Тектоника литосферных плит – современная геологическая теория.
В 50-е годы ХХ в. геологические и геофизические исследования Земли проводились исключительно интенсивно . Особенно это касалось океанов, о строении дна которых и тем более о структуре земной коры в них и ее свойствах мало что было известно . Накопление новых данных началось еще в первой половине ХХ в., но прошло еще много времени , прежде чем полученные факты помогли рождению новой геологической теории . Именно теории , а не гипотезы . В чем между ними разница? Теория обладает функцией « предсказуемости». С ее помощью, если теория правильна, можно прогнозировать те или иные свойства вещества , его строение , явления и т.д . Если прогноз подтверждается , следовательно теория имеет право на существование. Гипотеза этими свойствами не обладает . И грош ей цена , если она не может объяснить появляющиеся новые данные.
Решающий вклад в современную геологическую теорию тектоники литосферных плит внесли следующие открытия: 1) установление грандиозной, около 60 тыс . км системы срединно- океанических хребтов и гигантских разломов , пересекающих эти хребты; 2) обнаружение и расшифровка линейных магнитных аномалий океанического дна, дающих возможность объяснить механизм и время его образования; 3) установление места и глубин гипоцентров ( очагов ) землетрясений и решение их фокальных механизмов, т.е . определение ориентировки напряжений в очагах ; 4) развитие палеомагнитного метода , основанного на изучении древней намагниченности горных пород , что дало возможность установить перемещение континентов относительно магнитных полюсов Земли . Заслуга в создании «тектоники плит», которая была сформулирована к концу 60-х гг. ХХ в. принадлежит Тузо Уилсону ( Канада), Ксавье Ле Пишону ( Франция ) и Джейсону Моргану ( США).
Основная идея этой новой теории базировалась на признании разделения литосферы , т.е . верхней оболочки Земли , включающую земную кору и верхнюю мантию до астеносферы , на 7 самостоятельных крупных плит, не считая ряда мелких. Эти плиты в своих центральных частях лишены сейсмичности , они тектонически стабильны , а вот по краям плит сейсмичность очень высокая , там постоянно происходят землетрясения. Следовательно, краевые зоны плит испытывают большие напряжения, т.к. перемещаются относительно друг друга.
Определив характер напряжений в очагах землетрясений на краях плит, удалось выяснить, что в одних случаях это растяжение , т.е . плиты расходятся и происходит это вдоль оси срединно- океанических хребтов, где развиты глубокие ущелья – рифты ( англ . «рифт» – расщелина ). Подобные границы , маркирующие зоны расхождения литосферных плит называются дивергентными ( англ . дивергенс – расхождение ).
На других границах плит в очагах землетрясений, наоборот , выявлена обстановка тектонического сжатия, т.е . в этих местах литосферные плиты движутся навстречу друг другу со скоростью , достигающей 10-12 см/ год . Такие границы получили название конвергентных ( англ . конвергенс – схождение ), а их протяженность также близка к 60 тыс . км.
Существует еще один тип границ литосферных плит, где они смещаются горизонтально относительно друг друга, как бы сдвигаются , о чем говорит и обстановка скалывания в очагах землетрясений в этих зонах. Они получили название трансформных разломов ( англ . трансформ – преобразовывать), т.к. передают, преобразуют движения от одной зоны к другой .
Некоторые литосферные плиты сложены как океанической , так и континентальной корой одновременно. Например, Южно- Американская единая плита состоит из океанической коры западной части южной Атлантики и из континентальной коры Южно- Американского континента . Только одна , Тихоокеанская плита целиком состоит из коры океанического типа . Когда мы говорим о плитах , следует помнить , что Земля круглая, поэтому плиты напоминают вырезанную арбузную корку. Иными словами , они перемещаются по сфере . Современными геодезическими методами, включая космическую геодезию , высокоточные лазерные измерения и другими способами установлены скорости движения литосферных плит и доказано , что океанические плиты движутся быстрее тех, в структуру которых входит континент, причем, чем толще континентальная литосфера, тем скорость
движения плиты ниже.
