Что такое тектоника плит?

Тектоника плит — это единая научная теория, которая объясняет крупномасштабные движения литосферы Земли — жесткой внешней оболочки, состоящей из коры и верхней мантии. Эта литосфера фрагментирована в мозаику тектонических плит, которые скользят по лежащей в основе астеносфере, частично расплавленному, пластичному слою. Теория объединяет более ранние идеи о дрейфе континентов и распространении морского дна, обеспечивая всеобъемлющую основу для понимания землетрясений, вулканов, горного строительства и эволюции поверхности Земли в течение миллионов лет.

Литосферные плиты движутся со скоростью от 1 до 10 сантиметров в год — примерно с той скоростью, с которой растут ногти. Хотя это кажется медленным в человеческих временных масштабах, кумулятивное движение в течение геологического времени радикально изменило расположение континентов и океанов. Сегодня геофизики признают около 15 основных тектонических плит, включая Тихоокеанскую плиту, Североамериканскую плиту, Евразийскую плиту, Африканскую плиту, Антарктическую плиту и Индо-Австралийскую плиту, а также многочисленные меньшие плиты, такие как плита Хуана де Фука, плита Кокоса и плита Наска.

Историческое развитие тектонической теории плит

Континентальный дрейф: семена идеи

История тектоники плит начинается с немецкого метеоролога и геофизика Альфреда Вегенера. В 1912 году Вегенер предположил, что континенты Земли когда-то были объединены в один суперконтинент, который он назвал Пангея (что означает «вся земля»). Он утверждал, что Пангея начала распадаться около 200 миллионов лет назад и что фрагменты дрейфовали до их нынешних позиций. Доказательства Вегенера были убедительными: соответствие восточного побережья Южной Америки с западным побережьем Африки, соответствие ископаемых сборок через континенты (например, Месозавр в Южной Америке и Африке), аналогичные последовательности горных пород и горных поясов, а также палеоклиматические показатели, такие как ледниковые отложения в теперь тропических регионах.

Несмотря на эти доказательства, теория Вегенера столкнулась с яростным сопротивлением. Основным препятствием было отсутствие правдоподобного механизма континентального движения. Вегенер предположил, что континенты вспахивали океаническую кору, как ледоколы, но физики быстро отвергли эту идею, потому что лежащая в основе мантия была слишком жесткой. В течение десятилетий континентальный дрейф оставался спорной и маргинальной гипотезой.

Распространение морского дна и рождение современной теории

Прорыв произошел в 1950-х и 1960-х годах с исследованием дна океана. Сонарное картирование выявило глобальную систему срединно-океанических хребтов — подводных горных цепей, где формируется новая океаническая кора. В 1960 году американский геолог Гарри Хесс предложил концепцию распространения на полу : новая литосфера создается на срединно-океанических хребтах, когда магма поднимается из мантии, охлаждается и затвердевает, толкая старую кору вбок. Этот процесс подразумевал, что дно океана постоянно перерабатывается, а старая кора погружается обратно в мантию в глубоководных траншеях.

Ключевые доказательства пришли из палеомагнетизма. Поскольку магма охлаждается в средних океанских хребтах, магнитные минералы в скале выравниваются с магнитным полем Земли. В прошлом поле много раз меняло полярность. Измеряя магнитную полосу по обе стороны хребтов, ученые обнаружили симметричные узоры — полосы зеркального изображения нормальной и обратной полярности — подтверждая, что новая кора добавлялась непрерывно. Это открытие, наряду с датировкой отложений океанического дна, затвердевало, распространяясь как реальность. К 1968 году теория тектоники плит была официально синтезирована такими учеными, как Джейсон Морган , Дан Маккензи и Ксавье Ле Пишон .

Виды границ плит

Тектонические плиты взаимодействуют на трёх основных типах границ, каждый из которых характеризуется различными геологическими процессами и особенностями.Эти границы являются местами, где происходит большинство землетрясений, извержений вулканов и горных зданий.

