Лекция 25. Геотектонические гипотезы с позиции мобилизма. Глобальная геодинамика

План

Геотектонические гипотезы с позиции мобилизма.

Гипотеза А. Вегенера.

Теория тектоники литосферных плит.

Новые данные о геотектонических движениях в Земле и земной коре.

Глобальная геодинамика: тектоника ядра, плюмтектоника и связь с ними тектоники литосферных плит. Историческая геодинамика.

Первой мобилистской стала гипотеза дрейфа континентов А.Вегенера (1915 г.), на смену которой в 60-х годах пришла теория тектоники литосферных плит. Появление последней было обосновано новейшими исследованиями и открытиями в области изучения дна Мирового океана.

Гипотеза дрейфа материков базировалась на новых для своего времени представлениях о различном составе коры на континентах и в океанах. А.Вегенер объяснил механизм движения материков их плаванием в пластичном слое базальтов, покрывающих всю Землю. Доказательства перемещения (дрейфа) материков автор увидел в удивительном сходстве очертаний разделенных Атлантическим океаном материков - западный выступ Северной Африки соответствует вогнутости Центрально Америки, а выступ Южной Америки соответствует Гвинейскому заливу у берегов Африки и в единстве геологических структур континентов разделенных океанами, например, Южноамериканского и Африканского. Об этом же свидетельствовало единство флоры и фауны некоторых территорий, разделенных океанами. Например, на Мадагаскаре живут пресноводные рыбы, свойственные Индостану и совершенно отсутствуют рыбы, живущие сейчас в реках Восточной Африки.

А. Вегенер предполагал существование единого материка – Пангеи, который в последствии распался на ряд известных нам материков. Автор считал, что в начале геологической истории единый материк равномерно покрывал всю поверхнность Земли. В палеозойское время из-за гравитационного притяжения Солнцем в области Тихого океана часть материковой коры было вырвана и перенесена в космическое пространство. Из этого вещества образовалась Луна. В дальнейшем вследствие вращения Земли и нарушения ее равновесного состояния единый материк претерпел раскол и перемещение его частей по сфере способствовала установлению нового равновесия. По мнению автора первоначально Американский материк отделился от Евроазиатского, а затем Африканский от Индо-Австралийского. При трении двигающихся блоков о вязкий базальтовый слой на фронтальной стороне континентов образовались складки и горные цепи типа Анд и Кордильер. Между раздвинувшимися материками образовались впадины Атлантического и Индийского океанов.

Позже, в 1937 г. представления А. Вегенера были развиты в гипотезе южноафриканского геолога А. Дю Тойта. По этой гипотезе, учитывающей новые палеоклиматические и палеонтологические данные, допускалось существование не одного, а двух материков – Лавразии в северном полушарии и Гондваны в южном. Предполагалось существования древнего океана – Тетиса. В результате распада Гондваны в мезойско-кайнозойское время произошло обособление современных континентов южного полушария и Индостана, при столкновении которого с Азией образовались Гималаи.

Существенным недостатком этой гипотезы явилось отсутствие ее физического обоснования, которое имело качественный, описательный характер. К тому же рассчеты показывали, что силы недостаточны для такого перемещения континентальных глыб.

Концепция мобилизма, разработанная А. Вегенером в 1915-1929 г.г. как теория дрейфа материков, получила в 1960-х годах дальнейшее развитие в теории тектоники литосферных плит. Этому предшествовало то, что в послевоенные годы началось стремительное накопление новых материалов и впервые были получены достоверные данные о строении ложа океанов и процессах, здесь протекающих. Была открыта мировая система срединно-океанических хребтов, пронизывающих все океаны планеты и осложненных в осевой части рифтовыми долинами – щелями, заполненными молодыми базальтами. Было подтверждено коренное отличие океанской коры от континентальной и обнаружено, что океанская кора характеризуется линейными магнитными аномалиями, параллельными осям срединных хребтов и расположенными симметрично по отношению к ним (рис. ). Открытие того факта, что древние породы нередко сохраняют ориентировку магнитного поля, существовавшего в момент их образования (застывания для магматических, осаждения для осадочных пород), привело к разработке нового научного направления – палеомагнетизма. А данные, полученные этим методом, принесли неожиданный для самих исследователей результат: они подтвердили выводы А. Вегенера о былом соединении материков в единый суперконтинент и его последующем распаде с образование молодых океанов. Это подтолкнуло исследователей к разработке новой теории – тектоники литосферных плит. В ней рассматривается движение не континентов, а более обширных квазижестких блоков – литосферных плит, в разрез которых входит земная кора и часть верхней мантии. Литосферные плиты обычно включают в себя не только материки, но и примыкающие к ним обширные области с корой океанического типа. Исключение составляют такие плиты как Тихоокеанская, Наска и Кокос, они целиком состоят из литосферы океанов. Дрейф литосферных плит возможен в связи с тем, что они плавают на пластичном астеносферной зоне в верхней мантии.