Почему перемещаются литосферные плиты ? Общепринятой точкой зрения считается признание конвективного переноса вещества мантии. Поверхностным выражением такого явления являются рифтовые зоны срединно-океанических хребтов, где относительно более нагретая мантия поднимается к поверхности, подвергается плавлению и магма изливается в виде базальтовых лав в рифтовой зоне и застывает. Далее в эти застывшие породы вновь внедряется базальтовая магма и раздвигает в обе стороны более древние базальты . И так происходит много раз. При этом океаническое дно как бы наращивается , разрастается. Подобный процесс получил название спрединга ( англ . спрединг – развертывание, расстилание). Таким образом, спрединг имеет скорость , измеряемую по обе стороны осевого рифта срединно- океанического хребта . Скорость разрастания океанического дна колеблется от первых мм до 18 см в год . Строго симметрично по обе стороны срединно- океанических хребтов во всех океанах расположены линейные магнитные положительные и отрицательные аномалии. Везде мы видим одну и туже последовательность аномалий, в каждом месте они узнаются , всем им присвоен свой порядковый номер .
Фред Вайн и Друм Мэтьюз из Кембриджского университета Великобритании в 1963 г. показали , что этот странный рисунок магнитных аномалий, не встречающийся на континентах, отражает последовательность внедрения базальтовой магмы в рифтовой зоне хребта . Застывая , базальты , проходя точку Кюри, приобретают намагниченность данной эпохи . Новая порция магмы внедряясь в уже застывшую , симметрично раздвигает
их в обе стороны . Поэтому и магнитные аномалии располагаются симметрично относительно оси хребта . Иными словами , по обе стороны срединно- океанического хребта мы имеем две одинаковые « записи » изменения магнитного поля на протяжении длительного времени . Нижний предел этой «записи » – 180 млн . лет. Древнее океанической коры не существует . Подобный процесс и есть спрединг .
Если спрединг происходит быстро, то полосы магнитных аномалий находятся дальше друг от друга, они как бы растянуты. А если спрединг более медленный , то аномалии располагаются ближе . Это обстоятельство позволяет вычислить скорость спрединга на любом пересечении срединно- океанического хребта , т.к. расстояние от полосы магнитной аномалии до осевой зоны рифта в хребте , поделенное на время и даст скорость спрединга.
Таким образом и происходит наращивание океанической литосферы по обе стороны хребта , по мере удаления от которого она становится холоднее и тяжелее и постепенно опускается , продавливая астеносферу, а океан тем временем, приобретает все большую глубину . Существует определенная зависимость между глубиной океана и возрастом океанического дна. Когда был установлен процесс спрединга сразу же встал вопрос о том , куда же девается океаническая кора , если радиус Земли не увеличивается, а древнее чем 180 млн . лет океанической коры не существует ? Где- то она должна поглощаться, но где? И такие конвергентные зоны были найдены и названы зонами субдукции ( англ . сабдакшн – погружение). Располагаются они по краям Тихого океана и на востоке Индийского. Тяжелая и холодная океаническая литосфера подходя к более толстой и легкой континентальной, уходит под нее, как бы подныривает . Если в контакт входят две океанические плиты , то погружается более древняя, т.к. она тяжелее и холоднее , чем молодая плита.
Зоны, где происходит субдукция , морфологически выражены глубоководными желобами, а сама погружающаяся океаническая холодная и упругая литосфера хорошо устанавливается по данным сейсмической томографии – объемного «просвечивания» глубоких недр планеты . Угол погружения океанических плит различный , вплоть до вертикального и плиты прослеживаются вплоть до границы верхней и нижней мантии в 670 км. Некоторые плиты останавливаются на этом уровне , иногда выполаживаясь и как бы скользя по границе. Другие – пересекают ее и погружаются в нижнюю мантию, местами достигая практически поверхности внешнего ядра – 2900 км .
Когда океаническая плита при подходе к континентальной начинает резко изгибаться , в ней возникают напряжения, которые разряжаясь , провоцируют землетрясения. Гипоцентры или очаги землетрясений четко маркируют границу трения между двумя плитами и образуют наклонную сейсмофокальную зону , погружающуюся под континентальную литосферу до глубин в 700 км. Впервые эту зону обнаружил японский геофизик Кию Вадати в 1935 г., а в 1955 г. американский сейсмолог Хуго Беньоф подробно описал эти зоны, которые с тех пор и стали называться зонами Беньофа .