Расходящиеся границы

При расходящихся границах две плиты удаляются друг от друга. Это разделение позволяет магме из астеносферы подниматься и затвердевать, создавая новую литосферную кору. Дивергентные границы наиболее распространены вдоль среднеокеанических хребтов, таких как Среднеатлантический хребет. Этот подводный горный хребет проходит по центру Атлантического океана и медленно расширяет океанский бассейн со скоростью около 2,5 сантиметров в год. Там, где на суше происходит расходящаяся граница, она образует рифтовую долину, такую как Восточноафриканская рифтовая система — развивающаяся зона континентального распада, которая в конечном итоге может разделить Африку на две отдельные материки. Землетрясения на расходящихся границах обычно неглубокие и умеренные по величине, и вулканизм производит базальтовые потоки лавы.

Сходящиеся границы

Когда сталкиваются две пластины, граница сходится. Результат зависит от типа коры:

  • Океанско-континентальная конвергенция: Более плотная океаническая плита подводит под континентальную плиту, образуя глубоководную траншею (например, Перу-Чили Тренч) и линию вулканов на пересеченном континенте (например, Анды ). Этот процесс порождает мощные землетрясения и взрывной вулканизм.
  • Океанско-океаническая конвергенция: Более старые, более холодные и плотные субдукты океанической плиты под более молодой плитой, создавая дугу вулканических островов. Примеры включают Марьянские острова и Алеутские острова Аляски. Зона субдукции также производит глубокие землетрясения, как видно в Марианской впадине — самой глубокой части Мирового океана.
  • Континентально-континентальная конвергенция: Ни одна из плит не может субдукции, потому что континентальная кора слишком плавучая. Вместо этого плиты сталкиваются и смываются, образуя массивные горные хребты. Столкновение индийских и евразийских плит привело к появлению Гималаев и Тибетского плато, самой высокой и самой большой горной системы на Земле. Этот тип границы порождает мощные землетрясения, но мало вулканизма.

Преобразование границ

При границах преобразования плиты скользят горизонтально друг мимо друга. Кора не создается и не разрушается. Вместо этого движение вызывает трение, которое создает напряжение в скалах. Когда напряжение превышает силу скал, оно внезапно высвобождается как землетрясение. Разлом Сан-Андреас в Калифорнии является классическим примером — граница преобразования между Тихоокеанской плитой и Североамериканской плитой. Эта система разломов производит частые землетрясения, включая разрушительное землетрясение 1906 года в Сан-Франциско (магнитуда 7,8). Землетрясения вдоль границ преобразования имеют тенденцию быть мелкими и могут быть очень большими, но они не генерируют вулканическую активность, потому что нет плавления или субдукции.

Механизмы движения тарелок

Тектоника плит питается от внутреннего тепла Земли, которое приводит в движение конвекцию мантии и другие силы. Ученые в настоящее время признают три основных механизма, которые перемещают пластины:

Слаб тянет

Слаб тяга считается доминирующей силой, приводящей в движение пластины. По мере того, как океаническая пластина охлаждается и стареет, она становится плотнее, чем подстилающая астеносфера. В зоне субдукции плотный передний край пластины погружается в мантию, тянущую вместе с ней остальную часть пластины. Это гравитационное притяжение аналогично тому, как скатерть стягивается со стола весом, привязанным к ее краю. Чем быстрее пластина субдуктов, тем быстрее движется остальная часть пластины. Слаб тяга наиболее эффективна для пластин, имеющих длинные субдукционные плиты, такие как Тихоокеанская плита.

Ридж Толчок

В срединно-океанических хребтах новая литосфера горячая и плавучая. По мере того, как она распространяется от хребта, она охлаждается, утолщается и становится плотнее, создавая небольшой топографический наклон. Этот наклон заставляет пластину скользить вниз под действием силы тяжести — силы, называемой толчком хребта. Хотя толчок хребта менее значителен, чем тяга плиты, он способствует общему движению плит, особенно для молодой океанической коры вблизи хребта.

