Учебные материалы по теме: "Концепция глобальной

к.б.н., доц. Т.В. Пихтова
КОНЦЕПЦИЯ ГЛОБАЛЬНОЙ ГЕОТЕКТОНИКИ
(Учебные материалы по курсу Концепции современного естествознания)
ВВЕДЕНИЕ
Тектоника – отрасль геологии, изучающая структуру земной коры и ее изменения
под влиянием механических движений и деформаций, связанных с развитием Земли в
целом.
Тектонические гипотезы, научно обоснованные предположения о причинах
движения и деформации земной коры и создающих ее структур.
Вопрос о причинах тектонических деформаций нельзя считать окончательно
решенным, поскольку основной источник их возникновения следует искать в мантии
Земли, а точные данные о состоянии и движении вещества ниже подошвы земной коры
отсутствуют. Все имеющиеся гипотезы можно объединить в две группы:
1. Гипотезы фиксизма (фр.fixation – закреплять в определенном положении), в
основе которых лежит предположение о неизменности взаимного расположения
отдельных плит земной коры на протяжении геологической истории и ведущей роли
вертикальных тектонических движений.
2. Гипотезы мобилизма (от фр.mobile – подвижный) - допускающие крупные
перемещения материковых плит коры в горизонтальном направлении и отводящим этим
горизонтальным движениям основную роль.
Гипотезу о горизонтальных перемещениях, или дрейфе материков впервые
наиболее полно обосновал немецкий геофизик А. Вегенер в своей книге «Происхождение
материков и океанов», опубликованной в 1915 г. Исходной посылкой к созданию
концепции стало совпадение очертаний западного побережья Африки и Восточного
Южной Америки. Если эти континенты сдвинуть, то они совпадают, как если бы
образовались в результате раскола одного проматерика. Вегенер неудовлетворился
совпадением очертаний побережий (которые неоднократно замечались до него), а стал
интенсивно искать доказательства. Для этого он изучил геологию побережий обоих
континентов и нашел множество сходных геологических комплексов, которые совпадали
при совмещении, так же, как и береговая линия. Другим направлением доказательства
стали палеонтологические и биогеографические аргументы. Многие животные и растения
имеют ограниченные ареалы, по обе стороны Атлантического океана. Они очень схожи,
но разделены многокилометровым водным пространством, и трудно предположить, что
они пересекли океан. Профессор Вегенер активно отстаивал идею о существовании в
прошлом (300-200 млн. лет назад) единого суперконтинента Пангея, его расколе и
последующем дрейфе образовавшихся континентов в разные стороны (рис.1).
Рис. 1. Динамика континентов:
а – 250 млн. лет назад; б – 65 млн. лет назад; в – современное расположение континентов.
Но эта необычная гипотеза не была воспринята всерьез, потому что с точки зрения
того времени казалось совершенно непостижимым, чтобы гигантские континенты могли
самостоятельно перемещаться по планете. Хотя первоначально теория дрейфа материков
была принята научным сообществом благосклонно, но в 1922 году она подверглась
жесткой критике со стороны сразу нескольких известных специалистов. Главным
аргументом против гипотезы стал вопрос о силе, которая двигает плиты. Вегенер
полагал, что континенты двигаются по базальтам океанического дна, но для этого
требовалось огромное усилие, и источника этой силы никто назвать не мог. После смерти
Альфреда Вегенера концепция дрейфа материков была отвергнута.
Борьба фиксистов и мобилистов с новой силой разгорелась в 1960-х годах, когда в
результате изучения дна океанов с помощью эхолокаторов, была составлена карта дна
Мирового океана (рис.2).
Рис. 2. Карта дна Мирового океана. Возраст дна океанов
Разные цвета соответствуют временным промежуткам, в течение которых формировалась данная область;
обращает на себя внимание симметричное распространение коры по обе стороны срединно-океанических
хребтов. Самая старая кора сформировалась почти 200 млн. лет назад.
Карта показала, что в центре океанов расположены срединно-океанические
хребты, которые возвышаются на 1,5-2 км над равнинами, покрытыми осадками. Эти
данные позволили Р. Дицу и Г.. Хессу в 1962-1963 годах выдвинуть гипотезу спрединга расширения морского дна. Согласно этой гипотезе, в мантии происходит конвекция
вещества (лат. convection –перенос) со скоростью около 1 см/год. Восходящие ветви
конвекционных ячеек выносят под срединно-океаническими хребтами мантийный
материал, который обновляет океаническое дно в осевой части хребта каждые 300-400
лет. Континенты не плывут по океанической коре, а перемещаются по мантии, будучи
пассивно «впаяны» в литосферные плиты. Согласно концепции спрединга,
океанические бассейны - структуры непостоянные, а континенты - устойчивые.
