5.3. Тектоника литосферных плит

Современная концепция, объясняющая основные закономерности тектонических процессов в глобальном (планетарном) масштабе создана в 60-70-е гг. ХХ в. на мобилистской основе. Одним из основных ее положений является разделение литосферы Земли на относительно жесткие блоки (плиты), находящиеся в непрерывном движении друг относительно друга. Поэтому эта концепция еще называется тектоникой литосферных плит или плейттектоникой (хотя на современной стадии ее развития такое название выглядит уже чересчур «узким»).

Выше мы отметили, что к середине ХХ в. мобилистские представления были подавляющим большинством геологов отвергнуты. Что же заставило к ним вернуться? И почему именно в 1960-е гг. стало возможным создание новой тектонической теории?

Первым толчком послужили палеомагнитные данные, основанные на

изучении остаточной намагниченности горных пород. Суть явления остаточной намагниченности, о котором мы уже говорили, заключается в том, что содержащиеся в горных породах частицы магнитных минералов сохраняют намагниченность, направление которой соответствует ориентировке магнитного поля Земли, существовавшего при образовании породы. Измеряя эту намагниченность, можно восстановить, как были ориентированы силовые линии магнитного поля Земли в любой точке земной поверхности в различные геологические эпохи. Такие исследования начали сразу после Второй Мировой Войны английские ученые. И выяснилось, что чем древнее эпоха, тем сильнее отличается ориентировка магнитного поля Земли от современной.

Возникло предположение, что магнитные полюса Земли на протяжении ее геологической истории постоянно меняли свое положение. Это явление назвали «дрейфом полюсов». Сделав большое количество определений остаточной намагниченности по горным породам различного возраста на территории Западной Европы, ученые определили траекторию движения Северного полюса от палеозоя до наших дней. Но когда такие же исследования выполнили для Северной Америки, получилась другая траектория движения полюса, не совпадающая с европейской. Ясно, что не мог существовать для Европы – один магнитный полюс, а для Америки – другой. Тогда попробовали на реконструкции «совместить» континенты и, начиная с триасового периода, постепенно удалять их друг от друга, в соответствии с гипотезой А. Вегенера. И видимые траектории движения полюсов совпали! Значит, не полюса «дрейфовали» относительно воображаемых неподвижных наблюдателей на древних материках, а наоборот, материки двигались относительно друг друга и, видимо, относительно полюсов тоже. Так было получено первое подтверждение движения континентов совершенно новым независимым методом. Позднее таким путем были определены траектории относительного движения на протяжении мезозоя и кайнозоя всех континентов, и картина в основных чертах совпала с гипотетической вегенеровской реконструкцией распада Пангеи.

При палеомагнитных исследованиях был обнаружен еще один интересный факт: время от времени магнитные полюса Земли меняются местами.

Северный полюс оказывается южным и наоборот. В истории Земли были выделены эпохи прямой (соответствующей современной) и обратной намагниченности, также фиксируемые остаточной намагниченностью горных пород соответствующего возраста. Это открытие сыграло большую роль в возрождении гипотезы спрединга океанического дна и способствовало ее широчайшему признанию. В самом начале 1960-х гг. американские геофизики проводили впервые исследования магнитного поля над океанами. И обнаружили удивительные полосовые магнитные аномалии – чередующиеся полосы повышенной и пониженной напряженности магнитного поля, располагающиеся симметрично относительно оси срединно-океанического хребта. Молодой американский ученый Ф. Вайн и его научный руководитель Д. Мэтьюз связали этот факт с гипотетическим механизмом образования океанической коры в процессе спрединга. Согласно этой идее, базальтовый слой океанической коры постоянно наращивается по оси срединно-океанического хребта за счет базальтовых расплавов, поднимающихся из мантии и застывающих в зоне рифта, находящегося на оси растяжения. Значит, самыми молодыми должны быть базальты осевой зоны хребта, сформировавшиеся в современную эпоху прямой полярности магнитного поля. Немного древнее будут базальты, образовавшиесяв предшествовавшую ей последнюю эпоху обратной полярности.

