Структурная геология

Основные структуры земной коры

Тектоносфера, ее строение и происхождение

Внутреннее строение Земли

Непосредственные геологические наблюдения позволяют изучить строение земной коры максимум на 2—3 км по вертикали, что возможно в глубоко врезанных речных долинах высочайших горных хребтов мира (Гималаи, Памир, Анды). Глубочайшая на Земле шахта в южной Индии имеет глубину в 2290 м (3187 м от поверхности), а самые глубокие нефтяные скважины достигли глубины порядка 7 км в северном Прикаспии, на Апшеронском п-ове, в Калифорнии и Техасе. Проектная глубина Кольской сверхглубокой скважины 12 км. Длительные вертикальные поднятия обнажили на поверхности глубокометаморфизованные породы, в свое время залегавшие в коре на глубинах до 15—20 км.

Однако даже эти глубины относительно невелики по сравнению с мощностью континентальной коры и ничтожны по сравнению с радиусом земного шара. Поэтому основными методами познания строения земной коры в целом и более глубоких частей земного шара являются геофизические методы и в первую очередь сейсмический. В итоге сейсмических исследований установлено, что в недрах Земли существуют две основные поверхности раздела, позволяющие выделить земную кору, мантию (промежуточную оболочку) и ядро Земли. (рис. 1)

Основные положения тектоники литосферных плит

Согласно этой теории, жесткая оболочка Земли – литосфера – разбита на ряд плит (рис. 2). Разные исследователи выделяют различное число плит, поскольку наряду с основными крупными плитами существует еще много мелких "микроплит". Литосферные плиты перемещаются в горизонтальном направлении по поверхности астеносферы. Континенты входят в состав плит и перемещаются вместе с ними. Основные тектонические и магматические процессы происходят на границах плит.

Границы плит

Границы плит – это зоны сейсмической и тектонической активности, в которых две литосферные плиты примыкают друг к другу. Границы подразделяются на три типа:

• дивергентные;
• конвергентные;
• трансформные.

Вдоль дивергентной границы происходит наращивание океанической литосферы, которая распро страняется в стороны от границы. На конвергентной границе одна из двух сходящихся плит погружается в астеносферу и ею поглощается. Вдоль трансформной границы две литосферные плиты, перемещаясь горизонтально, скользят относительно друг друга, так что литосфера здесь не создается и не исчезает.

На поверхности Земли границы плит отмечены крупными разломами или системами разломов, а также линейными цепочками эпицентров землетрясений.

К характерным системам разрывных нарушений относятся:

• рифты вдоль дивергентных границ;
• надвиги вдоль большинства конвергентных границ, причем следы этих надвигов, как правило, трудно различимы;
• сдвиги вдоль трансформных границ, которые довольно легко прослеживаются почти повсюду в океанической коре и с трудом – в континентальной коре.

Положение границ плит изменяется во времени и в пространстве. Как и плиты, они находятся в постоянном движении. Положения современных границ разных типов показаны на рис. 3.

В идеальной модели тектоники плит деформация плит в горизонтальном направлении возможна лишь вдоль их границ. Непосредственной или косвенной причиной некоторых из наиболее важных геологических процессов является эволюция границ плит.

Некоторые границы между крупными плитами представляют собой мозаику намного меньших по размеру микроплит. Каждая из этих последних находится в движении относительно всех других, включая и крупные плиты, и это обстоятельство очень затрудняет анализ относительных перемещений плит. В качестве примера можно привести область Средиземноморья между Африканской и Евразийской плитами.

Современные границы плит прослежены по их современной сейсмической и тектонической активности, поэтому понятны трудности, с которыми сталкиваются при восстановлении древних границ плит. Следы этих границ можно обнаружить геологическими методами, но для этого необходимо знать, какие геологические структуры однозначно свидетельствуют о положении границ плит в прошлом.

Время жизни океанической литосферы сравнительно мало; поэтому межплитные границы доюрского возраста можно определить лишь на континентах, взаимное положение которых сильно изменилось со временем. Перспективным методом реконструкции положений и перемещений древних континентов, а значит и положения границ плит в прошлом, является построение и анализ траекторий кажущейся миграции полюса на основании палеомагнитных исследований.

Конвергентные границы плит. На этих границах плиты имеют встречное движение, т.е. сходятся. При этом одна плита погружается под другую. Этот механизм называется субдукцией. Погружающийся в процессе субдукции литосферный блок в конечном счете поглощается астеносферой (рис. 4). По этой причине конвергентные границы плит называют также деструктивными.

Обычно конвергентные границы плит выражены сильными понижениями в рельефе и прослеживаются в виде глубоководных желобов (рис. 5). Некоторые желоба заполнены молодыми осадками, которые маскируют депрессию.

Когда погружающийся блок входит в астеносферу, непосредственно над ним образуются резервуары магмы, как правило андезитового состава, которая внедряется в толщу пород и изливается на поверхность. Эта магматическая активность приводит к образованию либо вулканических островных дуг (рис. 6), если вышележащая кора является океанической, либо горных хребтов с характерным андезитовым вулканизмом – в случае континентальной коры. Вулканические дуги и горные хребты простираются параллельно смежным глубоководным желобам.

Конвергентные границы плит сейсмически активны. Гипоцентры сосредоточены не только в неглубокой зоне вблизи границы, но также и в погружающемся блоке, и некоторые из них достигают глубины 700 км. Зоны локализации гипоцентров в погружающемся блоке называются зонами Беньоффа – Вадати.

