ГЕОФИЗИКА В ТЕКТОНИКЕ ПЛИТ Основы Физики Земли Лекция

ГЕОФИЗИКА В ТЕКТОНИКЕ ПЛИТ Основы Физики Земли Лекция 9

Региональная гравиметрия Литосфера и астеносфера континентов и океанов Литосфера отличается от астеносферы стилем деформирования. Литосфера деформируется путем разрушения по разломам. В астеносфере –вязкое течение. Температурный профиль Т(h) в мантии пересекается с геотермой солидуса − начала плавления на двух глубинах – верхней и нижней границах астеносферы. n Границы астеносферы с литосферой и нижележащей мантией не резкие. Свойства меняются в соответствии с концентрацией расплава базальтов. Скорость течения в мантии определяется вязкостью. Вязкость зависит от степени плавления вещества и температуры. В астеносфере степень плавления до 5 %, вязкость – 1017− 1019 Па∙с. n 2

Параметры верхней части оболочки Земли Параметры Области КРАТ Толщина литосферы, км 300 ОНА КРЗ ОК ОРХ 200 100 200 50 Свойства литосферной мантии Плотность σ, г/см 3 3, 34 3, 32 3, 30 3, 31 3, 28 Скорость v. P, км/с 8, 5 8, 2 7, 8 8, 0 7, 6 Электропроводность, См/м 10 -4 10 -3 10 -2 Вязкость, Па∙с 1024 1022 1020 1021 1020 Свойства астеносферы Плотность σ, г/см 3 3, 32 3, 30 3, 27 3, 28 3, 25 Скорость v. P, км/с 8, 2 7, 8 7, 5 7, 6 7, 3 Электропроводность, См/м 10 -3 10 -2 0, 1 10 Вязкость, Па∙с 1020 1018 1017 1018 1016 Глубина верхней границы ФПЗ 450 420 400 420 380 Глубина нижней границы ФПЗ 650 670 700 670 720 Температура на h = 400 км, °С 700 850 950 850 1000 3

n Астеносфера как область пониженной скорости сейсмических волн и повышенной электропроводности обнаружена методами сейсмологии и глубинными электромагнитными зондированиями. n Задача раздельной оценки толщины и свойств астеносферы неоднозначна. Сейсмические методы могут это преодолеть при плотной сети сейсмических лучей с использованием методов сейсмической томографии. Пока для этого недостаточно информации. n Кинематические модели тектоники плит рассматриваются вне зависимости от структурной и реологической неоднородности литосферы или астеносферы. Такие модели – это первое приближение к картине движений. n В этих движениях литосфера считается жесткой, плиты движутся относительно конвектирующей верхней мантии. 4

Основные положения тектоники плит n n В классической тектонике плит было 7 крупных жестких плит. Деформации предполагались лишь на их границах. Границы – разломные зоны: океанические рифты (зоны спрединга); островные дуги − активные зоны сочленения континентов и океанов (субдукции); трансформные разломы, которые соединяют: а) части смещенных хребтов; б) хребет с дугой; в) дугу с дугой. Спрединг – раздвижение литосферных плит в рифтовых зонах. Субдукция – поддвиг океанических плит под более легкие континентальные. Коллизия – столкновение континентальных плит с утолщением литосферы. Современная концепция включает 17 крупных и малых плит. Помимо движения плит, она учитывает тектонические процессы внутри плит: относительные смещения террейнов, микроконтинентов, коллизионные складчатость и магматизм, эволюцию задуговых бассейнов, аккреционные призмы в зонах субдукции. 5

6 6

n n n Перемещения плит относятся к одному из типов: а) спрединг на дивергентных границах (рифтах); б) поддвигание одной плиты под другую на конвергентных границах (субдукция) или коллизия в областях сжатия; в) горизонтальное смещение по трансформным разломам. Перемещения плит описываются теоремой Эйлера: это вращения вокруг осей от центра Земли в эйлеровы полюса. Трансформные разломы – по отрезкам окружностей с центрами в этих полюсах. Сначала источником движений считали верхнемантийную конвекцию. Сейчас главную причину плит видят в затягивании плит в зонах субдукции их частями, в которых увеличивается плотность из-за фазовых превращений (базальт коры – эклогит на глубине ~ 30 км, оливин – шпинель вблизи границы переходной зоны мантии). 7

