Модель внутреннего строения Земли

Индивидуальное лицо планеты во многом определяется внутренними факторами, возникающими в её глубинных недрах. В современном представлении Земля – это сложный многослойный объект. Каждый из слоёв имеет достаточно сложную структуру, которая изучается различными геофизическими методами.

Для исследования глубин планеты используются сверхглубокие скважины, такие как Лесото в Южной Африке, российская глубочайшая скважина в мире (12 262м) на Кольском полуострове, Сааблинская (8 324м) на территории Азербайджана, Оберпфальц (9 000м) в Баварии. Но основная информация о внутреннем строении Земли получена в результате исследований сейсмических волн, возникающих при землетрясениях и мощных взрывах.

Каждый час в различных точках Земли регистрируется около 10 колебаний земной поверхности. Смещения земной поверхности регистрируются сейсмографами, установленными по всему земному шару.

Внутреннее строение Земли и всех планет земной группы описывается трёхслойной моделью: ядро, мантия, кора. Для тех небесных тел, которые изучены лучше других (Земля, Луна) эта схема немного усложняется. Различают внутреннее и внешнее ядро, нижнюю и верхнюю мантию (рис.1.30).

Земная кора представляет собой верхнюю твёрдую оболочку Земли и имеет сложный рельеф. В рельефе суши различают горные системы, плоскогорья и равнины, а также подчинённые им формы. Земная кора – это продукт дифференциации вещества мантии, то есть разделения этого вещества по плотности. Более легкоплавкое и менее плотное вещество, в соответствии с законом Архимеда, всплывало сквозь толщу мантии иногда по межмолекулярным

 

Рис.1.30. Модель внутреннего строения Земли

 

промежуткам, а иногда по трещинам, образовавшимся между отдельными блоками.

Толщина земной коры (внешней оболочки) изменяется от нескольких километров (в океанических областях) до нескольких десятков километров (в горных районах материков). На долю сферы земной коры приходится всего 0,5% общей массы планеты. В качестве среднего показателя для всей планеты толщина земной коры принята равной 33км, а среднее значение плотности составляет 2,67г/см3. Такая толщина может показаться значительной, но по сравнению со средним радиусом Земли земная кора напоминает скорее скорлупу яйца.

В составе вещества земной коры выявлено 89 из 105 элементов периодической системы Менделеева. Химические элементы земной коры образуют природные химические соединения – минералы, а те, в свою очередь, путём химического или чаще механического соединения – горные породы.

Основной состав коры - это окислы кремния, алюминия, железа и щелочных металлов. В составе континентальной коры, содержащей под осадочным слоем верхний (гранитный) и нижний (базальтовый) слои, встречаются наиболее древние породы Земли, возраст которых оценивается более чем в 3 млрд. лет. Океаническая кора под осадочным слоем содержит в основном один слой, близкий по составу к базальтовым. Возраст осадочного чехла не превышает 100-150 млн. лет.

Образование земной коры продолжается и в настоящее время. Так, океаническая кора формируется в рифтовых и разломных зонах срединно-океанических хребтов, а континентальная – в зонах перехода от океана к континенту. Островные дуги по периферии океанов – это фрагменты сформировавшейся континентальной земной коры. Не следует думать, что вся континентальная кора находится ниже уровня Мирового океана. Так, вся шельфовая зона и верхняя часть континентального склона – это материк, прослеживающийся под уровнем моря.

В теории геологической эволюции Земли появились новые идеи о роли подземной гидросферы в образовании и динамике земной коры. Появилась гипотеза о существовании дренажной оболочки в земной коре (С.М. Григорьев, 1971г.). По этой гипотезе водный раствор, всё глубже проникая в недра Земли, поступает в слой, температура которого превышает температурный предел существования его в жидком состоянии, и превращается в пар. Пар, поднимаясь, постепенно охлаждается и в верхних слоях земной коры конденсируется в воду. Вода тут же образует растворы и начинает просачиваться вниз, чтобы в недрах земной коры превратиться в пар и снова начать восходящее движение. Две границы, на которых вода претерпевает превращения, заключают внутри себя дренажную оболочку нашей планеты. Вода в дренажной оболочке присутствует всюду и перемещается не только по вертикали, но и по горизонтали. При этом подземная гидросфера совершает огромную работу. Вниз она несёт хорошо растворимые в воде вещества, вверх – летучие вещества. Планетарный кругооборот подземной гидросферы должен проявиться в долгопериодических и вековых изменениях поля силы тяжести Земли.

От нижележащей мантии земную кору отделяет слой Мохо (поверхность Мохоровичича), названный так в честь сербского сейсмолога Мохоровичича, открывшего его в 1909г. на глубине около 35км. В этом слое скорость распространения сейсмических волн скачкообразно увеличивается. Эту границу стали считать границей земной коры или границей Мохо. В океане она расположена ближе к поверхности Земли на глубине 10-15к, в горных районах она уходит вглубь до 50-80км.

Слой мантии простирается от основания земной коры на глубину 2900км. Мантия разделена на два участка: верхняя мантия от основания земной коры до 1000км и нижняя мантия от этой глубины до границы ядра.

