Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Глобальная тектоника

.doc
Скачиваний:
35
Добавлен:
24.06.2017
Размер:
2.64 Mб
Скачать

Еще в XVII веке удивительное совпадение очертаний береговых линий западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки наводило некоторых ученых на мысль о том, что континенты гуляют по планете. Но только три века спустя, в 1912 году, немецкий метеоролог Альфред Лотар Вегенер подробно изложил свою гипотезу континентального дрейфа, согласно которой относительное положение континентов менялось на протяжении истории Земли. Одновременно он выдвинул множество аргументов в пользу того, что в далеком прошлом континенты были собраны вместе. Помимо сходства береговых линий им были обнаружены соответствие геологических структур, непрерывность реликтовых горных хребтов и тождественность ископаемых остатков на разных континентах. Профессор Вегенер активно отстаивал идею о существовании в прошлом единого суперконтинента Пангея, его расколе и последующем дрейфе образовавшихся континентов в разные стороны. Но эта необычная теория не была воспринята всерьез, потому что с точки зрения того времени казалось совершенно непостижимым, чтобы гигантские континенты могли самостоятельно перемещаться по планете. К тому же сам Вегенер не смог предоставить подходящий механизм, способный двигать континенты.

Возрождение идей этого ученого произошло в результате исследований дна океанов. Дело в том, что наружный рельеф континентальной коры хорошо известен, а вот океанское дно, в течение многих веков надежно укрытое многокилометровой толщей воды, оставалось недоступным для изучения и служило неисчерпаемым источником всевозможных легенд и мифов. Важным шагом вперед в изучении его рельефа явилось изобретение прецизионного эхолота, с помощью которого стало возможным непрерывно измерять и регистрировать глубину дна по линии движения судна. Одним из поразительных результатов интенсивного исследования дна океанов стали новые данные о его топографии. Сегодня топографию океанского дна легче картировать благодаря спутникам, очень точно измеряющим высоту морской поверхности: ее в точности отображают различия уровня моря от места к месту.

Вместо плоского, лишенного каких-либо особых примет, прикрытого илом дна обнаружились глубокие рвы и крутые обрывы, гигантские горные хребты и крупнейшие вулканы. Особенно явственно выделяется на картах Срединно-Атлантический горный хребет, рассекающий Атлантический океан точно посередине.

Оказалось, что дно океана стареет по мере удаления от срединно-океанического хребта, расползаясь от его центральной зоны со скоростью несколько сантиметров в год. Действием этого процесса можно объяснить сходство очертаний континентальных окраин, если предполагать, что между частями расколовшегося континента образуется новый океанический хребет, а океаническое дно, наращиваемое симметрично с обеих сторон, формирует новый океан. Атлантический океан, посреди которого лежит Срединно-Атлантический хребет, вероятно, возник именно таким образом. Но если площадь морского дна увеличивается, а Земля не расширяется, то что-то в глобальной коре должно разрушаться, чтобы скомпенсировать этот процесс. Именно это и происходит на окраинах большей части Тихого океана. Здесь литосферные плиты сближаются, и одна из сталкивающихся плит погружается под другую и уходит глубоко внутрь Земли. Такие участки столкновения отмечаются активными вулканами, которые протянулись вдоль берегов Тихого океана, образуя так называемое огненное кольцо.

Непосредственное бурение морского дна и определение возраста поднятых пород подтвердили результаты палеомагнитных исследований. Эти факты легли в основу теории новой глобальной тектоники, или тектоники литосферных плит, которая произвела настоящую революцию в науках о Земле и принесла новое представление о внешних оболочках планеты. Главной идеей этой теории являются горизонтальные движения плит.

Тектоника плит — это основной процесс, который в значительной степени формирует облик Земли. Слово тектоника происходит от греческого тектон — строитель или плотник, плитами же в тектонике называют куски литосферы. Согласно этой теории литосфера Земли образована гигантскими плитами, которые придают нашей планете мозаичную структуру. По поверхности Земли движутся не континенты, а литосферные плиты. Медленно передвигаясь, они увлекают за собой континенты и океаническое дно. Плиты сталкиваются друг с другом, выдавливая земную твердь в виде горных хребтов и горных систем, или продавливаются вглубь, создавая сверхглубокие впадины в океане. Их могучая деятельность прерывается лишь краткими катастрофическими событиями — землетрясениями и извержениями вулканов. Почти вся геологическая активность сосредоточена вдоль границ плит.

