Планетарный рельеф Земли и его формирование. Современные представления о литосфере и литосферных плитах. Фиксизм, мобилизм. Основные положения глобальной плитной тектоники.

Планетарный рельеф Земли

Основными формами планетарного рельефа являются материки и впадины океанов. Их образование связано с внутренними силами Земли, сформировавшими материковый и океанический тип земной коры.

Как отмечалось, кора материкового типа характеризуется большей мощностью – в среднем 35 км, а местами до 70 км. Она состоит из трех слоев:

1. Осадочный слой: от 0 до 20 км;
2. Гранитный слой: от 15 до 30 км (под горами);
3. Базальтовый слой: от 15 до 20 км.

Кора океанического типа резко отличается от материковой. Ее мощность колеблется от 5 до 10 км. Под осадочными породами мощностью от 100 м до нескольких километров, залегает слой, состоящий из базальтовых и уплотненных осадочных пород, переходящий в базальтовый слой мощностью 4-7 км. Здесь, как видно, нет гранитного слоя.

Особое строение земная кора имеет на границах материков с океанами, то есть в современных подвижных поясах, где отмечаются сложные переходы одного типа коры в другой, а также интенсивный вулканизм и высокая сейсмичность.

Своеобразными чертами характеризуется земная кора под срединно-океаническими хребтами. Она выделяется в рифтовый тип земной коры.

Итак, материковому типу земной коры соответствуют материки, которые образуют основные массивы суши. Некоторые площади материков затоплены водами океанов. Это подводные окраины материков. Границами материков является самая нижняя часть подводной окраины материков, где выклинивается гранитный слой, и кора материкового типа сменяется океанической.

В расположении материков на Земле отмечаются следующие закономерности:

1. Суммарная площадь их в 2,5 раза меньше площади Мирового океана. При этом вес горных пород, слагающих материки, также в 2,5 раза больше удельного веса океанических вод.
2. Материки, обычно своими антиподами имеют Океаны. Исключение составляет Ю. Америка.
3. Северное и Западное полушария отличаются меньшей водностью, чем Южное и Восточное.
4. Отмечаются: парность материков (исключая Антарктиду), а также изгиб всех материков к востоку и сдвиг также к востоку южного материка в каждой паре.
5. Прослеживается совпадение конфигурации береговых линий материков. Например, восточного берега Ю. Америки и западного – Африки.

Планетарные и тектонические формы рельефа в своем возникновении и развитии обусловлены процессами формирования земной коры и тектоническими движениями.

Наиболее крупными величайшими формами рельефа планеты являются материковые выступы и океанические впадины. Они возникают в результате глобальных процессов тектогенеза и отражают коренные различия не только в строении земной коры, но и верхней мантии. Материки представляют собой обширные возвышенности со средней высотой около +0,8 км над уровнем моря, океаны — еще более грандиозные впадины со средней глубиной — 4,2. Границы их не совпадают с береговой линией, так как в пределы материков входят шельфы и континентальные склоны до изобаты — 2500 м. Материкам отвечает более мощная (до 40—70 км) трехслойная земная кора, включающая «гранитный» слой до 10—20 км мощности. В океанах земная кора утоняется до 5—15 км, «гранитный» слой выклинивается и основную часть коры слагает «базальтовый» слой, также сильно уменьшающийся в мощности. Коренные различия между материками и океанами проявляются и глубже в верхней мантии — в глубинной литосфере и астеносфере. Под континентами толщина литосферы вдвое возрастает по сравнению с океанами, меняется и ее состав.  Астеносфера, наоборот, под океанами оказывается более мощной — до 300 км, а под материками сокращается до 130—150 км. Именно указанные соотношения — большая мощность и меньшая плотность литосферы в пределах материков обеспечивают их более высокое положение над ложем океанов вследствие изостатического «всплывания» материков.

