Тектоника литосферных плит

В 50-е и 60-е годы XX в. геологические и геофизические исследо­вания Земли проводились очень интенсивно. Особенно это касалось океанов, о строении дна которых и тем более о структуре земной коры в их пределах и ее свойствах мало что было известно. 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 разница между теорией и гипотезой? 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 не может объяснить появляющиеся новые данные.

Решающий вклад в современную геологическую теорию текто­ники литосферных плит внесли следующие открытия:

установление грандиозной, около 60 тыс. км, системы срединно-океанических хребтов и гигантских разломов, пересекающих эти хребты;

обнаружение и расшифровка линейных магнитных аномалий океанского дна, дающих возможность объяснить механизм и время его образования;

установление места и глубин гипоцентров (очагов) землетрясе­ний и решение их фокальных механизмов;

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 годов XX в., принадлежит Тузо Уилсону (Ка­нада), Ксавье Ле Пишону (Франция) и Джейсону Моргану (США).

Основная идея новой теории базировалась на признании разделе­ния литосферы, т.е. верхней оболочки Земли, включающей земную кору и верхнюю мантию до астеносферы, на семь самостоятельных крупных литосферных плит, не считая ряда мелких. Эти плиты в своих центральных частях лишены сейсмичности, они тек­тонически стабильны, а вот по краям плит сейсмичность очень высо­кая и там постоянно происходят землетрясения разной силы. Следо­вательно, краевые зоны плит испытывают большие напряжения, так как 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 растяжение происходит вдоль оси срединно-океанских хребтов, где развиты глубокие ущелья — рифты (от англ. «рифт» — расщелина). Подобные границы, маркирующие зоны рас­хождения литосферных плит, называют дивергентными (от 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 10 — 12 см/год. Такие границы получили название конвергентных (от 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 этих зон. Они получили название трансформных разломов (от англ. «трансформ» — преобразовывать), поскольку передают и преобра­зуют движения от одной зоны к другой.

 

Рис. 24.2. 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-да-Фука; Ко — Кокос; К — Карибская; А — Аравийская; Кт — Китайская, И — Индокитайская; О — Охотская; Ф — Фи­липпинская

 

Некоторые литосферные плиты сложены как океанской, так и кон­тинентальной корой одновременно. Например, Южно-Американс­кая единая плита состоит из океанской коры западной части южной Атлантики и из континентальной коры Южно-Американского кон­тинента. Только одна Тихоокеанская плита целиком состоит из коры океанского типа. Когда говорим о плитах, следует помнить, что Зем­ля шарообразная, поэтому плиты напоминают вырезанную арбузную корку. Иными словами, они перемещаются по сфере.

Современными геодезическими методами, включая космическую геодезию, высокоточные лазерные измерения и т.п., установлены

Рис. 24.3. Типы границ литосферных плит:

а — раскрытие океанских рифтов, вызывающих процесс спрединга (дивергентные границы): М — поверхность Мохоровичича; А — литосфера; б — субдукция (погру­жение) океанской коры под континентальную (конвергентные границы): А — оке­анская кора; Б — континентальная кора; В — гипоцентры землетрясений; Г — пер­вичные магматические очаги; в — трансформные границы: А — рифты; Б — транс­формный разлом; г — коллизионные границы: А — складчатая толща горных пород; К — континентальная кора. Стрелками показано перемещение блоков коры

 

скорости движения литосферных плит и доказано, что океанские 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 служат рифтовые зоны срединно-океанских хребтов, где относительно более на­гретая мантия, поднимаясь к поверхности, подвергается плавлению. Она 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 океанское дно как бы наращивается, разрастает­ся. Подобный процесс получил название спрединга (от англ. «спрединг» — развертывание, расстилание). Таким образом, спрединг имеет скорость, измеряемую по обе стороны осевого рифта срединно-океанского хребта. Скорость разрастания океанского дна колеблется от нескольких миллиметров до 18 см в год.

Строго симметрично по обе стороны срединно-океанских хреб­тов во всех океанах расположены линейные магнитные положитель­ные и отрицательные аномалии. Везде видна одна и та же последо­вательность аномалий, в каждом месте они узнаются, всем им при­своен свой порядковый номер.

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. Каждая новая порция маг­мы, внедряясь в уже застывшие, симметрично раздвигает их в обе стороны. Поэтому и магнитные аномалии располагаются симмет­рично относительно оси хребта. Иными словами, по обе стороны срединно-океанского хребта имеются две одинаковые «записи» из­менения магнитного поля на протяжении длительного времени. Нижний предел этой «записи» — 180 млн лет. Древнее коры, чем океанская, 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-океанского хребта, так как расстояние от полосы магнитной аномалии до осевой зоны рифта в хребте, поде­ленное на время, и даст скорость спрединга.

Когда был установлен процесс спрединга, сразу же встал вопрос о том, куда же исчезает океанская 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 (от англ. «саб-дакшн» — погружение). Располагаются они по краям Тихого океана и на востоке Индийского. Тяжелая и холодная океанская литосфе­ра, подходя к более толстой и легкой континентальной, уходит под нее, как бы подныривает. Если в контакт входят две океанские пли­ты, то погружается более древняя, так как она тяжелее и холоднее, чем молодая плита.

Зоны, где происходит субдукция, морфологически выражены глубоководными желобами, а сама погружающаяся океанская хо­лодная и упругая литосфера хорошо устанавливается по данным сейсмической томографии — объемного «просвечивания» глубо­ких недр планеты. Угол погружения океанских плит различный, вплоть до вертикального, и плиты прослеживаются до границы верхней и нижней мантий 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 на глубине 2900 км.

Когда океанская 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 700 км. Впервые эту зону обнаружил японский геофизик К. Вадати в 1935 г., а американский сейсмолог X. Беньоф в 1955 г. подробно описал эти зоны, которые с тех пор стали называться зонами Беньофа.

Гипоцентры землетрясений в зоне Беньофа не везде достигают границы верхней и нижней мантий. Иногда их глубина, например под Каскадными горами на западе США, не превышает первых де­сятков километров. Происходит это в тех случаях, когда холодная пластина океанской литосферы разогревается и в ней уже не могут происходить сколы, вызывающие землетрясения.

Погружение океанской литосферы приводит еще к одним важ­ным последствиям. При достижении литосферы глубины 100—200 км в области 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 и на восточной окраине Индийского океанов. Вулканические цепи располагаются тем ближе к глубоководному желобу, чем круче наклонена субдуцирующая океанская литосфера.

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

Говоря о субдукционных процессах, нельзя не сказать о судьбе осадков, перекрывающих океанскую литосферу. Край плиты, под которую субдуцирует океанская, подрезает скопившиеся на ней осадки, как нож скрепера или бульдозера, деформирует эти отложе­ния и приращивает их к континентальной плите в виде аккрецион­ного клина (от англ. «аккрешион» — приращение). 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 океанская 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 (~0,6 км³).

Кроме явления субдукции существует так называемая обдукция, т. е. надвигание океанской литосферы на континентальную, приме­ром которой является огромный тектонический покров (500 х 100 км) на восточной окраине Аравийского полуострова, сложенный типич­ной океанской корой, перекрывающей древние докембрийские тол­щи Аравийского щита.

Следует также 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. 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-2, существование которого в 1912 г. впервые предсказал выдающий­ся немецкий геофизик Альфред Вегенер — основатель гипотезы дрейфа материков, которая в наши дни трансформировалась в кон­цепцию новой глобальной тектоники. Рассчитанные абсолютные и относительные движения литосферных плит с момента начала распада Пангеи-2 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, так как 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 все наиболее ценное.