arktal (arktal) wrote,
arktal
arktal

Спрединг, субдукция, плюмы, суперплюмы и прочая геофизика

Когда я учился в школе, а с тех пор много воды утекло, в учебнике по географии рассказывалось, что складчатость земной коры, т.е. попросту, горы и долины, получились в результате уменьшения объёма Земли при её охлаждении. Земля представлялась как большое печеное яблоко, которое за счёт усыхания покрылось множеством морщин. И это было очень понятно. Современные теории не отличаются такой наглядностью. Более того, некоторые положения этих теорий выглядят невероятными и вызывает удивление сам факт существования такого мира.

Многим ли известно, например, что толщина твердой каменной оболочки нашей планеты, на которой мы строим гигантские небоскребы и копаем глубокие шахты, взрываем бомбы и запускаем ракеты, вполне сравнима с толщиной скорлупы куриного яйца: яичная скорлупа (0.3 - 0.4 мм) составляет порядка 2% радиуса яйца в самом узком месте, тогда как земная кора (8-40 км) - меньше 1% радиуса Земли (6378 км)? Правда, при этом каменная оболочка Земли лежит на довольно вязком расплавленном веществе - верхнем слое земной мантии, которая по мере приближения к центру нагревается ещё больше и становится жидкой (температура ядра Земли предположительно порядка 6000°С). К сожалению, всё это недоступно для непосредственного исследования и бóльшая часть информации о мантии получена с помощью измерения сейсмических волн, электропроводности и силе тяжести. Более менее изучен только самый верхний слой Земли, литосфера, толщина которого не превышает 100 - 150 км, (земная кора и часть мантии).

Ко всему сказанному следует добавить ещё одну неприятность - мало того, что наша "земная твердь" всего лишь тоненькая корочка гигантского котла кипящей магмы, температура которой, когда она выливается на поверхность, доходит до 1000-1200°С, эта корочка испещрена многочисленными жерлами вулканов и трещинами 1000-километровой длины, которые образуют так называемые "литосферные плиты". И эти плиты движутся. Они перемещающиеся в пластичном слое верхней мантии относительно друг друга со скоростью порядка 2-3 см в год.

Впервые эту совершенно фантастическую идею - мысль о движении отдельных участков земной коры, высказал немецкий геофизик и метеоролог Альфред Вегенер (1880-1930) в начале прошлого столетия в рамках гипотезы «дрейфа континентов». Но поддержки эта гипотеза в то время не получила. Её возрождение произошло в 1960-х годах, когда в результате исследований рельефа и геологии океанического дна были получены данные, свидетельствующие о процессах расширения (спрединга) океанической коры и пододвигания одних частей коры под другие (субдукции). Объединение этих представлений со старой теорией дрейфа материков породило современную теорию тектоники плит, которая стала общепринятой концепцией в науках о Земле. Её основные положения были сформулированы в 1967-68 группой американских геофизиков — У. Дж. Морганом, К. Ле Пишоном, Дж. Оливером, Дж. Айзексом, Л. Сайксом путем развития более ранних (1961-62) идей американских учёных Г. Хесса (H.H.Hess) и Р. Дица (R.S.Dietz) о расширении (спрединге) ложа океанов.






Так, в 1960-х годах, когда начались исследования океанского дна, выяснилось, что по дну Атлантического океана с севера на юг тянется огромная гряда высотой в 2-2.5 км, и дно по обе стороны от нее опускается до 5 км. Причем порода, из которой сложены эти подводные горы, очень разные по возрасту: базальты на вершине гряды молодые, а по обе стороны много старше и притом тем старше, чем дальше от нее. Это открытие заставляло думать, что гряда прикрывает трещину в океанской коре, через которую снизу к вершине всё время выходит поток горячей магмы. Остывая и превращаясь в базальт, эта магма становится плотнее, т.е. тяжелее, и стекает по склону гряды в обе стороны от нее, а на ее место поступает новая порция магмы. Таким образом, магма, выходящая в рифт - трещину расходящихся плит, создает по обе стороны от себя все новые и новые полосы океанской коры (так наз. Срединно-океанический хребет (СОХ), общая протяженность которых более 70.000 км). В результате кора под океаном непрерывно наращивается и расширяется (спрединг).

