Тектоника плит. Формирование крупных блоков

По мере того как возрастал объем данных в пользу теории континентального дрейфа и связанной с ней теории разрастания морского дна, росло желание выработать общую теорию, с помощью которой можно было бы объяснить глобальные геологические и геофизические процессы. Новые данные о землетрясениях привели к другим интересным соображениям. Например, на рис. 21.9,б показано распределение очень сильных сейсмических толчков — тех, для которых оценка магнитуды превышает 7,5 по шкале Рихтера. В окрестностях срединно-океанических хребтов почти не отмечены сильные землетрясения. Вместо этого если сравнить рис. 21.9,б с расположением крупных глубоководных желобов на рис. 4.7, то мы увидим почти точное совпадение между расположением гипоцентров сильных землетрясений и подводных желобов. Землетрясения, зарегистрированные вдоль хребтов и зон разломов, были, во-первых, слабее, а, во-вторых, очаги их располагались на меньших глубинах.

Формирование крупных блоков — “плит” океанической коры. Как указал в 1962 г. Г. Хесс в ставшей классической статье [9], при изучении распространения звуковых волн в океанической коре было обнаружено, что она является тонкой, однородной и разделенной на слои. Более того, во всех крупных океанических бассейнах кора устроена одинаково. Однородную слоистую структуру океанической коры можно считать свидетельством того, что кора движется как единое целое, а не дробится на куски и не сминается в складки. В результате дальнейших исследований была создана модель формирования нового морского дна в зоне срединноокеанических хребтов (рис. 21.10).

В центре рис. 21.10 показана струя поднимающегося горячего пластичного вещества астеносферы — размягченной части мантии Земли. По мере того как самые верхние части этого потока остывают и затвердевают, глыбы новой коры отрываются и сползают вниз по обеим сторонам поднятия. Новые порции магмы внедряются в узкие вытянутые трещины — рифты. Часть магмы прорывается наружу и приходит в соприкосновение с вышележащей морской водой, эта часть магмы быстро остывает и формирует характерные шаровые лавы, которые так часто встречаются на поверхностях срединноокеанических хребтов. Хотя мощность быстро застывшего слоя лавы всего несколько сотен метров, в ней отпечатывается влияние магнитного поля Земли, с чем связано появление полосовых магнитных аномалий. Ниже слоя шаровых лав находится слой, образованный повторяющимся растрескиванием и внедрением даек. Обычно его мощность достигает 1500 м, он перемещается в стороны от хребта и вниз по его склонам.

Вместе с верхним лавовым покровом в движении находится и гораздо более мощная консолидированная часть расслоенной плиты. Она сложена в основном грубозернистой базальтовой породой, называемой габбро. Крупная зернистость породы обусловлена более медленным остыванием. Мощность этого слоя обычно равна около 5000 м. Следовательно, общая мощность литосферы до данного уровня составляет около 7000 м. Ниже него находится переходная зона изменчивой мощности, а под ней лежит собственно верхняя мантия. Подошва верхней мантии, находящаяся на глубине примерно 50 км, отмечает самый нижний уровень консолидированной литосферной плиты.

Переходная зона — сама по себе интересный объект. Ее открытие стало возможным благодаря развитию сейсмического зондирования. Сначала устанавливается группа чувствительных приемников звуковых волн (называемых сейсмометрами), а затем на некотором расстоянии от них производится взрыв. Энергия звуковых волн распространяется через Землю и улавливается чувствительными приемниками.

Часть энергии отражается непосредственно от границ между слоями разного вещественного состава, например между интрузивным лайковым комплексом и слоем габбро на рис. 20.10. В результате определяются мощности этих слоев. Часть энергии звуковых волн, напротив, распространяется вдоль слоя на некоторое расстояние, перед тем как оказаться рассеянной и вновь выйти на поверхность, достигнув принимающей установки. Это позволяет оценить минеральный состав и кристаллическую структуру пород таких слоев, поскольку через каждый тип горных пород звуковые волны проходят с характерной для него скоростью. Что касается только что описанной переходной зоны, то продольные волны распространяются со скоростью более 8,1 км/с ниже ее, т. е. в веществе верхней мантии, и со скоростью всего 6,2—6,7 км/с выше ее. Эта зона называется разделом Мохоровичича; считают, что она соответствует фазовому переходу в материале мантии.

В течение 1960-х годов были начаты работы по проекту, названному “Мохол”, с целью пробурить скважину в верхнюю мантию и поднять на поверхность образцы ее вещества. Этот проект не был выполнен, но вызвал такой огромный интерес, что были организованы и продолжаются по сей день весьма продуктивные исследования по другой программе — Проекту глубоководного бурения (DSDP) морского дна.

Хесс выдвинул также идею, что где бы ни сближались при своем движении плиты, одна из них затягивается под другую. Таким поддвиганием, вероятно, можно объяснить, например, формирование глубоководных желобов, а то, что погружающаяся плита снова попадает в астеносферу, возможно, компенсирует образование коры в центрах разрастания морского дна. Эта идея способствовала дальнейшему утверждению революции в глобальной геологии.

Теория взаимодействия плит на их границах. В принципе, поскольку вся Земля “покрыта коркой”, крупные плиты могут взаимодействовать друг с другом только тремя способами: они могут сталкиваться (сближаться, находиться в процессе конвергенции), скользить одна относительно другой (трансформное скольжение) или отодвигаться друг от друга (расходиться). Разрастание морского дна стало общепризнанным объяснением для дивергентного движения (расхождения) плит, а существование на океаническом дне глубоководных желобов, по-видимому, непосредственно связано с конвергентным типом движения (сближением) плит. В 1968 г. Морган [14] указал, что давно уже существует теория, способная объяснить, как должны взаимодействовать плиты. Знаменитый математик Леонард Эйлер (1707—1783) доказал, что относительное перемещение двух жестких плит на поверхности сферы можно описать как вращение обеих плит вокруг некоторой общей оси.

Это замечание стало “поворотным пунктом” в развитии науки. Геологи начали собирать и использовать данные о вращении существующих границ плит; появилась модель с шестью крупными плитами (рис. 21.11), медленно вращающимися одна относительно другой.

При любом конкретном виде сочленения плит их относительное движение может быть конвергентным, дивергентным или продольным скольжением либо представлять собой сочетание скольжения с одним из двух других типов движения. Другая классификация основана на том, является ли граница активной, что обычно означает наличие сейсмической активности и периодических относительных перемещений. Эти классификации приведены в табл. 21.1, а также проиллюстрированы примерами движения плит на рис. 21.11.