Лекция 20. Геотектонические гипотезы. Тектоника литосферных плит

В процессе становления, а затем и развития геологии как науки предлагались многие гипотезы, каждая из которых с тех или иных позиций рассматривала и объясняла либо отдельные проблемы, либо комплекс проблем, касающихся развития земной коры или Земли в целом. Эти гипотезы получили название геотектонических. Одни из них из-за недостаточной убедительности быстро утрачивали свое значение в науке, другие же оказывались более долговечными, опять-таки до тех пор, пока не накапливались новые факты и представления, положенные в основу новых гипотез, более соответствующих данному этапу развития науки. Несмотря на большие успехи, достигнутые в изучении строения и развития земной коры, ни одна из современных гипотез и теорий (даже признанных) не в состоянии с достаточной достоверностью и в полной мере объяснить все условия формирования земной коры.

Первая научная гипотеза—гипотеза поднятия— была сформулирована в первой половине XIX в. на основе представлений плутонистов о роли внутренних сил Земли, которая сыграла положительную роль в борьбе с ошибочными представлениями нептунистов. В 50-х гг. XIX в. она была заменена более обоснованной в то время гипотезой контракции (сжатая), изложенной французским ученым Эли де Бомоном. Гипотеза контракции опиралась на космогоническую гипотезу Лапласа, признававшую, как известно первичное горячее состояние Земли и последующее постепенное ее охлаждение.

Сущность контракционной гипотезы заключается в том, что охлаждение Земли вызывает ее сжатие с последующим уменьшением ее объема. В результате земная кора, затвердевшая раньше внутренних зон планеты, вынуждена сморщиваться, отчего образуются складчатые горы.

Во второй половине XIX в. американскими учеными Дж. Холлом и Дж. Дэном было сформулировано учение о геосинклиналях — особых подвижных зонах земной коры со временем превращающихся в складчатые горные сооружения. Это учение заметно усилило позиции гипотезы контракции. Однако к началу XX в. в связи с получением новых данных о Земле эта гипотеза стала утрачивать свое значение, так как оказалась не в состоянии объяснить периодичность горообразовательных движений и процессов магматизма, игнорировала процессы растяжения и т. д. К тому же в науке возникли представления об образовании планеты из холодных частиц, что лишило гипотезу ее основной опоры.

Вместе с тем учение о геосинклиналях продолжало дополняться и развиваться. В этом отношении большой вклад внесен и советскими учеными А. Д. Архангельским, Н. С. Шатским, М. В. Муратовым и др. Наряду с представлениями о подвижных зонах — геосинклиналях и на основе их в конце XIX в. и особенно с начала XX в. стало развиваться учение об относительно устойчивых континентальных площадях — платформах; из отечественных ученых, развивавших это учение, надо прежде всего назвать А. П. Карпинского, А. Д. Архангельского, Н. С. Шатского, А. А. Богданова, А. Л. Яншина.

Учение о геосинклиналях и платформах прочно вошло в геологическую науку и сохраняет свое значение до настоящего времени. Однако прочной теоретической базы оно до сих пор не имеет.

Стремление к дополнению и устранению недостатков в контракционной гипотезе или, наоборот, к ее полной замене привело к появлению на протяжении первой половины XX в. ряда новых геотектонических гипотез. Отметим некоторые из них.

Пульсационная гипотеза. В основе ее лежит представление о чередовании процессов сжатия и расширения Земли — процессов, весьма характерных для Вселенной в целом. М. А. Усов и В. А. Обручев, развивавшие эту гипотезу, с фазами сжатия связывали складчатость, надвиги, внедрение кислых интрузий, а с фазами расширения — возникновение трещин в земной коре и излияние по ним преимущественно основных лав.

Гипотеза дифференциации подкорового вещества и миграции радиоэлементов. Под действием гравитационной дифференциации и радиогенного разогрева происходит периодическое выплавление жидких компонентов из атмосферы, что влечет за собой разрывы земной коры, вулканизм, горообразование и другие явления. Одним из авторов этой гипотезы является известный советский ученый В. В. Белоусов.