Основу теории тектоники плит составляют высказывание в 1961-1962 г.г. идеи Г. Хессом и Р. Дитцем о разрастании спрединге коры на срединных хребтах океанов. Они постулировали, что в мантии происходит конвекция со скоростью 1 см в год. Восходящие ветви конвективных ячеек располагаются под срединно-океаническими хребтами, с чем связаны повышенный тепловой поток и образование в рельефе поднятий (хребтов). Мантийный материал поступает к поверхности в гребневую часть срединно-океанических хребтов, где он в виде базальтовой магмы заполняет рифтовые щели и формирует новую океаническую литосферу (рис. ; ).

Рис. 19. Схема спрединга континентальной коры и образования молодой океанической коры (по Д. Дьюи, Д. Берду).

а-г - последовательность раскола континентальной плиты и образование океана; разрезы: д - через Суэцкий залив, е - через Красное море.

1 - докембрий; 2 - мантия; 3 - частично переработанная континентальная кора; 4 - интрузии; 5 - океаническая кора; 6 - современные осадки; 7 - грубообломочные осадки и вулканиты

Рис. . Происхождение полосовых магнитных аномалий в океанах. А и В – время нормальной, Б – время обратной намагниченности пород: 1 – океаническая кора, 2 – верхняя мантия, 3 – рифтовая долина по оси срединно-океанического хребта, 4 – магма, 5 – полоса нормального, 6 – обратно намагниченных пород. Стрелки – наращивание океанического дна (по Н.В. Короновскому , 2002).

Вскоре, в 1967 г. началось глубоководное бурение, сразу подтвердившее идею спрединга. А в 1967–1968 годах представление о спрединге, было дополнено представлением о ее субдукции – поглощении океанической литосферы в глубоководных желобах по наклонным сейсмофокальным зонам, окаймляющих вулканические островные дуги и ранее известные как зоны Беньофа-Заварицкого. Уточнение распределения эпицентров землетрясений на поверхности планеты показало, что земная кора и вся литосфера разделены на сравнительно небольшое число (12) крупных и среднего размера относительно жестких и монолитных плит, в швах между которыми сосредоточена почти вся тектоническая, сейсмическая и вулканическая активность. С 1986 г., с появлением работ Дж. Моргана, Кс. Ле Пишона, Б. Айзекса и Л. Сайкса, тектоника плит стала количественной, математически обоснованной теорией. В итоге родилась новая мобилисткая концепция, получившая название тектоники литосферных плит, быстро завоевавшая широкую популярность и подтверждение, принесшее ей впервые в геологии статус научной теории.

Ее основные положения сводятся к следующему:

- литосферные плиты перемещаются друг относительно друга в горизонтальном направлении;

- взаимодействие литосферных плит друг с другом может протекать по разному: раздвиг (спрединг) с заполнением образующегося зияния новой корой океанского типа; поддвиг (субдукция) океанской плиты под континентальную или океаническую же с возникновением над зоной субдукции вулканической дуги или окраинно-контнентального вулкано-плутонического пояса; надвиг (обдукция) океанской плиты на континентальную литосферную плиту; столкновение (коллизия) континентальных литосферных плит с образованием коллизионных орогенов (Гималаи); скольжение одной плиты относительно другой по вертикальной плоскости так называемых трансформных разломов, поперечных к осям срединных хребтов (рис. ; );

Рис. . Главные литосферные плиты (W. Morgan, 1968; J. Dewey, J. Bird, 1970 и др.).

