Основные положения глобальной тектоники

Существует  три основных типа относительных  перемещений  плит расхождение (дивергенция), выраженное рифтингом и спредингом; схождение (конвергенция) выраженное субдукцией и коллизией; сдвиговые перемещения по трансформным разломам. Спрединг  в океанах компенсируется субдукцией и коллизией по их периферии, причём радиус и объём Земли постоянны с точностью до термического сжатия планеты (в любом случае средняя температура недр Земли медленно, в течение миллиардов лет, уменьшается). Постоянство размеров Земли непрерывно опровергается, но попытки доказательства существенных изменений размеров планеты недостаточно обоснованы.

Перемещение литосферных плит вызвано их увлечением конвективными течениями в астеносфере.

Существует  два принципиально  разных вида земной коры – кора континентальная (более древняя) и кора океаническая (не старше 200 миллионов лет). Некоторые литосферные  плиты сложены исключительно океанической корой (пример – крупнейшая тихоокеанская плита), другие состоят из блока континентальной коры, впаянного в кору океаническую.

Более 90 % поверхности Земли  покрыто 8 крупнейшими  литосферными плитами:

• Австралийская плита;
• Антарктическая плита;
• Африканская плита;
• Евразийская плита;
• Индостанская плита;
• Тихоокеанская плита;
• Северо-Американская плита;
• Южно-Американская плита.

Среди плит среднего размера  можно выделить Аравийский субконтинент, и плиты  Кокос и Хуан де Фука, остатки  огромной плиты Фаралон, слагавшей значительную часть дна Тихого океана, но ныне исчезнувшую в зоне субдукции  под Северной и Южной Америками.

Сейчас  уже нет сомнений, что горизонтальное движение плит происходит за счёт мантийных  теплогравитационных течений – конвекции. Источником энергии для этих течений служит разность температуры центральных областей Земли, которые имеют очень высокую температуру (по оценкам, температура ядра составляет порядка 5000 °С) и температуры на ее поверхности. Нагретые в центральных зонах Земли породы расширяются (см. термическое расширение), плотность их уменьшается, и они всплывают, уступая место опускающимся более холодными и потому более тяжелым массам, уже отдавшим часть тепла земной коре. Этот процесс переноса тепла (следствие всплывания легких – горячих масс и погружения тяжелых - более холодных масс) идет непрерывно, в результате чего возникают конвективные потоки. Эти потоки – течения замыкаются сами на себя и образуют устойчивые конвективные ячейки, согласующиеся по направлениям потоков с соседними ячейками. При этом в верхней части ячейки течение вещества происходит почти в горизонтальной плоскости, и именно эта часть течения увлекает плиты в горизонтальном же направлении с огромной силой за счет огромной вязкости мантийного вещества. Если бы мантия была совершенно жидкой – вязкость пластичной мантии под корой была бы малой (скажем, как у воды или около того), то через слой такого вещества с малой вязкостью не могли бы проходить поперечные сейсмические волны.

А земная кора увлекалась бы потоком  такого вещества со сравнительно малой  силой. Но, благодаря высокому давлению, при относительно низких температурах, господствующих на поверхности  Мохо и ниже, вязкость мантийного вещества здесь очень велика (так что в масштабе лет вещество манетии  Земли жидкое (текучее), а в масштабе секунд – твердое). Движущей силой течения вязкого мантийного вещества непосредственно под корой является перепад высот свободной поверхности мантии между областью подъема и областью опускания конвекционного потока. Этот перепад высот, можно сказать, величина отклонения от изостазии, образуется из-за разной плотности чуть более горячего (в восходящей части) и чуть более холодного вещества, поскольку вес более и менее горячего столбов в равновесии одинаков (при разной плотности!). На самом же деле, положение свободной поверхности не может быть измерено, оно может быть только вычислено (высота поверхности Мохо + высота столба мантийного вещества, по весу эквивалентного слою более легкой коры над поверхностью Мохо).

Эта же движущая сила (перепада высот) определяет степень упругого горизонтального  сжатия коры силой  вязкого трения потока о земную кору. Величина этого  сжатия мала в области  восхождения  мантийного потока и  увеличивается  по мере приближения  к месту опускания  потока (за счет передачи напряжения сжатия через  неподвижную твердую кору по направлению  от места подъема к месту спуска потока). Над опускающимся потоком  сила сжатия в коре так велика, что  время от времени превышается  прочность коры (в области наименьшей прочности и наибольшего напряжения), происходит неупругая (пластическая, хрупкая) деформация коры – землетрясение. При этом из места деформации коры выдавливаются целые горные цепи, например, Гималаи (за много шагов).