Гипотеза дрейфа материков. Она была изложена в 1912 г. немецким ученым А. Вегенером и принципиально отличается от всех других гипотез. Основана на принципах мобилизма — признания значительных горизонтальных перемещений обширных континентальных масс. Большинство гипотез исходило из принципов фиксизма — признания стабильного, фиксированного положения отдельных частей земной коры, относительно подстилающей мантии (такими являются гипотезы контракции, дифференциации подкорового вещества и миграции радиоэлементов и др.).

Согласно представлениям А. Вегенера, гранитный слой земной коры “плавает” по базальтовому слою. Под влиянием вращения Земли он оказался собранным в единый материк Пангея. В конце палеозойской эры (около 200—300 млн. лет назад) произошло дробление Пангеи на отдельные блоки и начался их дрейф, пока они не заняли современное положение. Под влиянием дрейфа блоков Северной и Южной Америки на запад возник Атлантический океан, а сопротивление, которое испытывали эти материки при своем движении по базальтовому слою, способствовало возникновению таких гор, как Анды и Кордильеры. По тем же причинам Австралия и Антарктида раздвинулись и сместились на юг и т. д.

Подтверждение своей гипотезы А. Вегенер видел в сходстве контуров и геологического строения побережий по обе стороны Атлантического океана, в сходстве ископаемых организмов материков, далеко отстоящих друг от друга, в различном строении земной коры в пределах океанов и материков.

Появление гипотезы А. Вегенера вызвало большой интерес, но он сравнительно быстро угас, так как она не в состоянии была объяснить многие явления, а главное — возможность движения материков по базальтовому слою. Тем не менее, как увидим ниже, мобилистские взгляды, но на совершенно новой основе, возродились и получили широкое признание во второй половине XX в.

Ротационная гипотеза. Занимает обособленное место среди геотектонических гипотез, так как усматривает проявление тектонических процессов на Земле под воздействием внеземных причин, а именно притяжения Луны и Солнца, вызывающих твердые приливы в земной коре и мантии, замедляющие вращение Земли и изменяющие ее форму. Следствием этого являются не только вертикальные, но и горизонтальные перемещения отдельных глыб земной коры. Гипотеза не находит широкого признания, так как абсолютное большинство ученых считают, что тектогенез является результатом проявления внутренних сил Земли. Вместе с тем влияние внеземных причин на формирование земной коры, очевидно, тоже необходимо учитывать.

Теория новой глобальной тектоники, или тектоники литосферных плит. С начала второй половины XX в. развернулись обширные геолого-геофизические исследования дна Мирового океана. Результатом их явилось появление совершенно новых представлений о развитии океанов, таких, например, как раздвиг литосферных плит и формирование молодой океанической коры в рифтовых долинах, образование континентальной коры в зонах поддвига литосферных плит и др. Эти представления привели к возрождению в геологической науке мобилистских идей и к появлению теории новой глобальной тектоники, или тектоники литосферных плит.

В основу новой теории положено представление, что вся литосфера (т. е. земная кора совместно с верхним слоем мантии) разделяется узкими тектонически активными зонами на отдельные жесткие плиты, перемещающиеся по астеносфере (пластичный слой в верхней мантии). Активными тектоническими зонами, характеризующимися высокой сейсмичностью и вулканизмом, являются рифтовые зоны срединно-океанических хребтов, системы островных дуг и глубоководных желобов океанов, рифтовые долины на материках. В рифтовых зонах срединно-океанических хребтов происходит раздвигание плит и образование новой океанической коры, а в глубоководных желобах — поддвигание одних плит под другие и образование континентальной коры. Возможно и столкновение плит — результатом такого явления считается образование Гималайской складчатой зоны.

