Геосайт "Ничто так не помогает повторять географию, как извержения вулканов и землетрясения." Дон-Аминадо.
Главная

Материки

Географические открытия

Природа Земли

Календарь

Словари. Справочники

Воронежская область

Модель эволюции литосферы

Формирование мега и макрорельефа нашей планеты происходило в несколько этапов. В рамках теории тектоники плит ученые выделяют 5 этапов развития и формирования геотектур.

  1. На материке образуется обширное сводово-вулканическое поднятие, в его пределах начинается развитие новой дивергентной границы плит в виде системы рифтовых трещин. Возможно также образование внутриконтинентальных «щелевых» рифтовых трещин вне сводового поднятия (например, Рейнский грабен, Байкальская рифтовая система, грабен Шаньси, Восточно-Африканская рифтовая зона, провинция Бассейнов и Хребтов Северной Америки).
  2. Континентальная литосфера разрывается и начинается разрастание вновь образованной океанической впадины. По мере наращивания океанической литосферы рифтовая трещина постепенно отодвигается от континентальной окраины и становится осью симметрии разрастающегося бассейна. При этом вся область перехода от материка к океану вступает в пассивный период развития. В этот период происходит остывание, увеличение толщины и постепенное опускание молодой океанической впадины.
  3. Происходит погружение литосферы в мантию за счет появления комплекса глубоководного желоба зоны субдукции. Благодаря трению подвигающаяся плита удерживает надвинутый край литосферной плиты и избегает его, при этом сама опускается под действием веса надвинутого края. Идет формирование вала и желоба. Разогрев материала под погружающейся литосферной пластиной приводит к разрушению верхней части ведущего (переднего) края плиты на континентальной стороне желоба и образование там оротектонического орогена (вулканической и невулканической гряд).
  4. Процесс сокращения размеров зрелой океанической впадины приводит к тому, что начинается процесс столкновения континента с островной дугой или с другим континентом.

    Важной стадией в цикле эволюции литосферы является стадия отторжения микроконтинентов. Она отражает начало закрытия океана, когда закладываются круто падающие зоны субдукции древней (тяжелой) океанической литосферы под пассивные или активные окраины континентов и от последних отторгаются их краевые части – сегменты континентальной коры. В тылу микроконтинентов развиваются спрединговые (активные) окраинные моря.

    Полное закрытие океанической впадины – это начало нового этапа формирования и развития горно-складчатого планетарного сжатия материковой литосферы.

    Следует иметь ввиду, что при увеличении линейной скорости сжатия возрастает средняя высота горных сооружений, в местах максимального сжатия в последующем формируются тектонические структуры щитов.

  5. Стадия динамической и термической релаксии.

В Альпийско-Гималайском поясе литосферного сжатия выделяется около 15 % всей упругой энергии; тогда как в рифтовых трещинах и трансформных разломах срединно-океанических хребтов около 3 %, вся остальная энергия в районах островных дуг и около 1 % в очагах, расположенных в пределах самих плит. Если активное движение литосферных плит прекратится, например, в Альпийско-Гималайском поясе, то прекратится и выделение энергии и оно не будет больше, чем во внутренних районах плит.

Динамическая релаксия это восстановление нарушений изостазии после сжимающихся напряжений. Изостазия от греческих слов isoc – ровный и stasis – положение, состояние. Все части земной коры: материки, горные страны, равнины и даже небольшие участки их уравновешены на верхней мантии (астеносфере), т.е. на некоторой глубине, ниже подошвы земной коры, давление массы литосферы на единицу площади повсеместно одинаково (как под плавающими телами). Изостатическое равновесие достигается благодаря тому, что мощность земной коры обратно пропорциональна ее плотности. Тяжелая океаническая кора тоньше более легкой материковой; горным странам в мантии соответствуют «корни» гор, т.е. здесь кора толще, чем под низменностями. Когда происходит полное «спаивание» двух литосферных плит, исчезают процессы взаимного давления и сжатия, происходит достаточно быстрое вертикальное выравнивание: аномально поднятые горные хребты «опускаются» за счет процессов денудации, а сопряженные с ними предгорные прогибы и межгорные впадины «поднимаются», т.е. происходит выравнивание снизу, за счет аккумуляции осадочных горных пород. «Поднятие» и «опускание» происходит и за счет вертикальных тектонических подвижек, но на этом этапе эволюции литосферы экзогенные процессы начинают преобладать над эндогенными. В последующем все начинается с первого этапа.