Они будут слагать участки океанической коры, равноудаленные в обе стороны от оси спрединга, и иметь обратную намагниченность. Далее снова будут две симметричные зоны с прямой остаточной намагниченностью – и так далее.

Там, где базальты океанического дна имеют прямую полярность, их собственное магнитное поле будет усиливать магнитное поле Земли – здесь образуется положительная аномалия. А в зонах обратной полярности ориентировка остаточной намагниченности базальтов противоположна ориентировке магнитного поля Земли, и будет его ослаблять. Возникает отрицательная аномалия. Зная, как в истории Земли происходило чередование эпох прямой и обратной полярности, можно на основе этой модели вычислить время образования каждого участка базальтового слоя океанической коры. И если этот вычисленный возраст каким-то образом проверить, можно установить, верна гипотеза или нет. По счастью как раз в это время в США был построен первый научно-исследовательский корабль для изучения строения океанического дна путем глубоководного бурения – «Гломар Челленджер». И его научному экипажу в качестве одной из первых задач была поставлена проверка гипотезы спрединга. Корабль останавливался в точке, для которой по магнитным аномалиям был определен расчетный возраст земной коры. На дне пробуривалась скважина, достигавшая базальтового слоя. А из керна скважины отбирались образцы донных осадков, возраст которых определялся палеонтологическим методом. Если гипотеза спрединга верна, то при образовании океанической коры вначале должны формироваться породы базальтового слоя, а затем на их поверхность будут ложиться океанические донные осадки. Возраст самой древней части осадочного слоя должен быть примерноравен (чуть моложе) возраста подстилающих базальтов. Проверка показала, что вычисленные возраста базальтов и определенные палеонтологически возраста осадочных отложений вполне соответствуют друг другу. Так удалось объективно проверить и подтвердить гипотезу спрединга. При этом выяснилось, что океаническая кора в целом имеет относительно молодой возраст: четвертичный в осевых зонах срединно-океанических хребтов, далее –неогеновый, палеогеновый, и только на самых удаленных от хребтов участках – мезозойский. Океанической коры с возрастом, древнее юрского, нигде не обнаружено. Вычислены и скорости движения океанической коры в процессе спрединга. В разных частях Мирового океана они колеблются от 1-2 до 8-10 см/год. Изучение дна Мирового океана по программе глубоководного океанического бурения сыграло самую важную роль для разработки новой тектонической теории. Ведь ограниченность теории геосинклиналей в первую очередь была связана с тем, что при ее создании не могли использоваться данные о геологии океана. А теперь за короткое время – первые десятки лет – был получен огромный объем данных не только о возрасте океанической коры на разных территориях, но и о закономерностях распределения различных осадочных и магматических пород, характере их залегания, как в пределах ложа Мирового океана, так и в переходных зонах между океанами и континентами.

Появилась возможность сопоставить древние комплексы горных пород складчатых областей континентов с конкретными обстановками, существующими в разных частях современных океанов – то есть применить важнейший для геологии метод актуализма.

Одновременно большой прогресс был достигнут в понимании глубинных, в том числе мантийных процессов благодаря развитию методов экспериментальной петрологии. Они позволили в лабораторных условиях смоделировать процессы, происходящие с минеральным веществом горных пород при высоких температурах и давлениях, установить, в каких условиях формируются магматические расплавы того или иного состава. Это помогло понять, с чем связаны закономерности проявления магматической деятельности в различных геологических структурах на разных стадиях их развития.

Наконец, последним важным звеном стало определение характера современных тектонических движений в различных зонах на основе сейсмологических данных. В послевоенные годы была создана достаточно совершенная аппаратура для сейсмических наблюдений, которая позволила не только фиксировать каждое произошедшее на планете землетрясение, определять его силу и глубину размещения центра, но и определять ориентировку напряжений в очаге каждого землетрясения. И, соответственно, устанавливать, с движениями какой направленности они связаны.

