Тектоника плит — современная парадигма в науках о земле. История её появления полна драматических событий.
Предшественники
В конце XIX в. английский пастор и физик Османд Фишер написал книгу “Физика земной коры” (Fisher, 1889).
В этой работе О. Фишер, исходя из идеи об изостатическом равновесии материков, впервые правильно определил среднюю толщину континентальной земной коры в 20–25 географических миль, т.е. 37–46 км (в среднем около 40 км).
Свои геологические построения Фишер основывал на наблюдениях за перемещением заcтывших лавовых корок лавового озера вулкана Килауэа на Гавайях. Он заметил, что они всегда двигаются от трещин, заполнявшихся огненно-жидкой магмой (из которой при остывании и формировались сами корки) к местам их торошения и погружения в глубины расплавленной магмы лавового озера.
Фишер полагал, что на Земле существуют структур растяжения и сжатия (эта мысль очевидная сейчас, в те времена не пользовалась популярность и большинство исследователей полагали, что преобладают напражения сжатия).
На основании таких наблюдений он сделал вывод, что в таких местах как Исландия происходит ратяжение коры, а по побережью Тихого океана сжатие.
Движущим механизмом, перемещающим блоки земной коры, по мнению Фишера, служат конвективные течения вещества подкорового субстрата.
Теория геосинклиналей
Основой теоретической геологии начала 20-го века была контракционная гипотеза. Земля остывает подобно испеченному яблоку, и на ней появляются морщины в виде горных хребтов. Развивала эти идеи теория геосинклиналей созданная на основании изучения складчатых сооружений. Эта теория была сформулирована Дж. Дэна, который добавил к контракционной гипотезе принцип изостазии. Согласно этой концепции Земля состоит из гранитов (континенты) и базальтов (океаны). При сжатии Земли в океанах-впадинах возникают тангенциальные силы, которые давят на континенты. Последние воздымаются в горные хребты, а затем и разрушаются. Материал который получается в результате разрушения откладывается во впадинах.
Теория дрейфа материков
Против этой схемы выступил немецкий ученый метеоролог — Альфред Вегенер. 6 января 1912 года он выступил на собрании Немецкого геологического общества с докладом о дрейфе материков. Исходной посылкой к созданию теории стало совпадение очертаний западного побережья Африки и восточного Южной Америки. Если эти континенты сдвинуть, то они совпадают, как если бы образовались в результате раскола одного материка.
Вегенер не удовлетворился совпадением очертаний побережий (которые неоднократно замечались до него), а стал интенсивно искать доказательства теории. Для этого он изучил геологию побережья обоих континентов и нашел множество схожих геологических комплексов, которые совпадали при совмещении, так же как и береговая линия.
Другим направление доказательства теории стали палеоклиматические реконструкции, При этом он фактически заложил основы палеоклиматологии — науки о реконструкциях климата в древних геологических эпохах. Востановив положение климатических зон на континентах в разные геологические эпохи, Вегенер ясно показал, что при современном расположении континентов климатическая зональность древних геологических эпох необъяснима, но всё становится на свои места, если предположить, что Африка, обе Америки и Индия образовали единый континентальны блок.
Так же доказательством теории стали палеонтологические и биогеографические аргументы. Многие животные и растения имеют ограниченные ареалы, по обе стороны Атлантического океана. Они очень схожи, но разделены многокиллометровой водной пустныей, и для них трудно предположить, что они пересекли океан, или прорыли трансатлантические норы.
И наконец Вегенер стал искать геофизические и геодезические доказательства. В 1923 году он отправляется в Гренландию, чтобы измерить с высокой точностью её положение, и доказать, что расстояние между Европой и Гренландией непрерывно увеличивается. Во время этой экспедиции он гибнет, но перед смертью он уже знает, что научное сообщество не приняло его теорию.
Критика теории дрейфа и отказ от теории
Изначально теория дрейфа материков было принята научным сообществом благосклонно, но в 1922 году она подверглась жесткой критике со стороны сразу нескольких известных специалистов. Главным аргументом против теории стал вопрос о силе двигающей плиты. Вегенер полагал, что континенты двигаются по базальтам океанического дна, но для этого требовалось огромное усилие, и источника этой силы никто назвать не мог. В качестве источника движения плит предлагались сила Кориолиса, приливные явления и некоторые другие, однако простейшие расчеты показывали, что всех их абсолютно недостаточно, для перемещения огромных континентальных блоков.