Вторая категория эндогенных форм, имеющая очень много общего с предыдущей — это крупнейшие формы рельефа планеты — мегарельеф, осложняющий строение и материковых и океанических пространств. Ряд исследователей большинство этих форм рассматривает как планетарные и относит к предыдущей категории. Однако развитие крупнейших форм рельефа более тесно связано с собственно тектоническими процессами. Местами эти формы переходят из океанической области в континентальную, как бы накладываясь на них.

литосфера

  

Понятие литосферы содержит в себе твёрдую оболочку Земли, состоящую из земной коры и пласта размягчённых горных пород, входящих в состав верхней мантии, астеносферы (её пластичный состав даёт возможность плитам, из которых состоит земная кора, передвигаться по ней со скоростью от 2 до 16 см в год). Интересно, что верхний слой литосферы упругий, а нижний – пластичный, что даёт возможность плитам при движении сохранять равновесие, несмотря на постоянные сотрясения.

Во время многочисленных исследований учёные пришли к выводу, что литосфера имеет неоднородную толщину, и во многом зависит от рельефа местности, под которым находится. Так, на суше её толщина составляет от 25 до 200 км (чем старше платформа, тем она больше, а самая тонкая находится под молодыми горными хребтами).

А вот самый тонкий пласт земной коры – под океанами: его средняя толщина колеблется от 7 до 10 км, а в отдельных регионах Тихого океана доходит даже до пяти. Слой самой толстой коры расположен по краям океанов, наиболее тонкий – под срединно-океаническими хребтами. Интересно, что литосфера еще полностью не сформировалась, и процесс этот продолжается поныне (в основном – под океаническим дном).

Строение литосферы под океанами и континентами отличается тем, что под океаническим дном нет гранитного слоя, так как океаническая кора во время своего формирования много раз подвергалась процессам плавления. Общими для океанической и материковой коры являются такие слои литосферы, как базальтовый и осадочный.

Таким образом, земная кора состоит в основном из горных пород, которые формируются во время остывания и кристаллизации магмы, по трещинам внедряющейся в литосферу. Если при этом магма не смогла просочиться на поверхность, то она сформировала такие крупнокристаллические горные породы, как гранит, габбро, диорит, вследствие ее медленного охлаждения и кристаллизации. А вот магма, которая сумела выбраться наружу, за счёт быстрого остывания, образовала мелкие кристаллы – базальт, липарит, андезит.

Что касается осадочных пород, то они в литосфере Земли образовались по-разному: обломочные появились в результате разрушения песка, песчаников и глины, химические сформировались благодаря различным химическим реакциям в водных растворах — это гипс, соль, фосфориты. Органические были образованы растительными и известковыми остатками – мел, торф, известняк, уголь.

Интересно, что некоторые породы появились из-за полного или частичного изменения их состава: гранит трансформировался в гнейс, песчаник – в кварцит, известняк – в мрамор. Согласно научным исследованиям, учёным удалось установить, что литосфера состоит из:

• Кислорода – 49%;
• Кремния – 26%;
• Алюминия – 7%;
• Железа – 5%;
• Кальция – 4%
• В состав литосферы входит немало минералов, самые распространённые – шпат и кварц.

 

Что касается структуры литосферы, то здесь различают стабильные и подвижные зоны (иными словами, платформы и складчатые пояса). На тектонических картах всегда можно увидеть обозначенные границы как устойчивых, так и опасных территорий. Прежде всего это Тихоокеанское огненное кольцо (расположено по краям Тихого Океана), а также часть Альпийско-Гималайского сейсмического пояса (Южная Европа и Кавказ).

Платформа – это практически неподвижные части земной коры, которые прошли очень долгий этап геологического формирования. Их возраст определяют по этапу образования кристаллического фундамента (гранитного и базальтового слоёв). Древние или докембрийские платформы на карте всегда находятся в центре континента, молодые – или на краю материка, или между докембрийскими платформами.