На долю мантии приходится около 67% общей массы планеты. Твёрдый слой верхней мантии, распространяющийся до различных глубин под океанами и континентами, совместно с земной корой называют литосферой – самой жёсткой оболочкой Земли. Она отличается своей способностью выдерживать большие поверхностные нагрузки без прогибания.

Под ней находится слой, менее вязкий и более пластичный по отношению к выше и ниже лежащим слоям, который называют астеносферой («астенос» по-гречески мягкий). Температура астеносферы близка к точке плавления, поэтому астеносфера не такая прочная и со временем деформируется под воздействием прилагаемых сил. В астеносферном слое располагаются первичные очаги вулканизма и проявляются процессы, приводящие к тектоническим движениям в земной коре. Поэтому для мониторинга и прогноза вулканических и сейсмических проявлений важно знать глубину астеносферы и её соотношение с вышележащей литосферой.

Следующий слой называется мезосферой. Мезосфера более прочная, чем астеносфера, но более вязкая, чем литосфера. Мезосфера простирается до ядра и таким образом включает большую часть мантии. Считается, что вещество мантии находится в непрерывном движении и что в относительно глубоких слоях мантии с ростом температуры и давления происходит переход вещества в более плотные модификации.

В нижней мантии на глубине 2900км отмечается резкий скачок плотности, что указывает на смену вещественного состава пород. Это внешняя граница ядра Земли.

В 1906г. было доказано, что Земля имеет центральное ядро, а в 1914г. удалось определить глубину его залегания (2885км). Центральная геосфера Земли, её ядро, занимает около 17% объёма Земли и составляет 34% её массы. Его разделяют на две отдельные области: жидкую (внешнее ядро) и твёрдую (внутреннее ядро). Переход между ними лежит на глубине 5156км. Существование твёрдого внутреннего ядра Земли обнаружила в 1936г. датский сейсмолог Инге Леманн, указав, что оно расположено на глубине около 5000м.

По современным данным, внешнее ядро представляет собой вращающиеся потоки расплавленного железа и никеля, хорошо проводящие электричество. Именно с ним связывают происхождение земного магнитного поля, считая, что электрические токи, текущие в жидком ядре, создают глобальное магнитное поле. Слой мантии, находящийся в соприкосновении с внешним ядром, испытывает его влияние, поскольку температура в ядре выше, чем в мантии. Температура внешнего ядра меняется от 10 000°К до 1700°К на границе с мантией.

 

Таблица 6

Геосфера Глубина, км Состояние
Кора 10-70 Твёрдое
Мантия верхняя Полужидкое
Мантия нижняя 1000-2900 Твёрдое
Ядро внешнее 2900-5270 Жидкое
Ядро внутреннее 5270-6370 Твёрдое

 

Внутреннее ядро (иногда его называют субядром) радиусом 1 200км не связано с мантией. Полагают, что его твёрдое состояние, несмотря на высокую температуру, обеспечивается гигантским давлением в центре Земли. Расчёты показывают, что в земном ядре давление может достигать 3 млн. атмосфер. При таком давлении многие вещества как бы металлизируются.

 

Рис. 1.31. Химический состав Земли

 

Существует даже гипотеза, что ядро Земли состоит из металлического водорода. Температура ядра достигает 10 000°К на границе внешнего и внутреннего ядра (больше, чем температура внешних слоёв Солнца) и повышается в центре почти до 49 000°К, а его плотность примерно в два раза меньше, чем средняя плотность Земли и составляет 3 г/см3. В табл.6 приведены основные характеристики геосферы.

Химический состав Земли похож на состав других планет земной группы (рис.1.31). На нашей планете преобладают в целом такие элементы как (в порядке убывания): железо, кислород, кремний, магний, никель, сера. Содержание лёгких элементов невелико.

По геологическим и геохимическим данным до глубины 16км подсчитан усреднённый химический состав пород земной коры.

Эти данные постоянно уточняются и на сегодня выглядят следующим образом: кислород – 47%, кремний – 27,5%, алюминий – 8,6%, железо – 5%, кальций, натрий, магний и калий – 10,5%, на все остальные элементы приходится около 1,5%, в том числе, на титан 0,6%, углерод 0,1%,
медь 0,01%, свинец 0,0016%, золото 0,0000005%. Очевидно, что первые восемь элементов составляют почти 99% земной коры и только 1% приходится на остальные (более сотни) элементов таблицы Д.И. Менделеева (1834-1907).

В числе многих элементов, входящих в состав Земли, имеются и радиоактивные. Их распад, а также гравитационная дифференциация вещества (перемещение более плотных веществ в центральные, а менее плотных в периферические области планеты) приводят к выделению тепла. Максимальная температура на поверхности приближается к 60°С (в тропических пустынях Африки и Северной Америки), а минимальная составляет около -90°С (в центральных районах Антарктиды).

