Понятие о литосфере. Концепции развития литосферы

 

Литосфера – каменная оболочка Земли, включающая земную кору и часть верхней мантии, простирается до астеносферы и имеет мощность 150–200 км. Литосфера разбита глубинными разломами на крупные стабильные блоки – литосферные плиты, они движутся в горизонтальном направлении со средней скоростью 5–10 см в год. Крупных литосферных плит семь: Евразийская, Тихоокеанская, Африканская, Индийская, Антарктическая, Североамериканская и Южноамериканская.

В земной коре – верхней части литосферы – обнаружено 90 химических элементов, но только 8 из них составляют 97,2 %. По А.Е. Ферсману, они распределяются следующим образом: кислород – 49 %, кремний – 26 %, алюминий – 7,5 %, железо – 4,2 %, кальций – 3,3%, натрий – 2,4%, калий – 2,4%, магний – 2,4%. Из этих элементов наибольшее значение имеют кислород и кремний.

Элементы образуют сложные химические соединения – минералы. Общее число минералов приближается к нескольким тысячам, из них широко распространены всего 400–500 видов. Горные породы представляют собой сложные и закономерные сочетания минеральных масс и залегают в виде слоев или крупных скоплений (тел). Горные породы и минералы делятся на магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические горные породы и минералы образуются в недрах Земли в условиях высоких температур и давлений в результате кристаллизации магмы. Они составляют 95 % массы вещества, слагающего земную кору. По содержанию оксида кремния Si0₂ породы делятся на кислые (оксида кремния более 65 %), средние (от 65 до 52 %), основные (52 –40%) и ультраосновные (менее 40%).

Осадочные горные породы формируются на поверхности Земли в условиях низких температур и давлений. Исходным материалом служат ранее образовавшиеся породы. Осадочные породы делятся на обломочные (пески, галечники), глинистые (глины), химические (каменная соль, гипс) и органогенные (известняки, торф). Обычно осадочные горные породы рыхлые, пористые, но могут быть уплотнены.

Метаморфические породы образуются в результате превращения пород другого происхождения (магматических, осадочных) под воздействием различных факторов: высокой температуры и давления в недрах, контакта с породами другого химического состава и т.д. Метаморфизации подвергаются осадочные и магматические породы, в них возникает полосчатая текстура (сложение), наблюдается перекристаллизация, возникают новые минералы. При метаморфизации песчаники превращаются в кварциты, известняки – в мраморы, глины – в глинистые сланцы, граниты – в гранито-гнейсы.

По строению и мощности выделяют четыре типа земной коры, которые соответствуют четырем наиболее крупным формам поверхности Земли.

Материковый тип земной коры – мощность 35–40 км, под молодыми горами она увеличивается до 80 км. Этот тип земной коры соответствует в рельефе материковым выступам, включая подводную окраину материка. В данном типе земной коры выделяется три слоя: осадочный, гранитный и базальтовый. Осадочный слой, толщиной до 15–20 км, сложен слоистыми осадками(преобладают глины и глинистые сланцы, широко представлены песчаные, карбонатные и вулканогенные породы). Гранитный слой (мощность 10–15 км) состоит из метаморфических и изверженных кислых, близких по своим свойствам к граниту; наиболее распространены гнейсы, гранодиориты и диориты, граниты, кристаллические сланцы. Нижний слой, наиболее плотный, толщиной 15–35 км, получил название базальтовогоза сходство с базальтами. Средняя плотность материковой коры 2,7 г/см³. Между гранитным и базальтовым слоями лежит граница Конрада, названная по фамилии открывшего ее австрийского геофизика.

Переходный, или геосинклинальный тип земной коры – соответствует переходным зонам (геосинклиналям). Расположены переходные зоны у восточных берегов материка Евразии, у восточных и западных берегов Северной и Южной Америки. Имеют следующее классическое строение: котловина окраинного моря, островные дуги и глубоководный желоб. Под котловинами морей и глубоководными желобами нет гранитного слоя, земная кора состоит из осадочного слоя повышенной мощности и базальтового. Гранитный слой появляется только в островных дугах. Средняя мощность геосинклинального типа земной коры 15–30 км.