Основные положения теории тектоники литосферных плит.

Верхняя часть твердой Земли разделена на две оболочки, существенно отличающиеся по реологическим свойствам (вязкости) – на жесткую и хрупкую литосферу и более пластичную и подвижную астеносферу.

Верхняя каменная оболочка Земли разбита на более или менее жесткие плиты, вертикальная мощность которых от 10 км (в пределах срединно-океанических хребтов) до 150 км (в районах щитов платформ). Т.е. литосферные плиты по вертикали включают всю земную кору и верхнюю мантию. Нижняя граница литосферных плит определяется температурой кристаллизации (или плавления базальтов), начало их плавления – фазовый переход литосферы в астеносферу. В пределах литосферных плит все петрологические компоненты находятся в кристаллическом состоянии.

В настоящее время разные авторы выделяют от 7 до 10 больших плит: Индо-Австралийская (Австралийская), Антарктическая, Африканская, Евразийская, Северо-Американская, Тихоокеанская, Южно-Американская.

 

карта литосферных плит

Среди малых плит и микроплит: X – Хуан-де-Фука; Ко – Кокос; К – Карибская; А – Аравийская; Кт – Китайская; И – Индокитайская; О – Охотская; Ф – Филиппинская.

 

1 – дивергентные границы (оси спрединга);

2 – конвергентные границы (зоны субдукции, реже – зоны коллизии);

3 – трансформные разломы и прочие границы;

4 – векторы «абсолютных» движений литосферных плит (в координатах горячих точек).

Литосферные плиты Земли (по Дж. Минстеру, Т. Джордану (1978), с дополнениями В. Е. Хаина и М. Г. Ломизе).


 

литосферные плиты

Рифтовые зоны: Срединно-Атлантическая (СА), Американо-Антарктическая (Ам-А), Африкано-Антарктическая (Аф-А), Юго-Западная Индоокеанская (ЮЗИ), Аравийско-Индийская (А-И), Восточно-Африканская (ВА), Красноморская (Кр), Юго-Восточная Индоокеанская (ЮВИ), Австрало-Антарктическая (Ав-А), Южно-Тихоокеанская (ЮТ), Восточно-Тихоокеанская (ВТ), Западно-Чилийская (ЗЧ), Галапагосская (Г), Калифорнийская (Кл), Рио-Гранде – Бассейнов и Хребтов (БХ), Горда – Хуан-де-Фука (ХФ), Нансена – Гаккеля (НГ), Момская (М), Байкальская (Б), Рейнская (Р).

Зоны субдукции: 1 –Тонга – Кермадек;  2 – Новогебридская; 3 – Соломон; 4 – Новобританская; 5 – Зондская; 6 – Манильская; 7 – Филиппинская; 8 – Рюкю; 9 – Марианская; 10 – Идзу-Бонинская; 11 – Японская; 12 – Курило-Камчатская; 13 – Алеутская;

14 – Каскадных гор;

15 – Центральноамериканская;

16 – Малых Антил; 17 – Андская;

18 – Южных Антил (Скотия);

19 – Эоловая (Калабрийская);

20 – Эгейская (Критская); 21 – Мекран.

а – океанские рифты (зоны спрединга) и трансформные разломы;

б – континентальные рифты; в – зоны субдукции: островодужные и окраинно-материковые (двойная линия); г – зоны коллизии; д – пассивные континентальные окраины;

е – трансформные континентальные окраины (в том числе пассивные);

ж – векторы относительных движений литосферных плит.

 

Глобальная система современных континентальных и океанских рифтов, главные зоны субдукции и коллизии, пассивные (внутриплитные) континентальные окраины (по Дж. Минстеру, Т. Джордану (1978) и К. Чейзу (1978), с дополнениями В. Е. Хаина и М. Г. Ломизе).

 


Кроме больших различают малые литосферные плиты, располагаются они в основном в пределах планетарных поясов сжатия малых плит насчитывают свыше 20 (Аравийская, Индокитайская, Карибская, Китайская, Кокос, Наска, Охотская, Филиппинская, Хуан-де-Фука). Различение плит на большие и малые зависит от того, какой характерный линейный размер плиты и какую скорость их относительного смещения выбрать за начальные.

