Дивергенция

О том, что Пангея $ 135$ млн. лет тому назад распалась на Лавразию и Гондвану , утверждал еще А. Вегенер . Его гипотеза была названа мобилизмом . Гипотеза стала теорией во второй половине прошлого века. Движение плит литосферы было зафиксировано из космоса.

Земную кору образуют $15$ литосферных плит, из них $ 6$ плит являются самыми крупными.

К ним относятся:

• Евразийская плита;
• Североамериканская плита;
• Южноамериканская плита;
• Австралийская плита;
• Антарктическая плита;
• Тихоокеанская плита.

Скорость движения плит по разным оценкам составляет от $1$ мм-1$8$ см в год.

Относительные перемещения плит могут быть трех типов :

• Дивергенция;
• Конвергенция;
• Сдвиговые перемещения.

Дивергенция или расхождение выражается рифтингом и спредингом .

Раздвижение плит происходит вдоль дивергентных границ. Эти границы в рельефе планеты представлены рифтами , где преобладают деформации растяжения. Кора имеет пониженную мощность, а тепловой поток максимален, в результате происходит интенсивная вулканическая деятельность. В зависимости от того, где находится дивергентная граница, зависит дальнейшее развитие – если граница на континенте , то формируется континентальный рифт . В дальнейшем он может превратиться в океанический бассейн. Рифты на океанической коре приурочены к центральным частям срединно-океанических хребтов, где образуется новая океаническая кора . Её образование происходит за счет того, что из астеносферы поступает магматический базальтовый расплав.

Определение 1

Образование новой океанической коры за счет поступления мантийного вещества получило название спрединг

Срединно-океанические хребты делят на быстро-спрединговые – скорость раздвижения плит составляет $8$-$16$ см в год и медленно-спрединговые. Последние имеют отчетливо выраженную центральную депрессию. Это рифт глубиной $4$-$5$ тыс. метров. Образовавшийся рифт становится началом раскола континента. Постепенно формируется линейная впадина, имеющая глубину сотни метров и ограниченная серией сбросов.

Дальнейшее развитие событий может идти по двум вариантам :

• Прекращение расширения рифта, заполнение его осадочными породами и превращение в авлакоген ;
• Раздвижение континентов продолжается и начинается формирование океанической коры.

Определение 2

Авлакоген – это линейная подвижная зона внутри платформы

Конвергенция

Определение 3

Конвергенция – это схождение плит, которое выражается субдукцией и коллизией .

Существует несколько вариантов взаимодействия плит при их столкновении:

• Столкновение двух океанических плит;
• Столкновение океанической плиты с континентальной;
• Столкновение двух континентальных плит.

Замечание 1

Характер столкновения плит может быть разный, в зависимости от этого возможны различные процессы. Процесс субдукции возникает тогда, когда более тяжелая океанская плита поддвигается под континентальную плиту или другую океаническую. Если сталкиваются две океанические плиты, то погружаться будет более древняя , потому что она уже остывшая и плотная. Субдукция связана с формированием новой континентальной коры .

Иногда при взаимодействии континентальной и океанской плит возникает процесс обдукции , но он бывает значительно реже и в наши дни нигде не установлен. Но, тем не менее, участки с эпизодами обдукции известны и произошли они в недавнее геологическое время. В процессе обдукции часть океанской литосферы надвигается на край континентальной плиты. Кора континентальных плит более легкая, чем вещество мантии, поэтому при их столкновении погрузиться в неё не может, что приводит к процессу коллизии . В ходе этого процесса края континентальных плит дробятся и сминаются . В результате происходит формирование крупных надвигов и рост горных сооружений. Например, при столкновении Индостанской и Евразийской плит, произошел рост горных систем Гималаев и Тибета , а океан Тетис в результате этого был закрыт – коллизия завершает закрытие океанического бассейна. Современные конвергентные границы имеют общую протяженность около $57$ тыс. км. Их них $45$ тыс. км являются субдукционными, а остальные относятся к коллизионным границам.

Сдвиговые перемещения по трансформным разломам

Параллельное движение плит и их разная скорость приводит к трансформным разломам , которые представляют собой сдвиговые нарушения . Они очень редки на материках и широко распространены в океанах. В океане эти разломы направлены перпендикулярно срединно-океаническим хребтам и разбивают их на сегменты. На таких участках практически постоянны землетрясения и горообразование. Надвиги, складки, грабены формируются вокруг разлома. На материках такие сдвиговые границы довольно редки и достаточно активным примером такой границы является разлом Сан-Андреас . Он отделяет Тихоокеанскую плиту от Североамериканской плиты. Сан-Андреас тянется на $800$ миль и относится к самым сейсмоактивным районам планеты. Смещение плит здесь относительно друг друга происходит на $0,6$ см в год, а землетрясения, которые возникают один раз в $22$ года, имеют магнитуду более $6$ единиц. В зоне повышенной опасности находится город Сан-Франциско и большая часть бухты одноименного названия, потому что они находятся в непосредственной близости от разлома. Движение плит объясняется мантийной конвекцией, которая является основной их причиной. Конвекция образуется благодаря мантийным теплогравитационным течениям, а источником энергии для них служит разность температуры между центральными областями Земли и частями, близкими к поверхности. Породы, нагретые в центральных зонах, начинают расширяться, уменьшается их плотность и, уступая место более холодным, они всплывают. В результате непрерывности этого процесса возникают замкнутые упорядоченные конвективные ячейки. В её верхней части течение вещества почти горизонтальное, что и определяет перемещение плит.