Океаническая земная кора, соответствует ложу океана, мощность коры 5–10 км. Имеет двухслойное строение: первый слой – осадочный, образован глинисто-кремнисто-карбонатными породами; второй слой состоит из полнокристаллических магматических пород основного состава (габбро). Между осадочным и базальтовым слоями выделяется промежуточный слой, состоящий из базальтовых лав с прослоями осадочных пород.

Рифтогенная земная кора, характерна для срединно-океанических хребтов, ее мощность 1,5–2 км. В срединно-океанических хребтах близко к поверхности подходят породы мантии. Мощность осадочного слоя 1–2 км, базальтовый слой в рифтовых долинах выклинивается.

Концепции развития литосферы. До настоящего времени нет единого представления о развитии литосферы. Существует несколько тектонических концепций, однако каждая отражает одну сторону тектонической истории Земли, не охватывая общего ее хода, и противоречит другим фактам, которые, в свою очередь, удачно объясняются другой теорией.

Концепция фиксизма (от лат. fixed – неподвижный, неизменный) основана на утверждении о фиксированном положении континентов на поверхности Земли и преобладании вертикальных движений в тектонических деформациях пластов земной коры.

Концепция мобилизма (от лат. mobile – подвижный) доказывает, что блоки литосферы движутся и первостепенную роль отводят горизонтальным движениям. Основные идеи мобилизма были сформулированы А. Вегенером (1880–1930) как гипотеза дрейфа материков. Новые данные, полученные во второй половине ХХ в., позволили развить это направление до современной теории неомобилизма, объясняющей динамику процессов в земной коре дрейфом крупных литосферных плит.

Согласно гипотезе А. Вегенера, до верхнего палеозоя земная кора была собрана в единый материк Пангею, окруженную водами океана Панталласса (частью этого океана было море Тетис). В мезозое начались расколы и дрейф (плавание) отдельных ее глыб (материков). Материки, сложенные относительно легким веществом, которое Вегенер называл «сиаль» (силициум-алюминий), «плавали» по поверхности вещества более тяжелого – «сима» (силициум-магний). Первой отделилась и сместилась к западу Южная Америка, затем Африка, позднее Антарктида, Австралия и Северная Америка.

Поначалу теорию мобилизма приняли с восторгом, но через 2–3 десятилетия выяснилось, что физические свойства пород не допускают такого «плавания», и на теории дрейфа материков был поставлен жирный крест. Вплоть до 1960-х гг. XX века господствующей концепцией развития земной коры была теория фиксизма.

Только к 60-м годам XX века, когда уже была открыта общемировая система срединно-океанических хребтов, построили практически новую теорию – современная тектоника плит (новая глобальная тектоника), в которой от гипотезы А. Вегенера осталось только изменение взаимного расположения материков, в частности объяснение сходства очертаний континентов по обе стороны Атлантики.

Важнейшее отличие современной тектоники плит (новая глобальная тектоника) от гипотезы мобилизма состоит в том, что у А. Вегенера материки двигались по веществу, которым сложено океаническое дно, в современной же теории в движении участвуют литосферные плиты, в состав которых входят участки суши и дно океана; границы между плитами могут проходить и по дну океана, и по суше, и по границам материков и океанов.

Движение литосферных плит (крупнейшие: Евразийская, Индо-Австралийская, Тихоокеанская, Африканская, Северо-Американская, Южно-Американская, Антарктическая) происходит по астеносфере – слою верхней мантии, который подстилает литосферу и обладает вязкостью и пластичностью. В местах срединно-океанических хребтов литосферные плиты наращиваются за счет вещества, поднимающегося из недр, и раздвигаются по оси разломов или рифтов в стороны – спрединг (англ. spreading – расширение, распространение). Однако поверхность земного шара не может увеличиваться бесконечно и возникновение новых участков земной коры по сторонам от срединно-океанических хребтов должно компенсироваться ее исчезновением.

