5.8: Тектоніка плит

Тектоніка плит - це наукова теорія, яка описує масштабний рух літосфери Землі. Ця теоретична модель будується на концепції дрейфу континентів, яка була розроблена протягом перших десятиліть ХХ століття. Геонаукове співтовариство прийняло теорію після того, як концепції поширення морського дна були пізніше розроблені наприкінці 1950-х та початку 1960-х років.

Малюнок 1. Тектонічні плити світу були нанесені на карту в другій половині 20 століття.

Літосфера, яка є жорсткою зовнішньою оболонкою планети (на Землі, кора і верхня мантія), розбита на тектонічні плити. На Землі існує сім або вісім основних плит (в залежності від того, як вони визначені) і багато другорядних пластин. Там, де пластини зустрічаються, їх відносний рух визначає тип кордону; сходяться, розходяться або перетворюються. Землетруси, вулканічна активність, гірське будівництво та формування океанічних траншей відбуваються вздовж цих кордонів плит. Бічне відносне переміщення пластин зазвичай коливається від нуля до 100 мм щорічно.

Тектонічні плити складаються з океанічної літосфери і більш товстої континентальної літосфери, кожна увінчана своїм видом кори. Уздовж сходяться кордонів субдукція переносить пластини в мантію; втрачений матеріал приблизно врівноважується утворенням нової (океанічної) кори по розходяться краях шляхом поширення морського дна. Таким чином, загальна поверхня земної кулі залишається колишньою. Це передбачення тектоніки плит також називають принципом конвеєрної стрічки. Більш ранні теорії (які все ще мають деяких прихильників) пропонують поступове скорочення (скорочення) або поступове розширення земної кулі.

Тектонічні плити здатні рухатися, оскільки літосфера Землі має більшу міцність, ніж лежить в основі астеносфера. Бічні зміни щільності мантії призводять до конвекції. Вважається, що рух плити керується поєднанням руху морського дна від розкидання хребта (через зміни рельєфу та щільності кори, що призводить до різниці гравітаційних сил) та опору, з всмоктуванням вниз, у зонах субдукції. Інше пояснення полягає в різних силах, породжених обертанням земної кулі і приливними силами Сонця і Місяця. Відносна важливість кожного з цих факторів і їх зв'язок один з одним неясна, і все ще є предметом багатьох суперечок.

КЛЮЧОВІ ПРИНЦИПИ

Зовнішні шари Землі поділяються на літосферу і астеносферу. Це засновано на відмінностях вмеханічних властивостях і в способі передачі тепла. Механічно літосфера більш прохолодна і жорстка, в той час як астеносфера гарячіша і протікає легше. З точки зору тепловіддачі літосфера втрачає тепло попровідності, тоді як астеносфера також передає тепло конвекцією і має майже адіабатичний градієнт температури. Цей поділ не слід плутати з хімічним підрозділом цих самих шарів на мантію (що включає як астеносферу, так і мантійну частину літосфери) і кору: даний шматок мантії може бути частиною літосфери або астеносфери в різний час в залежності від його температури і тиску.

Ключовим принципом тектоніки плит є те, що літосфера існує як окремі і виразні тектонічні плити, які рухаються по рідинної (в'язко-пружного твердого тіла) астеносфері. Рухи пластини варіюються до типових 10—40 мм/рік (Середньоатлантичний хребет; приблизно так само швидко, як ростуть нігті), до приблизно 160 мм/рік (плита Наска; приблизно так само швидко, як росте волосся). Привідний механізм, що стоїть за цим рухом, описаний нижче.

Тектонічні літосферні плити складаються з літосферної мантії, перекритої будь-яким або обома двома типами матеріалу земної кори: океанічної кори (у старих текстах називається сіма з кремнію та магнію) та континентальної кори (сіал з кремнію та алюмінію). Середня океанічна літосфера зазвичай становить 100 км (62 милі) товщини; її товщина залежить від її віку: з плином часу вона провідно охолоджується і до її основи додається підлегла охолоджуюча мантія. Оскільки він утворюється на середньоокеанічних хребтах і поширюється назовні, тому його товщина є функцією його відстані від серединно-океанічного хребта, де він утворився. Для типової відстані, яку повинна пройти океанічна літосфера перед субдукцією, товщина варіюється від приблизно 6 км (4 миль) товщини на хребтах середини океану до більше 100 км (62 миль) у зонах субдукції; для коротших або довших відстаней товщина зони субдукції (а отже, і середня) товщина стає меншою або більше, відповідно. Континентальна літосфера зазвичай становить близько 200 км товщиною, хоча це значно варіюється між басейнами, гірськими хребтами та стабільними кратонічними інтер'єрами континентів. Два типи земної кори також відрізняються товщиною, причому континентальна кора значно товща океанічної (35 км проти 6 км).

Місце, де зустрічаються дві пластини, називається межею плити. Межі плит зазвичай пов'язані з геологічними подіями, такими як землетруси та створення топографічних особливостей, таких як гори, вулкани, хребти середнього океану та океанічні траншеї. Більшість активних вулканів у світі відбуваються уздовж кордонів плит, причому Вогняне кільце Тихоокеанської плити є найбільш активним і широко відомим сьогодні. Ці межі більш детально розглянуті нижче. Деякі вулкани трапляються в інтер'єрах плит, і вони по-різному пояснюються деформацією внутрішньої пластини та шлейфами мантії.

Як пояснювалося вище, тектонічні плити можуть включати континентальну кору або океанічну кору, і більшість плит містять і те, і інше. Наприклад, Африканська плита включає континент і частини дна Атлантичного і Індійського океанів. Відмінність океанічної кори від континентальної кори ґрунтується на їх способах формування. Океанічна кора утворюється в центрах поширення морського дна, а континентальна кора утворюється через дуговий вулканізм і нарощування терранів через тектонічні процеси, хоча деякі з цих терранів можуть містити послідовності офіолітів, які є шматочками океанічної кори, що вважаються частиною континенту при їх виході. стандартний цикл формування і поширення центрів і субдукції під континентами. Океанічна кора також щільніше континентальної кори завдяки різному складу. Океанічна кора щільніше, оскільки в ній менше кремнію і більш важких елементів («мафічних»), ніж континентальна кора («фельсик»). В результаті такої щільності розшарування океанічна кора, як правило, лежить нижче рівня моря (наприклад, більша частина Тихоокеанської плити), тоді як континентальна кора плавно проектує над рівнем моря (див. Сторінка ізостазія для пояснення цього принципу).