Замечание 2

Если говорить в общем, то под зонами дивергентных границ располагаются восходящие ветви конвективных ячей, а под зонами конвергентных границ – нисходящие ветви и основной причиной движения литосферных плит является «волочение » конвективными течениями.

Можно назвать еще ряд факторов, действующих на плиты:

• Гравитационное «соскальзывание» литосферной плиты;
• Затягивание в зонах субдукции холодной океанской плиты в горячую;
• Гидравлическое расклинивание базальтами в зонах срединно-океанических хребтов.

Литосферные плиты состоят из океанских и континентальных частей. Ученые считают, что присутствие в составе плиты континента должно «тормозить » движение всей плиты. Так оно и есть, быстрее движутся чисто океанские плиты – Наска, Тихоокеанская . Медленнее движутся плиты, в составе которых большую площадь занимают континенты – Евразийская, Североамериканская, Южноамериканская, Антарктическая, Африканская.

Условно выделяют две группы мезанизмов, которые приводят в движение плиты:

• Силы мантийного «волочения»;
• Силы, приложенные к краям плит.

Хотя для каждой плиты движущие механизмы оцениваются индивидуально. Перемещения литосферных плит можно описать на основе теоремы Эйлера . Его теорема утверждает, что у любого вращения трехмерного пространства есть ось и вращение можно описать такими параметрами как координаты оси вращения и угол поворота . При помощи теоремы можно реконструировать положение континентов в прошлые геологические эпохи. Ученые пришли к выводу, анализируя данные о перемещении континентов, что каждые $400$-$600$ млн. лет они снова объединяются в единый суперконтинент, который в дальнейшем подвергается распаду.

Дрейф материков

Обратимся к наиболее важным для обитателей Земли представлениям теории тектоники литосферных плит – крупных, до многих миллиона км 2 , глыб земной литосферы, фундамент которых образуют сильно смятые в складки магматические, метаморфизированные и гранитные породы, прикрытые сверху 3-4 километровым "чехлом" осадочных пород. Рельеф платформы составляют обширные равнины и отдельные горные хребты. Ядром каждого материка является одна или несколько древних платформ, окаймленных горными хребтами. Движение литосферных плит лежит в основе .

Начало XX в. ознаменовалось появлением гипотезы, которой в дальнейшем было суждено сыграть ключевую роль в науках о Земле. Ф. Тейлор (1910), а вслед за ним А. Вегенер (1912) высказали идею о горизонтальных перемещениях материков на большие расстояния (дрейфе материков), но "В 30-е годы XX в. в тектонике утвердилось течение, считавшее ведущим типом движений земной коры вертикальные движения, в основе которых лежали процессы дифференциации вещества мантии Земли. Оно получило название фиксизма, ибо признавало постоянно фиксированным положение блоков коры относительно подстилающей мантии". Однако в 1960-х гг. после открытия в океанах глобальной системы срединно-океанических хребтов, опоясывающих весь земной шар и местами выходящих на сушу, и ряда других результатов происходит возврат к идеям начала XX в. о дрейфе континентов, но уже в новой форме – тектоники плит, которая остается ведущей теорией в науках о Земле. Она вытеснила господствовавшее в середине XX века представление о ведущей роли в смещениях и деформациях земной коры вертикальных движений и вывела на первое место горизонтальные перемещения литосферных плит, включавших не только кору, но и верхи мантии.

Основные положения тектоники плит сводятся к следующему. Литосфера подстилается менее вязкой астеносферой. Литосфера разделена на ограниченное число больших (7) и малых плит, границы которых проводятся по сгущению очагов землетрясений. К числу крупных плит принадлежат: Тихоокеанская, Евразиатская, Северо-Американская, Южно-Американская, Африканская, Индо-Австралийская, Антарктическая. Литосферные плиты, движущиеся по астеносфере, обладают жёсткостью и монолитностью. При этом «континенты не прокладывают себе путь сквозь океаническое дно под воздействием какой-то невидимой силы (что предполагалось в первоначальной версии «дрейфа материков»), а пассивно плывут по мантийному материалу, который поднимается вверх под гребнем хребта и затем распространяется от него в обе стороны». В этой модели океаническое дно «представляется гигантской конвейерной лентой, выходящей на поверхность в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов и затем скрывающихся в глубоководных желобах»: расширение (спрединг) ложа океанов в связи с расхождением плит вдоль осей срединных хребтов и рождение новой океанской коры компенсируется её поглощением в зонах поддвига (субдукции) океанской коры в глубоководных желобах, благодаря чему объём Земли остаётся постоянным. Этот процесс сопровождается «многочисленными мелкофокусными землетресениями (с эпицентрами на глубинах нескольких десятков километров) в рифтовых зонах и глубокофокусными землетресениями в районе глубоководных желобов (рис. 12.2, 12.3) .

Рис. 12.2. Схема конвекционного течения в мантии, вызываемого разностью плотностей (по Рингвуду и Грину (из [Стейси, с. 80]). На этой схеме указаны предполагаемые фазовые и химические превращения, сопровождающие конвекционные перемещения вещества мантии из-за изменения давления и температуры на разных глубинах.

