8.2: Земна кора

Last updated

Oct 27, 2022
Save as PDF
- 8.1: Глобальна перспектива
- 8.3: Атмосфера Землі

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Цілі навчання

До кінця цього розділу ви зможете:

Позначають первинні типи гірських порід, які складають земну кору
Поясніть теорію тектоніки плит
Опишіть різницю між зонами розлому і субдукції
Опишіть взаємозв'язок між зонами розломів і гірським будівництвом
Поясніть різні види вулканічної активності, що відбуваються на Землі

Давайте тепер розглянемо зовнішні шари нашої планети більш детально. Земна кора - це динамічне місце. Виверження вулканів, ерозія і масштабні рухи материків постійно переробляють поверхню нашої планети. Геологічно наша - найактивніша планета. Багато геологічних процесів, описаних у цьому розділі, мали місце і на інших планетах, але зазвичай в далекому минулому. Деякі супутники планет-гігантів також мають вражаючі рівні активності. Наприклад, місяць Юпітера Іо має чудову кількість діючих вулканів.

склад кори

Земна кора значною мірою складається з океанічного базальту і континентального граніту. Це обидва магматичні породи, термін, який використовується для будь-якої породи, яка охолола з розплавленого стану. Вся вулканично видобута порода є магматичною (рис. $\PageIndex{1}$ ).

Два інших види гірських порід знайомі нам на Землі, хоча виявляється, що жоден з них не поширений на інших планетах. Осадові породи складаються з фрагментів магматичної породи або оболонок живих організмів, відкладених вітром або водою і скріплених між собою без танення. На Землі ці породи включають звичайні пісковики, сланці та вапняки. Метаморфічні породи утворюються, коли висока температура або тиск змінює магматичну або осадову породу фізично або хімічно (слово метаморфічний означає «змінена за формою»). Метаморфічні породи утворюються на Землі, оскільки геологічна активність переносить поверхневі породи на значні глибини, а потім повертає їх на поверхню. Без такої активності ці змінені породи не існували б на поверхні.

Існує четверта дуже важлива категорія гірських порід, яка може розповісти нам багато про ранню історію планетної системи: примітивна порода, яка значною мірою уникла хімічної модифікації нагріванням. Примітивна скеля являє собою оригінальний матеріал, з якого була зроблена планетарна система. Ніякого примітивного матеріалу на Землі не залишилося, тому що вся планета нагрівалася на початку своєї історії. Щоб знайти примітивну скелю, ми повинні шукати менші об'єкти, такі як комети, астероїди та малі планетарні супутники. Іноді ми можемо побачити примітивну скелю в зразках, які падають на Землю з цих менших об'єктів.

Блок кварциту на Землі складається з матеріалів, які пройшли всі чотири з цих станів. Починаючи як примітивний матеріал до народження Землі, він нагрівався на ранній Землі, утворюючи магматичну породу, перетворювався хімічно та переосідав (можливо, багато разів), утворюючи осадові породи, і, нарешті, змінився на кілька кілометрів нижче поверхні Землі на твердий білий метаморфічний камінь, який ми бачимо сьогодні.

Тектоніка плит

Геологія - це вивчення земної кори і процесів, які формували її поверхню протягом всієї історії. (Хоча гео - означає «пов'язані з Землею», астрономи і планетарні вчені також говорять про геологію інших планет.) Тепло, що виривається з надр, забезпечує енергію для формування гір, долин, вулканів і навіть самих материків і океанічних басейнів. Але тільки до середини ХХ століття геологам вдалося зрозуміти, як саме створюються ці форми рельєфу.

Тектоніка плит - це теорія, яка пояснює, як повільні рухи всередині мантії Землі переміщують великі сегменти земної кори, в результаті чого відбувається поступове «дрейфування» материків, а також утворення гір та інших масштабних геологічних особливостей. Тектоніка плит - це поняття, як основне для геології, оскільки еволюція шляхом природного відбору полягає в біології або гравітації полягає в розумінні орбіт планет. Дивлячись на це з іншої точки зору, тектоніка плит - це механізм для того, щоб Земля ефективно транспортувала тепло з внутрішніх приміщень, де воно накопичилося, у космос. Це система охолодження для планети. Всі планети розвивають процес теплообміну, коли вони еволюціонують; механізми можуть відрізнятися від механізмів на Землі внаслідок хімічного складу та інших обмежень.

