.svg/1280px-Tectonic_plates_(2022).svg.png)
Тектоника плит (от лат. tectonicus , от др.-греч. τεκτονικός ( tektonikós ) «относящийся к строительству») [1] — научная теория , согласно которой литосфера Земли состоит из ряда крупных тектонических плит , которые медленно движутся с 3–4 миллиардов лет назад. [2] [3] [4] Модель основана на концепции континентального дрейфа , идее, разработанной в первые десятилетия 20-го века. Тектоника плит была принята геологами после того, как в середине-конце 1960-х годов было подтверждено расширение морского дна .
Литосфера Земли, жесткая внешняя оболочка планеты, включая кору и верхнюю мантию , разломлена на семь или восемь основных плит (в зависимости от того, как они определяются) и множество второстепенных плит или «пластин». Там, где плиты встречаются, их относительное движение определяет тип границы плиты (или разлома ): конвергентный , дивергентный или трансформируемый . Относительное движение плит обычно колеблется от нуля до 10 см в год. [5] Разломы, как правило, геологически активны, испытывают землетрясения , вулканическую активность , горообразование и образование океанических впадин .
Тектонические плиты состоят из океанической литосферы и более толстой континентальной литосферы, каждая из которых покрыта своим собственным типом коры. Вдоль сходящихся границ плит процесс субдукции переносит край одной плиты вниз под другую плиту и в мантию . Этот процесс уменьшает общую площадь поверхности (коры) Земли. Потерянная поверхность уравновешивается образованием новой океанической коры вдоль расходящихся границ путем разрастания морского дна, сохраняя общую площадь поверхности постоянной в тектоническом «конвейере».
Тектонические плиты относительно жесткие и плавают по пластичной астеносфере внизу. Боковые изменения плотности в мантии приводят к конвекционным потокам, медленному ползучему движению твердой мантии Земли. На хребте спрединга морского дна плиты отходят от хребта, который является топографическим максимумом, и новообразованная кора охлаждается по мере удаления, увеличивая свою плотность и способствуя движению. В зоне субдукции относительно холодная, плотная океаническая кора погружается в мантию, образуя нисходящую конвекционную ветвь мантийной ячейки , [6] , которая является сильнейшим двигателем движения плит. [7] [8] Относительная важность и взаимодействие других предлагаемых факторов, таких как активная конвекция, подъем глубинных вод внутри мантии и приливное сопротивление Луны, все еще являются предметом дискуссий.
Внешние слои Земли делятся на литосферу и астеносферу . Разделение основано на различиях в механических свойствах и способе передачи тепла . Литосфера более холодная и более жесткая, в то время как астеносфера более горячая и течет легче. С точки зрения передачи тепла литосфера теряет тепло за счет теплопроводности , тогда как астеносфера также передает тепло за счет конвекции и имеет почти адиабатический градиент температуры. Это разделение не следует путать с химическим подразделением этих же слоев на мантию (включающую как астеносферу, так и мантийную часть литосферы) и кору: данная часть мантии может быть частью литосферы или астеносферы в разное время в зависимости от ее температуры и давления.
Ключевой принцип тектоники плит заключается в том, что литосфера существует как отдельные и различные тектонические плиты , которые движутся по жидкообразному твердому телу астеносфере . Движения плит варьируются от 10 до 40 миллиметров в год (от 0,4 до 1,6 дюйма/год) на Срединно-Атлантическом хребте (примерно так же быстро, как растут ногти ), до примерно 160 миллиметров в год (6,3 дюйма/год) для плиты Наска (примерно так же быстро, как растут волосы ). [9] [10]
Тектонические литосферные плиты состоят из литосферной мантии, покрытой одним или двумя типами корового материала: океанической корой (в старых текстах называемой сима от кремния и магния ) и континентальной корой ( сиал от кремния и алюминия ). Различие между океанической и континентальной корой основано на способах их образования. Океаническая кора образуется в центрах спрединга морского дна. Континентальная кора образуется посредством дугового вулканизма и аккреции террейнов посредством процессов тектоники плит. Океаническая кора плотнее континентальной, поскольку в ней меньше кремния и больше более тяжелых элементов , чем в континентальной коре . [11] [12] В результате этой разницы в плотности океаническая кора обычно лежит ниже уровня моря , в то время как континентальная кора плавуче выступает над уровнем моря.
Средняя толщина океанической литосферы обычно составляет 100 км (62 мили). [13] Ее толщина зависит от ее возраста. С течением времени она охлаждается, проводя тепло снизу и выделяя его в космос посредством излучения. Прилегающая ниже мантия охлаждается этим процессом и добавляется к ее основанию. Поскольку она формируется в срединно-океанических хребтах и распространяется наружу, ее толщина, следовательно, зависит от ее расстояния от срединно-океанического хребта, где она образовалась. Для типичного расстояния, которое океаническая литосфера должна пройти, прежде чем подвергнется субдукции, толщина варьируется от примерно 6 км (4 мили) в срединно-океанических хребтах до более 100 км (62 мили) в зонах субдукции . Для более коротких или более длинных расстояний зона субдукции, а следовательно, и средняя толщина становятся меньше или больше соответственно. [14] Континентальная литосфера обычно имеет толщину около 200 км (120 миль), хотя эта величина значительно различается в зависимости от впадин, горных хребтов и стабильных кратонных внутренних частей континентов.
Место, где встречаются две плиты, называется границей плит . Границы плит — это места, где происходят геологические события, такие как землетрясения и создание топографических особенностей, таких как горы , вулканы , срединно-океанические хребты и океанические впадины . Подавляющее большинство действующих вулканов мира расположены вдоль границ плит, причем Огненное кольцо Тихоокеанской плиты является самым активным и широко известным. Некоторые вулканы находятся внутри плит, и их по-разному приписывают внутренней деформации плит [15] и мантийным плюмам.
Тектонические плиты могут включать континентальную кору или океаническую кору, или обе. Например, Африканская плита включает континент и части дна Атлантического и Индийского океанов .
Некоторые фрагменты океанической коры, известные как офиолиты , не смогли погрузиться под континентальную кору на деструктивных границах плит; вместо этого эти фрагменты океанической коры были вытолкнуты вверх и сохранились внутри континентальной коры.
