12.4. Тектоника литосферных плит
Рассмотрев общую структуру Земли обратимся к наиболее важным для обитателей Земли представлениям теории тектоники литосферных плит – крупных, до многих миллионов км2, глыб земной литосферы, фундамент которых образуют сильно смятые в складки магматические, метаморфизированные и гранитные породы, прикрытые сверху 3–4 километровым «чехлом» осадочных пород. Рельеф платформы составляют обширные равнины и отдельные горные хребты. Ядром каждого материка является одна или несколько древних платформ, окаймленных горными хребтами.
Начало XX в. ознаменовалось появлением гипотезы, которой в дальнейшем было суждено сыграть ключевую роль в науках о Земле. Ф. Тейлор (1910), а вслед за ним А. Вегенер (1912) высказали идею о горизонтальных перемещениях материков на большие расстояния (дрейфе материков), но «В 30-е годы XX в. в тектонике утвердилось течение, считавшее ведущим типом движений земной коры вертикальные движения, в основе которых лежали процессы дифференциации вещества мантии Земли. Оно получило название фиксизма, ибо признавало постоянно фиксированным положение блоков коры относительно подстилающей мантии» [Геология… с. 43, 33–34]. Однако в 1960-х гг. после открытия в океанах глобальной системы срединно-океанических хребтов, опоясывающих весь земной шар и местами выходящих на сушу, и ряда других результатов происходит возврат к идеям начала XX в. о дрейфе континентов, но уже в новой форме – тектоники плит, которая остается ведущей теорией в науках о Земле. Она вытеснила господствовавшее в середине XX века представление о ведущей роли в смещениях и деформациях земной коры вертикальных движений и вывела на первое место горизонтальные перемещения литосферных плит, включавших не только кору, но и верхи мантии [Хаин 2002].
«Основные положения тектоники плит сводятся к следующему. Литосфера подстилается менее вязкой астеносферой. Литосфера разделена на ограниченное число больших (7) и малых плит, границы которых проводятся по сгущению очагов землетрясений. К числу крупных плит принадлежат: Тихоокеанская, Евразиатская, Северо-Американская, Южно-Американская, Африканская, Индо-Австралийская, Антарктическая. Литосферные плиты, движущиеся по астеносфере, обладают жёсткостью и монолитностью. При этом «континенты не прокладывают себе путь сквозь океаническое дно под воздействием какой-то невидимой силы (что предполагалось в первоначальной версии «дрейфа материков»), а пассивно плывут по мантийному материалу, который поднимается вверх под гребнем хребта и затем распространяется от него в обе стороны». В этой модели океаническое дно «представляется гигантской конвейерной лентой, выходящей на поверхность в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов и затем скрывающихся в глубоководных желобах»: расширение (спрединг) ложа океанов в связи с расхождением плит вдоль осей срединных хребтов и рождение новой океанской коры компенсируется её поглощением в зонах поддвига (субдукции) океанской коры в глубоководных желобах, благодаря чему объём Земли остаётся постоянным. Этот процесс сопровождается «многочисленными мелкофокусными землятресениями (с эпицентрами на глубине нескольких десятков километров) в рифтовых зонах и глубокофокусными землятресениями в районе глубоководных желобов (рис. 12.2, 12.3) [Еськов, с. 43, 44].
Рис. 12.2. Схема конвекционного течения в мантии, вызываемого разностью плотностей (по Рингвуду и Грину (из [Стейси, с. 80]). На этой схеме указаны предполагаемые фазовые и химические превращения, сопровождающие конвекционные перемещения вещества мантии из-за изменения давления и температуры на разных глубинах
Рис. 12.3. Схематический разрез Земли на основе гипотезы разрастания (спрединга) океанического дна – б; район глубоководного желоба – в: литосферная плита погружается в астеносферу (А), упирается в ее днище (Б и В) и разламывается – отламывается часть («слэб») (Г) –. В зоне «трения» плит – мелкофокусные землетрясения (черные кружки), в зоне «упора» и «разлома» плиты – глубокофокусные землетрясения (белые кружки) (по Уеда, 1980) (из [Еськов])
«Данные сейсмической томографии свидетельствуют о погружении глубоко в мантию наклонных зон повышенных сейсмических скоростей – пластин-слэбов океанской литосферы. Эти данные совпадают с давно установленными по гипоцентрам землетрясений сейсмофокальными поверхностями, достигающими кровли нижней мантии. Впервые было обнаружено, что в ряде случаев слэбы опускаются и на большие глубины, проникая в нижнюю мантию. Поведение погружающихся слэбов оказывается неоднозначным: одни из них, достигая нижней мантии, не пересекают ее, а отклоняются вдоль поверхности, принимая практически горизонтальное положение; другие – пересекают кровлю нижней мантии, но затем образуют раздув и не погружаются глубже; третьи же уходят на большие глубины, в некоторых районах достигая ядра… Важный, результат новейших сейсмотомографических исследований – открытие отрыва нижней части погружающегося слэба. Это явление также не было полной неожиданностью. Сейсмологи констатировали в отдельных регионах исчезновение на некоторой глубине очагов землетрясений, а затем их возникновение вновь еще глубже» [Хаин 2002].
