Літосферна карта світу. Літосфера як елемент географічної оболонки

Земля остигає подібно до випеченого яблука, і на ній з'являються зморшки у вигляді гірських хребтів. Розвивала ці ідеї теорія геосинкліналей, створена виходячи з вивчення складчастих споруд. Ця теорія була сформульована Джеймсом Даною, який додав до контракційної гіпотези принцип ізостазії. Відповідно до цієї концепції Земля складається з гранітів (континенти) та базальтів (океани). При стиску Землі в океанах-впадинах виникають тангенціальні сили, які тиснуть на континенти. Останні здіймаються в гірські хребти, а потім руйнуються. Матеріал, що виходить внаслідок руйнування, відкладається у западинах.

Крім того, Вегенер почав шукати геофізичні та геодезичні докази. Проте на той час рівень цих наук був явно недостатній, щоб зафіксувати сучасний рух континентів. У 1930 році Вегенер загинув під час експедиції в Гренландії, але перед смертю вже знав, що наукова спільнота не прийняла його теорію.

Від самого початку теорія дрейфу материківбуло прийнято науковим співтовариством прихильно, але в 1922 році вона зазнала жорсткої критики з боку відразу кількох відомих фахівців. Головним аргументом проти теорії стало питання про силу, яка рухає плити. Вегенер вважав, що континенти рухаються базальтами океанічного дна, але для цього вимагалося величезне зусилля, і джерела цієї сили ніхто назвати не міг. Як джерело руху плит пропонувалися сила Коріоліса, приливні явища та деякі інші, проте найпростіші розрахунки показували, що їх абсолютно недостатньо для переміщення величезних континентальних блоків.

Критики теорії Вегенера поставили на чільне місце питання про силу, що рухає континенти, і проігнорували все безліч фактів, що безумовно підтверджували теорію. По суті вони знайшли єдине питання, в якому нова концепція була безсила, і без конструктивної критики відкинули основні докази. Після смерті Альфреда Вегенера теорія дрейфу материків була відкинута, отримавши статус маргінальної науки, і переважна більшість досліджень продовжували проводитися в рамках теорії геосинкліналей. Щоправда, їй довелося шукати пояснення історії розселення тварин на континентах. Для цього були придумані сухопутні мости, що з'єднували континенти, але занурилися в морську безодню. Це було ще одне народження легенди про Атлантиду. Варто зазначити, деякі вчені не визнали вердикт світових авторитетів і продовжили пошук доказів руху материків. Так дю Туа ( Alexander du Toit) пояснював утворення гімалайських гір зіткненням Індостану та Євразійської плити.

Млява боротьба фіксістів, як назвали прихильників відсутності значних горизонтальних переміщень, і мобілістів, які стверджували, що континенти все-таки рухаються, з новою силою розгорілася в 1960-х роках, коли в результаті вивчення дна океанів було знайдено ключі до розуміння «машини» під назвою Земля.

На початку 1960-х років була складена карта рельєфу дна Світового океану, яка показала, що в центрі океанів розташовані серединно-океанічні хребти, які височіють на 1,5-2 км над абісальними рівнинами, вкритими опадами. Ці дані дозволили Р. Діцу та Гаррі Хессу в -1963 роках висунути гіпотезу спредінгу. Згідно з цією гіпотезою, в мантії відбувається конвекція зі швидкістю близько 1 см/рік. Східні гілки конвекційних осередків виносять під серединно-океанічними хребтами мантійний матеріал, який оновлює океанічне дно в осьовій частині хребта кожні 300-400 років. Континенти не пливуть океанічною корою, а переміщаються мантією, будучи пасивно «впаяні» в літосферні плити. Відповідно до концепції спредингу, океанічні басейни структури непостійні, нестійкі, континенти ж – стійкі.

Ця ж рушійна сила(Перепаду висот) визначає ступінь пружного горизонтального стиснення кори силою в'язкого тертя потоку про земну кору. Величина цього стиску мала в області сходження мантійного потоку і збільшується в міру наближення до місця опускання потоку (за рахунок передачі напруги стиснення через нерухому тверду коруу напрямку від місця підйому до місця спуску потоку). Над потоком, що опускається, сила стиснення в корі така велика, що іноді перевищується міцність кори (в області найменшої міцності і найбільшої напруги), відбувається непружна (пластична, тендітна) деформація кори - землетрус. При цьому з місця деформації кори видавлюються цілі гірські ланцюги, наприклад, Гімалаї (кілька етапів).

При пластичній (тендітній) деформації дуже швидко (у темпі зміщення кори при землетрусі) зменшується і напруга в ній - сила стиску в осередку землетрусу та його околицях. Але відразу після закінчення непружної деформації триває перерване землетрусом дуже повільне наростання напруги (пружної деформації) рахунок дуже повільного руху в'язкого мантійного потоку, починаючи цикл підготовки наступного землетрусу.

Таким чином, рух плит - наслідок перенесення тепла із центральних зон Землі дуже в'язкою магмою. При цьому частина теплової енергії перетворюється на механічну роботу з подолання сил тертя, а частина, пройшовши через земну кору, випромінюється в навколишній простір. Так що наша планета в певному сенсі є тепловим двигуном.

Щодо причини високої температури надр Землі існує кілька гіпотез. На початку XX століття була популярною гіпотеза радіоактивної природи цієї енергії. Здавалося, вона підтверджувалася оцінками складу верхньої кори, які показали дуже значні концентрації урану, калію та інших радіоактивних елементів, але згодом з'ясувалося, що вміст радіоактивних елементів у породах земної коризовсім недостатньо для забезпечення спостережуваного потоку глибинного тепла. А вміст радіоактивних елементів у підкоровій речовині (за складом близьким до базальтів океанічного дна), можна сказати, мізерний. Однак це не виключає достатньо високого вмісту важких радіоактивних елементів, що генерують тепло, у центральних зонах планети.

