Сила тяжести, направленная в сторону погружения тяжелой океанической плиты, и сила давления разрастающегося океанического дна под напором изливающейся магмы в срединном океаническом хребте – главные движущие силы при погружении плиты.
С линиями островных дуг совпадает и распределение вулканов. Однако вулканы в основном находятся на континентальной стороне островных дуг, тогда как подавляющее большинство очагов землетрясений – на океанической. Соответственно и тепловой поток имеет низкое значение с океанической стороны островной дуги и высокое – с континентальной. Над желобом он всегда низок. Отсутствие вулканов и низкий тепловой поток со стороны желоба и океанической стороны островной дуги, а также размещение мелкофокусных землетрясений с той же океанической стороны хорошо согласуются с идеей поддвигания холодной океанической плиты и опять же подтверждает концепцию тектоники плит. Однако с этих позиций пока необъясним факт высокого теплового потока и размещения вулканов со стороны континента.
Теория прямого столкновения континентальных плит разработана менее других теорий. В этом случае будут иметь место дробление пород, сминание их в складки, образование гор. По-видимому, в зоне прямого столкновения образовались Гималаи, Альпы, Кавказ.
Третий тип взаимодействия плит – это параллельное проскальзывание, при котором образуются трансформные разломы. Типичный пример такого движения – разлом Сан-Андреас в Калифорнии.
Экстраполируя разрастание дна океана в далекое прошлое, можно представить себе ряд циклов развития океана и орогенеза. Приняты три типа развития океанов: тихоокеанский, атлантический и средиземноморский. Тихоокеанский тип характеризуется наличием субдукции и образованием береговых горных цепей. Вследствие раздвижения континентов происходят постепенное закрытие Пра-Атлантического океана и образование праматерика Пангеи. В последующем Пангея раскололась, и начался новый цикл развития океана – атлантический. Для этого цикла характерно раздвижение дна океана от Атлантического срединного океанического хребта без субдукции. При этом нарастающие Атлантические плиты раздвигают окружающие их континенты и ведут к сокращению области Тихого океана, дно которого погружается под континенты.
При этих типах раздвижения океана происходит разрастание дна в области срединных хребтов.
При средиземноморском типе развития хребты отсутствуют, разрастания дна океана не происходит, но имеются границы поддвигания. Этот тип (если он существует), по-видимому, является переходным.
О механизме движения плит
В качестве механизма движения плит с самого рождения новой плитовой тектоники принималась конвекция в мантии. По мере возникновения трудностей в этом объяснении находились новые аргументы, позволяющие возродить казалось бы уже отвергнутый механизм. Первое сомнение – возможна ли конвекция в такой плотной и вязкой массе, как мантия Земли. На этот вопрос был дан положительный ответ в результате применения закона конвекции Рэлея. Согласно этому закону тепловая конвекция начинается тогда, когда безразмерная функция
R = abgh4/rn·1000,
где а – коэффициент теплового расширения; b – температурный градиент, т. е. скорость увеличения температуры с глубиной; g – ускорение свободного падения; r – температуропроводность; n – вязкость; h – толщина слоя жидкости.
Для слоя всей мантии Земли R· 106, что на три порядка больше критической величины, т. е. мантия способна к конвекции.
Учет твердого ядра усложнил задачу. Однако для такого случая теория Рэлея была развита С. Чандрасекаром, показавшим, что для этих условий общая конвекция через всю Землю заменяется ячейками конвекции. Возражение, основанное на том, что конвекция будет идти лишь в тонком слое астеносферы, а это сведет ячейки к конвективным ячейкам с размерами, равными толщине астеносферы, т. е. примерно к 100 км, кажется, снимается японскими физиками X. Такеути и М. Сакатой, построившими модель конвекции в среде с увеличивающейся с глубиной вязкостью. По их модели конвекционный поток не однороден, а ускоряется в верхних, менее вязких слоях и идет очень медленно на глубине, охватывая всю мантию. Мантийная конвекция пока принимается в качестве механизма движения плит.
Общая картина современного положения плит и скоростей их движения
В результате анализа обширных материалов, собранных при океанологических исследованиях в основном за последние 30 лет, можно построить общую схему размещения плит на земном шаре и скоростей их движения (рис. 4). Большие скорости имеют плиты, которые испытывают поддвигание под соседние плиты на значительном протяжении своих границ. Это плиты Тихоокеанская, Кокос, Наска, Филиппинская и Индийско-Австралийская. Скорость их движения 6–9 см/год. Отсюда можно заключить, что скорость не зависит от площади плиты, но зависит от отношения длины границы субдукции к периметру плиты. Это свидетельствует о том, что главной движущей силой плит является затягивание их в области субдукции. Наблюдается корреляция между площадью континентальной части плиты и скоростью движения. Плиты, несущие континенты, имеют скорость порядка 2 см/год, тогда как чисто океанические, но не испытывающие субдукции, – 4 см/год.
Рис. 4. Литосферные плиты и направление их движения:
а – дивергентная граница; б – конвергентная граница; в – характер границы не установлен; г – трансформный разлом; д – направление движения плит
Плиты: I – Филиппинская, II – Индийско-Австралийская, III – Тихоокеанская, IV – Кокос, V – Северо-Американская; VI – Наска, VII – Карибская, VIII – Южно-Американская, IX – Евразийская, X – Анатолийская, XI – Аравийская, XII – Африканская, XIII – Сомалийская, XVI – Антарктическая; поднятия: XV – Австрало-Антарктическое, XVI – Тихоокеанское; желоба: / – Алеутский, 2– Курило-Камчатский, 3 – Японский, 4 – Марианский, 5 – Яванский, 6 – Тонго, 7 – Перуано-Чилийский; хребты: 8 – Рейкьянес, 9 – Срединно-Атлантический, 10 – Аравийско-Индийский (Карлсберг), // – Центрально-Индийский, 12 – Африкано-Антарктический и Западно-Индийский
Новые технические средства высокоточной геодезии позволяют непосредственно измерить скорость и направление движения плит земной коры, если таковые существуют. Такими средствами являются интерферометры с большой базой – два или больше далеко разнесенных на земной поверхности радиотелескопа, принимающих излучение от одного и того же квазара. Разница во времени поступления сигнала на каждый телескоп позволяет с точностью до единиц сантиметров получить расстояние между телескопами. Измерения, произведенные через несколько лет, дают направление и скорость перемещения мест установки телескопов. Второй способ основан на измерении расстояния между станциями с помощью отражения лазерного сигнала от геодезического искусственного спутника Земли. В результате таких измерений, ведущихся уже более 10 лет, установлено, что Евразийская и Северо-Американская плиты медленно расходятся со скоростью 1,5 см/год. Тихоокеанская плита удаляется от Северо-Американской со скоростью 4 см/год, а Индийско-Австралийская, надвигается на Тихоокеанскую плиту со скоростью 7 см/год. Вдоль разлома Сан-Андреас в Калифорнии плиты смещаются с относительной скоростью 7 см/год. Промежуток времени этих наблюдений еще слишком мал, чтобы убедительно доказать монотонность таких перемещений, а стало быть, и реальность континентального дрейфа. Проблема будет решена в результате накопления наблюдательных данных.
