ВходЛитосфера и земная кора. Теории дрейфа материков и литосферных плит
Недавно попробовал себя в роли учителя, а все потому, что привык помогать сыну учить уроки. Почему-то тема литосферных плит ну никак ему не давалась, и пришлось постараться, чтобы доступно объяснить, что такое литосферная плита, и сколько их выделяют. Попробую еще раз это сделать здесь. :)
Что такое литосферная плита
Согласно научному определению, это крупный участок литосферы , а земная кора представлена несколькими такими огромными блоками. Толщина их неодинакова и варьируется в пределах 50-100 километров. Под плитами расположен верхний участок мантии, имеющий некоторую вязкость. В виду этого факта участки коры пребывают в некотором движении - до 7 см. в год. Это было установлено лишь благодаря тщательному анализу спутниковых снимков поверхности планеты.
На основании этого даже выдвинута интересная теория, согласно которой облик Земли в будущем будет несколько отличен от нынешнего. Но какие силы заставляют перемещаться такие массивные участки? Это происходит под действием восходящих потоков магмы , которые не только расталкивают плиты, но часто разрывают их, образуя разломы. В процессе этого образуются горные породы , которые становятся «рубцами» на поверхности нашей планеты. Но процесс не прекращается, и когда натяжение становится критичным, образуются новые разрывы. Таким образом, постепенно наращивая свою площадь, плиты раздвигаются в стороны.
Сколько выделяют крупных плит
К числу основных, что покрывают более 95% поверхности, относят следующие 14:
- Австралийская;
- Тихоокеанская;
- Индостанская;
- Филиппинская;
- плита Наска;
- Южно-Американская;
- Сомалийская;
- Аравийская;
- плита Кокос;
- Антарктическая;
- Африканская;
- Северо-Американская;
- плита Скотия;
- Евразийская.
Пограничные участки отличаются особой активностью , поэтому очертания их непостоянны. Некоторые спаиваются, а другие наоборот раскалываются на более мелкие фрагменты. В основе каждого материка заложена либо одна либо несколько плит , границы которых представлены горными цепями - следствие тектонической активности. Существует определенное правило, согласно которому наиболее устойчивы участки, где граничат не более 3 плит , в противном случае эти зоны становятся неустойчивыми и разрушаются.
Состоит из множества слоев, нагромождающихся друг на друга. Однако лучше всего нам известны земная кора и литосфера. Это не удивляет - ведь мы не только обитаем на них, но и черпаем из глубин большинство доступных нам природных ресурсов. Но еще верхние оболочки Земли сохраняют миллионы лет истории нашей планеты и всей Солнечной системы.
Эти два понятия так часто встречаются в прессе и литературе, что вошли повседневный словарь современного человека. Оба слова используются для обозначения поверхности Земли или другой планеты - однако между понятиями есть разница, базирующаяся на двух принципиальных подходах: химическом и механическом.
Химический аспект - земная кора
Если разделять Землю на слои, руководствуясь различиями в химическом составе, верхним слоем планеты будет земная кора. Это относительно тонкая оболочка, заканчивающаяся на глубине от 5 до 130 километров под уровнем моря - океаническая кора тоньше, а континентальная, в районах гор, толще всего. Хотя 75% массы коры приходится только на кремний и кислород (не чистые, связанные в составе разных веществ), она отличается наибольшим химическим разнообразием среди всех слоев Земли.
Играет роль и богатство минералов - различных веществ и смесей, созданных за миллиарды лет истории планеты. Земная кора содержит не только «родные» минералы, которые были созданы геологическими процессами, но и массивное органическое наследие, вроде нефти и угля, а также инопланетные, включения.
Физический аспект - литосфера
Опираясь на физические характеристики Земли, такие как твердость или упругость, мы получим несколько иную картину - внутренности планеты будет укутывать литосфера (от др. греческого lithos, «скалистый, твердый» и «sphaira» сфера). Она намного толще земной коры: литосфера простирается до 280 километров вглубь и даже захватывает верхнюю твердую часть мантии!