Земна кора і верхня мантія (на глибину близько 60 кілометрів) діляться приблизно на десяток тектонічних плит, які поєднуються між собою, як шматочки головоломки (рис. $\PageIndex{2}$ ). У деяких місцях, таких як Атлантичний океан, плити розсуваються; в інших, наприклад, біля західного узбережжя Південної Америки, їх змушують разом. Потужність переміщення пластин забезпечується повільною конвекцією мантії, процесом, за допомогою якого тепло виходить з внутрішньої частини через висхідний потік більш теплого матеріалу і повільне занурення більш холодного матеріалу. (Конвекція, в якій енергія переноситься з теплої області, наприклад, надр Землі, в більш прохолодну область, наприклад, верхню мантію, - це процес, з яким ми часто стикаємося в астрономії - у зірках, а також на планетах. Це також важливо в киплячій воді для кави під час навчання на іспити з астрономії.)

Геологічна служба США надає карту недавніх землетрусів і показує межі тектонічних плит і де відбуваються землетруси по відношенню до цих кордонів. Ви можете подивитися крупним планом на Сполучених Штатах або зменшити масштаб для глобального перегляду.

Коли пластини повільно рухаються, вони натикаються один на одного і викликають різкі зміни в земній корі з часом. Чотири основні види взаємодії між пластинками кори можливі на їх кордоні: (1) вони можуть розірватися, (2) одна пластина може зариватися під іншою, (3) вони можуть ковзати поруч один з одним, або (4) вони можуть заклинити разом. Кожне з цих заходів має важливе значення при визначенні геології Землі.

Альфред Вегнер: ловля дрейфу тектоніки плит

При вивченні карт або глобусів Землі багато студентів помічають, що узбережжя Північної і Південної Америки з лише незначними коригуваннями могло досить добре вписуватися на узбережжі Європи і Африки. Здається, ніби ці великі земельні маси колись могли бути разом, а потім якось розірвані. Така ж ідея прийшла в голову іншим (включаючи Френсіса Бекона ще в 1620 році), але тільки до двадцятого століття така пропозиція може бути більш ніж спекуляцією. Вченим, який зробив справу з дрейфом материків в 1920 році, був німецький метеоролог і астроном на ім'я Альфред Вегенер (рис.).

Народився в Берліні в 1880 році, Вегенер з ранніх років був зачарований Гренландією, найбільшим у світі островом, який він мріяв дослідити. Навчався в університетах Гейдельберга, Інсбрука та Берліна, отримавши докторську ступінь з астрономії, переглянувши астрономічні таблиці тринадцятого століття. Але його інтереси все більше зверталися до Землі, особливо її погоди. Він проводив експерименти з використанням повітряних зміїв і повітряних куль, ставши настільки здійсненим, що вони з братом встановили світовий рекорд в 1906 році, пролетівши 52 години на повітряній кулі.

Вегенер вперше задумав про дрейф континентів у 1910 році, вивчаючи карту світу в атласі, але йому знадобилося 2 роки, щоб зібрати достатню кількість даних, щоб запропонувати ідею публічно. Він опублікував результати у книжковій формі в 1915 році. Докази Вегенера вийшли далеко за межі конгруентності у формах континентів. Він припустив, що подібність між скам'янілостями, знайденими лише в Південній Америці та Африці, вказувала на те, що ці два континенти були з'єднані в один час. Він також показав, що схожість між живими видами тварин на різних континентах найкраще можна пояснити, припускаючи, що континенти колись були з'єднані в суперконтиненті, який він називав Пангеєю (від грецьких елементів, що означають «вся земля»).

Пропозиція Вегенера була зустрінута ворожою реакцією з боку більшості вчених. Хоча він склав вражаючий список аргументів для своєї гіпотези, йому не вистачало механізму. Ніхто не міг пояснити, як тверді континенти можуть дрейфувати на тисячі миль. Кілька вчених були достатньо вражені роботою Вегенера, щоб продовжувати пошук додаткових доказів, але багато хто вважав поняття переміщення континентів занадто революційним, щоб сприймати серйозно. Розробка розуміння механізму (тектоніка плит) займе десятиліття подальшого прогресу в геології, океанографії та геофізиці.

