Реконструкция плит — это процесс реконструкции положений тектонических плит относительно друг друга (относительное движение) или других систем отсчета, таких как магнитное поле Земли или группы горячих точек , в геологическом прошлом. Это помогает определить форму и состав древних суперконтинентов и обеспечивает основу для палеогеографических реконструкций.
Важной частью реконструкции прошлых конфигураций плит является определение границ областей литосферы , которые в какой-то момент в прошлом действовали независимо.
Большинство современных границ плит легко идентифицируются по характеру недавней сейсмичности . [1] Теперь это подкреплено использованием геодезических данных, таких как GPS / GNSS , для подтверждения наличия значительного относительного движения между плитами. [2]
Определение прошлых (но теперь неактивных) границ плит в пределах современных плит обычно основано на доказательствах существования океана, который теперь закрылся. Линия, где раньше был океан, обычно отмечена кусками коры этого океана, включенными в зону столкновения, известными как офиолиты . [3] Линия, по которой две плиты соединились, образовав одну большую плиту, известна как шов .
Во многих орогенных поясах столкновение происходит не только между двумя плитами, но и включает в себя последовательную аккрецию более мелких террейнов . Террейны — это более мелкие части континентальной коры, которые были захвачены орогенезом, такие как континентальные фрагменты или островные дуги .
Движения плит, как наблюдаемые сейчас, так и в прошлом, в идеале относятся к системе отсчета , которая позволяет рассчитывать другие движения плит. Например, центральная плита, такая как Африканская плита, может иметь движения соседних плит, отнесенные к ней. Путем композиции реконструкций, дополнительные плиты могут быть реконструированы к центральной плите. В свою очередь, опорная плита может быть реконструирована вместе с другими плитами к другой системе отсчета, такой как магнитное поле Земли , как определено из палеомагнитных измерений пород известного возраста. Была постулирована глобальная система отсчета горячих точек (см., например, W. Jason Morgan ), но теперь есть доказательства того, что не все горячие точки обязательно зафиксированы в своих местоположениях относительно друг друга или оси вращения Земли. [4] Однако существуют группы таких горячих точек, которые, по-видимому, зафиксированы в рамках ограничений имеющихся данных в пределах определенных мезоплит . [5]
Движение твердого тела, например, пластины, по поверхности сферы можно описать как вращение вокруг фиксированной оси (относительно выбранной системы отсчета). Этот полюс вращения известен как полюс Эйлера . Движение пластины полностью определяется ее полюсом Эйлера и угловой скоростью вращения вокруг полюса. Полюса Эйлера, определенные для текущих движений пластин, могут быть использованы для реконструкции пластин в недавнем прошлом (несколько миллионов лет). [6] На более ранних этапах истории Земли необходимо определить новые полюса Эйлера. [4]
Для того, чтобы переместить плиты назад во времени, необходимо предоставить информацию об относительном или абсолютном положении реконструируемых плит, чтобы можно было вычислить полюс Эйлера. Это количественные методы реконструкции. [7]
Определенные соответствия между континентами, в частности, между Южной Америкой и Африкой, были известны задолго до разработки теории, которая могла бы адекватно объяснить их. Реконструкция до атлантического рифта, проведенная Буллардом на основе подгонки методом наименьших квадратов на контуре 500 саженей , по-прежнему обеспечивает наилучшее соответствие палеомагнитным данным полюсов для двух сторон от середины палеозоя до позднего триаса . [7]
Реконструкции плит в недавнем геологическом прошлом в основном используют рисунок магнитных полос в океанической коре , чтобы устранить эффекты спрединга морского дна . Отдельные полосы датируются с помощью магнитостратиграфии, так что время их формирования известно. Каждая полоса (и ее зеркальное отображение) представляет собой границу плиты в определенное время в прошлом, что позволяет двум плитам перепозиционироваться относительно друг друга. Самая старая океаническая кора — юрская , что обеспечивает нижний предел возраста около 175 млн лет для использования таких данных. Реконструкции, полученные таким образом, являются лишь относительными. [7]
Палеомагнитные данные получают путем взятия ориентированных образцов горных пород и измерения их остаточной намагниченности в лабораторных условиях. Данные хорошего качества можно получить из различных типов горных пород . В магматических породах магнитные минералы кристаллизуются из расплава, и когда порода охлаждается ниже температуры Кюри , она приобретает термоостаточную намагниченность ( TRM ) в направлении магнитного поля Земли. В осадочных породах магнитные зерна будут выравнивать свои магнитные моменты с направлением магнитного поля во время или вскоре после осаждения, что приводит к детритовой или постдетритовой остаточной намагниченности ( DRM ). Распространенной трудностью при использовании обломочных осадков для определения направлений магнитного поля в прошлом является то, что направление DRM может вращаться к плоскости напластования из-за уплотнения осадка, что приводит к наклону, который меньше наклона поля во время осаждения. Тем не менее, ошибку выравнивания наклона можно оценить и скорректировать с помощью экспериментов по переосаждению, измерений магнитной анизотропии и использования теоретических моделей дисперсии палеомагнитных направлений. [8] Метаморфические породы обычно не используются для палеомагнитных измерений из-за сложностей, связанных с получением остаточной намагниченности, неопределенностей в возрасте намагничивания и высокой магнитной анизотропии.