ВИДИ КОРДОНІВ ПЛИТ

Існують три типи кордонів плит, з четвертим, змішаним типом, що характеризується способом переміщення плит відносно один одного. Вони пов'язані з різними типами поверхневих явищ. Різні типи кордонів плит:

1. Межі перетворення (Консервативні) відбуваються там, де дві літосферні плити ковзають, або, можливо, точніше, шліфують один одного вздовж розломів перетворення, де плити не створюються і не руйнуються. Відносний рух двох пластин або синістральний (ліва сторона до спостерігача), або декстральний (права сторона до спостерігача). Розломи перетворення відбуваються через розподільний центр. Сильні землетруси можуть відбуватися вздовж розлому. Розлом Сан-Андреас в Каліфорнії є прикладом кордону перетворення, що демонструє екстральний рух.
2. Розходяться межі (конструктивні) виникають там, де дві пластини ковзають один від одного. У зонах рифту від океану до океану розходяться межі утворюються шляхом поширення морського дна, що дозволяє формувати новий океанічний басейн. Коли континент розколюється, хребет утворюється в центрі поширення, океанічний басейн розширюється, і, нарешті, площа плити збільшується, викликаючи багато невеликих вулканів та/або неглибоких землетрусів. У зонах рифту від континенту до континенту розходяться межі можуть спричинити утворення нового океанічного басейну, коли континент розколюється, поширюється, центральний розлом руйнується, а океан заповнює басейн. Активні зони середньоокеанічних хребтів (наприклад, Середньоатлантичний хребет і Східно-Тихоокеанський підйом), а також рифтинг від континенту до континенту (наприклад, Східно-Африканський рифт і долина, Червоне море) є прикладами розбіжності кордонів.
3. Конвергентні межі (руйнівні) (або активні поля) відбуваються там, де дві пластини ковзають один до одного, утворюючи або зону субдукції (одна пластина, що рухається під іншою), або континентальне зіткнення. У зонах субдукції від океану до континенту (наприклад, Західна Південна Америка та Каскадні гори на заході США) щільна океанічна літосфера занурюється під менш щільний континент. Потім землетруси простежують шлях вниз рухомої плити, коли вона спускається в астеносферу, утворюється траншея, і коли підпорядкована пластина частково тане, магма піднімається, утворюючи континентальні вулкани. У зонах субдукції від океану до океану (наприклад, гірський хребет Анд у Південній Америці, Алеутські острови, Маріанські острови та японська острівна дуга) старіша, прохолодніша, щільніша кора ковзає під менш щільною корою. Це спричиняє землетруси та глибоку траншею утворюються у формі дуги. Потім верхня мантія підпорядкованої пластини нагрівається, і магма піднімається, утворюючи вигнуті ланцюги вулканічних островів. Глибокі морські траншеї, як правило, пов'язані з зонами субдукції, а басейни, що розвиваються уздовж активної межі, часто називають «басейнами передгір'я». Субдукційна плита містить багато водних мінералів, які виділяють воду при нагріванні. Потім ця вода змушує мантію танути, виробляючи вулканізм. Закриття океанічних басейнів може відбуватися на кордоні континенту від континенту до континенту (наприклад, Гімалаї та Альпи): зіткнення мас гранітної континентальної літосфери; жодна маса не піддається; краї плит стиснуті, згорнуті, підняті вгору.
4. Прикордонні зони плит виникають там, де наслідки взаємодій неясні, а межі, як правило, відбуваються вздовж широкого поясу, недостатньо чітко визначені і можуть показувати різні типи рухів у різних епізодах.

РУШІЙНІ СИЛИ РУХУ ПЛАСТИНИ

Тектоніка плит - це в основному кінематичне явище. Вчені погоджуються з спостереженням та висновком, що пластини рухалися відносно один одного, але продовжують дискутувати щодо того, як і коли. Основним залишається питання щодо того, який геодинамічний механізм рухає пластини руху. Тут наука розходиться в різних теоріях.

Прийнято вважати, що тектонічні плити здатні рухатися через відносну щільність океанічної літосфери і відносної слабкості астеносфери. Розсіювання тепла від мантії визнано вихідним джерелом енергії, необхідної для керування тектонікою плит за допомогою конвекції або великого масштабу upwelling та doming. Нинішній погляд, хоча все ще є предметом деяких суперечок, стверджує, що, як наслідок, утворюється потужне джерело руху плит через надмірну щільність океанічної літосфери, що тоне в зонах субдукції. Коли нова кора утворюється на серединно-океанічних хребтах, ця океанічна літосфера спочатку менш щільна, ніж підстилаюча астеносфера, але з віком вона стає щільнішою, оскільки вона провідно охолоджується і потовщується. Більша щільність старої літосфери щодо підстилаючої астеносфери дозволяє їй занурюватися в глибоку мантію в зонах субдукції, забезпечуючи більшу частину рушійної сили руху плити. Слабкість астеносфери дозволяє тектонічним плитам легко рухатися до зони субдукції. Хоча субдукція вважається найсильнішою силою рушійних рухів пластин, це не може бути єдиною силою, оскільки існують такі пластини, як Північноамериканська плита, які рухаються, але ніде не піддаються. Те ж саме стосується величезної Євразійської плити. Джерела руху пластин є предметом інтенсивних досліджень і дискусій серед вчених. Одним з основних моментів є те, що кінематична картина самого руху повинна бути чітко відокремлена від можливого геодинамічного механізму, який викликається як рушійна сила спостережуваного руху, оскільки деякі закономірності можуть бути пояснені більш ніж одним механізмом. Коротше кажучи, рушійні сили, які виступають на даний момент, можна розділити на три категорії, засновані на зв'язку з рухом: пов'язане з динамікою мантії, пов'язане з гравітацією (переважно вторинні сили) та пов'язане з обертанням Землі.