Грубо можно считать, что характерный линейный размер крупной плиты – тысячи, а малой – сотни километров.

Нижний предел относительной линейной скорости смещения двух плит 0,5-1 см/год (иногда для наглядности скорость дрейфа плит сопоставляют со скоростью роста ногтей на пальце, они примерно равны).

Помимо литосферных плит выделяют два планетарных пояса сжатия литосферы: Альпийско-Гималайский и Циркумтихоокеанский. К этим поясам приурочена наибольшая сейсмическая активность. Большинство очагов землетрясений здесь имеет глубину от 70 до 100 километров.

Сейсмические пояса также приурочены к срединно-океаническим хребтам и глубоководным желобам.

Пояса сейсмичности маркируют зоны раскола литосферы, иными словами вдоль них проходят границы литосферных плит.

В состав плит входят как континенты, так и припаянные к ним океанические котловины вплоть до срединных хребтов и лишь в немногих случаях (например, в Андах) граница плит совпадает с разделом континент – океан.

Плотность литосферы (3,22 г/см 3) в основном потому, что верхняя ее часть сложена гранитами – главными составляющими континентальной земной коры. Поэтому континенты обладают плавучестью и не могут погружаться в астеносферу. Океаническая литосфера на большей части океанов, кроме их центральных частей, занятых срединно-океаническими хребтами, имеет плотность (3,3 г/см 3), что больше плотности астеносферы. Следовательно, в любом месте, где внутри этой плотной литосферы произойдет раскол, она должна тонуть в астеносфере.

Землетрясения и сейсмические пояса отражают взаимодействие литосферных плит между собой. Если возникают землетрясения, то это значит, что происходит раскол и деформация литосферы; если землетрясений нет, то, следовательно, нет деформаций в твердой оболочке. Т.е. тектоническая активность на Земле сконцентрирована главным образом вдоль границ плит и обусловлена взаимодействием плит.

Боковые границы плит принято разделять на три главных типа.

1 тип – это дивергентные (расходящиеся) края плит, фиксируются положением рифтовых зон срединно-океанических хребтов. Для рифтовых зон сейсмичность ограничена малыми глубинами: 5-10, реже 20 км от поверхности литосферы. Напряжения ориентированы перпендикулярно к сейсмическим поясам в стороны от них, т.е. приложенные силы стремятся разорвать литосферу, и в результате возникают условия растяжения. Все срединно-океанические хребты имеют вулканическое происхождение. Вулканизм идет в них строго по оси, локализуясь в узких, шириной в несколько километров, экструзивных зонах, т.е. непосредственно вдоль самой границы раздвижения плит. Здесь изливаются одни базальты, причем из открытых трещин. Базальты произошли из мантии, возникнув при частичном плавлении астеносферы.

Вдоль границ раздвижения плиты расходятся в стороны, освобождая щель, которая заполняется базальтовой выплавкой из астеносферы и где тем самым наращивается новая океаническая кора. Из центра океана, где базальтовое ложе океанических впадин непрерывно формируется, оно раздвигается к краям, где либо движется вместе с континентами, как в Атлантическом океане, либо погружается вниз в мантию, как в Тихом океане. Это явление называют спредингом (раздвижением) океанического дна.

Современные исследования характеризуют океаническое ложе как необычайно динамичное, похожее на ленту беспрестанно движущегося конвейера, уносящего вновь образованную кору от срединных хребтов к краям океана. В соответствии с этим находится закономерное увеличение возраста океанических базальтов, утолщение осадочного слоя и возрастание полноты его разреза по мере удаления от хребтов. В эту схему формирования океанического ложа хорошо ложится характерная структура магнитного поля, присущая ему. Его магнитное поле не является однородным, а образовано узкими длинными полосами, ориентированными параллельно простиранию срединно-океанических хребтов, причем полосы положительных аномалий чередуются с полосами отрицательных аномалий такой же интенсивности. Инверсии магнитного поля связаны с тем, что в силу каких-то причин магнитные полюса Земли меняются местами: Северный полюс становится Южным, и наоборот. Магнитные инверсии происходят в разные интервалы времени, от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов лет. Предсказанный по магнитным аномалиям возраст дна во всех случаях совпал с возрастом, установленным при бурении. Т.е. океаническое ложе содержит в себе магнитную запись времени своего образования в срединном хребте.

