Срединно -океанический хребет ( СОХ ) — это горная система морского дна, образованная тектоникой плит . Обычно она имеет глубину около 2600 метров (8500 футов) и возвышается примерно на 2000 метров (6600 футов) над самой глубокой частью океанического бассейна . Эта особенность заключается в том, что разрастание морского дна происходит вдоль расходящейся границы плит . Скорость разрастания морского дна определяет морфологию гребня срединно-океанического хребта и его ширину в океаническом бассейне.
Образование нового морского дна и океанической литосферы происходит в результате подъема мантии в ответ на разделение плит. Расплав поднимается как магма в линейной слабости между разделяющимися плитами и выходит как лава , создавая новую океаническую кору и литосферу при охлаждении.
Первым обнаруженным срединно-океаническим хребтом был Срединно-Атлантический хребет , который является центром спрединга, разделяющим пополам Северный и Южный Атлантические бассейны; отсюда и происхождение названия «срединно-океанический хребет». Большинство океанических центров спрединга не находятся в середине своего вмещающего океанического основания, но, несмотря на это, традиционно называются срединно-океаническими хребтами. Срединно-океанические хребты по всему миру связаны границами тектонических плит, и след хребтов через океаническое дно похож на шов бейсбольного мяча . Таким образом, система срединно-океанических хребтов является самой длинной горной цепью на Земле, достигающей около 65 000 км (40 000 миль).
Срединно-океанические хребты мира соединены и образуют Океанический хребет, единую глобальную систему срединно-океанических хребтов, которая является частью каждого океана , что делает ее самой длинной горной цепью в мире. Непрерывная горная цепь имеет длину 65 000 км (40 400 миль) (в несколько раз длиннее Анд , самой длинной континентальной горной цепи), а общая длина системы океанических хребтов составляет 80 000 км (49 700 миль). [1]
В центре спрединга на срединно-океаническом хребте глубина морского дна составляет приблизительно 2600 метров (8500 футов). [2] [3] На флангах хребта глубина морского дна (или высота местоположения на срединно-океаническом хребте над базовым уровнем) коррелирует с его возрастом (возрастом литосферы , где измеряется глубина). Соотношение глубины и возраста можно смоделировать путем охлаждения литосферной плиты [4] [5] или мантийного полупространства. [6] Хорошим приближением является то, что глубина морского дна в месте на спрединговом срединно-океаническом хребте пропорциональна квадратному корню возраста морского дна. [6] Общая форма хребтов является результатом изостазии Пратта : вблизи оси хребта находится горячая мантия с низкой плотностью, поддерживающая океаническую кору. По мере того, как океаническая плита остывает, вдали от оси хребта, океаническая мантийная литосфера (более холодная, плотная часть мантии, которая вместе с корой составляет океанические плиты) утолщается, и плотность увеличивается. Таким образом, более старое морское дно подстилается более плотным материалом и находится глубже. [4] [5]
Скорость спрединга — это скорость, с которой океанический бассейн расширяется из-за расширения морского дна. Скорости можно вычислить, картируя морские магнитные аномалии, которые охватывают срединно-океанические хребты. Поскольку кристаллизованный базальт, выдавленный на оси хребта, охлаждается ниже точек Кюри соответствующих оксидов железа и титана, направления магнитного поля, параллельные магнитному полю Земли, регистрируются в этих оксидах. Ориентации поля, сохранившиеся в океанической коре, представляют собой запись направлений магнитного поля Земли с течением времени. Поскольку поле меняло направления на противоположные с известными интервалами на протяжении всей своей истории, модель геомагнитных инверсий в океанической коре можно использовать в качестве индикатора возраста; учитывая возраст коры и расстояние от оси хребта, можно рассчитать скорости спрединга. [2] [3] [7] [8]
Скорость спрединга составляет приблизительно 10–200 мм/год. [2] [3] Медленно спрединговые хребты, такие как Срединно-Атлантический хребет, распространились гораздо меньше (показав более крутой профиль), чем более быстрые хребты, такие как Восточно-Тихоокеанское поднятие (пологий профиль) за то же время и охлаждение и последующее батиметрическое углубление. [2] Медленно спрединговые хребты (менее 40 мм/год) обычно имеют большие рифтовые долины , иногда шириной до 10–20 км (6,2–12,4 мили), и очень неровную местность на гребне хребта, которая может иметь рельеф до 1000 м (3300 футов). [2] [3] [9] [10] Напротив, быстро спрединговые хребты (более 90 мм/год), такие как Восточно-Тихоокеанское поднятие, не имеют рифтовых долин. Скорость расширения северной части Атлантического океана составляет ~ 25 мм/год, тогда как в Тихоокеанском регионе она составляет 80–145 мм/год. [11] Самая высокая известная скорость составляет более 200 мм/год в миоцене на Восточно-Тихоокеанском поднятии. [12] Хребты, которые расширяются со скоростью <20 мм/год, называются сверхмедленными спрединговыми хребтами [3] [13] (например, хребет Гаккеля в Северном Ледовитом океане и Юго-Западный Индийский хребет ).