Элементы плитной тектоники Рифтовая зона океана – спрединг, трансформные разломы. Зона субдукции и островная дуга со стратовулканами. Горячая точка и вулкан. Рифтовая зона на континенте. 8

9 9

Коллизия Индостан – Тибет 10

Скорость движения плит по GPS-данным 11

Сейсмология Сейсмологические данные, обосновавшие тектонику плит: – распределение эпицентров землетрясений; – распределение очагов по глубине в рифтовых зонах, активных континентальных окраинах (зонах субдукции) и внутриконтинентальных зонах сжатия (коллизии); – механизмы очагов в основных сейсмических зонах: спрединга, субдукции и коллизии, трансформных разломах, континентальных рифтах; – строение литосферы зон спрединга, субдукции и коллизии, пассивных континентальных окраин. 12

Распределение эпицентров землетрясений 13

n n n Более 90 % энергии землетрясений – в Тихоокеанском поясе, 10 % – в Альпийско-Гималайском поясе; океанические рифтовые зоны и внутри плит – менее 5 % сейсмической энергии. Это связано с механизмами очагов. Тихоокеанский и Альпийско-Гималайский пояс – горизонтальное сжатие, рифтовые зоны – растяжение. При сжатии могут накапливаться большие напряжения: прочность пород на сжатие на два порядка больше прочности на растяжение. Разрушение – по плоскостям максимальных скалывающих напряжений. В геологическом смысле это: а) взбросы и надвиги активных континентальных окраин; б) сдвиги, надвиги и взбросы во внутриконтинентальных областях сжатия; в) сбросы и сдвиги в океанических хребтах с рифтами и трансформными разломами, в континентальных рифтовых зонах. 14

n n Плотная цепь эпицентров опоясывает с запада, севера и юго-востока Тихий океан. Здесь, кроме побережья Северной Америки, велика роль глубокофокусных землетрясений (до 700 км). Пример – распределение эпицентров землетрясений с глубиной более 60 км вблизи Японии. → Глубина очагов, км: 1) 61– 100, 2) 101– 200, 3) 201– 300, 4) 301– 400, 5) 401– 500, 6) более 500 км 15

Яванская островная дуга: очаги 1990 -2000 гг. 16

Плита Наска – Южная Америка (Анды) 17

Японские и Курильская островные дуги: очаги 1990 -2000 гг. 18

Механизмы очагов в зоне субдукции n n Очаги зоны Беньоффа отмечают направление погружения литосферы и угол, под которым она уходит в мантию. Смещения в очагах – вверху растяжение, ниже сжатие вдоль плиты. Вдоль верхней границы – растяжение до 100 км, и сжатие ниже 300 км. На глубинах 400– 600 км преобладает сжатие вдоль плиты. 19

n Сейсмические пояса – зоны, где происходят относительные движения плит. Цепь эпицентров мелкофокусных землетрясений – границы плит в рифтовых зонах океанов. Тройные сочленения в местах схождения плит. Ширина цепи эпицентров в океанах около 20 км (глубина очагов редко превышает 10 км), в зонах трансформных разломов области эпицентров становятся шире. 20

Литосфера и астеносфера СОХ 21

Строение земной коры пассивной окраины континента (Африка – Атлантический океан) 22

Горячие точки – реперы для оценки абсолютных скоростей движения литосферных плит 23