1-4 – границы плит: 1 – поддвиговые (субдукционные), 2 – раздвиговые, 3 – сдвиговые (трансформные), в том числе сплошные – активные, штриховые – неактивные, трассируемые по магнитным данным, 4 – неуверенные; 5 – направления относительных перемещений плит; 6 – эпицентры глубокофокусных землетрясений. Из работы В.А. Дедеева, П.К. Куликова, 1988.

Рис. . Типы границ литосферных плит: 1 – дивергентные границы. Раскрытие океанских рифтов, вызывающих процесс спрединга: М – поверхность Мохоровичича, Л – литосфеора; 2 – конвергентные границы. Субдукция (погружение) океанической коры под континентальную: тонкими стрелками показан механизм растяжения – сжатия в гипоцентрах землетрясений (звездочки); П – первичные магматические очаги; 3 – трансформные границы; 4 – коллизионные границы (по Н.В. Короновскому , 2002)

Рис. . Схема субдукции и обдукции океанической коры

(по Д. Паккэму, Д. Фалви).

Системы окраинное море - островная дуга: а - молодая (10-40 млн. лет);

б - зрелая (100-250 млн. лет); в - деформированная.

I - континент; II - окраинные моря; III - островная дуга (вулканическая или континентальный отторженец); IV - метаморфизм в условиях низких давления и температуры, V - то же, в условиях высоких давления и температуры.

Кора: 1 - континентальная, 2 - островодужная, 3 - океаническая; 4 - осадки;

5 - интрузия

- перемещение литосферных плит по поверхности астеносферы подчиняется теореме Эйлера, гласящей, что перемещение сопряженных точек на сфере происходит вдоль окружностей, проведенных относительно оси, проходящей через центр Земли (места выхода оси на поверхность получили название полюсов вращения, или раскрытия);

- в масштабе планеты в целом спрединг автоматически компенсируется субдукцией, т.е. сколько за данный промежуток времени рождается новой океанской коры, столько же более древней океанской коры поглощается в зонах субдукции, благодаря чему объем Земли остается неизменным.

Большой интерес для понимания геотектонических процессов в общей схеме теории тектоники литосферных плит представляет изучение окраин континентов, среди которых выделяют пассивные и активные. Пассивными окраинами являются стабильные области континентальной коры (восточные побережья Южной и Северной Америки, восточные и западные побережья Африки). Среди активных окраин необходимо выделить два главных типа – 1) мобильные пояса, находящиеся на окраине самого континента (западные окраины обеих Америк); 2) мобильные пояса островных дуг, примерно параллельных берегу континента (островные дуги восточного побережья Азии (рис. ; ).

Рис. . Пассивная континентальная окраина: 1 – суша, 2 – океан, 3 – шельф, 4 – континентальный склон, 5 – континентальное поднятие, 6 – морские осадки, 7 – континентальные осадки, 8 – базальты, 9 – каменная соль, 10 – рифовый массив, 11 – направление смещения блоков, 12 – листрические сбросы, 13 – континентальная кора (по Н.В. Короновскому, 2002)

Рис. . Активная континентальная окраина: 1 – континентальная кора, 2 – океаническая кора, 3 – литосфера, 4 – астеносфера, 5 – аккреционный клин, 6 – островная дуга, 7 – окраинное море, 8 – первичный магматический очаг, 9 – суша континента,

10 – глубоководный желоб (по Н.В. Короновскому, 2002)

Движение литосферных плит осуществляется, благодаря наличию в мантии конвективных течений - струй разогретого вещества, перемещающихся с различной скоростью, составляющей в среднем 2-5 см в год. По осям раздвига срединных хребтов образуются восходящие течения. Они превращаются в горизонтальные на перефирии хребтов и в нисходящие в зонах субдукции на окраинах океанов.