Інша модель пояснює нагрівання хімічною диференціацією Землі. Спочатку планета була сумішшю силікатної та металевої речовин. Але водночас із заснуванням планети почалася її диференціація деякі оболонки. Більш щільна металева частина прямувала до центру планети, а силікати концентрувалися в верхніх оболонках. При цьому потенційна енергія системи зменшувалась і перетворювалася на теплову енергію.

Інші дослідники вважають, що розігрів планети стався в результаті акреції при ударах метеоритів об поверхню зародження, що зароджується. небесного тіла. Це пояснення сумнівно - при акреції тепло виділялося на поверхні, звідки воно легко йшло у космос, а чи не в центральні області Землі.

Другі сили

Сила в'язкого тертя, що виникає внаслідок теплової конвекції, грає визначальну роль у рухах плит, але крім неї на плити діють інші, менші за величиною, але також важливі сили. Це - сили Архімеда, які забезпечують плавання легшої кори лежить на поверхні більш важкої мантії. Приливні сили, зумовлені гравітаційним впливом Місяця і Сонця (відмінністю їх гравітаційного на різновіддалені від нього точки Землі). Зараз приливний «горб» на Землі, викликаний тяжінням Місяця в середньому близько 36 см. Раніше, Місяць був ближче і це мало великі масштаби, деформація мантії призводить до її нагрівання. Наприклад, вулканізм, що спостерігається на Іо (супутник Юпітера), викликаний саме цими силами - приплив на Іо близько 120 м. А також сили, що виникають внаслідок зміни атмосферного тиску на різні ділянки земної поверхні- сили атмосферного тиску досить часто змінюються на 3%, що еквівалентно суцільному шару води завтовшки 0,3 м (або граніту завтовшки не менше 10 см). Причому ця зміна може відбуватися в зоні шириною сотні кілометрів, тоді як зміна приливних сил відбувається більш плавно - на відстані в тисячі кілометрів.

Дивергентні межі чи межі розсування плит

Це межі між плитами, що рухаються у протилежні сторони. У рельєфі Землі ці межі виражені рифтами, у яких переважають деформації розтягування, потужність кори знижена, тепловий потік максимальний, і відбувається активний вулканізм. Якщо така межа утворюється на континенті, то формується континентальний рифт, який може перетворитися на океанічний басейн з океанічним рифтом у центрі. В океанічних рифтах у результаті спредингу формується нова океанічна кора.

Океанічні рифти

Схема будови серединно-океанічного хребта

Континентальні рифти

Розкол континенту на частини починається з утворення рифту. Кора витончується і розсувається, починається магматизм. Формується протяжна лінійна западина глибиною близько сотень метрів, яка обмежена серією скидів. Після цього можливо два варіанти розвитку подій: або розширення рифту припиняється і він заповнюється осадовими породами, перетворюючись на авлакоген, або континенти продовжують розсуватися і між ними, вже в типово океанічних рифтах, починає формуватися океанічна кора.

Конвергентні кордони

Конвергентними називаються межі, у яких відбувається зіткнення плит. Можливо три варіанти:

Континентальна плита з океану. Океанічна кора щільніша, ніж континентальна і занурюється під континент у зоні субдукції.
Океанічні плити з океанічної. У такому разі одна з плит заповзає під іншу і також формується зона субдукції, над якою утворюється острівна дуга.
Континентальна плита з континентальної. Відбувається колізія, з'являється сильна складчаста область. Класичний приклад - Гімалаї.

У поодиноких випадках відбувається насув океанічної кори на континентальну обдукцію. Завдяки цьому процесу виникли офіоліти Кіпру, Нової Каледонії, Оману та інші.

У зонах субдукції поглинається океанічна кора, і цим компенсується її поява в срединно-океанических хребтах . Вони відбуваються виключно складні процеси, взаємодії кори і мантії. Так океанічна кора може затягувати в мантію блоки континентальної кори, які через низьку щільність ексгумуються назад у кору. Так виникають метаморфічні комплекси надвисоких тисків, один із найпопулярніших об'єктів сучасних геологічних досліджень.

Більшість сучасних зон субдукції розташовані на периферії Тихого океану, утворюючи тихоокеанське вогняне кільце. Процеси, що йдуть у зоні конвергенції плит, по праву вважаються одними з найскладніших у геології. У ній поєднуються блоки різного походження, утворюючи нову континентальну кору.

Активні континентальні околиці

Активна континентальна околиця

Активна континентальна околиця виникає там, де під континент поринає океанічна кора. Еталоном цієї геодинамічної обстановки вважається Західне побережжяПівденної Америки, її часто називають індійськимтипом континентальної околиці. Для активної континентальної околиці характерні численні вулкани і потужний магматизм. Розплави мають три компоненти: океанічну кору, мантію над нею та низи континентальної кори.

Під активною континентальною околицею відбувається активна механічна взаємодія океанічної та континентальної плит. Залежно від швидкості, віку та потужності океанічної кори можливі кілька сценаріїв рівноваги. Якщо плита рухається повільно і має відносно малу потужність, то континент зіскоблює з неї чохол. Осадові породи змінюються в інтенсивні складки, метаморфізуються та стають частиною континентальної кори. Структура, що утворюється при цьому, називається акреційним клином. Якщо швидкість плити, що занурюється, висока, а осадовий чохол тонкий, то океанічна кора стирає низ континенту і залучає його в мантію.

Острівні дуги

Острівна дуга

Острівні дуги – це ланцюжки вулканічних островів над зоною субдукції, що виникають там, де океанічна плита занурюється під іншу океанічну плиту. Як типові сучасні острівні дуги можна назвати Алеутські, Курильські, Маріанські острови, і багато інших архіпелаги. Японські острови також часто називають острівною дугою, але їхній фундамент дуже древній і насправді вони утворені кількома різночасними комплексами острівних дуг, так що Японські островиє мікроконтинентом.