Существуют три типа границ плит, [16] характеризующиеся тем, как плиты движутся относительно друг друга. Они связаны с различными типами поверхностных явлений. Различные типы границ плит: [17] [18]
Тектонические плиты способны двигаться из-за относительной плотности океанической литосферы и относительной слабости астеносферы . Рассеивание тепла из мантии является исходным источником энергии, необходимой для движения тектоники плит посредством конвекции или крупномасштабного подъема и образования купола. Как следствие, мощным источником, генерирующим движение плит, является избыточная плотность океанической литосферы, погружающейся в зоны субдукции. Когда новая кора образуется в срединно-океанических хребтах, эта океаническая литосфера изначально менее плотная, чем лежащая под ней астеносфера, но она становится плотнее с возрастом, поскольку она охлаждается и утолщается за счет проводимости. Большая плотность старой литосферы относительно лежащей под ней астеносферы позволяет ей погружаться в глубокую мантию в зонах субдукции, обеспечивая большую часть движущей силы для движения плит. Слабость астеносферы позволяет тектоническим плитам легко двигаться к зоне субдукции. [20]
На протяжении большей части первой четверти 20-го века ведущая теория движущей силы тектонических движений плит предполагала крупномасштабные конвекционные потоки в верхней мантии, которые могут передаваться через астеносферу. Эта теория была выдвинута Артуром Холмсом и некоторыми предшественниками в 1930-х годах [21] и была немедленно признана решением для принятия теории, первоначально обсуждавшейся в работах Альфреда Вегенера в первые годы 20-го века. Однако, несмотря на ее принятие, она долгое время обсуждалась в научном сообществе, поскольку ведущая теория все еще предполагала статическую Землю без движущихся континентов вплоть до крупных прорывов начала шестидесятых годов.
Двух- и трехмерное изображение недр Земли ( сейсмическая томография ) показывает изменяющееся распределение боковой плотности по всей мантии. Такие изменения плотности могут быть материальными (из-за химии горных пород), минеральными (из-за изменений в минеральных структурах) или термическими (из-за термического расширения и сжатия от тепловой энергии). Проявлением этой изменяющейся боковой плотности является конвекция мантии из-за сил плавучести. [22]
То, как мантийная конвекция напрямую и косвенно связана с движением плит, является предметом продолжающегося изучения и обсуждения в геодинамике. Каким-то образом эта энергия должна передаваться в литосферу для движения тектонических плит. По сути, существует два основных типа механизмов, которые, как считается, связаны с динамикой мантии, влияющей на движение плит, которые являются первичными (через крупномасштабные конвекционные ячейки) и вторичными. Вторичные механизмы рассматривают движение плит, вызванное трением между конвекционными потоками в астеносфере и более жесткой вышележащей литосферой. Это происходит из-за притока мантийного материала, связанного с нисходящим натяжением плит в зонах субдукции в океанических желобах. Натяжение плиты может происходить в геодинамической обстановке, где базальные натяжения продолжают действовать на плиту, когда она погружается в мантию (хотя, возможно, в большей степени, действуя как на нижнюю, так и на верхнюю сторону плиты). Кроме того, плиты, которые отламываются и погружаются в мантию, могут вызывать вязкие мантийные силы, движущие плиты через всасывание плиты.
В теории плюмовой тектоники , которой следовали многочисленные исследователи в 1990-х годах, используется модифицированная концепция мантийных конвективных течений. Она утверждает, что суперплюмы поднимаются из более глубокой мантии и являются драйверами или заменителями основных конвективных ячеек. Эти идеи уходят корнями в начало 1930-х годов в работы Белоусова и ван Беммелена , которые изначально выступали против тектоники плит и помещали механизм в фиксированную рамку вертикальных движений. Ван Беммелен позже модифицировал концепцию в своих «Моделях Ундации» и использовал «мантийные пузыри» в качестве движущей силы для горизонтальных движений, вызывая гравитационные силы вдали от регионального купола земной коры. [23] [24]
Эти теории находят отклик в современных теориях, которые рассматривают горячие точки или мантийные плюмы , которые остаются неподвижными и со временем перекрываются океаническими и континентальными литосферными плитами, оставляя свои следы в геологической летописи (хотя эти явления рассматриваются не как реальные движущие механизмы, а скорее как модуляторы).
Механизм по-прежнему пропагандируется для объяснения распада суперконтинентов в течение определенных геологических эпох. [25] У него есть последователи среди ученых, занимающихся теорией расширения Земли . [26] [27] [28]
Другая теория заключается в том, что мантия течет не в ячейках или больших плюмах, а скорее как серия каналов прямо под земной корой, которые затем обеспечивают базальное трение литосферы. Эта теория, называемая «пульсационной тектоникой», была популяризирована в 1980-х и 1990-х годах. [29] Недавние исследования, основанные на трехмерном компьютерном моделировании, предполагают, что геометрия плит регулируется обратной связью между моделями конвекции мантии и прочностью литосферы. [30]
Силы, связанные с гравитацией, рассматриваются как вторичные явления в рамках более общего движущего механизма, такого как различные формы динамики мантии, описанные выше. В современных представлениях гравитация рассматривается как основная движущая сила, посредством тяги плит вдоль зон субдукции.
Гравитационное скольжение от расширяющегося хребта является одной из предлагаемых движущих сил, она предполагает, что движение плит обусловлено более высокой высотой плит в океанических хребтах. [31] [32] Поскольку океаническая литосфера формируется в расширяющихся хребтах из горячего материала мантии, она постепенно охлаждается и утолщается с возрастом (и, таким образом, увеличивает расстояние от хребта). Холодная океаническая литосфера значительно плотнее горячего материала мантии, из которого она образовалась, и поэтому с увеличением толщины она постепенно погружается в мантию, чтобы компенсировать большую нагрузку. Результатом является небольшой боковой наклон с увеличенным расстоянием от оси хребта.
Эта сила считается вторичной силой и часто упоминается как « толчок хребта ». Это неправильное название, поскольку нет силы, «толкающей» горизонтально, на самом деле вдоль хребтов доминируют особенности растяжения. Более точно называть этот механизм «гравитационным скольжением», поскольку топография по всей плите может значительно различаться, а спрединговые хребты являются лишь наиболее заметной особенностью. Другие механизмы, генерирующие эту вторичную гравитационную силу, включают изгибное выпячивание литосферы перед тем, как она нырнет под соседнюю плиту, создавая четкую топографическую особенность, которая может компенсировать или, по крайней мере, повлиять на влияние топографических океанических хребтов. Также постулируется, что мантийные плюмы и горячие точки сталкиваются с нижней стороной тектонических плит.