Критики теории Вегенера поставили во главу угла вопрос о силе двигающей континенты, и проигнорировали всё множество фактов безусловно подтверждавших теорию. По сути они нашли единственный вопрос в котором новая концепция была бессильна и без конструктивной критики отвергли основные доказательства. После смерти Альфреда Вегенера теория дрейфа материков была отвергнута, и подавляющее большинство исследований продолжали проводиться в рамках теории геосинклиналей. Правда и ей пришлось искать объяснения истории расселения животных на континентах, для этого были придуманы сухопутные мосты, соединявшие континенты, но погрузившиеся в морскую пучину. Это было ещё одно рождение легенды о Атлантиде. Стоит отметить, что не все ученые признали вердикт мировых авторитетов и продолжили поиск доказательств движения материков. Так Дю Тойтом образование гималайских гор было объяснено столкновением Индостана и Евразийской плиты.
Появление тектоники плит
Вяло текущая борьба фиксистов, как назвали сторонников отсутствия значительных горизонтальных перемещений, и мобилистов, утверждавших, что они всё таки двигаются, с новой силой разгорелась в 1960-х годах, когда в результате изучения дна океанов были найдены ключи к понимаю машины Земля.
К началу 60-х годов была составлена рельефа дна Мирового океана, которая показала, что в центре океанов расположены срединно-океанические хребты, которые возвышаются на 1.5-2 км над абиссальными равнинами, покрытыми осадками. Эти данные позволили Р. Дицу и Г. Хессу в 1962—1963 годах выдвинуть гипотезу спрединг(see flow spreading — растекание морского дна). Согласно этой гипотезе, в мантии происходит конвекция со скоростью около 1 см\год. Восходящие ветви конвекционных ячеек выносят под срединно океаническими хребтами мантийный материал, который обновляет океаническое дно в осевой части хребта каждые 300—400 лет. Континенты не плывут по океанической коре, а перемещаются по мантии, будучи пассивно впаяны в литосферные плиты. согласно концепции спрединга, океанические бассейны структуры непостоянные, неустойчивые, континенты же — устойчивые.
В 1963-ем году гипотеза спрединга получает мощную поддержку в связи с открытием полосовых магнитных аномалий океанического дна. Они были интерпретированы Р. Мэйсоном и независимо Ф. Вайном и М. Мэтьюзом, как запись инверсий магнитного поля, зафиксированная в намагниченности базальтов дна океана. После этого тектоника плит начала победное шествие в науках о Земле. Всё больше ученых понимали, что, чем тратить время в защите концепции фиксизма, лучше взглянуть на планету с точки зрения новой теории и наконец-то начать давать реальные объяснения сложнейшим земным процессам.
Горячие точки
В 1963 году Т. Вилсон (Wilson) первым выдвинул идею, что Гавайские острова образовались в результате движения океанической литосферы над стационарной "горячей точкой". В 1971 году Морган (Morgan) предположил, что горячие точки возникают за счет вертикальных потоков в мантии - плюмов.
Для теории тектоники плит очень ценной оказалась одна особенность горячих точек - их неподвижность. Это позволило найти точки отсчета для непрерывно перемещающихся плит и определить не только относительные, но и абсолютные их перемещения.
В дальнейшем теория плюмов и горячих точек несколько отделилась от классической тектоники плит и стала применяться для объяснения чуть ли не всех внутриплитных тектонических и магматических процессов, в то время как тектоника плит использовалась для описания процессов на границах плит.
Затем последовали многочисленные исследования внутриплитного магматизма и концепция плюмов нашла широкое применение. Плюмами стали объяснять крупнейшие магматические провинции, вулканические континентальные окраины, океанические плато, разбросанные по океанической коре подводные горы (симаунты) и цепочки океанических островов.
Последнее время ряд исследователей во главе с Джилианом Фолгером (Dr Gillian R Foulger (University of Durham, UK)) [ http://www.agu.org/pubs/crossref/2006/2006EO070004.shtml выступили с утверждениями], что теория плюмов находится в кризисе. Они утверждают, что сейчас плюмы используются для того, что бы объяснять любой "загадочный" магматизм.
Из концепции плюмов следует несколько предсказаний:
- это узкие вертикальные сейсмические аномалии, трассируемые сквозь всё мантию
- высокие температуры мантии в плюме и производимой им магмы
- относительная неподвижность горячих точек
Становление тектоники плит
Сейчас тектоника плит подтверждена прямыми измерениями скорости плит методом интерферометрии излучения от далеких квазаров. Результаты многолетних исследований полностью подтвердили основные положения теории тектоники плит.
Тектоника плит в СССР
Ссылки
Статья
Обсуждение