6.4 Тектоніка літосферних плит

Вчені давно звернули увагу на дивовижні географічні явища - збіг обрисів протилежних берегів деяких океанів. У середині XIX ст. італійський вчений А. Снідер висловив ідею, що Північна та Південна Америка у минулому складали єдине ціле з Європою та Азією. Згодом вони відкололись та перемістились відносно один одного.

Найбільш повно гіпотезу дрейфу континентів розвинув у 1912 р. відомий німецький геофізик А. Бегенер. Він звернув увагу на те, що поверхня континентів та океанічного дна являють собою різні сходини в рельєфі Землі. Це привело його до висновку про відсутність гранітного шару в складі океанічної кори, що і підтвердилось на початку 60-х років ХХ ст.

Згідно з уявленням А. Вегенера уся поверхня Землі на початку була покрита суцільним гранітним шаром. У палеозойську еру увесь гранітний матеріал зібрався в один блок, утворивши єдиний суперматерик Пангею (грецьк. вся Земля, рис. 6.7). Причиною цього могла бути дія припливних та центробіжних сил. Припливні сили пов'язані з притяганням Сонця та Місяця: вони діють на земній поверхні зі сходу на захід.

Рисунок 6.7 - Реконструкція Землі на початку мезозою (тріас, 200 млн. років)

Центробіжні сили, викликані обертанням Землі і направлені від полюсів до екватора. Цей материк підіймався над безбережним океаном Панталасса (грецьк. "пан" - все, "таласса" – океан) з внутрішнім морем Тетіс (грецьк. "Тетіс" - богиня моря).

На початку мезозойської ери Пангея почала розколюватись на окремі крупні глиби - континенти. Наприклад, Америка відкололась від Європи і Африки і віддалилась на захід. У проміжку між ними виник Атлантичний океан. Південна Америка та Африка в своєму русі зазнали повороту за годинниковою стрілкою.

У результаті переміщення Антарктиди на південь, Австралії на південний схід, а Індостану на північний схід між ними утворився Індійський океан.

На користь концепції дрейфу материків, крім зовнішньої схожості їх контурів, на сьогоднішній день виявлено цілий ряд безперечних доказів. Такими є внутрішня будова континентів, палеоклімати (грецьк. "палеос" – ранній), палеонтологічні та палеомагнітні дані.

Дуже добре узгоджуються особливості внутрішньої будови континентів. У східних областях Північної Америки та Північно-Західної Європи дуже схожі стратиграфія та структура палеозойських порід. Складчаста система Аппалачів, яка різко закінчується на північному сході, доповнюється Європейським складчастим поясом, який у свою чергу різко обривається у протилежних берегів Атлантики. Разючі риси схожості в комплексах гірських порід, включаючи їх вік та простягання, виявлені в Африці, Південній Америці та Антарктиді, що є яскравим свідченням їх колись суцільного розташування, а нині розділених Атлантичним океаном.

Існує ряд доказів того, що в пермському періоді частина території Бразилії, Африки, Індії та Австралії була покрита материковим льодом. Осади, які залишили льодовики, зараз знаходяться на широтах 10 - 30° по обидві сторони від екватора. Більш того, установлено, що в деяких областях лід рухався в сторону від теперішнього екватора. Ці факти пояснюють, що вказані площі були колись зосереджені біля Південного полюса і вже потім перемістились до їхнього сучасного положення.

Як відомо, область мешкання рифоутворюючих коралів обмежена на сьогодні чистими теплими водами в смузі до 30° від екватора. Але залишки викопних коралових рифів зустрічаються за Полярним колом, у північних районах Канади та Гренландії. Поясненням такого аномального розподілення коралів може бути дрейф Американського та Євроазіатського материків на північ.

Магнітологи установили, що у багатьох гірських породах зберігається залишкова намагніченість, яку вони набули під час свого утворення. З'ясувалось, що ця первинна намагніченість не відповідає сучасному магнітному полю Землі. Так, при дослідженнях залишкової намагніченості девонських порід Східної Європи та Сибіру були обчислені значення палеоширот для цих двох континентів. На обох континентах палеошироти зовсім не збігаються ні за орієнтацією, ні за значенням. Східна Європа знаходилася в основному в Південній півкулі, а екватор перетинав її приблизно уздовж сучасного меридіану, який проходить через Кольський півострів. Звідси був зроблений очевидний висновок про дрейф континентів.

Наприкінці 50-х та на початку 60-х років ХХ ст. почались систематичні дослідження океанічного дна, які виявили основні риси будови Землі. До цього про будову двох третин земної поверхні, захованих під водою, було відомо дуже мало.

З'ясувалось, що по центру усіх океанів протягуються грандіозні системи серединно-океанічних хребтів, які підіймаються майже до 3 км над іншим плоским дном. Загальна їхня довжина дорівнює приблизно 64 тис. км, що у 1,6 раз більше довжини екватора. По осі хребтів розташовується вузька, у декілька десятків кілометрів шириною і 1,5-2 км глибиною ущелина або, як її називають, рифтова долина. Місцями рифтові долини виходять на поверхню континентів, де продовжуються вузькими ущелинами (як, наприклад, Східно-Африканські грабени).

