Тектоника плит

Второстепенные  силы

Сила вязкого трения, возникающая  вследствие тепловой конвекции, играет определяющую роль в движениях плит, но кроме неё на плиты действуют  и другие, меньшие по величине, но также важные силы. Это - силы Архимеда, обеспечивающие плавание более легкой коры на поверхности более тяжелой мантии. Приливные силы, обусловленные гравитационным воздействием Луны и Солнца (различием их гравитационного воздействия на разноудаленные от них точки Земли). А также силы, возникающие вследствие изменения атмосферного давления на различные участки земной поверхности - силы атмосферного давления достаточно часто изменяются на 3%, что эквивалентно сплошному слою воды толщиной 0.3 м (или гранита толщиной не менее 10 см). Причем это изменение может происходить в зоне шириной в сотни километров, тогда как изменение приливных сил происходит более плавно - на расстояниях в тысячи километров.

3.2 Дивергентные  границы или границы раздвижения  плит.

Это границы между плитами, двигающимися в противоположные  стороны. В рельефе Земли эти  границы выражены рифтами, в них  преобладают деформации растяжения, мощность коры пониженная, тепловой поток  максимален, и происходит активный вулканизм. Если такая граница образуется на континенте, то формируется континентальный  рифт, который в дальнейшем может  превратиться в океанический бассейн  с океаническим рифтом в центре. В океанических рифтах в результате спрединга формируется новая  океаническая кора.

Океанические  рифты.

Схема строения срединно-океанического  хребта

На океанической коре рифты  приурочены к центральным частям срединно-океанических хребтов. В них  происходит образование новой океанической коры. Общая их протяжённость более 60 тысяч километров. К ним приурочено множество гидротермальных источников , которые выносят в океан значительную часть глубинного тепла, и растворённых элементов. Высокотемпературные источники  называются чёрными курильщиками , с ними связаны значительные запасы цветных металлов.

Континентальные рифты.

Раскол континента на части  начинается с образования рифта. Кора утончается и раздвигается, начинается магматизм. Формируется протяжённая  линейная впадина глубиной порядка  сотен метров, которая ограничена серией сбросов. После этого возможно два варианта развития событий: либо расширение рифта прекращается и он заполняется осадочными породами, превращаясь в авлакоген, либо континенты продолжают раздвигаться и между ними, уже в типично океанических рифтах, начинает формироваться океаническая кора.

3.3 Конвергентные  границы 

Конвергентными называются границы на которых происходит столкновение плит. Возможно три варианта: Континентальная  плита с океанической. Океаническая кора плотнее, чем континентальная  и погружается под континент в зоне субдукции. Океаническая плита с океанической. В таком случае одна из плит заползает под другую и также формируется зона субдукции, над которой образуется островная дуга. Континентальная плита с континентальной. Происходит коллизия, возникает мощная складчатая область. Классический пример – Гималаи. В редких случаях происходит надвигание океанической коры на континентальную - обдукция. Благодаря этому процессу возникли офиолиты Кипра, Новой Каледонии, Омана и другие. В зонах субдукции поглощается океаническая кора, и тем самым компенсируется её появление в СОХах. В них происходят исключительно сложные процессы, взаимодействия коры и мантии. Так океаническая кора может затягивать в мантию блоки континентальной коры, которые по причине низкой плотности эксгумируются обратно в кору. Так возникают метаморфические комплексы сверхвысоких давлений , один из популярнейших объектов современных геологических исследований. Большинство современных зон субдукции расположены по периферии Тихого океана, образуя тихоокеанское огненное кольцо . Процессы, идущие в зоне конвегенции плит, по праву считаются одними из самых сложных в геологии. В ней смешиваются блоки разного происхождения, образуя новую континентальную кору.

Активные континентальные  окраины 

Активная континентальная  окраина (Рис. 1 «Приложение 1»)

Активная континентальная  окраина возникает  там, где под континент погружается океаническая кора. Эталоном этой геодинамической обстановки считается западное побережье Южной Америки, её часто называют андийским типом континентальной окраины. Для активной континентальной окраины характерны многочисленные вулканы и вообще мощный магматизм. Расплавы имеют три компонента: океаническую кору, мантию над ней и низы континентальной коры. Под активной континентальной окраиной происходит активное механическое взаимодействие океанической и континентальной плит. В зависимости от скорости, возраста и мощности океанической коры возможны несколько сценариев равновесия. Если плита двигается медленно и имеет относительно малую мощность, то континент соскабливает с неё осадочный чехол. Осадочные породы сминаются в интенсивные складки, метаморфизуются и становятся частью континентальной коры. Образующая при этом структура называется аккреционным клином. Если скорость погружающейся плиты высока, а осадочный чехол тонок, то океаническая кора стирает низ континента и вовлекает его в мантию.