При сближении участков океанической коры край одной плиты несколько поднимается, образуя островную дугу, другой уходит под него, здесь уровень верхней поверхности литосферы понижается, формируется глубоководный океанический желоб. Движение плит относительно друг друга сопровождается значительными механическими напряжениями, поэтому во всех этих местах наблюдаются высокая сейсмичность, интенсивная вулканическая деятельность. Очаги землетрясений располагаются в основном на поверхности соприкосновения двух плит и могут быть на большой глубине. Край плиты, ушедшей вглубь, погружается в мантию, где постепенно превращается в мантийное вещество. Погружающаяся плита подвергается разогреву, из нее выплавляется магма, которая изливается в вулканах островных дуг. Процесс погружения одной плиты под другую носит название субдукция (англ. subduction – поддвигание).

Новые геологические материалы о наличии вертикальных токов (струй) расплавленного вещества, поднимающихся от границ самого ядра и мантии к земной поверхности, легли в основу построения новой, т. н. «плюмовой» тектоники, или гипотезы плюмов. Она основана на представления о внутренней (эндогенной) энергии, сосредоточенной в нижних горизонтах мантии и во внешнем жидком ядре планеты, запасы которой практически неисчерпаемы. Высокоэнергетические струи (плюмы) пронизывают мантию и устремляются в виде потоков в земную кору, определяя тем самым все особенности тектоно-магматической деятельности. Некоторые приверженцы плюмовой гипотезы склонны даже считать, что именно этот энергообмен лежит в основе всех физико-химических преобразований и геологических процессов в теле планеты.

 

 

Движения литосферы

 

Выделяются два типа тектонических движений – вертикальные и горизонтальные. Оба типа движений могут происходить как самостоятельно, так и во взаимосвязи друг с другом, нередко один тип движений порождает другой. Движения сопровождаются изменениями в залегании горных пород и деформациями.

Восходящие конвективные потоки расплавленного вещества верхней мантии приводят к формированию крупных положительных форм рельефа – срединно-океанических хребтов. В дальнейшем в их осевой части закладываются рифтовые долины – грабены. Рифтовые долины образуются за счет разрывных дислокаций. Поступление новых порций мантийного вещества в рифтовую долину вызывает раздвижение литосферных плит – спрединг – в горизонтальном направлении. Таким образом, вертикальные движения способствуют возбуждению горизонтальных.

Горизонтальное перемещение литосферных плит навстречу друг другу вызывает поддвиг океанических плит под материковые – субдукция – и образование переходных зон (геосинклинальных областей) или надвигание одной континентальной плиты на другую с образованием грандиозных горных сооружений. Горизонтально залегающие горные породы сминаются в складки, складки осложняются многочисленными разрывами и интрузивными телами. Следовательно, наблюдается обратный процесс – переход горизонтальных движений в вертикальные

Проявляются вертикальные и горизонтальные перемещения крупных блоков земной коры в вертикальном и горизонтальном направлениях, в образовании:

- складчатых (пликативных) дислокации,

- разрывных (дизъюнктивных) дислокации и

- инъективных (внедрение магмы) дислокаций.

Среди складчатых дислокаций выделяют простые и сложные складки. Простыми видами складок являются антиклинали и синклинали. В наиболее простом случае антиклинали и синклинали находят прямое выражение в рельефе:

антиклинали – положительные складки – соответствуют в рельефе положительным формам рельефа;

синклинали – отрицательные складки – соответствуют отрицательным формам рельефа.

Часто в горных областях развивается обратный, инверсионный рельеф. На месте положительных геологических структур образуется отрицательная форма рельефа, на месте отрицательной геологической структуры – положительная. Объясняется это тем, что ядра антиклиналей сложены раздробленными горными породами и разрушаются интенсивнее.

Более крупные и сложные складки – антиклинории и синклинории – представлены в рельефе горными хребтами и разделяющими их понижениями (Главный хребет Большого Кавказа). Еще более крупные поднятия, состоящие из нескольких антиклинориев и синклинориев, – мегаантиклинории. Они представлены в рельефе горными странами (Большой Кавказ, Альпы).

