2014-04-28

Тектоніка, рух континентів, рух земної поверхні

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Рух континентів

Близько сорока років тому розгорілася суперечка між геологами, представниками двох наукових шкіл. Перші стверджували, що континенти на Землі перебувають у безперервному русі, "плаваючи" по її поверхні, і приводили ряд переконливих фактів, що свідчать на користь цієї гіпотези. Другі відкидали будь-яку можливість великих горизонтальних переміщень континентів, вважаючи, що відносні зміщення окремих частин земної поверхні відбуваються за рахунок тільки вертикальних рухів, і теж приводили переконливі аргументи на користь своєї гіпотези. Перші належали до школи "мобілістів", прихильників дрейфу континентів, другі - "фіксистів", прихильників вертикальних рухів поверхні Землі. У цій суперечці переможцями стали "мобілісти". На їхньому боці виявилася велика кількість даних, отриманих в результаті геофізичних спостережень в останні десятиліття. Однак і вони не змогли створити до кінця стрункої теорії руху континентів та еволюції Землі. Кілька років тому за допомогою сейсмічного просвічування нашої планети вдалося встановити, що густина надр Землі дуже неоднорідна. Відразу ж з'явилася нова теорія, яка намагається зв'язати ці неоднорідності з рухами континентів. Але і ця теорія не здатна була відповісти на низку важливих наукових питань, серед яких принциповими були наступні: чи впливають континенти на процеси всередині планети? яка роль вертикальних рухів усередині континентів? У статті викладаються погляди на сучасний стан науки про динаміку Землі і даються відповіді на ці та інші питання.

Дрейф континентів

Гіпотеза континентального дрейфу стверджує, що відносне положення континентів змінювалося протягом історії Землі. Уважно розглянувши обриси берегових ліній західного узбережжя Африки і східного узбережжя Південної Америки, мимоволі здивуєшся їх приголомшливій подібності. Ще в 1620 р. великий англієць Френсіс Бекон пояснював цей збіг можливим зв'язком двох континентів у далекому минулому. У 1912 р. А. Вегенер найбільш повно виклав гіпотезу континентального дрейфу в своїй книзі "Походження океанів і континентів". Будучи метеорологом, він особливо зацікавився тим, що в певні минулі епохи заледенінням були охоплені екваторіальні області, в той час як у високих широтах переважали тропічні умови. Саме по собі це спостереження можна було б пояснити зрушенням напрямку осі обертання планети, що відбувається без будь-яких переміщень в її поверхневих оболонках. Однак Вегенер висунув безліч якісних аргументів на користь того, що в минулому континенти примикали один до одного. Крім схожості берегових обрисів він виявив відповідність геологічних структур, безперервність реліктових гірських хребтів і тотожність викопних залишків на різних континентах. Вегенер відстоював ідею про існування єдиного суперконтиненту Пангея, його розкол і наступний дрейф утворених континентів у різні сторони. Пізніше О. Дю Тойт (1937) відкинув ідею єдиного суперконтиненту, припускаючи, що спочатку існували північний континент Лавразія, південний Гондвана і їх розділяв океан Тетіс. Відповідно до П. Хоффмана (1991), за всю історію Землі континенти принаймні п'ять разів об'єднувалися в суперконтинент, утворюючи по черзі Лаурентію (1,9 мільярда років тому), безіменний (1,5 мільярда років тому), Родні (1 мільярд років тому), Гондвану (650 мільйонів років тому) і Панг (250 мільйонів років тому).

Інтенсивні дослідження океанічного дна, що проводилися в середині нашого століття, привели до відкриття глобальної системи підводних гір, так званих серединно-океанічних хребтів. Одночасно була висунута важлива гіпотеза, що в області осей океанічних хребтів постійно відбувається формування нових ділянок океанічного дна, що розходяться в сторони від хребта. Дією цього процесу можна пояснити подібність обрисів континентальних околиць. Дійсно, можна припускати, що між частинами континенту, що розколовся континенту, утворюється новий океанічний хребет, а океанічне дно, нарощується симетрично в обидва боки від нього, формуючи новий океан. Швидше за все, таким чином виник Атлантичний океан, посеред якого тепер розташований серединно-атлантичний хребет, що розсікає його на дві частини.

