Современные представления об источниках энергии, механизме тектонических движений и деформаций

Источники энергии глубинных геологических процессов:

· Большинство исследователей считают основным источником внутреннего тепла Земли распад радиоактивных элементов, прежде всего урана, тория и калия, содержащихся в коре и мантии (под сомнением).

· Тепло, приобретенное Землей в период ее аккреции и частично унаследованное от протопланетного диска, который, вопреки прежним представлениям, уже успел подвергнуться некоторому разогреву — до 1000—1200 К — в области будущего образования Земли.

· Энергия глубинной гравитационной дифференциации, т. е. выделение тепла при перераспределении вещества Земли по плотности при его химических и фазовых превращениях. Главным здесь является процесс разделения вещества на силикатную и металлическую или, точнее, металлизированную (скорее всего Fe2O или FeO) часть на границе мантии и ядра.

· Источник тепла Земли, связанный уже с внешним по отношению к ней фактором — твердыми приливами, обусловленными гравитационным воздействием на Землю ее соседки — Луны и в значительно меньшей степени Солнца. Переход кинетической приливной энергии в тепло происходит вследствие внутреннего трения вещества в приливных горбах, вслед за Луной обегающих Землю и деформирующих ее тело. В течение фанерозоя должно было смениться три цикла прихода — ухода Луны. В свою очередь эти периодические изменения сказываются и в изменениях скорости вращения Земли и могут вызывать перетекание вещества в мантии (астеносфере) и трещинообразование в коре (литосфере).

· Процессы, вызванные возникновением инверсии плотностей на границе астеносфера — литосфера и в самой литосфере. Одним из проявлений такой гравитационной неустойчивости служит мантийный, точнее астеносферный, диапиризм в основании континентальных рифтов, приводящий к их расширению, погружению и сопровождаемый магматической деятельностью.

· Космогенный фактор, а именно кратерообразующий эффект метеоритных бомбардировок. Действие этого фактора, как и ряда других, эндогенных, было наиболее значительным на ранней стадии развития Земли, но не прекратилось вплоть до современной эпохи.

Современные представления о механизме тектонических движений и деформаций. В основе современных представлений о механизме тектогенеза лежит концепция тектоники литосферных плит, сформулированная к 1968 г.

Основные положения концепции:

1. Исходной предпосылкой тектоники плит служит представление о разделении верхней твердой Земли на две резко различные по реологическим свойствам оболочки — литосферу и астеносферу. В общей форме это положение как и остальные, сохраняет силy, но с теми существенными оговорками, что, во-первых, контраст между вязкостью литосферы и астеносферы существенно уменьшается от океанов к континентам, и это, очевидно, обусловливает меньшую подвижность континентальных плит, и, во-вторых, мощность литосферы и соответственно глубина залегания и мощность астеносферы испытывают значительные изменения при переходе от океанов к континентам; под последними мощность литосферы может достигать 150—200 и, возможно, 400 км.

2. Основополагающим постулатом рассматриваемой концепции является разделение литосферы в глобальном масштабе на ограниченное число крупных и примерно столько же среднемасштабных плит, каждая из которых монолитна, т. е. не способна к внутриплитным деформациям. Последние сосредоточиваются, как показывает распределение сейсмичности, на границах плит. Этот тезис нуждается в двух поправках. Во-первых, наряду с главными плитами и между ними в подвижных поясах Земли приходится выделять большое число малых плит — микро- и мини-плит, из которых последние являются, очевидно, не литосферными, а коровыми. Во-вторых, главные плиты не являются, строго говоря, монолитными, в них существуют ослабленные зоны на месте древних межплитных швов—сутур, а также древних и молодых рифтовых систем, вдоль которых и концентрируются внутриплитные деформации. Это дает основание выделять в пределах крупных плит субплиты, разделенные, в частности, континентальными рифтовыми системами.

