4. Концепция тектоники литосферных плит и мантийных плюмов.
4.2. Слабые стороны тектоники плит
Тектоника плит хорошо описывает основную часть геологических явлений и процессов, механизмы формирования крупных структур и распределение зон высокой тектоно-магматической активности и многое другое. Поэтому, в настоящее время пространственно-временные закономерности рельефообразования, изменения климата, осадконакопления, метаморфизма и магматизма, формирования месторождений полезных ископаемых, миграции и расселения живых организмов, колебания уровня Мирового океана, выявляемые на основании геоморфологических, палеогеографических, геохимических, петрологических, литологических, геофизических и палеонтологических исследований стали увязываться с историей перемещения литосферных плит, и, как указывалось ранее, теория тектоники литосферных плит превратилась в общую теоретическую основу всех геологических наук [1, 8, 9, 10, 15, 16, 19, 21, 30, 33, 35, 38 и др].
Некоторые аспекты тектогенеза не нашли должного отражения в классической тектонике плит. Это в первую очередь касается природы внутриплитных деформаций и магматизма, периодичности в изменении интенсивности тектонических (и вообще эндогенных) процессов [37]. Также очень важным является определение интервала времени, с которого действует тектоника плит. Разработка этих вопросов интенсивно проводилась с 1970-х гг. и продолжается в настоящее время.
Основные тектоно-магматические процессы сосредоточены на границах плит (см., например, рис. 4.18), при этом отдельные внутренние части плит также могут отличаться развитием довольно значительных тектонических дислокаций и магматических проявлений.
Рис. 4.18. Границы плит, направления и скорости перемещения плит, центры современной сейсмической и вулканической активности.
Это свидетельствует о том, что литосферные плиты не являются монолитными и недеформируемыми, как постулировалось в первоначальном (классическом) варианте тектоники плит.
Природу внутриплитного магматизма сейчас обычно объясняют с позиций концепции “тектоники плюмов” или “плюм-тектоники”, которая является важнейшим дополнением к классической тектонике плит [37]. Характеристика плюмов, включающая глубинные уровни их зарождения, проявления на земной поверхности и другие данные, отражена в пункте 2.2.3. Неоднородность и динамика мантии.
В общем, плюмы представляют собой всплывающее разогретое разуплотненное мантийное вещество, которое в отдельных случаях может “прожигать” литосферу и проявляться на её поверхности центрами магматической деятельности (“горячими точками” ), при этом проявляется магматизм преимущественно щелочно-базальтового состава, что служит указанием на значительную глубину формирования магм, вплоть до нижнемантийного уровня. В связи с перемещениями литосферных плит происходит смещение продуктов магматической деятельности, при этом активным в каждый момент времени является вулканический центр, расположенный непосредственно над плюмом, а в смещенных относительно плюма вулканических постройках процессы магматизма уже не проявляются (т.е. формируется линейная вулканическая зона, которая представляет собой след, оставляемый прохождением литосферной плиты над мантийной струей – плюмом, источник которого считается неподвижным относительно плит). Одним из наиболее ярких примеров вышесказанного является Гавайский плюм, породивший не только одноименные острова, но и Императорский хребет, изучение которых Дж. Вилсоном и Дж. Морганом и привело к появлению гипотезы “горячих точек” и “мантийных струй (плюмов)”. В пределах цепочки Гавайских островов активной в магматическом отношении является лишь её крайняя юго-восточная часть, где расположены широко известные современные вулканы Килауэа, Мауна-Лоа и Мауна-Кеа. В северо-западном направлении они сменяются островами с потухшими вулканами с последовательно увеличивающимся возрастом до 42-43 млн лет (эоцен). Далее Гавайские острова сменяются подводным Императорским хребтом, представленным цепью подводных вулканических возвышенностей в возрастном диапазоне до 78 млн лет (поздний мел) (рис. 4.24).
