- 1)_Первая гипотеза возникла во второй половине 18 века и получила название гипотеза поднятий. Ее предложили М. В. Ломоносов, немецкие ученые А. фон Гумбольдт и Л. фон Бух, шотландец Дж. Хаттон. Суть гипотезы в следующем - поднятия гор вызваны подъемом из глубин Земли расплавленной магмы, которая на своем пути оказывала раздвигающее действие на окружающие слои, приводившее к образованию складок, пропастей разной величины. Ломоносов впервые выделил два типа тектонических движений - медленные и быстрые, вызывающие землетрясения.
- 2) В середине 19 века на смену этой гипотезе пришла гипотеза контракции французского ученого Эли де Бомона. В ее основе была космогоническая гипотеза Канта и Лапласа о происхождении Земли как первоначально раскаленного тела с последующим постепенным охлаждением. Этот процесс приводил к уменьшению объема Земли, и в результате Земная кора сжималась, и возникали складчатые горные сооружения подобные гигантским «морщинам».
- 3) В середине 19 века англичанин Д. Эйри и священник из Калькутты Д. Пратт открыли закономерность в положениях аномалий силы тяжести - высоко в горах аномалии оказывались отрицательными, т. е. обнаруживался дефицит массы, а в океанах аномалии были положительными. Чтобы объяснить это явление предложили гипотезу, согласно которой земная кора плавает на более тяжелом и вязком субстрате и находится в изостатическом равновесии, которое нарушается действием внешних радиальных сил.
- 4) Космогоническую гипотезу Канта-Лапласа сменила гипотеза О. Ю. Шмидта о первоначальном твердом, холодном и однородном состоянии Земли. Возникла необходимость иного подхода в объяснении формирования земной коры. Такую гипотезу предложил В. В. Белоусов. Называется она радиомиграционная. Суть этой гипотезы:
- 1. Основной энергетический фактор - радиоактивность. Разогрев Земли с последующим уплотнением вещества происходил благодаря теплу радиоактивного распада. Радиоактивные элементы на начальных этапах развития Земли распределялись равномерно, и поэтому разогрев был сильным и повсеместным.
- 2. Нагревание первичного вещества и его уплотнение привело к разделению магмы или ее дифференциации на базальтовую и гранитную. В последней концентрировались радиоактивные элементы. Как более легкая, гранитная магма “всплывала” в верхнюю часть Земли, а базальтовая погружалась вниз. При этом происходила и температурная дифференциация.
Современные геотектонические гипотезы разрабатываются, используя идеи мобилизма. В основе этой идеи лежат представления о преобладании в тектонических движениях земной коры горизонтальных движений.
- 5) Впервые для объяснения механизма и последовательности геотектонических процессов немецким ученым А. Вегенером была предложена гипотеза горизонтального дрейфа континентов.
- 1. Сходство очертаний берегов Атлантического океана, особенно в южном полушарии (у Ю. Америки и Африки).
- 2. Сходство геологического строения континентов (совпадение некоторых региональных тектонических простираний, сходство в составе и возрасте пород и др.).
гипотеза тектоники литосферных плит или новую глобальную тектонику. Главные положения этой гипотезы:
- 1. Земная кора с верхней частью мантии образует литосферу, которая подстилается пластичной астеносферой. Литосфера разделена на крупные блоки (плиты). Границами плит являются рифтовые зоны, глубоководные желоба, к которым примыкают разломы, глубоко проникающие в мантию - это зоны Беньофа-Заварицкого, а также зоны современной сейсмической активности.
- 2. Литосферные плиты горизонтально перемещаются. Это движение определяют два основных процесса - раздвигание плит или спрединг, погружение одной плиты под другую - субдукция или надвигание одной плиты на другую - обдукция.
- 3. В зону раздвига периодически поступают из мантии базальты. Доказательством раздвига служат полосовые магнитные аномалии в базальтах.
- 4. В районах островных дуг выделяются зоны скопления очагов глубокофокусных землетрясений, которые отражают зоны погружения плиты с базальтовой океанической корой под континентальную земную кору, т. е. эти зоны отражают зоны субдукции. В этих зонах, вследствие дробления и плавления, часть материала погружается, а другая в виде вулканов и интрузий проникает в континент и тем самым происходит наращивание мощности континентальной коры.
Тектоника литосферных 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. 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. 3). Различают три типа относительных перемещений плит: расхождение (дивергенция), схождение (конвергенция) и сдвиговые перемещения. 4). Объём поглощённой в зонах субдукции океанской коры равен объёму коры, возникающей в зонах спрединга. Это положении подчёркивает мнение о постоянстве объёма Земли. 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. 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.
