Научное обоснование геоморфологии океанических бассейнов

Теперь уже читателю, по-видимому, становится ясно, что простых описаний рельефа дна недостаточно, чтобы объяснить всю природу морфологии океанических бассейнов. Почему дно Тихого океана сильнее нарушено и более изрезано, чем Атлантического (рис. 4.4)? И наоборот, почему в Атлантике развит непрерывный хребет, который не только расположен посередине океана (рис. 4.5), но и изгибается, повторяя очертания берегов Американского континента на западе и Евро-Африканского на востоке? И почему высоты

 

земной поверхности подчиняются бимодальному распределению (гистограмма на рис. 4.3)?

Убедительные ответы на эти вопросы можно получить в рамках глобальной геологической теории, называемой тектоникой плит. Это новая научная концепция, ее возраст не превышает четверти века. Она вызвала подлинный «взрыв» новых идей об океанах и континентах, о том, как они формируются и перемещаются, появляются и исчезают. В ней слились воедино две более ранние гипотезы глобальной геологии, поэтому краткое их описание послужит также описанию тектонической теории. Однако предупреждаем читателя — главное внимание в книге по-прежнему будет направлено на собственно жидкий океан. Здесь нам необходимо дать краткий очерк глобальной геологии, чтобы не нарушать стройной картины введения в океанологию. Об удивительно быстром развитии самой теории тектоники литосферных плит будет говориться в гл. 21.

Дрейф континентов — шаг к тектонике плит.В XV в. бурно расширялись морские экспедиции, так как алчность и любопытство гнали искателей удачи из Западной Европы открывать новые берега. Однако до появления в XVIII в. судового хронометра, позволившего морякам точно определять долготу во время плавания, карты этих новых берегов были весьма приблизительными. Вместе с новыми точными картами пришло поразительное открытие, что береговые линии обеих Америк, Северной и Южной, с большой точностью соответствуют очертаниям Африки и части Европы. Эти наблюдения побудили ученых собирать разнообразные данные, которые подтвердили бы или отвергли предположение о том, что эти континенты когда-то составляли единое целое.



Одним из первых и стойких защитников теории дрейфа континентов был Альфред Вегенер (1880—1930). В поддержку ее он привлек данные разного рода (см. гл. 21) и объединил их, создав свою версию того, каким образом континенты когда-то составляли огромный суперконтинент, названный Пангеей (см. рис. 21.1). По мнению Вегенера, главный раскол Пангеи начался около 200 млн. лет назад. По мере того как части суперконтинента раздвигались, стали формироваться известные нам теперь континенты и возник Атлантический океан. Однако гипотеза Вегенера породила и другие предположения: например, если Атлантический океан молод, не должны ли породы и осадки его дна тоже быть «молодыми»? Возникли также встречные вопросы. Например, если нет возможности установить источник энергии, правдоподобный с научной точки зрения и достаточно мощный для того, чтобы сдвигать и поворачивать целые континенты, то как можно принимать гипотезу дрейфа всерьез?

Возраст океанического дна: геологические данные. Поддержкой идеи дрейфа континентов и вместе с тем объяснением геоморфологии океанических бассейнов служит тот факт, что нигде на дне океанических бассейнов геологи не обнаружили пород древнее 200 миллионов лет. (В отличие от них породы некоторых континентальных масс, например Восточной Гренландии, датируются возрастом примерно 3,8 миллиарда лет.) По этим данным можно также оценить скорость, с которой расходятся континенты: считая ширину Атлантического океана равной 7000 км и разделив эту величину на 200 млн. лет, получаем скорость расширения океана 3,5 см/год. Примерно с такой скоростью растут ногти у человека.

Срединно-океанические хребты: моложе они или древнее?Если возраст океанического дна имеет предел, то на ум приходит другой вопрос: где дно самое древнее, а где самое молодое? Это важный вопрос, и ответы на него были получены быстро. Например, на рис. 21.6 показано, что наиболее древние участки в Тихом океане располагаются дальше всего от той формы рельефа его дна, которая является ее хребтом, — Восточно-Тихоокеанского поднятия. Подобные же возрастные соотношения были установлены и для других хребтов в других бассейнах. Следовательно, самыми молодыми частями океанических бассейнов являются хребты.

Вопрос об энергии. Вопрос об энергии был разрешен еще до того, как геологи собрали воедино все имеющиеся сведения. Физики и геофизики доказали, что тепло, выделяющееся в результате радиоактивного распада веществ в глубинах Земли, может обеспечить количество энергии, необходимое, чтобы «сдвигать» континенты. Затем надо было описать сам механизм движения. Поскольку самыми молодыми участками океанических бассейнов являются хребты, механизм должен находиться в них самих, и это подводит нас непосредственно к следующей теории.