Имеются свидетельства, что конвергентные границы плит впервые формируются в океанической литосфере поблизости от континентальных окраин. Об этом, в частности, говорит близость большинства современных конвергентных границ к континентальным окраинам. Там, где границы отделены от континентов небольшими океаническими бассейнами, дно таких окраинных, или тыловодужных, бассейнов гораздо моложе, чем примыкающее к желобу дно открытого океана. Отсюда следует, что раскрытие таких бассейнов, отделяющих границу плиты от континента, происходило сравнительно недавно. Эта точка зрения подтверждается данными морской геофизики. Наблюдаемый режим спрединга океанического дна в тыловодужных бассейнах дает основания предполагать, что они образуются в результате миграции систем дуга-желоб в сторону океана.

Вулканические дуги, ассоциирующиеся с конвергентными границами плит, известны своими рудными месторождениями. Зона, расположенная между внешней (ближе к желобу) вулканической цепью дуги и желобом, представляет собой разрыв дуга-желоб; она включает осадочные бассейны, называемые преддуговыми, условия в которых благоприятствуют аккумуляции углеводородов.

Из-за низкой плотности континентальная литосфера не может участвовать в процессе субдукции. Поэтому дальнейшее продвижение субдукционной плиты по поверхности становится невозможным, когда она подходит к желобу. Если надвигающаяся плита является океанической, режим субдукции может изменяться («переключиться») на противоположный, т.е. начиная с какого-то времени в субдукцию будет во влечена ранее надвигавшаяся плита. Остатки старого блока будут медленно поглощаться астеносферой. Если же надвигающаяся плита является континентальной или к континенту примыкает сравнительно узкая полоса океанической коры, приближение другого континента со стороны зоны субдукции приводит к столкновению континентов, иногда после предварительного закрытия разделявшего их окраинного бассейна. В результате столкновения конвергенция плит в конечном счете должна прекратиться, потому что континент, будучи более легким, не может погружаться в астеносферу. Теперь вектор относительного перемещения плит на границе становится равным нулю. Однако, поскольку сумма векторов движения всех плит на поверхности Земли должна оставаться равной нулю, подобная ситуация влечет за собой глобальное перераспределение движения плит.

Тем не менее в течение ограниченного времени после столкновения плиты могут продолжать сходиться. Индийская и Евразийская плиты после своего столкновения сблизились на несколько сотен километров. Этому можно дать два объяснения. Субдукционная плита может затягивать край континента вдоль границы литосферы с астеносферой, поддвигая его тем самым под континентальную плиту. Если же континентальная литосфера, прилегающая к границе плит, достаточно мягка, схождение плит компенсируется путем деформаций как в горизонтальной плоскости (сдвиги, частично со смещением по простиранию), так и в вертикальном направлении (утолщение). Наблюдения в районе Гималаев, на границе Индийской и Евразийской плит, говорят о том, что граница плит деформируется главным образом за счет сдвиговых деформаций в Евразийской плите.

Древние конвергентные границы плит можно обнаружить на континентах. Для этих швов характерны пояса офиолитов, которые, как считают, являются реликтами древней океанической литосферы, надвигавшейся на континентальную кору. Аналогичным образом зоны метаморфизма высокого давления и низких температур маркируют положение древних желобов, заполненных осадками, которые в процессе субдукции затягивались на большие глубины, а впоследствии поднимались благодаря изостатической компенсации.

В заключение можно сказать, что в зонах конвергентных границ плит сосредоточены некоторые из наиболее важных геологических процессов: интенсивные деформации и сейсмическая активность, магматизм, метаморфизм и формирование рудных залежей и относительно быстрое поднятие с последующими интенсивной эрозией и обильным осадконакоплением, часто сопровождающимся аккумуляцией углеводородов.

Дивергентные границы плит. Вещество океанической литосферы постоянно образуется в океанических рифтах, общая протяженность которых по всей Земле составляет около 70 000 км. Литосферные плиты расходятся по обе стороны от этих рифтов, получивших название дивергентных границ плит (известных также как конструктивные или аккреционные окраины плит). Рифты обычно расположены на гребнях крупных хребтов, возвышающихся на дне океана; некоторые из них находятся примерно посредине между континентами, например, известный Срединно-Атлантический хребет. Превышение хребта над дном океана обычно варьирует от 100 до 3000 м, характерная ширина-около 1000 км. Ассоциирующийся с ним центральный рифт приурочен к долине, дно которой может располагаться на 2000 м ниже вершины хребта. Ширина ее более 10 км, в Центральной Атлантике-до 30-32 км. У Восточно-Тихоокеанского поднятия с быстрым разрастанием океанического дна морфологический срединный рифт отсутствует.

