ДРЕЙФ МАТЕРИКОВ. ПАЛЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ ОКЕАНОВ

ГЕОМЕТРИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И ГЛОБАЛЬНАЯ КАРТИНА «МГНОВЕННОЙ» КИНЕМАТИКИ ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ

Все перемещения жестких литосферных плит по поверхности сферической Земли могут быть представлены как вращения и только как вращения вокруг некоторой проходящей через центр математической оси. Эта ось пересекает поверхность нашей планеты в двух точках — эйлеровых полюсах, или полюсах вращения плиты, имеющих лишь математический смысл ().

Каждое конечное вращение одной плиты относительно другой, условно принимаемой за неподвижную, может быть представлено в виде суммы отдельных (дифференциальных или «мгновенных») вращений.

При рассмотрении смещения литосферных плит рассчитывается вращение одной плиты по отношению к другой, условно принимаемой за неподвижную.

Можно выбрать из всего ансамбля литосферных плит любую в качестве реперной и рассчитать относительно нее смещение всех остальных. Такое движение будет относительным. Важная кинематическая проблема современного этапа развития теории тектоники литосферных плит — надежное определение их абсолютных перемещений, т. е. в системе отсчета, связанной с осью вращения Земли на протяжении всего геологического времени или его достаточно длительного интервала.

Первая проверка справедливости теоретических представлений о вращении жестких литосферных плит по поверхности нашей планеты была выполнена У. Морганом в 1968 г. на примерах двух дивергентных границ в Атлантическом и Тихом океанах. Он восстановил перпендикуляры, точнее, провел дуги большого круга перпендикулярно к различным трансформным разломам Тихоокеанско-Антарктического хребта и в месте их пересечения получил эйлеров полюс относительного смещения двух плит — Тихоокеанской и Антарктической.

Далее, вычислив угловую скорость вращения этих двух плит по магнитным аномалиям на одном участке гребня Тихо- океанско-Антарктического хребта, он проверил на других участках по данным геоисторического анализа поля Л Та справедливость изменения линейной скорости по формуле SinO относительно полученного им эйлерова полюса ( 20). Аналогичные построения были проведены и для различных участков Срединно-Атлантического хребта. Полученные результаты показали справедливость исходных положений о жесткости литосферных плит и о том, что перемещение каждой из них по поверхности Земли действительно описывается вращением вокруг соответствующего математического полюса.

Первую глобальную замкнутую модель «мгновенного» относительного вращения шести наиболее крупных плит рассчитал Кс. Ле Пишон в 1968 г. Для ее вычисления он использовал 30 наиболее уверенно трассированных простираний трансформных разломов и 30 линейных скоростей разрастания рифтовых трещин, полученных из геоисторической интерпретации поля ЛТа. Все расчеты производились относительно одной из плит, которая принималась за неподвижную. Глобальная картина перемещения шести плит была наглядно представлена в виде нескольких карт, каждая из которых была построена в меркаторской проекции с разверткой относительно оси «мгновенного» вращения соответствующей пары плит. На таких картах рифтовая трещина — дивергентная граница этих плит — действительно проходила по меридиану, тогда как пересекающие ее трансформные разломы и их пассивные следы — вдоль параллели.

Для вычисления глобальной замкнутой модели относительной «мгновенной» кинематики литосферных плит Дж. Минстером и его коллегами в 1974 г. было использовано значительное количество определений фокальных механизмов в очагах землетрясений на трансформных разломах и в зонах поддвига плит. Кроме того, эффективно применялся метод максимального правдоподобия, позволивший не только получить решение математически более корректное, чем в ранних исследованиях, но и оценить значимость исходной геологической и геофизической информации.

В 1973—1977 гг. были опубликованы новые результаты геофизических исследований, позволившие Ю. И. Галушкину и С. А. Ушакову в 1978 г. уточнить глобальную картину «мгновенной» относительной кинематики наиболее крупных плит. Помимо сейсмологических, геоморфологических и геомагнитных данных для качественной проверки модели были использованы также парные пояса нарушений изостазии как индикаторы развития на тех или иных границах процесса поддвига плит (Ушаков, 1974).

Расчеты глобальной картины «мгновенной» относительной кинематики Ю. И. Галушкиным и С. А. Ушаковым были сделаны для 12 наиболее крупных по площади литосферных плит: Тихоокеанской (ТИХ), Евразиатской (ЕАЗ), Северо-Амери- канской (САМ), Южно-Американской (ЮАМ), Индийской (ИНД), Антарктической (АНТ), Африканской (АФР), Аравийской (АРВ), Наска (НАС), Кокос (КОК), Карибской (КАР) и Филиппинской (ФИЛ). Последние две плиты не имеют дивергентных границ и находятся в пределах Циркумтихоокеанского пояса планетарного сжатия литосферы. Но их размеры достаточно велики, и имеющиеся данные позволяют включить эти плиты в глобальную кинематическую модель.