Географические следствия движения Лит плит(Повышается сейсмическая активность, образуются разломы, появляются хребты, и так далее). 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.
Тектоника - это раздел геологии, который изучает строение земной коры и движение литосферных плит. Но она настолько многогранна, что играет значительную роль во многих других науках о Земле. Применяется тектоника в архитектуре, геохимии, сейсмологии, при изучении вулканов и во многих других областях.
Наука тектоника
Тектоника - наука относительно молодая, она занимается изучением движения литосферных плит. Впервые мысль о движении плит озвучена в теории дрейфа континентов Альфредом Вегенером в 20-х годах XX века. Но своё развитие она получила только в 60-е годы XX века, после проведения исследований рельефа на континентах и дна океана. Полученный материал позволил по-новому взглянуть на ранее существующие теории. Теория литосферных плит появилась в результате развития идей теории дрейфа материков, теории геосинклиналей и гипотезе контракций.
Тектоника - наука, изучающая силу и природу сил, которые формируют горные массивы, сминают породы в складки, растягивают земную кору. Она лежит в основе всех геологических процессов, происходящих на планете.
Контракционная гипотеза
Гипотеза контракции была выдвинута геологом Эли де Бомоном в 1829 году на собрании Академии наук Франции. Она объясняет процессы горообразования и складчатости земной коры под воздействием уменьшения объёма Земли из-за охлаждения. В основу гипотезы легли представления Канта и Лапласа о первичном огненно-жидком состоянии Земли и её дальнейшем охлаждении. Поэтому процессы горообразования и складкообразования объяснялись как процессы сжатия земной коры. В дальнейшем, остывая, Земля уменьшала свой объём и сминалась в складки.
Контракционная тектоника, определение которой подтверждало новое учение о геосинклиналях, объясняло неравномерное строение земной коры, стала прочной теоретической базой для дальнейшего развития науки.
Теория геосинклиналей
Существовала на рубеже конца XIX и начала XX веков. Она объясняет тектонические процессы циклическими колебательными движениями земной коры.
Внимание геологов было обращено на то, что породы могут залегать как горизонтально, так и дислоцировано. Горизонтально залегающие породы отнесли к платформам, а дислоцированные - к складчатым областям.
Согласно теории геосинклиналей, на начальной стадии из-за активных тектонических процессов происходит прогиб, опускание земной коры. Этот процесс сопровождается сносом осадков и формированием мощной толщи осадочных отложений. В дальнейшем происходит процесс горообразования и появление складчатости. На смету геосинклинальному режиму приходит платформенный, который характеризуется незначительными тектоническими движениями с образованием небольшой мощности осадочных пород. Завершающая стадия - это стадия образование континента.
Почти 100 лет господствовала геосинклинальная тектоника. Геология того времени испытывала нехватку фактического материала, впоследствии накопленные данные привели к созданию новой теории.
Теория литосферных плит
Тектоника - это одно из направлений в геологии, которое легло в основу современной теории о движении литосферных плит.
Согласно теории часть земной коры - литосферные плиты, которые находятся в непрерывном движении. Их движение происходит относительно друг друга. В зонах растяжения земной коры (срединно-океанические хребты и континентальные рифты) образуется новая океаническая кора (зона спрейдинга). В зонах погружения блоков земной коры происходит поглощение старой коры, а также погружение океанической под континентальную (зона субдукции). Также в рамках теории объясняются процессы горообразований и вулканической активности.
Глобальная тектоника плит включает в себя такое ключевое понятие, как геодинамическая обстановка. Характеризуется она совокупностью геологических процессов, в пределах одной территории, в определённый времени. Для одной и той же геодинамической обстановки характерны одни и те же геологические процессы.
Строение земного шара
Тектоника - это раздел геологии, который изучает строение планеты Земля. Земля в грубом приближении имеет форму сплющенного эллипсоида и состоит из нескольких оболочек (слоёв).
В выделяют следующие слои:
- Земная кора.
- Мантия.
- Ядро.
Земная кора - это наружный твёрдый слой Земли, от мантии она отделяется границей, которая называется поверхностью Мохоровича.
Мантия, в свою очередь, подразделяется на верхнюю и нижнюю. Границей, разделяющей слои мантии, является слой Голицина. Земная кора и верхняя часть мантии, до астеносферы, являются литосферой Земли.
Ядро является центром земного шара, отделяется от мантии границей Гуттенберга. Оно разделяется на жидкое внешнее и твёрдое внутреннее ядро, между ними существует переходная зона.
Строение земной коры
К строению земной коры прямое отношение имеет наука тектоника. Геология изучает не только процессы, происходящие в недрах Земли, но и её строение.