24

Изостазия в тектонике плит n n n Нарушения изостазии определяются распределением напряжений сжатия и растяжения. На континентах и океанах изостазия выполняется на 95% по соотношению масс и на 99, 5 % по отклонениям от гидростатики на поверхности компенсации (~ 75 км). Наибольшие нарушения изостазии типа недокомпенсации отмечены по периферии Тихого океана и в Индонезии. Небольшие нарушения изостазии имеются в горных областях, где развитие идет в обстановке горизонтального сжатия, что препятствует изостатическому регулированию. В рифтовых зонах, несмотря на активные структурообразующие процессы, которые идут в направлении нарушения изостазии, новейшие структуры близки к равновесию (причина – растяжение литосферы). Горизонтальное растяжение способствует блоковым движениям восстановления изостазии. В областях активизации астеносфера имеет низкую вязкость, и скорость изостатического регулирования наиболее велика. 25

Магнитное поле океанов n n Относительные движения плит установлены по полосовым магнитным аномалиям. Впервые они обнаружены в восточной части Тихого океана. → 26

Гипотеза Вэйна – Метьюза n Магнитные аномалии океанов – полосы разного знака с амплитудой до 3000 н. Тл. n Для них характерны: а) параллельное простирание вдоль рифтовых долин; б) симметрия аномалий на разном удалении от рифтов; в) небольшая глубина аномальных тел: до 3 км от дна океана. 27

28

n В океанической литосфере нет значительных неоднородностей состава. Магнитным аномалиям не соответствуют гравитационные, что должно было быть, если бы аномалии были вызваны различием магнитной восприимчивости тел (было бы и различие плотности). n Естественно предположение, что магнитные аномалии связаны с разным направлением намагничивания. n Ф. Вэйн и Д. Метьюз [1963] сопоставили профили магнитных аномалий с палеомагнитной шкалой А. Кокса путем подбора линейного масштаб на профилях и масштаба времени на палеомагнитной шкале и обнаружили, что положительные магнитные аномалии соответствуют эпохам прямой полярности геомагнитного поля, отрицательные – обратной. 29

Возраст океанического дна 30

Возраст океанического дна 31

Большие горизонтальные перемещения плит n n n Горизонтальные перемещения континентов на большие расстояния до совмещения их границ (материкового склона) геологи (еще до А. Вегенера) предполагали на основе следующих данных: а) сходство формы береговых линий Африки и Южной Америки и элементов геологической структуры материков, разделенных океаном; б) сходство биоты на разделенных океанами материках и коренное различие фауны в некоторых частях континентов (например, к северу и югу от Гималайского горного пояса); в) угольные месторождения, эвапориты в высоких широтах, ледниковые отложения в тропиках. Наибольший вклад в обоснование больших горизонтальных перемещений литосферных плит внес палеомагнетизм. 32

n n Регулярное смещение палеополюса данного региона плиты означает движение плиты, так как магнитный полюс, если поле остается дипольным, не может сильно менять свое положение: за время ~ 104 лет он в среднем совпадает с географическим полюсом. Различие траекторий полюсов во времени для разных плит означает дифференциальное движение этих плит. 33

Реконструкция литосферных плит 34

Механизмы движения плит n О значении механизмов движения плит свидетельствует, в частности, факт, что гипотеза Вегенера была отвергнута, так как в ней не было механизма движений континентов. Петрологическая модель плит [Ringwood, 1968] 35

n n В тектонике плит рассматриваются три механизма: 1) верхнемантийная тепловая конвекция; 2) расклинивание литосферы в рифтовых зонах поступающим снизу веществом астеносферы и сползание литосферных плит с астеносферного выступа; 3) затягивание литосферы в мантию в зонах субдукции из-за увеличения ее плотности при фазовых переходах. Эти факторы могут действовать совместно, одна причина не исключает другие. Механизм взаимодействия каждой плиты с соседними зависит от размеров и формы плит, границ между ними. Перечисленные механизмы действуют на разные части литосферы. Конвекция в мантии является самым общим. Пока точно не сформулированы условия, при которых верхний пограничный слой конвективной ячейки сцеплен с литосферой и тащит ее, а при каких течение в мантии происходит под жесткой неподвижной покрышкой. 36

n Проблема механизма движений плит сложна. Число плит не очень велико, они все различаются по основным характеристикам: n − скорости конвективных течений в мантии под плитой; n − скорости погружения плиты в зоне субдукции (сближения плит в зонах Беньоффа); n − протяженности зон спрединга или субдукции относительно периметра плиты; n − относительной части площади плиты, занятой континентами; n − углу наклона погружающейся плиты, его изменению по глубине, максимальной глубине очагов в зонах субдукции; n − механизму очагов землетрясений в плите на разных глубинах, особенно глубокофокусных. 37

