СТАНОВЛЕНИЕ ТЕОРИИ ТЕКТОНИКИ ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ

В самом начале 60-х годов в США декан геологического факультета Принстонского университета Г. Хесс в своей работе, которую он назвал «геопоэтическим эссе», высказал предположение, что горячее, частично расплавленное мантийное вещество поднимается вдоль рифтовых трещин, которые в ту пору были впервые трассированы по сейсмологическим данным в виде единой мировой системы. Поднимаясь из глубоких недр, мантийное вещество, согласно модели Г. Хесса, должно растекаться в разные стороны от оси хребта и растаскивать океанское дно в разные стороны. Кроме того, поднимающееся расплавленное мантийное вещество заполняет рифтовую трещину, застывает в ней, а затем, разрываясь примерно по середине, наращивает таким образом раходящиеся края океанической коры. Г. Хесс писал: «Этот процесс несколько отличается от процесса дрейфа материков. Континенты не прокладывают себе путь через океаническое дно под воздействием какой-то неизвестной силы, а пассивно плывут в мантийном материале, который поднимается вверх под гребнем хребта и затем распространяется от него в обе стороны». Так была сформулирована гипотеза разрастания морского дна.

В начале 60-х годов появились новые убедительные геофизические доказательства перемещения материков. Известно, что в момент остывания изверженной горной породы, при температуре ниже точки Кюри, содержащиеся в породе ферромагнитные минералы намагничиваются и ориентируются в соответствии с существующим в это время магнитным полем. Осредненное приблизительно за 100 тыс. лет главное магнитное поле нашей планеты очень близко к полю осевого центрального диполя, т. е. полю магнита, помещенного в центре Земли и направленного по географической оси. Таким образом, изучая палеомагнетизм древних пород, можно определить направление палеомеридиана и, главное, палеошироту того места, где данная порода образовалась. Первые же палеомагнитные исследования показали, что за геологическое время происходило изменение палеоширот всех континентов, причем это изменение за последние 150—200 млн. лет полностью соответствовало вегенеровским реконструкциям распада Пангеи.
litosfera1
В начале 60-х годов появились новые весомые палеомагнитные доказательства разрастания океанического дна. Они были получены на основании анализа природы полосчатых магнитных аномалий. Оказалось, что эти аномалии симметричны по отношению к гребням срединно-океанических хребтов и каждая половина симметричной картины с хорошей точностью повторяет порядок чередования намагниченности континентальных пород по мере увеличения их возраста. К тому времени было установлено, что изменения намагниченности континентальных пород связаны с изменением полярности главного магнитного поля нашей планеты. Оказалось, что за последние несколько миллионов
лет магнитные полюса Земли меняли свою полярность свыше 20 раз. Для объяснения природы знакопеременного и симметричного аномального магнитного поля океанского дна было высказано около десятка гипотез. Справедливой оказалась модель Ф. Вайна и Д. Мэттьюза (1963 г.), которые предположили, что аномалии океана есть не что иное, как запись инверсий магнитного поля Земли в геологическом прошлом на гигантской природной «магнитофонной» ленте — океанической коре, которая, застывая в рифтовой трещине, рвется в ней примерно по середине и каждая половина которой раздвигается в стороны от места своего рождения. Определив порядок чередования и время каждой инверсии главного магнитного поля Земли, можно по рисунку аномалий А.Та определить возраст дна океана. Геоисторическая интерпретация аномального магнитного поля океана, проверенная данными глубоководного бурения, убедительно показала геологическую молодость океанического дна. В рифтовых трещинах возраст пород современный, а на флангах срединно-океанических хребтов он достигает 80—100 млн. лет; самый древний возраст океанической коры не превышает 150—160 млн. лет, что составляет всего у30 от возраста нашей планеты. Палеомагнитные исследования континентальных пород и геоисторический анализ природы аномального магнитного поля океана не только полностью подтвердили принципиальную справедливость аргументов ранних мобилистов, но и позволили выявить детальные черты геометрии взаимного перемещения литосферных плит в процессе разрастания геологически молодых впадин Атлантического и Индийского океанов.

Вслед за А. Вегенером глобальные палеогеографические схемы, на которых отражена эволюция Пангеи, были предложены Р. Дитцем и И. Холденом.