Рис.12.3. Схематический разрез Земли на основе гипотезы разрастания (спрединга) океанического дна - б; район глубоководного желоба - в: литосферная плита погружается в астеносферу (А), упирается в ее днище (Б и В) и разламывается – отламывается часть ("слэб") (Г) –. В зоне «трения» плит – мелкофокусные землетрясения (черные кружки), в зоне «упора» и «разлома» плиты – глубокофокусные землетрясения (белые кружки) (по Уеда, 1980)

"Данные сейсмической томографии свидетельствуют о погружении глубоко в мантию наклонных зон повышенных сейсмических скоростей – пластин-слэбов океанской литосферы. Эти данные совпадают с давно установленными по гипоцентрам землетрясений сейсмофокальными поверхностями, достигающими кровли нижней мантии. Впервые было обнаружено, что в ряде случаев слэбы опускаются и на большие глубины, проникая в нижнюю мантию. Поведение погружающихся слэбов оказывается неоднозначным: одни из них, достигая нижней мантии, не пересекают ее, а отклоняются вдоль поверхности, принимая практически горизонтальное положение; другие – пересекают кровлю нижней мантии, но затем образуют раздув и не погружаются глубже; третьи же уходят на большие глубины, в некоторых районах достигая ядра… Важный, результат новейших сейсмотомографических исследований – открытие отрыва нижней части погружающегося слэба. Это явление также не было полной неожиданностью. Сейсмологи констатировали в отдельных регионах исчезновение на некоторой глубине очагов землетрясений, а затем их возникновение вновь еще глубже" [Хаин 2002].

Причина перемещения литосферных плит – тепловая конвекция в мантии Земли. Над восходящими ветвями конвективных течений литосфера испытывает подъём и растяжение, приводящее к раздвигу плит в возникающих рифтовых зонах. С удалением от срединно-океанических рифтов литосфера уплотняется, тяжелеет, поверхность её опускается, что объясняет увеличение глубины океана, и в конечном счёте погружается в глубоководных желобах. В континентальных рифтах затухание восходящих потоков разогретой мантии ведёт к охлаждению и погружению литосферы с образованием бассейнов, заполняемых осадками. В зонах схождения и столкновения плит кора и литосфера испытывают сжатие, мощность коры возрастает, и начинаются интенсивные восходящие движения, ведущие к горообразованию. Все эти процессы, включая движение литосферных плит и слэбов, имеют непосредственное отношение к механизмам формирования полезных ископаемых.

Современные тектонические движения изучаются геодезическими методами, показывающими, что они происходят непрерывно и повсеместно. Скорость вертикальных движений составляет от долей до первых десятков мм, горизонтальных на порядок выше - от долей до первых десятков см в год (Скандинавский п-ов за 25 тыс. лет поднялся на 250 м, Санкт-Петербург за время своего существования поднялся на 1 м). Т.е. причиной землетрясений, извержений вулканов, медленных вертикальных (горы высотой в тысячи метров образуются за миллионы лет) и горизонтальных перемещений (за сотни миллионов лет это приводит к смещениям в тысячи километров) являются медленные, но чрезвычайно мощные перемещения вещества мантии.

«Положения теории тектоники плит прошли экспериментальную проверку в ходе начатого в 1968 г. глубоководного бурения с американского научно-исследовательского судна "Гломар Челленджер", подтвердившего образование океанов в процессе спрединга, в результате исследований рифтовых долин срединных хребтов, дна Красного моря и Аденского залива со спускаемых подводных аппаратов, также установивших реальность спрединга и существование пересекающих срединные хребты трансформных разломов, и, наконец, в изучении современных движений плит различными методами космической геодезии. С позиций тектоники плит находят объяснение многие геологические явления, но вместе с тем выяснилась большая, чем предусматривалась исходной теорией, сложность процессов взаимных перемещений плит… Не получило объяснения в тектонике плит периодическое изменение интенсивности тектонических движений и деформаций, существование устойчивой глобальной сети глубоких разломов и некоторые др. Остаётся открытым вопрос о начале действия тектоники плит в истории Земли, поскольку прямые признаки плитно-тектонических процессов … известны лишь с позднего протерозоя. Тем не менее некоторые исследователи признают проявление тектоники плит начиная с архея или раннего протерозоя. Из др. планет Солнечной системы некоторые признаки тектоники плит усматриваются на Венере".