Гипоцентры землетрясений в зоне Беньофа не везде достигают границы верхней и нижней мантии, Иногда их глубина как, например, под Каскадными горами на западе США, не превышает первых десятков километров . Происходит это в тех случаях, когда холодная пластина океанической литосферы разогревается и в ней уже не могут происходить сколы , вызывающие землетрясения.
Погружение океанической литосферы приводит еще к одним важным последствиям . При достижении ею на определенной глубине в 100-200 км высоких температур и давлений из нее выделяются флюиды – особые, перегретые минеральные растворы, которые вызывают плавление горных пород континентальной литосферы и образование магматических очагов, питающих цепи вулканов , развитых параллельно глубоководным желобам на активных окраинах Тихого океана и на восточной окраине Индийского океана . Вулканические цепи располагаются тем ближе к глубоководному желобу, чем круче наклонена субдуцирующая океаническая литосфера.
Таким образом, благодаря субдукции на активной континентальной окраине наблюдается сильно расчлененный рельеф , высокая сейсмичность и энергичная вулканическая деятельность . Говоря о субдукционных процессах следует сказать о судьбе осадков, которые перекрывают океаническую литосферу . Край плиты , под которую субдуцирует океаническая , подрезает осадки , скопившиеся на ней, как нож скрепера или бульдозера , деформирует эти отложения и приращивает их к континентальной плите в виде аккреционного клина ( англ . аккрешион – приращение). Вместе с тем какая- то часть осадочных отложений , погружается вместе с плитой в глубины мантии. В различных местах этот процесс идет разными путями. Так, у побережья Центральной Америки , где пробурены скважины, почти все осадки пододвигаются под континентальный край , чему способствует сверхвысокое давление воды, содержащейся в порах осадков. Поэтому и трение очень мало. В ряде других мест погружающаяся океаническая литосферная плита разрушает, эродирует край континентальной литосферы и увлекает за собой вглубь ее фрагменты . Были произведены подсчеты количества материала ежегодно увлекаемого на глубину (1,0-1,5 км3), задерживаемого у края нависающей плиты при аккреции (0,2-0,4 км3) и вещества тектонической эрозии ( примерно, 0,6 км3).
Кроме явления субдукции существует т.н. обдукция , т.е . надвигание океанической литосферы на континентальную , примером которой является огромный 500х100 км тектонический покров на восточной окраине Аравийского полуострова, сложенный типичной океанической корой , перекрывающей древние докембрийские толщи Аравийского щита.
Также следует упомянуть о столкновении или коллизии двух континентальных плит, которые в силу относительной легкости слагающего их материала, не могут погрузиться друг под друга, а сталкиваются , образуя горно - складчатый пояс с очень сложным внутренним строением . Так, например, возникли Гималайские горы, когда 50 млн . лет назад Индостанская плита столкнулась с Азиатской. Так сформировался Альпийский горно - складчатый пояс при коллизии Африкано- Аравийской и Евразийской континентальных плит.
Тектоника литосферных плит позволила совершенно точно восстановить картину распада последнего суперматерика Пангеи существование которого впервые предсказал выдающийся немецкий геофизик Альфред Вегенер в 1912 г. Рассчитанные абсолютные и относительные движения литосферных плит с момента начала распада Пангеи, т.е . со 180 млн . лет назад, хорошо известны и отличаются большой точностью .
Воссоздана картина раскрытия Атлантического и Индийского океанов, которое продолжается и в наши дни со скоростью около 2,0 см в год . Выяснена возможность некоторого проворачивания литосферы Земли по отношению к нижней мантии в западном направлении, что позволяет объяснить, почему на западной и восточной активных окраинах Тихого океана условия субдукции неодинаковы и возникает известная асимметрия Тихого океана с задуговыми, окраинными морями и цепями островов на западе и отсутствием таковых на востоке.
