Тектонічні гіпотези в історії геології

 

Уява про механізм рухів і деформацій земної кори займала думки людей ще з античних часів, а, може, ще й раніше. Але взаємозв’язок тектонічних і магматичних процесів залишався не свідомим. Утворення континентів вважали наслідком переходу води у підземні порожнини, а порушення залягання шарів гірських порід – в їх міжпорожнини. Вулканізм пов’язували із запаленням паливних речовин, які є в земній корі – вугілля, сірчастого колчедану. Такі уявлення існували до ХІХ століття і знайшли своє відображення в уяві нептуністів – А. Вернера та його послідовників. Лише окремі вчені – плутоністи - грек Страбон, італієць А. Моро, англієць Р. Гук – в середині ХVІІІ століття пов’язували такі явища, як землетрус і підняття земної кори, з наслідком вулканічної діяльності.

Першу наукову тектонічну гіпотезу – “гіпотезу підняття” – у другій половині ХVІІІ століття висунули М. Ломоносов і шотландець Дж. Хаттон, до середини ХІХ століття вона займала домінуюче положення. М. Ломоносов вважав, що основне значення у розвитку земної поверхні мають підняття та опущення при ведучій ролі перших. Він пояснював їх дією “підземного жару”. Дж. Хаттон вважав, що цей “підземний жар” пов’язаний з підйомом розплавленої маси (яку пізніше назвали магмою) із внутрішніх надр Землі.

Наприкінці ХІХ століття виникає теорія контракції (француз Е. де Бомон), яка виходила з космогонічних уявлень Канта-Лапласа про первинно розплавлену земну кулю, надалі її охолодження і, починаючи з поверхні Мохо, покриття твердою оболонкою. Наслідком охолодження і зменшення об’єму мало би бути короблення земної поверхні, в результаті якого виникли складки та їх нагромадження – гірсько-складчасті споруди [4, 6, 10].

В 30-40 р.р. ХХ століття була спроба доповнити цю гіпотезу уявою про чергування фаз стискання і розширення (рис. 2.1), так звана “пульсаційна гіпотеза” (американець В. Бухер, далі – М. Усов, В. Обручев). Згідно з нею, при фазі розширення переважають радіальні і вертикальні рухи; в рухомих поясах відбувається розтягнення кори і утворення геосинкліналей; геосинкліналі, які у попередню фазу стискання утворили складчастість, перетворилися на гірські споруди. В стабільних ділянках кора набухла і розбилася на грабени і горсти, утворилися вулкани, які виливали лаву. Джерелом цих процесів вважали гравітаційне ущільнення (М. Усов) або радіаційний процес (В. Обручев).

Рисунок 2.1 – Орієнтація головних осей напруг в полі пружних напруг Землі. Зони стискування (1, 2, 3) і розтягу (4, 5, 6), орієнтовані горизонтально та в хрест простягання структур (за В. Жарковим)

 

В 1906 році австрійський геолог О. Ампфер висуває “гіпотезу підкорових течій”, згідно з якою складки і шар’яжі утворюються в геосинкліналях в процесі підсуву платформ під геосинкліналі під дією течій у пластичному підкоровому шарі.

У 1910 році американець Ф. Тейлор висунув “гіпотезу дрейфу материків”. Вона допускала значні горизонтальні переміщення материкових брил по своєму підніжжю. Надалі в геотектоніці виникла течія на основі цих уявлень, яку називають “мобілізмом” в протилежність “фіксизму”, який приймав жорсткий зв'язок між корою і мантією.

В середині ХХ століття накопичується багато винаходів в геології, які відроджують теорію “мобілізму”. Це відкриття світової системи середньоокеанічних хребтів, різниця складу океанічної і континентальної кори, різке зменшення осадового шару у осьовій їх зоні. У 1960-1962 р.р. американські петрологи Г. Херс і Р. Дитц висунули гіпотезу розростання або спредінгу лона океанів.

У 1965 році Уілсон вперше описав кінематику руху плит на плоскій поверхні Землі.