Несмотря на успешное развитие теории тектоники плит до последнего времени высказывались сомнения относительно физической возможности процесса субдукции литосферных плит, обоснованности масштабов и скорости их горизонтальных перемещений. Однако появились новые бесспорные подтверждения данной теории. Это, во-первых, точнейшие геодезические измерения (лазерная спутниковая геодезия, интерферометрия на сверхдлинной базе) взаимного перемещения плит, которое происходит в настоящее время. Во-вторых, это результаты исследования зон субдукции методами сейсмической томографии. Они позволили проследить трехмерное изображение погруженных плит на глубину до 800 км, а местами и глубже (до 1350 км). Третье косвенное доказательство вытекает из анализа мировой карты возраста земной коры в океанах и палеотектонических реконструкций. Возраст коры определяется с учетом детально разработанной магнитно-стратиграфической шкалы, в которой за последние 170 млн. лет выделено 295 эпох нормальной и обратной полярности. Установлено, что в глубоких частях современных океанов нет коры с возрастом, более древним, чем средняя или ранняя юра (170-180 млн. лет).

По данным П.Н. Кропоткина непосредственные геодезические измерения показывают, что Северная Америка удаляется от Европы со скоростью 1,5 см/год, расстояние между Калифорнией и Японией сокращается за год на 3,4 см, между Гавайскими островами и Японий – на 6,4 см, а между теми же Гавайями и двумя станциями в Австралии – на 6,6 и 9 см. В то же время, на 3,6 см увеличивается за год расстояние между Калифорнией и Южной Америкой, а расстояние между о. Пасхи, расположенном на плите Наска и побережьем Перу сокращается на 6,3 см. Скорость сдвигового смещения по разлому Сан-Андреас в Калифорнии определяется как 3,3 – 3,9 см/год.

Как у большинства теорий у теории тектоники литосферных плит есть ограничения, и она не может претендовать на значение всеобъемлющей так как:

- она, по существу, описывает процессы, происходящие лишь в верхних оболочках Земли (тектоносфере);

- это описание является чисто кинематическим, не расскрывает существа сил, вызывающих перемещение плит, а ограничивается общим указанием, что их причиной служит конвекция в мантии Земли;

- данные исторической геологии, касающиеся континентов, позволяют утверждать, что в своей современной форме геотектоника плит действовала лишь в течение последнего миллиарда лет истории Земли;

- отсутствует объяснение внутриплитных деформаций, и особенно магматизма (были предложены кроме конвекционных ячеек плюмы).

В 1994 г. появилось основание считать, что наступает новый момент очередной смены парадигмы. В Японии в первом номере юбилейного, 100-го тома журнала Японского геологического общества, опубликована подборка статей японских геологов и геофизиков по конкретным вопросам геодинамики, которые положили начало двум новым научным направлениям – глобальная геодинамика и историческая геодинамика.

Новые представления базируются на современных достижениях геологической науки:

- сейсмической томографии, позволившей получить трехмерное строение глубоких недр Земли;

- данных экспериментов при сверхвысоких давлениях и температурах, отвечающих условиям нижней границе мантии;

- компьютерном моделировании геодинамических процессов, включая эволюцию их во времени;

- достижениях региональной геологии континентов и океанов;

- успехах сравнительной планетологии, достигнутые в результате применения дистанционных методов и прямого исследования ближайших небесных тел.

Итак, тектоника плит, сохраняя свое значение в качестве основного инструмента анализа истории тектонических движений, деформаций и магматизма, становится лишь частным элементом более общей теории Земли, глобальной геодинамической модели, контуры которой начинают все более явственно намечаться.

В новой теории глобальной геодинамики в Земле выделяется по характеру господствующих геодинамических процессов три главных области (рис. ): тектоносфера, охватывающая кору и верхнюю мантию с переходной зоной; нижняя мантия и ядро. В тектоносфере господствует тектоника плит, в нижней мантии – плюм-тектоника мантийных струй и в ядре – «тектоника ядра», выражающаяся в разрастании внутреннего ядра за счет внешнего.

Рис. Схема глобальной тектоники (по С. Маруяма и др., 1994).

Выделяются три главные геосферы с различно протекающими в них процессами: ядро, нижняя мантия и верхняя мантия с корой, объединяемая в тектоносферу. Стрелками показано движение вещества. Из работы В.Е Хаина, 1996.