Мантильная конвекция

Глубоко внутри Земли мантия нагревается ядром. Горячий материал мантии поднимается к поверхности, охлаждается и опускается обратно вниз, образуя конвекционные ячейки. Эти конвективные токи оказывают сопротивление на основание литосферы, помогая стимулировать движение плит. Однако связь между конвекцией и движением плит сложна; некоторые исследователи утверждают, что конвекция в значительной степени является следствием движений плит, а не основным драйвером. Тем не менее, мантийные плюмы - узкие колонны горячей породы, поднимающиеся от границы ядра-мантии, также могут влиять на динамику плит, ослабляя литосферу и создавая горячие точки (например, цепь Гавайско-Императорская горная цепь [FLT: 1]].

Влияние тектоники плит на поверхность Земли

Постоянное движение тектонических плит формирует ландшафт планеты и приводит к широкому спектру природных явлений. Понимание этих эффектов имеет важное значение для оценки опасности, исследования ресурсов и моделирования долгосрочной эволюции Земли.

Землетрясения

Большинство землетрясений происходит вдоль границ плит из-за внезапного высвобождения накопленного напряжения. В конвергентных границах зоны субдукции генерируют крупнейшие землетрясения (события мегатрузии), такие как землетрясение Суматры-Андамана 2004 года (магнитуда 9.1), которое вызвало разрушительное цунами. Границы трансформации производят мелкие, но разрушительные землетрясения, в то время как расходящиеся границы имеют относительно низкую сейсмичность. Карты опасности землетрясений полагаются на геометрию границ плит и скорости скольжения для прогнозирования будущей активности. Геологическая служба США (USGS) [FLT: 3] обеспечивает мониторинг землетрясений в реальном времени и исследовательские ресурсы.

вулканизм

Вулканы тесно связаны с тектоникой плит. Большинство активных вулканов находятся в Огненном кольце, подковообразной зоне, окружающей Тихий океан, где происходит много зон субдукции. Субдукция приносит богатые водой минералы в мантию; вода снижает температуру плавления породы, генерируя магму, которая поднимается, чтобы сформировать вулканические дуги. Разнонаправленные границы производят эффузивные извержения вдоль срединно-океанических хребтов (в основном под водой) и в рифтовых зонах, таких как Исландия. Интраплатетные вулканы, такие как Гавайские острова, питаются мантийными плюмами. Активный вулканизм контролируется такими организациями, как Глобальная программа вулканизма Смитсоновского института.

Горный дом

Горные хребты являются в первую очередь результатом конвергентных столкновений плит. Гималаи продолжают расти, поскольку индийская плита вталкивается в Евразийскую плиту примерно на 4-5 сантиметров в год. Альпы , образованные от столкновения африканских и евразийских плит, в то время как аппалахи являются эродированными остатками гораздо более старого столкновения между Северной Америкой и Африкой во время формирования Пангеи. Горное строительство также связано с вулканическими дугами и континентальным рифтингом.

Формирование океанских бассейнов и континентов

Тектоника плит приводит к открытию и закрытию океанских бассейнов. Атлантический океан начал формироваться около 200 миллионов лет назад, когда Пангея раскололась. Тихий океан тем временем сокращается, когда окружающие плиты субдуктивны. Цикл суперконтинента — периодическое сборка и распад континентов — происходил несколько раз за историю Земли, влияя на климат, уровень моря и биологическую эволюцию. Следующий суперконтинент, иногда называемый Пангея Проксима , по прогнозам, образуется примерно через 250 миллионов лет, когда Атлантика закрывается, а Америка сталкивается с Евразией.

Реальные примеры тектоники плит в действии

Несколько знаковых мест ярко иллюстрируют процессы движения плит и их последствия:

  • Исландия:] Эта островная страна находится на среднем Атлантическом хребте, расходящейся границе. Страна разъединяется со скоростью около 2 см в год, с активным вулканизмом и геотермальной энергией, используемой для использования человеком. Национальный парк Тингвеллир демонстрирует видимую рифтовую долину, где североамериканские и евразийские плиты разделяются.
  • Япония: Расположенная на сходящейся границе Тихого океана, Филиппинского моря и евразийских плит, Япония испытывает частые землетрясения и извержения вулканов. Землетрясение Тохоку 2011 года (магнитуда 9,0) произошло вдоль зоны субдукции Японской впадины и вызвало катастрофическое цунами, которое повредило атомную станцию Фукусима Дайичи.
  • Гималаи и Тибетское плато: Продолжающееся столкновение Индии и Евразии привело к появлению самых высоких вершин в мире, включая гору Эверест. В регионе также происходят крупные землетрясения, такие как землетрясение Горкха в Непале в 2015 году (магнитуда 7,8).
  • Система разломов Сан-Андреас: Эта граница преобразования проходит через Калифорнию, разделяя штат на две тектонические плиты. Система разломов включает в себя множество сегментов, причём южная секция около Лос-Анджелеса производит самые большие потенциальные землетрясения. Геологическая служба США предоставляет подробные карты разломов и прогнозы землетрясений.
  • Восточноафриканский разлом:] Эта зарождающаяся дивергентная граница разделяет Африку по линии от Эфиопии до Мозамбика. Рифтовая долина отмечена активными вулканами (например, Килиманджаро и Ньирагонго) и глубокими озерами. Однажды разлом может создать новый океанский бассейн, отделяющий Сомалийскую плиту от Нубийской плиты.

Тектоника плит и рок-цикл

Тектоника плит тесно связана с циклом скалы. В зонах субдукции осадочные породы и океаническая кора втягиваются в мантию, где они подвергаются метаморфизму и в конечном итоге плавятся в магму. Эта магма поднимается, чтобы сформировать магматические породы (гранит и базальт) на вулканических дугах и срединно-океанических хребтах. Поднятие и эрозия обнажают эти породы, которые затем выветриваются и транспортируются в осадочные бассейны. В течение миллионов лет переработка коры через субдукцию, плавление и горное строительство приводит к долгосрочной химической дифференциации внутренней и поверхности Земли. Этот цикл также регулирует атмосферный углекислый газ через силикатное выветривание и вулканическое газирование, связывая тектонику с климатом.

Современные исследования и будущие направления

Современные исследования тектонических плит выходят далеко за пределы картографических границ. Ученые используют данные Глобальной системы позиционирования (GPS) для измерения движений плит с точностью до миллиметра, выявляя тонкие деформации и накопление деформаций. Сейсмическая томография — как КТ-сканирование недр Земли — изображает мантийные плюмы, субдукционные плиты и конвекционные узоры. Некоторые геохимики также исследуют наступление тектоники плит на Земле. Некоторые геохимики утверждают, что тектоника плит в современном стиле началась только около 3 миллиардов лет назад, в то время как другие находят доказательства горизонтального движения плит еще 4 миллиарда лет назад. Понимание происхождения тектоники плит является ключом к объяснению того, почему Земля является единственной известной планетой с активными движениями плит, и как этот процесс повлиял на эволюцию жизни и атмосферы.

Текущая работа также фокусируется на взаимодействии тектоники плит и глубокого углеродного цикла, роли воды в ослаблении зон субдукции и прогнозировании будущих сейсмических и вулканических опасностей. Международные исследовательские программы, такие как InterRidge и EarthScope инициативы, координируют усилия по лучшему пониманию динамической Земли. Для дальнейшего чтения Национальная географическая энциклопедия тектоники плит предлагает доступный обзор, а статья Британика по тектонике плит предоставляет подробные научные ссылки.

Заключение

Наука тектоники плит является фундаментальным столпом современной геологии, предлагая мощное объяснение постоянно меняющейся поверхности Земли. Понимая, как кора изменяется благодаря движению плит - в расходящихся, сходящихся и трансформирующих границах - ученые могут интерпретировать прошлые события, оценивать нынешние опасности и моделировать будущие изменения. От создания нового морского дна в срединно-океанических хребтах до столкновения континентов, строящих самые высокие горы, тектоника плит раскрывает планету в постоянном движении. По мере развития технологий наша способность наблюдать и имитировать эти процессы будет углубляться, раскрывая новые сложности о внутренней работе Земли и ее долгосрочной эволюции.