Всего для расчета глобальной модели Ю. И. Галушкиным и С. А. Ушаковым было использовано 83 значения линейных скоростей на дивергентных границах и 196 азимутов направлений относительных движений, определенных по простираниям трансформных разломов и по фокальным механизмам в очагах землетрясений на границах плит (точнее, были использованы горизонтальные проекции смещения в очагах).

Для независимой проверки принципиальной справедливости полученной кинематической модели могут быть использованы повторные прямые геодезические измерения. Наглядным примером могут служить определения скорости смещения блоков коры по разные стороны разлома Сан-Андреас в Калифорнии. Оказалось, что скорость смещения одного края разлома по отношению к другому составляет 2 см/год. Примерно с такой же скоростью происходят смещения и по другим разломам этой зоны. Таким образом, суммарная скорость смещения Американской плиты относительно Тихоокеанской, установленная путем прямых геодезических наблюдений, близка к 4- см/год. Теоретическая скорость смещений тех же плит, вычисленная описанным выше методом, близка к 5 см/год. Учитывая, что для вычисления линейных скоростей в глобальной модели использовался интервал времени порядка миллиона лет, а при геодезических — первые десятки лет, можно считать, что получено хорошее соответствие. Геодезические исследования на Гарм- ском геофизическом полигоне на Памире показали, что за последние 20 лет расстояния между реперами по разные стороны Вахшского надвига уменьшились почти на 40 см и продолжают сокращаться со средней скоростью около 2 см/год (Буланже и др., 1977), что соответствует геодинамической обстановке, которая следует из глобальной кинематической модели.

При расчетах рассматриваемой глобальной модели для определения угловой скорости была использована там, где было возможно, только первая магнитная аномалия, возраст которой менее 1 млн. лет, а в других, менее изученных районах — магнитные аномалии 3 и 5, возраст которых около 5 и 10 млн. лет соответственно. Таким образом, полученная глобальная модель «мгновенной» кинематики плит справедлива для интервала времени в несколько миллионов лет. Углы относительного вращения абсолютного большинства пар плит за 1 млн. лет не превышают десятых долей градуса, а для 10 млн. лет — нескольких градусов. Поэтому понятие «мгновенное» вращение плит для плейстоцена и плиоцена геометрически вполне оправдано.

За плейстоцен, точнее, за 1 млн. лет Гренландия отодвинулась от Европы в среднем на 20 км (северный ее край — на 17 км, южный — на 22 км). В районе Северного полюса подводный хребет Ломоносова отодвинулся от Европы на расстояние около 10 км. Северная Атлантика между Америкой и Европой расширилась за плейстоцен на 23—25 км, а между Африкой и Северной Америкой — на 26—28 км. Африка и Южная Америка разъехались за последний миллион лет на расстояние от 30 км на 10° с. ш. до 40 км на 20—30° ю. ш. Африка и Антарктида отодвинулись друг от друга на 16 км, а Австралия удалилась к северу от Антарктиды на 70—75 км.

Ширина впадины Тихого океана за плейстоцен уменьшилась на расстояние от 15 км на севере до 35 км в области между экватором и 30° ю. ш. За это же время в рифтовой оси Восточно-Тихоокеанского поднятия образовалась полоса новой океанической литосферы шириной от 160 км на экваторе до 180 км на 30° ю. ш. В рифтовой трещине Тихоокеанско- Антарктического хребта за последний миллион лет наросла полоса новой океанической литосферы шириной около 100 км, тогда как в рифтовой трещине соседнего Чилийского хребта — 70—75 км. За последний миллион лет под Южно-Американский континент поддвинулась полоса океанической литосферы плиты Наска шириной около 100 км, под Центрально-Американский перешеек — край плиты Кокос шириной около 75 км (предельные значения от 65 км на севере до 87 км на юге конвергентного края плиты Кокос).

В желобе Тонга—Кермадек за плейстоцен, точнее, за последний миллион лет погрузилась в мантию полоса океанической литосферы Тихоокеанской плиты шириной от 60 км на юге до 100 км на севере. В Манильском желобе сейчас погружается в мантию самая древняя, юрская океаническая литосфера Тихоокеанской плиты; ширина полосы, погрузившейся здесь за последний миллион лет, увеличивается к северу от 30 до 45 км. Зато очень интенсивно идет поддвигание Филиппинской океанической плиты под Лусон — 90—95 км за последний миллион лет. Под Курило-Камчатской дугой за это время мантия поглотила полосу океанической литосферы шириной от 90 до 100 км.