Температурный режим в пределах земной коры своеобразен. На некоторую глубину в недра проникает тепловая энергия Солнца. Суточные колебания температуры наблюдаются на глубинах от нескольких сантиметров до 1-2 метров. Годовые колебания в умеренных широтах достигают глубины 20-30м. На этих глубинах залегает слой пород с постоянной температурой – изотермический горизонт. Его температура равна средней годовой температуре воздуха в данном регионе. В полярных и экваториальных широтах, где амплитуда колебания годовых температур мала, изотермический слой залегает близко к земной поверхности.

Ниже изотермического горизонта температура повышается, что обусловлено внутренним теплом Земли. В среднем увеличение температуры на 1°С происходит при заглублении в земную кору на 33м. Эта величина называется геотермической ступенью. В разных регионах Земли она различна, Полагают, что в зонах вулканизма она составляет 5м, а в спокойных платформенных областях возрастает до 100м.

Модель внутреннего строения Земли имеет не только геофизическое значение. Она используется в геодезии для строгого решения редукционных задач, построения уровенных поверхностей силы притяжения и тяжести, для представления массы планетарного тела точечными массами. Земля неоднородна, симметрия масс нарушается большими аномалиями плотностей в коре и астеносфере Земли. Для изучения неоднородностей масс в теле Земли можно использовать теорию моментов инерции, рассмотренную выше.

 

Изостазия

Теория строения земной коры, известная под названием теории изостазии, была создана в середине 19 века для интерпретации результатов астрономо-геодезических измерений, выполненных в Индии английским геодезистом Эверестом.

На пунктах триангуляции, расположенных вблизи Гималайских гор и в середине Индийского субконтинента, по результатам выполненных астрономо-геодезических измерений были определены уклонения отвеса в плоскости меридиана. Аналогичные значения были вычислены с учётом влияния притяжения Гималайского хребта и высочайшего плато Тибета с севера. Большое расхождение результатов на пункте, расположенном у подножия Гималайского хребта, указывало на то, что высочайшие Гималайские горы притягивают слабее, чем следовало ожидать. Английские астрономы Пратт и Эри независимо друг от друга почти одновременно выдвинули свои гипотезы о строении земной коры, дающие геофизическую интерпретацию этого явления.

Гипотеза изостатического равновесия основана на допущении, что любой избыток массы над геоидом компенсируется недостатком её под поверхностью геоида. Как у плывущего айсберга, под горными хребтами имеются глубокие корни с плотностью, меньшей, чем плотность субстрата, в который они погружены.

Первая мысль о существовании компенсации горных массивов, как считают, была высказана знаменитым итальянцем Леонардо да Винчи (1452-1519). В 1749г. французский учёный Буге (1698-1758), изучая уклонения отвеса в Перу, вызванное в этих местах Андами, высказал мнение, что внутри гор должны существовать «пустоты», иначе притяжение гор было бы значительно более сильным, чем наблюдается в действительности. Термин «компенсация» впервые был использован в 1750г. миланским астрономом Босковичем.

По гипотезе Пратта ниже уровня моря под горами и равнинами имеется недостаток вещества, по количеству равный массе, находящейся над уровнем моря. Под дном океанов и морей имеется избыток вещества, примерно равный дефекту масс океанов по сравнению с горной породой.

Таким образом, количество вещества, заключённого в любом вертикальном столбе от дневной поверхности Земли до некоторого уровня под Землёй, примерно одно и то же во всех частях Земли. По Пратту нижняя поверхность земной коры имеет всюду одну и ту же глубину под уровнем моря. Эту поверхность называют поверхностью изостазии (рис.1.32).

Рис.1.32. Изостазия по гипотезе Пратта

 

Под земной корой находится магма. Для гидростатического равновесия необходимо, чтобы давление земной коры на поверхности изостазии было одинаковым. Условие

, (1.13)

где δ – плотность земной коры, T – глубина поверхности изостазии, H – высота над уровнем моря, является основным уравнением теории изостазии Пратта.

Сущность своей гипотезы сам Пратт излагал так: «Различие в поднятии земной поверхности, проявляющееся в горах, равнинах и дне океанов, произошло от неравномерного сжатия массы при её затвердевании из жидкого или полужидкого состояния; вследствие чего ниже уровня моря под горами и равнинами имеется недостаток вещества, по количеству приблизительно равный массе, находящейся над уровнем моря; под дном океанов имеется избыток вещества, приблизительно равный недостатку океана по сравнению с горной породой. Таким образом, количество вещества в любом вертикальном столбе, проведенном от поверхности до некоторого уровня под корой, как в настоящее время, так и в прошлом приблизительно одно и то же во всех частях Земли».

Плотность земной коры убывает обратно пропорционально её толщине. Ясно, что чем выше горный массив, тем толще земная кора и меньше плотность. Наибольшую плотность имеет земная кора под глубокими океанами. Очевидно, чем больше глубина океана, тем тоньше кора и она будет иметь наибольшую плотность.