Океанические рифты, образующие дивергентные границы плит, отличаются сейсмической и тектонической активностью, которая проявляется в регистрируемых над ними геофизических аномалиях (рис. 2). Расположенные вдоль них эпицентры мелкофокусных землетрясений дают первые вступления по типу смещений по падению. Отрицательная аномалия Буге на рис. 2 указывает на наличие сравнительно легкого материала под гребнем хребта, что под тверждается скоростями продольных волн, которые непосредственно под границей Мохо составляют в среднем 7,2-7,5 км/с. Тепловой поток выше среднего и составляет около 3 е. т. п. Большая часть тепла отводится циркулирующими гидротермальными растворами, выщелачивающими и переотлагающими сульфиды металлов. Обследование дна океанов с обитаемых подводных аппаратов обнаружило свидетельства активного вулканизма и показало, что скорости спрединга локально варьируют во времени и пространстве, но в среднем дают картину длительного равномерного симметричного спрединга с полускоростями в интервале от 1 до 5 см/год. Террасы на склонах внутри рифтовой долины наводят на мысль о сбросовых уступах. По мере разрастания дна образующиеся при сбросах блоки земной коры поднимаются на максимальную высоту более 2000 м над дном рифтовой долины рядом с гребнем хребта; по мере удаления от гребня вследствие сжатия при остывании и увеличения плотности высоты постепенно понижаются. Толщина плит минимальна близ дивергентной границы, но чем дальше от нее, тем больше плита остывает и утолщается. Вдоль центральной оси рифтовой долины наблюдается сильная линейная магнитная аномалия. Она вызвана намагниченностью, приобретаемой новым вулканическим материалом по мере его остывания. Намагниченные породы, слагающие дно океана, симметрично удаляются от оси спрединга. Каждый заново образующийся фрагмент океанического дна приобретает намагниченность, по на правлению совпадающую с существующим геомагнитным полем. Периодические обращения полярности поля отражены в хорошо известных полосовых магнитных аномалиях.

Истинный глубинный механизм аккреции плит непосредственно ненаблюдаем, но почти всеми признано, что офиолиты представляют собой реликты древнего океанского дна. Поэтому изучение офиолитов способствовало построению моделей аккреции плит.

В районах, где сходятся три рифта (тройное сочленение) некоторые дивергентные границы приобретают более размытый характер; их вершинные участки могут подниматься над уровнем моря, примерами чего являются Исландия, Азорские острова и треугольник Афар. Аккреционная магма здесь менее обеднена литофильными элементами; сейсмическая и тектоническая активность носит более рассеянный характер; срединный рифт менее выражен или даже отсутствует. Такие границы нельзя рассматривать как адекватные модели нормальных океанических дивергентных границ.

Отдельные сегменты срединно-океанических хребтов были названы центрами спрединга. Но так как они линейны, более уместен термин ось спрединга.

Трансформные границы

Ни одна дивергентная граница не является гладкой и непрерывной; все они во многих местах смещены вдоль трансформных разломов (рис. 7).

Эти разломы реализуют механизм согласования общего тренда границы с преимущественным на правлением спрединга. Их простирание в точности параллельно направлению относительного перемещения соседних плит. Спрединг обычно (но не всегда) происходит в направлении, нормальном к оси спрединга. Иногда какой-то ее участок скачкообразно перемещается в новое положение. Спрединг, действующий на данной дивергентной границе плиты, может изменить свою скорость или направление движения, как правило, в ответ на глобальные изменения в движениях плит. Полагают, что спрединг может полностью прекратиться при субдукции оси спрединга.

Мантийные плюмы и горячие точки

Мантийные плюмы (или просто плюмы) представляют собой сравнительно узкие колонны разогретого вещества, поднимаю щиеся из глубоких слоев мантии. Плюмы, скорее всего, зарождаются на глубине не менее 700 км. По некоторым оценкам диаметр их составляет от 100 до 240 км, а скорость подъема 2 м/год. Плюмы порождают купола диаметром до 1000 км, центральные участки которых возвышаются на 1-2 км над окружающей местностью.

Горячие точки – участки земной поверхности с необычно высокой вулканической активностью в настоящее время или в прошлом. Некоторые геологи используют термины горячая точка и плюм как синонимы. Существование горячей точки устанавливается непосредственно из наблюдений за вулканической активностью, тогда как вывод о существовании плюмов – результат интерпретации и прямое их наблюдение недоступно.

Плюмы встречаются как внутри плит, так и на дивергентных границах между плитами. Примером внутриплитного расположения в океанической области служит плюм под островом Гавайи. Плюм этого типа порождает внутриплитную горячую точку, или горячую точку гавайского типа. Примером плюма, расположенного на дивергентной границе плит, является плюм под Исландией. Плюмы такого типа порождают срединно-океанические горячие точки или горячие точки исландского типа.

Почему поднимаются плюмы? Плюмы поднимаются из глубоких слоев мантии, так как их вещество легче окружающих пород, а вязкость этих пород достаточно мала, чтобы в мантии стал возможным режим течения. Они ведут себя как пластическое твердое тело (возможно, частично расплавленное) и поднимаются подобно соляным диапирам.

Уменьшение давления в веществе плюма приводит к росту содержания в нем расплава, что в еще большей степени способствует подъему плюма. Этим же объясняется повышенная вулканическая активность в районах горячих точек, в основе которой лежит механизм дифференциации вещества плюма: более легкая расплавленная фаза отделяется от твердого остатка.

Асейсмичные хребты. Асейсмичный хребет (известный также как след плюма) представляет собой прямолинейную цепь вулканических островов, гайотов или подводных поднятий. От островных дуг такие хребты отличаются тем, что имеют не дугообразную форму: острова, гайоты и подводные поднятия в них расположены примерно по прямой линии. На самом деле они располагаются вдоль малых кругов с центром в полюсе спрединга, но радиусы их настолько велики, что они имеют вид прямых линий.