Причина перемещения литосферных плит – тепловая конвекция в мантии Земли. Над восходящими ветвями конвективных течений литосфера испытывает подъём и растяжение, приводящее к раздвигу плит в возникающих рифтовых зонах. С удалением от срединно-океанических рифтов литосфера уплотняется, тяжелеет, поверхность её опускается, что объясняет увеличение глубины океана, и в конечном счёте погружается в глубоководных желобах. В континентальных рифтах затухание восходящих потоков разогретой мантии ведёт к охлаждению и погружению литосферы с образованием бассейнов, заполняемых осадками. В зонах схождения и столкновения плит кора и литосфера испытывают сжатие, мощность коры возрастает и начинаются интенсивные восходящие движения, ведущие к горообразованию. Все эти процессы, включая движение литосферных плит и слэбов, имеют непосредственное отношение к механизмам формирования полезных ископаемых.
Современные тектонические движения изучаются геодезическими методами, показывающими, что они происходят непрерывно и повсеместно. Скорость вертикальных движений составляет от долей до первых десятков мм, горизонтальных на порядок выше – от долей до первых десятков см в год (Скандинавский п-ов за 25 тыс. лет поднялся на 250 м, Санкт-Петербург за время своего существования поднялся на 1 м [Куликов, с. 174–175]). Т.е. причиной землетрясений, извержений вулканов, медленных вертикальных (горы высотой в тысячи метров образуются за миллионы лет) и горизонтальных перемещений (за сотни миллионов лет это приводит к смещениям в тысячи километров (рис. 12.4)) являются медленные, но чрезвычайно мощные перемещения вещества мантии.
«Положения теории тектоники плит прошли экспериментальную проверку в ходе начатого в 1968 г. глубоководного бурения с американского научно- исследовательского судна «Гломар Челленджер», подтвердившего образование океанов в процессе спрединга, в результате исследований рифтовых долин срединных хребтов, дна Красного моря и Аденского залива со спускаемых подводных аппаратов, также установивших реальность спрединга и существование пересекающих срединные хребты трансформных разломов, и, наконец, в изучении современных движений плит различными методами космической геодезии.
Рис. 12.4. Два предполагаемых расположения суши современное (внизу) и несколько сот миллионов лет назад (<http://wsyachina.narod.ru/earth_sciences /earth_ genesis_1/continents_driving.html>; аннимацию тектоники плит можно найти на сайте <http://sbmg.geol.msu.ru/sbor/scotese/movies/movie1.htm>)
С позиций тектоники плит находят объяснение многие геологические явления, но вместе с тем выяснилась большая, чем предусматривалась исходной теорией, сложность процессов взаимных перемещений плит… Не получило объяснения в тектонике плит периодическое изменение интенсивности тектонических движений и деформаций, существование устойчивой глобальной сети глубоких разломов и некоторые др. Остаётся открытым вопрос о начале действия тектоники плит в истории Земли, поскольку прямые признаки плитно-тектонических процессов … известны лишь с позднего протерозоя. Тем не менее некоторые исследователи признают проявление тектоники плит начиная с архея или раннего протерозоя4. Из др. планет Солнечной системы некоторые признаки тектоники плит усматриваются на Венере» [Хаин 2001].
«Тектоника плит, первоначально встреченная со скепсисом, особенно в нашей стране, – пишет академик В.Е. Хаин, получила убедительное подтверждение в ходе глубоководного бурения и наблюдений с подводных спускаемых аппаратов в океанах, в непосредственных измерениях перемещений литосферных плит методами космической геодезии, в данных палеомагнетизма и других материалах и превратилась в первую действительно научную теорию в истории геологии.