Теория Пратта была принята американскими геодезистами Дж. Хейфордом (1868-1925) и Боуи в методах вычисления триангуляции и гравиметрических измерений, применяемых Береговой и геодезической службой США. При этом полагалось, что изостатическая компенсация единообразная, то есть плотность под горами всегда меньше, чем под равнинами, и что слой компенсации расположен точно под горой и простирается вплоть до глубины компенсации, где наступает равновесие. Геофизическая интерпретация астрономо-геодезических и гравиметрических измерений по теории Пратта показала, что глубина компенсации составляет 102-120км.

Гипотеза Эри о коре, плавающей на вязком, более плотном субстрате, и погружённой в него подобно айсбергу (рис.1.33), представляется более естественной, чем гипотеза Пратта. Наблюдения за поднятием Фенноскандии – один из главных аргументов в пользу схемы Эри.

 

Рис.1.33. Изостазия по гипотезе Эри

 

В гипотезе Эри предполагается, что земная кора имеет всюду одинаковую плотность, меньшую плотности магмы. Отдельные глыбы земной коры плавают на магме, погружаясь в неё тем глубже, чем выше соответствующая глыба выдаётся вверх. По закону Архимеда погружённая часть глыбы вытесняет массу магмы, равную массе всей глыбы.

В 1855г. Эри так излагал сущность своей гипотезы: «Я полагаю, что горы и плоскогорья не имеют иной опоры, кроме как возникающей от выпячивания нижней части лёгкой земной коры в более плотную лаву; горизонтальное протяжение этого выступа грубо соответствует горизонтальному протяжению плоскогорья, а глубина нижнего выступа такова, что увеличенная этим сила плавучести приблизительно равняется избытку веса от выпячивания вверх плоскогорья. Я представляю себе, что состояние земной коры, лежащей на лаве, можно в точности сравнить с плотом из брёвен, плавающим на воде; если мы замечаем бревно, верхняя сторона которого плавает значительно выше верхней поверхности других брёвен, то можем быть уверены в том, что нижняя сторона его сидит глубже в воде, чем нижняя поверхность остальных».

По гипотезе Эри высокие горы имеют более глубокие корни. В возвышенных местах земная кора толще. Простираясь глубже, она выталкивает магму, а так как плотность коры меньше плотности магмы, то внешние массы компенсируются дефектом плотности масс в глубине. Низменные платформы как, например, Западно-Сибирская платформа с высотой порядка 130м над уровнем моря, имеют неглубокие корни в магме, а глубина компенсации масс меньше, чем в высокогорных районах. Приближённая формула для вычисления толщины корня t в зависимости от высоты рельефа h имеет вид

. (1.14)

Таким образом, гора высотой 1км будет иметь корень, глубиной 4,45км. Для океанов будут иметь место «антикорни». Толщина антикорня t¢ определяется глубиной слоя океана p по формуле

. (1.15)

Океану глубиной 1км соответствует антикорень, или уменьшение толщины коры на 2,73км. Присутствие воды делает антикорни более сглаженными, чем корни гор. Восьмикилометровой впадине у берегов Японии должен соответствовать антикорень в 22км, что может привести к исчезновению коры и обнажению поверхности Мохоровичича.

Рассмотренные гипотезы изостазии близки между собой. В гипотезе Пратта земная кора имеет всюду одинаковую глубину, но разную плотность в зависимости от высоты. В гипотезе Эри наоборот, земная кора имеет всюду одинаковую плотность, но разную глубину. Обе гипотезы предполагают, что если в какой - нибудь точке изменилась плотность земной коры из-за дифференциации вещества, то соответствующий участок должен подняться или опуститься для восстановления утраченного равновесия.

Геофизические исследования показывают, что земная кора всегда и во всех своих частях стремится к равновесию, постоянно нарушаемому различными тектоническими процессами, накоплениями осадков, изменениями ледового режима в областях оледенения и другими процессами развития Земли. Отдельные области земной коры, в которых произошло такое нарушение, начинают подниматься или, наоборот, погружаться с тем, чтобы восстановить нарушенное равновесие. Избыток масс над поверхностью компенсируется их недостатком на глубине. Следует понимать, что, как правило, компенсация не может быть строго локальной.

Размеры компенсирующей массы играют существенную роль, и чем более протяжённая масса, тем лучше осуществляется компенсация.

Голландский учёный Венинг - Мейнес модифицировал гипотезу Эри, рассматривая массу рельефа как нагрузку на сплошной коре, которая ведёт себя подобно упругой пластине, достаточно твёрдой, чтобы противостоять напряжениям сдвига.

 

Рис.1.34. Региональная модель изостазии Венинг - Мейнеса

 

По Венинг - Мейнесу в равновесии находятся глыбы значительного поперечного сечения, достигающего в диаметре сотни и тысячи километров. Отдельные детали рельефа не компенсируются, а уравновешиваются лишь целые области сообразно с их нагрузкой, определяемой их средней высотой. В модели региональной компенсации Венинг – Мейнеса нагрузка топографических масс уравновешивается региональными изгибами упругой коры (рис.1.34).