Асейсмичные хребты образуются при движении плиты над плюмом. Плюм, расположенный внутри плиты (например, под островом Гавайи), порождает отходящий от него единственный асейсмичный хребет, примером которого является Гавайско-Императорская цепь подводных гор (рис. 8).

Плюм, расположенный под срединно-океаническим хребтом, порождает два или три отходящих от него асейсмичных хребта. Хорошим примером такой ситуации служит Исландия. От нее отходят широкий асейсмичный хребет северо-западного простирания в сторону Гренландии и второй тоже широкий асейсмичный хребет юго-западного простирания в сторону Шетландских островов (к северо-востоку от Шотландии). Плюм, приуроченный к сочленению трех срединно-океанических хребтов, может быть родоначальником трех отходящих от него асейсмичных хребтов.

Плюмы первого и второго порядка. Изучение простираний континентальных окраин (изобата 2000 м) в Атлантическом, Индийском и Северном Ледовитом океанах, Мексиканском заливе и Карибском море показало, что изменения их среднего направления можно разделить на сильные и слабые. Сильные изменения направлений в среднем составляют около 61°, и именно к ним приурочены плюмы первого порядка (рис. 9). Расстояние между плюмами первого порядка колеблются от 450 до 2200 км и в среднем составляет около 1700 км. Как правило, здесь располагаются хорошо развитые асейсмичные хребты, соединяющие современное положение плюма (обычно на срединно-океаническом хребте) с тем местом на континентальной окраине, где он зарождался. Многие, если не все, плюмы первого порядка на начальной стадии своего развития были связаны с авлакогенами, которые пересекают континентальную окраину в месте зарождения плюма (рис. 9).

Слабые изменения в ориентировке континентальной окраины составляют в среднем около 29°, и к ним приурочены плюмы второго порядка. Обычно между каждой парой плюмов первого порядка имеется два-три плюма второго порядка, расположенных в среднем на расстоянии 565 км друг от друга. Большинство плюмов второго порядка также имеют асейсмичные хребты (следы плюма), связывающие их современное положение (на срединно-океаническом хребте) с местом зарождения плюма на континентальной окраине. Однако они менее развиты, чем асейсмичные хребты плюмов первого порядка. Авлакогенов, связанных с плюмами этого типа, не обнаружено, однако нельзя исключить вероятность того, что связанные с ними небольшие авлакогены погребены под толщами прибрежных равнинных отложений на континентальных окраинах расширяющихся океанов.

Когда начинается разделение двух континентов, срединно-океанические хребты между ними, предположительно, параллельны континентальным окраинам, а значит, хребты, как и окраины, пересекаются между собой под углами 61 и 29°. Однако в процессе расхождения континентов отдельные сегменты хребтов меняют свою ориентацию и смещаются серией трансформных разломов, нормальных к простиранию хребтов (рис. 10).

Альтернативные гипотезы. Не все геологи принимают идею мантийных плюмов. Существование горячих точек объясняют действием термических напряжений, возникающих при остывании литосферы, или мембранных напряжений, связанных с изменениями радиуса кривизны плит, нисходящей конвекцией за счет опускания высокоплотной компоненты мантии, остающейся после вулканической деятельности, наличием крупных ослабленных зон, таких как зоны разрывных нарушений или ранее существовавших разломов, близ континентальных окраин. Однако в настоящее время большинство геологов уверены в том, что почти все горячие точки прямо или косвенно обязаны своим происхождением подъему плюмов мантийного вещества.

Происхождение плюмов первого порядка. Среди гипотез, объясняющих происхождение мантийных плюмов, отметим гипотезы избыточного разогрева за счет концентрации теплогенерирующих элементов в мантии, удара крупного метеорита и повторной активизации восходящего потока вещества мантии на месте ранее существовавшего плюма.

Концентрация теплогенерирующих элементов. Эта гипотеза предполагает, что в мантии существуют более или менее точечные источники тепла, образующиеся за счет концентрации теплогенерирующих радиоактивных элементов (таких, как уран, торий и калий). Однако очень трудно представить себе механизм такой концентрации, тем более что мантия обеднена этими элементами. Скорость генерации тепла в дуните, имеющем при близительно тот же состав, что и мантия Земли, в 400 раз меньше, чем в граните. Остается непонятным, каким образом при столь малом содержании теплогенерирующих элементов они могут сосредо точиться до концентраций, требующихся для зарождения плюмов.

Удары метеоритов. Из-за сверхадиабатического градиента температур внутри Земли сильно разогретое вещество ее недр всегда имеет тенденцию к подъему, которому, однако, почти всюду на Земле (за исключением плюмов и срединно-океанических хребтов) препятствует сравнительно мощная литосфера. Таким образом, Земля находится в неустойчивом состоянии, и, возможно, для того чтобы началась конвекция, достаточно действия некоего спускового механизма. Роль такого механизма могло бы сыграть падение метеорита (небольшого астероида). Высказываются предположения, что столкновения Земли с крупными метеоритами в архее могли порождать восходящие диапиры, при плавлении или частичном плавлении которых образовывались коматииты или коматиитовые базальты. Такой диапир по существу не отличается от плюма, и если он существует миллионы лет, то вполне может стать таким же, как современный плюм.