Различают семь крупных литосферных плит и несколько большее число мелких. Эти плиты получили следующие названия: 1) Тихоокеанская, 2) Северо-Американская, 3) Южно-Американская, 4) Евразийская, 5) Африканская, 6) Индо-Австралийская и 7) Антарктическая. В состав каждой из них входят один или несколько материков или их части и океаническая кора, за исключением Тихоокеанской плиты, почти целиком состоящей из океанической коры. Одновременно с горизонтальными перемещениями плит происходили и их повороты.

Перемещение литосферных плит, согласно данной теории, вызывается конвективными течениями вещества в мантии, порождаемыми теплом, выделяемым при радиоактивном распаде элементов и гравитационной дифференциации вещества в недрах Земли. Однако аргументированность тепловой конвекции в мантии, по мнению многих ученых, является недостаточной. Это касается также возможности погружения океанских плит в мантию на большую глубину и ряда других положений. Поверхностным выражением конвективного движения служат рифтовые зоны срединно-океанских хребтов, где относительно более нагретая мантия, поднимаясь к поверхности, подвергается плавлению. Она изливается в виде базальтовых лав и застывает. Далее в эти застывшие породы вновь внедряется базальтовая магма и раздвигает в обе стороны более древние базальты. Так происходит много раз. При этом океанское дно наращивается, разрастается. Подобный процесс получил название спрединга. Скорость разрастания океанского дна колеблется от нескольких мм до 18 см в год.

Другие границы между литосферными плитами являются конвергентными, то есть земная кора на эти участках поглощается. Такие зоны были названы зонами субдукции. Располагаются они по краям Тихого океана и на востоке Индийского. Тяжелая и холодная океанская литосфера, подходя к более толстой и легкой континентальной, уходит под нее, как бы подныривает. Если в контакт входят две океанские плиты, то погружается более древняя, так как она тяжелее и холоднее, чем молодая плита.

Зоны, где происходит субдукция, морфологически выражены глубоководными желобами, а сама погружающаяся океанская холодная и упругая литосфера хорошо устанавливается по данным сейсмической томографии. Угол погружения океанских плит различный, вплоть до вертикального, и плиты прослеживаются до границы верхней и нижней мантий на глубине примерно 670 км.

Когда океанская плита при подходе к континентальной начинает резко изгибаться, в ней возникают напряжения, которые, разряжаясь, провоцируют землетрясения. Гипоцентры или очаги землетрясений четко маркируют границу трения между двумя плитами и образуют наклонную сейсмофокальную зону, погружающуюся под континентальную литосферу до глубин 700 км. Эти зоны называются зонами Беньофа, в честь исследовавшего их американского сейсмолога.

Погружение океанской литосферы приводит еще к одним важным последствиям. При достижении литосферы глубины 100 – 200 км в области высоких температур и давлений из нее выделяются флюиды – особые перегретые минеральные растворы, которые вызывают плавление горных пород континентальной литосферы и образование магматических очагов, питающих цепи вулканов, развитых параллельно глубоководным желобам на активных континентальных окраинах.

Таким образом, на активной континентальной окраине благодаря субдукции наблюдается сильно расчлененный рельеф, высокая сейсмичность и энергичная вулканическая деятельность.

Кроме явления субдукции существует так называемая обдукция, то есть надвигание океанской литосфера на континентальную, примером которой является огромный тектонический покров на восточной окраине Аравийского полуострова, сложенный типичной океанской корой.

Следует также упомянуть о столкновении, или коллизии, двух континентальный плит, которые в силу относительной легкости слагающего их материала не могут погрузиться друг под друга, а сталкиваются, образуя горно-складчатый пояс с очень сложным внутренним строением.

Основными положениями тектоники литосферных плит являются следующие:

1.Первой предпосылкойтектоники плит является разделение верхней части твердой Земли на две оболочки, существенно отли­чающиеся по реологическим свойствам (вязкости),— жесткую и хрупкую литосферу и более пластичную и подвижную астеносферу. Как уже говорилось, выделение этих двух оболочек произво­дится по сейсмологическим или магнитотеллурическим данным.

