Современная геологическая теория — теория тектоники литосферных плит

После того как были рассмотрены современные геологические процессы, строение земного шара и земной коры, основные структуры земной коры, необходимо разобраться, какую же основную геологическую теорию, именно теорию, а не гипотезу, используют в настоящее время геологи для объяснения закономерностей развития Земли не только в наши дни, но и в далеком прошлом.

Истоки этой теории — в идее о дрейфе континентов, выдвинутой в 1912 г. немецким геофизиком А. Вегенером (1880—1930). Он предположил, что 200 млн лет назад существовал огромный единый материк, названный им Пангеей, т. е. «Всеобщей Землей». Этот суперматерик впоследствии распался на несколько материков, и поэтому возникли Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый океаны. На эту гипотезу Вегенера натолкнуло удивительное сходство очертаний материков по обе стороны Атлантики. Кстати, и до Вегенера некоторые исследователи отмечали это сходство. Как материки могли перемещаться по поверхности Земли, никто в начале XX в. не мог объяснить, в том числе и А. Вегенер, хотя он и предполагал, что легкие материки как бы плавают на более тяжелой мантии.

Благодаря достижениям в изучении Земли во второй половине XX в. удалось доказать существование литосферных плит, включающих в себя твердые земную кору и часть верхней мантии до астеносферного слоя с меньшей вязкостью.

На чем было основано выделение литосферных плит? Решающее значение имели новые фактические данные.

• 1. Возникшая наука палеомагнитология, основан-' ная на изучении остаточной намагниченности горных пород, позволила выяснить перемещение плит относительно магнитных полюсов Земли.
• 2. Усовершенствование приборов позволило точно определять положение эпицентров и гипоцентров (очагов) землетрясений, а также устанавливать, какой вид напряжений — сжатие или растяжение — вызвал то или иное землетрясение.
• 3. Были составлены детальные карты рельефа океанического дна и открыты грандиозные срединно-океанические хребты с ущельями (рифтами) в их вершинной части и многочисленными поперечными разломами, по которым отрезки хребтов смещаются в разные стороны.
• 4. Наконец, были открыты линейные магнитные аномалии океанического дна и дано объяснение их происхождения в результате постепенного расширения, растекания дна океана от срединно-океанических хребтов в разные стороны.

В результате этих открытий Т. Вилсоном (Канада), Д. Морганом (США) и К. Пишоном (Франция) в начале 60-х гг. XX в. и была сформулирована новая глобальная геологическая теория.

Линейное расположение эпицентров землетрясений показывает наличие в литосфере Земли геологически активных зон, которыми она подразделяется на несколько частей, называемых литосферными плитами.

Выделено всего семь таких крупных плит и несколько малых. Узкие зоны концентрации землетрясений оконтуривают плиты, внутри которых землетрясения почти отсутствуют. Сейсмическая активность по краям плит говорит о том, что в этих узких зонах происходят подвижки, смещения одних плит относительно других.

Установить, в какую сторону плиты движутся, помогает определение характера смещений и напряжений в гипоцентрах (очагах) землетрясений. Выделяются два типа границ (рис. 6.1). В одних случаях литосферные плиты расходятся в разные стороны с разной скоростью.

(до 36 см в год). Такие границы называют дивергентными (от англ. divergence — расхождение). Эти границы приурочены к рифтовым зонам — ущельям в сводах срединно-океанических хребтов. Именно здесь и происходит новообразование океанической коры за счет излияния базальтовой магмы из очагов, расположенных непосредственно под срединно-океаническими хребтами. Протяженность дивергентных границ литосферных плит превышает 60 тыс. км.

Рис. 6.1. Основные типы границ литосферных плит: а — дивергентная (плиты расходятся); б — конвергентная (плиты сходятся); в — трансформная (плиты сдвигаются) Для другого типа границ плит характерен противоположный знак движения, т. е. плиты сходятся. Границы такого типа называют конвергентными (от англ, convergence — схождение). Протяженность границ литосферных плит этого типа также составляет около 60 тыс. км. Скорость схождения плит достигает 12 см в год.

Где прослеживаются конвергентные границы? В основном это окраины Тихого океана, вдоль которых располагаются глубоководные желоба и островные дуги и где происходит очень много землетрясений и извержений вулканов. Это так называемые активные континентальные окраины. Там же, где плиты расходятся, например в Атлантическом океане (окраины Европы, Африки, Северной и Южной Америки), — пассивные континентальные окраины.

Очень важно понять, что литосферные плиты сложены как океанической, так и континентальной литосферой (рис. 6.2).