Характеристики этой оболочки полностью соответствуют названию - это единственный, кроме внутреннего ядра, твердый слой Земли. Прочность, правда, относительная - литосфера Земли является одной из самых подвижных в Солнечной системе, из-за чего планета уже не раз изменяла свой внешний вид. Но для значительного сжатия, искривления и прочих эластических изменений требуются тысячи лет, если не больше.
- Интересный факт - планета может и не обладать поверхностной корой. Так, поверхность - это его затвердевшая мантия; кору ближайшая к Солнцу планета потеряла давным-давно в результате многочисленных столкновений.
Подводя итог, земная кора - это верхняя, химически разнообразная часть литосферы, твердой оболочки Земли. Первоначально они обладали практически одинаковым составом. Но когда на глубины воздействовала только нижележащая астеносфера и высокие температуры, в формировании минералов на поверхности активно участвовали гидросфера, атмосфера, метеоритные остатки и живые организмы.
Литосферные плиты
Еще одна черта, которая отличает Землю от других планет - это разнообразие на ней разнотипных ландшафтов. Конечно, свою невероятно большую роль сыграли и вода, о чем мы расскажем немного позже. Но даже основные формы планетарного ландшафта нашей планеты отличаются от той же Луны. Моря и горы нашего спутника - это котлованы от бомбардировки метеоритами. А на Земле они образовались в результате сотен и тысяч миллионов лет движения литосферных плит.
О плитах вы уже наверняка слышали - это громадные устойчивые фрагменты литосферы, которые дрейфуют по текучей астеносфере, словно битый лед по реке. Однако между литосферой и льдом есть два главных отличия:
- Прорехи между плитами небольшие, и быстро затягиваются за счет извергающегося с них расплавленного вещества, а сами плиты не разрушаются от столкновений.
- В отличие от воды, в мантии отсутствует постоянное течение, которое могло бы задавать постоянное направление движения материкам.
Так, движущей силой дрейфа литосферных плит является конвекция астеносферы, основной части мантии - более горячие потоки от земного ядра поднимаются к поверхности, когда холодные опускаются обратно вниз. Учитывая то, что материки различаются в размерах, и рельеф их нижней стороны зеркально отражает неровности верхней, движутся они также неравномерно и непостоянно.
Главные плиты
За миллиарды лет движения литосферных плит они неоднократно сливались в суперконтиненты, после чего снова разделялись. В ближайшем будущем, через 200– 300 миллионов лет, тоже ожидается образование суперконтинента под именем Пангея Ультима. Рекомендуем посмотреть видео в конце статьи - там наглядно показано, как мигрировали литосферные плиты за последние несколько сотен миллионов лет. Кроме того, силу и активность движения материков определяет внутренний нагрев Земли - чем он выше, тем сильнее расширяется планета, и тем быстрее и свободнее движутся литосферные плиты. Однако с начала истории Земли ее температура и радиус постепенно снижаются.
- Интересный факт - дрейф плит и геологическая активность не обязательно должны питаться от внутреннего самонагрева планеты. К примеру, спутник Юпитера, обладает множеством активных вулканов. Но энергию для этого дает не ядро спутника, а гравитационное трение с , из-за которого недра Ио разогреваются.
Границы литосферных плит весьма условны - одни части литосферы тонут под другими, а некоторые, как Тихоокеанская плита, вообще скрыты под водой. Геологи сегодня насчитывают 8 основных плит, которые покрывают 90 процентов всей площади Земли:
- Австралийская
- Антарктическая
- Африканская
- Евразийская
- Индостанская
- Тихоокеанская
- Северо-Американская
- Южно-Американская
Такое разделение появилось недавно - так, Евразийская плита еще 350 миллионов лет назад состояла из отдельных частей, во время слияния которых образовались Уральские горы, одни из самых древних на Земле. Ученые по сей день продолжают исследование разломов и дна океанов, открывая новые плиты и уточняя границы старых.
Геологическая активность
Литосферные плиты движутся очень медленно - они наползают друг друга со скоростью 1–6 см/год, и отдаляются максимально на 10-18 см/год. Но именно взаимодействие между материками создает геологическую активность Земли, ощутимую на поверхности - извержения вулканов, землетрясения и образование гор всегда происходят в зонах контакта литосферных плит.
