гепотезы мобилизма (литосферных плит ). План Геотектонические гипотезы с позиции мобилизма
 Скачать 276.31 Kb.
|
|
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) 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 действительности является открытой, непрерывно взаимодействующей с космосом. |