Эволюция земной коры: тектоника литосферных плит

Эволюция  земной коры: тектоника литосферных плит

В 1910-1912 гг. немецкий метеоролог Альфред Вегенер высказал предположение, что когда-то в далеком геологическом прошлом существовал единый крупный материк, названный им Пангеей, то есть Общей Землей. Этот суперматерик раскололся на континенты, и те стали дрейфовать, удаляясь друг от друга, но местами они, напротив, сталкивались, образуя горные хребты. А. Вегенер не был первым, кто обратил внимание на поразительное сходство береговых очертаний Африки и Южной Америки, Европы и Северной Америки. Идею перемещения континентов высказывали А. Снидер-Пеллегрини в 1858 г., Ф. Сакко в 1895 г., Ф.Б. Тейлор в 1908 г. Но он первый обосновал эту идею разнообразными геологическими и геофизическими данными. Однако научные знания тех лет, особенно касавшиеся глубинного строения земной коры и мантии, были столь скудны, что не могли убедительно объяснить механизм движения континентов. И гениальная догадка была практически забыта, но не всеми.

Реанимация гипотезы Вегенера произошла в 60-х годах XX столетия благодаря развитию геологии и геофизики. Особое значение имели палеомагнитные исследования; детальное картирование рельефа океанического дна, обнаружившее глобальную систему срединно-океанических хребтов с рифтами в осевой части и поперечными разломами-ущельями; выявление линейного и знакопеременного характера магнитных аномалий океанического дна, резко отличных от континентальных; установление сейсмофокальных зон Беньофа и определение смещений в очагах (гипоцентрах) землетрясений, позволивших выявить ориентировку поля напряжений.

Главный вклад в  формирование основных положений тектоники  литосферных плит внесли Тузо Уилсон (Канада), Джейсон Морган (США), Касавье Ле Пишон (Франция).

Основная идея новой  теории базировалась на признании разделения литосферы (мощностью от 150 до 300 км под  континентами и от 5-10 до 90 км под  океанами), т.е. верхней оболочки Земли, включающей земную кору и верхнюю  мантию до астеносферы, на семь самостоятельных  крупных литосферных плит, не считая ряда мелких (рис. 2.14). Плиты литосферные – крупные (до нескольких тыс. км в поперечнике) жесткие блоки земной коры, ограниченные со всех сторон тектоническими активными зонами разломов; находятся в постоянном движении, перемещаясь по слою астеносферы от зон растяжения – к зонам сжатия.

Рис. 2.14. Основные литосферные  плиты (по Хаин В.Е., Ломизе М.Г., 1995): 1 – оси спрединга (дивергентные границы); 2 – зоны субдукции (конвергентные границы); 3 – трансформные разломы; 4 – векторы «абсолютных» движений литосферных плит. Малые плиты: Х – Хуан-да-Фука; Ко – Кокос; К – Карибская; А – Аравийская; Кт – Китайская; И – Индокитайская; О – охотская; Ф – Филиппинская

Эти плиты в своих  центральных частях тектонически стабильны (лишены сейсмичности), а по краям  плит сейсмичность очень высока, т.е. там постоянно происходят землетрясения. Следовательно, краевые зоны плит испытывают большие напряжения, как бы перемещаются относительно друг друга. При этом в  одних случаях плиты расходятся, испытывая рястяжение вдоль оси срединно-океанических хребтов, где развиты глубокие ущелья – рифты (от англ. «рифт» – расщелина). Рифт, рифтовая зона – линейно вытянутая на сотни км щелевидная структура растяжения земной коры шириной от некскольких десятков до сотен км, ограниченная разломами; представляет собой систему грабенов и горстов с амплитудой вертикального смещения до нескольких км. Подобные границы расхождения литосферных плит называют дивергентными (от англ. «дивергенс» – расхождение). В случае сближения литосферных плит (со средней скоростью 10-12 см/год) возникают конвергентные границы (от англ. «конвергенс» – схождение) протяженностью до 60 тыс. км.

Существует еще  один тип границ литосферных плит – так называемые трансформные разломы (от англ. «трансформ» – преобразовывать), возникающие в случае горизонтального  смещения плит относительно друг друга.

Некоторые литосферные  плиты сложены как океанической, так и континентальной корой  одновременно. Только Тихоокеанская  плита целиком состоит из океанической коры. Общая схема тектоники литосферных  плит приведена на рис. 2.15, который  демонстрирует причины перемещения  плит вдоль осей спрединга к зонам субдукции.

Современными геофизическими методами доказано, что океанские  плиты движутся быстрее тех, в  структуру которых входит континент, причем чем толще континентальная литосфера, тем скорость движения плиты ниже.

Причиной движения плит считается влияние конвективного  переноса вещества мантии. Поверхностным  выражением такого явления служат рифтовые зоны срединно-океанических хребтов, где относительно более нагретая мантия, поднимаясь к поверхности, подвергается плавлению. Она изливается в виде базальтовых лав в рифтовой зоне и застывает. Далее в эти застывшие породы вновь внедряется базальтовая магма и раздвигает в обе стороны более древние базальты. Таким образом океаническое дно как бы наращивается, разрастается (со скоростью от нескольких миллиметров до 18 см в год) – этот процесс называется спредингом (от англ. «спрединг» – развертывание, расстилание).