Есть данные, указывающие, что некоторые плюмы возникли в результате ударов метеоритов. Морган сделал предположение, что образование плюмов, возможно, послужило причиной раскола континентов; при этом следует иметь в виду, что прослеживается определенная временная связь между увеличением числа столкновений с крупными метеоритами и начальными фазами разделений континентов. Примерно 205 млн. лет назад произошло пять падений крупных метеоритов, об одном из которых свидетельствует древний кратер Маникуаган диаметром около 65 км. Согласно радиометрическим датировкам импактных расплавов, этот кратер образовался в позднем триасе 202-210 млн. лет назад. Именно к этому времени относятся начало сбросообразования и заполнение бассейнов в ряде авлакогенов, которые, как полагают, образовались в то время, когда впервые между Северной Америкой и Гондваной установился режим растяжения и они начали разделяться. Если плюмы, порождаемые ударами метеоритов, приводят к расколу континента, соответствующие кратеры обычно разрушаются эрозией или погребены отложениями прибрежных равнин. Отделение Северной Америки и Евразии от Гондваны, возможно, было инициировано падением крупного метеорита вблизи Багамских островов в Северной Америке и Гвинеи в Африке. Этот удар мог вызвать образование плюма в месте падения и привести к возникновению докембрийских плюмов, связанных с более ранним циклом Уилсона. Образование этих плюмов послужило причиной начала отделения Северной Америки и Евразии от Гондваны.

Отделение Гренландии от Евразии началось около 65 млн. лет назад и могло быть вызвано падением крупного метеорита в районе, который ныне представляет собой континентальные окраины Европы и Гренландии. Судя по времени падения, нельзя исключить вероятность того, что это тот же метеорит, который привел к образованию обогащенного иридием слоя на границе мела и палеогена. Возможно, что плюм, находящийся ныне под Исландией, явился результатом этого события.

С большой степенью вероятности можно утверждать, что плюмы, порождаемые столкновением с метеоритом, образуются в районе его падения. Однако данные по Марсу показывают, что удары крупных метеоритов порождают плюмы не только там, где они упали, но и на диаметрально противоположном участке планеты. Нельзя исключить такую возможность и для Земли.

К факторам, которые могут влиять на образование плюмов в результате столкновения с метеоритом, относятся: упругая отдача, происходящая более или менее непосредственно после падения, изостатическая компенсация, реализующаяся в течение нескольких десятков тысяч лет после падения, фазовые превращения, связанные со сбросом давления после образования кратера, и вызванное ударом растрескивание.

• В земных кратерах с диаметром 10-100 км обычно имеется центральная горка, по-видимому вызванная упругой отдачей вещества коры и мантии после падения крупного метеорита. Такая отдача может инициировать восходящее перемещение вещества плюма.
• Для мантии постулируется целый ряд фазовых переходов. Образование крупного кратера приводит к понижению давления в мантии, что может стать причиной перехода каких-то ее компонентов из более плотной в менее плотную фазу и тем самым вызвать восходящий поток вещества мантии, который и станет плюмом.
• Падение крупного метеорита вызывает интенсивное растрескивание коры, а возможно, и верхней мантии. Не исключено, что эта ослабленная зона служит проводником, по которому вещество горячей мантии достигает приповерхностных слоев, также способствуя становлению плюма.

Активизация ранее существовавших плюмов. Мантийный плюм может возникнуть на месте существовавшего ранее плюма. Пересечение авлакогенов, существовавших 1,15 млрд. лет назад в центральной части Северной Америки, свидетельствует о том, что в северной Луизиане в то время располагался плюм. Он образовался, вероятно, в начальную фазу разделения Евразии и Гондваны примерно в то же время. Реконструкция континентов, слагавших Пангею в самом конце палеозоя и в раннем мезозое, показывает, что до разделения континентов полуостров Юкатан примыкал к Луизиане. Когда в раннем мезозое Гондвана начала отделяться от Северной Америки, большая часть Мексики стала удаляться от Северной Америки путем вращения вокруг оси, расположенной на юге Мексики. В простирании континентальной окраины, образовавшейся в результате этого вращения, имеется сильный изгиб в северной части Луизианы. Так как плюмы обычно встречаются там, где происходит резкий изгиб континентальной окраины, можно сделать предположение о существовании плюма в этом месте.

Происхождение плюмов второго порядка. Полагают, что становление срединно-океанических хребтов контролируется уже существующими системами трещин региональной протяженности (см. рис. 9). Поскольку маловероятно, чтобы два плюма соединялись непосредственно через одну систему трещин, срединно-океаничесие хребты должны развиваться по двум или более системам трещин, возможно, реализуя при этом наиболее короткий путь между двумя плюмами.

Наблюдения над системами трещин во внутриконтинентальных областях показывают, что региональные трещины могут определять до шести различных направлений. Ориентировки систем трещин различаются, как правило, в среднем на угол около 30°, что очень близко к средней величине изменения направления континентальной окраины в промежутках между плюмами первого порядка. Вторичные плюмы, вероятно, зарождаются там, где происходит изменение в ориентировке трещин, контролирующих развитие срединно-океанического хребта между плюмами (см. рис. 10). Возможно, развитие плюмов здесь обусловлено пониженной прочностью.

Диагностические признаки плюмов. Не все признаки, которые позволяют определить местоположение активного плюма, присущи каждому плюму, но несколько признаков должны присутствовать, чтобы можно было обосновать предположение о существовании плюма.