Вегенер був розчарований у прийнятті його пропозиції, але він продовжив свої дослідження, і в 1924 році він був призначений спеціальним професором метеорології та геофізики, створеного спеціально для нього в Університеті Граца (де він, однак, був остракізований більшістю геологічного факультету). Через чотири роки, у своїй четвертій експедиції до коханої Гренландії, він відсвяткував свій п'ятдесятий день народження з колегами, а потім відправився пішки до іншого табору на острові. Він так і не зробив цього; його знайшли через кілька днів, мертвим від явного серцевого нападу.

Критики науки часто вказують на опір гіпотезі про дрейф континентів як приклад того недосконалого способу, яким вчені розглядають нові ідеї. (Багато людей, які просунули теорії crackpot, стверджували, що їх висміюють несправедливо, як і Вегенер.) Але ми вважаємо, що є більш позитивне світло, в якому можна переглянути історію пропозиції Вегенера. Вчені свого часу підтримували скептичне ставлення, оскільки їм потрібно було більше доказів і чіткого механізму, який би відповідав тому, що вони розуміли про природу. Після того, як докази та механізм були зрозумілі, гіпотеза Вегенера швидко стала центральним елементом нашого погляду на динамічну Землю.

Подивіться, як дрейф материків змінив зовнішній вигляд кори нашої планети.

Зони розлому та субдукції

Плити тягнуться один від одного вздовж зон рифту, таких як Середньоатлантичний хребет, що рухається вгору струмами в мантії (рис. $\PageIndex{4}$ ). На суші виявлено кілька рифтових зон. Найвідомішим є Центральноафриканський риф - область, де Африканський континент повільно розбивається. Більшість рифтових зон, однак, знаходяться в океанах. Розплавлена порода піднімається знизу, щоб заповнити простір між відступаючими плитами; ця порода - базальтова лава, вид магматичної породи, яка утворює більшість океанських басейнів.

Зі знань про те, як поширюється морське дно, ми можемо обчислити середній вік океанічної кори. Було виявлено близько 60 000 кілометрів активних розломів із середньою швидкістю відриву близько 5 сантиметрів на рік. Нова площа, що додається до Землі щороку, становить близько 2 квадратних кілометрів, достатньо, щоб оновити всю океанічну кору трохи більше ніж за 100 мільйонів років. Це дуже короткий інтервал в геологічному часі - менше 3% від віку Землі. Справжні океанічні басейни таким чином виявляються одними з наймолодших рис на нашій планеті.

У міру додавання нової кори на Землю стара кора повинна кудись піти. Коли дві пластини збираються разом, одна пластина часто змушена під іншою в тому, що називається зоною субдукції (рис. $\PageIndex{4}$ ). Загалом, товсті континентальні маси не можна підпорядкувати, але більш тонкі океанічні плити можуть бути досить легко засунуті вниз у верхню мантію. Часто зона субдукції позначена океанічною траншеєю; прекрасним прикладом цього типу ознак є глибока японська траншея вздовж узбережжя Азії. Підведена плита витісняється в області високого тиску і температури, в кінцевому підсумку плавивши кілька сотень кілометрів нижче поверхні. Його матеріал переробляється в конвекційний струм, що протікає вниз, в кінцевому підсумку врівноважуючи потік матеріалу, який піднімається вздовж зон рифту. Кількість кори, зруйнованої в зонах субдукції, приблизно дорівнює кількості, що утворюється в зонах рифту.

По всій зоні субдукції землетруси і вулкани відзначають смертельні муки плити. Деякі з найбільш руйнівних землетрусів в історії відбулися уздовж зон субдукції, включаючи землетрус в Йокогамі 1923 року і пожежу, в результаті якого загинули 100 000 людей, землетрус 2004 Суматра і цунамі, в результаті якого загинули понад 200 000 людей, і 2011 Тохоку землетрус, що призвело до краху три ядерних енергетичних реактора в Японії.