Концепція тектоніки плит була сформована в серії робіт у 1967-1968 р.р., коли у повній мірі було усвідомлено значення трьох головних положень:

-механічна модель верхньої мантії складається з жорсткого пружного зовнішнього шару – літосфери - і розм’якшеного шару астеносфери, що її підстилає. Цей поділ верхньої мантії знайшов своє завершення в роботі Туркотта та Оксбурга у 1967 році, де океанічна літосфера була визначена, як зовнішній холодний пограничний шар конвентивних комірок верхньої мантії. Ця фундаментальна ідея служить основою при фізичній інтерпретації тектоніки плит;

-для поділу літосфери на плити використовують звіти сейсмічності Землі, вперше в повному об’ємі складені Гутенбергом і Рихертом (1941, 1945 р.р.). Згідно з цими даними, більша частина механічної енергії, що виділяється у поверхневому шарі Землі, “витрачається” в кількох вузьких сейсмічних поясах, а остаточна енергія – при епейрогенічних рухах (вертикальні рухи, які створюють великі риси будови континентів та океанів);

-літосферні плити є жорсткими тілами, тому кінематика їх переміщення на сфері підпорядковується суворим геометричним правилам.

Основні етапи розвитку концепції ініціювали Вегенер у 1912 р., Хесс у 1960 р., Вайн і Метьюз у 1963 р., Уілсон у 1965 р. і Морган у 1967 р.

Тектоніка плит є поверхневим проявленням конвективних рухів в надрах мантії. Ці рухи досить складні і ще погано зрозумілі. Важливішою особливістю тектоніки Землі є лінійність її головних структур – серединно-океанічних і континентальних рифтових систем та систем глибоководних жолобів. Це обумовлено структурою розвинутої конвекції у верхній мантії, яка є такою, що утворює лінійні висхідні гарячі потоки – шари, що виходять на поверхню в рифтових зонах і які породжують зовнішній тепловий пограничний шар – океанічну літосферу. Відсуваючись у бік від серединно-океанічних хребтів, вона застигає і закінчує свій шлях, знову занурюється в мантію біля глибоководних жолобів з утворенням холодного нисхідного потоку – шару, що розігрівається і тоне в гарячій мантії (рис. 2.2).

На поверхні Землі були виявлені менш яскраві “сліди” конвенції в мантії, які тим не менш мають важливе значення

Рисунок 2.2 – Схема конвективних рухів в надрах мантії Землі

 

для розуміння тектоніки Землі. Це – так звані “гарячі плями” (hot spots), в російській літературі відомі, як «горячие точки». Їх виділив Уілсон у 1963 р. у місцях виходу куполоподібних структур, що складені базальтовими магмами і які не пов’язані з границями плит. Ці структури характеризуються підвищеним тепловим потоком. Таких точок нараховується не менше 122. Вони були активними протягом 10 млн. років (рис. 2.3).

Справжній інтерес це явище викликало у 1972 р. після того, як Морган висунув ідею про плюми – гарячі струмені в мантії, які підходять до основи літосфери. При цьому літосфера локально припіднімається і проплавляється. У зв’язку з чим ці “гарячі плями” стали використовувати, як репери для визначення абсолютних швидкостей руху літосферних плит відносно мантії Землі (рис. 2.4). Але оскільки мантія знаходиться в стадії конвекції, це питання є більш складним, ніж уявлялося на початку. Гіпотеза плюмів є основною ідеєю, яка пов’язувала тектоніку плит з гідродинамікою мантії.

Важливим процесом, який пов’язаний динамікою мантії, є процеси руху магми. Головною з причин якої є диференціація речовини, що продовжується. Найбільш виявляється в одному з шарів верхньої мантії – астеносфері. Аналіз тисків і температур, які панують у цьому шарі, показує, що тут є умови, які спричиняють плавлення речовини Землі. Так, на глибинах близько 100 км значення температури

Рисунок 2.3 – Розподіл гарячих точок на поверхні Землі

(за В. Жарковим). • - гарячі точки на поверхні Землі

 

зростає до 1300-1500^°С. Однак з глибиною суттєво зростає гірський тиск, що призводить до зростання температури плавлення. Наприклад, при тиску 3000 МПа (t°С плавлення базальту дорівнює 1150°С при нормальних умовах) t°С плавлення базальту зростає до 1400°С. І тільки тут, в астеносфері, має місце розвиток умов, які спричиняють плавлення. Температура мантії в цьому шарі досить висока, а тиск ще не настільки великий, щоб суттєво збільшити t°С плавлення. Ці термобарометричні умови (t°С та Р) призводять до утворення в астеносфері осередків виплавлення з речовини мантії його найбільш легкоплавких компонентів. Осередки розплаву пропускають повздовжні сейсмохвилі, що екранують поперекові. Ці осередки не утворюють в мантії єдиного суцільного шару. Він утворюється лише під “корінням гір”, де виникає додатковий підток тепла, який підвищує t°С верхньої мантії.