Примером отсутствия изостатического равновесия на значительной территории может служить Фенно-Скандинавский щит. Дефект плотности масс в верхней части земной коры Скандинавского полуострова делает её слишком лёгкой и её давление на магму не уравновешивает направленное вверх давление магмы. В результате наблюдается медленное поднятие всего полуострова со скоростью порядка 1м в 100 лет. Вероятнее всего это является следствием имевшего здесь место оледенения. После становления льдов давление земной коры на магму уменьшилось, и в результате наблюдается теперь поднятие суши, которое будет продолжаться до тех пор, пока вновь не будет достигнуто изостатическое равновесие. Эффекты восстановления изостатического равновесия исследуются с использованием нивелирования, наблюдений уровня моря и измерений силы тяжести.

Примером обратного движения является Антарктида, где мощный пресс материкового льда обусловливает деформацию геоида в масштабе всего континента на 25-30м ниже уровенного эллипсоида.

Гипотезы изостазии используются для приведения силы тяжести на геоид с учётом влияния компенсирующих масс.

Геотектоника

 

Тектоника, геотектоника, (от греческого tektonikos – относящийся к строительству) – отрасль геологии, изучающая развитие структуры земной коры и её изменения под влиянием тектонических движений и деформаций, связанных с развитием Земли в целом. Начало развития тектоники относится к 16-17вв. В 20 веке она сформировалась как самостоятельная отрасль геологии.

Ещё в 17 веке удивительное совпадение очертаний береговых линий западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки наводило некоторых учёных на мысль о том, что континенты «гуляют» по планете. Но только три века спустя, в 1912 году, немецкий метеоролог Альфред Лотар Вегенер подробно изложил свою гипотезу континентального дрейфа, согласно которой относительное положение континентов менялось на протяжении истории Земли.

 

Рис. 1.35. Расположение континентов в определённые периоды геологического времени

 

В своей работе «Возникновение материков и океанов» Вегенер пришёл к выводу, что Гренландия удаляется от Европы со скоростью несколько десятков метров за год. Он рассчитал, что расстояние между Европой и Америкой увеличивается примерно на один метр за год. Одновременно он выдвинул множество аргументов в пользу того, что в далёком прошлом континенты были собраны вместе. Помимо сходства береговых линий им были обнаружены соответствие геологических структур, непрерывность реликтовых горных хребтов и тождественность ископаемых остатков на разных континентах.

Для доказательства своей гипотезы Вегенер привлёк ряд долготных определений конца 19 века и нашёл, что изменение долготы острова Сабин (Гренландия) действительно наблюдаются и находятся в согласии с его теорией.

Выводы Вегенера вызвали оживлённую дискуссию среди астрономов и послужили толчком для проведения целого ряда долготных работ. Наиболее крупными из них были международные долготные определения в 1926 и 1933гг. Эти определения имел своей целью проверку гипотезы Вегенера и создание единой долготной сети, охватывающей весь земной шар.

На основании этих работ (изменений разности долгот) получалось, что Америка не удаляется от Европы, как это полагал Вегенер, а сближается с Европой на 0,6м за год. К полученным в 1926-1933гг. изменениям долгот, конечно, следует относиться с известной осторожностью, так как наблюдения того времени из-за неучтённых систематических ошибок были не всегда надёжными.

Профессор Вегенер активно отстаивал идею о существовании в прошлом (250 млн. лет до н.э.) единого суперконтинента Пангея (рис.1.35), его расколе и последующем дрейфе образовавшихся континентов в разные стороны.

Но эта необычная теория не была воспринята всерьёз, потому что с точки зрения того времени казалось совершенно непостижимым, чтобы гигантские континенты могли самостоятельно перемещаться по планете. К тому же сам Вегенер не смог предоставить подходящий «механизм», способный двигать континенты.

Мысль о подвижности материков высказывалась и до Вегенера. Немецкий теолог Теодор Лилиенталь еще в 1756 году писал, что «подобие очертаний противоположных берегов многих континентов и их совпадение столь удивительны, что, будь они расположены рядом, они бы целиком вписались друг в друга, как это можно видеть на примере южных частей Африки и Америки». В 1858 году вышла в свет книга Антонио Спидера с приложенной к ней картой, на которой Атлантический океан отсутствует, а обрамляющие его континенты совмещены друг с другом. Однако первым человеком, предложившим стройную теорию «движения континентов», согласно которой все они в далеком прошлом составляли единый материк Пангею, был именно Альфред Вегенер.

На протяжении почти пятидесяти лет, ожесточенный спор о причинах и сути процессов, происходящих в глубинах Земли и на ее поверхности, вели «фиксисты» и «мобилисты». Фиксисты отвергают всякую возможность больших горизонтальных перемещений континентов и считают, что относительные смещения отдельных частей земной поверхности происходят за счет только вертикальных движений. Мобилисты утверждают, что континенты на Земле находятся в непрерывном движении, «плавая» по ее поверхности.

Ещё в 1757г. на публичном собрании Российской Академии наук М.В. Ломоносов произнёс «Слово о рождении металлов от трясения земли», в котором изложил свои взгляды, намного предвосхитившие научные открытия последующих столетий. В частности, он первым выдвинул важную для геологии идею о медленных вертикальных колебаниях земной коры.