Концепція континентального дрейфу завоювала загальне визнання дослідників Землі лише в період між 1967 і 1970 роками. До цього вивчення твердої Землі велося в основному на континентах, де яскраво проявляються вертикальні рухи земної кори. Хоча на підтримку нової концепції висувалися переконливі аргументи, майже всі геофізики виступали проти неї. Їх заперечення ґрунтувалися, в більшій частині, на уявленнях про жорстку мантію Землі - частини земних надр між корою і ядром, і відсутності ефективного механізму руху континентів.

Дійсно, було відомо, що через мантію можуть поширюватися поперечні сейсмічні хвилі, і це свідчило про її твердий стан. Тому виникало дуже важливе питання, яким чином тверда речовина мантії може допускати горизонтальне переміщення континентів на багато сотень і тисячі кілометрів. З іншого боку, вже в кінці минулого століття на основі вимірів сили тяжіння було висловлено міркування, що мантія веде себе подібно до рідини. Під гірськими масивами, наприклад, розташовуються легкі породи. Дефіцит маси "гірського коріння", яке лежить під гірськими масивами порід, приблизно дорівнює надлишку мас виступаючих вгору гір. Це можна пояснити, виходячи з принципу гідростатичної рівноваги, якщо допустити, що мантія веде себе як рідина, на якій гірські масиви плавають подібно до крижинок на воді.

Як показали дослідження висот прибережних терас в Скандинавії, земна поверхня там все ще продовжує "спливати" після танення потужних шарів льоду, намерзлих під час останнього льодовикового періоду. Виходячи зі швидкості цього процесу, було встановлено, що коефіцієнт в'язкості матеріалу мантії складає приблизно 1020 Па?с (за сучасними даними, 1021 Па?с). Оскільки це значення надзвичайно велике (коефіцієнт в'язкості води дорівнює 10-3 Па?с), воно не нескінченне, а отже, в геологічних масштабах часу, протягом багатьох мільйонів років, можна вважати, що мантія веде себе як рідина.

Пізніше було встановлено, що при температурах, рівних помітній частині температури плавлення, активізуються так звані процеси повзучості, що дозволяють мантійним породам перетікати за час порядку 10 тисяч років. Жорстка літосфера - кора і верхня частина мантії - складається з порід, температура яких досить низька, через що вони не можуть відчувати течій навіть за настільки тривалі проміжки часу.

Щоб континенти могли рухатися, на них повинні діяти сили. А. Вегенер припускав, що рухи в Землі, які відповідальні за континентальний дрейф, викликаються або приливними силами, або силами, пов'язаними з обертанням Землі. Проте пізніше англійський геофізик сер Г. Джеффріс показав, що ці сили виявляються недостатніми, і описав отримані результати у своїй книзі "Земля: її походження, історія і будова". Для приведення в рух континентів необхідно знайти якийсь інший механізм. Він має володіти запасом енергії, достатнім принаймні для того, щоб покривати витрату енергії, яка безперервно втрачається при землетрусах, вулканічних виверженнях і горотворенні. В якості такого гіпотетичного механізму була запропонована теплова конвекція - вертикальні потоки рідкої речовини мантії. Конвекція може виникнути в рідині, що перебуває в полі сили тяжіння, якщо рідина нагрівається знизу або зсередини і охолоджується зверху. У результаті більш холодні породи занурюються в глиб мантії, а нагріті піднімаються до поверхні Землі. Згідно з однією з концепцій, нагрів мантії відбувається за рахунок радіоактивного розпаду ізотопів урану 235U та 238U, 232Th торію та калію 40K.

У 60-х роках концепцію континентального дрейфу додатково підтвердили результати палеомагнітних досліджень. Під дією зовнішнього магнітного поля Землі породи в момент свого утворення набувають намагніченості, яка зберігається і надалі. Дослідження її орієнтації дозволяють визначити, як переміщалися породи щодо магнітних полюсів Землі за час, який минув з моменту їх утворення. Зразки порід з різних частин одного і того ж континенту, що не зазнали локальних деформацій, вказують приблизно один і той же напрямок на магнітні полюси Землі. Проте породи Північної Америки і Європи дають різні положення магнітних полюсів. Звідси був зроблений висновок, що ця відмінність виникла в результаті відносного дрейфу двох континентів. Зіставлення розташування кордонів між областями з підвищеним і зниженим значеннями напруженості магнітного поля в порівнянні з його середнім значенням і оцінка часу, за який напрямок геомагнітного поля змінився на протилежний, дозволило кількісно визначити швидкість розсування океанічного дна.

