Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет

Подождите немного. Документ загружается.

ской работе 1968 г. Формула (127) показывает, каким пу

тем в тектонике плит можно установить мгновенную (в

геологическом смысле) угловую скорость относительного

движения двух смежных плит. Для этого достаточно оп

ределить значение линейной скорости относительного

движения V в какой-либо точке п угловое расстояние

этой точки от полюса вращения. Сам полюс вращения

можно определить, если в двух точках а и Ь границы

Р а сст о ян и е о/ л / го / г/ о са

с коо рд и н а т а м и 7 /°/0 Ж ,7 Г 8 ° & 4 . ,к м

«> ff)

Рис. 60. Сопоставление скоростей спрединга в Тихоокеаиско-Антарктиче

ском хребте со скоростями спрединга модели, рассчитанной для полюса,

находящегося в точке с координатами 7 Г ю. ш., 118° в. д., при Кшах =

= 5,7 см/год (прерывистая линия). Слева показано геометрическое по

строение дли определения скорости в точке К, находящ ейся на угловом

расстоянии Д от полюса вращения Р. Кружки и крестики — скорости

спрединга по данным наблюдений (Морган, 19С8).

шшт А н Б (рис. 61, /) .задано направление относитель

ного вращения плит. Эти направления обычно отсчитыва

ются от географических меридианов, н соответствующие

углы называются азимутами. 11а рис. 61, / азимуты в точ

ках а и Ъ обозначены через а1 н а-,. Легко видеть, что

отрезки дуги большого круга, соединяющие полюс вра

щения О шшт с точками а и Ь, будут перпендикулярны

к направлениям относительного движения в этих точках.

Это обстоятельство п положено в основу определения

на сфере географических координат полюса вращения.

Направление относительного вращения плит фиксируется

ТР или просто разломами, поэтому хорошо закартнрован-

iimo разломы позволяют определять географические коор

динаты полюсов относительного вращеппя плит. Во вто

ром методе определения направлений относительного вра

щения плит используются данные сейсмологии о меха

низмах очагов землетрясений (см. § 1.4). Направление

ментора подвижки в очагах землетрясений па ТР п опре

деляет искомое направление движения плит.

Рис. 61. Системы координат, используемые для расчета параметров отно

сительного вращения плит. I — определение полюса вращения по на

правлениям движения (Р — северный полюс Земли; О — полюс вращения

п.шт Л и Б; я, у, г — координатные оси. проходящ ие через центр и по-

лю<а вращения Земли); И — сферический треугольник; III— разложение

нектаров относительной скорости Vjj и SJj на составляющие.

Используемая в тектонике плит система координат по

казана па рис. 61,111. Наряду с географической системой

координат там показаны декартовы координаты — ось х

проходит через Гринвичский меридиан, ось у в направ

лении с запада па восток п ось z направлена вдоль оси

вращения Земли к северному полюсу. Долгота отсчиты

вается от Гринвичского меридиана к западу п востоку.

Вектор мгновенной угловой скорости относительного вра

щения /-й пары плпт определяется тремя числами fij =

= {cpj, О,-, <Bj} — долготой cpj, широтой 0j и абсолютной ве

личиной COj.

Угловое расстояние А в (127) между /-м полюсом вра

щения (<pj, Oj) и точкой с географическими координатами

(ср, 0), расположенной на одной из двух рассматривае

мых плпт, можно рассчитать по формуле

cos А = sin 0 sin 0/cos ср cos(p, + sinrp sin фл) -Ь cos 0 cos 0j,

(128)

где 0 == я/2 — 0 — полярное расстояние, 0 — широта. Эту

формулу легко получить, если образовать скалярное про-

изведегше двух радиусов векторов, направленных в полюс

вращения плиты и рассматриваемую точку. Формулы

(127) и (128) позволяют элементарным путем рассчитать

линейную скорость относительного движения для произ

вольной точки двух рассматриваемых плит.

Как построение модели внутреннего строения Земли

является центральной задачей физики Земли, так и по

строение мгновенной, современной кинематической моде

ли движения литосфериых плит занимает центральное

место в тектонике плит.