То, что плиты перемещаются, вполне доказано (с помощью спутников можно точно измерить изменение расстояния между двумя точками на разных плитах и определить скорость их перемещения), но механизм их движения все еще до конца неизвестен. Существующая теория объясняет движение плит тем, что возникающие в толще мантии горячие зоны выбрасывают к поверхности нагретое подвижное вещество — плюмы, которые своим напором заставляют континенты смещаться. Вопрос о том, когда процессы плитовой тектоники возникли впервые, обсуждается среди специалистов уже более трех десятилетий. Сначала считалось, что они сравнительно молоды — всего несколько сот миллионов лет, но в связи с новыми данными их возраст может быть отодвинут глубоко в архейскую эру. Если это предположение подтвердится, то придется признать, что примерно 2,5 млрд. лет назад Земля выделяла тепловую энергию на поверхность таким же образом, как и сегодня.

Глубоко под земной корой ученые открыли колоссальные плюмы медленно движущейся горячей мантии, которые обеспечивают механизм, приводящий в движение тектонические плиты, вызывающий землетрясения и изменяющий климат. Это открытие — самая исчерпывающая модель для объяснения явлений, происходящих на поверхности Земли.

Медленно бьющая из горячей мантии порода подняла земную кору в некоторых местах. Южная Африка выше Северной на 1 000 м.

К сожалению, теория тектоники плит не объясняет, как движение плит связано с процессами, происходящими в глубине планеты, поэтому необходима иная теория, описывающая не только строение и передвижение литосферных плит, но и внутреннее строение самой Земли, и те процессы, которые происходят в ее недрах. Однако разработка такой теории связана с большими трудностями, так как требует совместных усилий геологов, геофизиков, физиков, химиков, математиков и географов. И тем не менее попытки ее создания не прекращаются.

Весной 2001 года Алессандро Форте из университета Западного Онтарио и Джерри Митровица из университета Торонто в Канаде представили собственную модель, согласно которой огромные потоки горячей породы (плюмы) размером с континент, медленно поднимающиеся из глубоких земных недр, являются истинной движущей силой для дрейфа континентов, землетрясений, извержений вулканов и даже изменений климата. Первым толчком для создания этой модели послужили изображения внутренней структуры Земли, полученные с помощью сейсмической томографии (многолучевого просвечивания Земли сейсмическими волнами от большого числа землетрясений, принимаемых сетью сейсмостанций). Удивительные изображения мантии, от подошвы земной коры до границы мантия—ядро, показывали, что на окраинах Тихого океана, глубоко под его дном, имеются две обширные дугообразные области, где скорости сейсмических волн увеличиваются, а под центральной частью Атлантического океана и под Африкой имеются две такие же огромные струеобразные области, в которых скорости сейсмических волн уменьшаются.

Так как окраины Тихого океана являются зонами, где холодные плотные части тектонических плит опускаются в Землю, быстрые зоны четко отметили эти области, где плиты тяжелой материи опущены в Землю в направлении ее ядра. Согласно общепринятому мнению медленные области являются просто огромными инертными вкраплениями, которые остались, по существу, неизменными с момента формирования Земли. Но Форте и Митровица доказали, что эти выделяющиеся особенности в действительности поднимаются к поверхности, подобно баллонам с горячим воздухом.

Для обоснования своей модели они использовали результаты многочисленных исследований: от небольших вариаций вращения Земли и гравитационного поля до драматических прогибов континентальных областей, таких как Южная Африка, которая теперь находится на 1 000 м выше, чем Северная. Согласно их гипотезе твердая Земля вспенивается своеобразным 4-поршневым тепловым двигателем (с двумя огромными опускающимися холодными плитами и с двумя такими же огромными поднимающимися горячими потоками), который, собственно, и передвигает континенты, и управляет землетрясениями, и даже влияет на изменения климата.

И хотя ученым предстоит еще немало поработать, чтобы выведать все тайны земных недр, уже теперь мы знаем, что наша планета активна и динамична, что она изменялась и развивалась с момента своего образования и до сих пор не обнаруживает признаков спокойствия.

