Теория тектоники плит

Литосфера Земли фрагментирована в мозаику из жестких пластин, которые скользят по астеносфере, механически слабому слою верхней мантии. Это взаимодействие, управляемое теорией тектоники плит, объясняет, почему дрейфуют континенты, почему землетрясения гремят в определенных регионах и почему вулканы извергаются вдоль определенных поясов. Процесс обусловлен конвективными течениями в мантии, где тепло от ядра Земли вызывает подъем, распространение и погружение расплавленной породы в медленном, неустанном цикле. Пластины взаимодействуют на своих границах - дивергентных, конвергентных или трансформирующих - и эти взаимодействия создали все основные особенности на поверхности планеты.

Современное понимание тектоники плит появилось в 1960-х годах, опираясь на более раннюю гипотезу Альфреда Вегенера о дрейфе континентов. В 1912 году Вегенер предположил, что континенты когда-то были объединены в единую массу суши, но он не мог объяснить механизм. Сегодня мы знаем, что литосферные плиты движутся со скоростью, сопоставимой с ростом ногтя — примерно от 2 до 15 сантиметров в год. За геологическое время эти, казалось бы, тривиальные скорости складываются в тысячи километров смещения, меняя океаны и горные пояса.

Ключевые доказательства тектоники плит включают в себя соответствующие формы континентальных береговых линий, распределение окаменелостей по разделенным массивам суши и выравнивание магнитных полос на дне океана. Для более глубокого погружения в основополагающие данные, ввод Энциклопедии Britannica на тектонике плит предлагает тщательный обзор механизмов и поддерживающих наблюдений.

Прошлые суперконтиненты и танец древней коры

Континенты, которые мы видим сегодня, являются мимолетным моментом в долгой истории сборки и распада. Геологические данные указывают на циклическую картину, в которой материки Земли периодически сливаются в один суперконтинент, только чтобы снова разорваться в цикле, который охватывает примерно 300-500 миллионов лет. Это известно как цикл Уилсона, названный в честь канадского геофизика Дж.

Самый последний суперконтинент, Пангея, образовался около 335 миллионов лет назад в каменноугольный период и начал распадаться около 175 миллионов лет назад в юрском периоде. До Пангеи существовала Родиния, которая собралась около 1,1 миллиарда лет назад и развалилась около 750 миллионов лет назад. Ещё раньше, Нуна (также называемая Колумбией) существовала примерно 1,8-1,5 миллиарда лет назад. Каждый цикл суперконтинента оставил свой отпечаток в горных породах — горных поясах, которые отмечают древние зоны столкновения, осадочных бассейнах, которые сформировались вдоль рифтинговых полей, и магнитных аномалиях, которые регистрируют палеолятты.

Распад Пангеи

Фрагментация Пангеи дает наиболее ясную картину континентального дрейфа, потому что это самое последнее и наиболее хорошо сохранившееся событие. Первоначально Пангея разделилась на две большие материки: Лауразия (которая включала современную Северную Америку, Европу и большую часть Азии) и Гондвана (Африка, Южная Америка, Антарктида, Австралия и Индийский субконтинент). Океан Тетис открылся между ними. По мере продолжения рифтинга Атлантический океан начал формироваться вдоль границы между Северной Америкой и Африкой. Это разделение продолжается сегодня: Среднеатлантический хребет продолжает производить новую океаническую кору, толкая Америку на запад и Европу/Африку на восток.

Индийский субконтинент является одним из самых драматических примеров дрейфа. Отойдя от Гондваны, он двигался на север с необычно высокой скоростью — до 15 см в год — до столкновения с евразийской плитой примерно 50 миллионов лет назад. Это столкновение создало Гималайский горный хребет и Тибетское плато, процесс, все еще активный сегодня.

Как перемещаются континенты

Континентальный дрейф — это не простое, равномерное скольжение. Пластины движутся в ответ на несколько взаимодействующих сил, а стиль движения зависит от того, является ли граница пластины расходящейся, конвергентной или трансформирующейся. Понимание этой динамики помогает ученым прогнозировать будущие конфигурации.