Зони розломів і гірська будівля

По більшій своїй довжині пластинки кори ковзають паралельно один одному. Ці межі плит позначені тріщинами або розломами. Уздовж активних зон розломів рух однієї пластини по відношенню до іншої становить кілька сантиметрів на рік, приблизно стільки ж, як і швидкості розкидання по перекатах.

Одним з найвідоміших розломів є розлом Сан-Андреас в Каліфорнії, який лежить на кордоні між Тихоокеанською плитою і північноамериканською плитою (рис. $\PageIndex{5}$ ). Цей розлом проходить від Каліфорнійської затоки до Тихого океану на північний захід від Сан-Франциско. Тихоокеанська плита, на захід, рухається на північ, несучи з собою Лос-Анджелес, Сан-Дієго та частини південного узбережжя Каліфорнії. Через кілька мільйонів років Лос-Анджелес може стати островом біля узбережжя Сан-Франциско.

На жаль для нас, рух по зонах розломів відбувається не плавно. Повзучий рух плит один проти одного нарощує напруги в корі, які виділяються при раптових, сильних прослизаннях, що породжують землетруси. Оскільки середній рух пластин постійний, чим довший інтервал між землетрусами, тим більше напруга і тим більше енергії виділяється, коли поверхня остаточно рухається.

Наприклад, частина розлому Сан-Андреас поблизу центрального каліфорнійського міста Паркфілд ковзала кожні 25 років або близько того протягом минулого століття, щоразу переміщаючись у середньому близько 1 метра. Навпаки, середній інтервал між великими землетрусами в регіоні Лос-Анджелеса становить близько 150 років, а середній рух - близько 7 метрів. Останній раз, коли розлом Сан-Андреас прослизнув у цьому районі, був у 1857 році; з тих пір напруга нарощувалася, і незабаром вона обов'язково буде звільнена. Чутливі інструменти, розміщені в басейні Лос-Анджелеса, показують, що басейн спотворюється і стискається в розмірах, оскільки ці величезні тиску наростають під поверхнею.

Приклад $\PageIndex{1}$ : Зони несправності та рух пластини

Після того, як вчені намалювали межі між тектонічними плитами в земній корі і виміряли річну швидкість руху плит (яка становить близько 5 см/рік), ми могли б досить багато оцінити, з якою швидкістю змінюється геологія Землі. Як приклад, припустимо, що наступне прослизання вздовж розлому Сан-Андреас на півдні Каліфорнії відбувається в 2017 році і що воно повністю знімає накопичене напруження в цьому регіоні. Скільки прослизання потрібно, щоб це сталося?

Рішення

Швидкість руху Тихоокеанської плити щодо північноамериканської плити становить 5 см/год. це 500 см (або 5 м) на століття. Останній землетрус в Південній Каліфорнії стався в 1857 році. Час з 1857 по 2017 рік - 160 у, або 1,6 століття, тому прослизання для зняття напруги повністю склало б 5 м/ст. × 1,6 століття = 8,0 м.

Вправа $\PageIndex{1}$

Якщо наступний великий землетрус у Південній Каліфорнії відбудеться в 2047 році і знімає лише половину накопиченого штаму, скільки відбудеться прослизання?

Відповідь: Різниця в часі з 1857 по 2047 рік становить 190 у, або 1,9 століття. Оскільки виділяється лише половина штаму, це еквівалентно половині річної швидкості руху. Загальне прослизання доходить до 0,5 × 5 м/ст. × 1,9 століття = 4,75 м.

Коли дві континентальні маси рухаються по ходу зіткнення, вони тиснуть один на одного під великим тиском. Земляні пряжки і складки, перетягуючи якусь скелю глибоко під поверхнею і піднімаючи інші складки на висоту в багато кілометрів. Саме таким чином утворилися багато, але не всі, гірські хребти на Землі. Альпи, наприклад, є результатом зіткнення африканської плити в Євразійську плиту. Як ми побачимо, однак, зовсім інші процеси виробляли гори на інших планетах.

