Почему движутся материки, можно ли измерить их скорость и как изменяется магнитное поле Земли.
С давних пор усилия многих ученых были направлены на создание единой модели естествознания, которая непротиворечиво объясняла бы происхождение океанов, горных систем и многих других проявлений внутренней, эндогенной энергии Земли. На это ушли многие годы, но только в середине XX века, когда благодаря научно-технической революции в арсенале геологов появились принципиально новые методы исследований, была сформулирована первая научно обоснованная концепция, получившая название «тектоника литосферных плит».
Тектоника изучает строение и эволюцию твердой оболочки Земли — литосферы — и определяет движущие силы геологических процессов. Концепция тектоники плит лежит в основе современной геологии.
Как появилась концепция тектоники плит.
Альфред Вегенер - первый доказал, - что континенты могут перемещаться на значительные расстояния (дрейфовать) по поверхности Земли.
В 1912 году немецкий ученый Альфред Вегенер предположил возможность значительных горизонтальных движений континентов. Вопреки распространенному мнению, Вегенер был далеко не первым, кто заметил сходство очертаний береговых линий Южной и Северной Америки, Западной Европы, Индии, Австралии, Восточной Антарктиды и Африки, а также сходство ископаемой флоры и фауны на них. Однако именно он впервые высказал предположение, что эти континенты ранее были частями одного гигантского континента Пангеи и переместились в современное положение в результате горизонтальных движений — дрейфа континентов. Слабым местом этой гипотезы, в том числе и по словам самого Вегенера, было отсутствие доказательств подкоровых течений — механизма, который, как предполагали Вегенер и несколько его коллег, делал возможными крупномасштабные перемещения континентов.
До середины XX века строение дна океанов было практически неизвестно. Благодаря разработке и совершенствованию методов эхолокации во время и после Второй мировой войны в начале 1950-х годов появились первые детальные карты океанского дна. Методом эхолокации в Мировом океане была обнаружена самая протяженная горная цепь на планете — система срединно-океанических хребтов — и глубоководные желоба, расположенные преимущественно по периферии Тихого океана. Изучение аномального магнитного поля океанского дна позволило к концу 1950-х годов с уверенностью говорить о наличии полосовых (линейных) магнитных аномалий, ориентировка которых соответствует геометрии срединно-океанических хребтов. Эти факты составили ядро современной концепции тектоники литосферных плит.
Как устроена Земля. Как движутся континенты?
Планета Земля состоит из оболочек, названия которых известны нам со школы. Земная кора, мантия и ядро отличаются друг от друга контрастом состава и плотностью пород. Все геосферы не изолированы друг от друга, а находятся в активном взаимодействии, поэтому на Земле есть океаны и горные цепи, вулканы и землетрясения.
Различают два типа земной коры: океаническая и континентальная. Океаническая кора имеет среднюю мощность не более 7 километров и состоит в основном из базальта и пород сходного состава. Континентальная кора гораздо мощнее: от 35 до 70 километров. Этот тип земной коры состоит из широкого спектра пород, среди которых, однако, преобладают граниты.
Мантия имеет в составе преимущественно силикаты магния и железа, а плотность ее возрастает от 3,3 до 6,0 г/см3 с увеличением глубины. На глубине 2900 километров мантия граничит с ядром, состоящим из Fe-Ni-сплава, плотность которого достигает 13 г/см3 в центре Земли.
Внутренние оболочки Земли, или геосферы, могут различаться также по реологическим свойствам — способности вещества к вязкопластическому течению. По этому критерию в строении Земли выделяют литосферу, астеносферу, мантию, внешнее жидкое ядро и внутреннее твердое ядро.
Тектоника литосферных плит
Литосфера ассоциируется с внешней жесткой и хрупкой оболочкой Земли и включает земную кору и верхнюю, наиболее хрупкую часть мантии. Мощность литосферы сильно варьируется: в среднем составляет 100–120 километров и достигает глубины 200–250 километров под древними платформами, например Африкой.