Построение эффективной глобальной кинематической

модели начинается с ее параметризации — выбора мини

мального числа литосфериых плит, относительные дви

жения которых могут достаточно точно описать движе

ния земной поверхности. Эту проблему следует отличать

от вопроса, сколько плит в настоящее время существует

на поверхности Земли. На последний вопрос, видимо, не

возможно дать удовлетворительного ответа* так как все

зависит от критериев, принятых для минимального раз

мера плит и минимального относительного движения на

границах плит, от детальности региональных построений

п т. и. Поэтому, когда говорят о параметризации модели,

то под этим понимают выбор минимального числа плпт,

необходимого для построения удовлетворительной гло

бальной модели. В действительности литосфера разбита

на значительно большее число плит. Ниже будут приве

дены параметры одной из лучших современных глобаль

ных моделей, построенной американскими геофизиками

Мннстером н Джорданом в 1978 г. В их модели литосфе

ра разбита па 11 главных плпт, перечисленных в начале

§ 8.3.3.

При решении региональных геологических задач глав

ные плиты иногда бывает необходимо разбить на несколь

ко самостоятельных частей. Так, на рис. 54 обозначена

Филиппинская плита и микроплпта Горда (на западной

окраине СА плиты), которые в модели Мипстера и Джор

дана пе выделены в главные плиты. При рассмотрении

сложных геологических регионов, например Средиземно

морья, число добавочных мнкроплит, необходимых для

удовлетворительного описания кинематики земной по

верхности, может доходить до 15. В глобальных построе

ниях движения в сложных геологических регионах, кото

рые по площади составляют лишь небольшую долю зем

ной поверхности, описывается лишь в среднем. В этом

смысле глобальные модели тектоники плит похожи на со-

"ременные модели Земли (§ 7.3), которые также дают

усредненные параметры горнзонталыю-неоднородиых сло

ен земных недр.

Минетер и Джордан обозначили свою мгновенную ки

нематическую модель 1978 г. RM2 (Relative Motion 2 —

модель относительного движения 2) в отличие от их ши

роко известной модели 1974 г.—RM1. При определении

I еографпческих координат полюсов вращения н угловых

скоростей относительного движения плит был использо

ван следующий набор данных: 110 значении скоростей

разрастания океанического дна, 78 азимутов ТР, указыва

ющих направления относительного движения плит, и

Н2 значения вектора подвижки, определенные по меха

низмам очагов землетрясений на ТР. Скорости находи

лись с помощью геомагнитной хронологической шкалы,

причем интервал времени, по которому производилось

усреднение, не превосходил 3 миллионов лет. Таким об

разом, в модели RM.2 геологическое мгновение имеет дли

тельность ~ 3 миллионов лет, что заметно меньше, чем

интервал времени, но которому производилось усреднение

в модели RM1 (5—10 миллионов лет). Данные об относи

тельном движении плит относились лишь к таким парам,

в которые входила по крайней мере одна океаническая

плита.

Для определения средних параметров полюсов враще

ния и угловых скоростей использовался метод наимень

ших квадратов. В методе наименьших квадратов состав

ляют разности теоретических значений относительныч

скоростей (или направлений относительного движения в

конкретных точках) и соответствующих наблюдаемых зна

чений. Образуются квадраты этих разностей, которые за

тем суммируют. В результате получается сумма, со

держащая 330 членов (по числу используемых данных

наблюдений). Решение задачи подбирается так, чтобы

указанная выше сумма имела абсолютный минимум.

В результате так была получена модель RM2, дающая

значения координат полюсов вращения и угловых скоро

стей. Таким образом, построение мгновенной кинематиче

ской модели движения лнтосферных плит требует отбора

наилучших — наиболее надежных данных наблюдений и

затем решения громоздкой вариационной задачи на опре

деление минимума суммы квадратов. Параметры модели

НМ2 приведены в табл. 12. Модель RM2 полностью опи

сывает относительные движения плит, что дает основу

для построения палеокииематических реконструкций и

рассмотрения геологических процессов, наиболее активно

происходящих в зонах границ плит. Этой теме посвящено

большое число публикаций, и она лежит вне рамок дан

ной книги.

Таблиц а 12

Мгновенная глобальная кинематическая модель движения лито-

сферных плит ИМ 2

Ппры плит

Вектор относительного вращения1'

9, град'

а 0'

град

Ф , град

о , град

ю, град/

/млн. лет

0(О, град/

/млн. лет

СА-

-ТО V 48,77

1,10 —73,91

1,94 0,852

0,025

К О -

-ТО 38,72 0,89

-107,39 1,01 2,208

0,070

II-

-ТО 56,64 1,89 -87 ,88

1,81

1,539 0,029

Е А -

-ТО 60,64

1,04

-78,92

3,04

0,977 0,027

И --ТО

60,71

0,77 -5 ,79

1,83

1,246

0,023

А Н --ТО 64,67

0,90 -80,23

2,32

0,964

0,014

КО --СА

29,80

1,06 —121,28 2,07

1,489 0,070

АФ --СА

80,43

1,57 56,36

35,29 0,258

0,019

ЕА—

-СА

65,85 6,17 132,44 5,06

0,231 0,015

К V-

-КА

-33,83

9,19 —70,48

2,76 2,219

0,052

КО --КА

23,60

1,48 -115,55 2,26

1,544

0,084

Н -

-КА .