Острівні дуги утворюються при зіткненні двох океанічних плит. При цьому одна з плит виявляється знизу та поглинається в мантію. На верхній плиті утворюються вулкани острівної дуги. Вигнута сторона острівної дуги спрямована в бік плити, що поглинається. З цього боку знаходяться глибоководний жолоб і передгинальний прогин.

За острівною дугою розташований задуковий басейн (типові приклади: Охотське море, Південно-Китайське море і т.д.) в якому також може відбуватися спредінг.

Колізія континентів

Зіткнення континентів

Зіткнення континентальних плит призводить до зминання кори та утворення гірських ланцюгів. Прикладом колізії є Альпійсько-Гімалайський гірський пояс, що утворився внаслідок закриття океану Тетіс і зіткнення з Євразійською плитою Індостану та Африки. Внаслідок цього потужність кори значно збільшується, під Гімалаями вона становить 70 км. Це нестійка структура, вона інтенсивно руйнується поверхневою та тектонічною ерозією. У корі з різко збільшеною потужністю йде виплавка гранітів із метаморфізованих осадових та магматичних порід. Так утворилися найбільші батоліти, напр., Ангаро-Вітімський і Зерендінський.

Трансформні кордони

Там, де плити рухаються паралельним курсом, але з різною швидкістю, виникають трансформні розломи - грандіозні порушення зрушень, широко поширені в океанах і рідкісні на континентах.

Трансформні розломи

В океанах трансформні розломи йдуть перпендикулярно серединно-океанічним хребтам (СОХ) і розбивають їх на сегменти завширшки в середньому 400 км. Між сегментами хребта є активна частина трансформного розлому. На цій ділянці постійно відбуваються землетруси і гороутворення, навколо розлому формуються численні структури, що операють, - надвиги, складки і грабени. В результаті, в зоні розлому нерідко оголюються мантійні породи.

По обидва боки від сегментів СОХ є неактивні частини трансформних розломів. Активних рухів у них немає, але вони чітко виражені в рельєфі дна океанів лінійними підняттями з центральною депресією.

Трансформні розломи формують закономірну сітку і, очевидно, виникають не випадково, а через об'єктивні фізичні причини. Сукупність даних чисельного моделювання, теплофізичних експериментів та геофізичних спостережень дозволила з'ясувати, що мантійна конвекція має тривимірну структуру. Крім основної течії від СОХ, у конвективному осередку за рахунок остигання верхньої частини потоку, виникають поздовжні течії. Ця остигла речовина спрямовується вниз уздовж основного напряму течії мантії. У зонах цього другорядного потоку, що опускається, і знаходяться трансформні розлами. Така модель добре узгоджується з даними про тепловий потік: над трансформними розломами спостерігається його зниження.

Зрушення на континентах

Зсувні межі плит на континентах трапляються відносно рідко. Мабуть, єдиним нині активним прикладом кордону такого типу є розлом Сан-Андреас, що відокремлює Північноамериканську плиту від Тихоокеанської. 800-мильний розлом Сан-Андреас - один із найсейсмоактивніших районів планети: на рік плити зміщуються відносно одна одної на 0,6 см, землетруси з магнітудою понад 6 одиниць відбуваються в середньому раз на 22 роки. Місто Сан-Франциско та більша частинарайону бухти Сан-Франциско побудовані в безпосередньої близькостівід цього розлому.

Внутрішньоплитні процеси

Перші формулювання тектоніки плит стверджували, що вулканізм і сейсмічні явища зосереджені за межами плит, але незабаром стало ясно, що і всередині плит йдуть специфічні тектонічні та магматичні процеси, які також були інтерпретовані в рамках цієї теорії. Серед внутрішньоплитних процесів особливе місце зайняли явища довготривалого базальтового магматизму деяких районах, звані гарячі точки.

Гарячі точки

На дні океанів розташовані численні вулканічні острови. Деякі з них розташовані в ланцюжках з віком, що послідовно змінюється. Класичним прикладом такої підводної гряди став Гавайський підводний хребет. Він піднімається над поверхнею океану у вигляді Гавайських островів, від яких на північний захід йде ланцюжок підводних гір з безперервно зростаючим віком, деякі з яких, наприклад, атол Мідвей, виходять на поверхню. На відстані близько 3000 км від Гаваїв ланцюг трохи повертає північ і називається вже Імператорським хребтом. Він переривається у глибоководному жолобі перед Алеутською острівною дугою.

Для пояснення цієї дивовижної структури було зроблено припущення, що під Гавайськими островамизнаходиться гаряча точка - місце, де до поверхні піднімається гарячий мантійний потік, який проплавляє океанічну кору, що рухається над ним. Таких точок на Землі встановлено безліч. Мантійний потік, що їх викликає, був названий плюмом. У деяких випадках передбачається виключно глибоке походження речовини плюмів, аж до межі ядра – мантії.

Трапи та океанічні плато

Окрім довготривалих гарячих точок, усередині плит іноді відбуваються грандіозні виливи розплавів, які на континентах формують трапи, а в океанах – океанічні плато. Особливість цього магматизму у цьому, що відбувається за короткий у геологічному сенсі час - близько кількох мільйонів років, але захоплює величезні площі (десятки тисяч км²); при цьому виливається колосальний обсяг базальтів, який можна порівняти з їх кількістю, що кристалізується в серединно-океанічних хребтах.

Відомі сибірські траппи на Східно-Сибірській платформі, траппи плоскогір'я Декан на Індостанському континенті та багато інших. Причиною утворення трапп також вважаються гарячі мантійні потоки, але на відміну від гарячих точок вони діють короткочасно, і різниця між ними не зовсім ясна.

Гарячі точки та трапи дали підстави для створення так званої плюмовий геотектоніки, Що стверджує, що значну роль геодинамічних процесах грає як регулярна конвекція, а й плюми. Плюмова тектоніка не суперечить тектоніці плит, а доповнює її.

Тектоніка плит як система наук

Нині тектоніку вже не можна розглядати як чисто геологічну концепцію. Вона відіграє ключову роль у всіх науках про Землю, у ній виділилося кілька методичних підходів із різними базовими поняттями та принципами.