В настоящее время концепция спрединга считается общепризнанной, особенно
после того, как движение литосферных плит было надежно зарегистрировано
наблюдениями из космоса.
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕКТОНИКИ ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
•
•
Верхняя часть земной оболочки делится на твердую литосферу (кора и часть
верхней мантии) и пластичную астеносферу.
Литосфера делится на 8 крупных плит, десятки средних и множество мелких.
Более 90% поверхности Земли покрыто крупными плитами:
1. Австралийская
2. Антарктическая
3. Африканская
4. Евразийская
5. Индостанская
6. Тихоокеанская
7. Северо-Американская
8. Южно-Американская (рис. 3)
Рис.3. Типы относительных перемещений плит
Существуют три типа относительных перемещений плит:
1. Расхождение (дивергенция), выраженное спредингом;
2. Схождение (конвергенция), выраженное субдукцией и коллизией;
3. Сдвиговые перемещения по трансформным разломам.
2. ДИВЕРГЕНТНЫЕ ГРАНИЦЫ ИЛИ ГРАНИЦЫ РАСХОЖДЕНИЯ ПЛИТ
Дивергентные границы возникают между плитами, двигающимися в
противоположные стороны - спрединг (рис. 4).
Срединно-океанические хребты появляются на границах расходящихся плит. В рельефе
Земли эти границы выражены рифтами (англ. rift –
трещина),
в
них
преобладают
деформации
растяжения, мощность коры пониженная, тепловой
поток снизу максимален, и происходит активный
вулканизм. На океанической коре рифты приурочены
к
центральным
частям
срединно-океанических
хребтов. Общая их протяженность более 60 тыс.
километров. Это участки, где непрерывно создается
новая океаническая кора в виде изливающегося из
недр расплава темной вулканической породы –
базальта. По мере вытеснения вулканического
вещества на поверхность образуется новая кора, а
морское дно раздвигается, при этом там во
множестве происходят землетрясения. Выделяют два
типа хребтов. В Тихом океане новая платформа
рождается быстро, что ведет к образованию хребта в
виде горной цепи. Атлантические хребты медленно
расходятся, оставляя в центре срединную долину (рис.
Рис. 4. Раздвижение плит в зоне рифта,
5). Темпы роста коры крайне невелики – за год на
приуроченного к центральным частям
Земле прибавляется всего 0,3 кв. км новой
срединно-океанического хребта на дне
Тихого океана
океанической коры, а скорость спрединга по
отношению к осевой линии составляет несколько
сантиметров в год. К ним приурочено множество гидротермальных источников, которые
выносят в океан значительную часть глубинного тепла, и растворенных элементов.
Высокотемпературные источники называются «черными курильщиками», с ними связаны
значительные запасы цветных металлов.
Рис. 5. Спрединг на дне Атлантического океана
3. КОНВЕРГЕНТНЫЕ ГРАНИЦЫ ИЛИ ГРАНИЦЫ СХОЖДЕНИЯ ПЛИТ
Конвергентными называются границы, на которых происходит столкновение плит.
Возможны три варианта столкновений:
1. Континентальная плита с океанической. Океаническая плита плотнее, чем
континентальная и погружается под континент в зоне субдукции (лат.sub…- под, ductio –
введение) с образованием глубоководного желоба (рис. 6);
2. Океаническая плита с океанической. В таком случае одна из плит заползает
под другую и также формируется зона субдукции, над которой образуется островная
дуга (рис. 7);
3. Континентальная плита с континентальной. Происходит коллизия (лат.
collisio – столкновение), возникает мощная складчатая область. Классический пример Гималаи (рис. 9).
Рис. 6. Первый тип взаимодействия тектонических плит: столкновение океанической плиты и
континентальной. Океаническая плита как более тяжелая погружается под континент;
образуется горная цепь, а в месте «подныривания» - глубоководный желоб
Большинство современных зон субдукции расположены по периферии Тихого
океана, образуя «тихоокеанское огненное кольцо» - активные континентальные
окраины протяженностью 60 тыс. км. Они возникают там, где под континент
погружается океаническая литосферная плита. Эталоном этой геодинамической
обстановки считается западное побережье Южной Америки, ее часто называют
андийским типом континентальной окраины, для которой характерны многочисленные
вулканы и мощный магматизм.
Островные дуги – цепочки океанических островов над зоной субдукции,
возникающие там, где океаническая плита погружается под океаническую и
поглощается мантией. На верхней плите образуются вулканы островной дуги. Выгнутая
сторона островной дуги направлена в сторону поглощаемой плиты. С этой стороны
находятся глубоководный желоб и преддуговой прогиб. В качестве типичных
современных океанических дуг можно назвать Алеутские, Курильские, Марианские
острова, и многие другие архипелаги. Японские острова также часто называют островной
дугой, но их фундамент очень древний и на самом деле они образованы несколькими
разновременными комплексами островных дуг, так что Японские острова являются
микроконтинентом.