Южная Америка — это континент, но к Южно-Американской плите относится и часть Атлантического океана, вернее, его дна, до рифтовой, осевой, зоны срединно-океанического хребта. Быстрее движутся чисто оке;

Рис. 6.2. Основные литосферные плиты (по В. Е. Хайну и М. Г. Ломизе) анические плиты, другие же перемещаются медленнее, так как в них значительная доля принадлежит толстой континентальной литосфере.

Почему литосферные плиты обладают способностью к перемещению? Как считается общепризнанным, такие движения связаны с перемещением (конвекцией) вещества мантии. Конвекция осуществляется в виде замкнутых колец, и там, где струи более горячего мантийного вещества поднимаются, литосферные плиты расходятся. Попадая в близповерхностные условия, мантийное вещество расплавляется, образуя магматические очаги, из которых в рифтах срединно-океанических хребтов в подводных условиях изливается базальтовая лава. Она застывает. Новая порция базальтовой магмы снова поступает в центральную зону рифта по мере того, как две половины срединно-океанического хребта расходятся в стороны и между ними возникает новая океаническая кора. Этот процесс разрастания океанического дна называют спредингом (от англ. spreading — развертывание).

Возникает вопрос: если океаническое дно разрастается, а радиус Земли не увеличивается, что подтверждается большим количеством фактов, то что же происходит с корой океанического типа? Следовательно, разрастание коры в одном месте должно компенсироваться поглощением океанической коры в другом. И такие места действительно существуют в активных континентальных окраинах, где океаническая литосферная плита пододвигается под континентальную. Процесс погружения называют субдукцией (от лат. sub — под, ductio — ведение). Скорость ее колеблется от 1—2 до 10—12 см в год. Местом изгиба плиты и началом ее погружения является глубоководный желоб. Холодная и тяжелая океаническая кора как бы подныривает под более легкую континентальную кору, а глубже, попадая в область высоких давлений, она становится более плотной и начинает погружаться в более нагретом астеносферном слое. Такая тяжелая пластина океанической литосферной плиты достигает границ нижней и верхней мантии на глубине около 660—670 км. Далее она может пересечь эту границу и погрузиться еще глубже, а может и «скользить» по этой границе.

Гипоцентры сильных землетрясений (зона Беньоффа) приурочены к погружающейся океанической плите, но глубже 700—750 км они исчезают. Почему? Потому что на такой глубине холодная плита, взаимодействуя с горячей мантией, сама нагревается и в ней уже не могут происходить сколы, разрывы, которые и вызывают землетрясения.

Таким образом, литосферные плиты перемещаются. Океаническая литосфера разрастается в зонах дивергенции, и она же поглощается в зонах конвергенции. При этом радиус Земли остается неизменным. Этим объясняется молодой возраст коры всех океанов: не древнее 180 млн лет (рис. 6.3). Вся более древняя океаническая кора поглощена в зонах субдукции.

Континенты, передвигающиеся в пределах литосферной плиты вместе с океанической корой, могут сталкиваться. Так как континентальная кора более толстая и легкая, она не может погрузиться в тяжелую океаническую кору. Тогда образуются высокие горные сооружения типа Альп, Кавказа, Памира, Гималаев и т. п. Та;

Рис. 6.3. Возраст пород океанической коры, определенный по данным глубоководного бурения (в млн лет). По обе стороны срединно-океанического хребта кора одинакового возраста располагается симметрично кой процесс столкновения континентальных плит называется коллизией (от англ, collision — столкновение). Между Евразией, с одной стороны, и Африкой, Аравией и Индостаном — с другой, простирается протяженный Альпийско-Гималайский коллизионный горно-складчатый пояс. Классическими коллизионными структурами являются Альпы и Гималаи. Индостан столкнулся с Азией примерно 40 млн лет назад и все время движется к северу, создав своим давлением высочайшие горы на Земле.

Таково вкратце основное содержание современной геологической теории — теории тектоники литосферных плит. Она обладает предсказательной функцией, т. е. при помощи ее можно, например, предсказать, какой возраст океанической коры мы встретим в той или иной точке океана, если станем бурить скважину. Для этого будут использованы линейные магнитные аномалии океанического дна, которые отражают раскрытие океана и наращивание океанической коры. Эта теория первая в истории геологии, носящая действительно глобальный характер и позволяющая объяснить практически все закономерности геологического развития Земли.