Тектоника плит, первоначально встреченная со скепсисом, особенно в нашей стране, – пишет академик В.Е. Хаин, – получила убедительное подтверждение в ходе глубоководного бурения и наблюдений с подводных спускаемых аппаратов в океанах, в непосредственных измерениях перемещений литосферных плит методами космической геодезии, в данных палеомагнетизма и других материалах и превратилась в первую действительно научную теорию в истории геологии. Вместе с тем за истекшие четверть века, по мере накопления нового и все более разнообразного фактического материала, добытого с помощью новых инструментов и методов, становилось все более очевидным, что тектоника плит не может претендовать на значение всеобъемлющей, подлинно глобальной модели развития Земли" (Геология…, с.43). Поэтому "довольно скоро после своего оформления, тектоника плит стала превращаться в основу других наук о твердой Земле" …Очень большое взаимовлияние… обнаружилось между геотектоникой и геофизикой с одной стороны, и петрологией (наука о горных породах) и геохимией – с другой. Синтез этих наук уже к началу 70-х годов породил новую, комплексную науку – геодинамику , изучающую всю совокупность глубинных, эндогенных (внутренних) процессов, изменяющих литосферу и определяющих эволюцию ее структуры, изучающей физические процессы, которые обусловливают развитие твердой Земли в целом, и силы, их вызывающие. "Данные сейсмического “просвечивания” Земли, получившего название “сейсмотомография”, показали, что активные процессы, приводящие в конечном счете к изменениям структуры земной коры и рельефа, зарождаются значительно глубже – в нижней мантии и даже на ее границе с ядром. Да и само ядро, как совсем недавно выяснилось, участвует в этих процессах…

Появление сейсмической томографии определило переход геодинамики на следующий уровень, и в середине 80-х годов она породила глубинную геодинамику, ставшую самым молодым и перспективным направлением в науках о Земле. В решении новых задач на помощь, кроме сейсмотомографии, пришли и некоторые другие науки: экспериментальная минералогия, благодаря новой аппаратуре имеющая теперь возможность исследовать поведение минерального вещества при давлениях и температурах, отвечающих максимальным глубинам мантии; изотопная геохимия, изучающая, в частности, баланс изотопов редких элементов и благородных газов в разных оболочках Земли и сравнивающая его с метеоритными данными; геомагнетизм, пытающийся раскрыть механизм и причины инверсий магнитного поля Земли; геодезия, уточняющая фигуру геоида (а также, что не менее важно, горизонтальные и вертикальные перемещения земной коры), и некоторые другие ветви наших знаний о Земле…

Уже первые результаты сейсмотомографических исследований показали, что современная кинематика литосферных плит вполне адекватна… лишь до глубин 300-400 км, а ниже картина перемещений мантийного вещества становится существенно иной…

Однако, теория тектоники литосферных плит продолжает удовлетворительно объяснять развитие земной коры континентов и океанов на протяжении по крайней мере последних 3 млрд лет, а спутниковые измерения перемещения литосферных плит подтвердили наличие перемещений для современной эпохи.

Таким образом, в настоящее время вырисовывается следующая картина. В поперечном сечении земного шара существуют три наиболее активных слоя, каждый мощностью в несколько сотен километров: астеносфера и слой D"" в основании мантии. По-видимому, им принадлежит ведущая роль в глобальной геодинамике, превращающейся в нелинейную геодинамику Земли как открытой системы, т.е. синергетические эффекты типа эффекта Бенара, могут иметь место в мантии и жидком ядре.

Для объяснения непонятного в рамках теории тектоники литосферных плит явления внутриплитного магматизма, и в особенности образования линейных вулканических цепей, в которых возраст построек закономерно увеличивается по мере удаления от современных активных вулканов, была выдвинута в 1963 г. Дж.Вилсоном и обоснована в 1972 г. В.Морганом Гипотеза восходящих мантийных струй (рис. 12.1, 12.5), выступающих на поверхность в “горячих точках” (размещение “горячих точек” на поверхности контролируется ослабленными, проницаемыми зонами в коре и литосфере, классический пример современной “горячей точки” – о. Исландия.). "Эта плюм-тектоника с каждым годом все более популярна.

Она становится… почти равноправным партнером плейт-тектоники (тектоники литосферных плит). Доказывается, в частности, что глобальный масштаб выноса глубинного тепла через “горячие точки” превосходит тепловыделение в зонах спрединга срединно-океанских хребтов… Имеются серьезные основания предполагать, что корни суперплюмов достигают самых низов мантии… Главная проблема – соотношение конвекции, управляющей кинематикой литосферных плит, с адвекцией (горизонтальным перемещением), вызывающей подъем плюмов. Они уже в принципе не могут быть независимыми процессами. Однако поскольку каналы, по которым поднимаются мантийные струи, более узкие, пока нет сейсмотомографических признаков его подъема из нижней мантии.

Очень важен вопрос о стационарности плюмов. Краеугольным камнем гипотезы Вилсона-Моргана было представление о фиксированном положении корней плюмов в подлитосферной мантии и о том, что образование вулканических цепей, с закономерным увеличением возраста построек по мере удаления от современных центров извержений, обязано “прошиванию” движущихся над ними литосферных плит горячими мантийными струями… Однако совершенно бесспорных примеров вулканических цепей гавайского типа не так уж много… Таким образом, в проблеме плюмов остается еще много неясного".

Геодинамика

В геодинамике рассматривается взаимодействие сложных процессов, идущих в коре и мантии. Один из вариантов геодинамики, дающий более сложную картину движения мантии, чем описанная выше (рис.12.2), разрабатывается членом-корреспондентом РАН Е.В. Артюшковым в его книге "Геодинамика" (М., Наука, 1979). На этом примере видно как переплетаются различные физические и химические модели в реальном геодинамическом описании.

