ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.09.2020
Просмотров: 3865
Скачиваний: 5
В 1910 г. американский ученый И.Ф. Тейлор. Высказал идею, что причиной образования Альпийско-Гималайского складчатого пояса является столкновение континентов (рис. 3.24). Он считал, что передние края движущихся материков испытывали на своем пути сопротивление пород базальтового слоя. Вследствие этого они смыкались в складки. Так, вдоль переднего края Северной и Южной Америки образовалась система Кордильер и Анд. Вследствие надвигания Индостана на Азию возникли Гималаи. При движении Австралии на восток на ее переднем крае сформировались Ново-Гвинейские горы.
|
Рис. 3.24 Совмещение континентальных единиц, разобщённых при раскрытии Атлантического океана в позднем мезозое-кайнозое (по Э.Буларду и др., 1965) |
Наиболее полно развил гипотезу дрейфа материков в 1912 г. немецкий геофизик Альфред Вегенер. Опираясь на сумму геологических и палеогеографических данных А. Вегенер обратил внимание на то, что на гипсографической кривой земного шара поверхность континентов и океанического дна представляется в качестве различных ступеней в рельефе Земли (рис. 3.25) Это привело его к выводу об отсутствии гранитного слоя в составе океанической коры. Породы гранитного слоя имеют меньший удельный вес, чем породы базальтового слоя. Поэтому А. Вегенер, опираясь на гипотезу изостазии, предположил, что континенты, сложенные более легким гранитным материалом, плавают, словно айсберги, на подстилающих их более тяжелых породах базальтового слоя.
|
|
Рис. 3.25 Гипсографическая кривая земного шара
Рис. 3.26 Движение материков по гипотезе Вегенера: а – положение 300 млн. лет назад, б – положение 80 млн. лет назад, в – положение 1 млн. лет назад.
|
|
Согласно представлениям А. Вегенера вся поверхность Земли первоначально была покрыта сплошным тонким гранитным слоем. В палеозойскую эру весь гранитный материал собрался в один блок – образовался единый материк Пангея (греч. «пан» - единый, «ге» - земля), возвышавшийся над уровнем окружавшего его океана. На Пангею действуют приливные силы Луны и Солнца с востока на запад, центробежные силы – направлены от полюсов к экватору. В мезозое Пангея раскалывается на крупные глыбы – континенты, которые под действием этих сил стали отплывать друг от друга в широтном направлении. В промежутках между ними возникли Атлантический и Индийский океан, а Тихий океан рассматривается как остаток первичного океана (рис. 3.26).
Гипотеза А. Вегенера имела много противников и в 1930-е годы была предана забвению, так как ее считали слабообоснованной.
Фиксистские представления о развитии земно коры были естественны в те времена, когда данные наблюдений о структуре земной коры были известны и касались в основном континентов, а сведения об океаническом дне были скудны. Появление мобилистской концепции дрейфа континентов не смогли поколебать главенствующее положение учения о геосинклиналях (тектонически активных, складчатых поясах разделяющих платформенные области), как глобальной концепции в геотектонике, поскольку не авала приемлемого механизма дрейфа континентов. И лишь исследования строения океанического дна. Установление реологических свойств мантии и указывающие на дрейф континентов палеомагнитные и палеоклиматические условия привели к созданию неомобилизма или новой глобальной тектоники (тектоники плит).
3.7. Концепция новой глобальной тектоники
Изучение геологии океанов, открытие планетарной системы срединно-океанических хребтов и рифтовых долин и т.д. дали ученым в последние годы принципиально новые геологические данные. Они послужили толчком развитием идей мобилизма на качественно новой основе.
В конце 50-х – начале 60-х гг. прошлого века было установлено существование астеносферы и тем самым слоя, по поверхности которого возможно относительное перемещение литосферы. Было подтверждено предполагавшееся А. Вегенером отличие мощности и состава континентальной и океанской коры. Было обнаружено существование грандиозной системы срединно-океанических хребтов и рифтов. В океане были открыты линейные знакопеременные магнитные аномалии, параллельные и симметричные относительно осей срединных хребтов. Данные нового научного направления - палеомагнетизма – показали, что материки испытали значительные перемещения, прежде чем занять свое современное положение.
В 1961-1968 гг. усилиями американских, английский, канадских и французских геологов и геофизиков были разработаны основы новой моблистской теории, первоначально больше известной как новая глобальная тектоника, а затем как тектоника плит (или тектоника литосферных плит).
Она базируется на совокупности ряда современных гипотез: раздвигания океанического дна, перемещения плит литосферы и др.
В 1962 г. американский геолог Г. Хесс и геофизик Р. Дитц описали процесс образования океанов в результате раздвижения континентов и разрастания пространства молодой океанской коры начиная от срединно-океанских хребтов. Это процесс получил название – спрединг океанского дна (спрединг – распространение, разрастание)
На основе идеи спрединга и установленных недавно перед этим инверсий магнитного поля Земли (т.е. свойство менять полярность через определенные промежутки времени) английские геофизики Ф. Вайн и Д. Мэтьюз выдвинули в 1963 г. оригинальную гипотезу. Базальтовая лава, излившаяся через рифтовую трещину, приобретает и сохраняет намагниченность в направлении общего магнитного поля Земли в момент своего застывания. При последующих излияниях магмы в случае смены направления магнитного поля образуется полоса противоположной направленности. Таким образом они объяснили полосовые магнитные аномалии океана.