Після того, як гірський хребет утворюється шляхом вдавлювання кори, його породи схильні до ерозії водою і льодом. Гострі піки і зубчасті краї мають мало спільного з силами, які роблять гори спочатку. Натомість вони є результатом процесів, які руйнують гори. Лід - особливо ефектний скульптор породи (рис. $\PageIndex{6}$ ). У світі без рухомого льоду або проточної води (наприклад, Місяця або Меркурія) гори залишаються гладкими і тьмяними.

Вулкани

Вулкани відзначають місця, де лава піднімається на поверхню. Одним із прикладів є хребти середнього океану, які представляють собою довгі підводні гірські хребти, утворені лавою, що піднімається з мантії Землі на кордоні плит. Другий великий вид вулканічної активності пов'язаний з зонами субдукції, а вулкани іноді з'являються і в регіонах, де стикаються континентальні плити. У кожному випадку вулканічна активність дає нам спосіб вибірки деякої частини матеріалу з глибше нашої планети.

Інша вулканічна активність відбувається над мантійними «гарячими точками» - ділянками, далекими від кордонів плит, де тепло все ж піднімається з надр Землі. Одна з найвідоміших гарячих точок знаходиться під островом Гаваї, де він в даний час постачає тепло для підтримки трьох діючих вулканів, два на суші і один під океаном. Гаряча точка на Гаваях працює щонайменше 100 мільйонів років. Оскільки плити Землі рухалися за цей час, гаряча точка породила ланцюг вулканічних островів довжиною 3500 кілометрів. Найвищі гавайські вулкани є одними з найбільших окремих гір на Землі, діаметром понад 100 кілометрів і піднімаються на 9 кілометрів над дном океану. Одна з гавайських вулканічних гір, нині спляча Мауна-Кеа, стала одним з великих місць у світі для проведення астрономії.

Геологічна служба США надає інтерактивну карту знаменитого «вогняного кільця», яке є ланцюгом вулканів, що оточують Тихий океан, і показує гавайську «гарячу точку», укладену всередині.

Не всі виверження вулканів виробляють гори. Якщо лава швидко тече з довгих тріщин, вона може поширитися, утворюючи лавові рівнини. Найбільші відомі земні виверження, такі як ті, що спричинили базальти річки Снейк на північному заході США або рівнини Деккан в Індії, мають такий тип. Подібні лавові рівнини зустрічаються на Місяці та інших земних планетах.

Ключові поняття та резюме

Наземні породи можна класифікувати як магматичні, осадові або метаморфічні. Четвертого типу, примітивна скеля, на Землі не зустрічається. У геології нашої планети переважає тектоніка плит, в якій плити земної кори повільно рухаються у відповідь на конвекцію мантії. Поверхневий вираз тектоніки плит включає континентальний дрейф, переробку дна океану, гірську будівлю, зони рифтів, зони субдукції, розломи, землетруси та виверження вулканів лави з внутрішніх приміщень.

Глосарій

конвекція: рух, спричинений всередині газу або рідини тенденцією більш гарячого, а отже, менш щільного матеріалу, підніматися і холодніше, щільніше матеріал занурюватися під впливом сили тяжіння, що, отже, призводить до передачі тепла

провини: в геології тріщина або розрив земної кори планети, по якій може відбуватися прослизання або рух, що супроводжується сейсмічною активністю

магматична скеля: гірська порода, що утворюється шляхом охолодження з розплавленого стану

метаморфічна порода: гірські породи, отримані шляхом фізико-хімічної зміни (без плавлення) при високій температурі і тиску

тектоніка плит: рух сегментів або пластин зовнішнього шару планети над нижньої мантії

примітивна скеля: скеля, яка не зазнала великої спеки або тиску і тому залишається представником вихідних конденсованих матеріалів із сонячної туманності

зона рифту: в геології, місце, де кора розривається внутрішніми силами, як правило, пов'язаними з закачуванням нового матеріалу з мантії і з повільним поділом тектонічних плит

осадові породи: гірська порода, утворена осадженням і цементуванням дрібних зерен матеріалу, таких як шматки магматичної породи або оболонки живих істот

субдукція: вбік і вниз руху краю пластини земної кори в мантію під іншою плитою

вулкана: місце, де матеріал з мантії планети вивергається на її поверхні