Согласно изложенной в этой книге концепции основным источником энергии, для всех тектонических процессов является процесс гравитационной дифференциации вещества, который происходит в нижней мантии. После отделения от породы нижней мантии тяжелой компоненты (железа и пр.), которая опускается в ядро, «остается смесь твердых веществ, более легкая, чем вышележащая нижняя мантия… Расположение слоя легкого материала под более тяжелым веществом неустойчиво… Поэтому накапливающийся под нижней мантией легкий материал периодически собирается в крупные блоки размером порядка 100 км и всплывает в верхние слои планеты. Из этого материала за время жизни Земли сформировалась верхняя мантия.

Нижняя мантия скорее всего представляет собой первичное, еще не продифференцированное вещество Земли. В процессе эволюции планеты происходит рост ядра и верхней мантии за счет нижней мантии.

Наиболее вероятно, что подъем блоков легкого материала в нижней мантии происходит вдоль каналов (см. рис. 12.6), в которых температура вещества сильно повышена, а вязкость резко понижена. Повышение температуры связано с выделением большого количества потенциальной энергии при подъеме легкого материала в поле силы тяжести на расстояние ~2000 км. Пройдя через такой канал, легкий материал также сильно нагревается, на величину ~1000°. Поэтому в верхнюю мантию он поступает аномально нагретым и более легким по отношению к окружающим областям.

Благодаря пониженной плотности легкий материал всплывает в верхние слои верхней мантии, вплоть до глубин в 100-200 км и менее. Температура плавления составляющих его веществ с понижением давления сильно падает. Поэтому на небольших глубинах происходит частичное плавление легкого материала и вторичная дифференциация по плотности, после первичной дифференциации на границе ядро - мантия. Выделяющиеся при дифференциации более плотные вещества погружаются в нижние части верхней мантии, а наиболее легкие - всплывают наверх. Совокупность движений вещества в мантии, связанных с перераспределением в ней веществ с различной плотностью в результате дифференциации, можно назвать химической конвекцией.

Подъем легкого материала по каналам в нижней мантии происходит периодически с интервалами примерно в 200 млн. лет. В эпоху его подъема за время в несколько десятков миллионов лет и менее в верхние слои Земли с границы ядро - мантия поступают крупные массы сильно нагретого легкого материала, соответствующие по объему слою верхней мантии мощностью в несколько десятков километров и более. Однако внедрение легкого материала в верхнюю мантию происходит не повсеместно. Каналы в нижней мантии расположены на больших расстояниях друг от друга, порядка нескольких тысяч километров. Они могут образовывать и линейные системы, где каналы располагаются ближе друг к другу, но сами системы также будут сильно удалены друг от друга. Прошедший через каналы легкий материал в верхней мантии всплывает в основном вертикально и заполняет области, расположенные над каналами (см. рис. 12.6), не распространяясь на большие расстояния в горизонтальном направлении. В верхних частях мантии недавно внедрившиеся крупные объемы легкого материала образуют сильно выраженные высокотемпературные неоднородности с повышенной электропроводностью, пониженными скоростями упругих волн и их повышенным затуханием. Горизонтальный масштаб неоднородностей в поперечном направлении ~ 1000 км…

В верхних слоях верхней мантии происходит резкое понижение вязкости ее вещества. Благодаря этому на глубинах в среднем от 100 до 200 км образуется слой пониженной вязкости -астеносфера . Ее вязкость в областях сравнительно холодной мантии η ~ 10 19 - 10 20 пуаз.

Там, где в астеносфере расположены недавно поднявшиеся с границы ядро-мантия крупные массы легкого нагретого материала, вязкость этого слоя падает еще сильнее, а мощность увеличивается. Над астеносферой находится много более вязкий слой - литосфера , которая в общем случаевключает кору и верхние, наиболее холодные и вязкие слои верхней мантии . Мощность литосферы в стабильных областях ~100 км и достигает несколько сотен км. Значительное повышение вязкости, по крайней мере на три порядка величины, происходит и в мантии под астеносферой.

Химическая конвекция связана с большими перемещениями крупных масс вещества в верхней мантии. Однако течения в мантии сами по себе не приводят к значительным вертикальным или горизонтальным смещениям литосферы. Это связано с резким понижением вязкости в астеносфере, играющей роль смазочного слоя между литосферой и основной частью мантии, расположенной под астеносферой. Из-за существования астеносферы вязкое взаимодействие литосферы с течениями в подстилающей мантии, даже при их большой интенсивности, оказывается слабым. Поэтому тектонические движения земной коры и литосферы не связаны непосредственно с этими течениями" [Артюшков, с. 288-291] и механизмы вертикального и горизонтального движения литосферы требуют особого рассмотрения.

Вертикальные движения литосферных плит

В областях внедрения в астеносферу крупных масс сильно нагретого легкого материала происходит его частичное плавление и дифференциация. Выделившиеся при дифференциации наиболее легкие компоненты легкого материала, всплывая наверх, быстро проходят через астеносферу и достигают подошвы литосферы, где скорость их всплывания резко падает. Это вещество в ряде областей образует скопления так называемой аномальной мантии в верхних слоях Земли. По составу она примерно соответствует нормальной мантии под корой в стабильных областях, но отличается гораздо более высокой температурой, до 1300-1500°, и пониженными скоростями продольных упругих волн. Из-за повышенной температуры плотность аномальной мантии оказывается ниже плотности нормальной мантии. Ее поступление под литосферу приводит к изостатическому поднятию последней (по закону Архимеда).