Типичное палеомагнитное исследование будет включать выборку большого количества независимых единиц горных пород схожего возраста в близлежащих местах и собирать несколько образцов из каждой единицы, чтобы оценить погрешности измерений и оценить, насколько хорошо полученный набор палеомагнитных данных отображает геомагнитные вековые вариации . Прогрессивные методы размагничивания используются для идентификации вторичных компонентов намагниченности (например, магнитных отпечатков, которые могли быть приданы породе из-за химического изменения или повторного нагрева) и для выделения первичной намагниченности, которая регистрирует направление магнитного поля в то время, когда порода была сформирована. Различные горно-магнитные и палеомагнитные тесты обычно проводятся для установления первичной природы изолированной остаточной намагниченности. Восстановленные палеомагнитные направления используются для получения палеомагнитных полюсов, которые обеспечивают ограничения на широтное положение блока земной коры, из которого были взяты образцы горных пород, и его исходную ориентацию относительно линий долготы.
Палеомагнитные данные хорошего качества доступны в Глобальной базе палеомагнитных данных , доступ к которой осуществляется из Мирового центра данных A в США в Боулдере, штат Колорадо . [9]
Палеомагнитный полюс определяется путем взятия среднего направления первичной остаточной намагниченности для отобранных пород (выраженного как среднее склонение и наклон ) и расчета положения геомагнитного полюса для поля геоцентрического магнитного диполя , которое даст наблюдаемое среднее направление в отобранной местности в ее текущих географических координатах. [10] Альтернативный способ определения палеомагнитных полюсов — это расчет виртуального геомагнитного полюса (VGP) для каждой отдельной единицы породы и затем оценка среднего местоположения для всех VGP. Статистика Фишера на сфере [11] обычно используется для получения среднего направления намагниченности или среднего местоположения VGP и оценки их неопределенностей. Оба подхода используются в палеомагнитных исследованиях, но было признано, что усреднение направлений вместо полных векторов остаточной намагниченности может привести к смещенным оценкам среднего направления палеомагнитного поля, [12], поэтому расчет палеомагнитных полюсов путем усреднения VGP в настоящее время является предпочтительным методом.
Палеомагнитные исследования геологически недавних лав (плиоцен-четвертичный период, 0-5 млн лет) показывают, что когда геомагнитное поле усредняется в масштабах времени от десятков тысяч до миллионов лет — в течение периода времени, достаточно длительного для полной выборки геомагнитных вековых вариаций , усредненное по времени поле может быть точно аппроксимировано полем геоцентрического осевого диполя (GAD) — то есть магнитного диполя, размещенного в центре Земли и выровненного с осью вращения Земли. [14] [15] Следовательно, если набор палеомагнитных данных оцифрован достаточно давно для усреднения вековых вариаций, то полученный из него палеомагнитный полюс можно интерпретировать как оценку местоположения географического полюса относительно места выборки, зафиксированного в текущем географическом положении.