Механизм дрейфа континентов по-разному трактуют две гипотезы: одна – венгерского геофизика Л. Эдьеда, основанная на идее быстрого расширения Земли; другая – голландского геофизика Ф. Венинг-Мейнеса, базирующаяся на теории конвекционных течений подкоркового вещества, вызываемых радиоактивным разогревом тела Земли.

Противников у Вегенера оказалось намного больше, чем сторонников. Критика мобилизма становилась всё более острой и в середине 20 века теория дрейфа континентов была отвергнута большинством исследователей Земли.

Концепция континентального дрейфа стала завоёвывать признание исследователей Земли лишь в начале 70-х годов прошлого века. До этого изучение твёрдой Земли велось в основном на континентах, где ярко проявляются вертикальные движения земной коры.

Примеров современных вертикальных движений достаточно много. В Италии, в маленьком городке Поццуоли, расположенном на берегу Неаполитанского залива, находятся развалины часовни, построенной 2000 лет назад, которую называют «храмом Сераписа». После возведения храма окружающая его площадь вместе с ним начала медленно опускаться и в 13 веке все строения погрузились под уровень моря. В таком виде они находились около трёх столетий, после чего начался их подъём и к 1800г. практически все развалины вместе с фундаментом были осушены. В дальнейшем вновь началось опускание и в 1954г. уровень воды составлял уже 2,5м над полом храма.

Установлено, что Малый Кавказ поднимается сейчас со скоростью от 8 до 13,5мм/год; складчатое сооружение Восточных Карпат – со скоростью около 1,7мм/год; в Балтийской рифтовой зоне скорость современных вертикальных движений колеблется от 10 до 20мм/год. Во многих районах происходят современные опускания. Так, например, Черноморское побережье Кавказа погружается со скоростью до 12мм/год; берег западнее Одессы – до 4,3м/год.

Исследования дна океанов возродили идеи Вегенера. Океанское дно в течение многих веков оставалось недоступным для изучения и служило неисчерпаемым источником всевозможных легенд и мифов. Важным для изучения рельефа океана стало изобретение прецизионного эхолота, с помощью которого стало возможным непрерывно измерять и регистрировать глубину дна по линии движения судна. Одним из поразительных результатов

интенсивного исследования дна океанов стали новые данные о топографии океанского дна.

Исследования океанического дна привели к открытию глобальной системы подводных гор, так называемых срединно-океанических хребтов. Одновременно была выдвинута важная гипотеза, что в области осей океанических хребтов постоянно происходит формирование новых участков океанического дна, расходящихся в стороны от хребта. Действием этого процесса объясняется сходство очертаний континентальных окраин. Можно было предположить, что между частями расколовшегося континента образуется новый океанический хребет, а океаническое дно, наращиваемое симметрично в обе стороны от него, формирует новый океан. Сегодня топографию океанского дна изучают с помощью спутников, с высокой точностью измеряющих высоту морской поверхности.

Установлено, что площадь океанского дна увеличивается. С другой стороны, нет данных о расширении Земли, а, следовательно, что-то в глобальной коре должно разрушаться. Именно это и происходит на окраинах большей части Тихого океана. Здесь литосферные плиты сближаются, и одна из сталкивающихся плит погружается под другую, уходя глубоко внутрь Земли. Такие участки отмечаются активными вулканами, которые протянулись вдоль берегов Тихого океана, образуя так называемое «огненное кольцо».

Непосредственное бурение морского дна и определение возраста поднятых пород подтвердили результаты палеонтологических исследований. Эти факты легли в основу теории новой глобальной тектоники, или тектоники литосферных плит, которая произвела настоящую революцию в науках о Земле и принесла новое представление о внешних оболочках планеты.

Тектоника плит, новая глобальная тектоника, является современным вариантом мобилизма. Основные положения тектоники плит сформулированы в 1967-1968гг. группой американских геофизиков в развитие более ранних идей американских учёных о расширении ложа океанов (1961), предвосхищённых английскими учёными А.Холмсом (1931) и О.Фишером в конце 19 века, а также в гипотезе А. Вегенера о дрейфе материков (1912).

Теория тектоники плит, обобщающая множество геологических и геофизических данных, включает теорию дрейфа континентов и теорию расширения дна океана.

Рис.1.36. Литосферные плиты Земли

1-Евроазиатская; 2-Африканская; 2а-Аравийская; 3-Индо-Австралийская; 4-Тихоокеанская; 5-Северо-Американская; 6-Южно-Американская; 7-Антарктическая; 8-Наска; 9-Филиппинская; 10-Яванский желоб; 11-Кокос; 12-разлом Сан-Андреас; 13-провинция Бассейнов и Хребтов; 14-Карибская; 15- Скоша

 

Теория тектоники плит сводится к следующему. Литосфера подстилается менее вязкой астеносферой. Литосфера разделена на ограниченное число больших и малых плит, границы которых проводятся по сгущению очагов землетрясений. К числу крупных плит относятся: Тихоокеанская, Евроазиатская, Северо-Американская, Южно-Американская, Африканская, Индо-Австралийская, Антарктическая (рис.1.36).