Однако есть исключения - так называемые горячие точки, которые могут существовать и в глубине литосферных плит. В них расплавленные потоки вещества астеносферы прорываются наверх, проплавляя литосферу, что приводит к повышенной вулканической активности и регулярным землетрясениям. Чаще всего это происходит неподалеку от тех мест, где одна литосферная плита наползает на другую - нижняя, вдавленная часть плиты погружается в мантию Земли, повышая тем самым давление магмы на верхнюю плиту. Однако сейчас ученые склоняются к той версии, что «утонувшие» части литосферы расплавляются, повышая давление в глубинах мантии и создавая тем самым восходящие потоки. Так можно объяснить аномальную отдаленность некоторых горячих точек от тектонических разломов.
- Интересный факт - в горячих точках часто образуются щитовые вулканы, характерные своей пологой формой. Они извергаются много раз, разрастаясь за счет текучей лавы. Также это типичный формат инопланетных вулканов. Самый известный из них на Марсе, самая высокая точка планеты - высота его достигает 27 километров!
Океаническая и континентальная кора Земли
Взаимодействие плит также приводит к формированию двух различных типов земной коры - океанической и континентальной. Поскольку в океанах, как правило, находятся стыки различных литосферных плит, их кора постоянно изменяется - разламывается или поглощается другими плитами. На месте разломов возникает непосредственный контакт с мантией, откуда поднимается раскаленная магма. Остывая под воздействием воды, она создает тонкий слой из базальтов - основной вулканической породы. Таким образом, океаническая кора полностью обновляется раз в 100 миллионов лет - самые старые участки, которые находятся в Тихом океане, достигают максимального возраста в 156–160 млн лет.
Важно! Океаническая кора - это не вся та земная кора, что находится под водой, а лишь ее молодые участки на стыке материков. Часть континентальной коры находится под водой, в зоне стабильных литосферных плит.
Возраст океанической коры (красный соответствует молодой коре, синий - старой).
Литосферой называют всю твердую оболочку планеты Земля. Верхний слой литосферы – земная кора, под которой расположен верхний слой земной мантии. Нижняя часть литосферы называется астеносферой. Астеносфера характеризуется более низкой скоростью сейсмических волн. Твердая земная оболочка состоит из относительно стабильных платформ и складчатых поясов (подвижных областей).
Наиболее значимые и стабильные части земной оболочки называют литосферными плитами. Такие плиты имеют границы. Границы литосферных плит обуславливаются тремя факторами:
- Сейсмической активностью
- Тектонической активностью
- Вулканической активностью
Также они делятся на три вида:
- Трансформные
- Конвергентные
- Дивергентные
Плиты литосферы обладают характерной особенностью – они постоянно меняют свои очертания. Существует два вида коры – океаническая и континентальная. Плиты могут быть сложены как исключительно из океанической коры, так и из симбиоза океанической и континентальной коры. Восемь наиболее крупных литосферных плит покрывают более 90% площади поверхности планеты.
Тектоника плит
Изучением движения литосферных плит по относительно подвижной астеносфере занимаются геологи. Этому явлению посвящен раздел геологии под называнием «Тектоника плит». Это относительно новый раздел в науке. Он берет начало в 20-х годах прошлого века. Первым теорию о движении плит выдвинул немецкий метеоролог Альфред Вегенер. Но теория была отвергнута, возрождение этой теории произошло лишь сорок лет спустя – в 60-х годах.
В современной науке считается доказанным, что движение плит по горизонтальным траекториям происходит за счет конвекции. Энергия для обеспечения этих процессов генерируется вследствие разности температур.
Образование и эволюция плит
«Предшественники» литосферных плит, блоки коры, появились на планете в период архея (от 4 до 2,5 миллиардов лет назад). Примерно в тот же период началось их перемещение. Однако тектоника плит в ее современном виде сформировалась на Земле в период протерозоя (от 2500 до 540 миллионов лет назад).