По последним данным: возраст самый древней океанической коры не превышает 150-160 млн. лет, что составляет всего 1/30 от возраста нашей планеты. Возраст Атлантического и Индийского океанов примерно 160 млн. лет. При этом плиты переместились на величину 3000-6000 км, а скорость их движения составляла 2-3 см/год в Атлантическом океане, в Индийском она достигает 5-6 см/год, а в Тихом океане – самых больших из известных сегодня значений 18 см/год.

2 тип границ литосферных плит – это конвергентные. По ним происходит сближение плит, обычно оно выражается в подвиге одной плиты под другую. Если плита океанического типа пододвигается под континентальную, то такой процесс называется субдукция. Если океаническая кора надвигается на континентальную – то это обдукция. Если сталкиваются две континентальных плиты, тоже обычно с поддвигом одной под другую – то это коллизия.

При субдукции в условиях сжатия происходит ассиметричное погружение края одной литосферной плиты под край другой. Этот тип границ фиксируется глубоководными желобами, сопряженными с островными дугами и Андами, а также предгорными прогибами и горными грядами в пределах Альпийско-Гималайского пояса.

Главный геоморфологический признак – конвергентные края маркируются сопряженными между собой положительными (поднятыми) и отрицательными (опущенными и продолжающими опускаться) структурами, которые всегда далеки от изостазии. С этим связан и другой признак – парный пояс значительных по амплитуде и параллельных друг другу положительных и отрицательных изостатических аномалий силы тяжести.

В пределах этого типа границ литосферных плит различают следующие его разновидности.

  1. если конвергентная граница проходит между двумя краями океанической литосферы, развиваются островные дуги с их характерными морфоструктурами – океаническим валом, глубоководным желобом, невулканической и вулканической грядами.
  2. когда океаническая литосфера подвигается под континентальную, то на дне океана образуются вал и глубоководный желоб, а со стороны материка развивается активная континентальная окраина (типа Андийской) с характерной вулканической грядой.
  3. при столкновении и поддвигании материковых краев литосферных плит образуются сопряженными между собой изостазически не скомпенсированные структуры – предгорный (краевой) прогиб и горная гряда. Эти типы конвергентных границ и происходящие в их пределах процессы показаны.

Гораздо реже чам субдукция на Земле происходит процесс надвига океанической литосферы на континентальную – обдукция. В настоящее время этот процесс нигде не происходит, но в прошлом он происходит в Андах, Омане, на Новой Гвинее, Новой Каледонии Ньюфаундленда и т.д.

Обычно обдукция характерна для небольших по площади территорий и протекает непродолжительное время. Для её возникновения необходимо, что бы океаническая кора была молодой по возрасту (не более 20-30 млн. лет), то есть имела бы относительно меньшую плотность и в соответствии с изостазиией, высоким гопсометрическим положением чем зрелая кора. Также важным моментом является то, что при обдукции океаническая кора расслаивается, причем уже в условиях океанического дна. Верхние слои надвигаются на континентальную кору, формируя наслоения мощностью от 3-6 до 10-15 км, а нижние погружаются под нее, т.е. субдуцируют.

Обдукция может протекать по трем сценариям:

  1. Обдукция на краю океанического бассейна. Если СОХ находится вблизи от континентальной литосферной плиты, то в процессе субдукции континентальная плита перекроет ближайшее его крыло и придет в соприкосновение с поднятом краем другого крыла, которое в результате может оказаться надвинутым. В последующем возможно продолжение субдукции.
  2. Обдукция на краю океанического бассейна – 2. Если континентальная плита, имеющая океаническую кору на своей окраине погружается под океаническую плиту, то рано или поздно вся океаническая окраина будет субдуцирована. Часть континентальной в силу инерции также погрузится под островодужное крыло, но затем в соответствии с законами изхостазического равновесия (как более легкая) не может погрузиться в астеносферу и всплывет, поднимая на себе часть океанической коры.
  3. Обдукция также возможна при замыкании бассейнов океанского типа. Если сближаются две континентальные плиты, имеющие окраины из океанической коры, то часть этой коры может выть выдавлена вверх и оказаться, таким образом, на континентальной, смещаясь при этом под получившиеся уклоны.