При пластичекой (хрупкой) деформации очень быстро (в темпе смещения коры при землетрясении) уменьшается и напряжение в ней – сила сжатия в очаге землетрясения и его окрестностях. Но сразу же по окончании неупругой деформации продолжается прерванное землетрясением очень медленное нарастание напряжения (упругой деформации) за счет очень медленного же движения вязкого мантийного потока, начиная цикл подготовки следующего землетрясения.

Таким образом, движение плит – следствие переноса тепла из центральных зон Земли очень вязкой магмой. При этом часть тепловой энергии превращается в механическую работу по преодолению сил трения, а часть, пройдя через земную кору, излучается в окружающее пространство. Так что наша планета в некотором смысле представляет собой тепловой двигатель. Относительно  причины высокой температуры недр Земли существует несколько гипотез. В начале XX века была популярна гипотеза радиоактивной природы этой энергии.

Казалось, она подтверждалась оценками состава  верхней коры, которые показали весьма значительные концентрации урана, калия  и других радиоактивных элементов, но впоследствии выяснилось, что содержания радиоактивных  элементов в породах  земной коры совершенно недостаточно для обеспечения  наблюдаемого потока глубинного тепла.

 А содержание радиоактивных  элементов  в подкорковом веществе (по составу  близком к базальтам  океанического  дна), можно сказать,  ничтожно. Однако это не исключает  достаточно высокого содержания  тяжелых радиоактивных элементов,  генерирующих тепло, в центральных  зонах планеты. 

 Другая  модель объясняет  нагрев химической дифференциацией  Земли. Первоначально планета была смесью силикатного и металлического веществ. Но одновременно с образованием планеты началась её дифференциация на отдельные оболочки. Более плотная металлическая  часть устремилась к центру планеты, а силикаты концентрировались в  верхних оболочках. При этом потенциальная  энергия системы уменьшалась  и превращалась в тепловую энергию.

Другие  исследователи  полагают, что разогрев планеты произошёл  в результате аккреции при ударах метеоритов о поверхность зарождающегося небесного тела. Это вряд ли – при аккреции тепло выделялось практически на поверхности, откуда оно легко уходило в космос, а не в центральные области Земли.

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.

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.

Восстановление  прошлых  перемещений плит – один из основных предметов геологических исследований. С различной степенью детальности положение континентов и блоков, из которых они сформировались, реконструировано вплоть до архея.

Из  анализа перемещений  континентов  было сделано эмпирическое наблюдение, что континенты каждые 400-600 млн. лет собираются в огромный материк, содержащий в себе почти всю континентальную кору – суперконтинент. Современные континенты образовались 200-150 млн. лет назад, в результате раскола суперконтинента Пангеи. Сейчас континенты находятся на этапе почти максимального разъединения. Атлантический океан расширяется, а Тихий океан закрывается. Индостан движется на север и сминает Евразийскую плиту, но, видимо, ресурс этого движения уже почти исчерпан, и в скором геологическом времени в Индийском океане возникнет новая зона субдукции, в которой океаническая кора Индийского океана будет поглощаться под Индийский континент. 

Заключение

      Тектоника плит – современная геологическая теория о движении литосферы. Она утверждает, что земная кора состоит из относительно целостных блоков – плит, которые находятся в постоянном движении друг относительно друга. При этом в зонах расширения (срединно-океанических хребтах и континентальных рифтах) в результате спрединга образуется новая океаническая кора, а старая поглощается в зонах субдукции. Теория объясняет землетрясения, вулканическую деятельность и горообразование, большая часть которых приурочена к границам плит.

Плиты перемещаются относительно друг друга с разными скоростями, от нескольких сантиметров до 20 см в  год и больше. Одни плиты двигаются  навстречу друг другу и иногда перекрываются, другие расходятся в  стороны, третьи скользят вдоль границ в противоположных направлениях. Близ срединно-океанических хребтов  литосферные плиты наращиваются за счет вещества, поднимающегося из недр, и раздвигаются. Такой процесс называется спредингом. В глубоководных желобах одна плита подвигается под другую и поглощается мантией. Такой процесс называется субдукция.

Исследования показали, что  в срединно-океаническом хребте, находящимся  на дне Атлантического океана, идет процесс образования новой океанической коры. Таким образом, дно Атлантики  равномерно расширяется. В других частях земного шара происходит обратный процесс. Так, например, в северо-западной части  Тихого океана океаническая кора пододвигается  под материк Евразия и погружается  в мантию Земли. В результате общая  площадь поверхности Земли не изменяется, поскольку расширение дна  в Атлантике, которое идет со скоростью  около двух сантиметров в год, уравновешивается сокращением Тихого океана.