3. Согласно третьему положению тектоники плит, литосферные плиты испытывают относительные горизонтальные перемещения трех родов — дивергенцию (раздвиг, спрединг) вдоль осей срединно-океанских хребтов и межконтинентальных рифтов, конвергенцию (субдукцию, коллизию) вдоль окраин океанов и во внутриконтинентальных орогенах и смещение по трансформным разломам.

4. Следующее положение тектоники плит, согласно которому взаимные перемещения плит подчиняются теореме Эйлера, полностью сохраняет свое значение и служит основой для реконструкции кинематики плит в геологическом прошлом с помощью ЭВМ.

5. Иначе обстоит дело с постулатом, касающимся автоматической компенсации спрединга субдукцией и неизменности радиуса Земли. Постулат этот может считаться справедливым лишь относительно, с некоторым допуском, ибо уже периодические изменения скорости вращения Земли указывают на изменения ее объема и радиуса; с этим может быть увязана и определенная периодичность в колебаниях интенсивности сейсмичности, вулканизма, интрузивного магматизма, метаморфизма и тектонических деформаций.

6. Причиной перемещения плит признается конвекция в мантии Земли, причем эта конвекция считается общемантийной и тепловой, а ее воздействие на движение плит — осуществляющимся через сцепление литосферных плит с движущимся под влиянием конвекции астеносферным конвейером, т. е. волочением литосферы. В настоящее время в механизме перемещения плит не меньшая роль отводится их расталкиванию (push) в осях спрединга и особенно их затягиванию (pull) в зоны субдукции под воздействием силы тяжести. Сама конвекция рассматривается не как просто тепловая, а как химико-плотностная, и наряду с моделью общемантийной конвекции активно обсуждается модель двухъярусной конвекции, раздельно в нижней и верхней мантии. Наиболее вероятно, что в истории Земли чередовались периоды общемантийной и двухъярусной конвекции, так же как одноячеистой и двух- (или более) ячеистой. Кроме того, приходится допустить проявление относительно мелкомасштабной конвекции в астеносфере океанов и континентов, а в районах интенсивного разогрева — и в самой литосфере. Таким образом, следует полагать, что конвекция является многоярусной; подчиняясь расслоению твердой Земли на оболочки (геосферы), но наряду с ее автономным проявлением в отдельных геосферах имеет место взаимодействие их конвективных систем — более глубокие системы инициируют конвекцию в менее глубоких.

Процессы, которые не учитывает тектоника плит:

· Гипотеза «горячих точек».

· «Мембранная» гипотеза Д. Тёркота—Е. Оксбурга, согласно которой литосферные плиты, перемещаясь по поверхности Земли и приспосабливаясь к изменяющейся кривизне ее эллипсоида вращения испытывают деформации растяжения или сдвига, могущие способствовать раскрытию разломов и проявлению вдоль них магматизма.

· Другая, также весьма важная в практическом отношении сторона внутриплитного тектогенеза и магматизма, — это формирование осадочных бассейнов. В настоящее время практически общепризнано, что такие бассейны возникают на основе рифтинга.

· Происхождение регматической сети разломов и планетарной трещиноватости. Единственным механизмом, предложенным для объяснения этого тектонического феномена, остается механизм, связывающий его с режимом вращения Земли, т. е. ротационный механизм. Он может рассматриваться в двух вариантах: 1) изменение фигуры Земли, степени ее полярного сжатия в связи с изменением скорости вращения и 2) перестройка фигуры Земли в связи с изменением положения оси ее вращения и, следовательно, полюсов. В обоих случаях возникающая сеть разломов и трещин должна приспосабливаться к ранее образованной и фиксированной в литосфере и, таким образом, представление о регмагенезе увязывается с тектоникой плит.