Все эти данные были использованы при создании новой мобилистской

теории. Главное затруднение гипотезы Вегенера удалось преодолеть на основе новых знаний о глубинном строении Земли. В верхней части мантии был выделен слой, сложенный разуплотненными, высоко пластичными, частично расплавленными горными породами (астеносфера). Астеносфера залегает значительно глубже границы земной коры и мантии. Под океанами – в интервале глубин 50-400 км, под континентами – 100-250 км. Расположенный выше астеносферы жесткий слой, включающий вышележащую часть мантии и всю земную кору, получил название литосферы. Следует ещё раз подчеркнуть, что, таким образом, понятия «литосфера» и «земная кора» не синонимы (как иногда ошибочно утверждают): первое из этих понятий шире. Из сопоставления механических свойств ясно, что блоки жесткой литосферы способны перемещаться по поверхности пластичной астеносферы. Более того – они могут переноситься потоками астеносферного вещества, подобно льдинам на водной поверхности (вспомните гипотезу подкоровых течений). Так что перемещаются не материки по базальтовому слою, как было у А. Вегенера, а крупные фрагменты литосферы в целом – а материки движутся вместе с ними как их составные части.

Такие движущиеся относительно друг друга крупные фрагменты литосферы получили название литосферных плит. Границы их определены по данным сейсмологии: именно к этим зонам приурочено подавляющее большинство землетрясений. Анализ характера землетрясений позволил установить существование трех типов границ плит. На дивергентных границах наблюдается удаление плит друг от друга. Для них характерны многочисленные, но очень слабые землетрясения с неглубоким залеганием очагов с напряжениями растяжения. Это оси срединно-океанических хребтов и рифтовые зоны на континентах. Им противоположны конвергентные границы, где плиты сходятся. На земной поверхности это большей частью зоны активных континентальных окраин. Здесь отмечаются более редкие, но сильные землетрясения, очаги которых располагаются в большом интервале глубин (до 700 км). Характерна приуроченность очагов к наклонной плоскости, погружающейся под континент (зоне Беньофа). Ориентировка напряжений указывает на обстановку сжатия. Наконец, встречаются участки границ, где плиты не сближаются и не расходятся, а скользят друг относительно друга по разломам, названным трансформными (то есть меняющими или трансформирующими характер тектонической границы). Такова, в частности, граница Тихоокеанской и Американской плит по разлому Сан-Андреас в Калифорнии. Здесь характерны сильные периодические землетрясения с напряжениями и непосредственно устанавливаемыми смещениями сдвигового характера.

Наибольшее геологическое значение имеют процессы, происходящие на дивергентных и конвергентных границах плит. На дивергентных границах над восходящим потоком идущего из глубин мантии вещества происходит формирование коры океанического типа по предложенной ещё А.Холмсом модели спрединга (см. лекцию 17). Во внутриконтинентальных рифтах мы наблюдаем самую начальную стадию этого процесса. Далее континентальная кора раскалывается, обломки материка начинают удаляться друг от друга, а рифт заполняется морскими водами. Современным примером этой стадии является рифт Красного моря, отделивший Африку от Аравийского полуострова. Продолжение процесса приводит к раскрытию океана и формированию по оси раскрытия срединно-океанического хребта. В его пределах и продолжается формирование молодой океанической коры.

Образующаяся кора удаляется в обе стороны от океанического хребта,

уносясь горизонтальными астеносферными потоками. На ее поверхности накапливается слой донных осадков, который становится все толще по мере удаления от оси спрединга. В конечном счете, каждый фрагмент коры, переместившись на тысячи километров от места своего образования, окажется в области конвергентной границы с другой литосферной плитой.