Наиболее убедительным доказательством существования спрединга явились так называемые "полосовые магнитные аномалии" — линейные магнитные аномалии океанической коры, параллельные осям срединных океанических хребтов и расположенные симметрично по отношению к ним. Линейные магнитные аномалии в океанах были обнаружены ещё в 50-х годах при геофизическом изучении Тихого океана. Именно это открытие позволило в 1960-ые годы Хессу и Дицу сформулировать теорию спрединга океанического дна, которая стала основой теории тектоники плит.

В соответствии с теорией спрединга горячее расплавленное мантийное вещество поднимается на поверхность по рифтовым трещинам, раздвигая края рифта и, застывая, наращивает их изнутри. Хесс писал: "Этот процесс несколько отличается от обычного дрейфа материков. Континенты не прокладывают себе путь сквозь океаническое дно под воздействием какой-то неведомой силы, а пассивно плывут в мантийном материале, который поднимается вверх под гребнем хребта и затем распространяется от него в обе стороны." Таким образом, на поверхность планеты выходят восходящие конвекционные токи, какие можно наблюдать в кастрюле, где варится молочный кисель или каша. Материк же (в рамках такой аналогии) является пенкой на этом киселе. Но аналогия далеко не полная, так как кипящая масса довольно однородная и в пенке нет трещин, по которым происходит субдукция (если только принудительно не погружать пенку обратно в кипящий кисель).

На рисунке справа показана карта дна Атлантического океана. Красным выделена самая молодая часть Срединно-Атлантического хребта. Магма поднимается по трещине вдоль хребта. заполняя расширяющийся промежуток между удаляющимися друг от друга плитами - Северо- и Южно-Американской, с одной стороны (к западу от гряды) и Евразийской и Африканской, с другой стороны - на восток от гряды.


Такие же подводные гряды тянутся по дну других океанов. В Тихом океане наблюдения ученых открыли другую сторону процесса движения плит. Непрерывное прибавление коры в СОХ под Тихим океаном влечет за собой движение Тихоокеанской плиты на запад, в сторону Австралийской плиты, а с востока от СОХ под Южно-Американскую плиту подплывает океанская плита Наска. И в том месте, где плиты соприкасаются, более тяжелая и плотная океанская плита начинает изгибаться вниз, уползая огромным длинным «языком» под более легкую континентальную плиту, либо слегка приподымая её (Восточно-Тихоокеанское поднятие около Австралии), либо создавая серьёзные напряжения, которые освобождаются в виде извержений вулканов и землетрясений, как это происходит в Андах. Иными словами, Тихоокеанская плита прирастая на востоке компенсирует этот прирост тем, что ее западная сторона все время уходит под литосферу Австралийской плиты, а прирастание плиты Наска, компенсируется её погружением под Южно-Американскую плиту. Это явление называется субдукцией.

В настоящее время главные процессы субдукции на Земле происходит по краям Тихоокеанской плиты, и это грандиозное (хотя и невидимое нам явление) сопровождается извержениями и землетрясениями – не случайно они происходят, в основном, по периферии этого океана. А ушедшие в глубину тяжелые базальты океанской коры тонут в астеносфере (иногда опускаясь даже в нижнюю мантию, где проходят переплавку и возвращаются (путем конвекции) обратно в трещины между плитами. Этот процесс занимает около 200 млн лет, поэтому океанская кора не бывает старше этого возраста. С другой стороны, континентальные (легкие) плиты всегда остаются наверху («наплаву»), их состав не меняется, сейсмическая активность очень низкая и поэтому геологи сегодня обнаруживают на Земле скалы возрастом в 3-2.5 млрд лет.



Интересно, что совсем недавно ученые поняли, что уникальная Афарская котловина (Данакильская котловина, Афарский треугольник) — геологическая депрессия на Африканском Роге, одно из немногих мест в мире (известны только два таких места - здесь и в Исландии), где океанические хребты могут быть изучены на суше. Тектоническое движение в котловине (1-2 см в год) приводит к постоянным землетрясениям и образованию щелей на поверхности (на границах плит) до 8 метров. Здесь, на дне огромной кальдеры находится лавовое озеро Эрта Але. Постоянный поток магмы, поднимающийся в кратере из недр Земли продолжается с 1967 года. При этом периодически отсюда изливаются потоки раскалённой лавы и с каждым своим извержением он поднимается всё выше над впадиной Данакиль. Сейчас его высота — уже 613 м, но 3-4 миллиона лет назад он находился под водой. Кстати, на основе палеореконструкции Сибирский континент мигрировал над этим потоком мантийного вещества - над Африканской мантийной провинцией, - 570 млн лет назад, в результате чего родились "траппы Восточной Сибири", о которых упоминалось выше.