Благодаря высокой температуре вязкость аномальной мантии очень низка. Поэтому поступая к литосфере, она быстро растекается вдоль ее подошвы, вытесняя ранее располагавшееся здесь менее сильно нагретое и более плотное вещество астеносферы. При своем движении аномальная мантия заполняет те области, где подошва литосферы приподнята, - ловушки, и обтекает глубоко погруженные участки подошвы литосферы - антиловушки. В результате кора над ловушками испытывает изостатическое поднятие, а над антиловушками в первом приближении остается стабильной.

Охлаждение коры и верхнего слоя мантии до глубины ~100 км происходит очень медленно и занимает несколько сотен миллионов лет. Поэтому неоднородности мощности литосферы, обусловленные горизонтальными температурными вариациями, обладают большой инерционностью.

Если ловушка расположена вблизи от восходящего потока аномальной мантии из глубины, то она захватывает ее в большом количестве и сильно нагретой. В результате над ловушкой образуется крупное горное сооружение… По этой схеме возникают высокие поднятия в области эпиплатформенного орогенеза (горообразования) в складчатых поясах на месте бывших невысоких горных сооружений, а также на островных дугах.

Слой аномальной мантии в ловушке под бывшим щитом при охлаждении сжимается на 1-2 км. При этом расположенная над ним кора испытывает погружение, а в образующемся прогибе накапливаются осадки. Под их тяжестью литосфера дополнительно погружается. Конечная глубина сформировавшегося таким образом осадочного бассейна может достигать 5-8 км.

Одновременно с уплотнением мантии в ловушке в нижней части базальтового слоя коры может происходить фазовое превращение базальта в более плотные гранатовый гранулит и эклогит. Оно также способно обеспечить сжатие литосферы на величину до 1-2 км и погружение до 5-8 км при заполнении прогиба осадками.

Описанные процессы сжатия в литосфере развиваются медленно, за времена ³ 10 2 млн. лет. Они приводят к образованию осадочных бассейнов на платформах. Их глубина определяется интенсивностью уплотнения мантии в ловушке и вещества коры в базальтовом слое и может достигать 15-16 км.

Тепловой поток, идущий из аномальной мантии, прогревает вышележащую мантию в литосфере и понижает ее вязкость. Поэтому аномальная мантия постепенно вытесняет расположенную в литосфере более плотную нормальную мантию и поступает на ее место к коре, значительно охладившись. При контакте аномальной мантии имеющей температуру Τ~800-900°С, с базальтовым слоем коры в этом слое за время ~ 1-10 млн. лет развивается фазовый переход в эклогит. Плотность эклогита выше плотности мантии. Поэтому он отрывается от коры и погружается в расположенную ниже астеносферу. Сильно утоненная кора изостатически погружается (см. рис. 12.6), и при этом возникает глубокая впадина, вначале заполняющаяся водой, а впоследствии-мощной толщей осадков. По описанной схеме образуются депрессии внутренних морей с консолидированной корой сильно пониженной мощности. Примерами могут служить Черноморская впадина и глубоководные впадины западного Средиземноморья.

Над областями подъема материала из мантии обычно развиваются как восходящие, так и нисходящие движения. Высокие горные сооружения образуются при заполнении высокотемпературной аномальной мантией (T³1000°С) ловушек под щитами и невысокими горами. Внутренние моря возникают на месте соседних осадочных бассейнов при проникновении к коре охладившейся аномальной мантии с Τ~800-900°С. Сочетание образовавшихся на новейшем этапе высоких гор и глубоких впадин в настоящее время характерно для Альпийского геосинклинального пояса Евразии.

Подъем аномальной мантии из глубины происходит в различных областях Земли. Если ловушки оказываются поблизости от таких областей, то они вновь захватывают аномальную мантию, а расположенная над ними территория снова испытывает поднятия. Антиловушки в большинстве случаев обтекаются аномальной мантией, и кора под ними продолжает погружаться.

Горизонтальные движения литосферных плит

Образование поднятий при поступлении к коре аномальной мантии на океанах и континентах увеличивает потенциальную энергию, запасенную в верхних слоях Земли. Кора и аномальная мантия стремятся растечься в стороны, чтобы сбросить этот излишек энергии. В результате в литосфере возникают большие добавочные напряжения, от нескольких сотен бар до нескольких килобар. С этими напряжениями связаны различные типы тектонических движений земной коры.

Разрастание дна океана и дрейф материков происходят вследствие одновременного расширения срединно-океанических хребтов и погружения в мантию плит океанической литосферы. Под срединными хребтами расположены крупные массы сильно нагретой аномальной мантии (см. рис. 12.6). В осевой части хребтов они находятся непосредственно под корой мощностью не более 5-7 км. Мощность литосферы здесь резко сокращена и не превышает мощности коры. Аномальная мантия растекается из области повышенного давления - из-под гребня хребта в стороны. При этом она легко разрывает тонкую океаническую кору, после чего в окружающих хребет океанических областях в литосфере возникает сжимающая сила Σ ХР ~ 10 9 бар·см. Под действием этой силы возможно перемещение плит океанической литосферы в стороны от оси хребта. Разрыв, образующийся в коре на оси хребта, заполняется базальтовой магмой, выплавляющейся из аномальной мантии. Застывая, она образует новую океаническую кору. Таким образом происходит разрастание дна океана.