Литосфера подстилается астеносферой — пластичным слоем верхней мантии, вязкость которого ниже по сравнению с литосферой и мантией. Астеносфера распространяется до глубины примерно 410 километров и, как и верхняя мантия, состоит из перидотита , однако за счет «удачного» сочетания температуры и давления в ней происходит частичное плавление перидотита, а вязкость существенно снижается. На глубинах 410–2900 километров мантия не подвергается частичному плавлению и имеет повышенную по сравнению с астеносферой вязкость.
Внешнее ядро жидкое и состоит из расплава железа, никеля и серы, существенно понижающей температуру плавления Fe-Ni-сплава. Граница внешнего и внутреннего ядер находится на глубине 5150 километров. Внутреннее ядро твердое.
Почему движутся литосферные плиты
Литосфера подразделяется на блоки — литосферные плиты. Восемь крупных и шесть малых плит полностью, как мозаика, покрывают поверхность Земли. Границы литосферных плит выражаются активной сейсмичностью и магматизмом и далеко не всегда совпадают с границами континентов. Например, на Северо-Американской плите находится не только материковая часть Северной Америки, но и западная «половина» Атлантического океана.
Области с разным типом земной коры, находящиеся в составе единой литосферной плиты, граничат между собой по пассивной континентальной окраине — переходной зоне, в которой континентальная кора постепенно утончается, меняет состав и переходит в океанскую. Яркие примеры пассивных континентальных окраин — восточное побережье США и Канады, западное побережье Африканского континента.
С позиции тектоники литосферных плит механизм движения плит по поверхности земли реализуется за счет конвективных течений астеносферы. Вязкость верхней мантии, в состав которой входит и астеносфера, значительно больше вязкости танковой брони, поэтому говорить о конвекции и течении вещества в мантии можно только в геологическом масштабе времени — масштабе многих тысяч и даже миллионов лет.
Крупные магматические провинции
Тепловая конвекция в веществе мантии возникает как эффективный механизм передачи тепловой энергии из ядра Земли и представляет собой конвективные ячейки размером до нескольких тысяч километров. Над восходящими потоками мантийного вещества, то есть горячими и менее плотными, располагаются зоны спрединга океанского дна. Нисходящие струи остывшего и более плотного мантийного вещества увлекают за собой литосферные плиты в зонах субдукции. Движение плит осуществляется за счет вязкого сцепления вещества верхней мантии, находящегося в конвективном движении, с неровной подошвой литосферы.
Современные движения литосферных плит фиксируются несколькими методами, самыми распространенными из которых являются методы космической геодезии. Современные GPS-приемники способны фиксировать перемещения плит с точностью до долей миллиметра в год. Последствия движения литосферных плит также можно наблюдать в сейсмодислокациях — нарушениях сплошности горных пород, возникающих в результате землетрясений, которые, в свою очередь, являются следствием мгновенного снятия напряжений в земной коре. Известный пример сейсмодислокации — забор на ферме в Калифорнии, неподалеку от Сан-Франциско, разделенный на две части, сдвинутые вдоль разлома Сан-Андреас относительно друг друга на несколько метров.
Границы литосферных плит
В зависимости от характера взаимодействия двух плит на границе между ними выделяется три типа границ: дивергентные (если плиты расходятся), конвергентные (если плиты сходятся), трансформные (если плиты движутся параллельно друг другу).
Трансформные границы литосферных плит выделяются там, где плиты движутся по параллельным траекториям, но с разными скоростями. Большинство таких границ сконцентрированы на дне океанов и скрыты от глаз наблюдателя под многокилометровой толщей воды.
Конвергентные границы представлены зонами субдукции и коллизии. Субдукция происходит там, где древняя океанская литосфера погружается под континентальную или более молодую океанскую литосферу. С остыванием и увеличением мощности и плотности по мере удаления от оси спрединга океанская литосфера теряет плавучесть и погружается в мантию. На океанском дне зоны субдукции выражены глубоководными желобами, самым известным из которых является Марианский желоб глубиной примерно 11 километров, а на поверхности — вулканическими цепями на континентах или вулканическими островными дугами в океанах. В отличие от субдукции, коллизия — это процесс столкновения двух континентальных литосферных плит, сопровождающийся интенсивным горообразованием. Типичный пример коллизии — горы Гималаи как результат столкновения Индостанской и Евразийской плит.