Литосферные плиты, движущиеся по астеносфере, обладают жёсткостью и монолитностью и испытывают взаимные горизонтальные перемещения трёх типов:

  • расхождение (дивергенцию) в осевых зонах срединно-океанических хребтов;
  • схождение (конвергенцию) по периферии океанов, в глубоких желобах, где океанские плиты пододвигаются под континентальные или островодужные;
  • скольжение вдоль так называемых трансформных разломов.

Расширение ложа океанов в связи с расхождением плит вдоль осей срединных хребтов и рождение новой океанической коры компенсируется её поглощением в зонах подвига океанической коры в глубоководных желобах, благодаря чему объём Земли остаётся постоянным. Причиной перемещения литосферных плит является тепловая конвекция в мантии Земли.

Эти положения в последующие два десятилетия прошли экспериментальную проверку в ходе начатого в 1968г. глубоководного бурения с американского научно-исследовательского судна «Гломар Челленджер», подтвердившего образование океанов в процессе спрединга (расширении ложа океанов в связи с расхождением плит вдоль осей срединных хребтов). Возраст океанского дна – менее 200 млн. лет, средняя скорость расширения дна оценивается в 1-20 см/год.

Реальность спрединга была установлена также в результате исследований рифтовых долин срединных хребтов, дна Красного моря и Аденского залива со спускаемых подводных аппаратов, также установивших существование пересекающих срединные хребты трансформных разломов, направленных перпендикулярно к рифтовым долинам. Обычно смещения по этим разломам не превышают нескольких десятков километров, но в некоторых районах они значительны. Так, например, в районе действующего трансформного разлома Сан-Андреас в Калифорнии смещение составляет 500км. На дне Тихого океана смещения осей рифтовых долин вдоль некоторых разломов превышают 1000км. В рифтовых долинах происходят слабые моретрясения, приводящие к разрывам литосфер.

Мощность литосферных плит под океанами меняется от 7-10км до 80-90км. Мощность континентальной литосферы, видимо, изменяется под молодыми платформами от 150-200км, под древними щитами – до 250-400км. Плиты перемещаются относительно друг друга по поверхности более тёплой астеносферы, обладающей низкой вязкостью.

Подвижные пояса или границы плит подразделяют на три типа. Первый тип – границы наращивания, вдоль которых происходит симметричное образование новой океанской литосферы – это гребни срединных океанских хребтов. Второй тип – границы поглощения, вдоль которых происходит асимметричное погружение края одной литосферной плиты под край другой или происходит их столкновение. Этот тип границ проявляется глубоководными желобами и сопряжёнными с ними островными дугами или активными континентальными окраинами. При столкновении двух континентальных плит образуются горные цепи (система Альпы – Гималаи). Каждый из двух типов границ может резко прерываться трансформными разломами, которые являются границами плит третьего типа. Движение на границе плит третьего типа является чисто сдвиговым.

Современные тектонические процессы на границах литосферных плит являются предметом широкого мониторинга. Надёжную оценку взаимного движения плит дают повторные геодезические измерения в зонах разломов на границах плит. Один из методов таких исследований заключается в повторных измерениях силы тяжести. Повторные измерения силы тяжести выполняются в регионах с большой вероятностью землетрясений на границах столкновения плит и трансформных разломах. В Японии таким примером являются полуостров Кии (медленное опускание и землетрясения через каждые 100-150 лет, сочетавшиеся с резкими поднятиями) и озеро Бива (низкая сейсмическая активность). С 1971г. в этих районах осуществляется мониторинг повторными измерениями силы тяжести.

Сети для гравиметрического мониторинга созданы также в зонах столкновения тектонических плит для наблюдений орогенных процессов (орогенез – горообразование). Так, например, для исследований в Индии и Китае, приуроченных к Гималайской зоне субдукции (столкновение Индийской и Евроазиатской литосферных плит, зоны активных разломов и высокой сейсмической активности) создана прецизионная гравиметрическая сеть на площади 500´500км, включающая 46 пунктов. Гравиметрическая сеть из 60 пунктов (600´100км) создана в Венесуэльских Андах, где разлом Боконо отмечает границу Карибской и Южно-Американской плит.

С 1979 по 1992г. выполнялись исследования движения литосферных плит в глобальной радиоинтерферометрической сети, созданной методом радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой. Этот международный геодинамический проект осуществлялся под эгидой НАСА. Наблюдения на 88 обсерваториях этой сети показали, что деформации литосферных плит носят местный характер и отражают воздействие деформационных сил эндогенной и экзогенной природы в районах расположения обсерваторий. Абсолютные и относительные движения обсерваторий не могут быть интерпретированы как результат дрейфа континентов.