Горно-складчатая область

Горно-складчатая область была сформирована во время столкновения тектонических плит, что расположены на материке. Если горные хребты были сформированы недавно, возле них фиксируется повышенная сейсмическая активность и все они расположены по краям литосферных плит (более молодые массивы относятся к альпийскому и киммерийскому этапу образования). Более старые области, относящиеся к древней, палеозойской складчатости, могут располагаться как с краю материка, например, в Северной Америке и Австралии, так и по центру – в Евразии.

Интересно, что возраст горно-складчатых областей учёные устанавливают по самым молодым складкам. Поскольку горообразование происходит беспрестанно, это даёт возможность определить лишь временные рамки этапов развития нашей Земли. Например, наличие горного хребта посреди тектонической плиты свидетельствует о том, что когда-то здесь проходила граница.

Несмотря на то, что литосфера на девяносто процентов состоит из четырнадцати литосферных плит, многие с этим утверждением не согласны и рисуют свои тектонические карты, говоря о том, что существует семь больших и около десяти малых. Это разделение довольно условно, поскольку с развитием науки учёные или выделяют новые плиты, или же признают определенные границы несуществующими, особенно когда речь идёт про малые плиты.

Стоит отметить, что самые крупные тектонические плиты очень хорошо различимы на карте и ими являются:

• Тихоокеанская – самая большая плита планеты, вдоль границ которой происходят постоянные столкновения тектонических плит и образуются разломы – это является причиной её постоянного уменьшения;
• Евразийская – покрывает почти всю территорию Евразии (кроме Индостана и Аравийского полуострова) и содержит наибольшую часть материковой коры;
• Индо-Австралийская – в её состав входит австралийский континент и индийский субконтинент. Из-за постоянных столкновений с Евразийской плитой находится в процессе разлома;
• Южно-Американская – состоит из южноамериканского материка и части Атлантического океана;
• Северо-Американская – состоит из североамериканского континента, части северо-восточной Сибири, северо-западной части Атлантического и половины Северного Ледовитого океанов;
• Африканская – состоит из африканского материка и океанической коры Атлантического и Индиского океанов. Интересно, что соседствующие с ней плиты движутся в противоположную от неё сторону, поэтому здесь находится наибольший разлом нашей планеты;
• Антарктическая плита – состоит из материка Антарктида и близлежащей океанической коры. Из-за того, что плиту окружают срединно-океанические хребты, остальные материки от неё постоянно отодвигаются.

 

 

Литосферные плиты, соединяясь и разъединяясь, всё время изменяют свои очертания. Это даёт возможность учёным выдвигать теорию о том, что около 200 млн. лет назад литосфера имела лишь Пангею — один-единственный континент, впоследствии расколовшийся на части, которые начали постепенно отодвигаться друг от друга на очень маленькой скорости (в среднем около семи сантиметров в год).

Существует предположение, что благодаря движению литосферы, через 250 млн. лет на нашей планете сформируется новый континент за счёт объединения движущихся материков.

Когда происходит столкновение океанической и континентальной плит, край океанической коры погружается под материковую, при этом с другой стороны океанической плиты её граница расходится с соседствующей с ней плитой. Граница, вдоль которой происходит движение литосфер, называется зоной субдукции, где выделяют верхние и погружающиеся края плиты. Интересно, что плита, погружаясь в мантию, начинает плавиться при сдавливании верхней части земной коры, в результате чего образуются горы, а если к тому же прорывается магма – то и вулканы.

В местах, где тектонические плиты соприкасаются друг с другом, расположены зоны максимальной вулканической и сейсмической активности: во время движения и столкновения литосферы, земная кора разрушается, а когда они расходятся, образуются разломы и впадины (литосфера и рельеф Земли связаны друг с другом). Это является причиной того, что вдоль краёв тектонических плит расположены наиболее крупные формы рельефа Земли – горные хребты с активными вулканами и глубоководные желоба.

Рельеф

Не удивляет, что движение литосфер непосредственно влияет на внешний вид нашей планеты, а разнообразие рельефа Земли поражает (рельеф – это совокупность неровностей на земной поверхности, которые находятся над уровнем моря на разной высоте, а потому основные формы рельефа Земли условно делят на выпуклые (материки, горы) и вогнутые – океаны, речные долины, ущелья).