В сжатом состоянии находится литосфера Альпийско-Гималайского пояса. Об этом свидетельствуют сжатия, которые преобладают в очагах землетрясений, сопряженные между собой, изостатически не уравновешенные морфоструктуры, но главное доказательство — глобальная картина мгновенной кинематики литосферных плит. За последний миллион лет суммарная величина сжатия и поддвигания литосферы на различных границах малых плит изменилась от нескольких километров в районе Атласских гор и Пиренеев до 40—50 км в районе Памира и Гималаев. Из-за малой плотности и, как следствие, положительной плавучести при сдавливании малых плит Альпийско-Гималайского пояса материковыми краями главных плит (Евразиатской с севера и Африканской, Аравийской и Индийской с юга) литосфера здесь, как правило, не может глубоко погрузиться в мантию. Поэтому происходит не только сжатие малых плит, образованных или находившихся ранее в пределах закрывшейся впадины па- леоокеана, но и обкалывание материковых краев плит, сжимающих этот пояс. Как отмечалось, анализ геологических и геофизических данных позволяет считать, что в настоящее время из Азиатской области Евразиатской плиты выделяются Туркменская и Узбекская малые плиты, которые могут в дальнейшем, если эта тенденция сжатия сохранится еще 10—15 млн. лет, войти в состав горного пояса, подобно современному Тянь-Шаню.

Так же как в Альпийско-Гималайском поясе, сжатие и поддвигание краев малых плит происходит в пределах Циркумтихоокеанского пояса. Мы отмечали ранее, что Анды сжаты не только с запада Тихоокеанской плитой, но и с востока. Однако линейная скорость поддвигания Южно- Американского материка под Анды, вероятно, составляет несколько миллиметров в год.

Информацию, полученную в результате вычисления глобальной модели относительного движения плит, можно использовать для оценки их движения в новой системе координат, не связанной с плитами. Особый интерес представляет рассмотрение движения литосферных плит в системе координат, связанной с «горячими пятнами» Уилсона—Моргана. Согласно этой модели предполагается, что литосферная плита, проходя над аномально горячим восходящим мантийным потоком, проплавляется по отдельным трещинам насквозь. Таким образом, на океанической литосфере развивается подводный базальтовый вулканизм. И каждая внутриплитовая цепочка подводных вулканических гор (например, Гавайско -И мператорская, Маршаллова-Гилберта и др.) представляет собой протяженный геологический след прохождения литосфер- ной плиты над «горячим мантийным пятном».

Действительно, возраст базальтов в цепочках подводных вулканических гор увеличивается по мере удаления от области современного вулканизма. Поэтому, если положение «горячего пятна» остаётся неподвижным в мантии на протяжении достаточно большого времени, то простирание подводной вулканической цепи и возраст слагающих ее пород позволяют определить направление и скорость прохождения океанической лито- сферной плиты в географической системе координат.

На основании полученных результатов можно вычислить линейную скорость смещения каждой плиты относительно географической системы координат. Крупные, чисто океанические плиты (Тихоокеанская и Наска) имеют линейную скорость перемещения в несколько раз большую, чем те плиты, у которых континентальная литосфера занимает значительный процент площади. Так, Евра- зиатская плита за 1 млн. лет сместилась к востоку —• юго-востоку в среднем на 10 км. Интересно отметить, что полученному из глобальной модели направлению абсолютного смещения Евразиатской плиты соответствует простирание Большого Кавказа и Копетдага, а также Таласо-Фер- ганского разлома. В настоящее время самая медленная по абсолютному смещению — Антарктическая плита. Она вращается вокруг Эйлерова полюса, расположенного в ее пределах, и максимальная линейная скорость смещения ее различных участков составляет доли сантиметра в год или километры за 1 млн. лет.

Из крупных плит Антарктическая — самая медленная, далее следует Евразиатская, затем Африканская. Последняя за 1 млн. лет смещается к северо-востоку на расстояние от 15' км в районе северо-западного края, южнее Атласа, и до 20 км в восточной части Африканского материка. Несколько больше линейные скорости смещения у Северо-Американской и Южно-Американской плит. Они смещаются, к западу — северо-западу на расстояние 20—25 км (в различных точках) за 1 млн. лет. Из всех крупных плит, которые состоят частично из океанической, а частично из континентальной литосферы, самые высокие линейные скорости абсолютного перемещения установлены в пределах Индийской плиты. За последний миллион лет она сместилась к северо- северо-западу на расстояние до 50 км в районе Индостана и до 70 км в районе Австралии.

Самые большие линейные скорости абсолютного смещения зарегистрированы в пределах Тихоокеанской плиты, где за плейстоцен величины линейного перемещения к северо-западу изменяются от 70 км в субполярных районах плиты и до 100 км близ экватора (что определяется расположением эйлеровых полюсов вращения этой плиты).

Получены также новые интересные результаты абсолютного перемещения двух плит, состоящих почти целиком из океанической литосферы и входящих в состав Циркумтихоокеан- ского пояса сжатия, — Карибской и Филиппинской.