На дне океанов расположены многочисленные вулканические острова. Некоторые
из них расположены в цепочках с последовательно изменяющимся возрастом.
Классическим примером такой подводной гряды стал Гавайский подводный хребет. Он
поднимается над поверхностью океана в виде Гавайских островов. Для объяснения этой
удивительной структуры было сделано предположение, что под Гавайскими островами
находится горячая точка – место, где к поверхности поднимается горячий мантийный
поток, который проплавляет двигающуюся над ним океаническую кору. Таких точек
сейчас на Земле установлено множество. Мантийный поток, который их вызывает, был
назван плюмом. В некоторых случаях предполагается исключительно глубокое
происхождение вещества плюмов, вплоть до границы ядро-мантия.
Рис. 7. Океаническое огненное кольцо Тихого океана. Огненное кольцо – пояс интенсивной вулканической и
сейсмической деятельности, почти сплошь окружающий Тихий океан по границам плит. В центральной зоне
Тихого океана показаны вулканические острова, возникшие в горячих точках, вызванных плюмами.
Коллизия – столкновение двух континентальных плит приводит к смятию коры
и образованию горных цепей. Примером коллизии является Гималайский горный пояс,
образовавшийся в результате закрытия океана Тетис и столкновения с Евразийской
плитой Индостана (рис. 8). В результате мощность коры значительно увеличивается, под
Гималаями она составляет 70 км.
Рис. 8. Закрытие океана Тетис.
Рис. 9. Третий тип взаимодействия тектонических плит: столкновение континентальной плиты с
континентальной. Происходит коллизия, деформация коры, возникает мощная складчатая
область (горная цепь)
4. СДВИГОВЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПО ТРАНСФОРМНЫМ РАЗЛОМАМ
Там, где плиты двигаются параллельным курсом, но с разной скоростью, возникают
трансформные разломы – грандиозные сдвиговые нарушения, широко распространенные
в океанах, и редкие на континентах. В океанах трансформные разломы идут
перпендикулярно срединно- океаническим хребтам (СОХ) и разбивают их на сегменты
шириной в среднем 400 км. Между сегментами хребта находится активная часть
трансформного разлома. На этом участке постоянно происходят землетрясения и
горообразование (рис. 10).
Рис. 10. Трансформные разломы на дне океанов
Сдвиговые границы плит на континентах встречаются относительно редко.
Пожалуй, единственным примером активной границы такого типа является разлом СанАндреас, отделяющий Северо-Американскую плиту от Тихоокеанской. 800-мильный
разлом Сан-Андреас – один из самых сейсмоактивных районов планеты: в год плиты
смещаются относительно друг друга на 0,6 см, землетрясения с амплитудой более 6
единиц происходят в среднем раз в 22 года. Американский город Сан-Франциско
построен в непосредственной близости от этого разлома
.
5. ПРИЧИНЫ ДВИЖЕНИЯ ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ
Плиты движутся благодаря наличию многочисленных конвекционных потоков в
веществе мантии. Конвекция знакома нам по жидкостям и газам, когда горячие и менее
плотные вещества поднимаются вверх и охлаждаются, а плотные вещества опускаются
вниз. На границе между мантией и ядром происходят химические процессы. Из
соединений железа восстанавливается чистое железо и тонет, а более легкий «шлак»
всплывает к земной коре (рис. 11).
Рис. 11. Конвекционные потоки в веществе мантии
.
Этот процесс приводит в движение гигантский конвейер океанической циркуляции и
стремительный беспорядок ветров в атмосфере. Однако при очень высокой температуре
и давлении даже «твердые» породы внешних слоев Земли могут вести себя как вязкие
текучие жидкости, и, стало быть, в этой среде тоже может происходить конвекция. Даже
по прошествии 4,5 млрд. лет в земном ядре содержится природное тепло; в ходе
аккреции (слипание вещества при образовании Земли) и затвердевания планеты оно
являлось тепловым двигателем, благодаря которому происходили процессы конвекции в
мантии. Некоторое количество тепловой энергии выделяется также в результате распада
природных радиактивных элементов, таких как уран и торий.
Мантийные плюмы – столбы магмы, поднимающиеся вверх из мантии, проходят
между расходящимися границами плит и создают новую литосферу в районах срединноокеанических горных хребтов. На сходящихся участках порода охлаждается и снова
опускается в глубь мантии. Восходящие и нисходящие потоки в нижней мантии
пространственно разделены. Под земной корой в астеносфере возникают
горизонтальные потоки, на которых скользят литосферные плиты. Вся мантия
рассматривается как система конвективных ячеек. Этот медленный процесс мантийной
конвекции, продолжающийся уже миллионы лет, приводит литосферные плиты в
движение. Горячие точки дали основания для создания так называемой плюмовой
геотектоники, которая утверждает, что значительную роль в геодинамических процессах
играет не только регулярная конвекция, но и плюмы. Плюмовая тектоника не
противоречит тектонике плит, а дополняет ее.