Дивергентные границы представлены зонами спрединга. Это трещина между двумя плитами, в которую время от времени внедряются порции расплавленного материала мантии — магмы. Застывая, магма образует новую океанскую кору. По мере того как плиты расходятся, в зоне спрединга внедряется новая магма.
Теория спрединга океанского дна была предложена в 1960 году Гарри Хессом и Робертом Дитцем, а интерпретация линейных магнитных аномалий дна океанов, предложенная Драммондом Мэтьюзом и Фредом Вайном в 1963 году, подтвердила и существенно дополнила теорию спрединга. Ученые показали, что полосовые аномалии обязаны своим существованием остыванию магмы, образующей новую океанскую кору, в условиях разной полярности магнитного поля Земли.
Магнитное поле Земли. Силовые линии магнитного поля Земли.
Магнитное поле Земли защищает нас от космического излучения, окружая планету невидимой магнитосферой, дает возможность ориентироваться по сторонам света с помощью компаса. Оно возникает во внешнем жидком ядре по принципу геодинамо — в результате движения токопроводящей жидкости во внешнем магнитном поле, — ведь внешнее ядро жидкое, на 80% состоит из железа и имеет конфигурацию, характерную для магнитного диполя или поля катушки с током. Силовые линии магнитного поля входят в Землю в районе северного магнитного полюса, расположенного неподалеку от северного географического полюса, а выходят в южном магнитном полюсе.
Хорошо известно, что магнитное поле Земли способно изменять свою полярность, то есть северный и южный магнитные полюсы время от времени и весьма нерегулярно меняются местами. В среднем за последние 5 миллионов лет инверсии геомагнитного поля происходили каждые 200 тысяч лет, однако нам известны периоды в истории нашей планеты, когда инверсий не было на протяжении нескольких десятков миллионов лет. Такие периоды называются суперхронами.
Природа и механизм инверсий геомагнитного поля еще не до конца разгаданы, однако результаты компьютерного моделирования свидетельствуют, что инверсии — это «нормальная жизнь» геодинамо и они не являются прямым следствием катастрофических процессов на границе ядро — мантия, как считалось ранее.
Сегодня мы живем в эпоху прямой, или нормальной, полярности, когда северный магнитный и географический полюсы находятся в непосредственной близости друг к другу. Если происходит инверсия магнитного поля и южный магнитный полюс располагается рядом с северным географическим и наоборот, такая полярность геомагнитного поля называется обратной. Последняя инверсия была 780 тысяч лет назад: тогда эпоха обратной полярности Матуяма сменилась эпохой прямой полярности Брюнес.
Магма, внедрившаяся в зоне спрединга и нарастившая океанскую кору 900 тысяч лет назад, будет намагничена в обратной полярности, а магма, остывшая 500 тысяч лет назад, — в прямой. Таким образом формируется магнитное поле дна океанов, которое не только доказывает механизм спрединга, но и позволяет вычислить его скорость в прошлом. Для этого необходимо мощность полосовой магнитной аномалии (в километрах) разделить на ее продолжительность во времени (в миллионах лет). Именно так были получены оценки скорости движения литосферных плит за последние 150 миллионов лет — порядка 5–15 сантиметров в год.
Как выглядели древние континенты.
Определить траектории и скорости движений литосферных плит в прошлом можно при помощи палеомагнитного метода. Первые палеомагнитные данные, полученные при изучении остаточной намагниченности разновозрастных пород Англии и Шотландии в 1960-х годах, подтвердили факт крупномасштабных горизонтальных перемещений литосферных плит, которые в то время еще были предметом острых дискуссий.
За прошедшие десятилетия учеными накоплено значительное количество палеомагнитных определений — палеомагнитных полюсов, используя которые можно, хотя и с некоторыми ограничениями, восстанавливать положение континентов в прошлом. Такие палеотектонические реконструкции в настоящее время построены максимально детально для последних 300 миллионов лет.