Островные дуги

Островная дуга (Рис. 2 «Приложение 1»)

Островные дуги - это цепочки вулканических остров над зоной субдукции, возникающие там, где океаническая плита погружается под океаническую. В качестве типичных современных островных дуг можно назвать Алеутские, Курильские, Марианские острова, и многие другие архипелаги. Японские острова также часто называют островной дугой, но их фундамент очень древний и на самом деле они образованы несколькими разновременными комплексами островных дуг, так что Японские острова являются микроконтинентом. Островные дуги образуются при столкновении двух океанических плит. При этом одна из плит оказывается снизу и поглощается в мантию. На верхней же плите образуются вулканы островной дуги. Выгнутая сторона островной дуги направлена в сторону поглощаемой плиты. С этой стороны находятся глубоководный желоб и преддуговый прогиб. За островной дугой расположен задуговый бассейн (типичные примеры: Охотское море, Южно-Китайское море и т.д.) в котором также может происходить спрединг.

Коллизия континентов 

Столкновение  континентов (Рис. 3 «Приложение 1»)

Столкновение континентальных  плит приводит к смятию коры и образованию  горных цепей. Примером коллизии является Альпийско-Гималайский горный пояс, образовавшийся в результате закрытия океана Тетис и столкновения с  Евразийской плитой Индостана и  Африки. В результате мощность коры значительно увеличивается, под  Гималаями она составляет 70 км. Это  неустойчивая структура, она интенсивно разрушается поверхностной и  тектонической эрозией. В коре с  резко увеличенной мощностью  идёт выплавка гранитов из метаморфизованных  осадочных и магматических пород. Так образовались крупнейшие батолиты, напр., Ангаро-Витимский и Зерендинский.

3.3 Трансформные  границы 

Там, где плиты двигаются  параллельным курсом, но с разной скоростью, возникают трансформные разломы - грандиозные сдвиговые нарушения, широко распространённые в океанах и редкие на континентах.

Трансформные  разломы 

В океанах трансформные разломы  идут перпендикулярно срединно-океаническим хребтам (СОХ) и разбивают их на сегменты шириной в среднем 400 км. Между  сегментами хребта находится активная часть трансформного разлома. На этом участке постоянно происходят землетрясения и горообразование, вокруг разлома формируются многочисленные оперяющие структуры - надвиги, складки и грабены. В результате, в зоне разлома нередко обнажаются мантийные породы. По обе стороны от сегментов СОХ находятся неактивные части трансформных разломов. Активных движений в них не происходит, но они чётко выражены в рельефе дна океанов линейными поднятиями с центральной депрессией. Трансформные разломы формируют закономерную сетку и, очевидно, возникают не случайно, а в силу объективных физических причин. Совокупность данных численного моделирования, теплофизических экспериментов и геофизических наблюдений позволила выяснить, что мантийная конвекция имеет трёхмерную структуру. Кроме основного течения от СОХ, в конвективной ячейке за счёт остывания верхней части потока, возникают продольные течения. Это остывшее вещество устремляется вниз вдоль основного направления течения мантии. В зонах этого второстепенного опускающегося потока и находятся трансформные разломы. Такая модель хорошо согласуется с данными о тепловом потоке: над трансформными разломами наблюдается его понижение.

Сдвиги на континентах 

Сдвиговые границы плит на континентах встречаются относительно редко. Пожалуй, единственным ныне активным примером границы такого типа является разлом Сан-Андреас, отделяющий Северо-Американскую плиту от Тихоокеанской . 800-мильный разлом Сан-Андреас - один из самых сейсмоактивных районов планеты: в год плиты смещаются относительно друг друга на 0,6 см, землетрясения с магнитудой более 6 единиц происходят в среднем раз в 22 года. Город Сан-Франциско и большая часть района бухты Сан-Франциско построены в непосредственной близости от этого разлома.

3.4 Внутриплитные  процессы 

Первые формулировки тектоники  плит утверждали, что вулканизм и  сейсмические явления сосредоточены  по границам плит, но вскоре стало ясно, что и внутри плит идут специфические  тектонические и магматические  процессы, которые также были интерпретированы в рамках этой теории. Среди внутриплитных  процессов особое место заняли явления  долговременного базальтового магматизма в некоторых районах, так называемые горячие точки.

