Дж. Д. Макдугалл - Краткая история планеты Земля: горы, животные, огонь и лед
Мы знаем также, что требующаяся для движения плит энергия исходит в конечном итоге из самой Земли, как вследствие ее продолжающегося охлаждения из первоначального горячего состояния, так и от тепла, создаваемого в результате радиоактивного распада урана и тория, распределенных во всей массе Земли. Это тепло переносится к поверхности путем медленной, происходящей в твердом состоянии конвекции и в конце концов рассеивается в космическом пространстве. Сцепление между горячей, конвектирующей мантией и более холодной жесткой литосферой тоже, вероятно, частично обусловливает движение плит.
Большая часть геологического представления происходит у границ между плитами. Сюда входят вулканизм, землетрясения, горообразование, метаморфизм и даже образование многих типов промышленно важных месторождений полезных ископаемых. Но не все края плит ведут себя одинаково. Рисунок 5.2 показывает, что в одних местах плиты расходятся в стороны, в других они сталкиваются, а в некоторых местах они просто скользят друг мимо друга. Поскольку не существует никакой независимой системы отсчета для изучения движения плит, нам известны только их относительные движения. Можно, конечно, стать на краю какой-нибудь плиты и определить, движется ли соседняя с ней плита в нашу сторону или от нее, но мы никак не можем определить их абсолютные направления движения.
Рис. 5.2. Карта мира, показывающая расположение главных литосферных плит. Каждая плита окружена океаническими хребтами, от осей которых идет растяжение (жирные линии), зонами столкновения и субдукции (зазубренные линии) и/или трансформными разломами (тонкие линии). Названия приведены только для некоторых из самых крупных плит. Стрелки указывают направления относительных движений плит.
Границы плит классифицируются в зависимости от типа относительного движения плит вдоль этих границ. Каждая граница имеет свои особые характеристики. Например, на границах различного типа образуются разные породы. Распознавание их стало особенно важным для ученых, стремящихся заглянуть в прошлое, поскольку древние аналоги современных явлений могут быть определены на основе сохранившихся записей в геологической летописи.
РАСХОДЯЩИЕСЯ ПЛИТЫ
Там, где плиты расходятся друг от друга, в земной коре возникают рифты, то есть глубокие трещины. Базальт, наиболее обычный результат расплавления пород земных глубин, поднимается, чтобы заполнить их; как мы видели, именно таким образом образуется морское дно. Расходящиеся границы плит встречаются большей частью в океанах. Как ни парадоксально это может показаться с первого взгляда, рифты, проявляющиеся в рельефе Земли как долины или впадины, часто находятся как раз в осевой части океанических хребтов, представляющих собой широкие топографические поднятия, как это показано на рис. 5.3. Океанические хребты возникают в результате поднятия вещества мантии и сопутствующих термодинамических процессов. По мере того как вновь образовавшаяся кора отодвигается в стороны от хребта, она охлаждается, сжимается, уплотняется и опускается на меньшую высоту. Глубина океана здесь увеличивается приблизительно в два раза, от 2,5 километра до пяти, считая от осевой линии хребта до более древних частей океанского дна, далеко отстоящих от района раздвига плит.
Большинство современных океанических хребтов фактически зародились как рифты внутри континентов.
Рис. 5.3. Схематический поперечный разрез через среднеокеанский хребет, показывающий рифтовую долину внутри приподнятой центральной части хребта. Черные вертикальные линии обозначают проводники, через которые магма изливается из мантии на морское дно.
Начальной стадией этого процесса является образование глубокой, с крутыми стенками долины, отличающейся в типичном случае сильным вулканизмом. Таково было происхождение среднеконтинентального рифта, который почти расколол пополам Северную Америку в протерозое; современным примером такого раскола может служить Восточно-Африканская рифтовая долина. По мере продолжения раздвига полная активности континентальная кора, состоящая из пород, менее плотных по сравнению с базальтом, внедрившимся в рифт, в конце концов раскалывается на две части. Между ними вторгается море; таким образом возникает зародыш нового океанического бассейна. Именно так должен был протекать этот процесс, когда около 180 миллионов лет назад начал раскрываться Атлантический океан, отделяя Европу и Африку от Америки. В наше время начальные этапы расщепления континента можно наблюдать в Красном море, где Африка отделяется от Саудовской Аравии вдоль линии, являющейся продолжением системы хребтов Индийского океана. Все океанические бассейны мира возникли в результате рифтообразования; все они вымощены океаническим базальтом. Контраст между плотной корой океанов и более легкой, более плавучей корой континентов является причиной разницы их высот над уровнем моря.