1. Плюмы располагаются под районами современного вулканизма или вблизи них. Однако вулканическая активность связана также с зонами субдукции и авлакогенами; кроме того, она может иметь место на асейсмичном хребте (следе плюма) за тысячи километров от самого плюма.
2. Вулканические породы, образованные непосредственно над плюмом, представлены, как правило, толеитовыми базальтами. Для толеитов, образованных над плюмом в Исландии, характерно необычно низкое (47%) содержание SiO₂ и довольно высокое (0,4%) содержание К₂О, если сравнивать их с толеитами других районов на дивергентных границах плит.
3. Плюмы располагаются на окончании одного, двух или трех асейсмичных хребтов (следов плюма). Плюм под островом Гавайи расположен в конце Гавайско-Императорской цепи подводных гор, а плюм под гребнем Восточно-Тихоокеанского поднятия приурочен к окончанию цепи подводных гор остров Пасхи - Сала-и-Гомес - Наска.
4. Плюмы под срединно-океаническими хребтами на дивергентных границах плит обычно приурочены к тем местам, где хребет существенно меняет свое направление. Угол между двумя сегментами хребта, пересекающимися над плюмом, составляет 115-155°. Объясняется это тем, что разломы, развитые поверх плюмов, обычно пересекаются под углами 115 и 155°, и именно они, по-видимому, направляли развитие срединно-океанических хребтов.
5. Плюмы срединно-океанических хребтов (дивергентных границ плит) находятся посредине между теми участками противоположных континентальных окраин, изгиб которых повторяет друг друга. До разделения континентов участок континентальной окраины с вогнутым изгибом (как в Африке в устье реки Нигер) должен был примыкать к противоположному участку с выпуклым изгибом (соответственно северо-восточная окраина Южной Америки). Именно к этим участкам было приурочено зарождение плюма, который ныне расположен под гребнем Срединно-Атлантического хребта.
6. Авлакогены пересекаются с плюмами во время их зарождения. Поэтому плюм может находиться под хребтом рядом с пересечением авлакогена и континентальной окраины.
7. На тех участках, под которыми находятся плюмы, срединно-океанические хребты становятся обычно шире и выше. С плюмом под Исландией связан очень широкий сегмент Срединно-Атлантического хребта, выступающий в Исландии над уровнем моря.
8. Возраст вулканов асейсмичных хребтов (следов плюма) последовательно увеличивается по мере удаления от плюма. Такая закономерность хорошо прослеживается на вулканах Гавайско-Императорской цепи подводных гор (см. рис. 8).
9. Начальное отношение ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr в вулканических породах срединно-океанического хребта, изверженных над плюмом, выше, чем на любом другом участке хребта. Так, в вулканических породах в центре Исландии оно в среднем равно 0,7031, а на хребте Рейкьянес, южнее 61° с.ш., - 0,7026.
10. Над плюмами часто регистрируются обширные гравитационные максимумы.
11. Океаническая кора над плюмами толще, чем в других областях. Например, мощность коры в центральной Исландии равна примерно 14 км, тогда как типичная для океанической коры мощность (если не считать осадков) составляет около 6 км.
12. Геотермические градиенты над плюмами выше, чем в других областях. В определенном смысле это является как следствием, так и причиной повышенной вулканической активности над плюмом. В Исландии температура в основании коры (на глубине 14 км) равна приблизительно 1000°С. Следовательно, средний геотермический градиент в этой области составляет 71 °С/км, т.е. более чем вдвое превышает нормальную величину 30 °С/км.
13. Асейсмичные хребты (следы плюмов) внутри данной плиты в среднем располагаются по дугам малых кругов, концентричных относительно полюса спрединга. Длина этих дуг (измеряемая величиной стягиваемых ими углов) должна быть постоянна для сегментов асейсмичного хребта, образовавшихся за данный период времени.
14. Плюмы обычно располагаются в стороне от минимумов геоида.
15. Плюмы часто находятся вблизи районов, где срединно-океанический хребет смещается крупными трансформными разломами. Срединно-Атлантический хребет смещен крупными трансформными разломами как к северу, так и к югу от плюма в Исландии.

Плюмы океанических областей. Почти все горячие точки (например, на Гавайских островах и в Исландии) имеют под собой плюмы, исключение составляют некоторые горячие точки океанических областей. Вулканические острова, расположенные недалеко от срединно-океанических хребтов, но в стороне от них, обладают очень немногими из описанных выше диагностических признаков присутствия плюмов.

Вулканическая активность может проявляться через миллионы или даже десятки миллионов лет после того, как данный участок плиты сместился в сторону от плюма. Для постройки вулкана на океаническом дне и превращения его в субаэральный вулкан может потребоваться несколько миллионов лет. Это наиболее вероятно в случае высокой скорости спрединга морского дна. По этой причине наличие вулканической активности в районе горячей точки не обязательно означает существование под ней плюма. Данные наблюдений показывают, что большинство островов в океанических областях, как вблизи, так и вдали от срединно-океанических хребтов, не имеют залегающих под ними плюмов. Но верно и то, что зарождались они над плюмами, только плюмы эти находятся под гребнями срединно-океанических хребтов, т. е. на дивергентных границах плит.