В первой половине XX в. сейсмологи установили, что под островными дугами глубины очагов землетрясений достигают нескольких сот километров, а очаги эти группируются в сравнительно узкие (до 100 км) сейсмофокальные зоны, уходящие на глубину под разными углами — от 30 до 70°. Хотя еще в начале 30-х годов голландский геофизик Ф. Венинг-Мейнес, а в середине 40-х годов советский геолог академик А. Заварицкий интерпретировали эти зоны как результат вдавливания или поддвигания тихоокеанской литосферы под материковую, но большинство геофизиков и геологов вслед за Г. Беньоффом традиционно интерпретировали глубинные сейсмофокальные зоны как расколы жесткой мантии. Только в конце 60-х годов Л. Сайкс, Ж. Оливье, Б. Айсекс на основании анализа сейсмологических данных убедительно показали, что глубинная сейсмофокальная зона под островными дугами действительно по своим упругим параметрам представляет плиту, более жесткую, чем окружающая мантия.

Другим ярким доказательством погружения океанической литосферы в мантию под островными дугами служит рельеф дна. Еще в конце 20-х годов было установлено, что характерные парные морфоструктуры — глубоководные желоба и невулканические гряды островных дуг далеки от равновесия; для того чтобы удерживать их в таком состоянии, литосфера должна обладать прочностью порядка 1000 кг/см2, что соответствует условно-мгновенной прочности кристаллических горных пород на скалы. Отсюда С. А. Ушаковым (1968) сделан вывод, что нескомпенсированные морфоструктуры островных дуг могут длительно существовать только при условии перераспределения напряжений в процессе поддвигания одной плиты под другую, т. е. они представляют собой поверхностное проявление динамики конвергентных (сходящихся) краев плит.

Третий тип границ литосферных плит (впервые выделен в середине 60-х годов Дж. Т. Уилсоном) — это трансформные разломы, вдоль которых края плит скользят без значительного раздвигания или поддвигания.

О том, что литосферные плиты в первом приближении можно рассматривать как жесткие недеформируемые тела, свидетельствует местоположение поясов сейсмической активно-
сти на поверхности Земли: эти пояса четко оконтуривают границы плит. Иными словами, деформация и расколы литосферы происходят преимущественно на границах плит, при этом на конвергентных (сходящихся) границах выделяется 95—96% всей упругой энергии, тогда как остальные 4—5% — на дивергентных и трансформных.

Таким образом, к концу 60-х годов были сформулированы основные положения тектоники литосферных плит, а именно: на поверхности нашей планеты перемещаются сферические плиты литосферы — оболочки Земли, в пределах которой все петрологические компоненты находятся в кристаллическом состоянии. Поэтому только литосфера обладает конечной длительной прочностью и хрупким разрушением — разрывы литосферы приводят к землетрясениям; иными словами, с позиций механики литосфера и является корой Земли. Нижняя граница литосферы определяется температурой кристаллизации (или плавления) базальтов; начало их плавления — фазовый переход литосферы в астеносферу — неустойчивую сферу. Верхняя граница литосферы определяет лик нашей планеты.

Наиболее существенные геологические процессы происходят на боковых границах плит. Их принято разделять на три главных типа. Первый — это дивергентные (расходящиеся) края плит. Здесь в образующуюся трещину поступает расплавленное мантийное вещество; достигая поверхности, оно остывает и образует новую океаническую литосферу. Поэтому раскол континентальной литосферы и раздвижение краев двух материков дают начало образованию между ними нового океана. Другой тип границ — это конвергентные, которые в свою очередь можно разделить на два подтипа. Первый — когда океаническая плита сталкивается с другой плитой (океанической или континентальной)и погружается в мантию. Такое погружение приводит к образованию глубоководных желобов и островных дуг, например Курильской, или андийской окраины Южной Америки, или восточной окраины Камчатки. Второй подтип конвергентных границ можно наблюдать там, где сталкиваются континентальные края плит. Континентальная кора, будучи существенно более легкой, чем мантия, играет в материковой литосфере роль «пробки» и не позволяет ей глубоко погрузиться в астеносферу. Поэтому столкновение континентальных окраин подобно торошению льдин во время затора при ледоходе. Актуалистический пример такого «торошения» материковой литосферы — Альпийско-Гималайский горный пояс. Третий тип границ — трансформные разломы. Вдоль них края плит скользят без существенного раздвигания или надвигания.