6. СУПЕРКОНТИНЕНТАЛЬНЫЙ ЦИКЛ
В наши дни существует несколько методов вычисления скорости движения плит.
Наиболее точный из современных методов – непосредственное наблюдение при помощи
лазерной технологии и искусственных спутников Земли. Так было установлено, что
Атлантический океан расширяется со скоростью 2-4 см. в год, Индийский пытается расти
с той же скоростью, но ему слегка мешают столкновения окружающих его литосферных
плит. Центр самого быстрого спрединга – Восточно-Тихоокеанское поднятие, в районе
которого океаническая земная кора нарастает со скоростью около 17 см в год. Однако по
всему Тихому океану литосферные плиты гораздо быстрее поглощаются на сходящихся
участках. Фактически конечным результатом является сокращение размеров Тихого
океана в пользу других океанов.
Из анализа перемещений континентов
было сделано эмпирическое наблюдение, что
континенты каждые 400-600 млн. лет
собираются в огромный материк, содержащий
в себе почти всю континентальную кору. 250
млн.
лет
назад
сформировался
суперконтинент под названием Пангея, в
виде буквы «С», внутрь корой врезался
водный бассейн Тетис (рис. 12).
Рис. 12. Триасовый период, около 250 млн. лет назад.
Пангея пребывала в едином состоянии не более нескольких десятков миллионов
лет, после чего начала медленно раскалываться на части, которые стали расходиться.
Сначала Пангея раскололась практически по линии земного экватора; в результате
образовалась Северная и Южная Америки, и океанические воды хлынули через раздел,
которому соответствует современный Гибралтарский пролив, соединившись с Тетисом.
Этот узкий океан разделил две крупные континентальные массы, известные нам как
Лавразия и Гондвана (рис. 13).
Затем каждый из этих континентов продолжал распадаться вдоль рифтов.
Северная Америка отделилась от Евразии. Индия и Австралия-Антарктида оторвались от
Гондваны, ознаменовав тем самым рождение Индийского Атлантического океанов.
Именно эта эра может с наибольшим правом претендовать на звание эры океанов,
поскольку уровень моря был выше на 350-650 метров, чем сегодня; на сушу приходилось
лишь 18% площади земного шара, против современных 28%.
Юрский период, около 150 млн. лет назад
Меловой период,
около 100 млн. лет назад
Неоген, около 20 млн. лет назад
Рис. 13. Расположение континентов в различные геологические периоды
Всемирный потоп сопровождался глобальным потеплением. Температура воды
в океане повысилась до 30оС на экваторе, а содержание в ней кислорода упало до опасно
низкого уровня. Эти явления, известные как бескислородные события в океане,
явились непосредственными причинами вымирания бесчисленного количества морских
организмов и позволили им сохраниться в форме неразложившегося органического
вещества в отложениях морского дна – черных сланцах. В этих породах содержится
более половины мировых запасов нефти в океане. Перемены, имевшие место в конце
продолжительного мелового периода, 65 млн. лет назад, оказались драматичными и для
суши. Пришел конец господству динозавров, и вместе с ними с лица Земли исчезло около
50% известных нам видов живых существ. Уровень моря упал, на месте огромных морей
восстала суша, предлагая новым видам живых существ заполнять новые экологические
ниши. Началось резкое снижение среднемировой температуры. Антарктида отделилась
от Австралии и оседлала южный полюс. Эти события произошли 15 млн. лет назад, тогда
же зародилось и мощное Антарктическое циркумполярное течение, явившееся
причиной дальнейшего глобального похолодания, завершившегося ледниковым
периодом.
Сейчас континенты находятся на этапе почти максимального разъединения.
Атлантический океан расширяется, а Тихий океан закрывается. Индостан движется на
север и сминает Евразийскую плиту, но, видимо, ресурс этого движения уже почти
исчерпан, и в скором геологическом времени в Индийском океане возникнет новая зона
субдукции, в которой океаническая плита Индийского океана будет поглощаться мантией
под Индийским континентом.
Учитывая, что диаметр Земного шара остается неизменным, раздвижение
океанического дна должно компенсироваться процессами погружения одной плиты под
другую.
Концепция тектоники литосферных плит сыграла в науках о Земле роль,
сравнимую с гелиоцентрической концепцией в астрономии, или открытием ДНК в
генетике. До ее принятия, науки о Земле носили описательный характер. Тектоника плит
связала их и дала им предсказательную силу.