Теория мантийных плюмов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский педагогический государственный университет". Географический факультет.

Кафедра геологии и геохимии ландшафта.

 

 

 

 

 

 

 

 

курсовая работа на тему

«Теория мантийных плюмов»

 

 

Выполнила:

студентка II курса Степанова К.В.

Научный руководитель:

доцент, к.г.н. Филатова Е.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Москва, 2012

Содержание

 

Введение.........................................................................................................................................3

Глава  1. Внутреннее строение Земли..........................................................................................4

Глава 2. Концепция тектоники литосферных плит....................................................................7

Глава 3. Теория плюмов..............................................................................................................13

3.1 Плюмы и горячие точки..............................................................................................13

3.2 Основные вопросы теории..........................................................................................17

Глава 4. Горячие точки................................................................................................................21

4.1 Гавайи............................................................................................................................21

4.2 Исландия.......................................................................................................................23

Глава 5. Критика теории плюмов...............................................................................................25

Заключение...................................................................................................................................27

Список литературы......................................................................................................................28

 

Введение

 

Гипотеза восходящих мантийных струй (плюмов), выступающих на поверхность в «горячих точках», выдвинута в 1963 г. Дж. Вилсоном и обоснована в 1972 г. В. Морганом. С ее помощью объясняется внутриплитный магматизм и образование линейных вулканических цепей, в которых возраст построек закономерно увеличивается по мере удаления от современных активных вулканов.

Плюм-тектоника с каждым годом все более популярна. Она становится если не альтернативной, то почти равноправным партнером плейт-тектоники (тектоники литосферных плит). 

В связи с этим целью данной курсовой работы является обобщение существующих на сегодняшний день сведений о мантийных плюмах.

Для достижения этой цели мною были поставлены следующие задачи:

• изучение внутреннего строения Земли;
• изложение концепции тектоники литосферных плит;
• рассмотрение теории плюмов;
• обзор «классических» горячих точек;
• ознакомление с критикой теории плюмов.

 

 

Глава 1

Внутреннее строение Земли

 

Состав и строение глубинных оболочек Земли являются одной из наиболее интригующих проблем современной геологии. Еще в первой половине XX века сейсмологами Г. Джеффрисом и Б. Гутенбергом была разработана широко известная модель внутреннего строения Земли, разделяющая ее на ядро, мантию и земную кору. Решающим фактором при этом оказалось обнаружение резкого снижения скорости прохождения сейсмических волн внутри земного шара на глубине 2900 км при радиусе планеты 6371 км. Скорость прохождения продольных сейсмических волн непосредственно над указанным рубежом равна 13,6 км/с, а под ним - 8,1 км/с. Это и есть граница мантии и ядра. Радиус ядра составляет 3471 км. Верхней границей мантии служит сейсмический раздел Мохоровичича (Мохо, М), выделенный югославским сейсмологом А. Мохоровичичем в 1909 году. Он отделяет земную кору от мантии. На этом рубеже скорости продольных волн, прошедших через земную кору, скачкообразно увеличиваются с 6,7-7,6 до 7,9-8,2 км/с, однако происходит это на разных глубинных уровнях. Под континентами глубина раздела М (то есть подошвы земной коры) составляет первые десятки километров, причем под некоторыми горными сооружениями (Памир, Анды) может достигать 60 км, тогда как под океанскими впадинами, включая и толщу воды, глубина равна лишь 10-12 км. Вообще же земная кора в этой схеме вырисовывается как тонкая скорлупа, в то время как мантия распространяется в глубину на 45% земного радиуса.

Но в середине XX века в науку вошли представления о более дробном глубинном строении Земли. На основании новых сейсмологических данных оказалось возможным разделить ядро на внутреннее и внешнее, а мантию - на нижнюю и верхнюю (рис. 1). Эта модель, получившая широкое распространение, используется и в настоящее время. Начало ей положил австралийский сейсмолог К.Е. Буллен, предложивший в начале 40-х годов схему разделения Земли на зоны, которые обозначил буквами: А - земная кора, В - зона в интервале глубин 33-413 км, С - зона 413-984 км, D - зона 984-2898 км, E - 2898-4982 км, F - 4982-5121 км, G - 5121-6371 км (центр Земли). Эти зоны отличаются сейсмическими характеристиками. Позднее зону D он разделил на зоны D' (984-2700 км) и D" (2700-2900 км). В настоящее время эта схема значительно видоизменена и лишь слой D" широко используется в литературе. Его главная характеристика - уменьшение градиентов сейсмических скоростей по сравнению с вышележащей областью мантии.