Притяжение плиты : Научное мнение заключается в том, что астеносфера недостаточно компетентна или жестка, чтобы напрямую вызывать движение посредством трения вдоль основания литосферы. Поэтому притяжение плиты, как наиболее широко распространено, считается наибольшей силой, действующей на плиты. В этом понимании движение плит в основном обусловлено весом холодных, плотных плит, погружающихся в мантию в желобах. [8] Последние модели показывают, что всасывание желобов также играет важную роль. Однако тот факт, что Североамериканская плита нигде не погружается, хотя и находится в движении, представляет собой проблему. То же самое касается Африканской, Евразийской и Антарктической плит.
Гравитационное скольжение от мантийного купола: Согласно более старым теориям, одним из движущих механизмов плит является существование крупномасштабных астеносферных/мантийных куполов, которые вызывают гравитационное скольжение литосферных плит от них (см. параграф о механизмах мантии). Это гравитационное скольжение представляет собой вторичное явление этого в основном вертикально ориентированного механизма. Оно берет свое начало в модели Ундации Ван Беммелена . Это может действовать в различных масштабах, от небольших масштабов одной островной дуги до более крупных масштабов целого океанического бассейна. [31] [32] [25]
Альфред Вегенер , будучи метеорологом , предположил, что приливные силы и центробежные силы являются основными движущими механизмами континентального дрейфа ; однако эти силы считались слишком малыми, чтобы вызвать движение континентов, поскольку концепция заключалась в том, что континенты прокладывают себе путь через океаническую кору. [33] Поэтому Вегенер позже изменил свою позицию и в последнем издании своей книги в 1929 году утверждал, что конвекционные течения являются основной движущей силой тектоники плит.
Однако в контексте тектоники плит (принятой с момента появления предложений о спрединге морского дна Хейзена, Гесса, Дитца, Морли, Вайна и Мэтьюза (см. ниже) в начале 1960-х годов) предполагается, что океаническая кора движется вместе с континентами, что привело к пересмотру предложений, связанных с вращением Земли. В более поздней литературе этими движущими силами являются:
Силы, которые малы и которыми, как правило, можно пренебречь, это:
Для того, чтобы эти механизмы были в целом действительными, систематические связи должны существовать по всему миру между ориентацией и кинематикой деформации и географической широтной и долготной сеткой самой Земли. Эти систематические исследования связей во второй половине девятнадцатого века и первой половине двадцатого века подчеркивают ровно противоположное: что плиты не сдвинулись со временем, что сетка деформации была фиксирована относительно экватора и оси Земли, и что гравитационные движущие силы в целом действовали вертикально и вызывали только локальные горизонтальные движения (так называемая доплитная тектоника, «теории фиксизма»). Более поздние исследования (обсуждаемые ниже на этой странице) поэтому привлекли многие из связей, признанных в этот доплитный период тектоники, для поддержки своих теорий (см. обзоры этих различных механизмов, связанных с вращением Земли, в работе ван Дейка и соавторов). [37]
Из многих сил, обсуждавшихся выше, приливная сила все еще активно обсуждается и защищается как возможная основная движущая сила тектоники плит. Другие силы используются только в глобальных геодинамических моделях, не использующих концепции тектоники плит (следовательно, за пределами обсуждений, рассматриваемых в этом разделе), или предлагаются как незначительные модуляции в рамках общей модели тектоники плит. В 1973 году Джордж У. Мур [38] из Геологической службы США и Р. К. Бостром [39] представили доказательства общего дрейфа литосферы Земли на запад относительно мантии, основанные на крутизне зон субдукции (неглубокое падение к востоку, крутое падение к западу). Они пришли к выводу, что приливные силы (приливное отставание или «трение»), вызванные вращением Земли и силами, действующими на нее со стороны Луны, являются движущей силой тектоники плит. Поскольку Земля вращается на восток под Луной, гравитация Луны слегка тянет поверхностный слой Земли обратно на запад, как и предполагал Альфред Вегенер (см. выше). С 1990 года эта теория в основном отстаивается Доглиони и его коллегами (Doglioni 1990), например, в более позднем исследовании 2006 года [40] , где ученые рассмотрели и отстаивали эти идеи. В работе Ловетта (2006) было высказано предположение, что это наблюдение может также объяснить, почему у Венеры и Марса нет тектоники плит, поскольку у Венеры нет луны, а луны Марса слишком малы, чтобы оказывать значительное приливное воздействие на планету. В статье [41] было высказано предположение, что, с другой стороны, можно легко наблюдать, что многие плиты движутся на север и восток, и что преимущественно западное движение бассейнов Тихого океана происходит просто из-за смещения на восток центра спрединга Тихого океана (что не является предсказанным проявлением таких лунных сил). Однако в той же статье авторы признают, что относительно нижней мантии в движениях всех плит присутствует небольшая западная составляющая. Они продемонстрировали, однако, что западный дрейф, наблюдаемый только в течение последних 30 млн лет, объясняется возросшим доминированием неуклонно растущей и ускоряющейся Тихоокеанской плиты. Дискуссия все еще открыта, и недавняя статья Хофмейстера и др. (2022) [42] возродила идею, снова отстаивая взаимодействие между вращением Земли и Луной как основные движущие силы для плит.
Вектор движения плиты является функцией всех сил, действующих на плиту; однако здесь возникает проблема, касающаяся степени, в которой каждый процесс вносит вклад в общее движение каждой тектонической плиты .
Разнообразие геодинамических условий и свойств каждой плиты является результатом воздействия различных процессов, активно движущих каждую отдельную плиту. Один из методов решения этой проблемы заключается в рассмотрении относительной скорости, с которой движется каждая плита, а также доказательств, связанных со значением каждого процесса для общей движущей силы на плите.