З'ясувалось також, що на багатьох окраїнах розташовуються найглибші лінійні западини - глибоководні жолоби. Вони опускаються до максимально відомих на Землі глибин - 10 - 11 км. Зі сторони континентів їх супроводжують вулканічні острівні дуги або молоді, вулканічні пояси на окраїнах континентів. Вони опоясують Тихий океан з усіх боків. Глибоководні пояси відомі також в Індійському океані. У Південно-Східній Азії глибоководний жолоб та супроводжуюча його вулканічна дуга островів Ява і Суматра переходять, як і рифові зони, на континент і продовжуються у вигляді грандіозного Альпійсько-Гімалайського гірського пояса.

У сімдесятих роках в Атлантичному та Тихому океанах проведено буріння океанічного дна з американського дослідного судна "Гломар Челенджер". У цій міжнародній програмі брали участь і інші країни, у тому числі і колишній СРСР. Найбільша глибина проникнення у товщу порід океанічного дна складає 1741 м при глибині води 3900 м. З'ясувалось, що дно океану відносно молоде. Як відомо, вік Землі за сучасними даними складає 4,5 млрд. років, вік самих давніх порід, які знайдені на Землі, дорівнює 3,8 млрд. років. На океанічному дні не знайдено порід старіше 160 млн. років, і немає ніяких підстав вважати наявність порід старіше 180 млн. років.

Установлено, що підошва осадового шару, вік якого визначався палеонтологічним методом, омолоджується в напрямку від крайових зон океанів до осей серединноокеанічних хребтів, а потужність відкладень зменшується у цьому ж напрямку. Підтвердились геофізичні дані про відсутність крихкотілих відкладів на гребені Серединно-Атлантичного хребта.

На початку 60-х років ХХ ст. уже було відомо, що магнітне поле Землі не залишалось постійним. Протягом останніх чотирьох мільйонів років воно тричі на довгий час змінювало свій напрямок на протилежний. Тричі Північний та Південний полюси мінялись місцями, тобто тричі проходила інверсія. На окремих ділянках океанічного дна зустрічаються гірські породи (базальти) з протилежною (дзеркальною) орієнтацією магнітного поля відносно осі хребта. Це пов'язано з тим, що через рифтову щілину із мантії проникав розплав, який при охолодженні намагнічувався відповідно до напрямку магнітного поля, яке існувало на той час. Надходження нових порцій магми приводило до розштовхування в сторони охолонутого раніше розплаву, який увійшов до земної кори океанів. При зміні напрямку магнітного поля (інверсія полюсів) порції свіжої магми намагнічувались у зворотному напрямку і потім також були розірвані та розсунуті в сторони від осі серединно-океанічного хребта. Знаючи ширину та тривалість таких утворень за останні 4 млн. років, підрахували швидкість утворення нового океанічного дна. Максимальною (11-14 см/рік) вона виявилась для Східно-Тихоокеанського підняття, а мінімальною (2-3 см/рік) - для Серединно-Індійського хребта. Таким чином, на сьогодні факти не залишають сумніву у тому, що дно цих океанів геологічно молоде. Але в такому випадку належить неминуче признати, що з часу утворення океанів поверхня Землі повинна була б збільшитися більш ніж у два рази, проте цього не трапилось.

Згідно з побудовою нової глобальної тектоніки, в зоні стикування океану з континентом, тобто по глибоководних жолобах та в районах острівних дуг, океанічна кора вигинається і занурюється у мантію під кутом 45° під плиту континентальної літосфери, яка рухається їй назустріч (рис. 6.8). Таке занурення відбувається до глибини 700 км. Таким чином, відбувається поступова переробка і навіть переплавлення океанічного дна, яке затягується униз. У зв'язку з цим на краю материка формується гірський сейсмічний пояс (наприклад, Кордільєри, Анди), а там, де з континентальною корою стикаються потовщені окраїни плит, формуються складчасті системи альпійського типу. Отже, відбувається поступове переміщення плит  о поверхні Землі від поясів розтягання і новоутворення океанічної кори, тобто рифтових зон, до поясів стиснення та руйнування океанічних плит. На користь такої побудови свідчать сейсмічні та вулканічні пояси, які простягнулись уздовж середино-океанічних хребтів, глибоководних жолобів та острівних дуг.

Рисунок 6.8 - Рух літосферних плит:

І - рівень моря; 2 - глибоководний жолоб; 3 - океанічна плита, занурена в мантію; 4 - вулкани; 5 - континент; 6 - мантійний матеріал, що підіймається і формує нову океанічну кору; 7 - осьова рифтова долина; 8 - вулканічний острів на серединно-океанічному хребті

На сьогодні на земній кулі виділено сім найбільших плит. До них належать плити Євразії, Північної та Південної Америки, Тихого океану Індо-Австралії, Африки та Антарктиди. Більш дрібні - Аравійська, Китайська, Амурська, Наска, Кокос та ряд інших (рис 6.9). Розміри плит варіюють у широких межах - від 1000 до 10 000 км. У склад плит входять як континенти, так і припаяні до них океанські улоговини аж до самих серединно-океанічних хребтів. Лише в деяких випадках (наприклад, у Андах) межа плит  збігається з поділом континент - океан.