Развивая эту идею, американские геофизики Дж. Хейртцлер и др. разработали первую возрастную шкалу магнитных аномалий океана. Американский геолог Г. Менард открыл в Тихом океане гигантские разломы, пересекающие срединно-океанические хребты. Канадский геофизик Дж. Вилсон установил, что они образуют особый класс разломов, и назвал из трансформными. Изучив распределение землетрясений по земному шару и механизмы смещений в их очагах американские сейсмологи Б. Изакс, Дж. Оливер и Л. Сайкс нарисовали общую картину смещений литосферных плит. Так общими усилиями ученых, получивших новый фактический материал по геологии океанов и геофизике, была сформулирована новая концепция, опубликованная в Journal of Geophysical Research в 1968 г.
Фактическое подтверждение новой концепции дало глубоководное бурение, наблюдение с подводных спускаемых аппаратов и данные космической геодезии. С появлением сейсмической томографии нашла подтверждение реальность погружния холодных литосферных плит глубоко в мантию, а также конвективных течений в мантии, рассматриваемых тектоникой плит в качестве одной из основных движущих сил.
Все это дает полное основание расценивать тектонику плит как первую в истории геотектоники научную теорию, имеющую достаточную предсказательную силу. Статус тектоники плит как теории подкрепляется математической количественной формулировкой, благодаря которой кинематика плит может быть экстраполирована и в прошлое и в будущее.
Основные положения тектоники плит.
Тектоника литосферных плит базируется на 6 предпосылках:
1 – разделение верхней части твёрдой Земли на две оболочки – жесткую и хрупкую литосферу и более пластичную и подвижную астеносферу;
2 – литосфера подразделена на ограниченное число плит (в настоящее время – семь крупных и семь малых);
3 – принимается три рода перемещений и соответственно границ между плитами: дивергентные (конструктивные) границы, вдоль которых происходит раздвижение плит или спрединг; конвергентные (деструктивные) границы, на которых идёт сближение плит, обычно выражающееся поддвигом одной плиты под другую (если океанская плита подвигается под континентальную – субдукция, а наоборот – обдукция, а если сталкиваются две континентальные плиты с поддвиганием одной под другую – коллизия); трансформные границы, вдоль которых происходит горизонтальное перемещение одной плиты относительно другой по плоскости трансформного разлома.
4 – при своих перемещениях плиты подчиняются законам сферической геометрии (в соответствии с теоремой Эйлера), согласно которым любое перемещение двух сопряжённых точек по сфере совершается вдоль окружности, проведённой относительно оси, проходящей через центр Земли с выходом этой оси на земной поверхности, называемым полюсом вращения или раскрытия (рис. 4);
5 – объём поглощаемой в зонах субдукции океанской коры равен объёму коры, нарождающейся в зонах спрединга, что обеспечивает постоянство радиуса Земли;
6 – основная причина движения плит объясняется мантийной конвекцией с наличием определённого количества ячей с восходящими (в зонах спрединга) и нисходящими (в зонах субдукции) ветвями.
Рис. 3.27 Движение литосферных плит по поверхности сферы
(по К.Ле Пишону и др., 1973).
Э – «эйлеров полюс»; α – угол вращения, соответствующий перемещению точек А и В. Трансформные разломы дают направление «эйлеровых широт».
3.8. Гипотеза плюмов и горячих полей
Мантийные плюмы (или просто плюмы) представляют собой сравнительно узкие колонны разогретого вещества, поднимающиеся из глубоких слоев мантии. Плюмы, скорее всего, зарождаются на глубине не менее 700 км (Сейферт, 1991). По некоторым оценкам диаметр их составляет от 100 до 240 км, а скорость подъема 2 м/год. Плюмы порождают купола диаметром до 1000 км, центральные участки которых возвышаются на 1-2 км над окружающей местностью.
Горячие точки определяются как участки земной поверхности с необычно высокой вулканической активностью в настоящее время или проявлявшейся в прошлом. Иногда под горячей точкой понимают участок внутри мантии, температура которого выше средней температуры на этой глубине. Есть и такие геологи, которые используют термины горячая точка и плюм как синонимы. Существование горячей точки устанавливается непосредственно из наблюдений за вулканической активностью рассматриваемой области, тогда как вывод о существовании плюмов - результат интерпретации, и прямое наблюдение недоступно.
Плюмы встречаются как внутри плит, так и на дивергентных (раздвигающихся) границах между плитами. Примером внутриплитного расположения в океанической области служит плюм под островом Гавайи. Плюм этого типа порождает внутриплитную горячую точку, или горячую точку гавайского типа. Примером плюма, расположенного на дивергентной границе плит, является плюм под Исландией. Плюмы такого типа порождают срединно-океанические горячие точки или горячие точки исландского типа.