Отже, до кінця 60-х років в основному склався теоретичний фундамент для розуміння явищ і процесів, пов'язаних з континентальним дрейфом. Останньою і найважливішою гіпотезою, висунутою американцем Дж. Морганом і французом Кс. Ле Пішон, була концепція мозаїчної структури поверхневої оболонки Землі, розбитої на жорсткі плити, що приводяться в рух мантійною конвекцією. Дрейф континентів став складовою частиною так званої тектоніки плит (від латинського tectonicus, що означає науку про форму, орнамент і складання при конструюванні). Тепер він пояснюється рухом плит, на яких лежать континенти.

Тектоніка плит

Відповідно до теорії тектоніки плит, зовнішня оболонка Землі розділена на ряд жорстких плит, які рухаються одна відносно іншої. Швидкості їх відносного руху за порядком величини складають декілька сантиметрів на рік. Хоча ці швидкості представляються незначними, виявляється, що більшу частину всіх землетрусів, вулканічних вивержень і процесів утворення гір можна віднести на рахунок взаємодії між сусідніми літосферними плитами на їхніх кордонах.

Плити складені з відносно холодних порід і мають товщину близько 100 кілометрів. Вони безперервно створюються і поглинаються. Поблизу серединно-океанічних хребтів, де плити розходяться в протипожежні боки, йде процес розсування океанічного дна (спредінгу). У проміжках між ними знизу піднімаються гарячі мантійні породи, які охолоджуються, стають жорсткими і формують нові ділянки плит. З цієї причини серединно-океанічні хребти називають також кордонами нарощування плит.

Площа поверхні Землі залишається практично постійною, тому поряд зі створенням плит повинні відбуватися і процеси їх знищення. Вони відбуваються в районі так званих океанічних жолобів. Тут дві суміжні плити сходяться, і одна з них іде під іншу, опускаючись в глиб Землі. Цей процес називається субдукцією. Тому океанічні жолоби називають також кордонами знищення плит. Літосфера складена з холодних і жорстких порід, завдяки чому плити можуть рухатися по земній поверхні. Тверді породи мантії, що перебувають під літосферою, сильно нагріті і тому можуть легко деформуватися. Вони утворюють так звану астеносферу, якою літосферні плити ковзають, зустрічаючи відносно малий опір. Рухаючись від зони нарощування до зони знищення, плити охолоджуються і товщають. Саме тут, між плитою, що занурюється, і прилеглою до неї зверху літосферними плитами, розташовуються головні розломи земної поверхні. В області цих розломів, в холодних крихких породах плит, чужорідних для гарячої навколишньої речовини мантії, відбувається найбільша кількість найсильніших землетрусів планети.

Вздовж майже всіх океанічних жолобів тягнеться ланцюг діючих вулканів; літосферний блок опускається під них на глибину близько 150 кілометрів. Там його породи плавляться, і розплав, легший, ніж його оточення, піднімається і лавою виливається на поверхню. Якщо ланцюг вулканів лежить на дні океану, утворюється острівна дуга, типовим прикладом якої можуть служити Алеутські острови в північній частині Тихого океану. Якщо ж океанічний жолоб проходить поблизу континенту, вулкани виникають на поверхні суші.

Таким чином, теорія тектоніки плит принесла нове уявлення про зовнішню оболонку Землі як про систему жорстких структур, що рухаються одна відносно іншої. Але вона не зачіпає процесів в глибоких надрах Землі і практично ігнорує роль чисто вертикальних рухів в еволюції земної поверхні. Не дає вона відповіді і на низку принципових питань, наприклад чому після свого формування суперконтинент розколюється на частини, які, обертаючись, розходяться в різні боки?

До початку 90-х років стало ясно, що потрібна нова теорія, яка узагальнює тектоніку плит і дає пояснення як про внутрішню будову Землі, так і процесів, що відбуваються в її надрах.

