Попытка обзора (Липкин А. И. фрагмент из главы курса лекций «Концепции современного естествознания» Часть 2

Попытка обзора (Липкин А.И. фрагмент из главы курса лекций «Концепции современного естествознания» Часть 2 (биология и геология). М., РГГУ (в работе))

1.4. Тектоника литосферных плит (основная парадигма)

Рассмотрев общую структуру Земли обратимся к наиболее важным для обитателей Земли представлениям теории тектоники литосферных плит – крупных, до многих миллиона км², глыб земной литосферы, фундамент которых образуют сильно смятые в складки магматические, метаморфизированные и гранитные породы, прикрытые сверху 3-4 километровым "чехлом" осадочных пород. Рельеф платформы составляют обширные равнины и отдельные горные хребты. Ядром каждого материка является одна или несколько древних платформ, окаймленных горными хребтами.

Причина перемещения литосферных плит – тепловая конвекция в мантии Земли. Над восходящими ветвями конвективных течений литосфера испытывает подъём и растяжение, приводящее к раздвигу плит в возникающих рифтовых зонах. С удалением от срединно-океанических рифтов литосфера уплотняется, тяжелеет, поверхность её опускается, что объясняет увеличение глубины океана, и в конечном счёте погружается в глубоководных желобах. В континентальных рифтах затухание восходящих потоков разогретой мантии ведёт к охлаждению и погружению литосферы с образованием бассейнов, заполняемых осадками. В зонах схождения и столкновения плит кора и литосфера испытывают сжатие, мощность коры возрастает, и начинаются интенсивные восходящие движения, ведущие к горообразованию. Все эти процессы, включая движение литосферных плит и слэбов, имеют непосредственное отношение к механизмам формирования полезных ископаемых.

Современные тектонические движения изучаются геодезическими методами, показывающими, что они происходят непрерывно и повсеместно. Скорость вертикальных движений составляет от долей до первых десятков мм, горизонтальных на порядок выше - от долей до первых десятков см в год (Скандинавский п-ов за 25 тыс. лет поднялся на 250 м, Санкт-Петербург за время своего существования поднялся на 1 м [Куликов, с. 174-175]). Т.е. причиной землетрясений, извержений вулканов, медленных вертикальных (горы высотой в тысячи метров образуются за миллионы лет) и горизонтальных перемещений (за сотни миллионов лет это приводит к смещениям в тысячи километров) являются медленные, но чрезвычайно мощные перемещения вещества мантии.

«Положения теории тектоники плит прошли экспериментальную проверку в ходе начатого в 1968 г. глубоководного бурения с американского научно-исследовательского судна "Гломар Челленджер", подтвердившего образование океанов в процессе спрединга, в результате исследований рифтовых долин срединных хребтов, дна Красного моря и Аденского залива со спускаемых подводных аппаратов, также установивших реальность спрединга и существование пересекающих срединные хребты трансформных разломов, и, наконец, в изучении современных движений плит различными методами космической геодезии. С позиций тектоники плит находят объяснение многие геологические явления, но вместе с тем выяснилась большая, чем предусматривалась исходной теорией, сложность процессов взаимных перемещений плит… Не получило объяснения в тектонике плит периодическое изменение интенсивности тектонических движений и деформаций, существование устойчивой глобальной сети глубоких разломов и некоторые др. Остаётся открытым вопрос о начале действия тектоники плит в истории Земли, поскольку прямые признаки плитно-тектонических процессов … известны лишь с позднего протерозоя. Тем не менее некоторые исследователи признают проявление тектоники плит начиная с архея или раннего протерозоя². Из др. планет Солнечной системы некоторые признаки тектоники плит усматриваются на Венере" [Хаин 2001].