Рис. 1. Схема глубинного строения Земли по Пущаровскому Д.Ю. и Пущаровскому Ю.М., 1998 г.

 

Внутреннее ядро, имеющее радиус 1225 км, твердое и обладает большой плотностью - 12,5 г/см3. Внешнее ядро жидкое, его плотность 10 г/см3. На границе ядра и мантии отмечается резкий скачок не только в скорости продольных волн, но и в плотности. В мантии она снижается до 5,5 г/см3. Слой D", находящийся в непосредственном соприкосновении с внешним ядром, испытывает его влияние, поскольку температуры в ядре значительно превышают температуры мантии. Местами этот слой порождает огромные, направленные к поверхности Земли сквозьмантийные тепломассопотоки, называемые плюмами. Подробнее это явление будет рассмотрено в главе 3.

Верхняя граница слоя D" неопределенна; ее уровень от поверхности ядра может варьировать от 200 до 500 км и более. Таким образом, можно заключить, что данный слой отражает неравномерное и разноинтенсивное поступление энергии ядра в область мантии.

Границей нижней и верхней мантии в рассматриваемой схеме служит сейсмический раздел, лежащий на глубине 670 км. Он имеет глобальное распространение и обосновывается скачком сейсмических скоростей в сторону их увеличения, а также возрастанием плотности вещества нижней мантии. Этот раздел является также и границей изменений минерального состава пород в мантии.

Таким образом, нижняя мантия, заключенная между глубинами 670 и 2900 км, простирается по радиусу Земли на 2230 км. Верхняя мантия имеет хорошо фиксирующийся внутренний сейсмический раздел, проходящий на глубине 410 км. При переходе этой границы сверху вниз сейсмические скорости резко возрастают. Здесь, как и на нижней границе верхней мантии, происходят существенные минеральные преобразования.

Верхнюю часть верхней мантии и земную кору слитно выделяют как литосферу, являющуюся верхней твердой оболочкой Земли, в противоположность гидро- и атмосфере. Теория литосферных плит предполагает «скольжение» блоков литосферы по астеносфере ― размягченном, возможно, частично жидком глубинном слое пониженной вязкости. В пределах континентов глубина залегания астеносферных слоев (линз) варьирует от 100 км до многих сотен, а под океанскими абиссальными впадинами астеносферный слой лежит на глубинах 70-80 км и менее. [2]

Таковы основы представлений о строении Земли, сложившиеся к настоящему времени. В следующей главе будет более подробно рассмотрена теория литосферных плит, объясняющая причины движения земной коры, изменения ее структуры и явления магматизма.

 

Глава 2

Концепция тектоники литосферных плит

 

Еще в XVII веке удивительное совпадение очертаний береговых линий западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки наводило некоторых ученых на мысль о том, что континенты «гуляют» по планете. Но только три века спустя, в 1912 году, немецкий метеоролог Альфред Лотар Вегенер подробно изложил свою гипотезу континентального дрейфа, согласно которой относительное положение континентов менялось на протяжении истории 3емли. Одновременно он выдвинул множество аргументов в пользу того, что в далеком прошлом континенты были собраны вместе. Помимо сходства береговых линий им были обнаружены соответствие геологических структур, непрерывность реликтовых горных хребтов и тождественность ископаемых остатков на разных континентах. Профессор Вегенер активно отстаивал идею о существовании в прошлом единого суперконтинента Пангея, его расколе и последующем дрейфе образовавшихся континентов в разные стороны. Но эта необычная теории не была воспринята всерьез, потому что с точки зрения того времени казалось совершенно непостижимым, чтобы гигантские континенты могли самостоятельно перемещаться по планете. К тому же сам Вегенер не смог предоставить подходящий «механизм», способный двигать континенты.