Рушійні сили, пов'язані з динамікою мантії

Протягом більшої частини останньої чверті століття провідна теорія рушійної сили руху тектонічних плит передбачала великі масштаби конвекційних потоків у верхній мантії, які передаються через астеносферу. Ця теорія була запущена Артуром Холмсом і деякими попередниками в 1930-х роках і відразу була визнана рішенням для прийняття теорії, як спочатку обговорювалося в роботах Альфреда Вегенера в перші роки століття. Однак, незважаючи на своє визнання, вона довго обговорювалася в науковому співтоваристві, оскільки провідна («фіксистська») теорія все ще передбачала статичну Землю без переміщення континентів до основних проривів початку шістдесятих років.

Дво- і тривимірна візуалізація надр Землі (сейсмічна томографія) показує різний розподіл бічної щільності по всій мантії. Такі варіації щільності можуть бути матеріальними (від хімії гірських порід), мінеральними (від варіацій мінеральних структур) або тепловими (через теплове розширення і стиснення від теплової енергії). Проявом цієї різної бічної щільності є конвекція мантії від сил плавучості.

Те, як конвекція мантії прямо та опосередковано відноситься до руху плит, є питанням постійного вивчення та обговорення в геодинаміці. Якось ця енергія повинна бути перенесена в літосферу, щоб тектонічні плити рухалися. Є по суті два типи сил, які, як вважають, впливають на рух пластини: тертя і гравітація.

• Базальний опір (тертя): рух пластини, керований тертям між конвекційними потоками в астеносфері та більш жорсткою верхньою літосферою.
• Всмоктування плити (гравітація): рух плити, керований місцевими конвекційними потоками, які надають вниз тягу на плити в зонах субдукції в океанських траншеях. Всмоктування плити може відбуватися в геодинамічних умовах, коли базальні тяги продовжують діяти на плиту, коли вона занурюється в мантію (хоча, можливо, більшою мірою діють як на нижню, так і на верхню сторону плити).

Останнім часом теорія конвекції широко обговорюється, оскільки сучасні методи, засновані на 3D сейсмічної томографії, все ще не в змозі розпізнати ці передбачені великомасштабні конвекційні клітини. Тому були запропоновані альтернативні погляди:

У теорії тектоніки шлейфу, розробленої протягом 1990-х років, використовується модифікована концепція мантійних конвекційних потоків. Він стверджує, що супер шлейфи піднімаються з глибшої мантії і є драйверами або замінниками основних конвекційних клітин. Ці ідеї, які знаходять своє коріння на початку 1930-х років з так званими «фіксистичними» ідеями Європейської та Російської шкіл науки про Землю, знаходять резонанс у сучасних теоріях, які передбачають гарячі точки/шлейфи мантії, які залишаються фіксованими і з часом перекриваються океанічними та континентальними літосферними плитами. і залишають свої сліди в геологічному записі (хоча ці явища не викликаються як реальні рушійні механізми, а скоріше як модулятори). Сучасні теорії, які продовжують спиратися на старі концепції куполоподібного мантії і розглядають рухи плит як вторинні явища, виходять за рамки цієї сторінки і обговорюються в інших місцях (наприклад, на сторінці тектоніки шлейфу).

Інша теорія полягає в тому, що мантія не тече ні в клітині, ні в великих шлейфах, а скоріше як ряд каналів трохи нижче земної кори, які потім забезпечують базальне тертя в літосферу. Ця теорія під назвою «тектоніка сплеску» стала досить популярною в геофізиці та геодинаміці протягом 1980-х і 1990-х років.

Рушійні сили, пов'язані з гравітацією

Сили, пов'язані з гравітацією, зазвичай викликаються як вторинні явища в рамках більш загального рушійного механізму, такого як різні форми мантійної динаміки, описані вище.

Гравітаційне ковзання від розкинутого хребта: На думку багатьох авторів, рух плити керується більшою висотою плит на океанських хребтах. Оскільки океанічна літосфера утворюється при розкиданні хребтів з гарячого мантійного матеріалу, вона поступово остигає і потовщується з віком (і, таким чином, додає відстань від хребта). Прохолодна океанічна літосфера значно щільніше, ніж гарячий матеріал мантії, з якого вона отримана, і тому зі збільшенням товщини вона поступово вщухає в мантію, щоб компенсувати більше навантаження. В результаті виходить невеликий бічний нахил зі збільшеною відстанню від осі гребеня.

Ця сила розглядається як вторинна сила і часто згадується як «гребневий поштовх». Це неправильно, оскільки ніщо не «штовхає» горизонтально, а натяжні риси домінують уздовж хребтів. Точніше називати цей механізм гравітаційним ковзанням, оскільки змінна топографія по всій сукупності плити може значно відрізнятися, а рельєф розкидання хребтів є лише найбільш помітною особливістю. Інші механізми, що генерують цю гравітаційну вторинну силу, включають вигин випинання літосфери перед тим, як вона занурюється під сусідню плиту, яка створює чітку топографічну особливість, яка може компенсувати або, принаймні, впливати на вплив топографічних океанських хребтів та мантійних шлейфів та гарячих точок, які постулюються, щоб вплинути на нижню сторону тектонічних плит.

Slab-pull: Сучасна наукова думка полягає в тому, що астеносфера недостатньо компетентна або жорстка, щоб безпосередньо викликати рух тертям вздовж основи літосфери. Отже, тяга плити найбільш широко вважається найбільшою силою, що діє на пластини. У цьому сучасному розумінні рух плити здебільшого зумовлений вагою холодних щільних плит, що занурюються в мантію в траншеях. Останні моделі вказують на те, що відсмоктування траншеї також відіграє важливу роль. Однак, оскільки Північноамериканська плита ніде не підпорядковується, але вона знаходиться в русі представляє проблему. Те ж саме стосується африканської, євразійської та антарктичної плит.

Гравітаційне ковзання від мантійного куполоподібного: Згідно зі старими теоріями, одним із рушійних механізмів пластин є існування великих астеносфер/мантійних куполів, які викликають гравітаційне ковзання пластин літосфери від них. Це гравітаційне ковзання являє собою вторинне явище цього в основному вертикально орієнтованого механізму. Це може діяти в різних масштабах, від малого масштабу однієї острівної дуги до більшого масштабу цілого океанічного басейну.