З точки зору кінематичного підходу, рух плит можна описати геометричними законами переміщення фігур на сфері . Земля сприймається як мозаїка плит різного розміру, що переміщаються щодо одне одного і самої планети. Палеомагнітні дані дозволяють відновити положення магнітного полюса щодо кожної плити різні моменти часу. Узагальнення даних різних плит привело до реконструкції всієї послідовності відносних переміщень плит. Об'єднання цих даних з інформацією, отриманою з нерухомих гарячих точок, уможливило визначити абсолютні переміщення плит та історію руху магнітних полюсів Землі.

Теплофізичний підхідрозглядає Землю як теплову машину, в якій теплова енергія частково перетворюється на механічну. У рамках цього підходу рух речовини у внутрішніх шарах Землі моделюється як потік в'язкої рідини, що описується рівняннями Навье-Стокса. Мантійна конвекція супроводжується фазовими переходами та хімічними реакціями, які відіграють визначальну роль у структурі мантійних течій. Ґрунтуючись на даних геофізичного зондування, результатах теплофізичних експериментів та аналітичних та чисельних розрахунках, вчені намагаються деталізувати структуру мантійної конвекції, знайти швидкості потоків та інші важливі характеристики глибинних процесів. Особливо важливі ці дані для розуміння будови найглибших частин Землі - нижньої мантії та ядра, які недоступні для безпосереднього вивчення, але, безсумнівно, мають величезний вплив на процеси, що йдуть на поверхні планети.

Геохімічний підхід. Для геохімії тектоніка плит важлива як механізм безперервного обміну речовиною та енергією між різними оболонками Землі. Для кожної геодинамічної ситуації характерні специфічні асоціації гірських порід. У свою чергу, за цими характерними рисами можна визначити геодинамічну обстановку, в якій утворилася порода.

Історичний підхід. У сенсі історії планети Земля, тектоніка плит - це історія континентів, що з'єднуються і розколюються, народження і згасання вулканічних ланцюгів, появи і закриття океанів і морів. Зараз для великих блоків кори історія переміщень встановлена з великою детальністю і за значний проміжок часу, але для невеликих плит методичні труднощі значно більші. Найскладніші геодинамічні процеси відбуваються у зонах зіткнення плит, де утворюються гірські ланцюги, складені безліччю дрібних різнорідних блоків – террейнів. При вивченні Скелястих гір зародився особливий напрямок геологічних досліджень - террейновий аналіз, який увібрав у себе комплекс методів, з виділення террейнів та реконструкції їхньої історії.

Тектоніка плит на інших планетах

В даний час немає підтверджень сучасної тектоніки плит на інших планетах Сонячної системи. Дослідження магнітного поля Марса, проведені в космічній станцією Mars Global Surveyor, вказують на можливість тектоніки плит на Марсі у минулому.

В минулому [ коли?] Потік тепла з надр планети був більший, тому кора була тоншою, тиск під набагато тоншою корою було теж набагато нижче. А при значно нижчому тиску і трохи більшій температурі в'язкість мантійних конвекційних потоків безпосередньо під корою була набагато нижчою за нинішню. Тому в корі, що пливе на поверхні мантійного потоку, менш в'язкого, ніж сьогодні, виникали порівняно невеликі пружні деформації. І механічні напруги, що породжуються в корі менш в'язкими, ніж сьогодні, конвекційними потоками, були недостатні для перевищення межі міцності порід кори. Тому, можливо, і не було такої тектонічної активності, як пізніше.

Попередні переміщення плит

Докладніше на цю тему див.: Історія переміщення плит.

Відновлення минулих переміщень плит – один із основних предметів геологічних досліджень. З різною мірою детальності становище континентів і блоків, у тому числі вони сформувалися, реконструйовано до архею.

З аналізу переміщень континентів було зроблено емпіричне спостереження, що континенти кожні 400-600 млн років збираються у величезний материк, що містить майже всю континентальну кору - суперконтинент. Сучасні континенти утворилися 200-150 млн. років тому, внаслідок розколу суперконтиненту Пангеї. Наразі континенти знаходяться на етапі майже максимального роз'єднання. Атлантичний океан розширюється, а Тихий океан закривається. Індостан рухається на північ і змінює Євразійську плиту, але, мабуть, ресурс цього руху вже майже вичерпаний, і незабаром в Індійському океані виникне нова зона субдукції, в якій океанічна кора Індійського океанупоглинатиметься під Індійський континент.

Вплив переміщень плит на клімат

Розташування великих континентальних масивів у приполярних областях сприяє загальному зниженню температури планети, оскільки на континентах можуть утворюватися покривні заледеніння. Чим ширше розвинене заледеніння, тим більше альбедо планети і тим нижча середньорічна температура.

Крім того, взаємне розташування континентів визначає океанічну та атмосферну циркуляцію.

Однак проста і логічна схема: континенти в приполярних областях - заледеніння, континенти в екваторіальних областях - підвищення температури, виявляється невірною у порівнянні з геологічними даними про минуле Землі. Четвертичне заледеніння справді сталося, коли в районі Південного полюса опинилася Антарктида, і в північній півкулі Євразія та Північна Американаблизилися до Північного полюса. З іншого боку, сильне протерозойське заледеніння, під час якого Земля виявилася майже повністю вкрита льодом, сталося тоді, коли більшість континентальних масивів перебувала в екваторіальній області.

Крім того, суттєві зміни положення континентів відбуваються за час близько десятків мільйонів років, у той час як сумарна тривалість льодовикових епох становить близько декількох мільйонів років, і під час однієї льодовикової епохи відбуваються циклічні зміни заледенінь і міжльодовикових періодів. Всі ці кліматичні зміни відбуваються швидко, порівняно зі швидкостями переміщення континентів, і тому рух плит не може бути їх причиною.

