Тектоника литосферных плит - современная геологическая теория

В 50-е гг. XX 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 было известно мало. Накопление новых данных нача­лось еще в первой половине XX 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, то теория имеет право на существование. Гипотеза этими свойствами не обладает. И грош ей цена, если она не может объяснить новые данные.

Решающий вклад в современную геологическую теорию тектони­ки литосферных плит внесли следующие открытия: 1) установление грандиозной, протяженностью 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 палео- магнитного 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. XX в., принадлежит Т. Уилсону (Канада), К. Ле Пишону (Франция) и Д. Моргану (США).

Основная идея этой новой теории базировалась на признании разде­ления литосферы, т. е. верхней оболочки Земли, включающей земную кору и верхнюю мантию до астеносферы, на семь самостоятельных круп­ных плит, не считая ряда мелких (рис. 3.13). 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 нлит испытывают боль­шие напряжения, т. к. перемещаются относительно друг друга.

На рис. 3.14 показаны эпицентры землетрясений за последние 15 лет, но не изображены контуры материков. Зоны сейсмичности прекрасно показывают активные границы литосферных плит.

Рис. 3.13. Основные литосферные плиты (по В. Е. Хаину и М. Г. Ломизе). 1 — оси спрединга (дивергентные границы), 2 — зоны субдукции (конвергентные границы), 3 — трансформные разломы, 4 — векторы «абсолютных» движений литосферных плит. Малые плиты: X — Хуан-де-Фука; Ко — Кокос; К — Карибская; А — Аравий­ская; Кт — Китайская; И — Индокитайская; О — Охотская; Ф — Филиппинская

Рис. 3.14. Эпицентры землетрясений за последние 15 лет (без контуров материков)

рифт

Рис. 3.15. Типы границ литосферных плит. I — дивергентные границы. Раскрытие океанских рифтов, вызывающих процесс спрединга: М — поверхность Мохоровичича, Л — литосфера. II — конвергентные границы. Субдукция (погружение) океанической коры под континентальную: тонки­ми стрелками показан механизм растяжения — сжатия в гипоцентрах землетрясений (звездочки); П — первичные магматические очаги. III — трансформные границы; IV — коллизионные границы

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. Подобные границы, мар­кирующие зоны расхождения литосферных плит, называются дивер­гентными (рис. 3.15, I).

На других границах плит в очагах землетрясений, наоборот, выяв­лена обстановка тектонического сжатия, т. е. в этих местах литосфер- ные плиты движутся навстречу друг другу со скоростью 10-12 см/год. Такие границы получили название конвергентных, а их протяженность также близка к 60 тыс. км (рис. 3.15, II).

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, т. к. передают, преобразуют движения от одной зоны к другой (рис. 3.15, III и рис. 6 на цветной вклейке).

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 др., 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 сре- динно-океанических хребтов, где относительно более нагретая мантия под­нимается к поверхности, подвергается плавлению и магма изливается в виде базальтовых лав в рифтовой зоне и застывает (рис. 3.16). 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. Таким образом, спрединг имеет скорость, из­меряемую по обе стороны осевого рифта срединно-океанического хребта. Скорость разрастания океанического дна колеблется от нескольких милли­метров до 18 см в год.

Строго симметрично по обе стороны срединно-океанических хребтов во всех океанах расположены линейные магнитные положительные и отри­цательные аномалии (рис. 3.17). Везде мы видим одну и ту же последова­тельность аномалий, в каждом месте они узнаются, всем им присвоен свой порядковый номер.

■J

Рифт

Континентальная кора Магматический очаг

Шельф Континентальный

Осадочные толщи

Магматический Дно океана 0чаг

Океаническая кора

Рис. 3.16. Формирование океанической коры в результате процесса спрединга при расколе континента. 1 — начало раскола, образование рифта, внедрение даек; 2 — дальнейшее развитие рифта, образование океанической коры путем излияния базальтов из магматического близповерхностного очага (черный); 3 — разрастание океанического дна, образование пассивных континентальных окраин, формирование шельфа и континентального склона, дальнейшее функционирование рифта как.места поступления базальтовых лав

Ф. Вайн и Д. 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 (рис. 3.18). Поэтому и магнитные аномалии располагаются

Б

©

Рис. 3.17. Происхождение полосовых магнитных аномалий в океанах. А и В — время нормальной и Б — время обратной намагниченности пород. 1 — океаническая кора, 2 — верхняя мантия, 3 — рифтовая долина по оси срединно-океанического хребта, 4 — магма, 5 — полоса нормально намагниченных пород и 6 — полоса обратно намагниченных пород. Стрелки — наращивание океанического дна

в

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.

Рис. 3.18. Полосовые магнитные аномалии океанского дна у побережья Северной Америки (по А. Раффу и Д. Мезону, 1961)

3 Ч млн лет

млн эпоха лет| | (хрон)

Рис. 3.19. Симметричная система линейных магнитных аномалий (в гаммах) на пересечении Восточно-Тихоокеанского поднятия (51° ю. ш.). Верхний профиль — по данным аэромагнитной съемки, нижний рассчитан по магнитохронологической шкале (дана справа) исходя из гипотезы Вайна — Мэтьюза о записи геомагнитных инверсий в процессе двустороннего спрединга (см. блок-диаграмму внизу). По Ф. Вайну (1966) и А. Коксу (1969), с изменениями. 1 — прямая полярность, 2 — обратная полярность

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 (рис. 3.19).