Одной из наиболее значимых корреляций, обнаруженных на сегодняшний день, является то, что литосферные плиты, прикрепленные к нисходящим (субдуцирующим) плитам, движутся гораздо быстрее, чем другие типы плит. Например, Тихоокеанская плита по сути окружена зонами субдукции (так называемым Огненным кольцом) и движется гораздо быстрее, чем плиты Атлантического бассейна, которые прикреплены (возможно, можно сказать «приварены») к соседним континентам, а не к субдуцирующим плитам. Таким образом, считается, что силы, связанные с нисходящей плитой (притяжение плиты и всасывание плиты), являются движущими силами, которые определяют движение плит, за исключением тех плит, которые не субдуцируются. [8] Однако эта точка зрения была опровергнута недавним исследованием, которое показало, что фактические движения Тихоокеанской плиты и других плит, связанных с Восточно-Тихоокеанским поднятием, не коррелируют в основном ни с притяжением плиты, ни с ее выталкиванием, а скорее с мантийным конвективным подъемом, горизонтальное распространение которого вдоль оснований различных плит движет их вперед посредством сил тяги, связанных с вязкостью. [43] Движущие силы движения плит продолжают оставаться активными предметами текущих исследований в области геофизики и тектонофизики .
Развитие теории тектоники плит было научным и культурным изменением, которое произошло в течение 50 лет научных дебатов. Само по себе принятие было сдвигом парадигмы и поэтому может быть классифицировано как научная революция, [44] теперь описываемая как Революция тектоники плит .
В начале двадцатого века различные теоретики безуспешно пытались объяснить многочисленные географические, геологические и биологические преемственности между континентами. В 1912 году метеоролог Альфред Вегенер описал то, что он назвал континентальным дрейфом, идея, которая достигла кульминации пятьдесят лет спустя в современной теории тектоники плит. [45]
Вегенер расширил свою теорию в своей книге 1915 года «Происхождение континентов и океанов» . [46] Исходя из идеи (высказанной также его предшественниками) о том, что нынешние континенты когда-то образовывали единый массив суши (позже названный Пангеей ), Вегенер предположил, что они разделились и дрейфовали друг от друга, сравнивая их с «айсбергами» из сиала низкой плотности, плавающими в море из симы более плотной . [47] [48] Подтверждающие эту идею доказательства были получены из очертаний восточного побережья Южной Америки и западного побережья Африки, которые Антонио Снайдер-Пеллегрини нарисовал на своих картах, а также из сопоставления скальных образований вдоль этих краев. Подтверждение их прежней смежной природы также было получено из ископаемых растений Glossopteris и Gangamopteris , а также терапсида или млекопитающего, похожего на рептилию Lystrosaurus , которые широко распространены в Южной Америке, Африке, Антарктиде, Индии и Австралии. Доказательства такого некогда соединения этих континентов были очевидны полевым геологам, работавшим в южном полушарии. Южноафриканец Алекс дю Туа собрал массу такой информации в своей публикации 1937 года « Наши блуждающие континенты » и пошел дальше Вегенера в признании прочных связей между фрагментами Гондваны .
Работа Вегенера изначально не получила широкого признания, отчасти из-за отсутствия подробных доказательств, но в основном из-за отсутствия разумного физически поддерживаемого механизма. Земля могла иметь твердую кору и мантию и жидкое ядро, но, казалось, не было способа, которым части коры могли бы перемещаться. Многие выдающиеся ученые того времени, такие как Гарольд Джеффрис и Чарльз Шухерт , были откровенными критиками дрейфа континентов.
Несмотря на многочисленные возражения, точка зрения о континентальном дрейфе получила поддержку, и началась оживленная дискуссия между «дрифтерами» или «мобилистами» (сторонниками теории) и «фиксистами» (оппонентами). В 1920-х, 1930-х и 1940-х годах первые достигли важных вех, предположив, что конвекционные течения могли быть движущей силой движения плит, и что спрединг мог происходить под морем в пределах океанической коры. Концепции, близкие к элементам тектоники плит, были предложены геофизиками и геологами (как фиксистами, так и мобилистами), такими как Венинг-Майнес, Холмс и Амбгроув. В 1941 году Отто Ампферер описал в своей публикации «Мысли о кинофильме Атлантического региона» [49] процессы, которые предвосхищали спрединг и субдукцию морского дна . [50] [51] Одно из первых геофизических доказательств, которое использовалось для поддержки движения литосферных плит, пришло из палеомагнетизма . Это основано на том факте, что породы разного возраста показывают переменное направление магнитного поля , что подтверждается исследованиями с середины девятнадцатого века. Магнитные северный и южный полюса меняются местами со временем, и, что особенно важно в палеотектонических исследованиях, относительное положение магнитного северного полюса меняется со временем. Первоначально, в первой половине двадцатого века, последнее явление объяснялось введением того, что называлось «полярным блужданием» (см. кажущееся полярное блуждание ) (т. е. предполагалось, что местоположение северного полюса смещалось со временем). Однако альтернативное объяснение состояло в том, что континенты сместились (сместились и повернулись) относительно северного полюса, и каждый континент, по сути, показывает свой собственный «путь полярного блуждания». В конце 1950-х годов было успешно показано в двух случаях, что эти данные могут подтвердить обоснованность теории континентального дрейфа: Кейтом Ранкорном в статье 1956 года [52] и Уорреном Кэри на симпозиуме, состоявшемся в марте 1956 года [53].
Второе доказательство в поддержку континентального дрейфа появилось в конце 1950-х и начале 1960-х годов на основе данных о батиметрии глубоководных океанических лож и природе океанической коры, таких как магнитные свойства, и, в более общем плане, с развитием морской геологии [54], которая предоставила доказательства связи между расширением морского дна вдоль срединно-океанических хребтов и инверсиями магнитного поля , опубликованные между 1959 и 1963 годами Хейзеном, Дитцем, Гессом, Мейсоном, Вайном и Мэтьюзом и Морли. [55]
Одновременные достижения в ранних методах сейсмической визуализации в зонах Вадати-Бениоффа и вокруг них вдоль желобов, ограничивающих многие континентальные окраины, вместе со многими другими геофизическими (например, гравиметрическими) и геологическими наблюдениями показали, как океаническая кора может исчезать в мантии, обеспечивая механизм, уравновешивающий расширение океанических бассейнов с сокращением вдоль их окраин.
Все эти свидетельства, как с морского дна, так и с континентальных окраин, ясно дали понять около 1965 года, что континентальный дрейф возможен. Теория тектоники плит была определена в серии статей между 1965 и 1967 годами. Теория произвела революцию в науках о Земле, объяснив широкий спектр геологических явлений и их значение в других исследованиях, таких как палеогеография и палеобиология .