Ход геологических процессов на конвергентных границах бывает разным – главным образом, в зависимости от того, корой какого типа сложены плиты в месте их столкновения. Самый редкий в настоящее время случай – это взаимодействие двух плит с океанической корой. Единственный пример – островная дуга Скоша между Южной Америкой и Антарктидой. Значительно более распространены случаи столкновения плит, одна из которых имеет кору океанического, а другая – континентального типа. При этом вдоль границы со стороны океана закладывается зона Беньофа, по которой океаническая плита погружается под континентальную (с чем и связаны наблюдаемые здесь землетрясения). Этот процесс называется субдукцией. В месте перегиба

океанической плиты образуется глубоководный желоб. Погружающаяся плита попадает в область более высоких температур, и вещество её базальтового слоя, вместе с захваченной частью донных осадков, подвергается частичному плавлению. Но теперь уже образуется магма не основного, а среднего состава.

Она поднимается к поверхности, где образуется цепочка вулканов, из которых формируется островная дуга. А в тылу у островной дуги закладывается местная зона частичного растяжения, где тоже (но в небольших масштабах) начинает действовать механизм спрединга. Так образуется окраинноеморе. На склонах островной дуги и котловины окраинного моря накапливаются осадочные отложения, в том числе мощные толщи терригенных осадков с градационной слоистостью, характерные для древних складчатых областей. Выяснилось, что такие отложения образуются в результате гравитационного переноса обломочного материала суспензионными потоками на подводных склонах. В результате вулканических извержений и накопления больших

объемов осадков мощность земной коры в зоне столкновения плит увеличивается.

Кроме того, часть донных осадков и базальтов с поверхности погружающейся плиты «сдирается» встречной плитой, как ножом бульдозера, и нагромождается у ее подножья. Образуется аккреционная призма, в которой на небольшом участке оказываются собраны большие массы отложений, накопившихся на поверхности океанической плиты за все время ее пути от зоны спрединга. Это тоже увеличивает мощность осадочного слоя.

Субдукционный процесс не может продолжаться бесконечно долго в

одном и том же месте. В конце концов, глубокая часть мантии оказывается здесь «забита» наиболее тяжелым, жестким и тугоплавким остаточным (реститовым) материалом вещества погружающейся плиты, и поступление новых его порций оказывается затруднено. Но напряжения сжатия сохраняются. Тогда субдукционный этап развития сменяется коллизионым. Продолжающая движение, но уже не погружающаяся океаническая плита толкает перед собой островную дугу, бассейн окраинного моря закрывается, а накопившиеся в нем отложения сминаются в складки. Мощность осадочного слоя резко увеличивается. Повышение температур, которому способствует продолжение поступления энергии из верхней части мантии, приводит к метаморфизму значительной части осадков, а в зонах наибольшего разогрева – выплавления гранитных магм. Одновременное масштабное проявление складчатости, регионального метаморфизма, формирования гранитных магм и их подъёма в более высокие горизонты земной коры – важнейшая черта коллизионного процесса при взаимодействии плит с корой океанического и континентального типов. В результате формируется мощный гранитнометаморфический слой, и этот участок литосферы причленяется к краю континента, наращивая его. А на некотором расстоянии со стороны океана закладывается новая зона Беньофа – и процесс повторяется.

Иногда во время коллизии от океанической коры могут отщепляться

крупные пластины и надвигаться на островную дугу и край континента. Этот процесс назван обдукцией. В результате в состав формируемой континентальной коры оказываются включены крупные фрагменты практически не измененной океанической литосферы, в которых сохраняется весь типичный для нее разрез: глубоководные океанические осадки, породы базальтового слоя и даже часть подстилающей их верхней мантии ультраосновного состава.

Такие фрагменты известны в структуре многих древних и молодых складчатых областей, где слагают протяженные пояса, называемые офиолитовыми.

Иная картина возникает, когда континентальная плита сама активно

надвигается на погружающуюся под нее океаническую. В этом случае островная дуга и окраинное море не образуются, а глубоководный желоб непосредственно соседствует с подводной окраиной континента. Такая обстановка сейчас характерна для западного побережья Южной Америки, и поэтому такая континентальная окраина получила название окраины андийского типа.