"Тектоника плит, первоначально встреченная со скепсисом, особенно в нашей стране, – пишет академик В.Е. Хаин, – получила убедительное подтверждение в ходе глубоководного бурения и наблюдений с подводных спускаемых аппаратов в океанах, в непосредственных измерениях перемещений литосферных плит методами космической геодезии, в данных палеомагнетизма и других материалах и превратилась в первую действительно научную теорию в истории геологии. Вместе с тем за истекшие четверть века, по мере накопления нового и все более разнообразного фактического материала, добытого с помощью новых инструментов и методов, становилось все более очевидным, что тектоника плит не может претендовать на значение всеобъемлющей, подлинно глобальной модели развития Земли" (Геология…, с.43). Поэтому "довольно скоро после своего оформления, тектоника плит стала превращаться в основу других наук о твердой Земле" …Очень большое взаимовлияние… обнаружилось между геотектоникой и геофизикой с одной стороны, и петрологией (наука о горных породах) и геохимией – с другой. Синтез этих наук уже к началу 70-х годов породил новую, комплексную науку – геодинамику, изучающую всю совокупность глубинных, эндогенных (внутренних) процессов, изменяющих литосферу и определяющих эволюцию ее структуры" [Хаин 1997, 156-157], изучающей физические процессы, которые обусловливают развитие твердой Земли в целом, и силы, их вызывающие. "Данные сейсмического “просвечивания” Земли, получившего название “сейсмотомография”, показали, что активные процессы, приводящие в конечном счете к изменениям структуры земной коры и рельефа, зарождаются значительно глубже – в нижней мантии и даже на ее границе с ядром. Да и само ядро, как совсем недавно выяснилось, участвует в этих процессах…

Появление сейсмической томографии определило переход геодинамики на следующий уровень, и в середине 80-х годов она породила глубинную геодинамику, ставшую самым молодым и перспективным направлением в науках о Земле. В решении новых задач на помощь, кроме сейсмотомографии, пришли и некоторые другие науки: экспериментальная минералогия, благодаря новой аппаратуре имеющая теперь возможность исследовать поведение минерального вещества при давлениях и температурах, отвечающих максимальным глубинам мантии; изотопная геохимия, изучающая, в частности, баланс изотопов редких элементов и благородных газов в разных оболочках Земли и сравнивающая его с метеоритными данными; геомагнетизм, пытающийся раскрыть механизм и причины инверсий магнитного поля Земли; геодезия, уточняющая фигуру геоида (а также, что не менее важно, горизонтальные и вертикальные перемещения земной коры), и некоторые другие ветви наших знаний о Земле…

Уже первые результаты сейсмотомографических исследований показали, что современная кинематика литосферных плит вполне адекватна… лишь до глубин 300-400 км, а ниже картина перемещений мантийного вещества становится существенно иной…

(Однако) теория тектоники литосферных плит продолжает удовлетворительно объяснять развитие земной коры континентов и океанов на протяжении по крайней мере последних 3 млрд лет, а спутниковые измерения перемещения литосферных плит подтвердили наличие перемещений для современной эпохи.

(Таким образом,) В настоящее время вырисовывается следующая картина. В поперечном сечении земного шара существуют три наиболее активных слоя, каждый мощностью в несколько сотен километров: астеносфера и слой D'' в основании мантии. По-видимому, им принадлежит ведущая роль в глобальной геодинамике, превращающейся в нелинейную геодинамику Земли как открытой системы [Геология…], т.е. синергетические эффекты типа эффекта Бенара (см. Часть 1, гл. 9), могут иметь место в мантии и жидком ядре.

Д

Она становится… почти равноправным партнером плейт-тектоники (тектоники литосферных плит). Доказывается, в частности, что глобальный масштаб выноса глубинного тепла через “горячие точки” превосходит тепловыделение в зонах спрединга срединно-океанских хребтов… Имеются серьезные основания предполагать, что корни суперплюмов достигают самых низов мантии… Главная проблема – соотношение конвекции, управляющей кинематикой литосферных плит, с адвекцией (горизонтальным перемещением), вызывающей подъем плюмов. Они уже в принципе не могут быть независимыми процессами. Однако поскольку каналы, по которым поднимаются мантийные струи, более узкие, пока нет сейсмотомографических признаков его подъема из нижней мантии.