Отдельная область исследований – это восстановление движения плит, которое происходило в прошлом. На данный момент тектоника плит исследована вплоть до периода архея. В ходе исследований ученым удалось установить, что каждые 400-600 миллионов лет континенты объединяются, образуя один гигантский мегаконтинент. Континенты в современном виде образовались примерно 200 миллионов лет назад, и произошло это в результате раскола огромного единого, который носил название Пангея.
Также установлено, что сейчас континенты находятся в стадии максимального разъединения. Известно, что Тихий океан уменьшается, а Атлантический, наоборот, становится шире. Крупный полуостров Индостан движется в северном направлении, и постепенно сминает Евразийскую плиту.
Ученые установили, что в ранние периоды существования плит тепловой поток из недр Земли был гораздо более интенсивным. Поэтому кора имела меньшую мощность, а, следовательно, и давление под корой было существенно меньше.
Глубина плит литосферы
Учитывая физические характеристики Земли (упругость, твердость), можно сказать, что литосфера «укутывает внутреннюю часть Земли. Простирается она почти на 300 километров вглубь планеты. Интересный факт: помимо земного ядра литосфера – единственный твердый слой. Прочность литосферы – относительное понятие, так как плиты, из которых она состоит, находятся в постоянном движении. Именно вследствие этого движения наша планета постоянно видоизменяется на протяжении всего существования.
Движение литосферных плит – уникальное явление, отличающее Землю от других планет. Если, например, на Луне ландшафт и рельеф образовывались на протяжении миллионов лет от ударов метеоритами, то земной рельеф – результат «работы» плит литосферы.
Скорость движения плит литосферы
Плиты движется очень медленно. Наползать друг на друга они могут со скоростью примерно 1-6 сантиметров в год. Отдаляться друг от друга литосферные плиты способны с более высокой скоростью – 10-18 сантиметров в год. Геологическая активность, которую можно ощутить и увидеть на поверхности планеты – образование гор, извержение вулканов и землетрясения, происходят именно из-за взаимодействия между материками.
Движение плит в вертикальном направлении имеет гораздо меньшую интенсивность — до двух десятков миллиметров в год. Разломы образуются в результате разрыва плит, которые, в свою очередь, случаются при движении литосферной плиты в вертикальном направлении. В образовавшиеся разломы устремляется расплавленная лава. При остывании лава образует магматические породы, которые заполняют полости. Но, так как движение плит непрерывно, растяжение постепенно нарастает, и вскоре образуются новые и новые разломы.
Таким образом, за счет магматических пород литосферы постоянно увеличиваются и изменяют конфигурацию, а плиты расходятся в стороны. Зона, в которой находится горизонтальная полоса расхождения, называется рифтовой зоной.
Виды движения плит
В результате столкновения материковых плит образуются складчатые горы. Если плиты расходятся, в океанах образуются срединно-океанические хребты, а на континентах – трещины и разломы. Если сталкиваются материковая и океаническая плиты, возникают глубоководные желобы и горы.
В результате внезапного высвобождения энергии, образованной движением тектонических плит, происходят землетрясения. Явление движения лавы внутри земной коры и появления ее на поверхности называют вулканизмом.
Чем дальше от рифтовой зоны расположена область плиты, тем она холоднее и тяжелее. За счет огромной массы эта часть плиты проседает, а на поверхности Земли образуются понижения рельефа.
Мощность литосферы
Под «мощностью» литосферы в геологии подразумевается ее толщина. Средний показатель мощности литосферы на суше, в среднем, составляет 35-40 километров. Любопытная особенность литосферы состоит в том, что, чем древнее горы над ней, тем мощнее ее слой. Так, под древними горами Гималаями мощность литосферы достигает 90 километров.
Самые тонкие области литосферы располагаются под океанами – там ее средняя мощность около десяти километров, а под некоторыми областями Тихого океана – всего пять километров. Определяют толщину земной коры при помощи измерения скорости распространения сейсмических волн.
Таким образом, плиты литосферы по вертикали включают в себя земную кору и верхнюю часть мантии. Помимо крупнейших, существуют также малые плиты. Разделение литосферных плит на большие и малые зависит от начальной скорости их относительного смещения и характерного линейного размера.