Вязкость аномальной мантии под срединными хребтами из-за ее высокой температуры сильно понижена. Она может достаточно быстро растекаться, и поэтому разрастание дна океана происходит с высокой скоростью, в среднем от нескольких сантиметров до десяти сантиметров в год. Океаническая астеносфера также обладает сравнительно низкой вязкостью. При скорости движения литосферных плит ~10 см/год вязкое трение между литосферой и астеносферой под океанами практически не препятствует разрастанию дна океана и слабо влияет на напряжения в литосферном слое…

Литосферные плиты движутся по направлению от хребтов к зонам погружения. Если эти области расположены в одном и том же океане, то движение литосферы по астеносфере, имеющей низкую вязкость, происходит с высокой скоростью. В настоящее время такая ситуация характерна для Тихого океана.

Когда разрастание дна имеет место в одном океане, а компенсирующее его погружение - в другом, то происходит дрейф расположенного между ними континента в сторону области погружения. Вязкость астеносферы под континентами много выше, чем под океанами. Поэтому вязкое трение между литосферой и континентальной астеносферой оказывает заметное сопротивление движению, снижая скорость расширения дна, если оно не компенсируется погружением литосферы в мантию в том же океане. В результате, например, разрастание дна в Атлантическом океане происходит в несколько раз медленнее, чем в Тихом.

На границе между континентальной и океанической плитами в области погружения последней в мантию действует сила сжатия ~ 10 9 бар·см. Быстрое относительное перемещение плит вдоль этой границы в условиях сжимающих напряжений приводит к часто повторяющимся сильным землетрясениям". При этом "общей причиной движения коры и мантии является стремление Земли достичь состояния с минимальной потенциальной энергией".

Есть два типа литосферы. Океаническая литосфера имеет океаническую кору толщиной около 6 км. Она в основном покрыта морем. Материковую литосферу покрывает материковая кора толщиной от 35 до 70 км. Большей частью эта кора выступает над , образуя сушу.

Плиты

Горные породы и минералы

Движущиеся плиты

Плиты земной коры постоянно перемещаются в разных направлениях, хотя и очень медленно. Средняя скорость их движения равна 5 см в год. Примерно с такой же скоростью растут ваши ногти. Поскольку все плиты плотно прилегают друг к другу, движение любой из них действует на окружающие плиты, заставляя и их постепенно перемещаться. Плиты могут перемещаться по-разному, что можно видеть на их границах, но причины, вызывающие движение плит, ученым пока неизвестны. Видимо, этот процесс может не иметь ни начала, ни конца. Тем не менее некоторые теории утверждают, один тип движения плит может быть, так сказать, «первичным», а от него уже приходят в движение все прочие плиты.

Один из типов движения плит - это «подныривание» одной плиты под другую. Некоторые ученью полагают, что именно этот тип движения вызывает все прочие перемещения плит. На некоторых границах расплавленная порода, пробиваясь на поверхность между двумя плитами, затвердевает по их краям, расталкивая эти плиты. Этот процесс тоже может вызывать перемещение всех других плит. Считается также, что, помимо первичного толчка, движение плит стимулируют гигантские тепловые потоки, циркулирующие в мантии (см. статью « «).

Дрейфующие материки

Ученые полагают, что со времени образования первичной земной коры движение плит изменяло положение, очертания и размеры материков и океанов. Этот процесс назвали тектоникой плит . Приводятся разные доказательства этой теории. Например, очертания таких материков, как Южная Америка и Африка, выглядят так, будто они когда-то составляли единое целое. Обнаружилось и несомненное сходство в строении и возрасте горных пород, слагающих древние горные цепи на обоих материках.

1. По мнению ученых, массивы суши, ныне образующие Южную Америку и Африку, более 200 млн. лет назад были соединены друг с другом.

2. Видимо, дно Атлантического океана постепенно расширялось, когда на границах плит формировалась новая порода.

3. Сейчас Южная Америка и Африка удаляются друг от друга со скоростью порядка 3,5 см в год из-за движения плит.

Согласно современной теории литосферных плит вся литосфера узкими и активными зонами — глубинными разломами — разделена на отдельные блоки, перемещающиеся в пластичном слое верхней мантии относительно друг друга со скоростью 2-3 см в год. Эти блоки называются литосферными плитами.

Особенность литосферных плит — их жесткость и способность при отсутствии внешних воздействий длительное время сохранять неизменными форму и строение.

Литосферные плиты подвижны. Их перемещение по поверхности астеносферы происходит под влиянием конвективных течений в мантии. Отдельные литосферные плиты могут расходиться, сближаться или скользить друг относительно друга. В первом случае между плитами возникают зоны растяжения с трещинами вдоль границ плит, во втором — зоны сжатия, сопровождаемые надвиганием одной плиты на другую (надвигание — обдукция; поддвигание — субдукция), в третьем — сдвиговые зоны — разломы, вдоль которых происходит скольжение соседних плит.

В местах схождения континентальных плит происходит их столкновение, образуются горные пояса. Так возникла, например, на границе Евразийской и Индо-Австралийской плиты горная система Гималаи (рис. 1).

Рис. 1. Столкновение континентальных литосферных плит

При взаимодействии континентальной и океанической плит, плита с океанической земной корой пододвигается под плиту с континентальной земной корой (рис. 2).