Теория разрастания океанического дна.Если срединно-океанические хребты являются «источниками» нового материала для дна бассейнов, то этот материал должен поступать из более глубоких горизонтов Земли: никакого иного источника нет. По другим данным нам известно, что земная кора входит в состав твердого слоя (литосферы), который содержит континенты и океанические бассейны и под которым расположен пластичный слой, называемый астеносферой. Следовательно, новый материал должен поступать в бассейны из астеносферы в виде очень вязкой, расплавленной породы, которую называют магмой. На рис. 4.6 показано, как новый материал внедряется в структуру океанического дна.

Магма поднимается из астеносферы и проникает в собственно океаническое дно. На границе с вышележащим океаном внешняя поверхность магматического расплава охлаждается до точки затвердевания. Охлаждение вызывает сжатие только что затвердевшей корочки, в результате чего образуется множество трещин, по которым морская вода проходит вниз и охлаждает вещество, расположенное еще глубже. Это происходит в пределах зон рифтообразования. Ученые начали исследовать такие рифтовые зоны с помощью подводных обитаемых аппаратов. Они обнаружили многочисленные гейзеры, где перегретая вода вырывается из трещин, — явное доказательство присутствия вблизи поверхности горячего магматического материала.

Согласно представлениям о возрасте океанического дна, новообразованная затвердевшая кора, внедрившаяся в зоны хребтов, должна двигаться в направлениях от хребта, как показано на рис. 4.6. Эти особенности дна океанических бассейнов в настоящее время напряженно изучают геофизики. Для такого движения предложено два альтернативных механизма. Первый предполагает, что вязкий материал в астеносфере сам по себе образует гигантские конвективные ячейки и что затвердевшая океаническая кора просто «увлекается» ими. На рис. 4.6 этот механизм показан незакрашенными стрелками. Сторонники второй концепции считают, что хребет существенно возвышается над абиссалью лишь вследствие того, что горячая, расплавленная магма занимает больший объем по сравнению с ее объемом после остывания и затвердевания. Следовательно, остывший и сильно трещиноватый поверхностный слой над магматическим куполом просто «соскальзывает вниз» и в стороны от высокого купола.

Для полноты модель разрастания океанического бассейна должна еще включать процесс, который удаляет вещество древнего океанического дна. Этот вопрос рассматривается в следующем разделе.

Внутренняя согласованность теории разрастания океанических бассейнов. Оба только что описанных механизма способны вызвать движение новообразованной твердой литосферы в стороны от хребтов. Наблюдения определенно подтверждают, что с удалением от хребтов дно становится более древним. Оба механизма объясняют также, почему хребты возвышаются над окружающими их абиссальными равнинами. Кроме того, оказывается, что с удалением от хребтов возрастает мощность толщи осадков, и этот результат соответствует увеличению возраста океанических бассейнов.

Разрастание дна. Тихий океан в сравнении с Атлантическим.Есть ли какие-нибудь различия в самом явлении разрастания Тихоокеанского и Атлантического бассейнов? Одно заметное различие — скорость. Ранее мы привели грубую оценку спрединга в Атлантике — 3,5 см/год между континентами или половина этой скорости при движении от Срединно-Атлантического хребта. Подобный расчет по рис. 21.6 дает для Тихоокеанского бассейна гораздо большую скорость: разделив расстояние от Нижней Калифорнии (Мексика) до Марианского желоба (около 12 000 км) на разницу в возрасте дна на этом участке бассейна (около 136 млн. лет), получим скорость примерно 9 см/год, т. е. в 5 раз большую, чем в Атлантическом океане.

Можно ли этой большой разницей в скорости разрастания морского дна объяснить также, почему в Тихоокеанском бассейне больше подводных гор, чем в Атлантике? Удовлетворительных ответов до сих пор не найдено. Тем не менее логично сделать вывод, что чем большей мощностью обладает механизм разрастания океанического дна, тем вероятнее, что в коре образуется больше трещин, по которым магма внедряется в вулканические постройки, а следовательно, больше должно быть и подводных гор.

Зоны разломов. На физиографической карте дна океанов (рис. 4.1) видно, что вдоль всей системы хребтов имеется множество нарушений. В среднем разрывы располагаются с интервалами около 100 км. Обычно они встречаются парами, т. е. нарушение начинается на одном склоне хребта, переходит через гребень и продолжается вниз на другом склоне. Теперь известно, что эти разрывы фактически представляют собой расколы в дне бассейна, вдоль которых один блок земной коры отодвигается от срединного хребта со скоростью, отличной от скорости соседнего блока: тем самым создается целая зона разлома. (Фактические данные, позволившие сделать это открытие, — еще одна волнующая страница истории тектонической революции в глобальной геологии; подробности см. на рис. 21.7 и 21.8.)