Вулканические лавы Килауэа и Мауна-Лоа на острове Гавайи и большинства вулканических районов Исландии имеют толеитовый состав. Существование плюмов под этими областями не вызывает сомнений, и поэтому естественно предположить, что толеитовый вулканизм характерен для районов, расположенных непосредственно над плюмами. По мере того как вулкан отодвигается от плюма, состав изверженных им пород становится более щелочным. Например, вулканические породы Мауна-Лоа и Килауэа представлены почти исключительно толеитовыми базальтами, а вулканические породы, изверженные вулканом Мауна-Кеа на острове Гавайи (к северо-западу от вулканов Килауэа и Муана-Лоа), − преимущественно щелочными базальтами. Вулканические породы серии Гонолулу на острове Оаху и серии Колоа на острове Кауаи являются еще более щелочными, чем лавы Мауна-Кеа.

Помимо того что плюмы не всегда находятся точно под районом горячей точки в океанических областях, у многих плюмов нет расположенных над ними вулканических островов. Однако над плюмом всегда существует хотя бы подводная гора. Цепи подводных гор могут быть единственным признаком существования плюма. В этом случае плюм находится под окончанием горной цепи.

Плюмы континентальных областей. В континентальных областях плюмы распространены в меньшей степени, чем в океанических. Несколько горячих точек известно в Африке. Данные свидетельствуют об отсутствии миграции в прошлом большей части этих точек, поэтому был сделан вывод, что Африка оставалась неподвижной относительно плюмов в нижележащей мантии. Нельзя, однако, исключить возможность того, что под этими горячими точками нет залегающих под ними плюмов. Не располагая данными о миграции вулканической активности, трудно решить этот вопрос. Вулканизм горячих точек в Африке является скорее щелочным, чем толеитовым; исключение составляет район Афар в южном углу Красного моря, который, вероятно, расположен над мощной океанической, а не континентальной корой и к тому же над плюмом. Упомянутый дефицит толеитовых лав в районах многих горячих точек указывает на то, что не все горячие точки лежат над плюмами.

Во многих континентальных областях встречаются прямолинейные цепи вулканических центров, которые, как полагают, были образованы плюмами в перемещающихся над ними плитах, т.е. являются следами плюмов. Подобное предположение было сделано для вулканических цепей на северо-западе и юго-западе США, на востоке Северной Америки, в Центральной Европе и на востоке Австралии. Вполне возможно, что под континентальными областями плюмы отсутствуют.

Даже если все горячие точки в континентальных областях связаны с плюмами, плюмов здесь все равно гораздо меньше, чем в океанических областях. Вероятно, объясняется это тем, что плюмы под континентами приводили к раздвиганию континентальной коры. Возможно, в большинстве случаев энергии плюмов достаточно, чтобы расколоть вышележащую плиту и породить срединный хребет. Этим возможно было бы объяснить и тот факт, что большинство мантийных плюмов расположены под хребтами на дивергентных границах плит, а не внутри плит.

Положение плюмов. Оценки общего числа горячих точек или плюмов на Земле далеко не одинаковы.

По Моргану, многие плюмы, расположенные непосредственно под гребнями срединно-океанических хребтов или рядом с ними, зарождались в континентальных условиях еще до образования срединного хребта.

Со времени раскола Пангеи 205 млн. лет назад, активными были всего 43 плюма и с расколом Пангеи связаны 32 плюма первого порядка (рис. 11).

В настоящее время эти плюмы находятся под активными или пассивными срединно-океаническими хребтами между разделенными континентами (рис. 12).

Из 32 плюмов, связанных с расколом континентов, девять расположены под пассивными хребтами и потому, вероятно, неактивны. Кроме того, шесть активных плюмов под срединно-океаническими хребтами в Тихом океане, а внутри плит – один точно установленный плюм (под островом Гавайи) и четыре предполагаемых (близ островов Мадейра, под островами Кергелен, под Йеллоустоунским национальным парком и под северной частью Мексики).

Движения срединно-океанических хребтов и плюмы. Континенты, как правило, в представлении геологов удаляются от срединно-океанических хребтов. Однако посмотрим, как движется Африка. Перемещаясь на восток относительно Срединно-Атлантического хребта, она движется на запад относительно Аравийско-Индийского хребта. Может быть, более естественно предположить, что хребты удаляются от Африки, а не наоборот.

Сравнение длины хребтов, окружающих Африку в настоящее время и в начале разделения континентов, показывает, что она увеличивалась, но именно этого и следует ожидать, если считать, что хребты удалялись по радиальным направлениям от Африки. Выше уже говорилось, что при таком характере перемещения хребтов плюмы также должны радиально удаляться от Африки.

Бассейны Атлантического и Индийского океанов становятся шире, по мере того как обрамляющие их континенты удаляются один от другого. Например, увеличиваются размеры Атлантического океана за счет расхождения Северной Америки и Европы. Площадь бассейна Тихого океана должна сокращаться за счет продвижения континентов к центру, например Южная Америка сближается с Австралией. По-видимому, размеры плит (или блоков), подстилающих Тихий океан, уменьшаются в результате перемещения континентов. В этом случае необходимо, чтобы материал тихоокеанских плит переносился к плитам, подстилающим Атлантический и Индийский океаны. Увеличение длины срединно-океанических хребтов и перенос вещества от Тихоокеанского бассейна к бассейнам Атлантического и Индийского океанов очень трудно объяснить исходя из предположения, что движущим механизмом плит являются обычные конвективные ячейки. Однако конвекция под срединно-океаническими хребтами может проявляться в виде поднимающихся горячих даек.