Вдоль океанических хребтов непрерывно возникает новое океанское дно и тут же симметрично отходит в стороны от разлома. В то время как очертания берегов континентов сохраняют свою узнаваемость на протяжении долгих промежутков геологического времени, география океанских бассейнов изменяется гораздо быстрее. Измеренные скорости раздвига около современных океанических хребтов колеблются от одного-двух сантиметров в год до двадцати. Даже если взять нижнюю границу этого интервала, то и в этом случае выходит, что за 100 миллионов лет может образоваться океанский бассейн шириной в 1000 километров.
СТОЛКНОВЕНИЕ ПЛИТ И ЗОНЫ СУБДУКЦИИ
Если постоянно возникает так много нового морского дна, а Земля не расширяется (и существует достаточно доказательств этого), тогда, чтобы компенсировать этот процесс, что-то на глобальной коре должно разрушаться. Именно это происходит на окраинах большей части Тихого океана. Здесь литосферные плиты сближаются, и на их границах одна из сталкивающихся плит погружается под другую и уходит глубоко внутрь Земли. Такие участки столкновения плит называются зонами субдукции (погружения, подныривания одной плиты под другую); на поверхности Земли они отмечаются глубокими океаническими рвами (желобами) и активными вулканами (рис. 5.4). Грандиозные цепи вулканов, образующие так называемое огненное кольцо, протянувшееся вдоль берегов Тихого океана, — Анды, Алеутские острова, а также вулканы Камчатки, Японии и Марианских островов — все они обязаны своим существованием явлению субдукции.
Рис. 5.4. Схематический поперечный разрез зоны субдукции (верхняя часть, не в масштабе) показывает литосферную плиту, опускающуюся в глубины мантии, и активные вулканы над нею. В нижней части рисунка точками изображены положения очагов землетрясений, зафиксированных под желобом Тонга в юго-западной части Тихого океана. В совокупности они отмечают расположение погружающейся плиты до глубины приблизительно 700 километров. Отметки на горизонтальной шкале показывают расстояние от желоба. Составлено с частичным использованием рисунка 4-10 из книги П. Дж. Уилли «Как работает Земля». Изд-во «Джон Уайли и Сыновья», 1976.
Никто не может точно сказать, как именно начинается субдукция, когда две плиты начинают сближаться, но ключом к их взаимодействию является, по-видимому, плотность пород. Плотная океаническая кора может подвергнуться субдукции, исчезнув в глубине Земли почти бесследно, в то время как сравнительно легкие континенты всегда остаются на поверхности. Вот почему дно океанов всегда молодо, а континенты стары: морское дно не только непрерывно образуется в разломах океанических хребтов, но и постоянно уничтожается в зонах субдукции. Как мы уже видели, отдельные части континентов имеют возраст почти четыре миллиарда лет, в то время как самые древние части морского дна не старше 200 миллионов лет. Один из первых пропагандистов идеи континентального дрейфа сравнил континенты с пеной, накапливающейся на поверхности кастрюли с кипящим супом, — живое, хотя не сказать, чтобы очень точное сравнение.
Реальность субдукции подтверждается землетрясениями, которые ее сопровождают. Хотя сейсмичность является характерной особенностью всех типов границ между плитами, только зоны субдукции отличаются глубокими землетрясениями, которые происходят на глубине 600 километров или более. Глубокие землетрясения были известны задолго до того, как тектоника плит приобрела популярность. В 1928 году японский сейсмолог К. Вадати сообщил о землетрясениях, происшедших под Японией на глубине нескольких сот километров. Приблизительно через двадцать лет другой геофизик, Хуго Бениоф, показал, что и в других частях света существуют «большие разломы», отмечающиеся частыми землетрясениями, которые погружаются глубоко в мантию из океанских рвов, как бы продолжая их на глубину. Он описал несколько таких разломов, расположенных как вдоль западного побережья Южной Америки, так и на юго-западе Тихого океана в желобе Тонга. Эти области в то время не были интерпретированы как зоны субдукции и лишь позднее стало ясно, что эти гигантские плоско-наклонные зоны повышенной сейсмичности точно следуют по пути плит, погружающихся внутрь мантии (рис. 5.4). Землетрясения возникают потому, что погружающиеся в горячую мантию части океанических плит остаются сравнительно холодными, в противоположность окружающим их породам мантии, остаются даже на больших глубинах настолько хрупкими, что в них могут возникать трещины, порождающие землетрясения. Некоторые из самых глубоких землетрясений могут также возникать по той причине, что минералы в погружающихся частях плит становятся неустойчивыми в обстановке больших давлений, которым они там подвергаются, и разрушаются внезапно, образуя более плотные минералы, резко изменяя при этом свой объем.