Рис. 4.24. Изменение возраста вулканов Гавайских островов и подводного Императорского хребта.
Такое закономерное изменение возраста вулканических центров связано с перемещением Тихоокеанской плиты над плюмом, положение которого вышеназванные авторы считали стационарным, а смену северо-западной ориентировки Императорского хребта на запад-северо-западное простирание Гавайских островов они усматривали в изменении направления движения Тихоокеанской плиты (рис. 4.25).
Рис. 4.25. Формирование Гавайского архипелага.
Современными исследователями выделяется около 50 горячих точек в океанах и на континентах (рис. 4.26), с большей частью которых связан вулканизм щелочно-базальтового состава.
Рис. 4.26. Расположение современных горячих точек.
В настоящее время сейсмотомографическим методом устанавливается глубинность плюмов (рис. 4.27), некоторые из них действительно зарождаются в основании нижней мантии, как и предполагали авторы концепции “мантийных плюмов”; с использованием комплекса геохимических и палеогеографических методов изучается постулат о стационарности горячих точек и плюмов, это изучение показало, что положение плюмов не является фиксированным, со временем оно может несколько меняться, правда, скорость относительного смещения горячих точек на порядок ниже скорости движения литосферных плит [36].
Рис. 4.27. Сейсмотомографические разрезы Гавайского и Исландского плюмов.
Несмотря на имеющийся ряд не вполне ясных и спорных вопросов, одним из которых является взаимоотношение горизонтальных участков конвективных мантийных течений с вертикальным плюмовым потоком, концепция плюм-тектоники стала очень популярной и её иногда противопоставляют тектонике плит (плейт-тектонике). С деятельностью плюмов связывают многие вопросы тектоники, магматизма и оруденения, а также периодичность эндогенных процессов и процессы распада суперконтинентов [10, 29, 37]. Многие исследователи считают, что в ранней истории Земли преобладала плюм-тектоника, впоследствии сменившаяся плейт-тектоникой, а некоторые ученые считают, что тектоника плит проявляется лишь в верхней мантии, а в нижней мантии “работает” плюм-тектоника (см., например, рис. 2.51) [36].
Для объяснения внутриплитных тектонических дислокаций привлекаются различные механизмы. Это отдаленное воздействие коллизии крупных плит с “раздавливанием” комплекса промежуточных микро- и мини-плит; импульсы сжатия, исходящие от орогенов и осей срединно-океанских хребтов, которые могут приводить к крупным волнообразным изгибам (литосферным складкам); конвекция, охватывающая материал литосферной мантии и земной коры; “мембранная тектоника”, по которой при смещении литосферных плит из одних широт в другие происходит их деформация, обусловленная изменением кривизны земного эллипсоида вращения [ 36, 37, 38].