Коллизия – процесс взаимодействия двух континентальных литосферных плит. В таком случае их относительно легкие породы не погружаются в мантию, вступают в активное механическое взаимодействие.

Сжатие порождает горообразование и формирование сложных тектонических структур. При этом происходит расслоение плит на пластины, которые испытывают горизонтальное смещение и дисгармоничные деформации, образуются очаги магмы.

В процессе коллизии, за счет вертикального наращивания коры происходит ее значительное утолщение, часть вещества смещается в разные стороны по горизонтали. При этом происходит значительный разогрев структур и метаморфизм горных пород, постоянно происходят землетрясения.

В настоящее время коллизия активно протекает по всему Альпийско-Гималайскому поясу литосферного сжатия на границах Африканской и Индо-Австралийской плит с Евразийской.

При конвергенции неоднородных по своему строению литосферных плит, состоящих из континентальной и океанической коры, а также при взаимодействии континентальной окраины с несколькими разными плитами и микроплитами, наблюдаются переходы по простиранию от зон коллизии к зонам субдукции или наоборот. Коллизия также может протекать совместно с обдукцией.

3 тип границ литосферных плит – это трансформные разломы, вдоль которых движение краев двух плит в основном сдвиговое. Трансформные разломы представляют собой вертикальные плоскости, уходящие на всю глубину литосферы. По трансформным разломам происходит скольжение одной плиты относительно другой без каких-либо тектонических возмущений, поэтому трансформные разломы не имеют выражения в рельефе.

Все перемещения плит являются относительными. Плиты движутся по сфере, а всякое движение по сфере представляет собой вращение вокруг оси, проходящей через центр сферы. Описывается движение плит с помощью векторов больших кругов, это очень сложные вычисления, т.к. характер и скорость движения определяет много факторов. Среди них не последнее место принадлежит выступам материков. Хотя континенты участвуют в движении плит как пассивные «пассажиры» на поверхности плит, в то же время они накладывают существенное ограничение на движение плит, поскольку из-за своей относительной легкости и плавучести они не могут сколько-нибудь заметно поглощаться мантией. Перемещение литосферных плит можно описать с помощью теоремы Эйлера.

В настоящее время считается, что объем поглощаемой в зонах субдукции океанской коры, равен объему коры, нарождающейся в зонах спрединга. Таким образом, субдукция полностью компенсирует спрединг и объем Земли и ее радиус остаются постоянными, вопреки тому, что допускалось гипотезами контракции, пульсации и расширения Земли.

Основная причина движения плит это мантийная конвекция. Она является чисто тепловой и общемантийной, а способ ее воздействия на литосферные плиты состоит в том, что эти плиты, находящиеся в вязком сцеплении с астеносферой, увлекаются течением последней, и движутся на манер ленты конвейера от осей спрединга к зонам субдукции. В целом, схема мантийной конвекции, приводящей к плитнотектонической модели движений литосферы, состоит в том, что под срединно-океанскими хребтами располагаются восходящие ветви конвективных ячей, под зонами субдукции – нисходящие, а в промежутке между хребтами и желобами, под абиссальными равнинами и континентами – горизонтальные отрезки этих ячей.

Теперь, когда мы уже знаем о литосферных плитах и их движении, можно коротко сформулировать основные положения плитотектоники.

  1. Литосфера разбита на плиты.
  2. Вдоль одних границ (границ раздвижения) плиты расходятся в стороны, освобождая щель, которая заполняется базальтовой выплавкой из астеносферы и где тем самым наращивается новая океаническая кора.
  3. Вдоль других границ (границ сближения) плиты сходятся и подвигаются одна под другую. Процесс подвига получил название субдукции. Зоны субдукции отмечены глубоководными желобами и вулканическими дугами. Когда в зоне субдукции сближаются два континента, легкая кора которых делает их плавучими и предохраняет от погружения в мантию, начинается столкновение континентов и формируются горноскладчатые пояса, такие, как Альпийско-Гималайский пояс.
  4. В рамках всей Земли плиты расходятся в одних местах и там наращивается новая кора, в других местах они сближаются и кора поглощается, т.е. общая сумма движений равна нулю. Ложе океана постоянно обновляется, старая кора поглощается в желобах, новая кора рождается в срединно-океанических хребтах.