З вищесказаного випливає, що переміщення плит не відіграють визначальної ролі в кліматичних змінах, але можуть бути важливим додатковим фактором, що «підштовхує» їх.

Значення тектоніки плит

Тектоніка плит зіграла в науках про Землю роль, порівнянну з геліоцентричною концепцією в астрономії, або відкриттям ДНК у генетиці. До прийняття теорії тектоніки плит, науки про Землю мали описовий характер. Вони досягли високого рівнядосконалості в описі природних об'єктів, але рідко могли пояснити причини процесів. У різних розділах геології могли переважати протилежні концепції. Тектоніка плит пов'язала різні науки про Землю, надала їм передбачувальну силу.

Див. також

Примітки

Література

Вегенер А.Походження материків та океанів / пров. з ним. П. Г. Камінського за ред. П. Н. Кропоткіна. – Л.: Наука, 1984. – 285 с.
Добрецов Н. Л., Кірдяшкін А. Г.Глибинна геодинаміка. – Новосибірськ, 1994. – 299 с.
Зоненшайн, Кузьмін М. І.Тектоніка плит СРСР. У 2-х томах.
Кузьмін М. І., Корольков А. Т., Дриль С. І., Коваленко С. М.Історична геологія з основами тектоніки плит та металогенії. - Іркутськ: Іркут. ун-т, 2000. – 288 с.
Кокс А. Харт Р.Тектоніка плити. - М: Мир, 1989. - 427 с.
Н. В. Короновський, В. Є. Хаїн, Ясаманов Н. А. Історична геологія: Підручник. М: вид-во Академія, 2006.
Лобковський Л. І., Нікішин А. М., Хаїн Ст Є.Сучасні проблеми геотектоніки та геодинаміки. – М.: Науковий світ, 2004. – 612 c. - ISBN 5-89176-279-X.
Хаїн, Віктор Юхимович. Основні проблеми сучасної геології. М: Науковий Світ, 2003.

Посилання

Російською мовою

Хаїн, Віктор Юхимович Сучасна геологія: проблеми та перспективи
В. П. Трубіцин, В. В. Риков. Мантійна конвекція та глобальна тектоніка землі Об'єднаний інститут фізики Землі РАН, Москва
Причини тектонічних розломів, дрейф материків та фізичний тепловий баланс планети (USAP)
Хаїн, Віктор Юхимович Тектоніка плит, їх структури, рухи та деформації

Англійською мовою

Interactive movie showing 750 myr (мільйони років) з глобальної тектонічної діяльності.

Теорія літосферних плит- саме цікавий напрямоку географії. Як припускають сучасні вчені, вся літосфера поділена на блоки, які дрейфують у верхньому шарі. Їхня швидкість становить 2-3 см на рік. Вони називаються літосферними плитами.

Засновник теорії літосферних плит

Хто ж започаткував теорію літосферних плит? А. Вегенер одним із перших у 1920 р. зробив припущення про те, що плити рухаються горизонтально, але його не підтримали. І лише у 60-х роках обстеження океанічного дна підтвердили його припущення.

Воскресіння цих ідей спричинило створення сучасної теорії тектоніки. Її найважливіші становища було визначено командою геофізиків з Америки Д. Морганом, Дж.Олівером, Л. Сайксом та інших. 1967-68 р.

Вчені що неспроможні сказати ствердно, що викликає такі усунення як і формуються кордону. Ще 1910 р. Вегенер вважав, що на початку палеозойського періоду Земля складалася з двох материків.

Лавразія охоплювала область нинішньої Європи, Азії (Індія не входила), Північної Америки. Вона була північним материком. Гондвана включала Південну Америку, Африку, Австралію.

Десь двісті мільйонів років тому ці два материки об'єдналися в один — Пангею. А 180 млн років тому він знову ділиться на два. Згодом Лавразія та Гондвана також були поділені. За рахунок цього розколу було утворено океани. Причому Вегенер знайшов свідчення, яке підтверджувало його гіпотезу про єдиний материк.

Карта літосферних плит світу

За ті мільярди років, протягом яких здійснювався рух плит, неодноразово відбувалося їхнє злиття та поділ. На силу та енергійність руху материків великий вплив надає внутрішня температура Землі. З її підвищенням зростає швидкість руху плит.

Скільки плит і як на сьогоднішній день розташовуються літосферні плити на карті світу? Їхні межі дуже умовні. Нині налічується 8 найважливіших плит. Вони покривають 90% всієї території планети.

Вас зацікавить

Австралійська;
Антарктична;
Африканська;
Євразійська;
Індостанська;
Тихоокеанська;
Північноамериканська;
Південноамериканська.

Вчені постійно проводять огляд та аналіз океанічного дна, та досліджують розломи. Відкривають нові плити та коригують лінії старих.

Найбільша літосферна плита

Яка літосферна плита найбільша? Найбільшою є тихоокеанська плита, кора якої має океанічний тип складання. Її площа 103 000 000 км ². Розмір цієї плити, як і величина моря потроху зменшуються.

На півдні вона межує з Антарктичною плитою. З північного боку створює Алеутський жолоб, а із західного — Маріанську западину.

Неподалік Каліфорнії, там де проходить східний кордон, рух плити здійснюється за довжиною Північно-Американської. Тут утворюється розлом San Andreas.

Що відбувається під час руху плит

Літосферні плити землі у своєму русі можуть розходитися, зливатися, ковзати із сусідніми. При першому варіанті між ними вздовж ліній, що межують, формуються ділянки розтягування з наявністю тріщин.

При другому варіанті йде утворення зон стиснення, які супроводжуються насуванням (обдукція) плит одна на одну. У третьому випадку спостерігаються розломи, за довжиною яких здійснюється їхнє ковзання. У тих місцях, де плити сходяться, виникає їхнє зіткнення. Це призводить до гір.