Здесь уже на субдукционном этапе деформируется край надвигающегося континента и формируется крупное горное поднятие. Континентальная кора оказывается утолщена, и большая часть поднимающейся с погружающейся плиты магматических расплавов «застревает» в ней, не достигая поверхности.

В результате в таких зонах плутонический магматизм резко преобладает над вулканизмом, и потому формируется не вулканическая, а вулкано-плутоническая дуга. Магматизм здесь более разнообразен по составу, чем в островных вулканических дугах. Кроме магм среднего состава, образовавшихся в зоне субдукции, в нем участвуют расплавы, образовавшиеся в глубинных частях земной коры и имеющие кислый состав. На границах такого типа нет последовательной смены субдукционных и коллизионных процессов; здесь горообразование происходит одновременно с субдукцией, а континентальная кора в большей мере наращивается снизу, при этом частично изменяя свой состав. Наконец, возможны случаи, когда пограничные части обеих сталкивающихся плит сложены мощной и жесткой корой континентального типа. Такая кора уже не способна к существенным пластическим деформациям. Она лишь разбивается многочисленными разломами на различные по размеру блоки, которые в зоне столкновения воздымаются, частично наползают друг на друга, подобно образованию торосов при столкновении ледяных полей. В результате здесь возникают самые крупные горные сооружения. Современными примерами такой обстановки являются зоны столкновения Индийского и Аравийского субконтинентов с Евразией. Возникающие напряжения сжатия передаются по жесткой континентальной коре далеко вглубь континента, и на обширной территории в его внутренних районах формируется система чередующихся горных поднятий и разделяющих их прогибов. Так что активный рост гор Центральной Азии, включая Алтай и Саяны, в неоген-четвертичное время является прямым результатом столкновения Евразии и Индостана. Одновременно в континентальной литосфере могут возникать глубокие расколы, поперечные к направлению сжатия. Таково, вероятно, происхождение Байкальского рифта и ряда более мелких подобных впадин.

В 1980-90-е гг. новая глобальная тектоника была дополнена моделью

плюмов – сравнительно узких восходящих потоков сильно разогретого мантийного вещества. Зарождаться такие потоки могут на разных глубинах, вплоть до границы мантии с земным ядром. Высокоэнергетичные плюмы наиболее глубинного происхождения способны «прошивать» толщу мантии и движущиеся над ними литосферные плиты, сохраняя при этом собственное положение практически неизменным. При этом на поверхности литосферной плиты, проходящей над плюмом, остается след в виде цепочки подводных гор и островов вулканического происхождения. Такой вулканизм может быть

совершенно не связан с процессами взаимодействия плит и нередко проявляется в их внутренних частях (например, вулканическая цепочка Гавайских островов в центральной части Тихоокеанской плиты). При этом объемы изливающейся магмы бывают столь велики, что именно в таких местах образуются крупнейшие горы чисто вулканического происхождения. Действующие вулканы гавайского архипелага возвышаются на 9000 м над ложем океана!

Такие места выхода узких мантийных плюмов на земную поверхность

получили название «горячих точек». А места поднятия целого «пучка» таких плюмов (или одного широкого) называют «горячими полями».

Новая глобальная тектоника позволяет по-новому и при этом с актуалистических позиций (на основе сравнения с современными обстановками) интерпретировать закономерности, установленные в рамках геосинклинальной теории. Именно в последовательном применении актуалистического подхода заключается основное преимущество этой концепции перед выдвигавшимися ранее геотектоническими гипотезами. В первую очередь это касается объяснения стадийности формирования земной коры складчатых областей. Наиболее древние комплексы горных пород, слагающих складчатые области, формировались в зонах срединно-океанических хребтов и ложа мирового океана.

В рамках геосинклинальной теории они считались продуктом ранней стадии развития геосинклинали. «Инверсионной стадии» отвечает обстановка конвергентной границы литосферных плит на субдукционном этапе развития. Здесь формируются характерные для данной стадии островодужные вулканические комплексы, толщи осадочных пород с градационной слоистостью и другие ассоциирующие с ними образования. Стадии замыкания геосинклинального бассейна и общей складчатости соответствует начало коллизионного процесса. А его завершению, связанному с образованием горного поднятия и началом разрушения гор, в геосинклинальной теории соответствует орогенный этап.