Рис. 2. Столкновение континентальной и океанической литосферных плит

В результате столкновения континентальной и океанической литосферных плит образуются глубоководные желоба и островные дуги.

Расхождение литосферных плит и образование в результате этого земной коры океанического типа показано на рис. 3.

Для осевых зон срединно-океанических хребтов характерны рифты (от англ. rift - расщелина, трещина, разлом) — крупная линейная тектоническая структура земной коры протяженностью в сотни, тысячи, шириной в десятки, а иногда и сотни километров, образовавшаяся главным образом при горизонтальном растяжении коры (рис. 4). Очень крупные рифты называются рифтовыми поясами, зонами или системами.

Так как литосферная плита представляет собой единую пластину, то каждый ее разлом — это источник сейсмической активности и вулканизма. Эти источники сосредоточены в пределах сравнительно узких зон, вдоль которых происходят взаимные перемещения и трения смежных плит. Эти зоны получили название сейсмических поясов. Рифы, срединно-океанические хребты и глубоководные желоба являются подвижными областями Земли и располагаются на границах литосферных плит. Это свидетельствует о том, что процесс формирования земной коры в этих зонах в настоящее время происходит очень интенсивно.

Рис. 3. Расхождение литосферных плит в зоне среди нно-океанического хребта

Рис. 4. Схема образования рифта

Больше всего разломов литосферных плит на дне океанов, где земная кора тоньше, однако встречаются они и на суше. Наиболее крупный разлом на суше располагается на востоке Африки. Он протянулся на 4000 км. Ширина этого разлома — 80-120 км.

В настоящее время можно выделить семь наиболее крупных плит (рис. 5). Из них самая большая по площади — Тихоокеанская, которая целиком состоит из океанической литосферы. Как правило, к крупным относят и плиту Наска, которая в несколько раз меньше по размерам, чем каждая из семи самых крупных. При этом ученые предполагают, что на самом деле плита Наска гораздо большего размера, чем мы видим ее на карте (см. рис. 5), так как значительная часть ее ушла под соседние плиты. Эта плита также состоит только из океанической литосферы.

Рис. 5. Литосферные плиты Земли

Примером плиты, которая включает как материковую, так и океаническую литосферу, может служить, например, Индо-Авст- ралийская литосферная плита. Почти целиком состоит из материковой литосферы Аравийская плита.

Теория литосферных плит имеет важное значение. Прежде всего, она может объяснить, почему в одних местах Земли расположены горы, а в других — равнины. С помощью теории литосферных плит можно объяснить и спрогнозировать катастрофические явления, происходящие на границах плит.

Рис. 6. Очертания материков действительно представляются совместимыми

Теория дрейфа материков

Теория литосферных плит берет свое начало из теории дрейфа материков. Еще в XIX в. многие географы отмечали, что при взгляде на карту можно заметить, что берега Африки и Южной Америки при сближении кажутся совместимыми (рис. 6).

Появление гипотезы движения материков связывают с именем немецкого ученого Альфреда Вегенера (1880-1930) (рис. 7), который наиболее полно разработал эту идею.

Вегенер писал: «В 1910 г. мне впервые пришла в голову мысль о перемещении материков..., когда я поразился сходством очертаний берегов по обе стороны Атлантического океана». Он предположил, что в раннем палеозое на Земле существовали два крупных материка — Лавразия и Гондвана.

Лавразия — это был северный материк, который включал территории современной Европы, Азии без Индии и Северной Америки. Южный материк — Гондвана объединял современные территории Южной Америки, Африки, Антарктиды, Австралии и Индостана.

Между Гондваной и Лавразией находилось первое морс — Тетис, как огромный залив. Остальное пространство Земли было занято океаном Панталасса.

Около 200 млн лет назад Гондвана и Лавразия были объединены в единый континент — Пангею (Пан — всеобщий, Ге — земля) (рис. 8).

Рис. 8. Существование единого материка Пангеи (белое — суша, точки — неглубокое море)

Примерно 180 млн лет назад материк Пангея снова начал разделяться на составные части, которые перемешались но поверхности нашей планеты. Разделение происходило следующим образом: сначала вновь появились Лавразия и Гондвана, потом разделилась Лавразия, а затем раскололась и Гондвана. За счет раскола и расхождения частей Пангеи образовались океаны. Молодыми океанами можно считать Атлантический и Индийский; старым — Тихий. Северный Ледовитый океан обособился при увеличении суши в Северном полушарии.

Рис. 9. Расположение и направления дрейфа континентов в меловой период 180 млн лет назад

А. Вегенер нашел много подтверждений существованию единого материка Земли. Особенно убедительным показалось ему существование в Африке и в Южной Америке остатков древних животных — листозавров. Это были пресмыкающиеся, похожие на небольших гиппопотамов, обитавшие только в пресноводных водоемах. Значит, проплыть огромные расстояния по соленой морской воде они не могли. Аналогичные доказательства он нашел и в растительном мире.

Интерес к гипотезе движения материков в 30-е годы XX в. несколько снизился, но в 60-е годы возродился вновь, когда в результате исследований рельефа и геологии океанического дна были получены данные, свидетельствующие о процессах расширения (спрединга) океанической коры и «подныривания» одних частей коры под другие (субдукции).

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.