Разрывные нарушения – это различные тектонические нарушения сплошности горных пород, сопровождающиеся перемещением блоков относительно друг друга. Простейшим видом разрывов являются трещины. Наиболее глубокие трещины, уходящие в мантию, называются глубинными разломами. Они представляют собой зоны дробления пород, простирающиеся в верхнюю мантию. Сбросы и надвиги выражаются уступами в рельефе, системы сбросов образуют ступенчатый рельеф. Смещение блоков горных пород относительно друг друга создает столовые глыбовые и складчато-глыбовые горы.

Столовые горы возникают при вертикальном движении блоков, имеющих горизонтальную структуру. Широко развиты столовые глыбовые горы в Африке. Складчато-глыбовые горы возникают на месте развития древних складчатых структур (Алтай, Тянь-Шань).

Особенно велика роль разрывных нарушений в областях распространения древних складчатых структур, они привели к созданию глыбовых гор, горстов и грабенов. Грабены в рельефе образуют котловины, например грабен озера Байкал, а горсты представляют окружающие его горы. Такое же происхождение имеют система Восточно-Африканских разломов, Рейнский грабен. Разрывная тектоника обусловила создание таких грандиозных сооружений, как система срединно-океанических хребтов.

С географической точки зрения удачным представляется деление тектонических движений на:

- колебательные (эпейрогенические) и

- складкообразовательные (орогенические).

Колебательные (эпейрогенические) движения охватывают огромные площади и лежат в основе создания самых крупных планетарных форм рельефа, приводят к формированию морфоструктур. В пределах равнин образуются синеклизы и антеклизы, представленные в рельефе низменностями и возвышенностями. Например, Прикаспийская низменность соответствует Прикаспийской синеклизе.

Суть колебательных (эпейрогенических) движений сводится к тому, что огромные участки литосферы испытывают медленные поднятия или опускания. Они являются преимущественно вертикальными, глубинными, проявление их не сопровождается резким изменением первоначального залегания горных пород. Эпейрогенические движения были повсюду и во все времена геологической истории. Происхождение колебательных движений объясняется гравитационной дифференциацией вещества в Земле: восходящим токам вещества отвечают поднятия земной коры, нисходящим – опускания. Скорость и направление (поднятие – опускание) колебательных движений меняются и в пространстве, и во времени. В их последовательности наблюдается цикличность с интервалами от многих миллионов лет до нескольких тысяч столетий.

Основным следствием колебательных (эпейрогенических) движений являются перераспределение соотношения между площадями суши и моря (регрессия, трансгрессия). При колебательных движениях граница между сушей и морем смещается вследствие расширения площади моря за счет сокращения площади суши или сокращения площади моря за счет увеличения площади суши. Если суша поднимается, а уровень моря остается неизменным, то ближайшие к береговой линии участки морского дна выступают на дневную поверхность – происходит регрессия, т.е. отступание моря.

Опускание суши при неизменном уровне моря, либо повышение уровня моря при стабильном положении суши влечет трансгрессию (наступание) моря и затопление более или менее значительных участков суши. Таким образом, главной причиной трансгрессий и регрессий являются поднятия и опускания твердой земной коры.

Складкообразовательные (орогенические) движения – движения земной коры, в результате которых образуются складки, т.е. различной сложности волнообразный изгиб пластов. Они отличаются от колебательных (эпейрогенических) рядом существенных признаков: эпизодичны во времени, в отличие от колебательных, которые никогда не прекращаются; не повсеместны, и каждый раз приурочены к относительно ограниченным участкам земной коры. Охватывая очень большие промежутки времени, складкообразовательные движения, тем не менее, протекают быстрее, чем колебательные, и сопровождаются высокой магматической активностью. В процессах складкообразования движение вещества земной коры всегда идет по двум направлениям: и горизонтально, и вертикально. Следствием горизонтального движения и является образование складок, надвигов и т.п. Движение вертикальное приводит к поднятию сминаемого в складки участка литосферы и к его геоморфологическому оформлению в виде высокого вала – горного хребта. Складкообразовательные движения характерны для геосинклинальных областей и слабо представлены или совсем отсутствуют на платформах.

Колебательные и складкообразовательные движения – это две крайние формы единого процесса движения земной коры. Колебательные движения первичны, универсальны, временами, при определенных условиях и на определенных территориях они перерастают в орогенические движения, тогда в поднимающихся участках возникает складчатость.