Концепция тектоники литосферных плит
Конце́пция текто́ники литосфе́рных плит (прежнее назв. — «новая глобальная тектоника») — общая геологическая концепция, рассматривающая литосферу, сложенную из отдельных взаимно перемещающихся литосферных плит, и связанные с их перемещением деформацию, магматизм и другие процессы, приводящие к образованию земной коры.
Развитие представлений о глобальной тектонике[править | править код]
См. также статью Гипотеза дрейфа материков А.Вегенера
Появлению концепции тектоники литосферных плит предшествовал ряд гипотез, стремившихся объяснить причины движения земной коры, её структурных изменений и явлений магматизма: гипотезы поднятия,контракции, пульсационная, ротационная, глубинной дифференциации, расширения Земли, дрейфа материков. Каждая из этих гипотез, давая удовлетворительное объяснение отдельным геологическим явлениям, не могла дать непротиворечивое объяснение всему многообразию процессов, происходящих в земной коре — складчатости, горообразования, магматизма. Контракционная гипотеза объсняла процесс складкообразования, но не раскрывала причины магматизма и поднятий, не связанных со складчатостью. Пульсационная гипотеза, заключавшаяся в предположении существования в геологической истории Земли эпох сжатия и расширения, объясняла механизм заложения геосинклиналей, образования грабенов и магматизма, но оставляла нераскрытой причину одновременного формирования структур растяжения и сжатия, а также причину пульсаций. «Мобилистская» гипотеза дрейфа материков А.Вегенера не давала объяснений механизма этого дрейфа. Между тем, в начале века такой механизм был предложен австрийским геологом О.Ампферером и немецким геофизиком Р Швиннером, которые назвали его «подкоровыми течениями». Голландский геофизик Ф.Вейнинг-Мейнес связал эти течения с конвекцией в мантии. Дальнейшее развитие эта гипотеза получила на рубеже 20-х — 30-х гг. в работах британского учёного А.Холмса и американского ученого Д.Григгса. Однако в те годы убедительных доказательств этих взглядов не существовало — единственным их подтверждением могла служить только схожесть береговой линии материков и сходные по составу комплексы пород, слагающих её по разные стороны океанов. Большинством геологов и геофизиков в 30-х −50-х гг. была принята гипотеза глубинной дифференциации, «фиксистская» по существу — то есть отрицавшая существенные горизонтальные перемещения земной коры. Согласно данной гипотезе подъёмы и соответствующие им опускания земной коры связаны с глубинной дифференциацией мантийного вещества и подъёму к поверхности лёгких продуктов дифференциации — астенолитов.
Начавшееся с конца 50-х гг. интенсивное геолого-геофизическое исследование океанов повлекло новые открытия, стоящие в противоречии с теорией глубинной дифференциации и объяснявшие положения мобилистской гипотезы Вегенера: было установлено существование относительно вязкой астеносферы, по поверхности которой было возможно гипотетическое перемещение литосферы; была открыта глобальная система срединно-океанических хребтов и рифтов; установлено различие мощности и состава континентальной и океанской коры; обнаружено существование магнитных аномалий, тянущихся параллельно срединно-океаническим хребтам и др.
Основой новой глобальной тектоники стала теория спрединга, выдвинутая в 1963 году английскими геофизиками Ф.Вайном и Д.Мэтьюзом и канадскими геологом Л.Морли. Теория спрединга предполагала немонолитную литосферу и, в сочетании с допущением гипотезы об периодической инверсии магнитного поля Земли, объясняла явление полосовых магнитных аномалий в океане. На основе теории спрединга была разработана первая возрастная шкала океанских магнитных аномалий, включавшая кайнозойскую эру и вторую половину верхнего мела. В Тихом океане были открыты разломы, пересекавшие срединно-океанический хребет, которые были выделены в класс трансфертных разломов, маркировавших трансформные границы литосферных плит. На основе изучения распределения трансфертных разломов и сейсмических очагов по Земному шару американский геофизик Дж. Морган, английские учёные Д.Маккензи и Ф.Паркером и французский учёный К.Ле Пишон определили литосферные плиты. Основные положения концепции тектоники литосферных плит были опубликованы в 1968 г.
Основные положения тектоники литосферных плит[править | править код]
Литосфера и астеносфера[править | править код]
Верхний слой Земли разделён подразделяется на жёсткую и хрупкую литосферу и находящуюся под ней относительно вязкую и пластичную астеносферу.
Подразделение литосферы на плиты[править | править код]
Литосфера Земли разделена на некоторое число плит, границы которых маркированы очагами сейсмической активности. В большинстве случаев эти очаги позволяют достаточно точно определить границы литосферных плит, хотя в ряде районов Земли наблюдаются пояса рассеянной сейсмичности.