Симметрично по обе  стороны срединно-океанических хребтов  во всех океанах расположены линейные магнитные положительные и отрицательные  аномалии. Базальтовая магма застывая, проходит точку Кюри, в результате чего базальты приобретают намагниченность  данной эпохи, по которой можно пронаблюдать изменение магнитного поля на протяжении длительного времени – около 180 млн лет. Древнее коры, чем океаническая не существует. Если спрединг проходит быстро, то полосы магнитных аномалий находятся дальше друг от друга, они как бы растянуты, а в случае более медленного спрединга магнитные аномалии располагаются ближе; это обстоятельство позволяет оценить скорость спрединга.

Таким образом, океаническая кора наращивается по обе стороны  от срединно-океанических хребтов, по мере удаления от которых она становится холоднее и тяжелее, постепенно опускается, продавливая астеносферу, а сам  океан тем временем приобретает  все большую глубину. Тяжелая  и холодная океаническая кора, подходя  к более толстой и легкой континентальной, уходит под нее, как бы подныривает, образуя конвергентные зоны субдукции (от англ. «сабдакшн» – погружение). Если в контакт входят две океанские плиты, то погружается более древняя, так как она тяжелее и холоднее, чем молодая плита. Зоны, где происходит субдукция, морфологически выражены глубоководными желобами. Угол погружения океанских плит различный, вплоть до вертикального, и плиты прослеживаются до границы верхней и нижней мантии в 670 км. Некоторые плиты останавливаются на этом уровне, иногда выполаживаясь и как бы скользя по границе. Другие – пересекают ее и погружаются в нижнюю мантию, местами достигая практически поверхности внешнего ядра на глубине 2900 км.

Погружение океанской  литосферы приводит еще к одним  важным последствиям. При достижении литосферой глубины 100-200 км в области  высоких температур и давлений из нее выделяются флюиды – особые, перегретые минеральные растворы, которые  вызывают плавление горных пород  континентальной литосферы и  образование магматических очагов, питающих цепи вулканов, развитых параллельно  глубоководным желобам на активных окраинах Тихого и на восточной окраине  Индийского океанов. Вулканические  цепи располагаются тем ближе  к глубоководному желобу, чем круче  наклонена субдуцирующая океанская литосфера.

Таким образом, благодаря  субдукции на активной континентальной окраине наблюдаются сильно расчлененный рельеф, высокая сейсмичность и энергичная вулканическая деятельность.

Край плиты, под  которую погружается океаническая плита, подрезает скопившиеся на ней осадки, деформирует их и приращивает  к континентальной плите в  виде аккреционного клина (от англ. «аккрешион» – приращение). Какая-то часть осадочных отложений погружается вместе с плитой в глубины мантии. В различных местах этот процесс идет разными путями. Так, у побережья Центральной Америки, где пробурены скважины, почти все осадки пододвигаются под континентальный край, чему способствует сверхвысокое давление воды, содержащейся в порах осадков, поэтому и трение очень мало. В ряде других мест погружающаяся океаническая литосферная плита разрушает, эродирует край континентальной литосферы и увлекает за собой вглубь ее фрагменты. Были произведены подсчеты количества материала, ежегодно увлекаемого на глубину (1,0-1,5 км3), задерживаемого у края нависающей плиты при аккреции (0,2-0,4 км3), и вещества тектонической эрозии (~0,6 км3).

Кроме явления субдукции существует так называемая обдукция, т.е. надвигание океанской литосферы на континентальную, примером которой является огромный тектонический покров (500 ´ 100 км) на восточной окраине Аравийского полуострова, сложенный типичной океанической корой, перекрывающей древние толщи Аравийского щита.

Следует также упомянуть  о столкновении, или коллизии, двух континентальных плит, которые в силу относительной легкости слагающего их материала не могут погрузиться друг под друга, сталкиваются, образуя горно-складчатый пояс с очень сложным внутренним строением. Например, Гималайские горы возникли, когда 50 млн лет назад Индостанская плита столкнулась с Азиатской.

Тектоника литосферных  плит позволила совершенно точно  восстановить картину распада последнего суперматерика Пангеи-2, существование которого в 1912 г. впервые предсказал выдающийся немецкий геофизик Альфред Вегенер – основатель гипотезы дрейфа материков, которая в наши дни трансформировалась в концепцию новой глобальной тектоники. Рассчитанные абсолютные и относительные движения литосферных плит с момента начала распада Пангеи-2 хорошо известны и отличаются большой точностью.

Воссоздана картина  раскрытия Атлантического и Индийского океанов, которое продолжается и  в наши дни со скоростью около 2,0 см в год. Выяснена возможность некоторого проворачивания литосферы Земли по отношению к нижней мантии в западном направлении, что позволяет объяснить, почему на западной и восточной активных окраинах Тихого океана условия субдукции неодинаковы и возникает известная асимметрия Тихого океана с задуговыми, окраинными морями и цепями островов на западе и отсутствием таковых на востоке.

Теория тектоники  литосферных плит впервые в истории  геологии носит глобальный характер, так как касается всех районов  земного шара и позволяет объяснить  их историю развития, геологическое  и тектоническое строение. На сегодняшний  день этой теории нет разумной альтернативы и она вполне закономерно сменила господствовавшую до этого геосинклинальную концепцию, вобрав все наиболее ценное.