Валерий Петрович Трубицын, член-корреспондент РАН, заведующий Лабораторией теоретической геодинамики Института физики Земли, заслуженный деятель науки, лауреат премии им. О.Ю. Шмидта, автор теории тектоники континентов, плавающих на конвективной мантии.

Вот уже почти 10 лет Трубицын занимается созданием универсальной теории эволюции Земли. В прошлом его работы по изучению сжатого водорода и гелия, а также концептуальные модели внутреннего строения планет-гигантов становились принципиально новым решением сложнейших вопросов современной науки. Ныне Валерий Петрович Трубицын совместно с кандидатом физико-математических наук Виталием Валентиновичем Рыковым работает над детализацией концепции влияния материков на механизмы конвективных потоков мантии.

Создание теории литосферных плит стало настоящим прорывом в понимании многих явлений, касающихся внутреннего строения планеты. Однако, решив массу вечных геологических и геофизических проблем, тектоника литосферных плит породила не меньше новых вопросов, на которые не было ответа. Согласно теории литосферных плит Земля — это огромная тепловая машина, в которой мантия играет роль котла, а плиты — шатунов. Магма прорывается сквозь срединно-океанические хребты, застывая, раздвигает литосферные плиты, заставляя двигаться континенты. Взаимодействие плит и определяет характер земной коры.

Считалось, что континенты не оказывают никакого влияния на движения литосферных плит. Вместе с тем было хорошо известно, что тепловой поток, идущий из мантии, над океанами в 3 раза больше, чем над континентами. То есть континенты можно сравнить с огромными крышками, которые задерживают тепло, перераспределяя тепловой поток, что должно очень существенно влиять на всю мантийную конвекцию.

Моделирование процессов, происходящих в нагреваемых жидкостях определенного объема и вязкости, проводилось неоднократно и ранее. Известно, что в нагреваемой жидкости, возникают конвективные потоки. Горячее вещество поднимается (восходящий поток), растекается в стороны, охлаждается и опускается вниз (нисходящий поток), то есть происходит своеобразный круговорот. Эти конвективные ячейки, образующиеся в нагреваемой жидкости, еще в начале прошлого века открыл Бинар, а математическую теорию процесса построил Рэлей, именно поэтому ячейки получили название Бинара-Рэлея. Подобные и гораздо более сложные модели неоднократно использовались в теории литосферных плит для описания происходящих с Землей процессов.

Однако до сих пор никак не учитывалась роль континентов, перераспределяющих тепло. Компьютерное моделирование, где в качестве Земли выступала вязкая оливиновая (оливин — широко распространенный минерал из семейства силикатов) сфера, нагреваемая до температуры, близкой к температуре плавления, с плавающими на ее поверхности континентами, дало поразительные, ошеломляющие результаты. На наших глазах развернулась реальная жизнь Земли: зарождение и распад Пангеи (последнего суперматерика), образование современных океанов и материков, океанической и континентальной земной коры, срединно-океанических хребтов, зон субдукции — стали воочию видны механизмы, причины и физический смысл всех этих процессов и явлений. Главное же, что были осязаемые подтверждения того, что все эти математические построения — не плод фантазии, а вполне жизнеспособная, работающая теория. Так, теоретическая модель, просчитанная с помощью уравнений, в которых использовался минимум сейсмических данных, показала, например, почти полное совпадение плотности теплового потока в каждой точке Земли, как виртуальной, так и реальной. Точно так же и гравитационное поле модели хорошо согласовалось с данными многочисленных измерений. А расчеты движения материков, полученные на математических моделях, были подтверждены материалами спутниковых наблюдений. Сейчас уже можно сказать, что моделирование процессов, идущих в литосфере с учетом влияния континентов, позволило создать новую теорию геологической эволюции Земли.

Данные сейсмической томографии были пересчитаны в температуру, рассчитаны скорости поднятия и опускания горячих и холодных областей и учтено влияние плавающих континентов, что позволило получить модель Земли, согласующуюся со всемкомплексом данных наблюдений.

Рассчитанный в рамках математической модели тепловой поток, выходящий из мантии, и скорости перемещения континентов и дна океанов полностью совпали с результатами практических наблюдений.

