферы. Она утверждает, что земная кора состоит из относительно целостных блоков -- плит, которые находятся в постоянном движении друг относительно друга. При этом в зонах расширения (срединно-океанических хребтах и континентальных рифтах) в результате спрединга образуется новая океаническая кора, а старая поглощается в зонах субдукции. Теория объясняет землетрясения, вулканическую деятельность и горообразование, большая часть которых приурочена к границам плит.

Впервые идея о движении блоков коры была высказана в теории дрейфа континентов, предложенной Альфредом Вегенером в 1920-х гг. Эта теория была первоначально отвергнута. Возрождение идеи о движениях в твёрдой оболочке Земли («мобилизм») произошло в 1960-х гг., когда в результате исследований рельефа и геологии океанического дна были получены данные, свидетельствующие о процессах расширения (спрединга) океанической коры и пододвигания одних частей коры под другие (субдукции). Объединение этих представлений со старой теорией дрейфа материков породило современную теорию тектоники плит, которая вскоре стала общепринятой концепцией в науках о Земле.

Плиты перемещаются относительно друг друга с разными скоростями, от нескольких сантиметров до 20 см в год и больше. Одни плиты двигаются навстречу друг другу и иногда перекрываются, другие расходятся в стороны, третьи скользят вдоль границ в противоположных направлениях. Близ срединно-океанических хребтов литосферные плиты наращиваются за счет вещества, поднимающегося из недр, и раздвигаются. Такой процесс называется спредингом. В глубоководных желобах одна плита подвигается под другую и поглощается мантией. Такой процесс называется субдукция.

Исследования показали, что в срединно-океаническом хребте, находящимся на дне Атлантического океана, идет процесс образования новой океанической коры. Таким образом, дно Атлантики равномерно расширяется. В других частях земного шара происходит обратный процесс. Так, например, в северо-западной части Тихого океана океаническая кора пододвигается под материк Евразия и погружается в мантию Земли. В результате общая площадь поверхности Земли не изменяется, поскольку расширение дна в Атлантике, которое идет со скоростью около двух сантиметров в год, уравновешивается сокращением Тихого океана.

В некоторых местах два участка земной коры трутся краями друг о друга, но роста или разрушения коры не происходит. Такой процесс сейчас происходит в знаменитом разломе Сан-Андреас в Калифорнии.

Выделяются 3 основных типа границ плит: дивергентные - на них плиты раздвигаются, там образуется новая океаническая кора; трансформные - по этим границам плиты скользят друг относительно друга в противоположных направлениях; конвергентные - у этих границ плиты сходятся, причем одна из них пододвигается под другую и погружаются в мантию. Границы между плитами являются геологически активными зонами: тут извергаются вулканы, происходят землетрясения.

В настоящее время, через 50 лет после открытия тектоники плит, происходит второе коренное изменение представлений о процессах в Земле. Создается единая теория тектоники всей мантии Земли, описывающая взаимодействие и эволюцию плит, плюмов и плавающих континентов.

тектоника плита литосферный спреддинг геология

Список использованной литературы

1. Булаева Н.М., Аскеров С.Я., Ахмедова Г.М., Раджабова М.Б. О связи термоаномалией с разломной тектоникой по Восточному Предкавказью // Юг России: Экология, развитие. 2009. № 3. С. 74-79.

2. Геологический словарь // sbmg.geol.msu.ru›humor/geoldict.htm.

3. Гонтовая Л.И., Попруженко С.В., Низкоус И.В., Апрелков С.Е. Верхняя мантия Камчатки: глубинная модель и связь с тектоникой // Тихоокеанская геология. 2008. Т. 27. № 2. С. 80-91.

4. Концепции современного естествознания: электронный учебник // nrc.edu.ru.

5. Петелин А.Л., Гаева Т.Н., Бреннер А.Л. Естествознание: учебник. М.: Форум - Инфра-М, 2011. 256 с.

6. Платунов В.И. К вопросу о тектонике плит и полезных ископаемых // Вологдинские чтения. 2009. № 75. С. 63-64.

7. Трубицын В.П. Механизм, управляющий тектоникой океанических литосферных плит // Доклады Академии наук. 2010. Т. 434. № 1. С. 117-119.

8. Шокальский С.П., Шульц С.С. Краткий обзор материалов по тектонике // Региональная геология и металлогения. 2005. № 23. С. 15-29.

Размещено на Allbest.ru