Роль верхнемантийной конвекции n n n Сила вязкого сцепления литосферы с мантией может быть активным фактором, когда скорость конвекции больше скорости перемещения, либо тормозящим, когда причиной движения плиты является субдукционное затягивание. Важна роль континентальных утолщений литосферы: они способствуют движению плиты под действием конвекции, но тормозят движение в иных случаях. Разрешить альтернативу можно сравнением скорости движений плит (по данным GPS) с оценками скоростей конвекции в геодинамических моделях. Жесткость литосферы и текучесть астеносферы – упрощение. Граница между ними не резкая. В литосфере вязкость выше, но течение возможно. Его скорость при одном уровне касательных напряжений меньше, чем в астеносфере. При одинаковой скорости течения в литосфере поддерживаются более высокие скалывающие напряжения. 38

Рифтовые механизмы движений плит 1. Конвекция первична. Скорость раздвижения литосферы определяет скорость внедрения материала астеносферы в рифтовых зонах. Толщина литосферы в разных океанах одинаково зависит от ее возраста. 2. Первично раздвижение плит внедряющимся материалом астеносферы. Как далеко действует расклинивающий эффект магмы, зависит от временных характеристик: короткие импульсы внедрения упруго деформируют литосферу, длинные − вызывают ее вязкое течение. 3. Главная сила – сползание плит с хребта (выступа астеносферы). Высота хребтов над океаническими котловинами ~ 3 км. Разница толщина литосферы под котловинами и рифтами ~ 50 км, наклон границы астеносферы – 3− 5°. Если бы рифтовые механизмы были главными, наибольшую скорость раздвижения должны были иметь плиты, разделяемые Срединно-Атлантическим хребтом. В действительности это не так. 39 Все гипотезы требуют проверки.

Скорость погружения в зоне субдукции Зависимость глубины максимума сейсмической энергии от скорости сближения плит 1 – Румыния, 2 – Гиндукуш, 3 – Новая Зеландия, 4 – Зондский желоб, 5 – о. Кермадек, 6 – желоб Идзу-Бонин, 7 – Южная Америка, 8 – Курилы, Камчатка, 9, 10 – о-ва Тонга, 11 – Новые Гибриды, 12 – Филлипины Вероятность разрушения плиты пропорциональна скорости погружения: при большой скорости плита меньше нагревается за счет теплопроводности. 40

Относительная доля конвергентной границы n Из сопоставления абсолютной скорости плит с относительной протяженностью зоны субдукции видно, что плиты с большой протяженностью зоны субдукции имеют и большую скорость перемещения. Но простой зависимости не наблюдается. 41

n Причина затягивания литосферы в зоне субдукции – повышение плотности в плите из-за фазовых переходов: а) базальта океанической коры в эклогит с увеличением плотности на 0, 5 г/см 3; б) оливина в структуру шпинели с ростом плотности на 0, 4 г/см 3 на верхней границе ФПЗ (400 км); литосфера холоднее окружающей мантии (на 200− 300 °С), переход в плите происходит при меньшем давлении (на меньшей глубине); высота выступа этой границы ФПЗ в плите составляет 20− 40 км. в) но переход шпинель – перовскит (скачок ~ 0, 5 г/см 3 ) в плите – на большей глубине, чем в соседних областях мантии; эта структура тормозит движение плиты вниз, т. к. имеет положительную плавучесть. n Поэтому литосферные плиты не могут проходить нижнюю границу ФПЗ, а глубина очагов ≤ 700 км. 42