47,30

5,37 —07,57 4,57 0.711 0,056

КО—

5,63 1,40

—124,40

2,61

0,972 0,065

СА—

-ЮА

25,57 7,12 -5 3,8 2

6,22

0,167 0,029

КА—

-ЮА

73,51

11,75

60,84 48,86 0,202

0,038

н-

ЮА

59,08

3,76

—94,75 3,73 0,835 0,034

А Ф -

ЮА

66,56

2,83

—37,29

2,65

0,356 0,010

А Н -

-ЮА

87,69 1,30 75,20

79,29 0,302

0,018

11 -АФ

17,27 0,97 46,02 1,06 0,644

0,014

А Р -

-АФ

30,82

3,44

6,43

11,48 0,260

0,047

АФ—ЕА

25—23 4,25

-21 ,19

0,98 0,104 0,036

И -

-ЕА

19,71

1,40

38,46

2,66

0,698 0,024

А Р -

-ЕА

2 9 -8 2

2,53

—1,64 9,57 0,357

0,054

И -

-АР

7,08 2,15 63,86 2,30 0,469 0,066

Н -

АН 43,21

4,50

—95,02 3,28 0,605 0,039

АФ -

АН 9,46

3,77 -41,70

3,55

0,149

0,009

И -

АН

18,67 1,16 32,74

1,41

0,673 0,011

1 Плита, указанная первой, вращается относительно второй плиты против

часовой стрелки. Приведены также средние квадратические ошибки опреде

ления Од, а , а^ (0 — северная широта, ф — восточная долгота, знак «минус»

указывает на южную широту й западную долготу).

Перейдем теперь к проблеме определения абсолютных

скоростей плит. Для этого необходимо выбрать систему

отсчета, которая была бы связана с «неподвижными»

глубинными зонами мантии. Эти зоны следуетсчитатьпе

подвижными — если там и происходят движения, то они

значительно более медленные, чем движения литосфер-

ных плит. Если наружную оболочку Земли, состоящую

из литосферы и астеносферы, назвать тектоносферой, то

подстилающую ее оболочку можно назвать мезосферой.

Минетер и Джордан предложили поместить систему коор

динат для изучения абсолютных движений плит в мезо

сферу и назвали ее средней мезосферной системой отсче

та. Выше несколько раз отмечалось, что с указанной си

стемой- отсчета связаны горячие точки. Чтобы исключить

небольшие относительные смещения ГТ друг относитель

но друга, которые могут накапливаться па протяжении

больших интервалов времени, абсолютные скорости плит

определялись по средним скоростям миграции ГТ только

для последних 10 миллионов лет. Для определения сред

ней абсолютной скорости использовались следы, прочер

чиваемые девятью ГТ (направление определялось азиму

тами этих следов), и для пяти ГТ были определены

скорости их миграции. Этот набор данных совместно с

моделью RM2 был использован для определения абсолют

ных скоростей илнт. Полученная модель была названа

AM 1-2 (Absolute Motion model) (табл. 13). Она оказалась

Таблица 13

Модель абсолютных скоростей плит АМ1-2

Вектор абсолютного вращения

Плита

У, град

, град

Ф, град

о , град

и, град/

'м.ш. .чет

а , град/

/ й к ч н . л е т

Л<1>

18,76

33,93

-21,76 42,20 0,139 0,055

ЛI [

21,85 91,81 75,55 63,20

0,054

0,091

Л1>

27,29 12,40

—3,94

18,22

0,388 0,067

к л —42,80 39,20

66,75 40,98 0,129 0,104

1.0

21,89 3.08

—115,71 2,81

1,422

0,119

кл

0,70

124,35 —23,19

146,67

0,038 0,057

11 19,23

6,96

35,64 6,57 0,716 0,070

][

47,99

9.36

—93.81 8,14 0,585 0,097

ел -58,31

16,21 —40,67 39,62 0,247 0,080

то

—61,66

5,11

97,19 7,71

0,967 0,085

юл

-82,28

19,27 75,67

85,88 0,285 0,084

Обозначения те же, что в табл. 12.