В конце 19-го и начале 20-го веков геологи предполагали, что основные особенности Земли фиксированы, и что большинство геологических особенностей, таких как развитие бассейнов и горных хребтов, можно объяснить вертикальным движением земной коры, описанным в так называемой геосинклинальной теории . В целом, это рассматривалось в контексте сжатия планеты Земля из-за потери тепла в течение относительно короткого геологического времени.
Еще в 1596 году было замечено, что противоположные побережья Атлантического океана — или, точнее, края континентальных шельфов — имеют схожие формы и, по-видимому, когда-то были соединены вместе. [56]
С тех пор было предложено много теорий для объяснения этой кажущейся взаимодополняемости, но предположение о твердой Земле сделало эти различные предложения трудноприемлемыми. [57]
Открытие радиоактивности и связанных с ней свойств нагрева в 1895 году побудило пересмотреть кажущийся возраст Земли . [58] Ранее это оценивалось по скорости ее охлаждения в предположении, что поверхность Земли излучает как черное тело . [59] Эти расчеты подразумевали, что даже если бы она началась с красного каления , Земля опустилась бы до своей нынешней температуры за несколько десятков миллионов лет. Вооруженные знаниями о новом источнике тепла, ученые поняли, что Земля будет намного старше, и что ее ядро все еще достаточно горячее, чтобы быть жидким.
К 1915 году, после публикации первой статьи в 1912 году, [60] Альфред Вегенер приводил серьезные аргументы в пользу идеи континентального дрейфа в первом издании « Происхождения континентов и океанов» . [46] В этой книге (переизданной в четырех последовательных изданиях вплоть до последнего в 1936 году) он отметил, что восточное побережье Южной Америки и западное побережье Африки выглядели так, как будто они когда-то были соединены. Вегенер был не первым, кто это заметил ( Его опередили Авраам Ортелиус , Антонио Снайдер-Пеллегрини , Эдуард Зюсс , Роберто Мантовани и Фрэнк Берсли Тейлор , и это лишь некоторые из них), но он был первым, кто выстроил значительные ископаемые , палеотопографические и климатологические доказательства в поддержку этого простого наблюдения (и был поддержан в этом такими исследователями, как Алекс дю Туа ). Более того, когда пласты горных пород на окраинах отдельных континентов очень похожи, это говорит о том, что эти породы были сформированы одинаковым образом, подразумевая, что они были изначально соединены. Например, части Шотландии и Ирландии содержат породы, очень похожие на те, что были найдены в Ньюфаундленде и Нью-Брансуике . Более того, Каледонские горы Европы и части Аппалачей Северной Америки очень похожи по структуре и литологии .
Однако его идеи не были восприняты всерьез многими геологами, которые указывали на отсутствие очевидного механизма континентального дрейфа. В частности, они не видели, как континентальная порода могла прорываться сквозь гораздо более плотную породу, составляющую океаническую кору. Вегенер не мог объяснить силу, которая управляла континентальным дрейфом, и его оправдание пришло только после его смерти в 1930 году. [61]
Поскольку было замечено ранее, что хотя гранит и существовал на континентах, морское дно, по-видимому, состояло из более плотного базальта , преобладающей концепцией в первой половине двадцатого века было то, что существовало два типа коры, называемые «сиал» (кора континентального типа) и «сима» (кора океанического типа). Кроме того, предполагалось, что под континентами присутствовала статическая оболочка слоев. Поэтому казалось очевидным, что слой базальта (сиал) подстилает континентальные породы.
Однако, основываясь на аномалиях в отклонении отвесной линии Андами в Перу, Пьер Буге пришел к выводу, что менее плотные горы должны иметь направленную вниз проекцию в более плотный слой под ними. Концепция того, что горы имеют «корни», была подтверждена Джорджем Б. Эйри сто лет спустя, во время изучения гималайской гравитации, а сейсмические исследования обнаружили соответствующие изменения плотности. Поэтому к середине 1950-х годов оставался нерешенным вопрос о том, были ли корни гор зажаты в окружающем базальте или плавали на нем, как айсберг.
В течение 20-го века усовершенствования и более широкое использование сейсмических инструментов, таких как сейсмографы, позволили ученым узнать, что землетрясения, как правило, концентрируются в определенных областях, в первую очередь вдоль океанических впадин и спрединговых хребтов. К концу 1920-х годов сейсмологи начали определять несколько заметных зон землетрясений, параллельных впадинам, которые обычно были наклонены на 40–60° от горизонтали и простирались на несколько сотен километров вглубь Земли. Эти зоны позже стали известны как зоны Вадати-Бениоффа или просто зоны Бениоффа, в честь сейсмологов, которые первыми их обнаружили, Кию Вадати из Японии и Хьюго Бениоффа из США. Изучение глобальной сейсмичности значительно продвинулось в 1960-х годах с созданием Всемирной стандартизированной сети сейсмографов (WWSSN) [62] для контроля за соблюдением договора 1963 года о запрете наземных испытаний ядерного оружия. Значительно улучшенные данные, полученные с помощью приборов WWSSN, позволили сейсмологам точно отобразить зоны концентрации землетрясений по всему миру.
Тем временем вокруг феномена полярного блуждания развернулись дебаты. Начиная с ранних дебатов о континентальном дрейфе, ученые обсуждали и использовали доказательства того, что полярный дрейф произошел из-за того, что континенты, по-видимому, перемещались через разные климатические зоны в прошлом. Более того, палеомагнитные данные показали, что магнитный полюс также смещался с течением времени. Рассуждая противоположным образом, континенты могли смещаться и вращаться, в то время как полюс оставался относительно неподвижным. Впервые доказательства магнитного полярного блуждания были использованы для подтверждения движений континентов в статье Кейта Ранкорна в 1956 году [52] и последующих статьях его и его студентов Теда Ирвинга (который был фактически первым, кто убедился в том, что палеомагнетизм поддерживает континентальный дрейф) и Кена Крира.