Однако в 1961-1968 гг. усилиями американских, английских, канадских и французских геологов и геофизиков были разработаны основы новой теории, первоначально больше известной как новая глобальная тектоника, а затем как тектоника плит (или тектоника литосферных плит). Предпосылкой этой теории стала идея спрединга океанского дна. Вскоре новая концепция начала получать фактическое подтверждение благодаря глубоководному бурению с  американского судна «Гломар Челленджер». Также доказательства теории приносили наблюдения с подводных спускаемых аппаратов и данные сейсмической геодезии. Наконец, с появлением сейсмической томографии нашла подтверждение реальность погружения холодных литосферных плит глубоко в мантию, а также конвективных течений в мантии, рассматриваемых тектоникой плит в качестве одной из основных движущих сил.

Все это дает полное основание расценивать тектонику плит как первую в истории геотектоники научную теорию, имеющую достаточную предсказательную силу.

Рассмотрим основные положения этой теории.

1. Первой предпосылкой тектоники плит является разделение верхней части твердой Земли на две оболочки, существенно отличающиеся по реологическим свойствам (вязкости), — жесткую и хрупкую литосферу и более пластичную и подвижную астеносферу. Выделение этих двух оболочек производится по сейсмологическим (скорость сейсмических волн, степень их затухания) или магнитотеллурическим (степень сопротивления естественным электрическим токам) данным.

2. Второе положение тектоники плит, которому она и обязана своим названием, состоит в том, что литосфера естественно подразделена на ограниченное число плит — в настоящее время семь крупных и большое число малых. Основанием для их выделения и проведения границ между ними служит размещение очагов землетрясений. Оно отличается крайней неравномерностью: внутренние части плит практически асейсмичны, вернее очень слабо сейсмичны (есть исключения), а основное выделение сейсмической энергии происходит на границах между плитами, которые по этому признаку и проводятся. В большинстве случаев, но не везде, эти границы достаточно четкие, но в Евразии существует широкий пояс рассеянной сейсмичности и нечто подобное наблюдается в Северной Америке — на Аляске и в южной части Северо-Американских Кордильер.

3. Третье положение тектоники плит касается характера их взаимных перемещений. Различают три рода таких перемещений и соответственно границ между плитами:

1) дивергентные границы, вдоль которых происходит раздвижение плит, — спрединг;

2) конвергентные границы, на которых идет сближение плит, обычно выражающееся поддвигом одной плиты под другую. Если океанская плита пододвигается под континентальную, этот процесс называется субдукцией, если океанская плита (кора, литосфера) надвигается на континентальную — обдукцией; если сталкиваются две континентальные плиты, тоже обычно с поддвигом одной под другую, — коллизией; 

3) трансформные границы, вдоль которых происходит горизонтальное скольжение одной плиты относительно другой по плоскости вертикального трансформного разлома.

В природе преобладают границы первых двух типов. Дивергентные границы приурочены к осевым зонам срединно-океанских хребтов и межконтинентальным рифтам, конвергентные — к осевым зонам глубоководных желобов, сопряженных с островными дугами. Некоторые границы, как видно из той же схемы, являются одновременно конвергентными и трансформными, т.е. сочетают элементы поддвига и сдвига (транспрессивные границы).

На дивергентных границах, в зонах спрединга, происходит непрерывное рождение новой океанской коры. Кора эта перемещается астеносферным течением в сторону зон субдукции, где она поглощается на глубине. Эти процессы схематически изображены на рисунке 2.

 

Рис.2. Схема основных видов движений литосферных плит.

 

4. Четвертое положение тектоники плит заключается в том, что при своих перемещениях плиты подчиняются законам сферической геометрии, а точнее теореме Эйлера, согласно которой любое перемещение двух сопряженных точек по сфере совершается вдоль окружности, проведенной относительно оси, проходящей через центр Земли. Выход этой воображаемой оси на земную поверхность называется полюсом вращения или раскрытия. Поскольку на поверхности Земли трансформные разломы простираются вдоль тех же дуг окружностей, в центре которых находится полюс вращения, эта воображаемая точка может быть найдена как точка пересечения перпендикуляров, проведенных относительно трансформных разломов.