Очень важен вопрос о стационарности плюмов. Краеугольным камнем гипотезы Вилсона-Моргана было представление о фиксированном положении корней плюмов в подлитосферной мантии и о том, что образование вулканических цепей, с закономерным увеличением возраста построек по мере удаления от современных центров извержений, обязано “прошиванию” движущихся над ними литосферных плит горячими мантийными струями… Однако совершенно бесспорных примеров вулканических цепей гавайского типа не так уж много… Таким образом, в проблеме плюмов остается еще много неясного" [Хаин 2002].

1.5. Геодинамика Е.В.Артюшкова

Согласно изложенной в этой книге концепции основным источником энергии, для всех тектонических процессов является процесс гравитационной дифференциации вещества, который происходит в нижней мантии. После отделения от породы нижней мантии тяжелой компоненты (железа и пр.), которая опускается в ядро, «остается смесь твердых веществ, более легкая, чем вышележащая нижняя мантия… Расположение слоя легкого материала под более тяжелым веществом неустойчиво… Поэтому накапливающийся под нижней мантией легкий материал периодически собирается в крупные блоки размером порядка 100 км и всплывает в верхние слои планеты. Из этого материала за время жизни Земли сформировалась верхняя мантия.

Нижняя мантия скорее всего представляет собой первичное, еще не продифференцированное вещество Земли. В процессе эволюции планеты происходит рост ядра и верхней мантии за счет нижней мантии.

Наиболее вероятно, что подъем блоков легкого материала в нижней мантии происходит вдоль каналов⁴ (см. рис. 12.6), в которых температура вещества сильно повышена, а вязкость резко понижена. Повышение температуры связано с выделением большого количества потенциальной энергии при подъеме легкого материала в поле силы тяжести на расстояние ~2000 км. Пройдя через такой канал, легкий материал также сильно нагревается, на величину ~1000°. Поэтому в верхнюю мантию он поступает аномально нагретым и более легким по отношению к окружающим областям.

Подъем легкого материала по каналам в нижней мантии происходит периодически с интервалами примерно в 200 млн. лет. В эпоху его подъема за время в несколько десятков миллионов лет и менее в верхние слои Земли с границы ядро — мантия поступают крупные массы сильно нагретого легкого материала, соответствующие по объему слою верхней мантии мощностью в несколько десятков километров и более. Однако внедрение легкого материала в верхнюю мантию происходит не повсеместно. Каналы в нижней мантии расположены на больших расстояниях друг от друга, порядка нескольких тысяч километров. Они могут образовывать и линейные системы, где каналы располага­ются ближе друг к другу, но сами системы также будут сильно удалены друг от друга. Прошедший через каналы легкий материал в верхней мантии всплывает в основном вертикально и заполняет области, расположенные над каналами (см. рис. 12.6), не распространяясь на большие расстояния в горизонтальном направлении. В верхних частях мантии недавно внедрившиеся крупные объемы легкого материала образуют сильно выраженные высокотемпературные неоднородности с повышенной электропроводностью, пониженными скоростями упругих волн и их повышенным затуханием. Горизонтальный масштаб неоднородностей в поперечном направлении ~1000 км…

В верхних слоях верхней мантии происходит резкое понижение вязкости ее вещества. Благодаря этому на глубинах в среднем от 100 до 200 км образуется слой пониженной вязкости — астеносфера. Ее вязкость в областях сравнительно холодной мантии η ~ 10¹⁹ — 10²⁰ пуаз.

Там, где в астеносфере расположены недавно поднявшиеся с границы ядро-мантия крупные массы легкого нагретого материала, вязкость этого слоя падает еще сильнее, а мощность увеличивается. Над астеносферой находится много более вязкий слой — литосфера, которая в общем случае включает кору и верхние, наиболее холодные и вязкие слои верхней мантии. Мощность литосферы в стабильных областях ~100 км и достигает несколько сотен км. Значительное повышение вязкости, по крайней мере на три порядка величины, происходит и в мантии под астеносферой.