Верхняя часть литосферы сложена, в основном, из гранитов, ее плотность составляет 3,22 г на кубический сантиметр. Благодаря такой плотности плиты обладают плавучестью и не погружаются в вязкую астеносферу.
Значение тектоники
Тектоника плит – одна из важнейших наук, изучающих Землю. По значимости она сравнима с астрономической гелиоцентрической концепцией и открытием ДНК. Тектоника является своеобразным связующим звеном, объединившим различные науки о жизни планеты Земля.
Основные положения теории тектоники литосферных плит :
Тектоника плит (plate tectonics) - современная геологическая теория о движении литосферы. Согласно данной теории, в основе глобальных тектонических процессов лежит горизонтальное перемещение относительно целостных блоков литосферы – литосферных плит. Таким образом, тектоника плит рассматривает движения и взаимодействия литосферных плит.Впервые предположение о горизонтальном движении блоков коры было высказано Альфредом Вегенером в 1920-х годах в рамках гипотезы «дрейфа континентов», но поддержки эта гипотеза в то время не получила. Лишь в 1960-х годах исследования дна океанов дали неоспоримые доказательства горизонтальных движении плит и процессов расширения океанов за счёт формирования (спрединга) океанической коры. Возрождение идей о преобладающей роли горизонтальных движений произошло в рамках «мобилистического» направления, развитие которого и повлекло разработку современной теории тектоники плит. Основные положения тектоники плит сформулированы в 1967-68 группой американских геофизиков - У. Дж. Морганом, К. Ле Пишоном, Дж. Оливером, Дж. Айзексом, Л. Сайксом в развитие более ранних (1961-62) идей американских учёных Г. Хесса и Р. Дигца о расширении (спрединге) ложа океанов.
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.
Подошва литосферы является изотермой
приблизительно равной 1300°С, что
соответствует температуре плавления (солидуса)
мантийного материала при литостатическом
давлении, существующем на глубинах первые
сотни километров. Породы, лежащие в Земле
над этой изотермой, достаточно холодны и
ведут себя как жесткий материал, в то время
как нижележащие породы того же состава
достаточно нагреты и относительно легко
деформируются.
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. 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).
Строение континентального рифта
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
1 – астеносфера, 2 – ультраосновные породы,
3 – основные породы (габброиды), 4 –
комплекс параллельных даек, 5 – базальты
океанического дна, 6 – сегменты океанической
коры, образовавшие в разное время (I-V по
мере удревнения), 7 – близповерхностный
магматический очаг (с ультраосновной магмой
в нижней части и основной в верхней), 8 –
осадки океанического дна (1-3 по мере
накопления)
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. 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.
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.
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 рисунке – 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. 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.
Литосферные плиты Земли представляют собой огромные глыбы. Их фундамент образован сильно смятыми в складки гранитными метаморфизированными магматическими породами. Названия литосферных плит будут приведены в статье ниже. Сверху они прикрыты трех-четырехкилометровым "чехлом". Он сформирован из осадочных пород. Платформа имеет рельеф, состоящий из отдельных горных хребтов и обширных равнин. Далее будет рассмотрена теория движения литосферных плит.
Появление гипотезы
Теория движения литосферных плит появилась в начале двадцатого столетия. Впоследствии ей суждено было сыграть основную роль в исследованиях планеты. Ученый Тейлор, а после него и Вегенер, выдвинул гипотезу о том, что с течением времени происходит дрейф литосферных плит в горизонтальном направлении. Однако в тридцатые годы 20-го века утвердилось другое мнение. Согласно ему, перемещение литосферных плит осуществлялось вертикально. В основе этого явления лежал процесс дифференциации мантийного вещества планеты. Оно стало называться фиксизмом. Такое наименование было обусловлено тем, что признавалось постоянно фиксированное положение участков коры относительно мантии. Но в 1960-м году после открытия глобальной системы срединно-океанических хребтов, которые опоясывают всю планету и выходят в некоторых районах на сушу, произошел возврат к гипотезе начала 20-го столетия. Однако теория обрела новую форму. Тектоника глыб стала ведущей гипотезой в науках, изучающих структуру планеты.