Крупных литосферных плит немного — восемь-девять; число таких главных плит зависит от того, какой характерный линейный размер плиты и какую скорость их относительного смещения выбрать за начальные. В настоящее время можно выделить еще свыше 20 малых плит; они сосредоточены преимущественно в пределах Альпийско-Гималайского и аналогичного ему по геодинамической природе Циркумтихоокеанского планетарных поясов сжатия литосферы. Грубо можно считать, что характерный линейный размер крупной плиты — тысячи, а малой — сотни километров; нижний предел относительной линейной скорости смещения двух плит — 0,5—1 см/год.

Пространственное расположение границ плит на поверхности Земли, а также некоторые другие геофизические данные позволяют предполагать, что перемещение литосферных плит обусловлено крупномасштабной конвекцией, охватывающей всю мантию нашей планеты, вплоть до поверхности ядра.

Теперь геологи стали понимать, что непосредственно из мантии в рифтовых трещинах срединно-океанических хребтов рождается океаническая кора. Континентальная кора представляет собой продукт вторичной переработки (переплавления) океанической коры в местах, где происходит погружение в мантию океанических плит. Когда океаническая кора переплавляется, слагающие ее породы теряют воду, часть кремнезема, щелочные металлы, глинозем и некоторые другие подвижные соединения и элементы. Все эти компоненты в виде богатых водой и кремнеземом магм поднимаются на поверхность наползающего края плиты, образуют вулканические цепи островных дуг и континентальных окраин; среди продуктов вулканизма преобладают андезиты — породы по среднему химическому составу наиболее близкие к континентальной коре.

Такие свойства литосферы, как прочность и жесткость, при относительно кратковременном воздействии возмущающих сил позволили построить на основании принципиально различных по своей физической природе данных (а именно: по аномальному магнитному полю дна океана близ рифтовой трещины, по простиранию развивающихся трансформных разломов и механизмам в очагах землетрясений) единую замкнутую глобальную количественную картину «мгновенной» кинематики главных литосферных плит.

Математической основой для рассмотрения «мгновенной» кинематической картины движения литосферных плит служит известная теорема Эйлера, которая гласит, что произвольное перемещение твердого тела с некоторой неподвижной, расположенной внутри тела точкой можно представить как результат его вращения относительно фиксированной оси, проходящей через эту точку. Применяя эту теорему Эйлера к «мгновенному» перемещению литосферных плит по поверхности сферической Земли, получаем, что это перемещение (при условии, что плита в .некотором приближении ведет себя как жесткое тело) можно описать вращением с вектором угловой скорости Q, проходящим через центр Земли. Следовательно, описание геометрии перемещения плит базируется на предположении об относительной жесткости каждой плиты.

Проверка этого предположения и вытекающих из него следствий впервые была выполнена в 1968 г. У. Морганом и Кс. Лe Пишоном. Ле Пишон (1968) при расчете первой глобальной модели «мгновенной» кинематики шести наиболее крупных Vплит использовал 30 значений относительных скоростей на дивергентных границах плит и 30 направлений смещений, определенных по простираниям трансформных разломов. Дж. Минстер и др. (1974) при расчете своей глобальной кинематической модели плит использовали около 200 исходных величин, добавив около 100 направлений смещений на границах плит, полученных из решения механизмов в очагах землетрясений; все исходные данные в зависимости от их точности имели «вес», и при расчете был использован метод максимального правдоподобия. При построении нашей кинематической модели двенадцати плит (Ушаков, Галушкин, 1978) было использовано около 300 исходных значений скоростей и направлений смещений на границах плит. Результаты во всех моделях получились достаточно близкими между собой. Тектоника плит позволила впервые в геологической науке получить количественную воспроизводимость глобальной модели природного процесса.