Мантильная конвекция

Основным двигателем движения пластин является теплодвижущаяся конвекция в мантии. Горячий, плавучий материал поднимается из глубокой мантии к поверхности, распространяясь боком под литосферой, охлаждаясь и в конце концов опускаясь вниз. Этот конвективный поток перетаскивает накладные пластины вдоль, подобно конвейерной ленте. Зоны подъема соответствуют среднеокеаническим хребтам, где образуется новая кора, а зоны понижения связаны с субдукцией, где старая кора перерабатывается в мантию.

Морской дно распространяется и Ridge Push

В середине океанических хребтов магма поднимается, чтобы заполнить разрыв, поскольку пластины расходятся, создавая свежую океаническую кору. Возвышенный хребет оказывает гравитационную силу, называемую , которая помогает оттолкнуть пластину от хребта. Охлаждение и утолщение океанической литосферы по мере ее удаления от хребта также увеличивает его плотность, в конечном итоге заставляя его погружаться в зоны субдукции. Это погружение, известное как , как полагают, является доминирующей движущей силой в тектонике плит.

Субдукция и Slab Pull

Когда океаническая плита сталкивается с континентальной или с другой океанической плитой, более плотная плита изгибается и скользит под другой в мантию. Этот процесс, субдукция, тянет за собой хвостовую пластину. Зоны субдукции ответственны за самые глубокие океанские траншеи, самые мощные землетрясения и большинство вулканических дуг Земли, включая Тихоокеанское Кольцо Огня. Тонущая плита также вызывает поток мантии, который может повлиять на плиты на расстоянии тысяч километров.

«Двигатель тектоники плит — не простая машина. Это сложное взаимодействие сил, где тяга плиты в зонах субдукции выполняет большую часть работы, в то время как толкание гребня и конвекция мантии играют вспомогательные роли». — Исследования геофизического моделирования

Будущие движения континентов

Прогнозирование положения континентов на миллионы лет в будущее включает моделирование текущих скоростей плит, распределение зон субдукции и вероятную эволюцию конвекции мантии.В то время как существует неопределенность, ученые наметили несколько вероятных сценариев на ближайшие 50-250 миллионов лет.

Атлантический океан будет раскидывать

Атлантический океан в настоящее время расширяется со скоростью около 2,5 см в год вдоль Срединно-Атлантического хребта. Это расхождение означает, что Америка отдаляется от Европы и Африки. В течение следующих 50 миллионов лет Атлантика может расшириться еще на 1250 километров. Северная Америка и Южная Америка продолжат свой западный дрейф, в то время как Европа и Африка движутся на восток относительно хребта. Карибское море и Арка Шотландии будут приспосабливаться по мере взаимодействия окружающих плит.

Средиземноморье закроется

Африканская плита сходится с евразийской плитой со скоростью примерно от 1 до 2 см в год. Средиземное море, остаток древнего океана Тетис, медленно расходуется при столкновении двух плит. Через 50 миллионов лет Средиземное море, вероятно, будет сведено к узкому, соленому остатку или полностью исчезнет, а Африка столкнется с южной Европой. Это столкновение создаст новый горный хребет, сравнимый с Гималаями, простирающийся от Испании через Италию, Грецию и на Ближний Восток. Процесс уже начался — Альпы, Апеннинские и Динарские Альпы — все продукты этого продолжающегося сжатия.

Тихий океан будет сжиматься

В то время как Атлантический океан растет, Тихий океан сокращается. Это потому, что Тихоокеанская плита субдукционируется под окружающими плитами вдоль большей части ее края, особенно вдоль западной границы, где она ныряет под Филиппинскую морскую плиту и Евразийскую плиту, и вдоль восточной границы, где потребляются плиты Хуан-де-Фука, Кокос и Наска. В течение следующих 100-200 миллионов лет Тихий океан может полностью закрыться, в результате чего Америка может вступить в контакт с Азией и Австралией. Этот сценарий, известный как гипотеза Пангеи Проксимы или Новапангеи, предполагает новый суперконтинент, собирающийся вокруг тихоокеанского бассейна.

Следующий Суперконтинент: три главных сценария

Геологи предложили три основные модели для следующего суперконтинента, каждая из которых имеет различные последствия для глобального климата и географии.Исследования, опубликованные в Nature Geoscience, подробно обсуждают эти конкурирующие гипотезы.