Рушійні сили, пов'язані з обертанням Землі

Альфред Вегенер, будучи метеорологом, запропонував приливні сили та силу польоту полюса як основні рушійні механізми за континентальним дрейфом; однак ці сили вважалися занадто малими, щоб викликати континентальний рух, оскільки тоді концепція полягала в тому, що континенти оранку через океанічну кору. Тому Вегенер пізніше змінив свою позицію і стверджував, що конвекційні потоки є основною рушійною силою тектоніки плит в останньому випуску своєї книги в 1929 році.

Однак у контексті тектоніки плит (прийнятих з моменту поширення морського дна пропозиції Heezen, Hess, Dietz, Morley, Vine та Matthews (див. Нижче) протягом початку 1960-х років) океанічна кора пропонується бути в русі з континентами, що спричинило пропозиції, пов'язані з обертанням Землі, щоб бути переглянутий. У новітній літературі цими рушійними силами є:

1. Приливна тяга завдяки гравітаційній силі, яку Місяць (і Сонце) чинить на кору Землі
2. Зсувна деформація земної кулі внаслідок стиснення N-S, пов'язаного з його обертанням і модуляціями;
3. Полюсна сила польоту: екваторіальний дрейф внаслідок обертання і відцентрових ефектів: тенденція руху плит від полюсів до екватора («Полфлюхт»);
4. Ефект Коріоліса, що діє на пластини при їх переміщенні по земній кулі;
5. Глобальна деформація геоїда внаслідок малих зміщень обертального полюса по відношенню до земної кори;
6. Інші менші деформаційні ефекти земної кори обумовлені коливаннями і спіновими рухами обертання Землі в меншому часовому масштабі.

Щоб ці механізми були в цілому дійсними, систематичні зв'язки повинні існувати по всій земній кулі між орієнтацією та кінематикою деформації та географічною широтною та поздовжньою сіткою самої Землі. Як не дивно, ці систематичні дослідження відносин у другій половині ХІХ століття і першій половині ХХ століття підкреслюють прямо протилежне: що плити не зрушилися в часі, що деформаційна сітка була закріплена відносно земного екватора і осі, і що гравітаційна рушійні сили, як правило, діяли вертикально і викликали лише локальні горизонтальні рухи (так звані доплитні тектонічні, «фіксистські теорії»). Пізніші дослідження (розглянуті нижче на цій сторінці), отже, посилалися на багато зв'язків, визнаних протягом цього періоду тектоніки до плит, щоб підтримати свої теорії (див. Передбачення та огляди в роботі ван Дейка та співробітників).

З багатьох сил, розглянутих у цьому пункті, приливна сила все ще високо обговорюється і захищається як можливий принцип рушійної сили тектоніки плит. Інші сили використовуються лише в глобальних геодинамічних моделями, які не використовують концепції тектоніки плит (отже, поза обговореннями, розглянутими в цьому розділі) або пропонуються як незначні модуляції в загальній моделі тектоніки плит.

У 1973 році Джордж Мур з USGS і Р.К. Бостром представили докази загального дрейфу літосфери Землі щодо мантії. Він дійшов висновку, що приливні сили (приливне відставання або «тертя»), спричинені обертанням Землі і силами, що діють на неї Місяцем, є рушійною силою тектоніки плит. Коли Земля обертається на схід під місяцем, гравітація Місяця коли-небудь так трохи тягне поверхневий шар Землі назад на захід, як це запропонував Альфред Вегенер (див. Вище). У більш пізньому дослідженні 2006 року вчені розглянули та відстоювали ці раніше запропоновані ідеї. Нещодавно в Lovett (2006) також було запропоновано, що це спостереження може також пояснити, чому Венера і Марс не мають тектоніки плит, оскільки Венера не має Місяця, а супутники Марса занадто малі, щоб мати значний приливний вплив на планету. У недавній роботі було висловлено припущення, що, з іншого боку, можна легко помітити, що багато плит рухаються на північ і схід, і що домінуюче рух басейнів Тихого океану на захід походить просто від східного ухилу Тихоокеанського центру поширення (що не є прогнозованим проявом. таких місячних сил). Однак у цій же роботі автори визнають, що відносно нижньої мантії в рухах всіх пластин є незначна західна складова. Вони продемонстрували, хоча, що дрейф на захід, помічений лише за останні 30 Ма, пояснюється збільшенням домінування стабільно зростаючої та прискорюється Тихоокеанської плити. Дискусія все ще відкрита.

Резюме

Відповідно до інших попередніх та сучасних пропозицій, у 1912 році метеоролог Альфред Вегенер досить описав те, що він назвав дрейфом континентів, розширив у своїй книзі 1915 року «Походження материків і океанів», і почалися наукові дискусії, які закінчаться п'ятдесят років пізніше в теорії тектоніка плит. Починаючи з ідеї (також висловленої його попередниками) про те, що нинішні материки колись утворили єдину сушу (яка пізніше називалася Пангея), яка дрейфувала, тим самим звільняючи материки від мантії Землі і уподібнюючи їх «айсбергам» з граніту низької щільності, що пливуть на морі з більш щільного базальту. Підтверджуючі докази цієї ідеї виходили з голубних контурів східного узбережжя Південної Америки та західного узбережжя Африки, а також від відповідності скельних утворень уздовж цих країв. Підтвердження їх попередньої суміжної природи також прийшло від викопних рослин Glossopteris і Gangamopteris, а також терапевт або ссавець, як рептилія Lystrosaurus, всі широко поширені по Південній Америці, Африці, Антарктиді, Індії та Австралії. Свідченням такого колишнього приєднання цих континентів став патент польовим геологам, що працюють у південній півкулі. Південноафриканський Алекс дю Тойт зібрав масу такої інформації у своїй публікації 1937 року «Наші блукаючі континенти» і пішов далі, ніж Вегенер, визнаючи міцні зв'язки між фрагментами Гондвани.

Але без детальних доказів і сили, достатньої для руху, теорія не була загальноприйнятою: Земля могла мати тверду кору і мантію і рідке ядро, але, здавалося, не було ніякого способу, щоб ділянки кори могли пересуватися. Видатні вчені, такі як Гарольд Джефріс і Чарльз Шухерт, були відвертими критиками континентального дрейфу.