самосогласованной, т. е. описывает весь набор данных не

противоречивым образом. Это позволило Мпнстеру н

Джордану сделать вывод о том, что гипотеза Уилсона —

Моргана о неподвижности плюмов относительно мантии

подтверждается.

Однако, если обратиться к табл. 13, то легко видеть,

что в AM 1-2 средние квадратические ошибки абсолютных

значений угловой скорости вращения малы лишь для

быстро движущихся плит, таких как ТО, И, КО, а для

медленно движущихся плит ЕА и АН ошибка ош замет

но превосходит само значение абсолютной угловой скоро

сти со; следовательно, метод ГТ пе позволяет определить

абсолютные скорости медленно движущихся плит. Этот

вывод следует понимать так: абсолютные зиаченпя скоро

стей для ряда плит малы и в лпнейпой мере составляют

~ J см/год и меньше; имеющиеся данные не позволяют

определить ни велпчипы этих скоростей, нп нх направ

ления. Еще раз подчеркнем, что последнее заключение от

носится лишь к абсолютным скоростям. Относительные

скорости плпт (табл. 12) в модели RM2 определены до

статочно уверенно. Модель AM 1-2 дает хотя и малую,но

не равную нулю абсолютную скорость движения АФ пли

ты, что как бы противоречит гипотезе Бурке — Унлсона

о неподвижности АФ плпты. В связи с этими неопреде

ленностями Миистер н Джордан построили еще три мо

дели абсолютных движений плит па основе других кри

териев: 1) отсутствие вращения литосферы как целого от

носительно мантии — модель АМО-2, 2) иаилучшего со

гласия с набором данных для ГТ—модель АМ1-2

(табл. 13), 3) неподвижности АФ плиты, 4) неподвижно

сти КА плиты. Гипотеза 4) исходит из того, что глубоко

водные желоба если н движутся относительно мантии, то

их скорости малы и КА плита удерживается неподвиж

ной глубоководными желобами, образующими две грани

цы этой плиты.

Данные для ТО плпты по всем четырем моделям све

дены в табл. 14. Авторы отдают предпочтение модели

AM 1-2, хотя, как они замечают, если сделать предполо

жение о том, что покоится относительно мантии АН пли

ЕА плита, то получатся модели, практически эквивалент

ные АМ1-2. В целом можно сказать, что абсолютные ско

рости быстро движущихся плит определяются с точностью

до 10—20%, а абсолютные скорости медленно движущих

ся плит определить не удается.

Определение абсолютных скоростей плит позволило

подтвердить следующие правила: 1) наблюдается анти

корреляция скоростей плиг с величиной площади конти

нентальной части, т. е. чем большая относительная доля

площади плиты занята континентом, том меньше ос ско

рость; 2) скорости нлнт коррелируют с относительной про

тяженностью I ранни субдукции, т. е. чем больше относи

тельная длина границ поглощении нлнт, тем больше их

скорость; 3) скорости плит коррелируют с величиной

Т а б л II ц а 14

Модели абсолютных скоростей плпт

Модель

Кинс.чатнчсское ус,шине

Вектор абсолютного

ТО п.111ты

вращении

координаты

Н. ю. ш. j и. д.

с), град/

/МЛН. .'1ГТ

Л МО-2 Отсутствует вращение лито

сферы как целого

02,93'

111.50" (1,730

ДМ 1-2 Наилучшее согласно с дан

ными но IT 0 !,(>«

«Л Л!»

0.91)7

Л М2-2

Фиксирована АФ плита

59,15 109.(50

1.043

ЛМЗ-З

Фиксировав» 1\А плита

03,52 104.45

O.S53

среднего полярного расстояния илпты (л/2 — 0), т. е. пли

ты, расположенные в полярных зонах, движутся медлен

но, а плиты, расположенные в экваториальной области,

движутся быстро.