Предпочтительно смотреть в полноэкранном режиме. Источник - форум Винского.

В современную эпоху более 90 % поверхности Земли покрыто 7 крупнейшими литосферными плитами: Антарктическая, Африканская, Евразийская, Индо-австралийская, Тихоокеанская, Северо-Американская и Южно-Американская плиты. Остальное покрывают более мелкие, такие как Кокос и Карибская плита в районе Центральной Америки, Аравийская плита, Филиппинская и др.

Кроме двух уже названных видов взаимодействия плит: спрединг - расширение, создающее так наз. дивергентные границы, когда плиты движутся в противоположные стороны, и субдукция - пододвигание, конвергентные границы, когда происходит столкновение плит, есть места, где плиты двигаются параллельным курсом, но с разной скоростью. Там возникают трансформные разломы. При этом плиты сталкиваются на время, а затем расходятся, высвобождая много энергии и вызывая сильные землетрясения. Самый известный пример такой границы — разлом Сан-Андреас в Калифорнии, где движутся бок о бок Тихоокеанская и Северо-Американская плиты. Город Сан-Франциско и большая часть бухты Сан-Франциско построены в районе от этого разлома.


Сан Франциско. 1906 год. До и после землетрясения

Этим не ограничиваются виды взаимодействия тектонических плит. Существует ещё один вид, при котором взаимодействуют несколько плит и их движение слишком сложно. Это процессы на многоплиточных границах. Как, например, между Африкой и Европой, где кроме двух основных плит имеется также множество мелких. Их взаимодействие пока мало изучено и прогнозирование их перемещений проблематично.

Первые представления о тектонике плит указывали на то, что вулканизм и сейсмические явления сосредоточены исключительно по границам плит. Однако вскоре стало ясно, что и внутри плит происходят существенные тектонические и магматические процессы. Среди внутриплитных процессов особое место заняли явления долговременного базальтового магматизма, так называемые горячие точки. Другими словами, районы продолжительного вулканизма с выходом большого количества мантийного вещества, магмы. Но в этих точках есть и другая особенность - в некоторых местах планеты они вытянулись цепочкой по одной линии и состоят из вулканов старых, давно потухших, и молодых, активно действующих. Причем действующие находятся на краю всей цепочки. И чем дальше от молодых вулканов отстоят потухшие, тем они старее. Такое ощущение, что под землей есть горелка, которая при перемещении плиты (а плита движется поперек мантийного потока) каждый раз "прожигает" её в новом месте, извергая новый вулкан. Примером такого рода является цепочка вулканов на Гавайских островах. От них на северо-запад идёт подводная гряда бывших вулканов, простирающаяся до Алеутских островов, где Тихоокеанская плита погружается в мантию.

Есть и другие следы, которые оставляют горячие точки. Часто на их месте образовывается кальдера (огромный, до 10-20 км в поперечнике провал в почве) и по мере движения плиты над горячей точкой на поверхности появляется «цепочка» таких кальдер. Особенно наглядно виден след перемещения горячей точки за последние 17 млн лет на карте Йеллоустонского заповедника в США.



Путь Йеллоустонской горячей точки за последние 17 млн лет

Большинство существующих "горячих точек" имеют локальный характер, но известны магматические процессы поистине планетарного масштаба. Это так называемый трапповый магматизм, который в разное время происходил на всех платформах. Траппы (от шведского "trappa" — лестница) — излившиеся в разное время и наслоившиеся один на другой лавовые покровы, которые при врезании в них рек и выветривании образуют ступенчатые склоны. При трапповых извержениях часто нет чётко выраженного кратера и постоянного центра извержений. Лава изливается из многочисленных трещин и заливает пространства, сравнимые с площадью Европы. Так выглядят Деканское плоскогорье в Индии, район Восточной Сибири, почти вся Исландия. Траппы Восточной Сибири занимают площадь порядка 2 миллионов кв. км. Лава изливалась там около 570 миллионов лет назад и длилась, по всей видимости, сотни тысяч лет.