Літосферні плити внаслідок зіткнення формують:

Тектонічні розломи, які називаються рифтовими долинами. Вони утворюються у зонах розтягування;
У тому випадку, коли виникає зіткнення плит, що мають материковий тип кори, тоді говорять про конвергентні межі. Це спричиняє утворення великих гірських систем. Альпійсько-гімалайська система стала результатом зіткнення трьох плит: Євразійської, Індо-Австралійської, Африканської;
Якщо стикаються плити, що мають різні типи кори (одна - материковий, інша - океанічний), на узбережжі йде утворення гір, а в океані - глибоких западин (жолобів). Приклад такої освіти — Анди та Перуанська западина. Буває що разом із жолобами формуються острівні дуги (Японські острови). Так сформувалися Маріанські островита жолоб.

Літосферна плита Африки містить Африканський континент і має океанічний тип. Саме там розташовується найбільший розлом. Його довжина 4000 км, а ширина - 80-120. Її краї покриті численними вулканами, що діють і згаслими.

Літосферні плити світу, що мають океанічний тип будови кори, найчастіше називають океанічними. До них відносяться: Тихоокеанська, Кокос, Наска. Вони займають більше половини простору Світового океану.

В Індійському океані їх три (Індоавстралійська, Африканська, Антарктична). Назви плит відповідають назвам материків, які він омиває. Літосферні плити океану поділяються підводними хребтами.

Тектоніка як наука

Тектоніка літосферних плит вивчає їх рух, а також зміну в будові та складі Землі на заданій території у певний проміжок часу. Вона припускає, що дрейфують не континенти, а літосферні плити.

Саме цей рух викликає землетруси та виверження вулканів. Воно підтверджено супутниками, але природа такого руху та його механізми поки що невідомі.

Стан спокою невідомий нашій планеті. Це стосується як зовнішніх, а й внутрішніх процесів, що у надрах Землі: її літосферні плити постійно рухаються. Щоправда, деякі ділянки літосфери досить стійкі, інші ж, особливо ті, що знаходяться на стиках тектонічних плит, надзвичайно рухливі та постійно здригаються.

Природно, подібне явище люди поза увагою залишити не могли, а тому протягом усієї своєї історії вивчали та пояснювали його. Наприклад, у М'янмі досі збереглася легенда про те, що наша планета обплетена величезним кільцем змій, і коли вони починають рухатися, земля починає здригатися. Подібні історії не могли надовго задовольнити допитливі людські уми, і щоб дізнатися правду, найцікавіші свердлили землю, малювали карти, будували гіпотези та висували припущення.

Поняття літосфери містить у собі тверду оболонку Землі, що складається з земної кори і пласта розм'якшених гірських порід, що входять до складу верхньої мантії, астеносфери (її пластичний склад дає можливість плитам, з яких складається земна кора, пересуватися по ній зі швидкістю від 2 до 1 на рік). Цікаво, що верхній шар літосфери пружний, а нижній – пластичний, що дає можливість плитам під час руху зберігати рівновагу, незважаючи на постійні струси.

Під час численних досліджень вчені прийшли до висновку, що літосфера має неоднорідну товщину і багато в чому залежить від рельєфу місцевості, під яким знаходиться. Так, на суші її товщина становить від 25 до 200 км (чим старша платформа, тим вона більша, а найтонша знаходиться під молодими гірськими хребтами).

А ось найтонший пласт земної кори – під океанами: його середня товщина коливається від 7 до 10 км, а окремих регіонах Тихого океану сягає навіть п'яти. Шар найтовстішої кори розташований по краях океанів, найтонший - під серединно-океанічними хребтами. Цікаво, що літосфера ще повністю не сформувалася, і цей процес триває понині (переважно – під океанічним дном).

З чого складається земна кора

Будова літосфери під океанами та континентами відрізняється тим, що під океанічним дном немає гранітного шару, оскільки океанічна кора під час свого формування багато разів піддавалася процесам плавлення. Спільними для океанічної та материкової кори є такі верстви літосфери, як базальтовий та осадовий.

Таким чином, земна кора складається в основному з гірських порід, які формуються під час остигання та кристалізації магми, що по тріщинах впроваджується в літосферу. Якщо при цьому магма не змогла просочитися на поверхню, вона сформувала такі великокристалічні гірські породи, як граніт, габро, діорит, внаслідок її повільного охолодження і кристалізації. А ось магма, яка зуміла вибратися назовні, за рахунок швидкого остигання, утворила дрібні кристали – базальт, ліпарит, андезит.

Що стосується осадових порід, то вони у літосфері Землі утворилися по-різному: уламкові з'явилися внаслідок руйнування піску, пісковиків та глини, хімічні сформувалися завдяки різним хімічним реакціям у водних розчинах – це гіпс, сіль, фосфорити. Органічні були утворені рослинними та вапняними залишками – крейда, торф, вапняк, вугілля.

Цікаво, що деякі породи з'явилися через повну або часткову зміну їхнього складу: граніт трансформувався в гнейс, піщаник – у кварцит, вапняк – у мармур. Згідно з науковими дослідженнями, вченим вдалося встановити, що літосфера складається з:

Кисню – 49%;
Кремнію – 26%;
Алюмінію – 7%;
Заліза – 5%;
Кальція – 4%
До складу літосфери входить чимало мінералів, найпоширеніші – шпат та кварц.

Що стосується структури літосфери, то тут розрізняють стабільні та рухливі зони (іншими словами, платформи та складчасті пояси). На тектонічних картах завжди можна побачити зазначені межі як стійких, і небезпечних територій. Насамперед це Тихоокеанське вогняне кільце (розташоване по краях Тихого Океану), а також частина Альпійсько-Гімалайського сейсмічного поясу (Південна Європа та Кавказ).

Опис платформ

Платформа – це майже нерухомі частини земної кори, які пройшли дуже тривалий етап геологічного формування. Їх вік визначають за етапом утворення кристалічного фундаменту (гранітного та базальтового шарів). Стародавні або докембрійські платформи на карті завжди знаходяться в центрі континенту, молоді – або на краю материка, або між докембрійськими платформами.