Теория тектоники литосферных плит впервые в истории геологии носит глобальный характер , т .к. она касается всех районов земного шара и позволяет объяснить их историю развития , геологическое и тектоническое строение . На сегодняшний день этой теории нет разумной альтернативы и она вполне закономерно сменила господствовавшую до этого геосинклинальную концепцию , вобрав из нее все наиболее ценное . В других учебных геологических курсах Вы сможете в этом убедиться.
АТМОСФЕРА И ГИДРОСФЕРА.
Атмосфера представляет собой газовую оболочку Земли , а гидросфера – это прерывистая водная оболочка , состоящая из океанов, морей, озер , рек, болот, подземных вод , ледников и снежного покрова, расположенная на поверхности Земли . В нижней части атмосферы и в гидросфере располагается биосфера. Атмосфера и гидросфера ответственны за многие геологические экзогенные процессы.
Состав атмосферы . Воздух вблизи земной поверхности состоит ( без водяного пара ) из 78% по объему (76% по массе) азота и 21% по объему (23% по массе) кислорода. 1% почти полностью представлен аргоном . Все другие составляющие сухого воздуха, а это – гелий ( Не), неон (Ne), метан ( СН4), одород ( Н2), оксид азота (NO2), диоксид серы (SO2), радон (Rn), ммиак (NH3, озон ( О3) содержатся в ничтожных количествах. Воздух может содержать также частицы , попадающие в него при извержениях вулканов , лесных пожарах и за счет техногенной деятельности человека . Особенно опасны аэрозоли от окисления газов, содержащих серу , хлорфторуглероды. Хорошо известны кислотные дожди , возникающие за счет промышленной деятельности человека . Наибольшая концентрация твердых частиц и аэрозолей наблюдается в приземных слоях атмосферы и на высотах 14 - 25 км в так называемом слое Юнга. Строение атмосферы характеризуется наличием целого ряда сфер, выделяющихся на основании изменения температуры .
Тропосфера – это нижний слой атмосферы до 10 км высотой с постоянным падением температуры примерно на 0,6° С на 100 м высоты. На верхней границе тропосферы выделяется слой постоянных температур – тропопауза (1-2 км). Выше, до высот 50-55 км располагается стратосфера , в которой наблюдается рост температур до верхней ее границы – стратопаузы , где температура почти такая же, как у поверхности Земли , что связано с поглощением солнечного излучения озоном.
Водяной пар содержится в стратосфере в ничтожных количествах, но на высоте около 25 км присутствуют переохлажденные капельки воды, образующие тонкие перламутровые облака . Над стратопаузой до высоты в 80 км находится мезосфера, в которой температура снова понижается до -100° С и венчается слой , с давлением воздуха в 100 раз меньшим, чем у поверхности Земли – мезопаузой . В этих 3-х слоях заключено 99,5% всей массы атмосферы . Выше мезопаузы располагается термосфера, в которой температура сновав резко повышается до +1200-1500° С на высотах в 250 км, а верхняя граница термосферы находится на уровне 800-1000 км, выше которого выделяется экзосфера или сфера ускользания газов. Космические исследования показали , что еще до высот в 20 000 км простирается т.н. земная корона , в которой на 1 см3 приходится около 1000 частиц газа .
Климат Земли определяется атмосферной циркуляцией , теплооборотом и влагооборотом, а также и астрономическими факторами – наклоном оси вращения Земли к плоскости эклиптики , светимостью Солнца и т.д . Климат, присущий отдельно взятому региону, определяется рядом факторов : географической широтой , наличием морей и суши, рельефом, растительностью, ледовым покровом и другими . От климата зависит характер выветривания и другие экзогенные геологические процессы.
Гидросфера – это прерывистая оболочка Земли от распространения воды в атмосфере , до нижней границы подземных вод . Водяной пар содержится в атмосфере от 0,2% в высоких широтах до 4% в тропическом экваториальном поясе и постоянно поступает в атмосферу при испарении воды с поверхности водоемов, почвы , а также растительностью ( транспирация ). Вода Мирового океана покрывает 71% поверхности Земли (361 млн . км2), если сюда присоединить все остальные водоемы , то – 383 млн . км2, с учетом зимнего снежного покрова – 443 млн . км2, т.е . 83% площади поверхности земного шара .