Горячие точки 

На дне океанов расположены  многочисленные вулканические острова. Некоторые из них расположены  в цепочках с последовательно  изменяющимся возрастом. Классическим примером такой подводной гряды  стал Гавайский подводный хребет. Он поднимается над поверхностью океана в виде Гавайских островов, от которых на северо-запад идёт цепочка подводных гор с непрерывно увеличивающимся возрастом, некоторые  из которых, напр., атолл Мидуэй, выходят  на поверхность. На расстоянии порядка 3000 км от Гавайев цепь немного поворачивает на север, и называется уже Императорским  хребтом. Он прерывается в глубоководном  желобе перед Алеутской островной  дугой. Для объяснения этой удивительной структуры было сделано предположение, что под Гавайскими островами находится горячая точка - место, где к поверхности поднимается горячий мантийный поток, который проплавляет двигающуюся над ним океаническую кору. Таких точек сейчас на Земле установлено множество. Мантийный поток, который их вызывает, был назван плюмом. В некоторых случаях предполагается исключительно глубокое происхождение вещества плюмов, вплоть до границы ядро - мантия.

Траппы и океанические плато 

Кроме долговременных горячих  точек, внутри плит иногда происходят грандиозные излияния расплавов, которые  на континентах формируют траппы, а в океанах океанические плато. Особенность этого типа магматизма в том, что он происходит за короткое в геологическом смысле время  порядка нескольких миллионов лет, но захватывает огромные площади (десятки тысяч км) и изливается колоссальный объём базальтов, сравнимый с их количеством, кристаллизующимся в срединно-океанических хребтах. Известны сибирские траппы на Восточно-Сибирской платформе, траппы плоскогорья Декан на Индостанском континенте и многие другие. Причиной образования траппов также считаются горячие мантийные потоки, но в отличие от горячих точек они действуют кратковременно, и разница между ними не совсем ясна. Горячие точки и траппы дали основания для создания так называемой плюмовой геотектоники, которая утверждает, что значительную роль в геодинамических процессах играет не только регулярная конвекция, но и плюмы. Плюмовая тектоника не противоречит тектонике плит, а дополняет её.

4 Тектоника плит  как система наук

4.1 Карта тектонических  плит 

Сейчас тектонику уже  нельзя рассматривать как чисто  геологическую концепцию. Она играет ключевую роль во всех науках о Земле, в ней выделилось несколько методических подходов с разными базовыми понятиями  и принципами. С точки зрения кинематического  подхода, движения плит можно описать  геометрическими законами перемещения  фигур на сфере. Земля рассматривается  как мозаика плит разного размера, перемещающихся относительно друг друга  и самой планеты. Палеомагнитные данные позволяют восстановить положение  магнитного полюса относительно каждой плиты на разные моменты времени. Обобщение данных по разным плитам привело к реконструкции всей последовательности относительных  перемещений плит. Объединения этих данных с информацией, полученной из неподвижных горячих точек, сделало  возможным определить абсолютные перемещения  плит и историю движения магнитных  полюсов Земли. Теплофизический  подход рассматривает Землю как  тепловую машину , в которой тепловая энергия частично превращается в  механическую. В рамках этого подхода  движение вещества во внутренних слоях  Земли моделируется как поток  вязкой жидкости, описываемый уравнениями Навье - Стокса. Мантийная конвекция сопровождается фазовыми переходами и химическими реакциями, которые играют определяющую роль в структуре мантийных течений. Основываясь на данных геофизического зондирования, результатах теплофизических экспериментов и аналитических и численных расчётах, учёные пытаются детализировать структуру мантийной конвекции, найти скорости потоков и другие важные характеристики глубинных процессов. Особенно важны эти данные для понимания строения самых глубоких частей Земли - нижней мантии и ядра, которые недоступны для непосредственного изучения, но, несомненно, оказывают огромное влияние на процессы, идущие на поверхности планеты.

Геохимический подход. Для  геохимии тектоника плит важна как  механизм непрерывного обмена веществом  и энергией между различными оболочками Земли. Для каждой геодинамической  обстановки характерны специфические  ассоциации горных пород. В свою очередь, по этим характерным особенностям можно  определить геодинамическую обстановку, в которой образовалась порода.

Исторический подход. В  смысле истории планеты Земля, тектоника плит - это история соединяющихся и раскалывающихся континентов, рождения и угасания вулканических цепей, появления и закрытия океанов и морей. Сейчас для крупных блоков коры история перемещений установлена с большой детальностью и за значительный промежуток времени, но для небольших плит методические трудности много большие. Самые сложные геодинамические процессы происходят в зонах столкновения плит, где образуются горные цепи, сложенные множеством мелких разнородных блоков - террейнов. При изучении Скалистых гор зародилось особое направление геологических исследований - террейновый анализ, который вобрал в себя комплекс методов, по выделению террейнов и реконструкции их истории.