Структуроутворюючі процеси

Структурні елементи земної кори та літосфери є наслідком тектонічних рухів. Тривалий час усі тектонічні рухи поділяли на дві основні групи: епейрогенічні та орогенічні.

Е пейрогенічні рухи (епейрогенез) – це тектонічні рухи, що виражаються у повільних підняттях і опусканнях значних за розмірами ділянок земної кори без помітних деформацій всередині. Тобто епейрогенез це процес утворення континентів.

Орогенічні рухи (орогенез) це тектонічні рухи, що спричиняють зминання верств гірських порід у складки, з утворення або без утворення в них розривних порушень. Тобто орогенез є процесом формування гірських систем.

Ці терміни застаріли і не зовсім відповідають сучасним поглядам на формування літосфери та земної кори, а також суті тектонічних процесів. Орогенез це гороутворення. Гори формуються при вертикальних коливаннях. Але вертикальні коливання можуть бути як висхідними (утворення гір), так і низхідними (утворення морських та інших улоговин). Тому краще тектонічні рухи поділяти на вертикальні (радіальні) та горизонтальні (тангенціальні).

Перші спроби узагальнення процесу структуроутворення були зроблені М.М.Тетяєвим. Він виділив коливну, складчасту і магматичну форми тектогенезу, а також “макроколивання” – вертикальні рухи особливо великої амплітуди, які відбуваються по розломах.

Хаїн В.Є. бачив причини структуроутворення в процесах які відбуваються на різних глибинах земної кулі. Він виділяв екзотектонічні процеси, що відбуваються на поверхні Землі та ендотектонічні, спричинені глибинними процесами. Середовищем екзотектонічних процесів був осадовий шар. Прикладом формування таких структур є соляні діапіри. Структури утворені ендотектонічними процесами В.Є.Хаїн поділяв на корові, глибинні і надглибинні. Формування корових структур пов’язано з явищами в консолідованій частині земної кори; глибинні – спричинені процесами у верхнійї мантії; надглибинні – викликані явищами в нижній мантії та ядрі.

Більшість тектонічних процесів відбуваються не в межах окремого шару тектоносфери, а охоплюють декілька шарів і можуть бути наскрізними. Тому всі тектонічні процеси, що відбуваються в межах Землі можна розділити на внутрікорові, загальнокорові, внутрімантійні та наскрізні корово-мантійні. Крім того вони можуть бути ще і різної природи: тектонічні, магматичні або метаморфічні.

Внутрікорові процеси відбуваються в обмеженому об’ємі земної кори (формування соляних діапірів, анатектичне корове гранітоутворення). Вони локальні та не охоплюють всю потужність земної кори.

У загальнокорових процесах приймає участь вся товща земної кори. Це поступові підняття і опускання територій, які займають значні за розмірами площі та мають тривалу історію розвитку.

Внутрімантійні процеси є результатом фазових змін речовини (переплавлення, кристалізація), а також її диференціація, що обумовлена її переміщенням. Місцями розущільнена астеносфера створює випуклості «мантійні діапіри» та її поверхня піднімається до підошви земної кори.

Наскрізні мантійно-корові процеси це вкорінення в земну кору магми, що піднімається з верхньої мантії, або змішування гірських порід земної кори та матеріалу мантії, що відбувається на їх межі.

Внутрішня енергія Землі є основою енергією структуроутворюючих процесів. Дискусійним залишається питання джерела цієї енергії. До основних процесів, що можуть її формувати відносять процеси гравітаційної диференціації земної речовини, розпад радіоактивних елементів, взаємодію Землі та Місяця.

На ранніх етапах розвитку Землі головним джерелом енергії був процес гравітаційної диференціації речовини на щільне ядро і більш легку силікатну мантійну оболонку. Вивільнена енергія реалізувалася у вигляді кінетичної енергії конвективних рухів¹ земної речовини, теплового випромінювання, додаткового стиснення земних надр тощо. Найактивніше процес диференціації протікав у ранньому докембрії, поступово і нерівномірно, знижуючись у фанерозої.

Другим енергетичним джерелом є тепло радіоактивного розпаду. Радіоактивні елементи відносяться до групи літофільних елементів, які здатні входити в кристалічні ґратки силікатів. Тому припускається, що найбільші їх концентрації знаходяться в земній корі, значно менші – в мантії, а в ядрі вони відсутні. Найбільше радіоактивних елементів, винесених з мантії в земну кору, концентрується в гранітній речовині, тобто в «гранітному» шарі, який може являти собою джерело теплових потоків.