Вторичная активизация в пределах платформ и складчатых областей

может быть связана с различными обстановками. В одних случаях это узкие вытянутые зоны внутриконтинентального рифтогенеза, где тектоническая активизация нередко сочетается с активными проявлениями магматических процессов. В других – когда она вызвана столкновением двух плит с континентальной корой – она захватывает обширные территории, но ограничивается ростом и разрушением горных сооружений, без участия магматизма.

Отдельные проявления молодой магматической активности в пределах древних структур могут быть связаны с «горячими точками».

Сложнее всего однозначно определить, чему в геосинклинальной теории соответствуют обстановки окраин андийского типа. Но и сами сторонники этой теории, изучая аналоги таких окраин в древних складчатых областях, обычно спорили и не могли однозначно решить, с чем они имеют дело: с геосинклиналью или областью активизации. Выделение в рамках тектоники плит особой, качественно своеобразной обстановки, разрешает эти прежние бесплодные споры.

Несмотря на огромный качественный скачок, совершенный в развитии

геотектонической теории за последние десятилетия, в тектонике литосферных плит остается немало нерешенных вопросов. В наибольшей мере это касается реконструкции глубинных процессов, приводящих в действие механизм движения плюмов и литосферных плит. Первоначально в качестве объяснения причины движения плит предлагался механизм простой тепловой конвекции. Но вскоре стало ясно, что конвекция в мантии не может быть простым перемешиванием однородного по составу вещества. На разных глубинах это вещество будет попадать в совершенно различные условия, с ним должны происходить разнообразные физико-химические преобразования.

Поэтому сейчас разрабатываются более сложные модели физико-химической конвекции, к тому же идущей на нескольких уровнях глубинности. Выше говорилось, что развитие экспериментальной петрологии значительно помогло ученым разобраться в глубинных процессах, но все равно здесь еще остается много неясного. К тому же, пока удается моделировать только те процессы, которые могут идти на уровне верхней и средней мантии. Условия, существующие на более глубинных уровнях, не поддаются воспроизводству в лабораториях – нет оборудования и материалов, способных создать и выдержать соответствующие температуры и давления. Поэтому все, что связано с самыми большими глубинами, остается в основном предметом гипотез.

Слабо пока разработаны тектонической теорией вопросы взаимосвязи и соотношения процессов плюм-тектоники с движением литосферных плит. Возможно, решить этот вопрос можно на основе сравнительного анализа тектоники различных планет. При изучении рельефа поверхности Венеры – планеты, по многим параметрам близкой к Земле – установлено, что для нее не характерны линейные формы, возникающие в результате взаимодействия литосферных плит. Следовательно, механизм тектоники плит здесь не работает или действует очень ограниченно. При этом рельеф сильно расчленен, следовательно, тектоническая активность высока. Но для его элементов характерны изометричные формы. Ученые предположили, что в условиях Венеры действует лишь модель плюм-тектоники в практически чистом виде. Это может быть связано с тем, что из-за более высоких температур венерианская литосфера значительно тоньше земной, и не столь жесткая. В результате над поднимающимися крупными мантийными плюмами образуются широкие куполовидные поднятия, с которых тонкая и пластичная литосфера плавно «стекает» в стороны (очень похоже на ундации по Р.У. ван Беммелену). Не исключено, что на самых ранних стадиях развития Земли ее литосфера тоже могла быть такой же пластичной, и тектонические процессы протекали подобным образом. А когда она стала более мощной и жесткой, заработал механизм тектоники плит. Возможно, вся наблюдаемая картина движения литосферных плит является, в конечном счете, лишь поверхностным отражением плюм-тектонических процессов и вызываемых ими конвекционных потоков мантийного вещества.