  • Пангея Проксима (или Пангея Ультима): В этом сценарии Атлантика продолжает расширяться, пока не образуется новая зона субдукции, в конечном итоге обращая вспять распространение и тянущая Америку обратно в Европу и Африку.Континенты будут собираться вокруг Атлантики примерно через 250 миллионов лет, образуя суперконтинент, сосредоточенный вблизи текущего местоположения экватора.
  • Амация:] Эта модель предсказывает, что Атлантика будет продолжать распространяться, пока Тихий океан закроется. Америки столкнутся с Азией и Австралией, а Северная Америка присоединится к Восточной Азии и Южной Америке, присоединившись к Антарктиде и Австралии. Амазия сформируется над Северным полюсом, что окажет драматическое влияние на глобальные климатические модели.
  • Новапангея:] Третья гипотеза предполагает, что все континенты, кроме Антарктиды, сольются вокруг Тихого океана, эффективно вывернув Тихий океан наизнанку. Америка будет мигрировать на запад, сталкиваясь с Азией, в то время как Африка и Европа продолжат на восток присоединяться к ним. Антарктида останется изолированной на Южном полюсе.

Каждый сценарий создает принципиально различное расположение суши и океана, что, в свою очередь, влияет на океанские течения, атмосферную циркуляцию и распределение жизни.Для дополнительной перспективы этих будущих географических регионов статья американского ученого о следующем суперконтиненте представляет собой четкое сравнение конкурирующих моделей.

Факторы, влияющие на будущие движения

Точный путь континентального дрейфа в течение следующих 250 миллионов лет зависит от нескольких взаимосвязанных факторов. Ученые используют численные модели, которые включают эти переменные для генерации своих прогнозов.

  • Существующие конфигурации границ плит: Текущая геометрия расходящихся, конвергентных и трансформирующих границ обеспечивает начальные условия для любой проекции.Изменения на этих границах — такие как инициирование новой зоны субдукции или прекращение распространения на гребне — могут резко изменить будущий дрейф.
  • Динамика конвекции мантии:] Узоры конвекции в мантии не являются статическими. Они развиваются в течение десятков миллионов лет по мере того, как плиты тонут и поднимаются плюмы. Суперплюмы, большие апвеллинги горячего материала мантии, могут вызывать континентальный разрыв, в то время как тонущие плиты могут стягивать пластины вместе.
  • Скорость распространения на полу:] Скорость, с которой новая океаническая кора образуется в среднем океане, влияет на скорость расхождения плит. Эти скорости могут меняться по мере развития системы хребтов, при этом некоторые хребты замедляются, а другие ускоряются.
  • Эволюция зон субдукции: Зоны субдукции могут мигрировать, блокироваться континентальной корой или инициироваться в новых местах.Поведение зон субдукции является крупнейшим источником неопределенности в долгосрочных моделях движения плит.
  • Климатические и морские обратные связи: Хотя климат и уровень моря не являются прямыми движущими силами движения плит, они влияют на распределение осадков на морском дне, что, в свою очередь, может повлиять на динамику субдукции. Более теплый климат с более высокими уровнями моря откладывается больше карбонатных осадков на дне океана, которые могут смазывать интерфейсы субдукции.

Эти факторы взаимодействуют сложным образом, делая точные прогнозы невозможными в течение примерно 50 миллионов лет. Однако общие тенденции — расширение Атлантики, сужение Тихого океана и возможная сборка нового суперконтинента — являются надежными чертами большинства моделей.

Последствия для жизни, климата и человеческой цивилизации

Будущее движение континентов будет иметь глубокие последствия для биосферы и климатической системы Земли.В то время как человеческая цивилизация, вероятно, будет давно ушла до формирования следующего суперконтинента, геологические процессы, которые разыгрываются в течение ближайших миллионов лет, будут формировать долгосрочную обитаемость планеты.

Климат и циркуляция океана

Позиции континентов контролируют пути океанских течений, которые в свою очередь распределяют тепло вокруг планеты. Закрытие Средиземноморья изменит характер циркуляции в Атлантике. Столкновение Африки с Европой заблокирует прямой обмен водой между Атлантикой и Индийским океаном, потенциально усиливая Гольфстрим или перенаправляя его. Суперконтинент будет иметь сильно континентальный климат — жаркое лето, холодные зимы и ограниченная влажность внутри — что может привести к широкому опустыниванию. Наличие большой суши на полюсе, как в сценарии Амасии, будет способствовать развитию ледяных шапок и ледниковых периодов.