Стоит заметить, что суша занимает только 29% нашей планеты (149 млн. км2), а литосфера и рельеф Земли состоят в основном из равнин, гор и низкогорья. Что касается океана, то его средняя глубина составляет немногим меньше четырёх километров, а литосфера и рельеф Земли в океане состоят из материковой отмели, берегового склона, океанического ложа и абиссальных или глубоководных желобов. Большая часть океана обладает сложным и разнообразным рельефом: здесь есть равнины, котловины, плато, возвышенности, хребты высотой до 2 км.

 

Фиксизм – учение о неизменном положении континентов по отношению к глубоким недрам Земли. Существовавшая изначально гипотеза контракции Эли де Бомона, сменившая гипотезу кратеров поднятия Буха и Гумбольдта, впервые серьезно опроверглась в конце 19 в. рядом новых данных. Во-первых, произошла замена «горячей» космогонии «холодной». Если Земля изначально не была расплавленной, предположение о ее остывании с уменьшением объема теряло смысл. Во-вторых, открытие радиоактивности показало, что в Земле имеется мощный источник ее разогрева; по подсчетам английского физика Дж. Стретта, его энергии было достаточно, чтобы предотвратить охлаждение Земли, а дальнейшие вычисления, например, русского геофизика Е.А. Любимовой показали, что Земля может даже испытывать вторичный разогрев за счет тепла радиоактивного распада. В-третьих, с открытием шарьяжного строения горных сооружений оказалось, что оно требует сокращения радиуса Земли такого масштаба, который не мог быть обусловлен ее вековым охлаждением.

Хронологически одна из первых попыток найти альтернативу теории контракции принадлежала австрийскому геологу, исследователю Альп О. Ампфереру. Подобно контракционистам, он считал, что покровно-складчатые сооружения образованы в условиях сжатия, но в отличие от них, полагал, что это сжатие является следствием не просто сближения ограничивающих геосинклиналь жестких глыб кратонов, а поддвига последних под геосинклинали при воздействии нисходящих подкоровых течений.

Другая попытка найти замену контракционной гипотезе, несколько ее дополнив и подправив, была предпринята в начале века А. Ротплетцом, в 20-е гг. 20 в. поддержана Дж. Джоли и вылилась в формулировку гипотезы, получившей название пульсационной. Ее автором был американский геолог В. Бухер. Суть гипотезы состояла в том, что в истории 3емли чередуются эпохи ее расширения и сжатия; в первые происходит заложение геосинклиналей и массовые базальтовые излияния, а во вторые — складко- и горообразование и внедрение гранитов. В 30-40-е гг. оригинальные варианты этой гипотезы разрабатывались в СССР М.М. Тетяевым и известными исследователями Сибири М.А. Усовым и В.А. Обручевым. Причины пульсаций объема Земли при этом не рассматривались.

Другие гипотезы ставили первопричиной вертикальные движения, а не условия сжатия, возвращаясь к гипотезе поднятия первой половины 19 в. Первой попыткой в этом направлении явилась осцилляционная гипотеза немецкого геофизика Э. Хаармана. Согласно ей земная кора под действием внешних приливных сил образует поднятия (геотуморы), с которых затем соскальзывают слои осадочных толщ, сминаясь в складки и создавая складчатые системы, и впадины (геодепрессии).

Одной из наиболее распространенных гипотез такого рода стала ундационная гипотеза голландского геолога Р.В. ван Беммелена, исследователя Индонезии. Он полагал, что образование поднятий — положительных ундаций земной коры — является следствием воздействия не внешних сил, а глубинных процессов дифференциации вещества подкоровых недр, подъема кислых расплавов — астенолитов. В последних вариантах гипотезы он допус­кал, что базальным уровнем такой дифференциации может являться граница мантии и ядра, в связи с чем его гипотеза стала именоваться гипотезой гиподифференциации.