По новой модели, плейттектоника поставляет холодный материал (в зонах субдукции) в область плюмтектоники и далее он проникает вплоть до ядра (процесс даунвеллинг). Взаимодействие холодной пластины с внешним ядром имеет два следствия. Во-первых, оно вызывает охлаждение внешнего ядра и порождает в нем нисходящий вихрь, уносящий железо и никель во внутреннее ядро, увеличивая последнее в размерах. Во-вторых, оно провоцирует возникновение компенсационного восходящего течения на границе ядро-минтия, которое порождает плюм. От ядра через область плюмтектоники поднимается горячий материал (суперабвеллинг), над которым образуются оси спрединга индуцирующие тектонику плит. Так совершается, согласно японской модели, переход от плюм-тектоники к тектонике плит (плейт-тектонике). Развитие динамики Земли шло от тектоники ядра, охватывавшей всю планету 4,6 млрд. лет назад, к плюмтектонике и далее с прогрессивным сокращением объема последней – к возникновению плейт-тектоники.

В современной картине Земли японские исследователи различают один крупный нисходящий холодный суперплюм под Центральной Азией и два восходящих суперплюма – под южным Тихим океаном и под Африкой. Наличие конвекционных ячеек в мантии не подтвердилось. Таким образом, в нижней мантии, а фактически в переходной зоне, к верхней мантии навстречу друг к другу на определенном расстоянии движутся колонны охлажденного и разогретого в6ещества, т.е. конвекция реализуется в форме адвекции (рис. )

Рис. . Модель основного тепломассопереноса в современной Земле

(по С. Маруяма и др., 1994). Из работы В.Е Хаина, 1996.

Мощные восходящие суперплюмы служат причиной раскола и дисперсии суперконтинентов и образования вторичных океанов между их фрагментами, в то время как по суперконтинентами, окруженными зонами субдукции, возникают воронкообразные холодные суперплюмы, обеспечивающие более спокойный тектонический режим.

Компьютерное моделирование эволюции геодинамических процессов во времени позволило создать новое направление в геологии – историческую геодинамику. В историческом аспекте, в соответствии с той же моделью, развитие Земли, как и других планет, началось с «тектоники роста», т.е. образования ядра (рис. ). Эту стадию прошли все планеты солнечной системы. Оно продолжилось временем господства плюм-тектоники, которая уже в архее начала сменяться в верхних оболочках Земли плейт-тектоникой. Подобная смена, вероятно, наблюдается в настоящее время на Венере. Турбулентная конвекция в виде перемещения колон и капель разогретого вещества перерастает в более упорядоченную. На Земле с появлением в архее литосферы, ее дальнейшим разрастанием и обособлением астеносферы верхняя мантия и кора стали областью совместного проявления плюм- и плейт-тектоники. В соответствие с этой моделью Марс уже миновал стадию плейт-тектоники и вступил в стадию общего сжатия литосферы. В последней возникают немногочисленные разрывы, по ним к поверхности поднимается магма, дающая начало крупным вулканам. Меркурий и Луна находятся на стадии терминальной тектоники. Они утратили глубинную активность, по редким разрывам возможны газовые эманации. На этих планетах господствуют экзогенные процессы, обусловленные внешними факторами.

Рис. . Схема планетарной эволюции тектонических стилей во времени

(по С. Маруяма и др., 1994). Из работы В.Е Хаина, 1996.

Японские исследователи попытались спрогнозировать, что будет с солнечной системой через 5 млрд. лет. К этому времени Солнце должно превратиться в красный гигант, под действием мощного теплового излучения поверхность планет подвергнется испарению. Недра планет, испытав предельное гравитационное сжатие, перейдут в состоянии декомпрессии и начнут расширяться. При наличие твердой и жесткой оболочки это может привести к взрыву, т.е. к саморазрушению планет.

Глобальная геодинамика как новая теория пока находится в своем развитии. Есть вопросы, которые она не решает. В качестве недостатка описанной модели можно указать то, что Земля в ней трактуется как замкнутая система, в то время как она в действительности является открытой, непрерывно взаимодействующей с космосом.