Зоны разломов убедительно доказывают, что новый материал океанического дна в пределах разных участков системы хребтов образуется с разными скоростями. Пока на каждую сторону хребта нового материала выделяется поровну, сама ось хребта не изменяет своего положения. Однако в некоторых местах материал распределяется неравномерно, и ось хребта тоже смешается в поперечном направлении вдоль зоны разлома. Это отчетливо видно (рис. 4.1) в южной части Тихоокеанского бассейна в районе 50° ю. ш., где Восточно-Тихоокеанское поднятие смешается на несколько сотен километров в сторону вдоль двух-трех соседних разломов. Благодаря разломам — этим своеобразным каналам, идущим поперек хребтов, происходит обмен водами между соседними котловинами, разделенными этими хребтами.

Замечено также, что в некоторых зонах разломов соседние блоки смешаются друг относительно друга по вертикали. Особого упоминания заслуживает разлом Мендосино, который тянется на запад от Тихоокеанского побережья Северной Америки у мыса Мендосино (Калифорния). Дно океана на северном крыле разлома из-за вертикального смешения, называемого уступом Мендосино, располагается более чем на 1000 м выше соседнего южного блока. Эта вертикальная стена в дне бассейна протягивается на тысячи километров в западном направлении. Она оказывает огромное влияние на движение глубинных вод в этой части Тихого океана.

Однако предупреждаем читателя, что не все зоны разломов, показанные на карте Хейзена и Тарп, подтверждаются реальными промерами глубин. Изображенные здесь детали рельефа, особенно в южной части Тихого океана, до сих пор не подкреплены данными наблюдений.

Сиаль, сима, иэостазия и закон Архимеда. Новый материал океанических бассейнов, образующийся в центрах спрединга, отличается от тех типов пород, которые слагают континенты. Породы континентов состоят из минералов, богатых силикатами алюминия, и называются сиалическими. Вещество же океанического дна представлено минералами, богатыми силикатами магния, и называется симатическим; его плотность выше плотности пород, слагающих континенты.

Как следует из рис. 4.9, и сиалическая кора континентов, и симатическая океаническая кора «плавают» на кровле вязкой астеносферы. Кора океанических бассейнов из-за своей большей плотности должна быть глубже погружена в мантию, чем континенты. Эта концепция, которую ученые, исследующие Землю, называют изостатическим равновесием или просто изостазией, объясняет, почему океанические бассейны опушены относительно континентов, а континенты приподняты над ними. Океанские воды накапливаются в депрессиях, возникших из-за различия плотностей этих двух материалов.

Концепция изостазии объясняет, как мы уже говорили, бимодальный характер гистограммы высот поверхности (рис. 4.3). Она говорит лишь о том, что суммарный вес океанической коры и покрывающей ее морской воды заставляет ложе океана находиться в настоящее время в среднем на глубине порядка 3900 м. С другой стороны, крупные участки суши плавают в материале мантии так, что средняя высота их поверхности оказывается примерно на 840 м выше уровня моря.

Интересно представить себе, какой вывод сделал бы Архимед, увидев гистограмму, изображенную на рис. 4.3. Этот древнегреческий ученый вывел закон, согласно которому твердое тело до тех пор будет погружаться в жидкость, пока масса вытесненной им жидкости не сравняется с общей массой самого этого тела. Думаю, что если бы Архимед знал о бимодальном характере распределения высот земной поверхности, то пришел бы к заключению, что 1) Земля внутри жидкая и 2) вещество океанических бассейнов отличается от вещества, слагающего материки: его плотность больше, и, следовательно, оно погружается глубже в «жидкую Землю».

Основные представления тектоники плит.Два глубоководных желоба, изображенных на топографическом профиле В—В (рис. 4.4), представляют собой части сложной системы желобов, обнаруженных во всех океанических бассейнах. Правда, большинство желобов расположено по периферии Тихого океана (рис. 4.7).

О существовании желобов известно уже свыше полувека, но происхождение их удалось объяснить лишь в последние два десятилетия благодаря развитию тектоники плит. Новая тектоническая теория стала развиваться после того, как геофизики задались вопросом: «Если вдоль осевых зон хребтов в океанических бассейнах постоянно добавляется новый материал и дно океанов разрастается, то куда девается старое вещество океанического дна?» Куда оно уходит и каким образом? Из других источников мы знаем, что сама океанская вода существует гораздо дольше, чем Атлантическая впадина, возраст которой 200 млн. лет (о происхождении морских солей и морской воды см. гл. 7). Следовательно, должен существовать процесс, в результате которого прежнее морское дно исчезает.