Земная кора - это верхняя часть литосферы, является внешней твёрдой сложена она породами различного физико-химического состава. По физико-химическим параметрам существует подразделение на три слоя:
- Базальтовый.
- Гранито-гнейсовый.
- Осадочный.
Так же есть разделение в строении земной коры. Выделяется четыре основных типа земной коры:
- Континентальная.
- Океаническая.
- Субконтинентальная.
- Субокеаническая.
Континентальная кора представлена всеми тремя слоями, мощность её варьируется от 35 до 75 км. Верхний, осадочный слой, развит широко, но, как правило, имеет небольшую мощность. Следующий слой, гранито-гнейсовый, имеет максимальную мощность. Третий слой, базальтовый, сложен из метаморфических пород.
Представлена двумя слоями - осадочным и базальтовым, мощность её составляет 5-20 км.
Субконтинентальная кора, как и континентальная, состоит из трёх слоёв. Отличие состоит в том, что мощность гранито-гнейсового слоя в субконтинентальной коре гораздо меньше. Такой тип коры встречается на границе континента с океаном, в области активного вулканизма.
Субокеаническая кора близка к океанической. Отличие состоит в том, что мощность осадочного слоя может достигать 25 км. Этот тип коры приурочен к глубинным прогибам земной коры (внутриконтинентальные моря).
Литосферная плита
Литосферные плиты - это крупные блоки земной коры, являющиеся частью литосферы. Плиты способны перемещаться относительно друг друга по верхней части мантии - астеносфере. Отделены плиты друг от друга глубоководными желобами, срединно-океаническими хребтами и горными системами. Характерной особенность литосферных плит является то, что они способны сохранить жёсткость, форму и строение длительное время.
Тектоника Земли говорит о том, что литосферные плиты находятся в постоянном движении. С течением времени они меняют свой контур - могут расколоться или срастись. На сегодняшний день выделено 14 крупных литосферных плит.
Тектоника литосферных плит
Процесс, формирующий внешний облик Земли, напрямую связан с тектоникой литосферных плит. Тектоника мира подразумевает, что происходит движение не континентов, а литосферных плит. Сталкиваясь друг с другом, они формируют горные массивы или глубокие океанические впадины. Землетрясения и извержения вулканов являются следствием движения литосферных плит. Активная геологическая деятельность приурочена в основном к краям этих образований.
Движение литосферных плит зафиксировано при помощи спутников, но природа и механизм этого процесса пока остаётся тайной.
В океанах процессы разрушения и накопления осадков имеют замедленный характер, поэтому тектонические движения хорошо отражаются в рельефе. Рельеф дна имеет сложно расчленённую структуру. Выделяются образованные в результате вертикальных движений земной коры, и структуры, полученные из-за горизонтальных движений.
К структурам океанического дна относятся такие формы рельефа, как абиссальные равнины, океанические котловины и срединно-океанические хребты. В зоне котловин, как правило, наблюдается спокойная тектоническая обстановка, в зоне срединно-океанических хребтов отмечается тектоническая активность земной коры.
Тектоника океанов ещё включает в себя такие структуры, как глубоководные желоба, океанические горы и гийоты.
Причины, двигающие плиты
Движущей геологической силой является тектоника мира. Основной причиной, по которой происходит движение плит, является мантийная конвекция, создающаяся теплогравитационными течениями в мантии. Это происходит из-за разности температур на поверхности и в центре Земли. Внутри породы нагреваются, происходит их расширение и уменьшение плотности. Лёгкие фракции начинают всплывать, а на их место опускаются холодные и тяжёлые массы. Процесс переноса тепла происходит непрерывно.
На движение плит действуют ещё рад факторов. Например, астеносфера в зонах восходящих потоков является приподнятой, а в зонах погружения - опущенной. Таким образом, формируется наклонная плоскость и происходит процесс «гравитационного» соскальзывания литосферной плиты. Оказывают влияние и зоны субдукции, где холодная и тяжёлая океаническая кора затягивается под горячую континентальную.
Мощность астеносферы под континентами значительно меньше, а вязкость больше, чем под океанами. Под древними частями континентов астеносфера практически отсутствует, поэтому в этих местах они не двигаются и остаются на месте. А так как литосферная плита включает в себя и континентальную, и океаническую часть, то присутствие древней континентальной части будет препятствовать движению плиты. Движение чисто океанических плит происходит быстрее, чем смешанных, а тем более континентальных.
Механизмов, приводящих в движение плит, много, условно их можно выделить в две группы:
Совокупность процессов движущих сил отражает в целом геодинамический процесс, который охватывает все слои Земли.