Тектоніка плюмів

Протягом двох десятиліть в геофізиці широко обговорюється питання: чи охоплює конвекція всю мантію, чи мантійний матеріал циркулює у верхньому і нижньому її шарах роздільно, ніколи не змішуючись? Більшість дослідників вважають, що мантія товщиною близько 2900 км розділена на два шари кордоном на глибині 660 км, де мантійний матеріал піддається фазовим змінам. Але в той же час вони сперечаються, чи служить ця межа бар'єром для загальномантійної конвекції. Геохіміки вважають, що верхня і нижня частини мантії відрізняються за своїм хімічним складом. Якщо це так, то обидві частини повинні мати ізольовані конвективні комірки, і матеріал літосферної плити, що занурюється, залишається у верхній мантії. З іншого боку, ряд геофізиків, в основному сейсмологів, вважають, що конвекція пронизує всю мантію. Їхня впевненість заснована на сейсмічних даних, які показують що літосферна плита занурюється в глиб мантії, досягаючи межі ядра.

Глобальні сейсмічні дослідження починаються з вивчення часу приходу пружних сейсмічних хвиль, які поширюються від вогнища землетрусів і пронизують всю Землю за різними напрямами. Знаючи час приходу хвилі і шлях, пройдений нею, сейсмологи визначають швидкість хвилі в кожній "точці" мантії (під "точкою" розуміється тривимірний блок зі сторонами 100-200 км). Цей метод, відомий як глобальна сейсмічна томографія, схожий на комп'ютерну томографію, яка використовується в медицині, де рентгенівські промені, що просвічують, скажімо, голову людини, малюють картину його мозку.

Японський геофізик Ш. Маруяма в 1994 році запропонував теоретичне пояснення сейсмічним спостереженням, назвавши свою гіпотезу тектонікою плюмів. Він вважає, що літосферні плити, занурюючись у глиб Землі, застряють на кордоні між верхньою і нижньою мантією. Холодний матеріал плит накопичується тут сотні мільйонів років, поки не прорве кордон. Занурюючись до кордону ядра, він охолоджує залізо-нікелевий розплав, який опускається в зовнішнє рідке ядро Землі. Витиснений ним наверх гарячий суперплюм викликає континентальний розкол і дрейф новоутворених континентів. Після цього тектоніка плит стає незалежною від тектоніки плюмів ще на кілька сотень мільйонів років, коли процес повториться. Маруяма вважає, що холодні плюми утворюються в нижній мантії досить випадково, на ранній стадії континентального дрейфу після розколу суперконтиненту.

Тектоніка плит описує процеси, що відбуваються на глибинах до 1/10 радіусу Землі, в той час як тектоніка плюмів охоплює всю мантію, пояснюючи її конвекцію, виникнення і розкол континентів, конвективні течії в зовнішньому ядрі. Тектоніка плит, таким чином, стає частиною тектоніки плюмів.

Однак і ця нова теорія (радше гіпотеза), намалювавши цікаву картину можливого розвитку процесів усередині мантії, не дала відповідей на питання про те, як суперплюми реально узгоджені з горизонтальними рухами континентів або чому суперконтинент, що утворився над низхідним потоком, розколюється.

Основний недолік і тектоніки плит, що приводяться в рух мантійної конвекцією, і тектоніки плюмів, відповідальних за рух в мантії, полягає в тому, що обидві теорії не брали до уваги вплив рухомих континентів на мантійні процеси. А роль їх у динаміці Землі несподівано виявилася дуже великою.

Роль континентів в динаміці Землі

Довгий час була поширеною думка, що рух плит визначається головним чином тепловою конвекцією в мантії. При цьому вважалося, що континенти пасивно дрейфують під дією в'язких течій і їх зворотний вплив на конвекцію мантії не суттєвий. Однак, як вперше встановлено американським геофізиком М. Гурнісом, континенти можуть істотно впливати на структуру мантійної конвекції. Проведений ним чисельний експеримент показав, що континенти з'єднуються в місцях низхідного потоку речовини. Потужна континентальна плита перекриває потік тепла з мантії, її температура зростає, під плитою виникає висхідний потік, і континенти розходяться в різні боки. Ця модель, будучи двовимірною, не могла показати всієї складної картини руху континентів.