Незважаючи на велику опозицію, погляд на дрейф континентів знайшов підтримку і почалася жвава дискусія між «дрифтерами» або «мобілістами» (прихильниками теорії) і «фіксистами» (противниками). Протягом 1920-х, 1930-х і 1940-х років перші досягли важливих віх, припускаючи, що конвекційні течії могли керувати рухами плит, і що поширення, можливо, відбулося нижче моря в межах океанічної кори. Концепції, близькі до елементів, які зараз включені в тектоніку плит, були запропоновані геофізиками та геологами (як фіксистами, так і мобілістами), такими як Венінг-Мейнес, Холмс та Умбгроув.

Один з перших частин геофізичних доказів, який використовувався для підтримки руху літосферних плит, прийшов з палеомагнетизму. Це засновано на тому, що породи різного віку показують змінний напрямок магнітного поля, про що свідчать дослідження з середини—ХІХ ст. Магнітні північний і південний полюси змінюються через час, і, особливо важливо в палеотектонічних дослідженнях, відносне положення магнітного північного полюса змінюється через час. Спочатку, протягом першої половини ХХ століття, останнє явище пояснювалося введенням так званого «полярного блукання» (див. видиме полярне блукання), тобто передбачалося, що розташування північного полюса зміщувалося через час. Альтернативним поясненням, однак, було те, що материки перемістилися (змістилися і оберталися) щодо північного полюса, і кожен континент, по суті, показує свій «полярний шлях блукання». Наприкінці 1950-х років було успішно показано два рази, що ці дані можуть показати достовірність дрейфу континентів: Кіт Ранкорн у статті в 1956 році та Уоррен Кері на симпозіумі, що відбувся в березні 1956 року.

Друге свідчення на підтримку дрейфу континентів надійшло наприкінці 1950-х та початку 60-х років з даних про батиметрію глибоких океанських підлог та природи океанічної кори, таких як магнітні властивості та, загалом, з розвитком морської геології, що дало свідчення для асоціація морського дна, що поширюється вздовж середини океанічних хребтів та розворотів магнітного поля, опублікована між 1959 і 1963 роками Heezen, Dietz, Hess, Mason, Vine & Matthews, і Morley.

Одночасний прогрес у ранніх сейсмічних методах візуалізації в зонах Вадаті-Беніофф і навколо них уздовж траншей, що обмежують багато континентальних околиць, разом з багатьма іншими геофізичними (наприклад, гравіметричними) та геологічними спостереженнями показали, як океанічна кора може зникнути в мантії, забезпечуючи механізм збалансування розширення океанічних басейнів з укороченням по його краях.

Усі ці докази, як з дна океану, так і з континентальних околиць, дали зрозуміти приблизно в 1965 році, що дрейф материків є здійсненним, і народилася теорія тектоніки плит, яка була визначена в серії статей між 1965 і 1967 роками, з усією її надзвичайною пояснювальною та прогнозною силою. Теорія зробила революцію в науках про Землю, пояснюючи різноманітний спектр геологічних явищ та їх наслідки в інших дослідженнях, таких як палеогеографія та палеобіологія.

континентальний дрейф

Наприкінці 19 - початку 20 століть геологи припускали, що основні риси Землі були зафіксовані, і що більшість геологічних особливостей, таких як розвиток басейну та гірські хребти, можна пояснити вертикальним рухом земної кори, описаним у тому, що називається геосинклінальною теорією. Як правило, це ставилося в контексті контрактної планети Земля через втрати тепла протягом відносно короткого геологічного часу.

Малюнок 2. Альфред Вегенер в Гренландії взимку 1912—13 рр.

Ще в 1596 році було помічено, що протилежні узбережжя Атлантичного океану - або, точніше, краю континентальних шельфів - мають подібні форми і, здається, колись зібралися разом.

З того часу було запропоновано багато теорій, щоб пояснити цю очевидну взаємодоповнюваність, але припущення про тверду Землю ускладнювало прийняття цих різних пропозицій.

Відкриття радіоактивності та пов'язаних з нею нагрівальних властивостей у 1895 році спонукало до повторного вивчення видимого віку Землі. Раніше це оцінювалося за швидкістю охолодження та припущенням, що поверхня Землі випромінювалася як чорне тіло. Ці розрахунки мали на увазі, що навіть якби вона почалася при червоній спеці, Земля опустилася б до своєї теперішньої температури через кілька десятків мільйонів років. Озброївшись знаннями нового джерела тепла, вчені зрозуміли, що Земля буде набагато старше, і що її ядро ще досить гаряче, щоб бути рідким.

До 1915 року, опублікувавши першу статтю в 1912 році, Альфред Вегенер робив серйозні аргументи на користь ідеї дрейфу континентів у першому виданні «Походження континентів і океанів». У цій книзі (перевиданий у чотирьох послідовних виданнях аж до остаточного в 1936 році) він зазначив, як виглядали східне узбережжя Південної Америки та західне узбережжя Африки так, ніби вони колись були прикріплені. Вегенер не був першим, хто це зазначив (Абраам Ортеліус, Антоніо Снайдер-Пеллегріні, Едуард Суесс, Роберто Мантовані та Френк Берслі Тейлор передували йому лише кілька), але він першим взяв значні викопні та палео-топографічні та кліматологічні докази, щоб підтвердити цю просту спостереження (і було підтримано в цьому такими дослідниками, як Alex du Toit). Крім того, коли гірські верстви краю окремих континентів дуже схожі, це говорить про те, що ці породи утворилися однаково, маючи на увазі, що вони були з'єднані спочатку. Наприклад, частини Шотландії та Ірландії містять скелі, дуже схожі на ті, що зустрічаються в Ньюфаундленді та Нью-Брансвіку. Крім того, Каледонські гори Європи та частини Аппалачських гір Північної Америки дуже схожі за структурою та літологією.

Однак його ідеї не сприймалися всерйоз багатьма геологами, які вказували на відсутність видимого механізму дрейфу материків. Зокрема, вони не бачили, як континентальна скеля може орати набагато щільнішу скелю, яка становить океанічну кору. Вегенер не міг пояснити силу, яка привела до континентального дрейфу, і його віндикація настала лише після його смерті в 1930 році.