Вместе с тем, выяснилась большая, чем предусматривалась исходной теорией, сложность процессов взаимных перемещений плит, существование внутриплитных деформаций, не объясняемых этой теорией, расслоенности плит по вертикали с дифференциальными смещениями слоёв и т.д. Не получило объяснения в теории плит периодическое изменение интенсивности тектонических движений и деформаций, устойчивой глобальной сети глубинных разломов и некоторые другие явления.

Вот мнение одного из крупнейших специалистов в области геодинамики Заслуженного деятеля науки Российской Федерации военного геодезиста профессора М.М. Машимова: «Теория Вегенера из области фантастики, домыслов и околонаучных споров перешла в геодезическую практику. Её апологеты, полагая реальным дрейф материков и океанических плит, строят модели и с помощью их вычисляют поправки к координатам обсерваторий, участвующих в определении эфемерид созвездий спутников КНС НАВСТАР. Заблуждения возможны в академических околонаучных дискуссиях, но не в рамках геодезии, данные которой есть истина для всех наук и не могут быть ими опровергнуты. В действительности имеют место деформации земной коры на границах сочленения плит и движения островов в Мировом океане. Временные изменения пространственных положений обсерваторий, определяемые лазерными измерениями ИСЗ Лагеос и радиоинтерферометрическими наблюдениями квазаров, проявляют локальные деформации земной коры в районах расположения обсерваторий, а не дрейф материков».

В последние годы в Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта под руководством члена-корреспондента Российской академии наук В. Трубицына была разработана трёхмерная сферическая геодинамическая модель современной Земли, которая, по мнению автора, претендует на роль наиболее полного описания геодинамики нашей планеты.

Как известно, теория тектоники плит рассматривает Землю как тепловую машину, где конвективная мантия играет роль котла, а литосферные плиты, на которые разбито океаническое дно, - шатунов. Магма, прорываясь сквозь срединно-океанические хребты, раздвигает их и заставляет двигаться континенты.

Однако такая теория не может объяснить, например, почему тепловой поток из мантии оказывается над континентами в три раза меньше, чем над океанами. До сих пор такое несоответствие многие учёные-геофизики пытались объяснить проявлением хаотических процессов, считая, что континенты – лёгкие включения, которые как бы вморожены в океаническую литосферу, пассивно с нею дрейфуют и не оказывают влияния на глобальные процессы.

Хотя эта модель Земли является в настоящее время основой изучения и интерпретации региональных процессов на период до 100млн. лет, она не объясняет более длительную историю Земли, рассматривая современные глобальные структуры Земли как непредсказуемый результат хаотической мантийной конвекции.

В. Трубицын предложил новую концепцию: континенты играют роль регуляторов в тепловой машине. Выглядит это примерно так.

На земной поверхности температура много ниже температуры плавления вещества мантии, поэтому континенты можно сравнить с ледоколами, плавающими в изменяющемся ледяном поле. «Лёд», временно примерзающий с боков к континентам, соответствует океанической литосфере на пассивных окраинах континентов, а «лёд», надолго примерзающий снизу, соответствует континентальной литосфере. Но в отличие ото льда (более лёгкого, чем вода), тяжёлая океаническая литосфера на активных окраинах континентов не остаётся на поверхности, а погружается под континенты. Благодаря теплоэкранированию тепловой поток, выходящий из мантии через континенты, в три раза меньше, чем через океаны. Поэтому плавающие континенты принципиально изменяют всю эволюцию мантийных течений.

 

Соединение и распад континентов по теории Трубицына происходит следующим образом. Континент, плавающий на поверхности вязкой жидкости с постоянным подогревом, «садится» на нисходящий холодный поток, как в речном водовороте. Вскоре под ним образуется горячий восходящий поток, потому что континент играет роль регулятора, задерживающего тепло из мантии. Восходящий поток поднимет континент и начнёт двигать его в сторону другого нисходящего потока. Каждый из шести материков имеет свой нисходящий поток и двигается в сторону более мощного потока. В результате все континенты двигаются друг к другу и образуют суперконтинент. С течением времени под ним образуется новый горячий поток, который приводит к его разрыву.

 

Рис.1.37. Движение континентов

(по теории В. Трубицына)

 

Такой цикл может продолжаться около 800 млн. лет. При этом континенты играют важную роль, распределяя тепловые потоки, заставляя литосферу постоянно двигаться. Так, через 800 млн. лет материки, вероятно, опять соберутся вместе и образуют новый суперконтинент в районе Южного полюса (рис.1.37).

Несмотря на своё экспериментальное подтверждение и успешное применение для расшифровки истории отдельных регионов и планеты в целом теория тектоники плит перестала удовлетворять исследователей Земли. В последние годы всё более отчётливым стало понимание того, что тектоника плит не может рассматриваться как полноценная, достаточно всеобъемлющая теория развития нашей планеты, поскольку является ограниченной, как в пространстве, так и во времени.

Некоторые учёные считают, что мобилизм и фиксизм вместе образуют ту платформу, на которой будет создана новая фундаментальная теория, убедительно отвечающая на все возникающие вопросы. Тем не менее, на сегодняшний день, геодинамика опирается на положения теории тектоники литосферных плит.