Одной из важнейших особенностей Земли является направленность и цикличность её развития, которые в классической тектонике плит практически не рассматривались. Наиболее общим вектором направленности развития является, как ранее отмечалось, неуклонное увеличение объема континентальной коры и ядра Земли, а также замедление темпов эндогенных процессов, проявленное уменьшением во времени скоростей роста коры, интенсивности процессов метаморфизма и, в определенной степени, магматизма, более ограниченное в пространстве проявление тектонических деформаций, что в первую очередь связано с уменьшением величины теплового потока [29, 37]. Данная направленность осложняется цикличностью, которая может иметь различные временные интервалы и природу (обусловленность). Периодичности проявления геологических процессов изменяются от суток и года (например – суточный рост кораллов, формирование ленточных глин) до сотен миллионов лет. Наиболее крупномасштабным проявлением цикличности является периодическое образование суперконтинентов, которое определяет так называемый суперконтинентальный цикл (цикл Вилсона) продолжительностью 600-800 млн лет (см. 2.2.3. Неоднородность и динамика мантии). Периодичностью второго порядка относительно цикла Вилсона являются тектоно-магматические циклы (каледонский, герцинский и др.) продолжительностью 150-200 млн лет, которые часто именуются циклами Бертрана ; далее различают 30-миллионнолетние циклы Штилле , определяющие чередование во времени фаз усиления тектонической активности – орогенических фаз [29]. Это главные цикличности в развитии Земли, определяемые эндогенными факторами, при этом последняя цикличность в ~ 30 млн лет считается главной геологической периодичностью, с которой согласуются длительности большей части геологических периодов (кембрий, силур, триас, палеоген, неоген ~30 млн. лет; ордовик, карбон, юра – 30*2 млн лет), биотические и климатические изменения, частота инверсий магнитного поля [20]. В настоящее время указанные цикличности обычно связывают с изменением характера и глубинного уровня мантийной конвекции (В. Е. Хаин и М.А. Гончаров циклы Вилсона связывают с общемантийной конвекцией, циклы Бертрана – с верхнемантийной компонентой двухъярусной конвекции, циклы Штилле – с конвекцией в астеносфере [37]) или периодичностью отрыва крупных плюмов с границы мантия-ядро (последнее в первую очередь касается 30 млн периодичности) [20]. Существуют и иные предположения относительно цикличности в развитии Земли, в которых основным детонатором активных тектоно-магматических и других процессов считается внешний – космический источник. Так периодичность в 200 млн лет Ю. Н. Авсюк связывает с циклами “прихода-ухода” Луны (т.е. с изменениями расстояния в системе Земля-Луна) [2,3], а А. А. Баренбаум объясняет её особенностями движения Солнечной системы вокруг центра Млечного Пути (один оборот Солнечной системы – галактический год, продолжительность которого составляет также ~200 млн лет), когда она на определенных участках пересекает скопления кометного материала [4]. Попытки объяснения цикличности и интенсивности проявления эндогенных процессов не только чисто земными, но и внешними факторами представляются перспективными, т.к. наша планета является открытой системой, и она испытывает влияние Комоса, которое пока до конца не понято и не осознано в должной мере [29].
Следующим очень важным вопросом является время начала проявления тектоники плит, т.к. первоначально она была ориентирована на объяснение происхождения современных океанов и тектонических движений последних 170-180 млн лет (такой возраст имеют древнейшие осадки в пределах современных океанов). А каков был основной механизм тектогенеза до этого времени?
Практически сразу после изложения основных положений рассматриваемой концепции её стали использовать для объяснения тектонической истории фанерозоя. В настоящее же время тектонику плит используют и при изучении докембрийских образований, при этом некоторые исследователи допускают высокую вероятность её проявления непосредственно с начала геологически документированной истории Земли (4 млрд лет назад), другие ученые отодвигают время начала плейт-тектоники до 3,0-3,5 млрд лет назад, а её предшественницей считают плюм-тектонику, которая хорошо проявлена в пределах наших ближайших космических соседей – Венеры и Марса [35]. При перенесении выявленных особенностей строения и движения современных литосферных плит в отдаленное прошлое необходимо вносить определенные поправки, что связано с необратимым (направленным) развитием Земли, выражающемся, в частности, в её остывании. Поэтому считается, что тектоника плит, аналогичная современной – с относительно крупными и мощными литосферными плитами, с невысокими скоростями их перемещения и упорядоченной конвекцией в мантии – проявляется в последние 1,7 млрд лет, в раннем протерозое (2,5-1,7 млрд. лет назад) господствовала “тектоника малых плит”, а архей является временем “мультиплитной тектоники” и преимущественно хаотической мантийной конвекцией [37]. В раннем докембрии количество литосферных плит превышало современное их число, они обладали меньшими размерами, были менее мощными и двигались с более высокими скоростями, что связывается, в первую очередь, с повышенными значениями теплового потока (рис. 4.28 ).
Рис. 4.28. Один из вероятных механизмов формирования континентальной коры в архее.