Биоразнообразие и эволюция

Континентальный дрейф является основным драйвером биоразнообразия. Когда континенты разделены, изолированные линии расходятся через аллопатрическое видообразование. Когда они сталкиваются, ранее обособленная биота смешивается, вызывая конкуренцию, вымирание и возникновение новых экологических сообществ. Сборка нового суперконтинента соберет виды, которые эволюционировали в изоляции в течение сотен миллионов лет. Ожидается, что это вызовет значительное событие вымирания, подобное тому, которое произошло, когда Северная и Южная Америка соединились через Панамский перешеек три миллиона лет назад. Однако новые связи также создадут новые миграционные маршруты и возможности для адаптивного излучения.

Ресурсы и человеческая значимость

С человеческой точки зрения, продолжающееся движение континентов имеет практические последствия для энергии и минеральных ресурсов. Зоны субдукции создают условия для образования месторождений меди, золота и серебра. Поглощающие поля связаны с нефтяными бассейнами. Понимание движений плит помогает геологам определить местонахождение этих ресурсов. Для общества наиболее актуальной является оценка землетрясений и вулканической опасности - границы плит являются местом, где происходят наиболее разрушительные геологические события. Программа USGS по опасности землетрясений USGS предоставляет актуальную информацию о том, как тектоника плит связана с сейсмическим риском во всем мире.

Текущие исследования и наблюдения

Ученые продолжают совершенствовать свое понимание континентального дрейфа через комбинацию прямого измерения и моделирования. Глобальная система позиционирования (GPS) позволяет исследователям измерять движения плит с точностью до миллиметра. Сети постоянных станций GPS по всему миру отслеживают постепенное движение континентов в реальном времени. Эти измерения подтверждают, что пластины движутся в предсказанных направлениях, но также обнаруживают сложности - некоторые пластины деформируются внутри, некоторые границы сдвигаются, а некоторые регионы испытывают неожиданные переходные движения.

Помимо GPS, спутниковая лазерная дальность и очень длинная базовая интерферометрия обеспечивают независимые проверки скоростей плит. Геодезия морского дна, хотя и находится еще в зачаточном состоянии, начинает измерять деформацию непосредственно на дне океана, где расположены большинство границ плит. Эти наблюдательные достижения в сочетании с все более сложными численными моделями улучшают нашу картину того, как континенты двигались в прошлом и куда они направляются.

Для тех, кто заинтересован в отслеживании текущих движений плит, исследовательский консорциум UNAVCO поддерживает всеобъемлющую сеть геодезических инструментов и предоставляет общедоступные данные о скоростях плит в Северной Америке и Тихом океане.

Континенты в движении

Земля — динамичная планета, и ее поверхность несет шрамы и следы постоянно меняющейся географии. Континенты, которые мы признаем сегодня — Северная Америка, Южная Америка, Европа, Африка, Азия, Австралия и Антарктида — являются временными конфигурациями в долгой истории сборки и рассеивания. Те же силы, которые разорвали Пангею на части, продолжают действовать сейчас, расширяя Атлантику, сжимая Средиземное море и приводя в движение медленное, но неумолимое столкновение тектонических плит.

В течение следующих десятков-сот миллионов лет карта мира станет неузнаваемой. Атлантика может стать растянутым океаном, или она может в конечном итоге закрыться по мере того, как появится новая зона субдукции и тянет Америку обратно в Европу. Тихий океан, вероятно, сократится по мере сближения окружающих континентов. Сформируется новый суперконтинент - будь то Амазия, Пангея Проксима или Новапангея - и цикл начнется снова. Понимание этих будущих движений не только удовлетворяет глубокое человеческое любопытство о том, откуда мы пришли и куда мы идем, но и направляет нашу реакцию на геологические опасности и возможности ресурсов настоящего. Дрифтерные континенты являются свидетельством медленных, мощных сил, которые сформировали нашу планету и будут продолжать делать это долго после нашего времени.