Разница между палеомагнитным полюсом и современным географическим полюсом отражает палеогеографическое положение блока земной коры, содержащего область отбора проб, в то время, когда формировались изучаемые породы, включая его первоначальную широту (палеошироту) и ориентацию. При предположении, что среднее палеомагнитное направление соответствует направлению поля GAD, палеоширота места отбора проб (λ) может быть получена из наклона (I) среднего направления с помощью простого уравнения: [16]
Среднее склонение (D) дает направление и величину вращения вокруг вертикальной оси, проходящей через область отбора проб, которое необходимо применить для восстановления ее первоначальной ориентации относительно линий долготы. Палеоширота для любого конкретного местоположения, принадлежащего к тому же блоку земной коры, может быть вычислена как 90° минус угловое расстояние между этим местоположением и палеомагнитным полюсом, а локальное вращение вертикальной оси может быть оценено путем вычисления склонения, ожидаемого из положения полюса. [17] Таким образом, палеомагнитный полюс определяет палеоширотное положение и ориентацию всего тектонического блока в определенное время в прошлом. Однако, поскольку поле GAD азимутально симметрично относительно оси вращения Земли, полюс не устанавливает никаких ограничений на абсолютную долготу. С точки зрения палеомагнитных направлений поле GAD имеет одинаковые значения наклона и склонения вдоль линии постоянной широты на всех долготах, так что любая мыслимая долгота была бы одинаково приемлемым вариантом для реконструкции тектонического элемента, если его палеогеографическое положение ограничено только палеомагнитными данными.
Учитывая, что палеомагнитный полюс приближается к положению географического полюса относительно континента или геологического террейна, из которого он был определен, палеошироту и ориентацию можно восстановить, найдя вращение ( полюс Эйлера и угол вращения ), которое реконструирует палеомагнитный полюс относительно географического полюса, и применив это вращение к континенту или террейну. При этом блок земной коры и его палеомагнитный полюс реконструируются с использованием того же вращения Эйлера, так что они не двигаются относительно друг друга, палеомагнитный полюс помещается на географический полюс, а блок земной коры правильно восстанавливается по широте и ориентации (т. е. относительно географического полюса). Отмечая, что дальнейшее вращение вокруг географического полюса изменит только долготу блока, но его широта и ориентация относительно линий долготы не будут затронуты, абсолютная палеодолгота не может быть определена в реконструкциях, основанных на палеомагнетизме. Однако относительные долготы различных блоков земной коры можно определить с использованием других типов геологических и геофизических данных, ограничивающих относительные движения тектонических плит, включая историю распространения морского дна, зафиксированную моими морскими магнитными аномалиями, сопоставление континентальных границ и геологических террейнов, а также палеонтологические данные. [7]
Полюса разных возрастов на одном континенте, литосферной плите или любом другом тектоническом блоке могут быть использованы для построения кажущегося пути перемещения полюсов (APWP). Если пути от соседних фрагментов земной коры идентичны, это считается указанием на то, что между ними не было относительного движения в течение периода, охватываемого путем. Расхождение путей APW указывает на то, что рассматриваемые области действовали независимо в прошлом, а точка расхождения отмечает время, когда они стали объединены. [17] Комбинированные или синтетические APWP могут быть построены путем вращения палеомагнитных полюсов с разных плит в систему отсчета, закрепленную на одной плите, с использованием оценок относительных движений плит. [13] Для времени, предшествующего образованию Пангеи (320 млн лет назад), синтетические APWP часто строятся в системе отсчета, привязанной к Африканской плите [13], поскольку Африка занимала центральное положение в конфигурации Пангеи и была преимущественно окружена расширяющимися хребтами после распада Пангеи, который начался в начале юрского периода (около 180 млн лет назад).