· Периодичность в изменении интенсивности тектонических и вообще эндогенных процессов. Эта периодичность эндогенных процессов находит отражение в процессах изменения рельефа, осадконакопления, развития органической жизни и увязывается, с одной стороны, с изменениями частоты инверсий магнитного поля, т. е. с изменениями в глубоких недрах Земли, и, с другой стороны, с изменениями скорости осевого вращения Земли и параметров ее орбитального вращения (эксцентриситет орбиты, наклон оси, прецессия). Последние были привлечены М. Миланковичем для объяснения периодичности четвертичных покровных оледенений и получили теперь убедительное подтверждение, причем применительно и к более ранней истории Земли. Можно говорить, - следовательно; о проявлении определенного резонанса между внутренними и внешними, космическими, факторами геодинамики и согласованной периодичности изменений их интенсивности.

Необходимость учета явлений и процессов, не нашедших истолкования в первоначальной концепции тектоники литосферных плит, не подрывает ее основ, но показывает, что она нуждается в расширении и дальнейшем развитии, которое и происходит на наших глазах.

43) Тектонические гипотезы. Фиксизм и мобилизм. Тектонические гипотезы по-разному объясняют развитие самой верхней твердой оболочки Земли. Гипотезы отличаются, прежде всего, объектами исследований и приоритетом направления тектонических движений.

Гипотеза фиксизма (платформ и геосинклиналей) объясняет развитие земной коры, и главное значение отводит вертикальным движениям ее блоков. Свои истоки фиксизм берет в гипотезе контракции земной коры. Согласно последней, остывающая планета уменьшается в объеме, что ведет к складчатым деформациям ее верхней твердой части. Согласно фиксизму, главнейшими структурами земной коры являются платформы (материковые и океанические) и геосинклинальные пояса. Под платформой понимается жесткий устойчивый блок земной коры, не претерпевающий активных тектонических движений (вулканизм и землетрясения редки). Платформы или их участки могут подвергаться лишь медленному воздыманию или погружению. Геосинклиналью называется подвижный участок земной коры, испытывающий быстрые вертикальные перемещения. В пределах геосинклинали земная кора сильно расчленена разломами и отличается повышенной проницаемостью. Геосинклиналям характерны следующие черты:

1. Вертикальная направленность тектонических движений, резкая смена прогибания поднятием.
2. Большие мощности осадочных пород (до 10 – 15 км).
3. Широкое развитие интрузивного и эффузивного магматизма, высокая сейсмичность.
4. Активный метаморфизм горных пород.
5. Интенсивная складчатость всей территории и обилие разломных структур.

Геосинклинали возникают благодаря расколу земной коры и провалу ее блоков в мантию с их последующей переплавкой. На месте провалившегося блока формируется тонкий, а значит подвижный базальтовый слой, то есть образуется земная кора океанического типа. Возникший таким образом морской геосинклинальный бассейн в своем развитии проходит через несколько стадий:

1. Собственно геосинклинальная стадия – идет погружение тонкой и тяжелой океанической коры. Благодаря углублению моря, на дне его накапливаются все более мощные толщи осадочных пород. Базальтовый слой не выдерживает растяжения и разрывается, что ведет к формированию подводных лавовых покровов.

2. Островная стадия – усложняются тектонические движения: на фоне преобладающего погружения отдельные массивы дна испытывают подъем. Активизируются процессы вулканизма и интрузивного магматизма. Вершины вулканических гор поднимаются над водой, формируя островные дуги.

3. Орогенная стадия – дно геосинклинального бассейна, разбитое трещинами на блоки, испытывает активные вертикальные и горизонтальные подвижки, что приводит к общему смятию в складки накопленных осадочных толщ. По линиям разломов происходит активный магматизм и формирование огромных интрузивных тел. Под влиянием давления при складкообразовании, а также под воздействием тепла, газов и растворов интрузий слои осадочных пород подвергаются сильной метаморфизации. Господствует режим тектонического воздымания территории, в результате которого на месте моря возникает горно-складчатая суша.

4. Постгеосинклинальная (платформенная) стадия – на территории горно-складчатой суши постепенно затухают быстрые тектонические движения, главенствующее значение приобретают процессы эрозии и денудации. Сохранившиеся от разрушения «корни» гор причленяются к платформе, наращивая ее площадь. Такой процесс роста континентальной земной коры получил название аккреции.