Новая теория утверждает, что вся земная кора разбита на небольшое число отдельных плит. Истинное количество плит достоверно не известно. По-видимому, существует примерно 13 крупных плит, и по мере накопления все новых данных обнаруживаются другие, более мелкие плиты. На рис. 4.8 показаны границы основных плит, известных в настоящее время.

Как говорилось в предыдущем разделе, посвященном теории разрастания океанического дна, считают, что силы, которые перемещают плиты по земному шару, возникают в результате действия трения между литосферными плитами и медленно движущимся веществом вязкой астеносферы. У всех плит, реагирующих на приложенные к ним разные силы, границы, где они соприкасаются, сталкиваясь или проскальзывая одна относительно другой, должны быть зонами средоточия высокой сейсмической активности. (Фактически геофизики узнают, где находятся границы плит, составляя карты эпицентров землетрясений типа той, что показана на рис. 21.9).

Типы границ плит. Границы плит делятся на три типа: дивергентные, конвергентные и границы скольжения. Срединно-океанические хребты являются примерами дивергентных границ: новообразованный материал океанической коры расходится от осевой зоны хребта в противоположных направлениях. На границах второго типа, называемых конвергентными, происходит столкновение двух плит. В некоторых местах две плиты могут просто двигаться в горизонтальном направлении вдоль их общей границы, не сходясь и не расходясь: их можно назвать границами скольжения. Границы всех трех типов — сейсмически активные зоны.

В гл. 21 подробно описано, что геофизики могут использовать еще одну схему классификации плит и их границ. Границы могут быть активными в том смысле, что относительное перемещение происходит в настоящее время. Кроме того, они могут быть пассивными, т. е. мы устанавливаем границы по различиям в геологии, но сейсмическая активность отсутствует; например, сейчас установлено, что Аппалачи представляют собой границу столкновения двух древних плит, когда-то активную, а теперь пассивную.

Сближающиеся плиты: идея субдукции. На рис. 4.9 схематически изображена конвергентная граница между плитами, одна из которых представлена сиалическим материалом континента, а другая — симатической океанической корой.

В тектонике плит предполагается, что океаническая кора будет поддвигаться под континент примерно так, как показано на рисунке. Термин «поддвигание» (субдукция) мы используем в относительном смысле: этот процесс происходит независимо от того, надвигается ли континент на кору соседнего бассейна или океаническая кора поддвигается под континент.

На рис. 4.9 показаны два варианта субдукции — в зависимости от относительной скорости, с которой сближаются две плиты.

1. Когда скорость сближения плит велика, океаническая кора глубоко поддвигается под континент. Именно в этих местах мы обнаруживаем глубоководные желоба. Осадки, сносимые с континента, обычно накапливаются в желобе, но процесс непрерывной субдукции преобладает, так что желоб сохраняется. Трение между погружающейся океанической корой и вышележащей континентальной массой порождает глубокофокусные землетрясения. По мере перемещения коры на большую глубину трение вместе с повышением температуры, как полагают, вызывает повторное плавление вещества коры и внедрение новой порции горячей магмы по трещинам в пределы континента, в результате чего на поверхности образуются новые вулканы. Таково происхождение вулканических цепей, расположенных ближе к суше от границ желобов и параллельных береговым линиям. Классическим примером является вулканическая цепь Анд в Южной Америке.

2. Если скорость конвергенции невелика, субдукция также будет происходить, но с меньшей силой. События и процессы, сопровождающие субдукцию, тоже оказываются ослаблены (рис. 4.9). Осадки, сносимые с континента, могут поступать в желоб быстрее, чем опускается его дно под влиянием тектонических движений, и в результате рельеф желоба стирается. Сейсмичность также будет очень слабой. Примером такой границы является северо-западное побережье США, где осадки, поступающие из реки Колумбии, заполнили некогда существовавший там желоб.

Крайним случаем, вероятно, является граница, где не происходит никакого относительного перемещения между континентом и океаническим бассейном. Примером такой границы является Атлантическое побережье Северной Америки (см. также рис. 21.12), Здесь континент и соседний бассейн движутся с одинаковой скоростью, и, таким образом, здесь нет границы плит.






Дата добавления: 2019-05-06; просмотров: 125;


Поделитесь с друзьями:

Вы узнали что-то новое, можете расказать об этом друзьям через соц. сети.

Поиск по сайту:

Введите нужный запрос и Знаток покажет, что у него есть.
Znatock.org - Знаток.Орг - 2017-2019 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.015 сек.