Оказалось, что континент, плавающий на поверхности вязкой, нагреваемой жидкости, затягивается на нисходящий холодный поток, словно в водоворот. Здесь он задерживает идущее из мантии тепло и создает таким образом условия для того, чтобы мантийное вещество под ним прогрелось и на месте нисходящего образовался горячий восходящий поток. Процесс этот длительный, занимающий порядка 200 млн. лет. За это время избыток тепла в мантии формирует восходящий поток, который в свою очередь приподнимает материк, сдвигает его, и континент дрейфует к другому нисходящему потоку, где все повторяется сначала.

Если бы материк был один, то он бы так и перемещался от одного холодного потока к другому. Но на нашей планете 6 материков, поэтому мы получаем более сложную картину их взаимодействия.

Происходит это следующим образом. Каждый из шести материков занимает свой нисходящий поток, однако потоки эти не равноценны, всегда существует какой-то более мощный, который, удерживая один континент, одновременно подтягивает к себе и другой, расположенный по соседству. Причем этот второй материк, перемещаясь, увлекает за собой и свой нисходящий поток, на котором он находился. В результате два континента объединяются, оба нисходящих потока сливаются в один, образуя еще более мощный водоворот, в который вовлекаются все новые континенты, и процесс становится лавинообразным. Все 6 материков, стремящихся к одной точке, формируют единый суперконтинент.

Эта гигантская суша становится преградой для мантийного тепла, которое по мере аккумуляции разогревает вещество мантии и создает под континентом мощный восходящий

поток, или плюм. Именно плюм, образовавшийся в мантии от избытков тепла, и разрывает единый материк, заставляя его осколки дрейфовать в разные стороны. Итак, Земля — это тепловая машина, в которой тепло преобразуется в энергию движения. Для того чтобы движение этой машины состоялось, необходим поршень, парораспределитель, направляющий пар то с одной стороны, то с другой. Таким регулятором и являются континенты, которые распределяют тепловой поток и заставляют литосферу Земли все время меняться и находиться в постоянном движении, от объединения материков в единый континент до его распада и образования затем нового суперматерика. Именно благодаря материкам сформировались современный лик Земли и ее литосфера.

Можно уже говорить и о том, что новая теория эволюции Земли объясняет физический смысл геологических периодов, выявляя связь между процессами, идущими в мантии, колебаниями уровня Мирового океана и сменой разнообразия и количества видов животных и растений. Математические модели показывают, что континенты в момент образования Пангеи подняты относительно уровня моря не очень высоко, они начинают расти по мере перегрева мантийного вещества — их поднимает плюм, то есть уровень Мирового океана понижается перед расколом Пангеи и в момент раскола, затем материки возвращаются в исходное положение и даже несколько погружаются, что, разумеется, сопровождается подъемом океанских вод. Эти расчетные колебания уровня Мирового океана вполне согласуются с геологическими данными и находятся в тесной связи со сменой палеонтологических и геологических формаций.

Таким образом, по одной только кривой изменений уровня Мирового океана можно говорить

о том, что примерно 800 млн. лет назад существовал предыдущий суперконтинент — Родиния. Это подтверждается и другими исследованиями. Родиния, по всей вероятности, располагалась на месте нынешнего Тихого океана. Остатки плюма, уничтожившего Родинию, мы наблюдаем в мантии и сейчас — ведь время жизниэтого гигантского образования — 1 млрд. лет. А остатки плюма, расколовшего Пангею, ныне находятся под Африкой. Они тоже хорошо различимы в мантии. Именно по этой причине Африканский континент до сих пор поднят выше всех остальных материков.

Тектоника литосферных плит многое объясняла хаотическими движениями в литосфере. Теперь становится понятным, что все перемещения, наблюдаемые в мантии и земной коре, — не хаотичны, а закономерны, они подчиняются строгим физическим законам, описываются уравнениями и во многом предсказуемы. Важно подчеркнуть, что созданная единая теория эволюции Земли, с которой в ближайшие десятилетия будет работать научное сообщество, не отрицает предыдущие теоретические наработки (в частности, тектонику литосферных плит), а включает и обобщает их≫.

Эта теория способна объяснить и то, почему на Земле именно шесть материков. В мантии нашей планеты шесть нисходящих потоков, поэтому много материков быть не может — они

все равно объединятся. Происходит это на нисходящих потоках, поскольку только в этом случае материки находятся в устойчивом положении.

Соседние файлы в предмете Геоморфология