"Горячие точки" мира

Природу такого внутриплитного магматизма объясняют в настоящее время с позиций новой концепции, “тектоники плюмов”, которая хорошо дополняет существующую теорию тектоники плит.

Гипотезу плюмов ("магматических шлейфов", от англ. theory of plumes) высказал в 1971 году американский геофизик Джесон Морган в порядке объяснения существования горячих точек. Плюмом ("шлейфом" - если есть мантия, почему бы не быть шлейфу?) он назвал огромную трубу высокотемпературной магмы, которая зарождается в виде относительно тонкой струи на оболочке земного ядра и поднимается на тысячи км к самому верхнему слою мантии. Упершись в литосферу, этот поток лавы растекается вширь, так что образуется что-то вроде гриба со шляпкой. Места над шляпками таких «грибов» (сегодня считается, что их существует около 20-ти) и есть hot spots, горячие точки. Интересно, что одна такая точка - остров Реюньон в Индийском океане, и Деканское излияние произошло именно тогда, когда, согласно расчетам, плывущая не север Индия оказалась точно на том месте, где сейчас находится этот остров.

Охваченный конвекционным током объем этого вещества, называют конвективной ячейкой. Если продолжить аналогию с греющейся в кастрюле кашей, то вся кастрюля будет единой ячейкой, но если мы станем нагревать широкий таз двумя удаленными друг от друга горелками, у нас возникнут две относительно независимые системы циркуляции вещества, взаимодействующие между собой. Но и это - достаточно упрощенная модель тех сил и течений, которые вызывают тектонику литосферных плит. В последнее время для их изучения всё больше привлекаются современные методы исследования.

Самым важным источником информации о строении Земли являются землетрясения, наиболее глубокие очаги которых располагаются на уровне порядка 700 км. Любое землетрясение вызывает сейсмические волны деформации, пронизывающие в различных направлениях земной шар. Очевидно, что, чем больше регистрируется землетрясений, тем точнее и полнее информация о недрах нашей планеты. Недостатка в количестве и регистрации землетрясений ученые не испытывают, но обработка этого колоссального объема информации (ежегодно происходит сотни тысяч землетрясений, которые регистрируют тысячи сейсмостанций - см. карту землетрясений online) стала возможной только в последнее время с помощью современных компьютеров. Это позволило создать послойные изображения внутренней структуры земных недр, реализовать новый метод исследования, сейсмотомографию.



На представленной визуализации показаны данные землетрясений на Земном шаре в период 2000-2015 гг магнитудой выше 4. Каждая светящаяся точка отображает землетрясение. Чем ярче точка, тем выше магнитуда землетрясения. Точки являются накопительными, т.е. области наиболее частых землетрясений ярче других.

С помощью сейсмотомографии ученые геофизики получили первые представления о конвективных течениях вещества в мантии Земли. В пределах верхней мантии подтвердились основные положения теории тектоники литосферных плит: действительно наблюдается погружение холодных и более плотных океанических пластин под более легкие континентальные и подъем нагретого вещества вдоль осей рифтовых океанических и континентальных зон. Однако обнаружились и неожиданности: разнонаправленное горизонтальное или близкое к нему движение вещества, а не только перемещение в вертикальной плоскости, как это предполагалось раньше. При этом нагретые потоки мантийного вещества под областями новейшего вулканизма или рифтовыми зонами срединно-океанических хребтов не поднимаются из глубины в виде прямых колонн, а имеют весьма причудливую форму, отклоняясь в стороны и обладая отростками, апофизами, шарообразными вздутиями.

Вместе с этим были обнаружены гигантские суперплюмы, Тихоокеанский (Гавайские острова и остров Пасхи) и Африканский (примерно под зоной сочленения Африканской, Сомалийской и Аравийской плит), которые объединяют известные "горячие точки", образуя так наз. "горячие поля", простирающиеся на многие тысячи километров. По данным сейсмотомографии здесь происходит подъем глубинного вещества до поверхности. Это позволило говорить о том, что конвективные явления имеют глубинную природу. При этом процессы, ассоциируемые с верхним слоем, хорошо вписываются в существующую теорию тектоники литосферных плит, а наличие двух суперплюмов говорит о двухячейстом характере конвекционных процессов.