Архитектура и тектоника
Тектоника - это не только чисто геологическая наука, связанная с процессами, происходящими в недрах Земли. Она используется и в повседневной жизни человека. В частности, применяется тектоника в архитектуре и строительстве каких-либо строений, будь то здания, мосты или подземные сооружения. Здесь в основу ложатся законы механики. В этом случае под тектоникой понимается степень прочности и устойчивости конструкции в данной конкретной местности.
Теория литосферных плит не объясняет связи движений плит с глубинными процессами. Нужна теория, которая бы объясняла не только строение и движение литосферных плит, но и процессы, происходящие внутри Земли. Разработка подобной теории связана с объединением таких специалистов, как геологи, геофизики, географы, физики, математики, химики и многие другие.
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).
Это современная геологическая теория о движении литосферы, согласно которой земная кора состоит из относительно целостных блоков - литосферных плит, которые находятся в постоянном движении относительно друг друга. При этом в зонах расширения (срединно-океанических хребтах и континентальных рифтах) в результате спрединга (англ. seafloor spreading - растекание морского дна) образуется новая океаническая кора, а старая поглощается в зонах субдукции. Теория тектоники плит объясняет возникновение землетрясений, вулканическую деятельность и процессы горообразования, по большей части приуроченные к границам плит.
Впервые идея о движении блоков коры была высказана в теории дрейфа континентов, предложенной Альфредом Вегенером в 1920-х годах. Эта теория была первоначально отвергнута. Возрождение идеи о движениях в твёрдой оболочке Земли («мобилизм») произошло в 1960-х годах, 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.
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.
Современное состояние тектоники плит
За прошедшие десятилетия тектоника плит значительно изменила свои основные положения. Ныне их 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.
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.
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).
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.
Более 90 % поверхности Земли в современную эпоху покрыто 8 крупнейшими литосферными плитами:
1. Австралийская плита.
2. Антарктическая плита.
3. Африканская плита.
4. Евразийская плита.
5. Индостанская плита.
6. Тихоокеанская плита.
7. Северо-Американская плита.
8. Южно-Американская плита.
Среди плит среднего размера можно выделить Аравийскую плиту, а также плиты Кокос и плиту Хуан де Фука, остатки огромной плиты Фаралон, слагавшей значительную часть дна Тихого океана, но ныне исчезнувшую в зоне субдукции под Северной и Южной Америками.
Литосферные плиты имеют высокую жесткость и способны в течение продолжительного времени сохранять без изменений свое строение и форму при отсутствии воздействий со стороны.
Движение плит
Литосферные плиты находятся в постоянном движении. Это движение, происходящее в верхних слоях , обусловлено наличием присутствующих в мантии конвективных течений. Отдельно взятые литосферные плиты сближаются, расходятся и скользят относительно друг друга. При сближении плит возникают зоны сжатия и последующее надвигание (обдукция) одной из плит на соседнюю, или поддвигание (субдукция) расположенных рядом образований. При расхождении появляются зоны растяжения с характерными трещинами, возникающими вдоль границ. При скольжении образуются разломы, в плоскости которых наблюдается близлежащих плит.
Результаты движения
В областях схождения огромных континентальных плит, при их столкновении, возникают горные массивы. Подобным образом, в свое время возникла горная система Гималаи, образовавшаяся на границе Индо-Австралийской и Евразийской плит. Результатом столкновения океанических литосферных плит с континентальными образованиями являются островные дуги и глубоководные впадины.
В осевых зонах срединно-океанических хребтов возникают рифты (от англ. Rift – разлом, трещина, расщелина) характерной структуры. Подобные образования линейной тектонической структуры земной коры, имеющие протяженность сотни и тысячи километров, с шириной в десятки или сотни километров, возникают в результате горизонтальных растяжений земной коры. Рифты очень крупных размеров принято называть рифтовыми системами, поясами или зонами.
В виду того, что каждая литосферная плита является единой пластиной, в ее разломах наблюдается повышенная сейсмическая активность и вулканизм. Данные источники расположены в пределах достаточно узких зон, в плоскости которых возникают трения и взаимные перемещения соседних плит. Эти зоны называются сейсмическими поясами. Глубоководные желоба, срединно-океанические хребты и рифы представляют собой подвижные области земной коры, они расположены на границах отдельных литосферных плит. Это лишний раз подтверждает, что ход процесса формирования земной коры в данных местах и в настоящее время продолжается достаточно интенсивно.
Важность теории литосферных плит отрицать нельзя. Так как именно она способна объяснить наличие в одних областях Земли гор, в других – . Теория литосферных плит позволяет объяснить и предусмотреть возникновение катастрофических явлений, способных возникнуть в районе их границ.