Химическая конвекция связана с большими перемещениями крупных масс вещества в верхней мантии. Однако течения в мантии сами по себе не приводят к значительным вертикальным или горизонтальным смещениям литосферы. Это связано с резким понижением вязкости в астеносфере, играющей роль смазочного слоя между литосферой и основной частью мантии, расположенной под астеносферой. Из-за существования астеносферы вязкое взаимодействие литосферы с течениями в подстилающей мантии, даже при их большой интенсивности, оказывается слабым. Поэтому тектонические движения земной коры и литосферы не связаны непосредственно с этими течениями" [Артюшков, с. 288-291] и механизмы вертикального и горизонтального движения литосферы требуют особого рассмотрения.

1.5.1. Вертикальные движения литосферы

"В областях внедрения в астеносферу крупных масс сильно нагретого легкого материала происходит его частичное плавление и диффе­ренциация. Выделившиеся при дифференциации наиболее легкие компоненты легкого материала, всплывая наверх, быстро проходят через астеносферу и достигают подошвы литосферы, где скорость их всплывания резко падает. Это вещество в ряде областей образует скопления так называемой аномальной мантии в верхних слоях Земли. По составу она примерно соответствует нормальной мантии под корой в стабильных областях, но отличается гораздо более высокой температурой, до 1300-1500°, и пониженными скоростями продольных упругих волн. Из-за повы­шенной температуры плотность аномальной мантии оказывается ниже плотности нормальной мантии. Ее поступление под литосферу приводит к изостатическому подня­тию последней (по закону Архимеда – А.Л.).

… Благодаря высокой температуре вязкость аномальной мантии очень низка. Поэтому поступая к литосфере, она быстро рас­текается вдоль ее подошвы, вытесняя ранее распо­лагавшееся здесь менее сильно нагретое и более плотное вещество астеносферы. При своем движении аномальная мантия заполняет те области, где подошва литосферы приподнята, — ловушки, и обтекает глубоко погруженные участки подошвы литосферы — антиловушки. В результате кора над ловушками испытывает изостатическое поднятие, а над антиловушками в первом приближении остается стабильной.

Охлаждение коры и верхнего слоя мантии до глубины ~100 км происходит очень медленно и занимает несколько сотен миллионов лет. Поэтому неоднородности мощности литосферы, обусловленные горизонтальными температурными вариациями, обладают большой инерционностью.

… Если ловушка расположена вблизи от восходящего потока аномальной мантии из глубины, то она захватывает ее в большом количестве и сильно нагретой. В результате над ловушкой образуется крупное горное сооружение… По этой схеме возникают высокие поднятия в области эпиплатформенного орогенеза (горообразования) в складчатых поясах на месте бывших невысоких горных сооружений, а также на островных дугах.

… Слой аномальной мантии в ловушке под бывшим щитом при охлаждении сжимается на 1—2 км. При этом расположенная над ним кора испытывает погружение, а в образующемся прогибе накапливаются осадки. Под их тяжестью литосфера дополнительно погружается. Конечная глубина сформировавшего­ся таким образом осадочного бассейна может достигать 5—8 км.

Одновременно с уплотнением мантии в ловушке в нижней части базальтового слоя коры может происходить фазовое превращение базальта в более плотные гранатовый гранулит и эклогит. Оно так­же способно обеспечить сжатие литосферы на величину до 1—2 км и погружение до 5—8 км при заполнении прогиба осадками.

Описанные процессы сжатия в литосфере развиваются медленно, за времена  10² млн. лет. Они приводят к образованию осадочных бассейнов на платформах. Их глубина определяется интенсив­ностью уплотнения мантии в ловушке и вещества коры в базаль­товом слое и может достигать 15—16 км.

… Тепловой поток, идущий из аномальной мантии, прогревает вышележащую мантию в литосфере и понижает ее вязкость. Поэтому аномальная мантия постепенно вытесняет расположенную в литосфере более плотную нормальную мантию и поступает на ее место к коре, значительно охладившись. При контакте аномальной мантии имеющей температуру Τ~800-900°С, с базальтовым слоем коры в этом слое за время ~ 1—10 млн. лет развивается фазовый переход в эклогит. Плотность эклогита выше плотности мантии. Поэтому он отрывается от коры и погружается в расположенную ниже астеносферу. Сильно утоненная кора изостатически погружается (см. рис. 12.6), и при этом возникает глубокая впадина, вначале заполняющаяся водой, а впоследствии—мощной толщей осадков. По описанной схеме образуются депрессии внутренних морей с консолидированной корой сильно пониженной мощности. Примерами могут служить Черноморская впадина и глубоководные впадины западного Средиземноморья.