8.4. Механизмы тектоники плит

8/i.I. Данные наблюдений. Модель Эльзас-

сера. О конвекции в мантии, которая приводит в дви

жение литосферпые плиты и, соответственно, определяет

тектонику Земли, имеется очень мало прямых свиде

тельств. В самом начале этой главы мы отмечали, что без

наблюдательных данных об океаническом дне было бы

совершенно немыслимо создание тектоники нлнт. Не в

меньшей степени это относится к поиску движущего ме

ханизма тектоники плит. Без рассмотрения всех имею

щихся признаков течений в мантии трудно рассчитывать

на то, что кому-нибудь просто удастся угадать этот ме

ханизм. Действительно, наиболее естественная идея, ко

торой придерживались ведущие специалисты но тектони

ке плпт в первые годы после ее создании, заключалась в

том, что жесткие литосферпые плпты увлекаются ман

тийными точениями. Теперь, как мы увидим, все склоня

ются к тому, что движение литосферы, которое является

частью крупномасштабной конвекции в верхней мантии,

увлекает за счет сил вязкого трения подстилающую ее

астеносферу. Таким образом, пе астеносферный поток тя

нет литосферные плиты, а наоборот, литосферные плиты

приводят в движение вязкую астеносферу и испытывают

со стороны последней силу торможения.

Суммируем данные наблюдений, которые могут нам по

мочь, хотя бы качественно, установить характер реальных

течений в мантии Земли и соответственно правильно ори

ентироваться в выборе механизма тектоники плит. Пря

мым указанием на то, что в мантии Земли имеются тече

ния, является рождение литосферы в рифтовых зонах

срединно-океанических хребтов и ее уничтожение — по

гружение в мантию в местах глубоководных желобов. По

лезные заключения можно сделать, проводя различные

корреляции параметров плит. Три таких правила были

сформулированы в конце предыдущего параграфа. Очень

наглядно корреляция между средней скоростью плит (ско

ростью, осредиенпой по площади плит) и долей границ

субдукции в общей протяженности границы плит видна на

схеме, построенной Форсайтом и Уедой в 1975 г. (рис. 62).

Плиты Кокос, Тихоокеанская, Паска, Филиппинская и

Индийская имеют протяженные границы, где они погру

жаются в мантию, и их средние скорости велики ~ 6—

9 см/год, а средние скорости остальных плит в большинст

ве случаев меньше 2 см/год.

Быстрые плиты Наска, Кокос и Тихоокеанская отлича

ются в основном по своей площади. Отсюда можно сделать

вывод, что если бы сцепление литосфер этих плит с асте

носферой мантии было главной движущей силой в текто

нике плит, то Тихоокеанская плита должна была бы дви

гаться или заметно быстрее, или заметно медленнее плит

Наска и Кокос. В первом случае можно было бы предпо

ложить, что астеносферное течение приводит в движение

плиты, т. е. их волочит, а во втором — что вязкое тормо

жение литосферы об астеносферу является основной силой

сопротивления в тектонике плпт. Отсутствие корреляции

скоростей этих плит с размерами нх площади означает,

что взаимодействие океанической литосферы с астеносфе

рой не принадлежит к числу основных, определяющих

взаимодействий в тектонике плит.

Далее, мы видим, (рис. 62), что илиты, содержащие

крупные континентальные регионы, движутся медленно.

Отсюда па первый взгляд можно было бы заключить, что

плиты с мощной литосферой испытывают спльиое тормо-

женпе при споем двпжешш. Одпако Индийская плита,

которая несет на себе крупные континентальные блоки

( Индию, Австралию) н имеет длинный, жёлоб (Яванский),

движется быстро. Отсюда Форсайт и Уеда сделали вывод,

что главный фактор, определяющий скорость движения

плиты, это наличие или отсутствие крупного, погружаю

щегося в мантию блока, а не наличие или отсутствие кон

тинентов. Так постепенпо сформировалась идея о том,

■ %

зо г

.7 0

■ II ■ l l

IIP1

“а ц

‘I I

10 см/год

Рис. 62. Доля периметра плиты, приходящ аяся на границы субдукции

(н %), в сравнении со средней абсолютной скоростью плит (см/год).

что главной движущей силой в тектонике плит является

сила тяги холодного, тяжелого, погружающегося в ман

тию литосферного блока. Плиты же, которые не скрепле

ны с такими тонущими блоками, играют сравнительно

пассивную роль, они расталкиваются быстрыми плитами,

п скорости их относительно мантии малы.

Форсайт и Уеда исследовали также корреляцию меж

ду скоростями движения плит и другими геометрически

ми факторами, такими как площадь плиты, площадь ее

континентальной части, общая длина хребтов, длина

трансформных разломов и длина границ, проходящих по

надвинутому борту желобов (т. е. границ плит, у кото

рых поглощается сталкивающаяся с ними быстрая плита).

Ныло установлено, что скорость плохо коррелирует со

нсеми этими параметрами, за исключением площади кон-

типентальной части плиты, о чем уже говорилось.