Центр или ось спрединга обычно соединяется с трансформным разломом, ориентированным под прямым углом к оси. Во многих местах фланги срединно-океанических хребтов отмечены неактивными шрамами трансформных разломов, называемыми зонами разломов . При более высоких скоростях спрединга оси часто демонстрируют перекрывающиеся центры спрединга, в которых отсутствуют соединяющиеся трансформные разломы. [2] [14] Глубина оси изменяется систематическим образом с более мелкими глубинами между смещениями, такими как трансформные разломы и перекрывающиеся центры спрединга, разделяющие ось на сегменты. Одной из гипотез для различных глубин вдоль оси являются изменения в подаче магмы в центр спрединга. [2] Сверхмедленные спрединговые хребты образуют как магматические, так и амагматические (в настоящее время лишенные вулканической активности) сегменты хребта без трансформных разломов. [13]
Срединно-океанические хребты проявляют активный вулканизм и сейсмичность . [3] Океаническая кора находится в постоянном состоянии «обновления» в срединно-океанических хребтах в результате процессов спрединга морского дна и тектоники плит. Новая магма постоянно выходит на океаническое дно и внедряется в существующую океаническую кору в рифтах и вблизи них вдоль осей хребтов. Породы, составляющие кору под морским дном, являются самыми молодыми вдоль оси хребта и стареют по мере увеличения расстояния от этой оси. Новая магма базальтового состава выходит на оси и вблизи нее из-за декомпрессионного плавления в подстилающей мантии Земли . [15] Изэнтропический восходящий твердый материал мантии превышает температуру солидуса и плавится.
Кристаллизованная магма образует новую кору базальта, известную как MORB для базальта срединно-океанического хребта, и габбро под ним в нижней океанической коре . [16] Базальт срединно-океанического хребта является толеитовым базальтом и содержит мало несовместимых элементов . [17] [18] Гидротермальные источники, подпитываемые магматическим и вулканическим теплом, являются обычным явлением в центрах океанического спрединга. [19] [20] Особенностью приподнятых хребтов являются их относительно высокие значения теплового потока, около 1–10 мккал/см2 с , [21] или примерно 0,04–0,4 Вт/ м2 .