Над областями подъема материала из мантии обычно развиваются как восходящие, так и нисходящие движения. Высокие горные сооружения образуются при заполнении высокотемпературной аномальной мантией (T1000°С) ловушек под щитами и невысо­кими горами. Внутренние моря возникают на месте соседних оса­дочных бассейнов при проникновении к коре охладившейся ано­мальной мантии с Τ~800-900°С. Сочетание образовавшихся на новейшем этапе высоких гор и глубоких впадин в настоящее время характерно для Альпийского геосинклинального пояса Евразии.

…Подъем ано­мальной мантии из глубины происходит в различных областях Земли. Если ловушки оказываются поблизости от таких областей, то они вновь захватывают аномальную мантию, а расположенная над ними территория снова испытывает поднятия. Антиловушки в большинстве случаев обтекаются аномальной мантией, и кора под ними продолжает погружаться" [Артюшков, с. 291-293].

1.5.2. Горизонтальные движения литосферы

Разрастание дна океана и дрейф материков происходят вслед­ствие одновременного расширения срединно-океанических хребтов и погружения в мантию плит океанической литосферы. Под средин­ными хребтами расположены крупные массы сильно нагретой ано­мальной мантии (см. рис. 12.6). В осевой части хребтов они находятся непосредственно под корой мощностью не более 5—7 км. Мощность литосферы здесь резко сокращена и не превышает мощ­ности коры. Аномальная мантия растекается из области повышен­ного давления — из-под гребня хребта в стороны. При этом она лег­ко разрывает тонкую океаническую кору, после чего в окружающих хребет океанических областях в литосфере возникает сжимающая сила Σ_ХР ~ 10⁹ барсм. Под действием этой силы возможно пере­мещение плит океанической литосферы в стороны от оси хребта. Разрыв, образующийся в коре на оси хребта, заполняется базаль­товой магмой, выплавляющейся из аномальной мантии. Застывая, она образует новую океаническую кору. Таким образом происходит разрастание дна океана.

Вязкость аномальной мантии под срединными хребтами из-за ее высокой температуры сильно понижена. Она может достаточно быстро растекаться, и поэтому разрастание дна океана происходит с высокой скоростью, в среднем от нескольких сантиметров до де­сяти сантиметров в год. Океаническая астеносфера также обладает сравнительно низкой вязкостью. При скорости движения литосферных плит ~10 см/год вязкое трение между литосферой и астеносферой под океанами практически не препятствует раз­растанию дна океана и слабо влияет на напряжения в литосферном слое…

Литосферные плиты движутся по направлению от хребтов к зонам погружения. Если эти области расположены в одном и том же океане, то движение литосферы по астеносфере, имеющей низкую вязкость, происходит с высокой скоростью. В настоящее время такая ситуация характерна для Тихого океана.

Когда разрастание дна имеет место в одном океане, а компен­сирующее его погружение — в другом, то происходит дрейф распо­ложенного между ними континента в сторону области погружения. Вязкость астеносферы под континентами много выше, чем под океанами. Поэтому вязкое трение между литосферой и континен­тальной астеносферой оказывает заметное сопротивление движению, снижая скорость расширения дна, если оно не компенсируется по­гружением литосферы в мантию в том же океане. В результате, например, разрастание дна в Атлантическом океане происходит в несколько раз медленнее, чем в Тихом.

На границе между континентальной и океанической плитами в области погружения последней в мантию действует сила сжатия ~ 10⁹ барсм. Быстрое относительное перемещение плит вдоль этой границы в условиях сжимающих напряжений приводит к часто повторяющимся сильным землетрясениям". При этом "общей причиной движения коры и мантии является стремление Земли достичь состояния с минимальной потенциальной энергией" [Артюшков, с. 294-296, 299].