І тоді російські вчені В. Трубіцин і В. Риков зробили спробу створити тривимірні чисельні моделі мантійної конвекції з плаваючими континентами. Ця спроба виявилася успішною. У якості моделі Землі була прийнята коробка з в'язкої рідини, що нагрівається знизу і зсередини. У такій коробці при достатньому перепаді температури між дном і поверхнею виникає теплова конвекція, при якій гаряча речовина спрямовується вгору, а холодна занурюється на дно. Виникають так звані осередки Бенара. На поверхню коробки накладалися контури континентів. Математично завдання зводилось до спільного рішення рівнянь збереження імпульсу, енергії та маси, а також рівнянь руху твердого тіла, що описують рух континентів. Моделювання показало, що континенти в рухаються в напрямку низхідного потоку, стягуючись один до одного. Зібрані разом над низхідним потоком речовини континенти починають грати роль кришки, не випускаючи тепло на поверхню. Спочатку холодна речовина, що виходить, починає нагріватися, стає легшою і приблизно через 100-200 мільйонів років на цьому місці утворюється висхідний мантійний потік, який і приводить до розколу "суперконтинент". Таким чином, континенти змінюють існуючу систему конвективних рухів і впливають на потоки речовини аж до самого ядра. Утворені "осколки" розходяться в сторони, щоб знову зібратися через сотні мільйонів років над іншим низхідним потоком. Хоча модель не враховувала сферичності Землі, що істотно при моделюванні континентального дрейфу, вона виявила багато прикладів, які спостерігаються в природі.

Чисельні експерименти, без яких сьогодні практично неможливо описати перебіг складних внутрімантійних процесів, продемонстрували весь цикл дрейфу континентів від їх зближення і об'єднання в єдиний "суперконтинент" до його розпаду і розсування континентів. І всьому виною виявилися самі континенти: саме вони перебудували структуру мантійних течій. Так за допомогою чисельного моделювання вдалося зрозуміти механізм формування спостережуваних структур земної поверхні.

Вертикальні рухи всередині континентів

Висхідні потоки речовини мантії сильно розтягують континентальну літосферу, але інколи не в змозі розірвати її. У цьому випадку над висхідним мантійним плюмом утворюються западини, які з часом заповнюються осадовими породами і утворюють так звані осадові басейни - області, де розташовуються родовища корисних копалин, зокрема нафти і газу.

Найбільш популярна модель утворення западин на поверхні континентів, запропонована в 1978 році англійським геофізиком Д. Маккензі, передбачає наявність двох головних фаз процесу. Перша фаза - швидке розтягування літосфери, що приводить до підйому її температури, витончення літосфери і прогинання її поверхні. Під час другої фази відбувається повільне охолодження тонкої ділянки літосфери, ущільнення речовини і її занурення. Однак ця модель не завжди могла пояснити спостережувані явища: характер занурення континентальної поверхні, прогнозований моделлю, часто не збігався з реальністю. Потрібна була нова концепція, яка могла б краще описувати реальні осадові басейни і відповідати геофізичним спостереженням.

Регіональна сейсмічна томографія все частіше і частіше виявляє позитивні аномалії швидкостей поперечних хвиль на глибинах 70 - 100 кілометрів безпосередньо під осадовими басейнами. Є там і області підвищеної сили тяжіння. Ці спостереження свідчать, що у верхніх шарах мантії є щільна речовина. Але яким чином вона там утворилася? У результаті розтягування континентальної літосфери, викликаного висхідним плюмом, у верхніх частинах мантії виникають досить великі лінзи базальтових порід густиною 3000 кг/м3. При подальшому охолодженні ці лінзи піддаються фазовому переходу, перетворюючись на еклогіти - породи з аномально високою густиною 3500 кг/м3. Важкі породи занурюються в оточуючу їх більш легку мантію, викликаючи прогини земної поверхні.

Ця проста модель змогла пояснити аномалії сейсмічних хвиль та гравітаційного поля, а також механізм занурення реальних земних структур. Вона об'єднала в собі горизонтальні рухи з вертикальними і вказала на важливість тих і інших. Так відбувається нарощування літосферної плити в області океанічного хребта і її занурення поблизу океанічного жолоба.

За матеріалами nkj.ru.

Коментарі:

blog comments powered by Disqus