Гірничо-складчаста область

Гірничо-складчаста область була сформована під час зіткнення тектонічних плит, що розташовані на материку. Якщо гірські хребти були сформовані нещодавно, біля них фіксується підвищена сейсмічна активність і всі вони розташовані по краях літосферних плит (молодші масиви відносяться до альпійського та кіммерійського етапу освіти). Більш старі області, що належать до стародавньої, палеозойської складчастості, можуть розташовуватися як з краю материка, наприклад, у Північній Америці та Австралії, так і по центру – Євразії.

Цікаво, що вік гірничо-складчастих областей вчені встановлюють за наймолодшими складками. Оскільки гороутворення відбувається безперервно, це дозволяє визначити лише тимчасові рамки етапів розвитку нашої Землі. Наприклад, наявність гірського хребта посеред тектонічної плити свідчить про те, що колись тут проходив кордон.

Літосферні плити

Незважаючи на те, що літосфера на дев'яносто відсотків складається з чотирнадцяти літосферних плит, багато хто з цим твердженням не погоджується і малює свої тектонічні карти, говорячи про те, що існує сім великих і близько десяти малих. Цей поділ досить умовний, оскільки з розвитком науки вчені або виділяють нові плити, або ж визнають певні межі неіснуючими, особливо коли йдеться про малі плити.

Найбільші тектонічні плити дуже добре помітні на карті і ними є:

Тихоокеанська - найбільша плита планети, вздовж меж якої відбуваються постійні зіткнення тектонічних плит і утворюються розломи - це є причиною її постійного зменшення;
Євразійська – покриває майже всю територію Євразії (крім Індостану та Аравійського півострова) та містить найбільшу частину материкової кори;
Індо-Австралійська – до її складу входить австралійський континент та індійський субконтинент. Через постійні зіткнення з Євразійський плитой перебуває у процесі розлому;
Південно-Американська – складається з південноамериканського материка та частини Атлантичного океану;
Північноамериканська – складається з північноамериканського континенту, частини північно-східного Сибіру, північно-західної частини Атлантичного та половини Північного Льодовитого океанів;
Африканська – складається з африканського материка та океанічної кори Атлантичного та Індійського океанів. Цікаво, що сусідні з нею плити рухаються в протилежний від неї бік, тому тут є найбільший розлом нашої планети;
Антарктична плита – складається з материка Антарктида та прилеглої океанічної кори. Через те, що плиту оточують серединно-океанічні хребти, решта материків від неї постійно відсувається.

Рух тектонічних плит

Літосферні плити, з'єднуючись і роз'єднуючись, постійно змінюють свої обриси. Це дає можливість вченим висувати теорію про те, що близько 200 млн років тому літосфера мала лише Пангею — один-єдиний континент, що згодом розколовся на частини, які почали поступово відсуватися один від одного на дуже маленькій швидкості (в середньому близько семи сантиметрів на рік ).

Існує припущення, що завдяки руху літосфери, через 250 млн. років на нашій планеті сформується новий континент за рахунок об'єднання материків, що рухаються.

Коли відбувається зіткнення океанічної та континентальної плит, край океанічної кори занурюється під материкову, при цьому з іншого боку океанічної плити її межа розходиться з плитою, що сусідить з нею. Кордон, вздовж якого відбувається рух літосфер, називається зоною субдукції, де виділяють верхні і занурювані краї плити. Цікаво, що плита, поринаючи в мантію, починає плавитися при стисканні верхньої частини земної кори, в результаті чого утворюються гори, а якщо до того ж проривається магма - то вулкани.

У місцях, де тектонічні плити стикаються одна з одною, розташовані зони максимальної вулканічної та сейсмічної активності: під час руху та зіткнення літосфери, земна кора руйнується, а коли вони розходяться, утворюються розлами та западини (літосфера та рельєф Землі пов'язані один з одним). Це є причиною того, що вздовж країв тектонічних плит розташовані найбільші форми рельєфу Землі – гірські хребти з активними вулканами та глибоководні жолоби.

Рельєф

Не дивує, що рух літосфер безпосередньо впливає на зовнішній вигляд нашої планети, а різноманітність рельєфу Землі вражає (рельєф – це сукупність нерівностей на земній поверхні, що знаходяться над різною висотою, а тому основні форми рельєфу Землі умовно поділяють на опуклі (материки, гори) ) і увігнуті - океани, річкові долини, ущелини).

Варто зауважити, що суша займає лише 29% нашої планети (149 млн. км2), а літосфера та рельєф Землі складаються в основному з рівнин, гір та низькогір'я. Щодо океану, то його середня глибинаскладає трохи менше чотирьох кілометрів, а літосфера та рельєф Землі в океані складаються з материкової мілини, берегового схилу, океанічного ложа та абісальних або глибоководних жолобів. Велика частина океану має складний і різноманітний рельєф: тут є рівнини, улоговини, плато, височини, хребти заввишки до 2 км.

Проблеми літосфери

Інтенсивний розвиток промисловості призвів до того, що людина і літосфера останнім часом стали надзвичайно погано уживатися один з одним: забруднення літосфери набуває катастрофічних масштабів. Сталося це внаслідок зростання промислових відходів у сукупності з побутовим сміттям та використовуваними в сільському господарствідобривами та отрутохімікатами, що негативно впливає на хімічний складґрунту та на живі організми. Вчені підрахували, що за рік на одну людину припадає близько однієї тонни сміття, серед яких - 50 кг відходів, що важко розкладаються.

Сьогодні забруднення літосфери стало актуальною проблемою, оскільки природа не в змозі впоратися з нею самостійно: самоочищення земної кори відбувається дуже повільно, а тому шкідливі речовини поступово накопичуються і згодом негативно впливають і на основного винуватця проблеми – людини.