Плавучі континенти, палеомагнетизм та зони сейсмічності

Оскільки на початку спостерігалося, що, хоча граніт існував на континентах, морське дно, здавалося, складається з більш щільного базальту, переважаюча концепція протягом першої половини ХХ століття полягала в тому, що існує два типи кори, названі «сіал» (кора континентального типу) та «сіма» (кора океанічного типу). Крім того, передбачалося, що під континентами була присутня статична оболонка пластів. Тому здавалося очевидним, що шар базальту (сиалу) лежить в основі континентальних порід.

Однак, виходячи з відхилень схилу Андами в Перу, П'єр Бугер зробив висновок, що менш щільні гори повинні мати низхідну проекцію в більш щільний шар під ним. Поняття про те, що гори мали «коріння», було підтверджено Джорджем Б. Ейрі через сто років, під час вивчення гімалайської гравітації, а сейсмічні дослідження виявили відповідні варіації щільності. Тому до середини 1950-х років залишається невирішеним питання про те, чи стиснуті гірські коріння в навколишньому базальті або плавали на ньому, як айсберг.

Протягом 20 століття вдосконалення та більш широке використання сейсмічних приладів, таких як сейсмографи, дозволили вченим дізнатися, що землетруси, як правило, зосереджені в певних районах, особливо уздовж океанічних траншей та розкидання хребтів. До кінця 1920-х років сейсмологи почали визначати кілька помітних зон землетрусу паралельно траншеям, які зазвичай були нахилені на 40-60° від горизонталі і простягалися на кілька сотень кілометрів у Землю. Ці зони пізніше стали називатися зонами Вадаті-Беніофф, або просто зони Беніоффа, на честь сейсмологів, які вперше їх визнали, Кійо Вадати з Японії і Уго Беніоффа з США. Вивчення глобальної сейсмічності значно просунулося в 1960-х роках зі створенням Всесвітньої стандартизованої сейсмографної мережі (WWSSN) для контролю за дотриманням договору 1963 про заборону надземних випробувань ядерної зброї. Значно покращені дані приладів WWSSN дозволили сейсмологам точно відображати зони концентрації землетрусів у всьому світі.

Тим часом навколо явищ полярної блукання розвивалися суперечки. Починаючи з ранніх дебатів про дрейф континентів, вчені обговорювали та використовували докази того, що полярний дрейф стався через те, що континенти, здавалося, рухалися через різні кліматичні зони в минулому. Крім того, палеомагнітні дані показали, що магнітний полюс також змістився протягом часу. Міркуючи протилежним чином, материки могли зміщуватися і обертатися, тоді як полюс залишався відносно фіксованим. Перший раз докази магнітного полярного блукання були використані для підтримки рухів континентів були в роботі Кіта Ранкорна в 1956 році, а послідовні роботи його і його учнів Теда Ірвінга (який насправді був першим, хто переконався в тому, що палеомагнетизм підтримував дрейф континентів) і Кена Кар'єра.

За цим відразу ж послідував симпозіум в Тасманії в березні 1956 року. У цьому симпозіумі докази були використані в теорії розширення глобальної кори. У цій гіпотезі зміщення материків можна просто пояснити великим збільшенням розмірів Землі з моменту її утворення. Однак це було незадовільним, оскільки його прихильники не могли запропонувати переконливий механізм для значного розширення Землі. Звичайно, немає доказів того, що Місяць розширився за останні 3 мільярди років; інша робота незабаром покаже, що докази однаково підтримували дрейф континентів на земній кулі зі стабільним радіусом.

Протягом тридцятих років до кінця п'ятдесятих років роботи Венінга-Мейнеса, Холмса, Умбгроува та багатьох інших окреслили поняття, близькі або майже ідентичні сучасній теорії тектоніки плит. Зокрема, англійський геолог Артур Холмс запропонував у 1920 році, що стики плит можуть лежати під морем, а в 1928 році, що конвекційні течії всередині мантії можуть бути рушійною силою. Часто про ці внески забувають через те, що:

• У той час континентальний дрейф не був прийнятий.
• Деякі з цих ідей обговорювалися в контексті занедбаних фікстичних ідей деформуючого глобуса без континентального дрейфу або розширюється Землі.
• Вони були опубліковані під час епізоду надзвичайної політичної та економічної нестабільності, яка перешкоджала науковому спілкуванню.
• Багато з них були опубліковані європейськими вченими і спочатку не згадувалися або не дали мало заслуг у роботах про поширення морського дна, опублікованих американськими дослідниками в 1960-х роках.

Поширення та конвекція середнього океанічного хребта

У 1947 році група вчених на чолі з Морісом Юінгом, використовуючи дослідницьке судно океанографічного інституту Woods Hole Atlantis і масив приладів, підтвердила існування підйому в центральній частині Атлантичного океану, і виявила, що дно морського дна під шаром відкладень складався з базальту, а не граніту, який є головною складовою континентів. Вони також виявили, що океанічна кора була набагато тонше континентальної кори. Всі ці нові висновки викликали важливі та інтригуючі питання.

Нові дані, які були зібрані на океанічних басейнів, також показали особливі характеристики щодо батиметрії. Одним з основних результатів цих наборів даних було те, що по всій земній кулі була виявлена система середньоокеанічних хребтів. Важливим висновком стало те, що уздовж цієї системи створювалося нове дно океану, що і призвело до появи концепції «Великого глобального розлому». Це було описано у вирішальній роботі Брюса Хізена (1960), яка спровокувала б справжню революцію в мисленні. Глибоким наслідком поширення морського дна є те, що нова кора постійно створювалася вздовж океанічних хребтів. Тому Хізен виступав за так звану гіпотезу «розширюється Землі» С.Уоррена Кері (див. Вище). Отже, все ж залишилося питання: як можна безперервно додавати нову кору уздовж океанічних хребтів без збільшення розмірів Землі? Насправді це питання вирішувалося вже численними вченими протягом сорокових і п'ятдесятих років, як Артур Холмс, Венінг-Мейнес, Коутс і багато інших: кора в надлишку зникла вздовж того, що називалися океанічними траншеями, де відбувалася так звана «субдукція». Тому, коли різні вчені на початку шістдесятих почали міркувати про наявні в їх розпорядженні дані щодо дна океану, шматки теорії швидко встали на свої місця.