Поскольку плюм представляет собой колонну вещества мантии, поднимающегося подобно горячей дайке из глубины земных недр, перемещение мантии в плюмах и под срединно-океаническими хребтами одинаково. В таком случае плюмы должны двигаться вместе с хребтами, не отделяясь от них. Если хребет удаляется от континента, то и плюм должен удаляться от него примерно с такой же скоростью. Срединно-Атлантический и Аравийско-Индийский хребты в настоящее время удаляются друг от друга со скоростью около 5 см/год. Следовательно, связанные с ними плюмы тоже должны удаляться друг от друга примерно с такой же скоростью, которая выше обычных оценочных значений.

Возраст плюмов. Самые древние плюмы, возможно, возникли сразу же после или даже во время образования Земли. Выше уже говорилось, что плюмы могут порождаться ударами метеоритов, а для этого периода были характерны многочисленные падения очень крупных метеоритов, если судить по большому числу крупных кратеров на лунных возвышенностях и в некоторых областях Марса, Меркурия и спутников Юпитера и Сатурна. Однако летопись подобных событий на Земле того времени не сохранилась.

Образование плюмов можно связать с периодами континентального рифтообразования 3,5, 3,1, 2,75, 1,5, 1,15 и 0,675 млрд. лет назад.

Синхронность в активности плюмов. В вулканических извержениях в ряде горячих точек, находящихся над плюмами, наблюдается определенная синхронность. Речь идет, в частности, о плюмах под Гавайскими островами, Исландией, Азорскими островами, треугольником Афар и островами Зеленого Мыса, Мадейра и Галапагос. Пики их активности приходятся, помимо настоящего времени, на периоды около 15, 42 и 65 млн. лет назад. Им соответствуют пики вулканической активности на островных дугах. По-видимому, существует какая-то связь между активностью различных плюмов. Интересно отметить, что пики магматической активности над плюмами и в районах островных дуг совпадают во времени с периодами увеличения числа падения метеоритов. Можно предположить, что усиление активности плюмов вызывается одним или несколькими падениями крупных метеоритов, но механизм подобного влияния не понятен.

Плюмы и расхождение плит. Напряжения, генерируемые плюмами, приводят к первичному расколу плит вдоль древних ослабленных зон. Здесь уместно провести аналогию с гвоздем, который при вбивании его в доску раскалывает ее вдоль волокон. Затем поднимающееся, подобно диапиру, вещество мантии начинает заполнять образовавшуюся трещину. Поскольку температура его выше, чем у окружающей мантии, подъем вещества будет продолжаться, раздвигая еще дальше плиты. При этом не следует за бывать, что температура в мантии растет с сверхдиабатическим градиентом и поэтому ее вещество легко переходит в режим конвективной циркуляции. После того как плиты начинают двигаться, главной силой, поддерживающей их движения, вероятно, является сила отталкивания, действующая на краях плит .

Выводы

1. В недрах Земли существуют две основные поверхности сейсмического раздела, позволяющие выделить земную кору, мантию и ядро. Внутреннее ядро состоит в основном из железа и никеля и находится в твердом состоянии. Внешнее ядро является жидким.
2. Мантия должна состоять из пиролита – породы, промежуточной между перидотитом и базальтом.
3. Верхи мантии вместе с корой образуют самую верхнюю относительно жесткую и хрупкую оболочку твердой Земли – литосферу. Более глубокие слои верхней мантии получили название астеносферы. Вязкость астеносферы на 2—3 порядка ниже, чем в выше- и нижележащих областях мантии. Астеносфера – основной уровень образования магматических очагов.
4. Земная кора на континентах и в океанах существенно различается. В составе континентальной коры больше кремния и алюминия, в составе океанической – магния и железа.
5. Жесткая оболочка Земли – литосфера – разбита на ряд плит. Литосферные плиты перемещаются в горизонтальном направлении по поверхности астеносферы. Континенты входят в состав плит и перемещаются вместе с ними. Основные тектонические и магматические процессы происходят на границах плит.
6. Границы подразделяются на три типа: 1) дивергентные; 2) конвергентные; 3) трансформные. Вдоль дивергентной границы происходит наращивание океанической литосферы, которая распространяется в стороны от границы. На конвергентной границе одна из двух сходящихся плит погружается в астеносферу и ею поглощается. Вдоль трансформной границы две литосферные плиты, перемещаясь горизонтально, скользят относительно друг друга, так что литосфера здесь не создается и не исчезает.
7. Конвергентные границы плит выражены сильными понижениями в рельефе и прослеживаются в виде глубоководных желобов.
8. Дивергентные границы плит выражены системой океанических рифтов. Рифты обычно расположены на гребнях крупных хребтов, возвышающихся на дне океана.
9. Трансформные границы пересекают срединные хребты и смещают их отрезки относительно друг друга. Активная часть зоны разлома находится лишь между участками хребта, движущимися навстречу друг другу.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы предполагаемый состав и фазовое состояние мантии, внешнего и внутреннего ядра Земли?
2. Что такое астеносфера и литосфера?
3. В чем заключается различие между континентальным и океаническим типами земной коры?
4. Назовите типы границ между литосферными плитами. Как они выражены в рельефе земной поверхности?
5. Какие магматические и тектонические проявления характерны для границ разных типов?
6. Что такое спрединг и субдукция?
7. C чем связаны полосовидные магнитные аномалии?
8. Что понимается под коллизией континентов?