Докладніше у статті Історія теорії тектоніки плит

Основою теоретичної геології початку XX століття була контракційна гіпотеза. Земля остигає подібно до випеченого яблука, і на ній з'являються зморшки у вигляді гірських хребтів. Розвивала ці ідеї теорія геосинкліналей, створена виходячи з вивчення складчастих споруд. Ця теорія була сформульована Дж. Дена, який додав до контракційної гіпотези принцип ізостазії. Відповідно до цієї концепції Земля складається з гранітів (континенти) та базальтів (океани). При стиску Землі в океанах-впадинах виникають тангенціальні сили, які тиснуть на континенти. Останні здіймаються в гірські хребти, а потім руйнуються. Матеріал, що виходить внаслідок руйнування, відкладається у западинах.

Млява боротьба фіксістів, як назвали прихильників відсутності значних горизонтальних переміщень, і мобілістів, які стверджували, що вони таки рухаються, з новою силою розгорілася в 1960-х роках, коли в результаті вивчення дна океанів були знайдені ключі до розуміння «машини» під назвою Земля .

На початку 60-х років була складена карта рельєфу дна Світового океану, яка показала, що в центрі океанів розташовані серединно-океанічні хребти, які височіють на 1,5-2 км над абісальними рівнинами, вкритими опадами. Ці дані дозволили Р. Діцу та Г. Хессу в 1962–1963 роках висунути гіпотезу спредінгу. Згідно з цією гіпотезою, в мантії відбувається конвекція зі швидкістю близько 1 см/рік. Східні гілки конвекційних осередків виносять під серединно-океанічними хребтами мантійний матеріал, який оновлює океанічне дно в осьовій частині хребта кожні 300-400 років. Континенти не пливуть океанічною корою, а переміщаються мантією, будучи пасивно «впаяні» в літосферні плити. Відповідно до концепції спредингу, океанічні басейни структури непостійні, нестійкі, континенти ж – стійкі.

У 1963 році гіпотеза спредінгу отримує потужну підтримку у зв'язку з відкриттям смугових магнітних аномалій океанічного дна. Вони були інтерпретовані як запис інверсій магнітного поля Землі, зафіксований у намагніченості базальтів дна океану. Після цього тектоніка плит розпочала переможну ходу у науках про Землю. Все більше вчених розуміли, що, ніж витрачати час на захист концепції фіксізму, краще поглянути на планету з погляду нової теорії і, нарешті, почати давати реальні пояснення найскладнішим земним процесам.

Зараз тектоніка плит підтверджена прямими вимірами швидкості плит методом інтерферометрії випромінювання від далеких квазарів та вимірами за допомогою GPS. Результати багаторічних досліджень повністю підтвердили основні теорії теорії тектоніки плит.

Сучасний стан тектоніки плит

За минулі десятиліття тектоніка плит суттєво змінила свої основні положення. Нині їх можна сформулювати так:

Верхня частина твердої Землі ділиться на тендітну літосферу та пластичну астеносферу. Конвекція в астеносфері – головна причина руху плит.

Літосфера ділиться на 8 великих плит, десятки середніх плит та безліч дрібних. Дрібні плити розташовані в поясах між великими плитами. Сейсмічна, тектонічна та магматична активність зосереджена на межах плит.

Літосферні плити у першому наближенні описуються як тверді тіла, та його рух підпорядковується теоремі обертання Эйлера.

Існує три основні типи відносних переміщень плит

розбіжність (дивергенція), виражене рифтингом та спредінгом;
сходження (конвергенція) виражене субдукцією та колізією;
зсувні переміщення трансформними розломами.

Спрединг в океанах компенсується субдукцією та колізією за їхньою периферією, причому радіус та обсяг Землі постійні (це твердження постійно обговорюється, але воно так достовірно і не спростовано)

Переміщення літосферних плит спричинене їх захопленням конвективними течіями в астеносфері.

Існує два принципово різних видівземної кори - кора континентальна та кора океанічна. Деякі літосферні плити складені виключно океанічною корою (приклад - найбільша тихоокеанська плита), інші складаються з блоку континентальної кори, впаяного в океанську кору.

Понад 90% поверхні Землі покрито 8 найбільшими літосферними плитами:

Серед плит середнього розміру можна виділити Аравійський субконтинент, і плити Кокос і Хуан де Фука, залишки величезної плити Фаралон, що складала значну частину дна Тихого океану, але нині зникла в зоні субдукції під Північною та Південною Америками.

Сила, що рухає плити

Зараз вже немає сумнівів, що рух плит відбувається за рахунок мантійних теплогравітаційних течій – конвекції. Джерелом енергії для цих течій є перенесення тепла з центральних частин Землі, які мають дуже високу температуру (за оцінками, температура ядра становить близько 5000 ° С). Нагріті породи розширюються (див. термічне розширення), щільність їх зменшується, і вони спливають, поступаючись місцем холоднішим породам. Ці течії можуть замикатися та утворювати стійкі конвективні осередки. При цьому у верхній частині осередку перебіг речовини відбувається у горизонтальній площині і саме ця її частина переносить плити.

Таким чином, рух плит - наслідок остигання Землі, при якому частина теплової енергії перетворюється на механічну роботу, і наша планета в певному сенсі є тепловим двигуном.

Щодо причини високої температури надр Землі існує кілька гіпотез. На початку XX століття була популярною гіпотеза радіоактивної природи цієї енергії. Здавалося, вона підтверджувалася оцінками складу верхньої кори, які показали дуже значні концентрації урану, калію та інших радіоактивних елементів, але згодом з'ясувалося, що з глибиною вміст радіоактивних елементів різко падає. Інша модель пояснює нагрівання хімічною диференціацією Землі. Спочатку планета була сумішшю силікатної та металевої речовин. Але водночас із заснуванням планети почалася її диференціація деякі оболонки. Більш щільна металева частина прямувала до центру планети, а силікати концентрувалися у верхніх оболонках. При цьому потенційна енергія системи зменшувалась і перетворювалася на теплову енергію. Інші дослідники вважають, що розігрів планети стався в результаті акреції при ударах метеоритів об поверхню небесного тіла, що зароджується.