Основные положения
Было определено, что существуют крупные литосферные плиты. Их количество ограниченно. Также существуют литосферные плиты Земли меньшего размера. Границы между ними проводят по сгущению в очагах землетрясений.
Названия литосферных плит соответствуют расположенным над ними материковым и океаническим областям. Глыб, имеющих огромную площадь, всего семь. Наибольшие литосферные плиты - это Южно- и Северо-Американские, Евро-Азиатская, Африканская, Антарктическая, Тихоокеанская и Индо-Австралийская.
Глыбы, плывущие по астеносфере, отличаются монолитностью и жесткостью. Приведенные выше участки - это основные литосферные плиты. В соответствии с начальными представлениями считалось, что материки прокладывают себе дорогу через океаническое дно. При этом движение литосферных плит осуществлялось под воздействием невидимой силы. В результате проведенных исследований было выявлено, что глыбы плывут пассивно по материалу мантии. Стоит отметить, что их направление сначала вертикально. Мантийный материал поднимается под гребнем хребта вверх. Затем происходит распространение в обе стороны. Соответственно, наблюдается расхождение литосферных плит. Данная модель представляет океаническое дно в качестве гигантской Она выходит на поверхность в рифтовых областях срединно-океанических хребтов. Затем скрывается в глубоководных желобах.
Расхождение литосферных плит провоцирует расширение океанических лож. Однако объем планеты, несмотря на это, остается постоянным. Дело в том, что рождение новой коры компенсируется ее поглощением в участках субдукции (поддвига) в глубоководных желобах.
Почему происходит движение литосферных плит?
Причина состоит в тепловой конвекции мантийного материала планеты. Литосфера подвергается растяжению и испытывает подъем, что происходит над восходящими ветвями от конвективных течений. Это провоцирует движение литосферных плит в стороны. По мере удаления от срединно-океанических рифтов происходит уплотнение платформы. Она тяжелеет, ее поверхность опускается вниз. Этим объясняется увеличение океанической глубины. В итоге платформа погружается в глубоководные желоба. При затухании от разогретой мантии она охлаждается и опускается с формированием бассейнов, которые заполняются осадками.
Зоны столкновения литосферных плит - это области, где кора и платформа испытывают сжатие. В связи с этим мощность первой повышается. В результате начинается восходящее движение литосферных плит. Оно приводит к формированию гор.
Исследования
Изучение сегодня осуществляется с применением геодезических методов. Они позволяют сделать вывод о непрерывности и повсеместности процессов. Выявляются также зоны столкновения литосферных плит. Скорость подъема может составлять до десятка миллиметров.
Горизонтально крупные литосферные плиты плывут несколько быстрее. В этом случае скорость может составить до десятка сантиметров в течение года. Так, к примеру, Санкт-Петербург поднялся уже на метр за весь период своего существования. Скандинавский полуостров - на 250 м за 25 000 лет. Мантийный материал движется сравнительно медленно. Однако в результате происходят землетрясения, и прочие явления. Это позволяет сделать вывод о большой мощности перемещения материала.
Используя тектоническую позицию плит, исследователи объясняют множество геологических явлений. Вместе с этим в ходе изучения выяснилась намного большая, нежели это представлялось в самом начале появления гипотезы, сложность процессов, происходящих с платформой.
Тектоника плит не смогла объяснить изменения интенсивности деформаций и движения, наличие глобальной устойчивой сети из глубоких разломов и некоторые другие явления. Остается также открытым вопрос об историческом начале действия. Прямые признаки, указывающие на плитно-тектонические процессы, известны с периода позднего протерозоя. Однако ряд исследователей признает их проявление с архея или раннего протерозоя.
Расширение возможностей для исследования
Появление сейсмотомографии обусловило переход этой науки на качественно новый уровень. В середине восьмидесятых годов прошлого века глубинная геодинамика стала самым перспективным и молодым направлением из всех существовавших наук о Земле. Однако решение новых задач осуществлялось с использованием не только сейсмотомографии. На помощь пришли и прочие науки. К ним, в частности, относят экспериментальную минералогию.