Движение литосферных плит[править | править код]
Характер взаимных перемещений литосферных плит, и, соответственно, характер границы между плитами различны и выделены в 3 типа:
- дивергентные границы — вдоль которых происходит раздвижение плит — рифтогенез и, в частности,спрединг. Приурочены к осевым зонам срединно-океанических хребтов;
- конвергентные границы — вдоль которых происходит процесс сближения плит с поддвигом одной плиты — более тяжёлой — под более лёгкую. Приурочены к осевым зонам глубоководных желобов. Этот процесс может быть 3-х видов:
- субдукция, происходящая при поддвиге океанской литосферной плиты под континентальную, либо при взаимодействии двух океанских литосферных плит с поддвигом более тяжелой;
- обдукция, имеющая место при надвижении океанской плиты на континентальную;
- коллизия, вдоль которой происходит столкновение (обычно с поддвигом) двух континентальных плит;
- трансформные границы, вдоль которых происходит горизонтальное скольжение одной плиты относительно другой по плоскости вертикального трансформного разлома.
Преобладающими являются границы первых двух типов, причём на некоторые границах (транспрессивная граница) сочетаются как поддвиг, так и сдвиг, характерные для конвергентных и трансформных границ.
В ряде районов Земли имеет место схождение трёх плит — тройные сочленения. На тройных сочленениях в различных сочетаниях могут сходиться границы разного типа — как конвергентные и дивергентные, так и границы трансформных разломов. Наиболее распространённым является тройное сочленение осей спрединга (например в районе о. Буве в южной Атлантике). Тройные сочленения являются неустойчивыми и имеют сложную структуру. В их зоне предполагается выделение отдельных микроплит.
Перемещение плит[править | править код]
Движение литосферных плит в первом приближении описывается теоремой вращения Эйлера. Согласно этой теореме, по поверхности сферы точка движется по окружности, вращаясь вокруг оси, проходящей через центр шара. В точке пересечения перпендикуляров, восстановленных от дуги окружности, находится «полюс Эйлера» — выход оси вращения на поверхность. Тем самым, в случае движения точки, принадлежащей литосферной плите является заданной ось вращения некоторой точки литосферной плиты, что, вследствие монолитности и жёсткости всей литосферной плиты определяет её траекторию.
Для определения оси вращения литосферной плиты может быть взят любой отрезок её траектории, но наиболее удобным для этой цели является граница трансформного разлома — известный участок, пройденный плитой. Определением оси вращения по восстановленным от краёв трансформного разлома (служащего границей двух литосферных плит) перпендикулярам устанавливается движение соответственно пары литосферных плит.
Определение оси вращения литосферной плиты позволяет достаточно точно судить о её как древнем так и будущем местоположении. Таким образом, концепция тектоники литосферных плит имеет математическое обоснование одного из важнейших своих положений.
Соотношение масштабов спрединга и субдукции[править | править код]
Объём океанской коры, образующейся в зонах спрединга, равен объёму коры, уходящей в астеносферу в зонах субдукции. Таким образом, объём Земли остаётся постоянным. Это положение обеспечивает достоверность палеотектонических реконструкций.
В отличие от явления спрединга, явление субдукции длительное время не признавалось многими учёными, предполагавшими результатом спрединга увеличение размеров Земли. Однако установленное изменение размеров Земли существенно уступает предполагаемому изменению при отсутствии субдукции.
Мантийная конвекция[править | править код]
Шестое положение касается причин движения литосферных плит. В классической схеме новой глобальной тектоники причина, по которой литосферные плиты находятся в движении, заключена в мантийной конвекции. Литосферные плиты увлекаются течением вязкой астеносферы от осей спрединга к зонам субдукции. Согласно этому положению, под осями спрединга находятся восходящие ветви конвективных ячей, под зонами субдукции — нисходящие, а под литосферными плитами — горизонтальные.
Явление мантийной конвекции, введённое в теорию тектоники как теоретическое предположение, было затем подтверждено открытием мощной гидротермальной деятельности в срединно-океанических и окраинно — морских хребтах, что явилось свидетельством мощного теплового потока, идущего из глуби Земли. Мантийная конвекция является единственным объективным механизмом удаления этого тепла, при отсутствии которого температура Земли должна была быть существенно выше, вплоть до плавления её верхней оболочки. Также существование конвекции было подтверждено сейсмографическими исследованиями, обнаружившими дифференциацию температур в толще мантии.