В частности, полученные во всех моделях положения полюсов относительного вращения Евразиатской, Африканской, Аравийской и Индийской плит согласуются со сжатием широкого Альпийско-Гималайского пояса, в пределах которого линейные скорости сближения плит увеличиваются с запада на восток от 0,5 см/год в районе Гибралтара до 6 см / год в районе Памира и Гималаев. Заметим, что в том же направлении возрастает и средняя высота горных сооружений. Самые низкие скорости относительного движения плит на дивергентных границах установлены на арктическом участке границы Евразиатской и Северо-Американской плит — 0,3—0,5 см/год, самые высокие, до 18 см/год, — в рифтовой трещине Восточно-Тихоокеанского поднятия.
litosfera
Информация об относительном движении литосферных плит Земли позволила перейти к оценке их движения в новой системе координат, не связанной с плитами. Особый интерес представляет движение плит в системе координат, связанной с так называемыми «горячими пятнами» мантии. В этой модели исходными данными для определения «абсолютного» движения каждой плиты служили простирания асейсмичных подводных вулканических хребтов в пределах ложа океана и поясов щелочных базальтов на континентах. Увеличение возраста вулканических островов по мере удаления от области современной вулканической активности, доказанное ныне для ряда островных цепей, позволяет предполагать, что каждый из таких поясов подводных гор или щелочных базальтов на континентах образован при движении литосферы над «пятном» аномально высокого плавления (или тепловой неоднородности в мантии). Такое «горячее пятно» создает область ослабленной литосферы, где концентрируются напряжения, образуются трещины и проявляется вулканизм. Если «горячие пятна» неподвижны относительно друг друга, то азимут простирания вулканического следа движения плиты над каждым пятном указывает направление движения плиты в искомой системе координат. Построив соответствующую систе-м\ координат, можно определить в ней скорости движения плит. Исходные данные по «абсолютному» движению плит в нашей модели (Ушаков, Галушкин, 1978), как и в предыдущей (Минстер и др., 1974), включали 20 азимутов простирания линейных поясов подводных гор и наземных щелочных вулканических провинций. Направление простирания соответствовало среднему за последние 10 млн. лет; погрешность определения азимутов — 10 — 20°. Оценки скорости перемещения подводных вулканических гор основаны на определении абсолютного возраста изверженных пород. Погрешность определения скоростей «абсолютного» перемещения плит в нашей модели около 15%. Результаты расчета показали, что движение Тихоокеанской плиты, вычисленное на основании информации, полученной на других плитах, практически совпадает с перемещением, определенным в результате измерений на самой плите. Этот факт свидетельствует в пользу справедливости предположения об относительной неподвижности «горячих пятен» за интервал времени, равный миллионам лет.
Наиболее высокие скорости перемещения в системе координат «горячих пятен» у океанических литосферных плит: они в 3—7 раз превышают скорости тех плит, где значительную часть площади составляют материки. Так, например, в «абсолютной» системе координат Тихоокеанская плита перемещается в северо-западном направлении с линейной скоростью в районе Гавайских островов около 10 см/год. Тихоокеанская плита — самая быстрая из всех плит, а Антарктическая и Евразиатская — самые медленные. Следует обратить внимание на такой интересный факт: с направлением абсолютного перемещения Евразиатской плиты совпадает генеральное простирание северной границы Альпийско-Гималайского пояса от Карпат до Копетдага включительно, а также простирание Таласо-Ферганского разлома (река Сырдарья) и разлома, вдоль которого течет река Амударья.
litosfera3
Таким образом, полученная на основании геомагнитных, геоморфологических и сейсмологических данных количественная глобальная замкнутая модель «мгновенной» кинематики литосферных плит принципиально отличает современную мобилистскую теорию, развитую на основе гипотезы А. Вегенера о дрейфе материков, от всех предшествующих геотектонических гипотез, объяснявших геологические процессы лишь на качественном уровне. Этот факт делает тектонику литосферных плит надежной основой для разработки фундаментальной теории образования и эволюции коры Земли, которая неотделима от остальных геосфер вплоть до ядра. Лоэтому тектонику литосферных плит следует рассматривать как наиболее фактически важную составную часть более общей теории глобальной тектоники.

Навигация

Предыдущая статья: ←

Следующая статья:

Оставить свой комментарий

Пожалуйста, зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.

Поиск
Поделись интересным!
Рубрики
Яндекс.Метрика

Посетите наши страницы в социальных сетях!

ВКонтакте.      Facebook.      Google Plus.      Twitter.      YouTube.      Одноклассники.      RSS.
Вверх
© 2019    Копирование материалов сайта разрешено только при наличии активной ссылки   //    Войти