Для одной литосферной плиты APWP отражает движение плиты относительно географического полюса (изменения широты) и изменения ее ориентации относительно палеомеридианов. Долготы палеогеографических реконструкций, основанных на APWP, неопределенны, но утверждается, что неопределенность можно минимизировать, выбрав опорную плиту, которая, как ожидается, будет меньше всего перемещаться по долготе из рассмотрения теории тектоники плит, и связав реконструкции остальных плит с этой опорной плитой, используя оценки относительного движения плит. [18] Например, и было показано, что предположение об отсутствии значительного продольного движения Африки со времени образования Пангеи приводит к разумному сценарию тектоники плит, в котором не наблюдается крупных, когерентных движений континентальной литосферы с востока на запад в палеогеографических реконструкциях. [19]
APWP можно интерпретировать как записи комбинированного сигнала от двух источников движения плит: (1) движение литосферных плит относительно мантии Земли и (2) движение всей твердой Земли (мантии и литосферы) относительно оси вращения Земли. Второй компонент обычно называют истинным полярным смещением (TPW), и в геологических масштабах времени он возникает в результате постепенного перераспределения неоднородностей массы из-за конвективных движений в мантии Земли. [20] Сравнивая реконструкции плит, основанные на палеомагнетизме, с реконструкциями в системе отсчета мантии, определенной горячими точками за последние 120 млн лет, можно оценить движения TPW, что позволяет привязать палеогеографические реконструкции к мантии и, следовательно, ограничить их по палеодолготе. [21] [13] Для более ранних времен в мезозое и палеозое оценки TPW могут быть получены посредством анализа когерентных вращений континентальной литосферы, [19] что позволяет связать реконструированную палеогеографию с крупномасштабными структурами в нижней мантии, обычно называемыми крупными провинциями с низкой скоростью сдвиговой волны (LLSVP). Утверждалось, что LLSVP были стабильными в течение по крайней мере последних 300 млн лет, а возможно и дольше, и что окраины LLSVP служили зонами генерации для мантийных плюмов, ответственных за извержения крупных магматических провинций (LIP) и кимберлитов . [22] [23] Сопоставление реконструированных местоположений LIP и кимберлитов с границами LLSVP с использованием предполагаемых вращений TPW позволяет разработать самосогласованную модель для движений плит относительно мантии, истинного перемещения полюсов и соответствующих изменений палеогеографии, ограниченных по долготе для всего фанерозоя , [24] хотя происхождение и долгосрочная стабильность LLSVP являются предметом продолжающихся научных дебатов. [25] [26]
Палеомагнитные полюса Эйлера, полученные путем геометризации кажущихся траекторий полярных перемещений (APWP), потенциально позволяют ограничивать палеодолготы из палеомагнитных данных. Этот метод может расширить абсолютные реконструкции движения плит глубоко в геологическую историю, пока есть надежные APWP. [27]
Наличие цепей вулканических островов и подводных гор, интерпретируемых как образованные из фиксированных горячих точек, позволяет постепенно восстанавливать плиту, на которой они находятся, так что подводная гора перемещается обратно над горячей точкой во время ее формирования. Этот метод может быть использован для раннего мелового периода , возраста самых старых свидетельств активности горячих точек. Этот метод дает абсолютную реконструкцию как широты, так и долготы, хотя до примерно 90 млн лет назад есть свидетельства относительного движения между группами горячих точек. [28]
После того, как океанические плиты погружаются в нижнюю мантию (плиты), предполагается, что они погружаются почти вертикально. С помощью сейсмической волновой томографии это можно использовать для ограничения реконструкции плит в первом порядке до пермского периода. [29]
Некоторые реконструкции плит поддерживаются другими геологическими свидетельствами, такими как распределение типов осадочных пород , положение орогенических поясов и фаунистических провинций , показанных отдельными окаменелостями. Это полуколичественные методы реконструкции. [7]
Некоторые типы осадочных пород ограничены определенными широтными поясами. Ледниковые отложения , например, обычно приурочены к высоким широтам, тогда как эвапориты обычно образуются в тропиках. [30]
Океаны между континентами создают барьеры для миграции растений и животных. Территории, которые стали разделенными, как правило, развивают свою собственную фауну и флору. Это особенно касается растений и наземных животных, но также верно для мелководных морских видов, таких как трилобиты и брахиоподы , хотя их планктонные личинки означают, что они могли мигрировать по более мелким глубоководным областям. Поскольку океаны сужаются перед столкновением, фауны снова начинают смешиваться, предоставляя подтверждающие доказательства закрытия и его времени. [7]
Когда суперконтиненты распадаются, более старые линейные геологические структуры, такие как орогенические пояса, могут быть разделены между полученными фрагментами. Когда реконструкция эффективно объединяет орогенические пояса одного и того же возраста формирования, это обеспечивает дополнительную поддержку обоснованности реконструкции. [7]
{{cite book}}
: CS1 maint: постскриптум ( ссылка )