Границы расходящихся плит: механизмы растяжения, континентальные рифты и эволюция океанических бассейнов

Границы расходящихся плит представляют собой зоны, где тектонические плиты раздвигаются, и наиболее ярким проявлением этого процесса является система срединно-океанических хребтов — непрерывная горная цепь, протянувшаяся примерно на 25 000 миль (40 000 км) по всему земному шару. Эти хребты формируются там, где океанические плиты расходятся, позволяя магме из мантии подниматься вверх и формировать новую океаническую кору и литосферу. Такие системы считаются зрелыми спрединговыми границами, многие из которых происходят из незрелых спрединговых зон внутри континентов, известных как континентальные рифты. В то время как некоторые континентальные рифты, например рифтовая система Красное море — Восточная Африка, связаны с глобальной океанической рифтовой системой и активно расчленяют континенты, другие испытывают лишь незначительное растяжение коры и, возможно, никогда не разовьются в океанические рифты. Яркими примерами последних являются провинции Бассейн и Хребет (Basin and Range) на западе Соединенных Штатов и озеро Байкал в Сибири (Россия).

Различные механизмы растяжения на расходящихся границах. Хотя расходящиеся границы имеют общую характеристику — разрыв и отделение литосферы, процессы, лежащие в основе этого растяжения, значительно различаются. Эти механизмы могут действовать независимо в разных регионах или взаимодействовать, способствуя истончению земной коры и оседанию поверхности. Основными конечными моделями растяжения и оседания континентальных рифтов являются модель чистого сдвига, модель простого сдвига и модель нагнетания дамбы.

Режимы растяжения в рифтах. (А) Показана модель чистого сдвига, в которой литосфера расширяется симметрично, а астеносфера поднимается, заполняя пространство, освобожденное расширяющейся литосферой. (B) Показывает простой сдвиг или асимметричный рифтогенез, когда неглубокий разлом отрыва проникает в толщу литосферы, а астеносфера асимметрично поднимается на той стороне разлома, где разлом входит в астеносферу. Узоры разломов также асимметричны, с разными стилями по обе стороны от разлома.

В модели чистого сдвига литосфера подвергается симметричному истончению вокруг оси разлома. Этот процесс напоминает растяжение вязкого материала, когда деформация вблизи поверхности компенсируется хрупким разрушением, в то время как на глубине происходит пластичное течение. Граница литосферы и астеносферы, определяемая изотермой 2425°F (1330°C), значительно поднимается до глубин 10–20 миль (15–30 км) под центром разлома, что контрастирует с ее типичной глубиной в 75 миль (120 км) в стороне от разлома. Эта восходящая миграция приводит к повышенным геотермальным градиентам и высокому тепловому потоку внутри рифта, что подтверждается измерениями силы тяжести, указывающими на избыточную массу на глубине от поднимающейся астеносферы. Переход между хрупкостью и пластичностью происходит примерно на глубине четырех миль (7 км); эта граница известна как переход хрупкости в пластичность, ниже которого растяжение осуществляется за счет зон пластичного сдвига, а не трещин.

Модель простого сдвига предполагает асимметричный режим растяжения, в котором доминирует крупномасштабный разлом с небольшим углом отрыва, проходящий через всю литосферу. Такая конфигурация создает систему асимметричных структур по всему рифту, включая повернутые блоки разломов на стороне, где отрыв неглубокий. На противоположной стороне, которая испытывает наиболее выраженное истончение литосферы, часто наблюдаются обширные извержения вулканов. Истончение литосферы вызывает нагрев земной коры и поднятие разлома отрыва вверх, при этом зона максимального поднятия обычно смещена от центральной оси рифта. Эта модель эффективно объясняет контрастные геологические особенности, наблюдаемые на сопряженных границах, например, вулканические границы с одной стороны и границы, где преобладают разломы, — с другой. Ярким примером служит Красное море, где на Аравийской стороне много вулканических пород, тогда как на Африканской стороне их значительно меньше.

Модель нагнетания дайки предполагает, что внедрение многочисленных плотных базальтовых даек в континентальную литосферу увеличивает ее плотность, что приводит к изостатическому опусканию. Хотя этот механизм, как правило, считается недостаточным для самостоятельного объяснения всего спектра особенностей рифта, он признается в качестве фактора, способствующего оседанию в рамках моделей чистого и простого сдвига.

Согласно этим моделям, начальная фаза рифтогенеза характеризуется повышением и сжатием геотермальных градиентов ниже оси разлома. После основных фаз растяжения и оседания рифт либо становится неактивным, либо развивается, образуя систему срединно-океанических хребтов. В последнем случае выступы рифта превращаются в пассивные континентальные окраины. Как разрушенные рифты, так и пассивные окраины подвергаются последующей длительной фазе термического оседания, вызванной постепенным охлаждением и возвращением изотерм к их глубинам, существовавшим до рифта. Этот процесс длится около 60 миллионов лет и приводит к образованию обширных бассейнов, характеризующихся отсутствием активных разломов и вулканизма. Переход от фазы активного рифтогенеза, отмеченной крупнозернистыми обломочными отложениями и вулканитами, к фазе термического оседания обычно определяется как переход от рифта к дрейфу.

На рисунке показана упрощенная трехэтапная эволюция расходящихся границ. На стадии молодой рифтовой долины, подобной той, что наблюдается в Восточно-Африканской рифтовой системе, имеются крутые уступы и базальтовые и риолитовые вулканы. Стадия молодого океана, похожая на современное Красное море, характеризуется расширением морского дна и крутыми рифтовыми уступами. Стадия зрелого океана подобна современному Атлантическому океану, с мощными пассивными окраинами, образовавшимися на континентальных окраинах вокруг обширного океанического бассейна.

Континентальные рифты как зарождающиеся границы расхождения. Рифты — это вытянутые впадины, образовавшиеся в местах, где вся толща литосферы была разрушена под действием растягивающих сил, что представляет собой начальную стадию распада континента и потенциального формирования нового океанического бассейна. Основной геоморфологической особенностью этого процесса является рифтовая долина, характеризующаяся крутыми краями, ограниченными разломами, и прилегающими уступами разломов, которые часто возвышаются над дном долины. Типичны внутренние дренажные системы с короткими ручьями, берущими начало на крутых склонах долины, текущими вдоль осевого желоба и заканчивающимися глубокими узкими озерами. В засушливом климате, например в некоторых районах Восточной Африки, эти дренажные системы часто представляют собой замкнутые бассейны, где вода испаряется, прежде чем достичь моря, что приводит к образованию характерных отложений эвапоритов (солей).

Осадочная летопись континентальных рифтов дополнительно определяется озерными отложениями в пределах центрального бассейна и конгломератами, образовавшимися в результате эрозии поднятых уступов рифта. Эти осадочные слои часто перемежаются с вулканическими породами, которые обычно имеют щелочной состав и бимодальное распределение кремнезема, то есть состоят преимущественно из базальтов и риолитов. Изучение современных континентальных рифтов, таких как Восточно-Африканская рифтовая система, позволяет геологам лучше понимать процессы, которые в геологическом прошлом приводили к расколу континентов и образованию новых океанов, а также связанные с этим риски сейсмической и вулканической активности.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.