2.Второе положениетектоники плит, которому она и обязана своим названием, состоит в том, что литосфера естественно под­разделена на ограниченное число плит—в настоящее время семь крупных и столько же малых.Основанием для их выде­ления и проведения границ между ними служит размещение оча­гов землетрясений.

3.Третье положениетектоники плит касается характера их взаимных перемещении. Различают три рода таких перемещений и соответственно границ между плитами: 1)дивергентные грани­цы,вдоль которых происходит раздвижение плит,— спрединг; 2) конвергентные границы,на которых идет сближение плит, обычно выражающееся поддвигом одной плиты под другую; если океанская плита пододвигается под континентальную, этот процесс называетсясубдукцией,если океанская плита надвигается на континентальную —обдукцией;если сталкиваются две континентальные плиты, тоже обычно с поддвигом одной под другую,— коллизией; 3)трансформные границы, вдоль которых происходит горизонтальное скольжение одной плиты относительно другой по плоскости вертикального трансформного разлома.

В природе преобладают границы первых двух типов.

На дивергентных границах, в зонах спрединга, происходит не­прерывное рождение новой океанской коры; поэтому эти границы называют еще конструктивными.Кора эта перемещается астеносферным течением в сторону зон субдукции, где она поглощается на глубине; это дает основание называть такие границыдеструктивными.

Четвертое положениетектоники плит заключается в том, что при своих перемещениях плиты подчиняются законам сферической геометрии, а точнеетеореме Эйлера,согласно которой любое пе­ремещение двух сопряженных точек по сфере совершается вдоль окружности, проведенной относительно оси, проходящей через центр Земли.

5.Пятое положениетектоники плит гласит, что объем погло­щаемой в зонах субдукции океанской коры равен объему коры, нарождающейся в зонах спрединга.

6.Шестое положениетектоники плит усматривает основную причину движения плит в мантийнойконвекции.Эта конвекция в классической модели 1968г. является чисто тепловой и общеман­тийной, а способ ее воздействия на литосферные плиты состоит в том, что эти плиты, находящиеся в вязком сцеплении с астеносферой, увлекаются течением последней и движутся на манер ленты конвейера от осей спрединга к зонам субдукции. В целом схе­ма мантийной конвекции, приводящей к плитнотектонической модели движений литосферы, состоит в том, что под срединно-океан­скими хребтами располагаются восходящие ветви конвективных ячей, под зонами субдукции—нисходящие, а в промежутке между хребтами и желобами, под абиссальными равнинами и конти­нентами — горизонтальные отрезки этих ячей.

Теория новой глобальной тектоники, или тектоники литосферных плит особенно популярна за рубежом: признается она и многими советскими учеными, которые не ограничиваются общим признанием, а много работают над уточнением основных его положений, дополняя, углубляя и развивая их. Советский ученый-мобилист А. В. Пейвс, развивая эту теорию, пришел, однако, к выводу, что гигантских жестких литосферных плит вообще не существует, а литосфера, в силу того что она пронизана горизонтальными, наклонными и вертикальными подвижными зонами, состоит из отдельных пластин (“литопластин”), перемещающихся дифференцированно. Это существенно новый взгляд на одно из основных, но спорных положений данной теории.

Отметим, что определенная часть ученых-мобилистов (как за рубежом, так и отечественных) в своих взглядах проявляют крайне отрицательное отношение к классическому учению о геосинклиналях по сути полностью его отвергают, не считаясь с тем, что многие положения этого учения опираются на достоверные факты и наблюдения, установленные и осуществленные при геологических исследованиях материков.

Очевидно, что наиболее правильным путем в создании действительно глобальной теории Земли является не противопоставление, а выявление единства и взаимосвязи между всем положительным, отраженном в классическом учении о геосинклиналях, и всем тем новым, что раскрывается в теории новой глобальной тектоники.