Что такое тектоника плит?

Тектоника плит выступает как объединяющая теория современной геологии, описывающая масштабное движение жестких плит, составляющих литосферу Земли. Эта структура объясняет не только распределение континентов и океанических бассейнов, но и фундаментальные процессы, лежащие в основе горообразования, вулканической активности и сейсмических событий. Литосфера, включающая в себя кору и верхнюю часть мантии, разбивается примерно на дюжину крупных плит и несколько более мелких. Эти плиты плавают и движутся по астеносфере, более горячему, более пластичному слою верхней мантии, которая пластически деформируется под давлением. Относительное движение этих плит, обусловленное внутренним теплом и гравитационными силами, непрерывно меняет поверхность планеты в течение геологических временных масштабов.

Теория возникла в 1960-х годах, опираясь на более ранние идеи, такие как дрейф континентов и распространение морского дна, и с тех пор была подтверждена обширными геофизическими, геологическими и геодезическими доказательствами. Понимание тектоники плит имеет важное значение для понимания того, почему землетрясения происходят вдоль конкретных поясов, почему в некоторых регионах находятся активные вулканы и почему самые высокие горные хребты на Земле продолжают расти. Теория также дает критическое представление о распределении природных ресурсов, включая минеральные месторождения и ископаемое топливо, которые часто сосредоточены вдоль древних границ плит.

Внутренняя структура Земли

Чтобы понять, как плиты движутся и взаимодействуют, помогает исследовать слоистую структуру Земли. Каждый слой обладает различными физическими и химическими свойствами, которые влияют на тектоническое поведение.

  • Кора: Самая внешняя твердая оболочка, толщиной от около 5 километров под океанами до 70 километров под континентальными горными хребтами. Океаническая кора относительно плотная и состоит в основном из базальта, в то время как континентальная кора менее плотная и в ней преобладают гранит и связанные с ним породы.
  • Мантия: Протяженностью около 2900 километров мантия состоит из силикатной породы, богатой железом и магнием. Самая верхняя часть вместе с корой образует литосферу. Ниже этого астеносфера частично расплавлена и может медленно течь в течение миллионов лет.
  • Внешнее ядро: Жидкий слой толщиной около 2200 километров, состоящий в основном из железа и никеля.Поток жидкого металла во внешнем ядре генерирует магнитное поле Земли.
  • Внутреннее ядро: Твердая сфера радиусом примерно 1220 километров, при экстремальном давлении и температурах, сравнимых с поверхностью Солнца.Несмотря на высокую температуру, давление удерживает железо-никелевый сплав в твёрдом состоянии.

Передача тепла от ядра и мантии приводит к конвекционным токам внутри астеносферы, которые в сочетании с гравитационными силами обеспечивают первичный источник энергии для движения плит.

Как двигаются плиты: движущие силы

Движение плиты не случайно; оно регулируется комбинацией тепловых и гравитационных механизмов.Три основные движущие силы — конвекция мантии, тяга плиты и толчок гребня.

Мантийная конвекция относится к медленной циркуляции мантийного материала, приводимого в движение теплом от ядра и радиоактивным распадом внутри самой мантии. Горячая, менее плотная порода поднимается к поверхности, в то время как более холодная, более плотная порода опускается. Эта конвекция создает силы сдвига у основания литосферы, которые помогают таскать пластины вдоль.

Слабовое притяжение считается сильнейшей силой, управляющей движением плиты. Когда океаническая плита сходится с другой пластиной, более плотная океаническая пластина погружается в мантию в зоне субдукции. Вес нисходящей плиты тянет остальную часть пластины вдоль. Слабовое притяжение составляет большую часть силы, которая перемещает тектонические плиты.

Расширение хребта происходит на средних океанических хребтах, где образуется новая океаническая кора.По мере того, как вновь образованная кора охлаждается и становится плотнее, она отклоняется от оси хребта, толкая перед собой более старую кору.Расширение хребта способствует движению плиты, хотя она, как правило, слабее, чем тяга плиты.

Эти силы действуют непрерывно, производя скорости плит, которые колеблются от нескольких миллиметров до примерно 10 сантиметров в год. За миллионы лет такое движение может сместить континенты на тысячи километров и построить горные хребты, которые достигают атмосферы.

Виды границ плит

Границы плит классифицируются по относительному движению прилегающих плит.Каждый пограничный тип связан с характерными геологическими особенностями и опасностями.

Расходящиеся границы

При расходящихся границах плиты раздвигаются друг от друга. Это разделение позволяет магме из астеносферы подниматься и затвердевать, образуя новую океаническую кору. Наиболее обширной расходящейся пограничной системой на Земле является сеть среднего океанского хребта, которая охватывает примерно 65 000 км. Среднеатлантический хребет, например, отделяет Североамериканскую плиту от Евразийской плиты и Южноамериканскую плиту от Африканской плиты. По мере распространения плит образуются рифтовые долины вдоль оси хребта, а вулканическая активность распространена, но обычно эффузивна, а не взрывоопасна.

Когда расхождение происходит внутри континента, оно может создать континентальный раскол. Восточноафриканская рифтовая система является ярким примером, где Африканская плита раскалывается на нубийскую и сомалийскую плиты. Если рифтинг продолжается, может в конечном итоге сформироваться новый океанский бассейн, как это произошло, когда Южная Америка отделилась от Африки.

Сходящиеся границы

Конвергентные границы возникают там, где сталкиваются плиты. Исход зависит от типа вовлеченной коры. Когда океаническая плита сходится с континентальной плитой, более плотная океаническая плита подводит под континентальную плиту, образуя глубокую океанскую впадину и цепь вулканических гор на континенте. Анды, созданные субдукцией плиты Наска под Южноамериканской плитой, иллюстрируют этот процесс.

Когда две океанические плиты сходятся, одна подводит под другую, образуя вулканическую островную дугу. Марианские и Алеутские острова являются примерами таких дуг. Когда две континентальные плиты сталкиваются, обе слишком плавучи, чтобы значительно субдуктивно. Вместо этого они сжимают, складывают и утолщают кору, поднимая огромные горные цепи. Столкновение Индийской плиты с Евразийской плитой создало Гималаи, самый высокий горный массив на Земле, и продолжает толкать Тибетское плато вверх.

Преобразование границ

Границы трансформации — это места, где плиты скользят горизонтально друг мимо друга. Это движение не создает и не разрушает кору, но порождает значительное трение и напряжение вдоль линий разломов. Когда накопленное напряжение превышает силу пород, внезапное скольжение высвобождает энергию в виде сейсмических волн, производя землетрясения. Разлом Сан-Андреас в Калифорнии — известная граница трансформации между Тихоокеанской плитой и Североамериканской плитой. Крупные землетрясения вдоль таких разломов представляют серьезную опасность для близлежащих популяций и инфраструктуры.

Горное строительство через тектонику плит

Горообразование, или орогение, — одно из наиболее заметных последствий тектоники плит.Механизмы различаются в зависимости от тектонической обстановки, но все основные горные хребты привязаны к конвергентным границам.

Сложенные горы

Складные горы образуются при столкновении двух континентальных плит, сжимая кору и вызывая сгибание и складывание слоев осадочных и метаморфических пород. Полученные структуры могут включать в себя антиклины, синклины и разломы тяги, которые складывают слои породы, как груду ковров. Гималаи, Альпы и Аппалачи являются классическими примерами складчатых горных поясов. Гималаи продолжают расти со скоростью около 5 миллиметров в год, когда Индийская плита продвигается на север в Евразию.

Горы блокируют разломы

Горы разлома создаются протяженными тектоническими силами, которые заставляют большие блоки коры наклоняться или подниматься вдоль нормальных разломов. Эти горы часто образуются в регионах, где растягивается кора, таких как провинция Бассейн и хребет на западе Соединенных Штатов. По мере расширения коры блоки падают вниз, образуя долины, в то время как соседние блоки поднимаются, чтобы стать горными хребтами. Диапазон Сьерра-Невада в Калифорнии является наклонной горой разлома, которая возникла в результате расширения и подъема за последние несколько миллионов лет.

Вулканические горы

Вулканические горы возникают на сходящихся границах, где субдукция обеспечивает устойчивый запас магмы. По мере того, как субдукционная плита опускается, она выпускает воду и другие летучие вещества, которые опускают температуру плавления надлежащей мантийной породы. Полученная магма поднимается через кору, питая вулканические извержения, которые строят конусы и стратовулканы. Анды, в которых находятся многочисленные активные вулканы, такие как Котопакси и Вильяррика, иллюстрируют это связанное с субдукцией горное здание. Каскадный хребет на северо-западе Тихого океана, включая гору Сент-Хеленс и гору Ренье, является еще одной крупной вулканической горной цепью, образованной субдукцией плиты Хуан-де-Фука.

Землетрясения: результат тектонической активности

Землетрясения представляют собой внезапное высвобождение энергии упругого напряжения, хранящейся в коре. Большинство землетрясений напрямую связаны с движением по разломам на границах плит, хотя внутри устойчивых континентальных интерьеров могут происходить интраплантные землетрясения.

Причины землетрясений

Основной причиной землетрясений является движение тектонических плит. При взаимодействии плит они накапливают напряжение вдоль поверхностей разлома. Когда напряжение превышает силу трения разлома, происходит разрыв, генерирующий сейсмические волны, которые излучаются наружу. Точка первоначального разрыва — гипоцентр, а расположение непосредственно над ним на поверхности — эпицентр.

Вулканическая активность также может вызвать землетрясения, часто по мере того, как магма движется по коре, разрывая породу по ее пути. Эти вулканические землетрясения обычно меньше и более локализованы, чем тектонические. Деятельность человека, такая как вызванная водохранилищем сейсмичность от крупных плотин, горнодобывающих работ и гидравлического разрыва для нефти и газа, может вызвать землетрясения, изменяя условия стресса в недрах. В то время как большинство вызванных землетрясений малы, некоторые достигли величин, которые вызывают ущерб.

Измерение землетрясений

Seismographs are instruments that detect and record ground motion caused by seismic waves. They produce seismograms that allow scientists to determine the location, magnitude, and depth of an earthquake. The Richter scale, developed in 1935, measures the amplitude of seismic waves and provides a logarithmic magnitude value. However, the moment magnitude scale (Mw) is now more commonly used because it more accurately estimates the total energy released by large earthquakes.

Интенсивность землетрясений, которая описывает воздействие на людей и структуры, оценивается с помощью шкалы интенсивности модифицированного меркалли. Эта шкала колеблется от I (не ощущается) до XII (полное разрушение) и основана на наблюдаемом ущербе и восприятии человеком.

Сейсмические опасности и заметные зоны

Тихоокеанское огненное кольцо, подковообразный регион, окружающий Тихий океан, является самой сейсмически активной зоной на Земле. В нем находится около 90% землетрясений в мире и 75% активных вулканов. Зоны субдукции вдоль Огненного кольца, такие как у берегов Японии, Чили и Индонезии, генерируют одни из самых больших землетрясений, когда-либо зарегистрированных. Землетрясение Тохоку 2011 года (Mw 9,1) в Японии и землетрясение Вальдивии 1960 года (Mw 9,5) в Чили являются примерами мегатравм, которые вызвали разрушительные цунами.

Другие значительные сейсмические зоны включают пояс Альпийско-Гималайский, который простирается от Средиземного моря через Турцию, Иран и Гималаи в Юго-Восточную Азию. Этот регион испытывает частые землетрясения из-за продолжающегося континентального столкновения. Понимание распределения сейсмических зон помогает сообществам и правительствам подготовиться к будущим событиям.

Влияние тектоники плит на человеческую жизнь

Тектоника плит влияет почти на все аспекты физической среды, в которой живут люди. От распределения природных ресурсов до возникновения стихийных бедствий движение плит формировало цивилизации на протяжении всей истории.

Природные ресурсы

Тектонические процессы концентрируют ценные минералы и энергетические ресурсы. Зоны субдукции и конвергентные границы производят магму, которая охлаждается, образуя медные, золотые и серебряные месторождения. Тихоокеанское огненное кольцо является основным источником этих металлов. Гидротермальные жерла в средних океанских хребтах отлагают сульфиды металлов, которые могут стать будущими целями добычи. Осадочные бассейны, образованные тектоническим оседанием, содержат запасы нефти и природного газа, такие как на Ближнем Востоке и в Мексиканском заливе. Геотермальная энергия, используемая для электричества и отопления, наиболее доступна в тектонически активных регионах, где горячие породы и жидкости лежат близко к поверхности.

Готовность к стихийным бедствиям

Поскольку границы плит концентрируют сейсмические и вулканические опасности, сообщества в этих регионах должны осуществлять надежные меры готовности. Эффективные стратегии включают в себя общественные образовательные кампании, которые учат бросать, покрывать и удерживать во время землетрясений; строгие строительные нормы, которые требуют от структур сопротивления боковым силам; и укрепление критической инфраструктуры, такой как мосты, больницы и электростанции. Передовая система раннего предупреждения Японии, которая обнаруживает начальные Р-волны до того, как прибывают более разрушительные S-волны, обеспечивает ценные секунды для людей, чтобы принять защитные меры. Система предупреждения о цунами в Чили также спасла жизни после крупных землетрясений в зоне субдукции. Для вулканических опасностей сети мониторинга, которые отслеживают выбросы газа, деформацию почвы и сейсмическую активность, позволяют ученым своевременно выдавать предупреждения и информировать планы эвакуации.

Пейзаж и климат

На более длительных временных масштабах тектоника плит формирует климат, изменяя океанские течения, атмосферную циркуляцию и распределение суши и моря.Подъем Гималаев, например, усилил азиатскую муссоновую систему и способствовал долгосрочному охлаждению глобального климата за счет увеличения силикатного выветривания, которое вытягивает углекислый газ из атмосферы. Открытие и закрытие океанских шлюзов, таких как Панамский перешеек и Гибралтарский пролив, перенаправили океанские течения и повлияли на климатические модели по полушариям.

Заключение

Тектоника плит обеспечивает всеобъемлющую основу для понимания динамической Земли. Движение литосферных плит, приводимое в движение конвекцией мантии, тягой плит и толчком хребта, производит широкий спектр геологических явлений, включая горообразование, извержения вулканов и землетрясения. Изучая процессы на расходящихся, сходящихся и трансформирующих границах, ученые могут объяснить распределение континентальных особенностей, таких как Гималаи, Анды и Тихоокеанское кольцо огня. Землетрясения, будучи разрушительными, являются естественным следствием накопления стресса и высвобождения вдоль разломов, а их изучение с помощью сейсмологии позволяет лучше оценивать опасность и готовность.

Влияние тектоники плит выходит за рамки геологии в разведку ресурсов, снижение риска бедствий и даже климатологию. По мере того, как популяции продолжают расти в тектонически активных регионах, понимание этих сил становится все более важным для построения устойчивых сообществ. Продолжающиеся исследования с использованием измерений GPS, сейсмической томографии и численного моделирования продолжают совершенствовать наши знания о поведении плит, предлагая новое понимание процессов, которые сформировали Землю в течение миллиардов лет и будут продолжать делать это до сих пор в будущем.