У теперішній час виникає питання про дегазацію Землі, як енергетичне джерело. Саме цей процес є основною причиною виникнення і формування атмосфери та гідросфери. Флюїдно-теплові потоки регулюють переміщення та перерозподіл легких елементів (H, He, Li, B, C, N, O, F, Ne, K, Ca, S, Cl, Ar, Br, Hg, Ra та інші). Фізичний аспект дегазації та механізм переміщення флюїдних потоків, ще недостатньо добре вивчений.

Н

Рис. 2. Сейсмотомографична модель внутрішньої будови Землі (за даними дослідників з Державного університету Арізони (США)).

Червоним зображені зони повільного розповсюдження сейсмічних хвиль, синім – швидкого розпосюдження. Червона точка – гіпоцентр землетрусу.

еоднорідність речовинного складу та фізичних властивостей сфер Землі є основною причиною їх динаміки. Вона проявляється в існуванні глибинних конвективних потоків. Тривалий час домінували ідеї про загальномантійну та двоярусну конвекцію теплової або хіміко-щільної природи. У 1989 році Ю.М.Пущаровський сформулював гіпотезу про каскадну або багаторівневу конвекцію. Вона базується на припущеннях, що глибинні теплові потоки різні за масштабами та інтенсивністю. Одні проявляються в земній корі, а другі на різних глибинних рівнях мантії. Частіше за все вони локалізуються у своєрідних сейсмічних неоднорідностях в мантії.

Поява сейсмотомографії визначила перехід геотектоніки на новий рівень вивчення глибинної будови Землі. Вже перші результати показали, що сучасна кінематика літосферних пліт адекватно відображається лише до глибини 300-400 км, а нижче картина переміщення мантійної речовини стає суттєво іншою. Результати сейсмотомографічних досліджень відобразилися у новій об’ємній моделі сейсмічної неоднорідності Землі (рис. 2), яка була складена вченими Державного університету Аризони (США). Аналіз сейсмотомографічних даних свідчить про латеральні переміщення мантійних мас з утворенням структур тектонічного скупчення. Серед таких структур виділяють слеби¹ та плюми² (рис. 3, 4).

Ці структури були визначені за наявності в надрах Землі об’ємів речовини з високими або низькими швидкостями проходження сейсмічних хвиль.

Рис. 3. Схема динаміки перехідного шару нижньої мантії Землі.

Стрілками показане переміщення речовини. Циркуляція в шарі відбувається за рахунок внутрішнього розігріву речовини. (за Kellogg L.H. et al., 1999)

Рис. 4. Моделі мантійних плюмів (за Arndt N., 2000).

Плюми відповідають за бурхливі вулканічні процеси на поверхні Землі. Плюм А, піднімається з границі нижня-верхня мантія та утворює голівку після досягнення літосфери. Широка голівка плюму В піднімається з границі мантія-ядро. Плюм С затримується на межі нижньої та верхньої мантії та дає початок меншим «плюмикам».

Гіпотеза висхідних мантійних струменів – плюмів, що виходять на поверхню у «гарячих точках» була висунута у 1963 р. Дж.Вілсоном та обґрунтована у 1972 р. В.Морганом. За її допомогою можна пояснити внутрішньоплитний магматизм, особливо утворення лінійчатих вулканічних ланцюгів, у яких вік вулканів закономірно збільшується по мірі віддалення від сучасних активних вулканів. Плюм-тектоніка з кожним роком стає більш популярною. Вона стає повноправним партнером плейт-тектоніки (тектоніка літосферних плит).

Данні сейсмотомографічних досліджень свідчать про занурення глибоко у мантію нахилених зон підвищених сейсмічних швидкостей – пластин-слебів океанічної літосфери. Ці данні співпадають з давно встановленими за гіпоцентрами землетрусів сейсмофокальними поверхнями, що досягають покрівлі нижньої мантії. Вперше було виявлено, що у ряді випадків сляби занурюються і на більші глибини, проникаючі у нижню мантію Землі. Поведінка слебів виявилася неоднозначною: одні з них, досягаючи нижньої мантії, не перетинають її, а відхиляються вздовж поверхні, приймаючи практично горизонтальне положення; інші – перетинають покрівлю нижньої мантії, але потім утворюють роздув і не занурюються глибше; треті – занурюються на більші глибини, у деяких районах досягаючи ядра. В подальшому виявилося, що більшість слебів перетинають покрівлю нижньої мантії, не проникаючі у неї глибше 1000-1300 км, і далі так би мовити розпливаються.