Благодаря наличию нового оборудования появилась возможность изучать поведение веществ при температурах и давлениях, соответствующих максимальным на глубинах мантии. Также в исследованиях использовались методы изотопной геохимии. Эта наука изучает, в частности, изотопный баланс редких элементов, а также благородных газов в различных земных оболочках. При этом показатели сравниваются с метеоритными данными. Применяются методы геомагнетизма, с помощью которых ученые пытаются раскрыть причины и механизм инверсий в магнитном поле.
Современная картина
Гипотеза тектоники платформы продолжает удовлетворительно объяснять процесс развития коры в течение хотя бы последних трех миллиардов лет. При этом имеются спутниковые измерения, в соответствии с которыми подтвержден факт того, что основные литосферные плиты Земли не стоят на месте. В результате вырисовывается определенная картина.
В поперечном сечении планеты присутствует три самых активных слоя. Мощность каждого из них составляет несколько сотен километров. Предполагается, что исполнение главной роли в глобальной геодинамике возложено именно на них. В 1972 году Морган обосновал выдвинутую в 1963-м Вилсоном гипотезу о восходящих мантийных струях. Эта теория объяснила явление о внутриплитном магнетизме. Возникшая в результате плюм-тектоника становится с течением времени все более популярной.
Геодинамика
С ее помощью рассматривается взаимодействие достаточно сложных процессов, которые происходят в мантии и коре. В соответствии с концепцией, изложенной Артюшковым в его труде "Геодинамика", в качестве основного источника энергии выступает гравитационная дифференциация вещества. Этот процесс отмечается в нижней мантии.
После того как от породы отделяются тяжелые компоненты (железо и прочее), остается более легкая масса твердых веществ. Она опускается в ядро. Расположение более легкого слоя под тяжелым неустойчиво. В связи с этим накапливающийся материал собирается периодически в достаточно крупные блоки, которые всплывают в верхние слои. Размер подобных образований составляет около ста километров. Этот материал явился основой для формирования верхней
Нижний слой, вероятно, представляет собой недифференцированное первичное вещество. В ходе эволюции планеты за счет нижней мантии происходит рост верхней и увеличение ядра. Более вероятно, что блоки легкого материала поднимаются в нижней мантии вдоль каналов. В них температура массы достаточно высока. Вязкость при этом существенно снижена. Повышению температуры способствует выделение большого объема потенциальной энергии в процессе подъема вещества в область силы тяжести примерно на расстояние в 2000 км. По ходу движения по такому каналу происходит сильный нагрев легких масс. В связи с этим в мантию вещество поступает, обладая достаточно высокой температурой и значительно меньшим весом в сравнении с окружающими элементами.
За счет пониженной плотности легкий материал всплывает в верхние слои до глубины в 100-200 и менее километров. С понижением давления падает температура плавления компонентов вещества. После первичной дифференциации на уровне "ядро-мантия" происходит вторичная. На небольших глубинах легкое вещество частично подвергается плавлению. При дифференциации выделяются более плотные вещества. Они погружаются в нижние слои верхней мантии. Выделяющиеся более легкие компоненты, соответственно, поднимаются вверх.
Комплекс движений веществ в мантии, связанных с перераспределением масс, обладающих разной плотностью в результате дифференциации, называют химической конвекцией. Подъем легких масс происходит с периодичностью примерно в 200 млн лет. При этом внедрение в верхнюю мантию отмечается не повсеместно. В нижнем слое каналы располагаются на достаточно большом расстоянии друг от друга (до нескольких тысяч километров).
Подъем глыб
Как было выше сказано, в тех зонах, где происходит внедрение крупных масс легкого нагретого материала в астеносферу, происходит частичное его плавление и дифференциация. В последнем случае отмечается выделение компонентов и последующее их всплытие. Они достаточно быстро проходят сквозь астеносферу. При достижении литосферы их скорость снижается. В некоторых областях вещество формирует скопления аномальной мантии. Они залегают, как правило, в верхних слоях планеты.