Построение реконструкций для более древних интервалов геологического времени связано с проблемой получения надежных палеомагнитных данных, поскольку чем дальше мы уходим вглубь истории Земли, тем меньше пород встречаем, которые сохранили запись магнитного поля времени своего образования, так как магнитная запись может быть стерта из памяти породы в результате ее нагрева, деформации или воздействия химически активных веществ.
Палео- магнетизм
Тем не менее положение большинства континентов может быть восстановлено до момента 2,5 миллиарда лет назад, а в некоторых исключительных случаях и древнее. Благодаря этому мы знаем, что, помимо Пангеи — суперконтинента, существовавшего 300–200 миллионов лет назад, конфигурация которого была восстановлена еще Альфредом Вегенером, — в истории Земли существовали и более древние суперконтиненты: Родиния (1,1–0,9 миллиарда лет назад), Колумбия (1,8–1,5 миллиарда лет назад), Кенорленд (2,5 миллиарда лет назад).
Совокупность тектонических процессов, происходящих с момента распада суперконтинента и до образования нового суперконтинента, описывается циклом Вильсона — глобальным тектоническим циклом, период которого составляет порядка 600–800 миллионов лет.
В настоящее время ведется активная работа по уточнению конфигурации суперконтинентов в истории Земли, поскольку использование одних только палеомагнитных данных позволяет количественно определить палеошироту континента и его ориентировку относительно палеомеридиана, в то время как палеодолгота остается неизвестной. Для уточнения палеодолготы континента привлекаются методы геохимии и изотопной геохронологии, а также проводится сопоставление древних складчатых поясов — структурный метод.
Почему возникали и распадались суперконтиненты, до сих пор во многом остается загадкой.
Будущее тектоники и геодинамики.
Несмотря на кажущуюся простоту и изящность, по мере накопления новых данных концепция тектоники литосферных плит непрерывно развивается. Одним из актуальных вопросов современной тектоники и геодинамики остается объяснение причин внутриплитного магматизма и магматизма горячих точек, в результате которого возникают цепочки океанических островов, например Гавайи, или супервулканы вроде Йеллоустонского, а также крупные магматические провинции, скажем Сибирские траппы и траппы плато Декан в Индии.
Одной из наиболее распространенных гипотез, объясняющих причины внутриплитного магматизма, является концепция мантийных плюмов — струй горячего мантийного вещества, поднимающихся с границы ядро — мантия и являющихся источником избыточного (по сравнению со средним для мантии значением) тепла, которое инициирует выплавление огромных объемов магмы. В случае излияния на поверхность континента или океанского дна эти расплавы, по составу соответствующие базальтам, формируют крупные изверженные провинции. Если при подъеме к поверхности земли плюм упирается в океанскую кору, то он прожигает ее, в результате чего формируются вулканические острова — подводные вулканы, вершины которых возвышаются над поверхностью океана, или крупные океанские базальтовые плато вроде плато Онтонг-Джава в Тихом океане.
Интересным и перспективным развитием тектоники мантийных плюмов является установление двух горячих полей мантии, расположенных на границе ядро — мантия, первые упоминания о которых мы находим в трудах тектонистов Льва Павловича Зоненшайна и Михаила Ивановича Кузьмина, а также американского геолога Kевина Бёрка. Исследования последнего десятилетия выявили пространственную связь между проекцией периферийных областей горячих полей мантии на земную поверхность и реконструированным положением алмазоносных кимберлитовых трубок и крупных континентальных магматических провинций для последних 300 миллионов лет. Указанная закономерность не только дала в руки тектонистов мощный инструмент для уточнения палеодолготного положения континентов, но и позволила существенно продвинуться в разработке вопроса о механизмах формирования этих уникальных проявлений магматической активности на Земле.
Роман Веселовский - доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры динамической геологии геологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова, заместитель директора по науке Института физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН.
РИД «ПостНаука».
| 