История возникновения тектоники литосферных плит

С самого начала становления научной геологии, с середины 18 в., ее главной задачей было объяснение причин движений земной коры, изменений ее структуры и явлений магматизма. С этой целью последовательно выдвигались различные гипотезы. Ближе всего к истине, как потом оказалось, подошла гипотеза дрейфа материков Альфреда Вегенера, которая не смогла предложить убедительный механизм этого дрейфа. Между тем, такой механизм выдвигался в начале 20 в. австрийским геологом О. Ампферером, немецким геофизиком Р. Швиннером, которые назвали его подкоровыми течениями. Позднее ученые объяснили дрейф материков действием конвекции в мантии и, тем самым, предвосхитили тектонику плит.

В 50-60 гг. 20 в. началось интенсивное геолого-геофизическое исследование океанов и было установлено существование астеносферы, по поверхности которой возможно относительное перемещение литосферы, коренное отличие мощности и состава океанской коры от континентальной, грандиозной системы срединно-океанических хребтов и рифтов. Оказалось, что горные породы обладают остаточной намагниченностью, позволяющей восстановить их положение в древнем магнитном поле – материки испытали значительные перемещения, прежде чем занять свое современное положение.

В 1961-1968 гг. усилиями американских, английских, канадских и французских геофизиков и геологов были разработаны основы новой глобальной тектоники (тектоники литосферных плит) . Зародышем ее явилась идея об образовании океанов в результате раздвижения континентов и разрастания пространства молодой океанской коры, начиная от осей срединно-океанических хребтов. Этот процесс был впервые описан американским геологом Г. Хессом и геофизиком Р. Дитцем и получил название спрединга океанского дна (спрединг – разрастание).

Позже американские геологи открыли в Тихом океане гигантские разломы, пересекающие срединно-океанические хребты, а канадские геофизики установили, что они образуют особый класс разломов и назвали их трансформными. Американские сейсмологи, изучив распределение землетрясений по земному шару и механизмы смещений в их очагах, смогли нарисовать общую картину смещений литосферных плит. В 1968 г. она была сформулирована в новую концепцию.

Новой концепции повезло – она вскоре начала получать фактическое подтверждение, прежде всего за счет глубоководного бурения. Глубоководное бурение принесло подтверждение концепции спрединга океано в – увеличение мощности осадочного слоя от нуля на оси срединных хребтов, до многих километров на континентальных подножиях, увеличение стратиграфической амплитуды этого слоя в том же направлении, за счет появления в его основании все более древних осадков, возрастание глубоководности осадков вверх по разрезу и др. Подводные спускаемые аппараты обнаружили неопровержимые следы растяжения в осевых рифтовых зонах срединных хребтов. В дальнейшем изучению стали подвергаться и зоны сближения плит, были получены данные о подвиге (подныривании) одних плит под другие. Данные космической геодезии подтвердили, что плиты испытывают относительно друг друга горизонтальные перемещения, показали общее совпадение знака и скорости этих перемещений. С появлением сейсмической томографии, нашла подтверждение реальность конвективных течений в мантии, рассматриваемых тектоникой плит в качестве основной движущей силы.

Все это дает полное основание расценивать тектонику плит как научную теорию, статус которой подкрепляется математической количественной формулировкой, благодаря которой направления и скорости взаимных перемещений могут быть экстраполированы и в прошлое и в будущее. Это резко отличает тектонику плит от прежних умозрительных и качественных построений, в том числе и от гипотезы Вегенера – ее непосредственной предшественницы.

Доказательства движения литосферных плит.

  1. Сходство береговых линий некоторых материков.
  2. Сходство домезозойской наземной флоры и фауны Америки и Старого Света.
  3. Сходство геологического строения Западной Европы и Северной Америки и особенно востока Южной Америки и запада Африки.
  4. Характер намагниченности одновозрастных горных пород, позволяющий восстановить их положение в древнем магнитном поле.
  5. Увеличение мощности осадочного слоя от нуля на оси срединных хребтов до многих километров на окраине плиты.
  6. Наблюдения с подводных спускаемых аппаратов (следы растяжения в рифтовых зонах.
  7. Космические наблюдения.
  8. Существование конвективных течений в мантии, подтвержденное сейсмической топографией.