Современная теория, признавая главную движущую роль мантийной конвекции, существенную роль отводит гравитационным факторам: от срединных хребтов плиты расходятся под влиянием гравитации вследствие их значительного превышения над абиссальными равнинами; в зоне субдукции океанская литосфера, охлаждённая и ставшая тяжелее астеносферы, под действием силы тяжести погружается в астеносферу.
Современные литосферные плиты и их расположение[править | править код]
Более 90% литосферы образуют 7 крупнейших плит: Евразийская, Африканская, Северо-Американская, Южно-Американская, Антарктическая, Индо-Австралийская, Тихоокеанская. Из них Тихоокеанская является наибольшей по площади и единственной полностью океанской плитой.
К крупным плитам относятся: Кокос, Наска, Карибская, Скотия, Аравийская, Филиппинская, Каролинская, Иберийская, Анатолийская, Охотоморская, Амурская. В стадии обсуждения находится выделение плит Сомалийской и Берингии.
К микроплитам (имеющим как правило несколько сотен км. в поперечнике) относятся: Горда, Хуан де Фука, Эксплорер и др. Предположительно микроплит находятся в районе Каспия и моря Бисмарка. Кроме того, предположительно микроплиты располагаются в зоне тройных сочленений (в районах о.Пасхи, о.Родригес, Галапагосских и Азорских о-вов. и др.)
Плитнотектонические процессы в прошлые геологические эпохи[править | править код]
Тектоника плит происходила на Земле со среднеархейской эпохи, когда в основном завершился процесс дифференциации земной коры на лёгкую - континентальную и тяжёлую - океанскую.
Точная картина перемещения плит за последние 160 - 180 млн. лет восстановлена с помощью изучения линейных магнитных аномалий океанского ложа. Более древние аномалии обычно не сохраняются и палеотектоническая реконструкция с помощью палеомагнитного метода является затруднительной. Он осуществляется совместно с палеобиогеографическими и палеокиматологическими исследованиями. Главными признаками развития плитнотектонических механизмов далёкого прошлого являются геологические проявления субдукции и спрединга - вулканические дуги, вулкано-плутонические комплексы и офиолиты.
Характер и интенсивность тектоники плит в фанерозое и протерозое обусловили последовательное образование и распад нескольких суперконтинентов и в свою очередь зависели от них: в эпохи существования суперконтинентов выражения глобальной тектоники были менее яркими вследствие меньшей протяжённости зон спрединга и субдукции.
В раннепротерозойскую и архейскую эпохи характер тектонических процессов отличился от современного более значительным количеством более мелких плит и большей протяжённостью оси спрединга. Существование плитнотектонического механизма в архее было обосновано в результате изучения зеленокаменных поясов среднего и позднего архея, обнаружившего большое сходство с более строения последних с более молодыми офиолитами.
Внутриплитная тектоника[править | править код]
Новая глобальная тектоника, согласно которой плиты являются абсолютно монолитными, не могла объяснить явления внутриплитного и окраинно-плитного магматизма. В 1963 г. Дж. Вилсоном была выдвинута гипотеза существования мантийных струй плюмов — выходящих на поверхность в «горячих точках», получившая обоснование и развитие в 1972 г. в работе В.Моргана на примере вулканизма Гавайского и Императорского хребтов в Тихом океане. Гавайский хребет, включающий островные вулканы Килауэа, Моуна-Лоа, Моуна-Кеа и др, простирается в северо-западном направлении, где сочленяется с подводным Императорским хребтом. Возраст вулканов, как было установлено, увеличивается в Гавайском хребте вдоль северо-западного направления до среднепалеогенового и продолжает возрастать в Императорском хребте до позднемелового. Теория мантийных струй объясняет это явление движением Тихоокеанской плиты в северо-западном направлении над стационарной мантийной струёй, проходящей сквозь литосферу и инициирующей деятельность новых вулканов.
Согласно теории мантийных струй, с большинством горячих точек связано проявление вулканической деятельности. Очаги мантийных струй находятся в мантии на большой глубине, вплоть от границы ядра, что доказывается практически одинаковым щёлочно-базальтовым составом магмы, не зависящей, таким образом, от строения литосферы и состава земной коры.
Существование мантийных струй, как и существование мантийной конвекции, ныне подтверждено сейсмотомографическими исследованиями и является общепризнанным. Расхождения во взглядах на мантийные струи связаны с оценкой масштаба их влияния на тектонику плит. Эта оценка колеблется от признания теории мантийных струй дополнительной к теории тектоники плит и хорошо согласующейся с ней до точки зрения на деятельность мантийных струй как на главную причину глобальной тектоники в целом.