За этим сразу же последовал симпозиум по континентальному дрейфу в Тасмании в марте 1956 года, организованный С. Уорреном Кэри , который был одним из сторонников и пропагандистов континентального дрейфа с тридцатых годов [63]. Во время этого симпозиума некоторые из участников использовали доказательства теории расширения глобальной коры , теории, которая была предложена другими исследователями десятилетиями ранее. В этой гипотезе смещение континентов объясняется большим увеличением размера Земли с момента ее образования. Однако, хотя теория все еще имеет сторонников в науке, это, как правило, считается неудовлетворительным, поскольку не существует убедительного механизма, вызывающего значительное расширение Земли. Другие работы в последующие годы вскоре показали, что доказательства в равной степени подтверждают континентальный дрейф на земном шаре со стабильным радиусом.
В период с 1930-х до конца 1950-х годов работы Венинга-Майнеса , Холмса, Амбгроува и многих других изложили концепции, которые были близки или почти идентичны современной теории тектоники плит. В частности, английский геолог Артур Холмс предположил в 1920 году, что стыки плит могут находиться под морем , а в 1928 году — что движущей силой могут быть конвекционные потоки в мантии. [64] Часто эти вклады забываются, потому что:
В 1947 году группа ученых под руководством Мориса Юинга , используя исследовательское судно Atlantis Океанографического института Вудс-Хоул и ряд инструментов, подтвердила существование подъема в центральной части Атлантического океана и обнаружила, что дно морского дна под слоем осадков состоит из базальта, а не из гранита, который является основным компонентом континентов. Они также обнаружили, что океаническая кора намного тоньше континентальной. Все эти новые открытия подняли важные и интригующие вопросы. [65]
Новые данные, которые были собраны по океаническим бассейнам, также показали особые характеристики относительно батиметрии. Одним из основных результатов этих наборов данных было то, что по всему земному шару была обнаружена система срединно-океанических хребтов. Важным выводом было то, что вдоль этой системы создавалось новое океаническое дно, что привело к концепции « Великого глобального разлома ». Это было описано в важной статье Брюса Хизена (1960), основанной на его работе с Мари Тарп , [66], которая вызвала настоящую революцию в мышлении. Глубоким следствием расширения морского дна является то, что новая кора непрерывно создавалась и продолжает создаваться вдоль океанических хребтов. По этой причине Хизен изначально отстаивал так называемую гипотезу « расширяющейся Земли » С. Уоррена Кэри (см. выше). Поэтому оставался вопрос о том, как новая кора может непрерывно добавляться вдоль океанических хребтов без увеличения размера Земли. На самом деле, этот вопрос уже был решен многочисленными учеными в 1940-х и 1950-х годах, такими как Артур Холмс, Венинг-Майнес, Коутс и многими другими: избыток коры исчез вдоль так называемых океанических впадин, где произошла так называемая «субдукция». Поэтому, когда в начале 1960-х годов различные ученые начали рассуждать о данных, имеющихся в их распоряжении относительно дна океана, части теории быстро встали на свои места.
Этот вопрос особенно интриговал Гарри Хаммонда Гесса , геолога Принстонского университета и контр-адмирала ВМС США, и Роберта С. Дитца , ученого из Береговой и геодезической службы США , который ввел термин «распространение морского дна» . Дитц и Гесс (первый опубликовал ту же идею годом ранее в журнале Nature [67], но приоритет принадлежит Гессу, который уже распространил неопубликованную рукопись своей статьи 1962 года к 1960 году) [68] были среди тех немногих, кто действительно понимал широкие последствия расширения морского дна и то, как оно в конечном итоге согласуется с нетрадиционными и непринятыми в то время идеями континентального дрейфа и элегантными и мобильистскими моделями, предложенными предыдущими исследователями, такими как Холмс.
В том же году Роберт Р. Коутс из Геологической службы США описал основные черты субдукции островной дуги на Алеутских островах . [69] Его статья, хотя и мало отмеченная (а иногда даже высмеянная) в то время, с тех пор была названа «основополагающей» и «пророческой». В действительности она показывает, что работа европейских ученых по островным дугам и горным поясам, выполненная и опубликованная в период с 1930-х по 1950-е годы, применялась и ценилась также в Соединенных Штатах.
Если земная кора расширялась вдоль океанических хребтов, рассуждали Гесс и Диц, как Холмс и другие до них, то она должна была сокращаться в другом месте. Гесс последовал за Хизеном, предположив, что новая океаническая кора непрерывно распространяется от хребтов в движении, подобном конвейерной ленте. И, используя мобилистические концепции, разработанные ранее, он правильно заключил, что много миллионов лет спустя океаническая кора в конечном итоге опускается вдоль континентальных окраин, где образуются океанические впадины — очень глубокие, узкие каньоны — например, вдоль края бассейна Тихого океана . Важный шаг, сделанный Гессом, заключался в том, что движущей силой этого процесса будут конвекционные течения, что привело к тем же выводам, к которым пришел Холмс десятилетиями ранее, с той лишь разницей, что истончение океанической коры осуществлялось с использованием механизма распространения вдоль хребтов Хизена. Поэтому Гесс пришел к выводу, что Атлантический океан расширялся, в то время как Тихий океан сокращался. Поскольку старая океаническая кора «потребляется» в желобах (как и Холмс и другие, он считал, что это происходит за счет утолщения континентальной литосферы, а не, как позже поняли, за счет поддвига в более крупном масштабе самой океанической коры в мантию), новая магма поднимается и извергается вдоль расширяющихся хребтов, образуя новую кору. По сути, океанические бассейны постоянно «перерабатываются», причем формирование новой коры и разрушение старой океанической литосферы происходят одновременно. Таким образом, новые мобилистские концепции четко объяснили, почему Земля не становится больше при расширении морского дна, почему на дне океана так мало накапливается осадков и почему океанические породы намного моложе континентальных.
Начиная с 1950-х годов такие ученые, как Виктор Вакье , используя магнитные приборы ( магнитометры ), адаптированные из бортовых устройств, разработанных во время Второй мировой войны для обнаружения подводных лодок , начали распознавать странные магнитные вариации по всему дну океана. Это открытие, хотя и неожиданное, не было полностью удивительным, поскольку было известно, что базальт — богатая железом вулканическая порода, составляющая дно океана — содержит сильномагнитный минерал ( магнетит ) и может локально искажать показания компаса. Это искажение было обнаружено исландскими моряками еще в конце 18 века. Что еще более важно, поскольку присутствие магнетита придает базальту измеримые магнитные свойства, эти недавно обнаруженные магнитные вариации предоставили еще один способ изучения глубокого дна океана. Когда новообразованная порода остывает, такие магнитные материалы регистрируют магнитное поле Земли в то время.