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 (рис. 3.20).

ш

Существует определенная зависимость между глубиной океана и возрас­том океанического дна, выражаемая формулой:

п - 0,35

Nq Идеализированная прямая

^Ч\

N

N

\

V

Iio

V

N.

V

N

N

N

О 20 40 60 80 100 120 140 J60 1®0О

Эоэраст корь■, млн пет

Рнс. 3.20. Гистограмма распределения площади дна океана по возрасту. (с шагом 20 млн лет), полученная путем намерения площадей па карте возраста океанской коры.

Идеализированная кривая шлпедыта путем усреднения столбиков гистограммы

,,П г..,,,,.■■,-v.,:>.:. (по W, Н. Bcrger, Е. L. Winterer, 197.1)

Когда был установлен процесс спрединга, сразу же встал вопрос о том, куда девается океаническая кора, если радиус Земли не увеличи­вается, а древнее, чем 180 млн лет, оксаттической коры не сутцествует? Где-то она должна поглощаться, но где? И такие конвергентные зоны были найдены и названы зонами субдукции. 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.

"Ч-

Зоны, где происходит субдукция, морфологически выражены глу­боководными желобами, а сама погружающаяся океаническая холод­ная и упругая литосфера хорошо устанавливается по данным сейсми­
ческой 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 (рис. 3.21).

Рис. 3.21. Сенсмотомшрафичсскип профиль в Центральной Америке. Черные стрелки — глубоководные желоба.,„ Черное — «теплая» мантия, серое — «холодная» мантия

t,

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 образую т наклонную сейсмофокальнуго зону, погружающуюся под континенталь­ную литосферу до глубин 700 км (рис, 3.22), Впервые эту зону обнару­жил японский геофизик К. Вадати в 1935 г., а в 1955 г. американский сейсмолог X. Бепьоф подробно описал эти зоны, которые с тех пор и с­тали называться зонами Беиьофа.

Гипоцентры землетрясений в зоне Беньофа не везде достигают гра­ницы верхней и нижней мантий. Иногда их глубина, как, например, код Каскадными горами на заиаде США, не превышает нескольких десятков километров. Происходит это в тех случаях, когда холодная пластина океанической литосферы разогревается и впей уже не могут происходить сколы, вызывающие землетрясения.

Погружение океанической литосферы приводит еще к одному важ­ному последствию. При достижении ею на определенной глубине, 100­200 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 субду- цирующая океаническая литосфера.

Таким образом, благодаря субдукции на активной континентальной окраине наблюдаются сильно расчлененный рельеф, высокая сейсмич­ность и энергичная вулканическая деятельность.

3 Японское море Японские острова В Кружки разного размера обозначают землетрясения разной силы

км

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 бульдозера, деформирует эти отложения и приращи­вает их к континентальной плите в виде аккреционного клина. 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 (1-1,5 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 так называемая обдукция, т. е. надвигание океанической литосферы на континентальную, приме­ром которой является огромный, 500 х 100 км, тектонический покров на восточной окраине Аравийского полуострова, сложенный типичной океанической корой, перекрывающей древние докембрийские толщи Аравийского щита (рис. 3.23).

Рис. 3.23. Начальное образование покрова Семайл на востоке Аравийского полуост­рова (по Р. Дж. Колмену): 1 — океаническая кора (офиолиты), 2 — континентальная кора, 3 — платформенный чехол, 4 — глубоководные осадки, 5 — покров

Рис. 3.24. Размещение ледниковых отложений позднего палеозоя. А — современная картина. Б — поздний палеозой, когда положение материков было другим и оледене­ние охватило большие участки спаянных вместе континентов в высоких широтах

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 (см. рис. 3.15). Так, например, возникли Гималайские горы, когда

20° в.д- Рис. 3.25. Вегеиеровская реконструкция суперконтинента Пангея около 2 млн лет назад. Панталасс («все моря») превратился в Тихий океан, а Средиземное море является остатком древнего океана Тетис. Заштрихованный участок обозначает полярные ледники, которые, как полагают, в пермское время двигались через Южную Гондвану, что объясняет существование различных форм ледникового рельефа в Южной Америке, Африке, Индии и Австралии

50 млн лет назад Индостанская плита столкнулась с Азиатской. Так сформировался Альпийский горно-складчатый пояс при коллизии Аф- рикано-Аравийской и Евразийской континентальных плит.

Тектоника литосферных плит позволила совершенно точно восстано­вить картину распада последнего суперматерика Пангеи, существование которого впервые предсказал выдающийся немецкий геофизик А. 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 (рис. 3.24, 3.25).

Воссоздана картина раскрытия Атлантического и Индийского океанов, которое продолжается и в наши дни со скоростью около 2 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 историю их развития, геологическое и тектони­ческое строение. На сегодняшний день этой теории нет разумной аль­тернативы и она вполне закономерно сменила господствовавшую до это­го геосинклинальную концепцию, взяв из нее все наиболее ценное. В других учебных геологических курсах вы сможете в этом убедиться.