Вопросы

• 1. Как возникла идея о существовании в геологическом прошлом огромного единого материка?
• 2. Что представляла собой Пангея А. Вегенера?
• 3. Что представляет собой литосферная плита и по каким признакам ее выделяют?
• 4. Какие новые факты позволили сформулировать теорию тектоники литосферных плит?
• 5. Какие существуют типы границ литосферных плит?
• 6. Каковы скорости перемещения литосферных плит?
• 7. Чем различаются между собой активные и пассивные континентальные окраины?
• 8. Каковы причины перемещения литосферных плит?
• 9. Что представляют собой спрединг и субдукция?
• 10. Что такое коллизия континентов?
• 1 1. Почему землетрясения в зонах субдукции ограничены глубиной 750 км?

— выводы-

Литосфера Земли подразделяется на несколько крупных и мелких плит, которые перемещаются по сфере со скоростью 2—15 см в год. Вся вулканическая и сейсмическая активность Земли приурочена к краям литосферных плит. Теория тектоники литосферных плит — первая глобальная геологическая теория, не только объясняющая все геологические явления, но и способная их предсказывать.

ОТЧЕГО ТАК ЧАСТЫ КАТАСТРОФЫ В ПЕРУ?

В Перу довольно часто происходят землетрясения. Опустошительный толчок в мае 1970 г. не только сровнял с землей многие города страны, но и привел к гибели 70 тыс. человек. Майское землетрясение 1990 г. унесло 140 человеческих жизней, ноябрьское 1996 г. — 17 человек. И вот 24 июня 2001 г. мощная подземная буря с магнитудой 7,9 балла по шкале Рихтера снова потрясла Перу и сопредельные территории Чили и Боливии. Погибли более 70 человек, 800 ранены. Полностью разрушен городок Чукуебамба, сильно пострадали города Мокеуга и Арекипа. Город Арекипа, второй по величине в Перу, еще в 1600 г. был полностью стерт с лица земли и потом снова восстановлен.

Почему же землетрясения непрерывно сотрясают западную полосу Южной Америки, где протягиваются Анды — высокие горы с действующими вулканами? Все дело в том, что под континентальную Южно-Американскую литосферную плиту пододвигается восточная часть Тихоокеанской океанической плиты, холодной и более тяжелой, чем континентальная.

При своем погружении эта плита встречает большое сопротивление, и в ней возникают сильные сжимающие напряжения, разрядка которых и приводит к землетрясениям. Сгущения очагов землетрясений под Андами (зона Беньоффа) наклонены очень полого в силу относительно небольшой плотности в этих местах океанической коры. Местами она пододвигается под континент почти по горизонтальной поверхности. Пока происходит субдукция, будут и землетрясения, и катастрофические извержения вулканов.

КАК ИЗМЕРИТЬ ДВИЖЕНИЕ ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ

Все мы знаем, как измерить движение льдины в реке, вычислить скорость поезда, самолета, так как во всех этих случаях есть система отсчета и система координат. А как быть с литосферными плитами, состоящими не только из континентов, но и из частей океанического дна?

Сейчас для этих целей применяют систему GPS, или Global Positioning System (Глобальная система определения положения точек на земной поверхности), появившуюся всего лишь немногим более 30 лет назад. Вокруг Земли по круговым орбитам на высоте 20 км вращаются 24 спутника. Они распределены так, что в любом месте Земли всегда можно наблюдать четыре спутника. На каждом из них находятся приборы, посылающие на Землю радиосигналы, принимаемые наземными станциями, что дает возможность с большой точностью определять местоположение этих спутников. Таких станций сейчас чуть больше 200, и разбросаны они по всему миру.

Существуют специальные небольшие приборы весом до 20 кг, которые могут быть установлены в любой точке земного шара. При помощи лазерной локации они измеряют расстояние до спутника с известными координатами. Точность измерений все время увеличивается (сейчас ошибка может составить ±2 мм на 1 тыс. км). Самое важное, что при помощи этих переносных приборов имеется возможность неоднократно проводить измерения в одной и той же точке и прослеживать изменения ее координат, т. е. перемещение по поверхности Земли.

В наши дни составлены детальные карты современных перемещений литосферных плит, определены направления горизонтальных движений в складчатых областях. Например, скорость расхождения Северной Америки и Европы составляет 2,5 см в год. Австралия движется к северо-востоку со скоростью 7— 10 см в год, Тихоокеанская плита перемещается к западу со скоростью до 10 см в год и т. д. А вот, скажем, Большой Кавказ испытывает сжатие: расстояния между пунктами в Предкавказье и Закавказье сокращаются на 1 см в год. То же самое происходит на Тянь-Шане, в Альпах и некоторых других местах.

Так успехи в современной технике и технологиях позволили дать вполне четкий ответ на вопрос о том, движутся ли материки, и подтвердить еще раз теорию тектоники литосферных плит.