Гипотеза тектоники литосферных плит зародилась в конце девятнадцатого века как гипотеза дрейфа материков (мобилизма). Гипотеза тектоники литосферных плит объясняет развитие литосферы, и главное значение отводит горизонтальным движениям ее блоков. Согласно этой гипотезе, главными структурами литосферы являются литосферные плиты и разделяющие их рифты. Литосферные плиты, включающие в свой состав участки земной коры как океанического, так и континентального типов, находятся в постоянном горизонтальном движении относительно друг друга. Различие в абсолютной высоте между материковыми и океаническими участками плит объясняется изостазией – явлением уравновешивания мощных, но легких блоков (континентального типа), блоками тонкими, но тяжелыми (океанического типа). Рифты – рассекающие всю литосферу глубинные разломы, в которых происходит раздвиг (растяжение, спрединг) литосферных плит и наблюдается высочайшая сейсмическая активность, а мощность земной коры минимальна (до 0 м).

Основные положения концепции сводятся к тому, что магма, поднимающаяся по рифтовым разломам, изливается на поверхность и застывает, образуя напластования базальтов, представленные в рельефе срединно-океаническими хребтами. Образующиеся при застывании магмы кристаллы ферромагнитных минералов ориентируются в соответствии с направлением линий напряженности магнитного поля Земли. Затем новообразованная океаническая кора разламывается и раздвигается со скоростью до нескольких сантиметров в год в обе стороны от рифта, тем самым увеличивая площадь океана. Этот процесс получил название спрединга. В соответствии с инверсиями магнитного поля Земли, в разрастающейся океанической коре возникают поддающиеся возрастной датировке парные полосы магнитных аномалий, симметрично обрамляющие срединно-океанический хребет. По линиям трансформных разломов происходит сдвиг как срединных хребтов и рифтов, так и полосовых магнитных аномалий. В зоне конвергенции литосферных плит, одна из которых содержит кору материкового типа, а другая – океанического, происходит процесс субдукции. Субдукция заключается в том, что тонкая, но тяжелая плита с океанической корой полого погружается в мантию под гораздо более мощную, но легкую плиту с материковой корой. В том месте, где происходит перегиб океанической плиты, возникает глубоководный желоб. В зоне взаимодействия плит, но ближе к материку, формируется островная дуга, созданная смятыми в складки, метаморфизированными и пронизанными интрузиями слоями морских отложений и, частично, вулканическими породами. Таким образом, благодаря конвергенции происходит, с одной стороны, поглощение океанических участков литосферы, а с другой стороны, приращение континентальных участков. Факты, свидетельствующие в пользу концепции спрединга, можно разделить на три группы:

1. Особенности строения срединно-океанических хребтов:

– сложены базальтоидами с примесью ультраосновных пород;
– они молоды, поскольку почти лишены осадков;
– положительные аномалии силы тяжести, свидетельствующие о близком залегании тяжелых масс;
– высокие значения теплового потока, свидетельствующие о близости раскаленных масс;
– наблюдаются многочисленные мелкофокусные землетрясения, свидетельствующие о малой мощности литосферы.

2. Особенности строения океанического дна:

– наличие полосовых магнитных аномалий, попарно разного знака полярности;
– отсутствие осадочных пород, древнее юрских;
– вулканические конусы и подводные горы вытянуты в линии, в целом параллельные срединно-океаническому хребту;
– увеличение возраста вулканических конусов от срединно-океанического хребта к материкам;
– увеличение возраста и мощности осадочных пород в этом же направлении;
– рост глубины океана с удалением от срединно-океанического хребта;
– снижение величины теплового потока в этом же направлении;

3. Особенности строения зон субдукции:

– вулканизм островных дуг;
– промежуточные и глубокофокусные землетрясения, сосредоточенные в наклонных зонах;
– отрицательные аномалии силы тяжести;
– пониженный тепловой поток.