В 40-е гг. сходные гипотезы были предложены американскими геологами Б. и Р. Виллисами (астенолитная гипотеза) и русским геологом В.В. Белоусовым. Гипотеза Белоусова, первоначально названная им радиомиграционной в связи с тем, что он привлек радиогенное тепло в качестве основного возбудителя тектогенеза и магматизма, в процессе развития получила, как и гипотеза Беммелена, название гипотезы глубинной дифференциации. Но в опубликованных посмертно работах Белоусов делает шаг навстречу мобилизму — допускает проявление раздвига в осевых зонах срединно-океанических хребтов и соглашается, что с этим может быть связано образование характерных полосовых магнитных аномалий. Однако за пределами этих зон всякое растяжение им отрицается, и ведущая роль отводится статическому процессу океанизации.

 

Мобилизм Противоположной выдвинутым гипотезам стала мобилистская гипотеза А. Вегенера (1912) и Ф. Тейлора, допускающая перемещение материков (дрейф материков). Исходным моментом для построений и Вегенера и Тейлора было удивительное сходство очертаний материков. Опираясь на принцип изостазии и гипсографическую кривую, он пришел к выводу о коренном отличии коры континентов от океанской коры; первая сложена в основном из гранитов, вторая – из базальтов. Далее Вегенер обратил внимание на поразительное сходство ископаемых одного возраста материков, ныне разделенных океанами. Более того, в позднем палеозое все гондванские материки были охвачены покровным оледенением; если бы они занимали те же места, что и сейчас, это оледенение должно было достигать тропических широт, что вряд ли возможно.

Еще более своеобразная версия мобилизма была выдвинута в 1924 г. ирландским исследователем Дж. Джоли. Он первым использовал открытие радиоактивности непосредственно для объяснения тектогенеза. По гипотезе Джоли под влиянием накопления радиогенного тепла происходит периодическое, через 35 млн. лет, расплавление базальтового слоя коры. Оно создает возможность горизонтального перемещения гранитогнейсового слоя, слагающего материки, по базальтовому субстрату в западном направлении под влиянием солнечно-лунных приливов. При этом континенты и океаны меняются местами, а возникшие вдоль их границ геосинклинали превращаются в складчатые горные системы. Гипотеза Джоли встретила серьезные возражения, поскольку, в частности, при повышении температуры гранит плавится раньше базальта, а не наоборот. Но историческая заслуга Джоли состоит в том, что он первым привлек энергию радиоактивного распада для объяснения геологических процессов и обоснования цикличности их проявления.

Несколько позже, в 1929-1931 гг., известный шотландский геолог А. Холмс предположил, что накопление радиогенного тепла стимулирует конвективные течения, и прежде всего под континентами, поскольку континентальная кора характеризуется повышенным содержанием естественно-радиоактивных элементов. Под континентами возникают вследствие этого восходящие течения, а на их границе с океанами, где образуются геосинклинали, — нисходящие. Восходящие течения ведут к распаду континентов, а нисходящие — к образованию складчатых зон.

Развитием мобилистской теории Вегенера стала возникшая позже концепция тектоники плит, главным отличием которой предполагалось раздвижение континентов с новообразованием океанской коры между ними и их перемещение вместе с последней по поверхности астеносферы под действием конвективных течений в мантии, вместо Вегенеровского дрейфа континентов по океанической коре. Гипотеза спрединга и ее расширенная версия — тектоника плит — подверглась проверке глубоководном бурением с положительным результатом.

 

 

Тектоника плит - современная геологическая теория о движении литосферы. Согласно данной теории, в основе глобальных тектонических процессов лежит горизонтальное перемещение относительно целостных блоков литосферы – литосферных плит.

Основные положения тектоники плит можно свети к нескольким основополагающим:

1). Верхняя каменная часть планеты разделена на две оболочки, существенно различающиеся по геологическим свойствам: жесткую и хрупкую литосферу и подстилающую её пластичную и подвижную астеносферу.
2). Литосфера разделена по плиты, постоянно движущиеся по поверхности пластичной астеносферы. Литосфера делится на 8 крупных плит, десятки средних плит и множество мелких.