Причины поднятия плюмов. Плюмы поднимаются из глубоких слоев мантии, так как их ве¬щество легче окружающих пород, а вязкость этих пород достаточно мала, чтобы в мантии стал возможным режим течения. Они ведут себя как пластическое твердое тело (возможно, частично расплавленное) и поднимаются подобно соляным диапирам. Вязкость вещества мантии в плюмах порядка 1019 пуаз. Поднимаясь, вещество плюма подвергается внутренним деформациям, что порождает очень характерную структуру. Для ксенолитов мантии в вулканических породах, излившихся в горячих точках, типична деформационная структура, которая вызвана пластическим течением при подъеме мантийного диапира (плюма).
Уменьшение давления в веществе плюма приводит к росту содержания в нем расплава, что в еще большей степени способствует подъему плюма. Этим же объясняется повышенная вулканическая активность в районах горячих точек, в основе которой лежит механизм дифференциации вещества плюма: более легкая расплавленная фаза отделяется от твердого остатка.
В жидком внешнем ядре и в мантии происходит конвекция вещества и образуется сложная система конвекционных потоков.
По данным Н.Л.Добрецова и А.Г.Кирдяшкина (1994), различают два типа моделей тепловой гравитационной конвекции. Согласно первому, предполагается конвекция по всей толщине мантии от литосферы (30-100 км) до границы между ядром и мантией (2890 км). В другом типе предполагается, что конвекция происходит в двух слоях (в верхней и нижней мантии) и на границе их раздела отсутствует существенный массоперенос.
Мантийные плюмы, по мнению Н.Л.Добрецова и А.Г.Кирдяшкина, могут зарождаться на трех уровнях: в верхней мантии, в частности при плавлении субдуцировавшей плиты; на границе верхней и нижней мантии на глубине 670 км; на границе нижняя мантия - ядро. Природа этих плюмов может быть либо чисто тепловая (при плавлении окружающего субстрата), либо чисто химическая (при различии в плотности между веществом плюма и окружающим массивом), либо совместно и тепловая, и химическая (при частичном плавлении окружающего вещества).
Наиболее ярким проявлением горячей точки поверхности Земли можно считать Гавайские острова, представляющие с современными извержениями вулканов завершающее звено Гавайской и Императорской цепи, в которой извержения вулканов удревняются по возрасту от 0 до 42 млн. лет в Гавайской и от 43 до 70 млн. лет в Императорской. Эти цепи вулканических островов с закономерно изменяющимся возрастом однозначно трактуются как след движения Тихоокеанской плиты над Гавайской горячей точкой, существующей уже более 70 млн. лет.
Другим важным примером проявления мантийных плюмов являются кимберлитовые поля.
Продолжительность активности современных и существующих в мезозое плюмов составляет от 15 до 90 млн. лет. Например, возраст кимберлитовых полей в Южной Африке, отражающих, вероятно, след движения Африканской плиты над двумя горячими точками, датируется 200-110 и 100-70 млн. лет. Во временном и пространственном расположении горячих точек в течение мезозоя наблюдаются определенные закономерности и аналогии с поведением солнечных пятен: горячие точки локализованы в средних широтах 40±15° на Земле и 30±10° на Солнце; новые горячие точки появляются в высоких широтах в обоих полушариях и мигрируют по направлению к экватору, после чего начинается новый цикл и сильно меняется магнитное поле. На Земле продолжительность такого цикла 90 или 180 млн. лет, на Солнце - 11 лет. Короткие периоды и более правильное распределение пятен на Солнце - не единственное отличие глубинной циркуляции на Земле и на Солнце, определяемое различием вещества газообразного Солнца и высоковязкой мантии Земли, хотя многие подобия просто поразительны. Возникновение солнечных пятен и их миграция к экватору во многом определяются силами Кориолиса, наибольшими в высоких широтах и исчезающими на экваторе. Если исходить из аналогии с солнечными пятнами, то проявление сил Кориолиса возможно в относительно маловязком жидком ядре. Это, в свою очередь, указывает на то, что областью возникновения горячих точек может быть граница ядро - мантия Земли.
Плюмы и многослойная или единая конвекция в мантии являются не альтернативными, а сочетаются в разной степени в различные периоды жизни Земли, причем регулятором может выступать интенсивность мантийных плюмов: в период их максимальной интенсивности (например, в период мелового "суперплюма"), по выражению Р.Ларсона, преобладает общая конвекция, в период их минимума более отчетливо проявляется многослойная конвекция, и в целом конвекция в Земле является неустойчивой, нестационарной.
По мнению Н.Л.Добрецова и А.Г.Кирдяшкина, вероятным важнейшим регулятором внутренних движений в Земле, во всяком случае, в течение последних 2 млрд. лет ее истории, становятся периодические мантийные плюмы, возникающие на границе ядро - нижняя мантия. Их отделение от ядра в процессе конвекции и накопление в слое D может рождать гравитационную неустойчивость, т.е. отрыв струй и капель малоплотного вещества, обогащенного флюидом. В любом случае мантийные плюмы, рожденные на границе ядро - мантия и, вероятно, обогащенные