Большая часть коры в океанических бассейнах имеет возраст менее 200 миллионов лет, [22] [23], что намного моложе возраста Земли в 4,54 миллиарда лет . Этот факт отражает процесс переработки литосферы в мантию Земли во время субдукции . По мере того, как океаническая кора и литосфера отходят от оси хребта, перидотит в подстилающей мантийной литосфере остывает и становится более жестким. Кора и относительно жесткий перидотит под ней составляют океаническую литосферу , которая находится над менее жесткой и вязкой астеносферой . [3]
Океаническая литосфера формируется на океаническом хребте, в то время как литосфера погружается обратно в астеносферу в океанических желобах . Считается, что два процесса, толчок хребта и тяга плиты , отвечают за спрединг в срединно-океанических хребтах. [24] Толчок хребта относится к гравитационному скольжению океанической плиты, которая поднимается над более горячей астеносферой, тем самым создавая объемную силу, вызывающую скольжение плиты вниз по склону. [25] При тяге плиты вес тектонической плиты, погружаемой (затягиваемой) под вышележащую плиту в зоне субдукции, тянет остальную часть плиты за собой. Считается, что механизм тяги плиты вносит больший вклад, чем толчок хребта. [24] [26]
Процесс, который ранее предполагался как способствующий движению плит и формированию новой океанической коры в срединно-океанических хребтах, — это «мантийный конвейер» из-за глубокой конвекции (см. изображение). [27] [28] Однако некоторые исследования показали, что верхняя мантия ( астеносфера ) слишком пластична (гибка), чтобы создавать достаточное трение для того, чтобы тянуть тектоническую плиту вперед. [29] [30] Более того, подъем мантии, который вызывает образование магмы под океаническими хребтами, по-видимому, затрагивает только ее верхние 400 км (250 миль), как следует из сейсмической томографии и наблюдений за сейсмическим разрывом в верхней мантии на глубине около 400 км (250 миль). С другой стороны, некоторые из крупнейших в мире тектонических плит, такие как Североамериканская плита и Южноамериканская плита, находятся в движении, но только в ограниченных местах, таких как Малая Антильская дуга и дуга Скотия , указывая на действие силы хребта толкающего тела на эти плиты. Компьютерное моделирование движений плит и мантии предполагает, что движение плит и конвекция мантии не связаны, и основной движущей силой плит является тяга плиты. [31]
Увеличение скорости расширения морского дна (т. е. скорости расширения срединно-океанического хребта) привело к тому, что глобальный ( эвстатический ) уровень моря повысился в течение очень длительного времени (миллионы лет). [32] [33] Увеличение расширения морского дна означает, что срединно-океанический хребет затем расширится и сформирует более широкий хребет с уменьшенной средней глубиной, занимая больше места в океаническом бассейне. Это смещает вышележащий океан и вызывает повышение уровня моря. [34]
Изменение уровня моря может быть связано с другими факторами ( тепловое расширение , таяние льда и мантийная конвекция, создающая динамическую топографию [35] ). Однако в очень длительных временных масштабах это является результатом изменений в объеме океанических бассейнов, которые, в свою очередь, зависят от скорости распространения морского дна вдоль срединно-океанических хребтов. [36]
Повышение уровня моря на 100–170 метров в меловой период (144–65 млн лет назад) частично объясняется тектоникой плит, поскольку тепловое расширение и отсутствие ледяных щитов объясняют лишь часть повышения уровня моря. [34]
Распространение морского дна на срединно-океанических хребтах является ионообменной системой глобального масштаба. [37] Гидротермальные источники в центрах распространения вносят в океан различные количества железа , серы , марганца , кремния и других элементов, некоторые из которых перерабатываются в океаническую кору. Гелий-3 , изотоп, сопровождающий вулканизм из мантии, выбрасывается гидротермальными источниками и может быть обнаружен в шлейфах внутри океана. [38]
Быстрые скорости спрединга расширят срединно-океанический хребет, что приведет к более быстрому протеканию реакций базальта с морской водой. Соотношение магния и кальция будет ниже, поскольку больше ионов магния удаляется из морской воды и потребляется породой, а больше ионов кальция удаляется из породы и высвобождается в морскую воду. Гидротермальная активность на гребне хребта эффективна для удаления магния. [39] Более низкое соотношение Mg/Ca способствует осаждению полиморфов карбоната кальция с низким содержанием Mg ( кальцитовые моря ). [40] [41]
Медленное распространение в срединно-океанических хребтах имеет противоположный эффект и приведет к более высокому соотношению Mg/Ca, что благоприятствует осаждению арагонита и полиморфов карбоната кальция с высоким содержанием Mg ( арагонитовые моря ). [41]
Эксперименты показывают, что большинство современных организмов с высоким содержанием кальцита Mg были бы организмами с низким содержанием кальцита в прошлых кальцитовых морях [42] , что означает, что соотношение Mg/Ca в скелете организма меняется в зависимости от соотношения Mg/Ca в морской воде, в которой он рос.