Це питання особливо заінтригувало Гаррі Хаммонда Гесса, геолога Прінстонського університету та контр-адмірала військово-морського резерву, та Роберта Дітца, вченого з американського узбережжя та геодезичної зйомки, який вперше придумав термін поширення морського дна. Дітц і Гесс (колишній опублікував ту саму ідею роком раніше в Nature, але пріоритет належить Гессу, який вже розповсюдив неопублікований рукопис своєї статті 1962 року до 1960 року) були серед невеликої жменьки, які дійсно розуміли широкі наслідки поширення морського дна і як це врешті-решт погодиться з нетрадиційними та неприйнятими ідеями континентального дрейфу та елегантними та мобілістичними моделями, запропонованими попередніми працівниками, такими як Холмс.

У тому ж році Роберт Коутс з Геологічної служби США описав основні особливості острівної дугосубдукції на Алеутських островах. Його папір, хоч і мало відзначена (і навіть висміяна) в той час, з тих пір називалася «насіннєвою» і «передбачливою». Насправді це насправді показує, що робота європейських вчених про острівних дугах та гірських поясах, виконана та опублікована протягом 1930-х років до 1950-х років, застосовувалася та оцінювалася також у Сполучених Штатах.

Якщо земна кора розширювалася вздовж океанічних хребтів, Гесс і Дітц міркували, як Холмс та інші перед ними, вона повинна скорочуватися в іншому місці. Гесс слідував за Heezen, припускаючи, що нова океанічна кора безперервно поширюється від хребтів у конвеєрній стрічці, подібному руху. І, використовуючи розроблені раніше мобілістичні концепції, він правильно дійшов висновку, що через багато мільйонів років океанічна кора врешті-решт спускається вздовж континентальних околиць, де утворюються океанічні траншеї - дуже глибокі, вузькі каньйони - наприклад, вздовж краю басейну Тихого океану. Важливим кроком, який зробив Гесс, було те, що конвекційні потоки будуть рушійною силою в цьому процесі, приходячи до тих же висновків, що і Холмс десятиліттями раніше, з тією лише різницею, що витончення океанської кори виконувалося за допомогою механізму Хізена поширення по хребтах. Тому Гесс дійшов висновку, що Атлантичний океан розширюється, а Тихий океан скорочується. Оскільки стара океанічна кора «споживається» в окопах (як Холмс та інші, він думав, що це було зроблено шляхом потовщення континентальної літосфери, а не, як зараз зрозуміло, підштовхуючи в більшому масштабі саму океанічну кору в мантію), нова магма піднімається і вивергається вздовж розкидання хребтів, утворюючи нова скоринка. Фактично океанічні басейни постійно «переробляються», при цьому одночасно відбувається створення нової кори та руйнування старої океанічної літосфери. Таким чином, нові мобілістичні концепції акуратно пояснили, чому Земля не стає більшою з поширенням морського дна, чому на дні океану так мало накопичується осад, і чому океанічні породи набагато молодші за континентальні породи.

Магнітна смугастість

Починаючи з 1950-х років, такі вчені, як Віктор Вак'є, використовуючи магнітні прилади (магнітометри), адаптовані з бортових пристроїв, розроблених під час Другої світової війни для виявлення підводних човнів, почали розпізнавати непарні магнітні зміни по дну океану. Цей висновок, хоча і несподіваний, не був зовсім дивним, оскільки було відомо, що базальт - багата залізом вулканічна порода, що становить дно океану - містить сильно магнітний мінерал (магнетит) і може локально спотворювати показання компаса. Це спотворення було визнано ісландськими мореплавцями ще в кінці 18 століття. Що ще важливіше, оскільки наявність магнетиту надає базальту вимірювані магнітні властивості, ці нещодавно виявлені магнітні варіації надали ще один засіб для вивчення глибокого дна океану. Коли новоутворена порода охолоджується, такі магнітні матеріали фіксували магнітне поле Землі в той час.

Малюнок 3. Магнітна смуга морського дна.

Оскільки все більше і більше морського дна було відображено протягом 1950-х років, магнітні варіації виявилися не випадковими або ізольованими явищами, а натомість виявили впізнавані закономірності. Коли ці магнітні візерунки були нанесені на широкий регіон, дно океану показало зеброподібний візерунок: одна смуга з нормальною полярністю і прилегла смуга зі зворотною полярністю. Загальна картина, визначена цими чергуються смугами нормально і зворотно поляризованої породи, стала відома як магнітна смуга, і була опублікована Роном Мейсоном і колегами в 1961 році, який не знайшов, хоча, пояснення цих даних з точки зору поширення морського дна, як Vine, Метьюз і Морлі a через кілька років.

Відкриття магнітної смуги викликало пояснення. На початку 1960-х років вчені, такі як Heezen, Hess і Dietz, почали теоретизувати, що серединно-океанічні хребти відзначають структурно слабкі зони, де дно океану розривається на дві вздовж гребеня хребта (див. Попередній абзац). Нова магма з глибин Землі легко піднімається через ці слабкі зони і врешті-решт вивергається уздовж гребеня хребтів, щоб створити нову океанічну кору. Цей процес, спочатку названий «гіпотезою конвеєрної стрічки», а пізніше названий розповсюдженням морського дна, що діє протягом багатьох мільйонів років, продовжує формувати нове дно океану по всій системі хребтів довжиною 50 000 км.

Лише через чотири роки після того, як були опубліковані карти з «зебровим малюнком» магнітних смуг, зв'язок між поширенням морського дна та цими візерунками була правильно розміщена, незалежно Лоуренсом Морлі та Фредом Вайном та Драммондом Метьюсом, у 1963 році, тепер називається гіпотезою Вайна-Метьюса-Морлі. Ця гіпотеза пов'язала ці закономірності з геомагнітними розворотами і була підтверджена кількома рядками доказів:

1. смуги симетричні навколо гребенів середньо-океанічних хребтів; у гребеня хребта або біля нього скелі дуже молоді, і вони поступово старіють далеко від гребеня хребта;
2. наймолодші породи у гребеня хребта завжди мають сучасну (нормальну) полярність;
3. смуги породи паралельно гребеню гребеня чергуються в магнітній полярності (нормально-зворотно-нормальний і т.д.), припускаючи, що вони утворилися в різні епохи, документуючи (вже відомі з незалежних досліджень) нормальні і зворотні епізоди магнітного поля Землі.