Аномальная мантия
Ее состав приблизительно соответствует нормальному мантийному веществу. Отличием аномального скопления является более высокая температура (до 1300-1500 градусов) и сниженная скорость упругих продольных волн.
Поступление вещества под литосферу провоцирует изостатическое поднятие. В связи с повышенной температурой аномальное скопление обладает более низкой плотностью, чем нормальная мантия. Кроме того, отмечается небольшая вязкость состава.
В процессе поступления к литосфере аномальная мантия довольно быстро распределяется вдоль подошвы. При этом она вытесняет более плотное и менее нагретое вещество астеносферы. По ходу движения аномальное скопление заполняет те участки, где подошва платформы находится в приподнятом состоянии (ловушки), а глубоко погруженные области она обтекает. В итоге в первом случае отмечается изостатическое поднятие. Над погруженными же областями кора остается стабильной.
Ловушки
Процесс охлаждения мантийного верхнего слоя и коры до глубины примерно ста километров происходит медленно. В целом он занимает несколько сотен миллионов лет. В связи с этим неоднородности в мощности литосферы, объясняемые горизонтальными температурными различиями, обладают достаточно большой инерционностью. В том случае, если ловушка располагается неподалеку от восходящего потока аномального скопления из глубины, большое количество вещества захватывается сильно нагретым. В итоге формируется достаточно крупный горный элемент. В соответствии с данной схемой происходят высокие поднятия на участке эпиплатформенного орогенеза в
Описание процессов
В ловушке аномальный слой в ходе охлаждения подвергается сжатию на 1-2 километра. Кора, расположенная сверху, погружается. В сформировавшемся прогибе начинают скапливаться осадки. Их тяжесть способствует еще большему погружению литосферы. В итоге глубина бассейна может составить от 5 до 8 км. Вместе с этим при уплотнении мантии в нижнем участке базальтового слоя в коре может отмечаться фазовое превращение породы в эклогит и гранатовый гранулит. За счет выходящего из аномального вещества теплового потока происходит прогревание вышележащей мантии и понижение ее вязкости. В связи с этим наблюдается постепенное вытеснение нормального скопления.
Горизонтальные смещения
При образовании поднятий в процессе поступления аномальной мантии к коре на континентах и океанах происходит увеличение потенциальной энергии, запасенной в верхних слоях планеты. Для сброса излишков вещества стремятся разойтись в стороны. В итоге формируются добавочные напряжения. С ними связаны разные типы движения плит и коры.
Разрастание океанического дна и плавание материков являются следствием одновременного расширения хребтов и погружения платформы в мантию. Под первыми располагаются крупные массы из сильно нагретого аномального вещества. В осевой части этих хребтов последнее находится непосредственно под корой. Литосфера здесь обладает значительно меньшей мощностью. Аномальная мантия при этом растекается в участке повышенного давления - в обе стороны из-под хребта. Вместе с этим она достаточно легко разрывает кору океана. Расщелина наполняется базальтовой магмой. Она, в свою очередь, выплавляется из аномальной мантии. В процессе застывания магмы формируется новая Так происходит разрастание дна.
Особенности процесса
Под срединными хребтами аномальная мантия обладает сниженной вязкостью вследствие повышенной температуры. Вещество способно достаточно быстро растекаться. В связи с этим разрастание дна происходит с повышенной скоростью. Относительно низкой вязкостью также обладает океаническая астеносфера.
Основные литосферные плиты Земли плывут от хребтов к местам погружения. Если эти участки находятся в одном океане, то процесс происходит со сравнительно высокой скоростью. Такая ситуация характерна сегодня для Тихого океана. Если разрастание дна и погружение происходит в разных областях, то расположенный между ними континент дрейфует в ту сторону, где происходит углубление. Под материками вязкость астеносферы выше, чем под океанами. В связи с возникающим трением появляется значительное сопротивление движению. В результате снижается скорость, с которой происходит расширение дна, если отсутствует компенсация погружения мантии в той же области. Таким образом, разрастание в Тихом океане происходит быстрее, чем в Атлантическом.