Таким образом, минералогия рифообразующих и осадкообразующих организмов регулируется химическими реакциями, происходящими вдоль срединно-океанического хребта, скорость которых контролируется скоростью расширения морского дна. [39] [42]
Первые указания на то, что хребет делит пополам бассейн Атлантического океана , были получены в результате британской экспедиции Challenger в девятнадцатом веке. [43] Измерения глубин с линий, сброшенных на морское дно, были проанализированы океанографами Мэтью Фонтейном Мори и Чарльзом Уайвиллом Томсоном и выявили заметное поднятие морского дна, которое проходило вниз по Атлантическому бассейну с севера на юг. Гидролокаторы-эхолоты подтвердили это в начале двадцатого века. [44]
Только после Второй мировой войны , когда дно океана было обследовано более подробно, стало известно о полном объеме срединно-океанических хребтов. Vema , судно Обсерватории Земли Ламонта-Доэрти Колумбийского университета , пересекло Атлантический океан, регистрируя данные эхолота о глубине дна океана. Команда под руководством Мари Тарп и Брюса Хизена пришла к выводу, что существует огромная горная цепь с рифтовой долиной на ее гребне, проходящая по центру Атлантического океана. Ученые назвали ее «Средне-Атлантическим хребтом». Другие исследования показали, что гребень хребта был сейсмически активным [45] , и в рифтовой долине были обнаружены свежие лавы. [46] Кроме того, тепловой поток земной коры был здесь выше, чем в других местах в бассейне Атлантического океана. [47]
Сначала считалось, что хребет является особенностью, характерной только для Атлантического океана. Однако, поскольку исследования океанского дна продолжались по всему миру, было обнаружено, что каждый океан содержит части системы срединно-океанических хребтов. Немецкая экспедиция Meteor проследила срединно-океанический хребет от Южной Атлантики до Индийского океана в начале двадцатого века. Хотя первая обнаруженная часть системы хребтов проходит по середине Атлантического океана, было обнаружено, что большинство срединно-океанических хребтов расположены вдали от центра других океанических бассейнов. [2] [3]
Альфред Вегенер предложил теорию континентального дрейфа в 1912 году. Он утверждал: «Средне-Атлантический хребет... зона, в которой дно Атлантики, по мере своего расширения, непрерывно разрывается и освобождает место для свежей, относительно жидкой и горячей симы [поднимающейся] из глубины». [48] Однако Вегенер не развивал это наблюдение в своих более поздних работах, и его теория была отвергнута геологами, поскольку не было механизма, объясняющего, как континенты могли бы прорываться сквозь океаническую кору , и эта теория была в значительной степени забыта.
После открытия всемирного распространения срединно-океанического хребта в 1950-х годах геологи столкнулись с новой задачей: объяснить, как могла образоваться такая огромная геологическая структура. В 1960-х годах геологи открыли и начали предлагать механизмы расширения морского дна . Открытие срединно-океанических хребтов и процесса расширения морского дна позволило расширить теорию Вегенера , включив в нее движение океанической коры, а также континентов. [49] Тектоника плит была подходящим объяснением расширения морского дна, и принятие тектоники плит большинством геологов привело к серьезному сдвигу парадигмы в геологическом мышлении.
Подсчитано, что вдоль срединно-океанических хребтов Земли каждый год в результате этого процесса образуется 2,7 км 2 (1,0 кв. мили) нового морского дна. [50] При толщине земной коры в 7 км (4,3 мили) это составляет около 19 км 3 (4,6 куб. мили) новой океанической коры, образующейся каждый год. [50]
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )