Оригинальное название: The Ever-Moving Earth

Земля под нашими ногами чувствует себя твердой и постоянной, но она находится в постоянном, медленном движении. Поверхность Земли представляет собой динамическую мозаику из огромных каменных плит, называемых тектоническими плитами. Их неустанный дрейф, управляемый теплом из глубин планеты, формирует континенты, строит горные хребты, вырезает океанские траншеи и развязывает некоторые из самых мощных событий в природе: землетрясения и извержения вулканов.

Тектоника плит является объединяющей теорией геологии, объясняющей особенности от самых высоких вершин до самых глубоких морских дно. Понимание того, как плиты движутся и взаимодействуют, является не только вопросом научного любопытства; это важно для оценки природных опасностей, изучения природных ресурсов и оценки системы, которая сформировала поверхность Земли в течение миллиардов лет. В этой статье исследуется, что такое тектонические плиты, силы, которые их движут, границы, где они взаимодействуют, и глубокие последствия их движений на планете, которую мы называем домом.

Что такое тектонические плиты?

Тектонические плиты представляют собой массивные плиты твердой породы неправильной формы, составляющие литосферу Земли — жесткий внешний слой планеты, включающий в себя кору и верхнюю часть мантии. Эти пластины слипаются вместе, как кусочки глобальной головоломки, покрывающей всю поверхность Земли. Под литосферой лежит астеносфера, слой мантии, который частично расплавлен и ведет себя как очень вязкая, медленно движущаяся жидкость. Этот полужидкий слой позволяет пластинам скользить, сталкиваться и отделяться.

Есть семь основных плит: Тихоокеанская плита, Североамериканская плита, Евразийская плита, Африканская плита, Антарктическая плита, Индо-Австралийская плита и Южноамериканская плита. Кроме того, несколько меньших плит, таких как плита Наска, плита Кокоса, Карибская плита и Аравийская плита, способствуют сложному тектоническому ландшафту. Пластины варьируются по толщине - от около 100 км под океанами до 200 км под континентами - и движутся со скоростью от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров в год, примерно с той же скоростью, как растут ногти человека.

Идея о том, что континенты когда-то были объединены, была предложена еще в 16 веке, но только в начале 20-го века Альфред Вегенер формализовал теорию континентального дрейфа. Доказательства Вегенера — ископаемые сходства, совпадение горных образований и ледниковых узоров — были убедительными, но он не мог объяснить, как перемещались континенты. Потребовалось десятилетия картирования морского дна и открытия срединно-океанических хребтов, чтобы обеспечить недостающий механизм, приводящий к современной теории тектоники плит в 1960-х годах.

Движущие силы позади движения плиты

Что питает медленное, неустанное путешествие тектонических плит? Основным двигателем является тепло от внутренней части Земли, в частности, конвекционные токи в мантии. Горячий материал поднимается из глубокой мантии к поверхности, охлаждается, а затем опускается обратно вниз, создавая непрерывный цикл, который тянет накладные пластины вдоль.

Три основные силы приводят в движение пластины:

  • Движение плиты: Доминирующая движущая сила. Когда океаническая плита встречается с другой пластиной на конвергентной границе, более плотная океаническая пластина погружается в мантию в зоне субдукции. Когда она опускается, она буквально тянет остальную часть пластины за собой. Двигатель плиты отвечает за большую часть движения плиты — до 90 процентов движущей силы в некоторых моделях.
  • Крайовый толчок:] На срединно-океанических хребтах образуется новая кора при подъеме и охлаждении магмы. Эта новая кора горячая и приподнятая. По мере охлаждения и удаления от хребта она становится плотнее и слегка опускается, создавая нежный наклон, который отталкивает пластину от хребта. Нажатие хребта вносит около 10 % силы, которая перемещает пластины.
  • Мантийное сопротивление: Вязкое сопротивление астеносферной конвекции к основанию литосферы также способствует движению плит, хотя его точная роль все еще обсуждается.

Эти силы работают вместе в самоподдерживающейся системе: субдукция охлаждает мантию и приводит в движение конвекцию, которая, в свою очередь, продолжает перерабатывать литосферу. Этот цикл действует, по крайней мере, последние 2-3 миллиарда лет истории Земли.

Типы тектонических границ плит

Большая часть действия в тектонике плит происходит на границах, где встречаются пластины. Эти границы классифицируются на три основных типа на основе относительного движения между пластинами.

1.Расходящие границы

При расходящихся границах две плиты раздвигаются друг от друга. По мере их отделения магма из мантии поднимается, чтобы заполнить пробел, охлаждается и затвердевает, образуя новую океаническую кору. Этот процесс называется распространением морского дна, и это механизм, с помощью которого океанские бассейны со временем расширяются.

Пример: Среднеатлантический хребет — классическая расходящаяся граница, проходящая по центру Атлантического океана. Он отделяет Североамериканскую плиту от Евразийской и Южноамериканскую плиту от Африканской плиты. Исландия — редкое место, где Среднеатлантический хребет поднимается над уровнем моря, позволяя посетителям ходить по границе между двумя тектоническими плитами. На суше Восточноафриканская рифтовая система является примером расходящейся границы в континентальной коре, где африканский континент медленно распадается.

2. Сходящиеся границы

Конвергентные границы образуются там, где две плиты движутся навстречу друг другу и сталкиваются. Результат зависит от типа вовлеченной коры — океанической или континентальной.

  • Океанско-континентальная конвергенция: Когда океаническая плита встречается с континентальной плитой, более плотная океаническая плита субдукция (потоки) под континентальной плитой. Этот процесс образует глубокую океанскую траншею на морском дне и вулканическую дугу на континенте. Пример: Подведение плиты Наска под Южноамериканской плитой создало Перу-Чили и Анды, цепь вулканов, которая простирается на длину континента.
  • Океанско-океаническая конвергенция: Когда две океанические плиты сходятся, более старая, более плотная пластина субдуктов под более молодой. Это создает глубокую траншею и цепь вулканических островов, известных как островная дуга.Пример: Марианская впадина, самая глубокая часть мирового океана, была сформирована субдукцией Тихоокеанской плиты под Марианской плитой. Вулканические острова Марианского архипелага лежат над зоной субдукции.
  • Континентально-континентальная конвергенция: Когда сталкиваются две континентальные плиты, ни одна из них не является достаточно плотной, чтобы покорить. Вместо этого кора сжимается и утолщается, выталкивая массивные горные хребты.Пример: Столкновение Индийской плиты с Евразийской плитой за последние 50 миллионов лет создало Гималаи, самый высокий в мире горный хребет, который продолжает расти и сегодня.

3. Преобразование границ

При границах преобразования две плиты скользят друг мимо друга горизонтально. Ни одна кора не создается и не разрушается; вместо этого движение создает напряжение, которое выделяется в виде землетрясений. Границы трансформации часто соединяют сегменты срединно-океанических хребтов или происходят в континентальной коре.

Пример:] Разлом Сан-Андреас в Калифорнии — это континентальная граница преобразования, отделяющая Тихоокеанскую плиту от Североамериканской плиты. Разлом известен крупными землетрясениями, в том числе землетрясением в Сан-Франциско 1906 года. Другим примером является Альпийский разлом в Новой Зеландии, который проходит через Южный остров и отмечает границу между Тихоокеанской плитой и Индо-Австралийской плитой.

Влияние движений тектонических плит

Движения тектонических плит оказывают глубокое и разнообразное воздействие на поверхность Земли. Некоторые эффекты постепенны и создают ландшафт в течение миллионов лет; другие являются внезапными и катастрофическими.

Землетрясения

Землетрясения являются наиболее непосредственным и разрушительным выражением движения плит. На границах плит напряжение накапливается, когда плиты пытаются пройти мимо, к или от друг друга, но удерживаются на месте трением. Когда напряжение превышает силу породы, оно ломается вдоль разлома, высвобождая энергию в виде сейсмических волн.

Тип разлома определяет характер землетрясения:

  • Разломы скольжения удара (трансформирующие границы): Пластины скользят горизонтально мимо друг друга.
  • Обычные разломы (разнонаправленные границы): Висящие стены движутся вниз относительно стенки подножия, когда плиты раздвигаются.
  • Поверхностные или обратные разломы (конвергентные границы): Висящие стены движутся вверх относительно стенки подножия, когда плиты толкаются вместе.
]

Землетрясения в зонах субдукции, такие как землетрясение в Тохоку в 2011 году у берегов Японии и землетрясение в Суматре-Андамане в 2004 году, являются одними из самых мощных из когда-либо зарегистрированных, с магнитудой более 9,0. Они также могут генерировать цунами, как обсуждалось позже. Ученые отслеживают сейсмическую активность через сети сейсмографов и используют данные для картирования зон разломов и оценки сейсмической опасности.

вулканы

Вулканическая активность тесно связана с границами плит.Большинство вулканов мира встречаются в узкой полосе, называемой Огненным кольцом, которое окружает Тихий океан и следует за границами Тихоокеанской плиты.

  • Вулканы зоны субдукции:] На сходящихся границах, где океаническая плита субдукции, вода и летучие вещества из субдукционной плиты опускают точку плавления находящейся над ней мантии, генерируя магму. Эта магма поднимается через кору, образуя взрывоопасные конусообразные вулканы.Гора Сент-Хеленс в Каскадном хребте, гора Фудзи в Японии и гора Пинатубо на Филиппинах являются классическими примерами.
  • Вулканы в зоне пролета:] На расходящихся границах магма поднимается вдоль раскидистых центров, образуя щитовые вулканы с пологими склонами.Вулканы Исландии, такие как Эйяфьяллайёкюдль, и вулканы Восточно-Африканского разлома являются примерами.
  • Вулканы горячей точки:] Не все вулканы встречаются на границах плит. Горячая точка — это шлейф аномально горячего мантийного материала, который поднимается из глубины Земли, плавя кору над ней, когда плита движется над ней. Гавайско-императорская цепь подводных гор является классическим примером: Тихоокеанская плита переместилась над стационарной горячей точкой, создав линию вулканических островов и подводных гор, которые увеличиваются в возрасте от горячей точки.

Извержения вулканов могут иметь разрушительные местные последствия, включая потоки лавы, пирокластические потоки и падение пепла, и могут повлиять на глобальный климат.Извержение вулкана Пинатубо в 1991 году выпустило большое количество диоксида серы в стратосферу, вызвав временное падение глобальной температуры около 0,5 ° C.

Горный дом

Горные хребты являются наиболее заметным долгосрочным результатом сближения плит. Процесс, известный как орогение, включает в себя рассыпание, складывание, разлом и подъем земной коры.

В континентально-континентальных столкновениях, таких как столкновение Индии с Евразией, кора утолщается и поднимается, образуя высокие, изрезанные горы. Гималаи и Тибетское плато являются наиболее драматичным примером. Анды, напротив, представляют собой вулканический горный хребет, образованный океанико-континентальной конвергенцией, где субдукция плиты Наска сжала и подняла континентальную окраину. Аппалачи, ныне эродированные и покоренные, когда-то были такими же высокими, как Гималаи, и сформировались, когда древний суперконтинент Пангея собрался.

Горообразование не ограничивается конвергентными границами. Рифтовые зоны могут также производить горы, так как кора растягивается и истончается, создавая неисправные горы. Провинция Бассейн и хребет на западе США является примером экстенсиональной тектоники, создающей ландшафт чередующихся горных хребтов и долин.

Океанские траншеи

Океанские траншеи являются самыми глубокими частями морского дна, образованными в зонах субдукции, где одна плита изгибается и погружается под другую. Траншея отмечает поверхностное выражение зоны субдукции. Марианская траншея, примерно в 11 км ниже уровня моря, является самой глубокой. Другие крупные траншеи включают в себя траншею Тонга, японскую траншею и перуано-чильский траншею. Эти среды темные, холодные и под огромным давлением, но в них находятся уникальные биологические сообщества, адаптированные к этим экстремальным условиям.

Рифт-Вэлли и континентальный раскол

Когда в континентальной коре образуется расходящаяся граница, она создает рифтовую долину — линейную впадину, где континент раздвигается на части. Восточноафриканская рифтовая система — крупнейшая активная рифтовая долина на суше, простирающаяся от Афарского треугольника в Эфиопии до Мозамбика. Если рифтинг продолжится, континент в конечном итоге расколется, и между двумя половинами сформируется новый океан. Красное море и Аденский залив — примеры рифтов, которые продвинулись до стадии распространения морского дна.

Цунами

Цунами — гигантские океанские волны, обычно вызванные подводными землетрясениями, извержениями вулканов или оползнями, связанными с тектоникой плит.Самые мощные цунами вызваны землетрясениями мегатруста в зонах субдукции, где морское дно резко поднимается или опускается — вытесняя весь столб воды над ним.

Цунами Индийского океана 2004 года, вызванное землетрясением магнитудой 9,1 у Суматры, унесло жизни более 230 000 человек в 14 странах. Цунами Тохоку 2011 года опустошило прибрежную Японию и привело к ядерной катастрофе на Фукусиме. Системы раннего предупреждения, основанные на сетях сейсмометров и океанских буев, предоставляют драгоценные минуты предупреждения для прибрежных сообществ, но скорость и мощность волн цунами делают их одной из самых смертоносных тектонических опасностей.

Цикл Уилсона: Жизненный цикл океанов

Тектоника плит не является статичной; она следует циклической схеме, известной как цикл Вильсона, названный в честь геофизика Ю. Тузо Вильсона. Цикл описывает открытие и закрытие океанских бассейнов на протяжении сотен миллионов лет:

  1. Распад: Континент начинает распадаться из-за подъёма мантии под ним, образуя рифтовую долину.
  2. Распространение морского дна: Разлом расширяется, и океаническая кора образуется, создавая новый океанский бассейн (например, Атлантический океан).
  3. Посвящение субдукции: В конце концов, океаническая кора остывает и становится достаточно плотной, чтобы субдукция находилась на сходящемся краю.
  4. Закрытие океанского бассейна:] Океанский бассейн сужается по мере сближения плит, кульминацией которого является континентальное столкновение (например, столкновение Индии с Евразией, закрывающей океан Тетис).
  5. Горное строительство: Столкновение образует суперконтинент, и цикл может начаться заново.

Самый последний суперконтинент, Пангея, образовался около 300 миллионов лет назад и начал распадаться около 200 миллионов лет назад. Современные континенты — это фрагменты Пангеи, все еще дрейфующие сегодня. Примерно через 200—300 миллионов лет нынешние океаны могут закрыться, и может собраться новый суперконтинент, иногда называемый Пангеей Ультима или Амасия.

Мониторинг движения плит

Ученые используют различные технологии для измерения и мониторинга движений тектонических плит. Эти инструменты помогают нам понять современное движение плит, оценить сейсмические и вулканические опасности и протестировать модели недр Земли.

  • Глобальная система позиционирования (GPS): Сеть стационарных станций GPS, таких как Обсерватория границы плит в Северной Америке, измеряет изменения положения на миллиметровом уровне с течением времени. Отслеживая медленный дрейф этих станций, ученые могут составить карту деформации земной коры и движения плит.
  • Интерферометрический радар с синтезированной апертурой (InSAR): Спутниковый радар обнаруживает изменения высоты земли на больших площадях. InSAR особенно полезен для картирования деформации поверхности до и после землетрясений, вулканического набухания и оседания земли.
  • Сейсмографические сети: Тысячи сейсмографов по всему миру регистрируют землетрясения.Местоположения и механизмы землетрясений определяют геометрию границ плит и систем разломов. Программа геологической службы США (USGS) по угрозам землетрясений предоставляет данные о землетрясениях в реальном времени и оценки опасности.
  • Геодезия морского дна: Инструменты, размещенные на дне океана, такие как датчики давления и устройства акустического диапазона, измеряют движение вдоль подводных разломов и зон субдукции, где происходят большинство крупных землетрясений.

Эти системы мониторинга используются в моделях опасности, которые помогают правительствам и сообществам готовиться к землетрясениям, цунами и извержениям вулканов. Например, Национальный центр предупреждения о цунами США использует данные сейсмических и морских уровней для выпуска оповещений для тихоокеанского и атлантического побережья.

Вывод: Жизнь на динамической планете

Движение тектонических плит является двигателем, который управляет эволюцией поверхности Земли. От медленного дрейфа континентов до внезапного землетрясения, тектоника плит формирует наш мир как тонким, так и захватывающим образом. Теория тектоники плит, подтвержденная десятилетиями наблюдений, является мощной основой для понимания прошлого, настоящего и будущего планеты.

Для человеческих обществ это знание глубоко практично. Оно позволяет нам находить устойчивые к землетрясениям строительные зоны, оценивать вулканические опасности, находить металлические руды и ископаемое топливо и разрабатывать системы раннего предупреждения, которые спасают жизни. По мере того, как мы продолжаем совершенствовать наши измерения и модели, мы получаем более четкую картину сил, которые формируют землю под нашими ногами. Земля не является статической стадией для жизни - это активная, развивающаяся система, и мы являемся ее свидетелями.

Для дальнейшего чтения публикация USGS «Эта динамическая Земля» предлагает всеобъемлющий обзор тектоники плит, а ресурс Nature Scitable on the Ring of Fire предоставляет подробные объяснения вулканических дуг и зон субдукции. Понимание тектоники плит заключается не только в том, чтобы оглянуться назад на историю Земли — речь идет о предвосхищении грядущих изменений.