Границы «горячих полей» примерно совпадают с контурами «низкоскоростных мантийных провинций (LLSVP - large low shear velocity provinces)», называемых также суперплюмами. В отличие от низкоскоростных провинций высокоскоростные ассоциированы с зонами субдукции, в пределах которых происходит опускание литосферных плит в мантию. Их связь с современными проявлениями вулканизма подтверждается локализацией на поверхности планеты всех известных на сегодня 49 горячих точек, а сами мантийные провинции определены методом сейсмотомографии. Источник - Глубинная геодинамика

Очень важной особенностью тектоники литосферных плит является её проверяемость независимыми методами. Ещё основатель этой теории Альфред Вегенер в порядке доказательства указал на многочисленные сходства в геологическом строении континентов, а также на общность ископаемой флоры и фауны в геологическом прошлом. Но 100 лет назад у него не было подходящих инструментов, чтобы удостоверится, что континенты действительно движутся. Современное оборудование позволяет выполнить необходимые расчеты с очень высокой точностью.

В соответствии с теоремой Эйлера движение литосферных плит по поверхности сферы можно представить как вращение вокруг оси, проходящей через центр сферы, т.е. вращение может быть описано тремя параметрами: координаты оси вращения (например, её широта и долгота) и угол поворота. В конце 80-х гг. был проведен эксперимент по проверке движения литосферных плит. Он был основан на измерении базовых линий (геодезических линий, проходящих через неподвижные точки, выбранные на разных континентах), по отношению к далеким квазарам, которые благодаря своему сверхмощному радиоизлучению и удаленности, называют также маяками Вселенной. На двух плитах выбирались точки, в которых, с использованием современных радиотелескопов, определялось расстояние до квазаров и угол их склонения, и, соответственно, рассчитывались расстояния между точками на двух плитах, т.е. определялась базовая линия. Через несколько лет измерения повторялись. Была получена очень хорошая сходимость результатов, рассчитанных по другим критериям. Полученные данные подтвердились и современными измерениями с помощью спутниковых навигационных систем GPS. Как говорит доктор геолого-минералогических наук, профессор Николай Короновский:

"С появлением метода GPS выяснилось, что все двигается так, как было предсказано. Атлантика раскрывается со скоростью 6–7 см в год, Австралия идет к северу, Индия столкнулась с Азией 40 миллионов лет назад, а была у Антарктиды, и так далее. Все встало на свои места".




ИСТОЧНИКИ
1. Сайт дистанционного обучения КФУ (Казанский федеральный университет) - Геотектоника
2. Еськов К.Ю., "История Земли и жизни на ней"
3. Короновский Н.В., "Сейсмическая томография", Статьи Соросовского Образовательного журнала
4. "Глубинная геодинамика - основной механизм развития Земли"


UPD
Не успел закончить, как в комментариях пришло замечательное дополнение от док. Александра Черницкого (achernitsky) про "наши палестины" - про Сиро-Африканский разлом и осколки литосферной плиты, на которой мы живем:

Как и полагается в еврейском государстве - здесь всё движется во все стороны. Это как раз тот случай, о котором я написал выше:
"Существует ещё один вид, при котором взаимодействуют несколько плит и их движение слишком сложно. Это процессы на многоплиточных границах. Как, например, между Африкой и Европой, где кроме двух основных плит имеется также множество мелких. Их взаимодействие пока мало изучено и прогнозирование их перемещений проблематично."
Tags: геофизика, история с географией, наука
Subscribe

Posts from This Journal “геофизика” Tag

  • На краю Земли.

    Продолжение Предыдущее - 1, 2, 3, 4 Рейкьявик встретил нас прохладно: холодным ветром и непривычно низкой температурой. На пристани было…

  • Преисподняя и полуостров фьордов

    Продолжение Предыдущее - 1, 2, 3 Через сутки после однодневной остановки в Шотландии, о которой я писАл в прошлый раз, наш замечательный…

  • Использовать Йеллоустонский супервулкан

    На днях на сайте INDEPENDENT появилось сообщение о том, что специалисты NASA предупреждают: существует гораздо более серьезная опасность для…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 14 comments