По мере того, как в 1950-х годах все больше и больше морского дна картировалось, магнитные вариации оказывались не случайными или изолированными явлениями, а вместо этого выявляли узнаваемые закономерности. Когда эти магнитные закономерности были картированы в широком регионе, океанское дно показало зеброподобный рисунок: одна полоса с нормальной полярностью и прилегающая полоса с обратной полярностью. Общий рисунок, определяемый этими чередующимися полосами нормально и обратно поляризованных пород, стал известен как магнитная полосатость и был опубликован Роном Г. Мейсоном и его коллегами в 1961 году, которые, однако, не нашли объяснения этим данным с точки зрения спрединга морского дна, как Вайн, Мэтьюз и Морли несколько лет спустя. [70]
Открытие магнитных полос потребовало объяснения. В начале 1960-х годов такие ученые, как Хейзен, Гесс и Диц, начали выдвигать теорию о том, что срединно-океанические хребты отмечают структурно слабые зоны, где океаническое дно разрывалось надвое вдоль гребня хребта (см. предыдущий абзац). Новая магма из глубин Земли легко поднимается через эти слабые зоны и в конечном итоге извергается вдоль гребня хребтов, создавая новую океаническую кору. Этот процесс, сначала названный «гипотезой конвейерной ленты», а позже названный спредингом морского дна, действующий в течение многих миллионов лет, продолжает формировать новое океаническое дно по всей 50 000-километровой системе срединно-океанических хребтов.
Всего через четыре года после публикации карт с «зебровым рисунком» магнитных полос связь между спредингом морского дна и этими узорами была независимо признана Лоуренсом Морли , а также Фредом Вайном и Драммондом Мэтьюзом в 1963 году [71] ( гипотеза Вайна–Мэтьюза–Морли ). Эта гипотеза связывала эти узоры с геомагнитными инверсиями и была подкреплена несколькими линиями доказательств: [72]
Объясняя как зеброподобную магнитную полосу, так и конструкцию системы срединно-океанического хребта, гипотеза спрединга морского дна (SFS) быстро приобрела сторонников и стала еще одним крупным шагом вперед в развитии теории тектоники плит. Более того, океаническая кора стала восприниматься как естественная «лента записи» истории инверсий геомагнитного поля (GMFR) магнитного поля Земли. Обширные исследования были посвящены калибровке нормальных инверсий в океанической коре, с одной стороны, и известным временным шкалам, полученным из датирования базальтовых слоев в осадочных последовательностях ( магнитостратиграфия ), с другой стороны, для получения оценок прошлых скоростей спрединга и реконструкций плит.
После всех этих рассуждений тектоника плит (или, как ее изначально называли, «Новая глобальная тектоника») была быстро принята, и последовало множество работ, в которых были определены эти концепции:
Теория дрейфа континентов помогает биогеографам объяснить разрозненное биогеографическое распределение современной жизни, обнаруженной на разных континентах, но имеющей схожих предков . [83]
Реконструкция используется для установления прошлых (и будущих) конфигураций плит, помогая определить форму и состав древних суперконтинентов и обеспечивая основу для палеогеографии.
Границы активных плит определяются их сейсмичностью. [84] Прошлые границы плит в пределах существующих плит определяются по различным свидетельствам, таким как наличие офиолитов , которые указывают на исчезнувшие океаны. [85]
Время возникновения тектоники плит на Земле было предметом значительных споров, при этом предполагаемое время сильно различалось между исследователями, охватывая 85% истории Земли. [86] Некоторые авторы предположили, что в течение по крайней мере части архейского периода (~4-2,5 миллиарда лет назад) мантия была на 100-250 °C теплее, чем в настоящее время, что, как считается, несовместимо с современным стилем тектоники плит, и что Земля могла иметь застойную крышку или другие виды режимов. Все более фельзитовая природа сохранившихся пород между 3 и 2,5 миллиардами лет назад подразумевает, что к этому времени появились зоны субдукции, а сохранившиеся цирконы предполагают, что субдукция могла начаться еще 3,8 миллиона лет назад. Ранние зоны субдукции, по-видимому, были временными и локализованными, хотя в какой степени, является спорным. Предполагается, что современная тектоника плит возникла по крайней мере 2,2 миллиарда лет назад с образованием первого признанного суперконтинента Колумбия, хотя некоторые авторы предполагают, что современная тектоника плит появилась только 800 миллионов лет назад, основываясь на позднем появлении типов горных пород, таких как голубой сланец , для которых требуется холодный субдукционный материал. [86] Другие авторы предполагают, что тектоника плит уже функционировала в гадее , более 4 миллиардов лет назад. [87]
Различные типы количественной и полуколичественной информации доступны для ограничения прошлых движений плит. Геометрическое соответствие между континентами, например, между Западной Африкой и Южной Америкой, по-прежнему является важной частью реконструкции плит. Модели магнитных полос обеспечивают надежное руководство по относительным движениям плит, восходящим к юрскому периоду. [88] Следы горячих точек дают абсолютные реконструкции, но они доступны только для мелового периода . [89] Более старые реконструкции в основном опираются на данные палеомагнитных полюсов , хотя они ограничивают только широту и вращение, но не долготу. Объединение полюсов разного возраста в конкретной плите для получения видимых путей полярного блуждания дает метод сравнения движений разных плит во времени. [90] Дополнительные доказательства исходят из распределения определенных типов осадочных пород , [91] фаунистических провинций, показанных определенными ископаемыми группами, и положения орогенных поясов . [89]
Движение плит вызвало формирование и распад континентов с течением времени, включая случайное формирование суперконтинента , который содержит большинство или все континенты. Суперконтинент Колумбия или Нуна образовался в период от 2000 до 1800 миллионов лет назад и распался примерно от 1500 до 1300 миллионов лет назад . [92] [93] Считается, что суперконтинент Родиния образовался около 1 миллиарда лет назад и включал в себя большинство или все континенты Земли, и распался на восемь континентов около 600 миллионов лет назад . Восемь континентов позже снова собрались в другой суперконтинент под названием Пангея ; Пангея распалась на Лавразию (которая стала Северной Америкой и Евразией) и Гондвану (которая стала оставшимися континентами).