3). Различают три типа относительных перемещений плит: расхождение (дивергенция), схождение (конвергенция) и сдвиговые перемещения.

Процесс раздвижения плит в зонах океанских рифтов (срединно-океанических хребтов) сопровождается образованием новой океанической коры за счёт магматических базальтовых расплав поступающих из астеносферы. Такой процесс образования новой океанической коры за счёт поступления мантийного вещества называется спрединг (от англ. spread – расстилать, развёртывать).

В ходе спрединга каждый импульс растяжения сопровождается поступлением новой порции мантийных расплавов, которые, застывая, наращивают края расходящихся от оси СОХ плит.  Именно в этих зонах происходит формирование молодой океанической коры.

Конвергентные границы – границы, вдоль которых происходит столкновение плит. Главных вариантов взаимодействия при столкновении может быть три: «океаническая – океаническая», «океаническая – континентальная» и «континентальная - континентальная» литосфера. В зависимости от характера сталкивающихся плит, может протекать несколько различных процессов.
Субдукция – процесс поддвига океанской плиты под континентальную или другую океаническую. Зоны субдукции приурочены к осевым частям глубоководных желобов, сопряжённых с островными дугами (являющихся элементами активных окраин). На субдукционные границы приходится около 80% протяжённости всех конвергентных границ.
При столкновении континентальной и океанической плит естественным явлением является поддвиг океанической (более тяжёлой) под край континентальной; при столкновении двух океанических погружается более древняя (то есть более остывшая и плотная) из них.
Зоны субдукции имеют характерное строение: их типичными элементами служат глубоководный желоб – вулканическая островная дуга – задуговый бассейн. Глубоководный желоб образуется в зоне изгиба и поддвига субдуцирующей плиты.

Погружение субдуцирующей плиты в мантию трассируется очагами землетрясений, возникающих на контакте плит и внутри субдуцирующей плиты (более холодной и вследствие этого более хрупкой, чем окружающие мантийные породы). Эта сейсмофокальная зона получила название зона Беньофа-Заварицкого. В зонах субдукции начинается процесс формирования новой континентальной коры. Значительно более редким процессом взаимодействия континентальной и океанской плит служит процесс обдукции – надвигания части океанической литосферы на край континентальной плиты.

4). Объём поглощённой в зонах субдукции океанской коры равен объёму коры, возникающей в зонах спрединга. Это положении подчёркивает мнение о постоянстве объёма Земли.

5).  Основной причиной движения плит служит мантийная конвекция, обусловленная мантийными теплогравитационными течениями.
Источником энергии для этих течений служит разность температуры центральных областей Земли и температуры близповерхностных её частей. При этом основная часть эндогенного тепла выделяется на границе ядра и мантии в ходе процесса глубинной дифференциации, определяющего распад первичного хондритового вещества, в ходе которого металлическая часть устремляется к центру, наращивая ядро планеты, а силикатная часть концентрируются в мантии, где далее подвергается дифференциации. 
Нагретые в центральных зонах Земли породы расширяются, плотность их уменьшается, и они всплывают, уступая место опускающимся более холодными и потому более тяжёлым массам, уже отдавшим часть тепла в близповерхностных зонах.

6).  Перемещения плит подчиняются законам сферической геометрии и могут быть описаны на основе теоремы Эйлера. Теорема вращения Эйлера утверждает, что любое вращение трёхмерного пространства имеет ось. Таким образом, вращение может быть описана тремя параметрами: координаты оси вращения (например, её широта и долгота) и угол поворота. На основании этого положения может быть реконструировано положение континентов в прошлые геологические эпохи. Анализ перемещений континентов привёл к выводу, что каждые 400-600 млн. лет они объединяются в единый суперконтинент, подвергающийся в дальнейшем распаду. В результате раскола такого суперконтинента Пангеи, произошедшего 200-150 млн. лет назад, и образовались современные континенты.