Рисунок 6.9 -. Миттєва кінематика Землі (за В.М. Литвином):

І - осі серединно-океанічних хребтів; 2 - континентальні рифи; 3-5 - границі зближення плит: 3 - уздовж глибоководних жолобів, сполучених з острівними дугами; 4 - уздовж глибоководних жолобів, що оточують континенти; 5 - у межах континентів; 6 - крупні розломи; 7 - вектори, що показують напрям зміщення плит (цифри - см/рік)

Середня товщина плит в океанах складає 70 - 80 км, а на континентах - 120 - 140 км, тобто вони включають у свій склад не тільки земну кору континентального та океанічного типів, але і верхню частину астеносфери (грецьк. "астенос" – слабкий) - частину мантії, яка залягає безпосередньо під земною корою. Припускають, що якраз по пластичному астеносферному шару і відбувається переміщення плит, причому континенти рухаються не самостійно, а пасивно, разом з усією літосферною плитою. Оскільки поверхня Землі є сферою, а плити займають усю її площу, то будь-яка із плит може переміщуватись тільки взаємозв'язано з іншими плитами. Зростання площі плит у рифтових зонах компенсується зануренням їх країв. Підраховано, що уздовж серединно-океанічних хребтів щорічно утворюється близько 2,6 км нової поверхні, а в океанічних жолобах і молодих гірських поясах зникає поверхня такої ж площі.

Механізм переміщення літосферних плит пов'язують з тепловими конвективними потоками, течіями, які відбуваються в мантії через неоднаковость щільності та в'язкості речовин. Нагрітий легкий матеріал спливає під серединно-океанічними хребтами і розтікається під ними в сторони, несучи на собі плити. Якраз цим і пояснюються високий тепловий потік, вулканічна активність, сейсмічність, а також наявність розтягуючих напружень у рифтовій зоні. У зонах глибоких похилих розколів, які ідуть від глибоководних жолобів униз, краї плит захоплюються низхідними вітками конвективних потоків і проштовхуються униз для подальшого переплавлення. І тут знаходить своє пояснення високий тепловий потік, вулканізм та сейсмічність острівних дуг і глибоководних жолобів, стискаючі напруження в осередках землетрусів.

Можливими джерелами конвективної течії є такі: радіоактивність, тепло, яке виділяється при фазових перетвореннях гірських порід, гравітаційне осідання певних компонентів, наприклад, опускання заліза із мантії в ядро; тепло, яке виділяється при кристалізації заліза на межі зовнішнього та внутрішнього ядра; вплив на тверді оболонки Землі місячних та сонячних припливів.

На основі теорії тектоніки літосферних плит були складені карти реконструкції земної кори за усю вивчену історію її існування.

Припускають, що в кінці протерозойської ери (понад 500 млн. р. тому) усі протоконтиненти (грецьк. "протос" – перший) розташовувались майже на одній лінії уздовж екватора (рис. 6.10). У південній півкулі існував величезний суперматерик Гондвана (гонди - племя, яке заселяло Індостан, Вана - країна в Індії). Він об'єднував територію сучасних Бразилії, Африки, Аравії, Індії та Австралії.

Як уже зазначалось, на початку палеозою усі протоконтиненти зібрались в один суперматерик Пангею (див. рис. 6.8). Початок розпаду Пангеї відносять на кінець тріасу (180 млн. р. тому), причому у північній півкулі в результаті прояву каледонської та герцинської складчатості утворився великий континентальний масив - Лавразія (від назви р. Св. Лаврентія у Канаді та Азії). Цей материк простягнувся від Скелястих гір на заході до Верхоянського хребта на сході (рис. 6.11, а). Наприкінці мезозойської ери (кінець крейди - 70 млн. р. тому) Гондвана і Лавразія розпались на ряд окремих материків (рис. 6.11, б), а сучасних контурів материки набули уже в кайнозої (понад 60 млн. р. тому).

Реконструкція колишнього розташування материків і океанів цих останніх 150 - 200 млн. р. виконана нині з високим ступенем обгрунтованості, оскільки базується на даних вивчення не тільки материків, а й дна Світового океану. Відзначений вище успадкований характер руху крупних блоків земної кори дозволяє прогнозувати відносне розташування сучасних континентів навіть у майбутньому (рис. 6.12). Так, наприклад, при збереженні сучасних швидкостей і тенденцій переміщення материків через 50млн. років відбудеться подальше розкриття Атлантики (особливо її південної частини) та Індійського океану. Австралія значно зміститься на північ і майже упритул підійде до Індокитаю. Набагато скоротяться розміри Середземного моря, закриються Чорне та Каспійське моря.

Рисунок 6.10 - Реконструкція Землі на початку палеозою (500 млн .років тому). Мікроконтиненти:

б - Балтійський; с - Сибірський;- к – Китайський; па - Північно-Американський. Пунктирна лінія - екватор