Гималаи , самая высокая горная цепь в мире, как предполагается, образовались в результате столкновения двух крупных плит. До поднятия территория, где они находятся, была покрыта океаном Тетис .
В зависимости от того, как их определяют, обычно выделяют семь или восемь «главных» плит: Африканская , Антарктическая , Евразийская , Североамериканская , Южноамериканская , Тихоокеанская и Индо-Австралийская . Последняя иногда подразделяется на Индийскую и Австралийскую плиты.
Существуют десятки более мелких плит, восемь крупнейших из которых — Аравийская , Карибская , Хуан-де-Фука , Кокосовая , Наска , Филиппинского моря , Скотия и Сомалийская .
В 2020-х годах появились новые предложения, которые разделяют земную кору на множество более мелких плит, называемых террейнами, что отражает тот факт, что реконструкции плит показывают, что более крупные плиты были внутренне деформированы, а океанические и континентальные плиты были фрагментированы с течением времени. Это привело к определению примерно 1200 террейнов внутри океанических плит, континентальных блоков и мобильных зон (горных поясов), которые их разделяют. [94] [95]
Движение тектонических плит определяется с помощью наборов данных спутников дистанционного зондирования, откалиброванных с помощью измерений наземных станций.
Появление тектоники плит на планетах земной группы связано с массой планеты, и ожидается, что более массивные планеты, чем Земля, будут демонстрировать тектонику плит. Земля может быть пограничным случаем, так как ее тектоническая активность обусловлена обилием воды (кремний и вода образуют глубокую эвтектику ). [96]
Венера не показывает никаких свидетельств активной тектоники плит. Существуют спорные свидетельства активной тектоники в далеком прошлом планеты; однако события, происходящие с тех пор (например, правдоподобная и общепринятая гипотеза о том, что литосфера Венеры значительно утолщилась в течение нескольких сотен миллионов лет), затруднили ограничение хода ее геологической летописи. Тем не менее, многочисленные хорошо сохранившиеся ударные кратеры использовались в качестве метода датирования для приблизительной датировки поверхности Венеры (поскольку до сих пор нет известных образцов венерианских пород, которые можно было бы датировать более надежными методами). Полученные даты в основном находятся в диапазоне от 500 до 750 миллионов лет назад , хотя были рассчитаны возрасты до 1200 миллионов лет назад . Это исследование привело к довольно хорошо принятой гипотезе о том, что Венера претерпела по существу полное вулканическое обновление поверхности по крайней мере один раз в своем далеком прошлом, причем последнее событие произошло примерно в пределах диапазона предполагаемых возрастов поверхности. Хотя механизм столь впечатляющего термического события остается предметом дискуссий в венерианских науках о Земле, некоторые ученые выступают за процессы, в некоторой степени связанные с движением плит.
Одним из объяснений отсутствия тектоники плит на Венере является то, что на Венере температуры слишком высоки для значительного присутствия воды. [97] [98] Земная кора пропитана водой, и вода играет важную роль в развитии зон сдвига . Тектоника плит требует слабых поверхностей в коре, по которым могут перемещаться слои коры, и вполне может быть, что такое ослабление никогда не происходило на Венере из-за отсутствия воды. Однако некоторые исследователи [ кто? ] по-прежнему убеждены, что тектоника плит активна или когда-то была активна на этой планете.
Марс значительно меньше Земли и Венеры, и на его поверхности и в коре имеются свидетельства наличия льда.
В 1990-х годах было высказано предположение, что марсианская коровая дихотомия была создана процессами тектоники плит. [99] С тех пор ученые определили, что она была создана либо подъемом глубинных вод в марсианской мантии , который утолщил кору Южных нагорий и сформировал Тарсис [100], либо гигантским ударом, который вырыл Северные низменности . [101]
Долина Маринера может быть тектонической границей. [102]
Наблюдения за магнитным полем Марса, проведенные космическим аппаратом Mars Global Surveyor в 1999 году, показали образцы магнитных полос, обнаруженных на этой планете. Некоторые ученые интерпретировали их как требующие тектонических процессов плит, таких как спрединг морского дна. [103] Однако их данные не прошли «тест на магнитную инверсию», который используется для того, чтобы увидеть, были ли они образованы путем переворота полярностей глобального магнитного поля. [104]
Некоторые из спутников Юпитера имеют особенности, которые могут быть связаны с деформацией тектонического типа плит, хотя материалы и конкретные механизмы могут отличаться от тектонической активности плит на Земле. 8 сентября 2014 года НАСА сообщило об обнаружении доказательств тектоники плит на Европе , спутнике Юпитера , — первый признак субдукционной активности в другом мире, кроме Земли. [105]
Сообщалось, что Титан , крупнейший спутник Сатурна , демонстрирует тектоническую активность на снимках, полученных зондом Гюйгенс , который приземлился на Титане 14 января 2005 года. [106]
На планетах размером с Землю тектоника плит более вероятна, если есть океаны воды. Однако в 2007 году две независимые группы исследователей пришли к противоположным выводам о вероятности тектоники плит на более крупных суперземлях [107] [108], при этом одна группа заявила, что тектоника плит будет эпизодической или застойной [109] , а другая группа заявила, что тектоника плит весьма вероятна на суперземлях, даже если планета сухая. [96]
Рассмотрение тектоники плит является частью поиска внеземного разума и внеземной жизни . [110]
... 6 января 1912 г. Вегенер... предложил вместо этого грандиозную концепцию дрейфующих континентов и расширяющихся морей для объяснения эволюции географии Земли.
своем третьем издании (1922 г.) Вегенер ссылался на геологические свидетельства того, что около 300
миллионов лет назад все континенты были объединены в суперконтинент, простирающийся от полюса до полюса. Он назвал его Пангеей (все земли),...
Авраам Ортелий в своей работе «Thesaurus Geographicus»... предположил, что Америка была «оторвана от Европы и Африки... землетрясениями и наводнениями... Следы разрыва обнаруживаются, если кто-то достает карту мира и внимательно рассматривает побережья трех [континентов]».
Эти мемуары были первоначально опубликованы в Historical Records of Australian Science (2003) 14 (3).
Видео