Пояснюючи як зеброподібну магнітну смугу, так і конструкцію системи хребта середнього океану, гіпотеза поширення морського дна (SFS) швидко набула перетворень і представляла собою ще один великий прогрес у розвитку теорії плит-тектоніки. Крім того, океанічна кора тепер стала цінуватися як природний «магнітний запис» історії реверсів геомагнітного поля (GMFR) магнітного поля Землі. Сьогодні великі дослідження присвячені калібруванню нормально-розворотних закономірностей в океанічній корі, з одного боку, і відомим часовим шкалам, отриманим від датування базальтових шарів в осадових послідовностях (магнітостратиграфія), з іншого, щоб досягти оцінок минулих швидкостей розповсюдження та пластини реконструкцій.

Визначення та уточнення теорії

Після всіх цих міркувань тектоніка плит (або, як її спочатку називали «Нова глобальна тектоніка») стала швидко прийнятою в науковому світі, і послідували численні роботи, які визначали поняття:

• У 1965 році Тузо Вілсон, який був промотором гіпотези поширення морського дна та дрейфу материків з самого початку додав концепцію розломів перетворення до моделі, завершуючи класи типів розломів, необхідних для того, щоб рухливість плит на земній кулі працювала.
• Симпозіум з дрейфу континентів відбувся в Королівському товаристві Лондона в 1965 році, який повинен розглядатися як офіційний початок прийняття тектоніки плит науковим співтовариством, і тези яких видаються якBlacket, Bullard & Runcorn (1965). На цьому симпозіумі Едвард Буллард і його колеги показали з комп'ютерним розрахунком, як континенти по обидва боки Атлантики найкраще підійдуть для закриття океану, який став відомий як знаменитий «Приступ Булларда».
• У 1966 році Вілсон опублікував документ, в якому йшлося про попередні тектонічні реконструкції плит, вводячи концепцію того, що зараз відомо як «цикл Вільсона».
• У 1967 році на засіданні Американського геофізичного союзу У.Джейсон Морган запропонував, щоб поверхня Землі складалася з 12 жорстких пластин, які рухаються відносно один одного.
• Через два місяці Ксав'є Ле Пішон опублікував повну модель, засновану на 6 основних плитах з їх відносними рухами, що ознаменувало остаточне прийняття науковим співтовариством тектоніки плит.
• У тому ж році Маккензі та Паркер самостійно представили модель, подібну до Моргана, використовуючи переклади та обертання на сфері для визначення рухів пластини.

НАСЛІДКИ ДЛЯ БІОГЕОГРАФІЇ

Теорія дрейфу континентів допомагає біогеографам пояснити диз'юнктний біогеографічний розподіл сучасного життя, знайденого на різних континентах, але мають подібних предків. Зокрема, це пояснює гондвананський розподіл ratites і флору Антарктики.

РЕКОНСТРУКЦІЯ ПЛИТИ

Реконструкція використовується для встановлення минулих (і майбутніх) конфігурацій плит, допомагаючи визначити форму і склад древніх суперконтинентів і забезпечуючи основу для палеогеографії.

Визначення меж пластин

Поточні межі плит визначаються їх сейсмічністю. Минулі межі плит всередині існуючих плит визначаються з різних доказів, таких як наявність офіолітів, які свідчать про зниклі океани.

Минулі рухи плити

Тектонічний рух вперше почався близько трьох мільярдів років тому.

Різні типи кількісної та напівкількісної інформації доступні для обмеження минулих рухів пластин. Геометричне прилягання між континентами, наприклад між Західною Африкою та Південною Америкою, все ще є важливою частиною реконструкції плит. Магнітні смуги забезпечують надійне керівництво щодо відносних рухів пластин, що повертаються до юрського періоду. Доріжки гарячих точок дають абсолютні реконструкції, але вони доступні лише до крейди. Старі реконструкції покладаються переважно на дані палеомагнітних полюсів, хоча вони лише обмежують широту та обертання, але не довготу. Поєднання полюсів різного віку в певній плиті для отримання видимих полярних шляхів блукання забезпечує метод порівняння рухів різних пластин через час. Додаткові докази походять від розподілу певних типів осадових порід, фаунських провінцій, показаних конкретними викопними групами, та положення орогенних поясів.

Формування та розпад континентів

Рух плит спричинив формування та розпад материків з плином часу, включаючи випадкове утворення суперконтиненту, який містить більшість або всі континенти. Суперконтинент Колумбія або Нуна утворився протягом періоду від 2000 до 1800 мільйонів років тому і розпався приблизно від 1500 до 1300 мільйонів років тому. Вважається, що суперконтинент Родінія утворився близько 1 мільярда років тому і втілив більшість або всі континенти Землі, і розпався на вісім континентів близько 600 мільйонів років тому. Пізніше вісім континентів знову зібралися в інший суперконтинент під назвою Пангея; Пангея розпалася на Лаурасію (яка стала Північною Америкою та Євразією) та Гондвану (яка стала рештою континентів).

Гімалаї, найвищий гірський хребет у світі, як вважають, утворилися в результаті зіткнення двох основних плит. Перед підйомом вони були покриті океаном Тетіс.

Галерея минулих конфігурацій

Інтерпретаційне моделювання минулого континентального руху та берегових ліній, з часом, наведеним мільйонами років тому (Ма). Для більш повної шкали зображень див Галерея континентального руху.

ПОТОЧНІ ПЛАСТИНИ

Є десятки менших тарілок, сім найбільших з яких - Аравійське, Карибське море, Хуан де Фука, Кокос, Наска, Філіппінське море і Шотландія.

Поточний рух тектонічних плит сьогодні визначається за допомогою супутникових даних дистанційного зондування, відкаліброваних за допомогою вимірювань наземних станцій.

РЕФЛЕКСІЯ ПИТАННЯ

• Яку майстерність допомагає вам розвивати цей вміст?
• Які ключові теми висвітлюються в цьому контенті?
• Як зміст цього розділу може допомогти вам продемонструвати майстерність певної майстерності?
• Які питання у вас щодо цього вмісту?

Дописувачі та атрибуція

• Template:ContribCandelaGeo