Литосфера

Литосфера — это твёрдая внешняя оболочка Земли, включающая земную кору и верхнюю часть мантии (до астеносферы). Литосфера обладает относительной жёсткостью и хрупкостью, в отличие от подстилающей её пластичной астеносферы. Мощность литосферы варьируется от нескольких километров под срединно-океаническими хребтами до 200–300 км под древними платформами континентов. Термин происходит от греческих слов «λίθος» (камень) и «σφαῖρα» (шар).

Строение и состав

Литосфера не является монолитным слоем, а состоит из двух основных частей: земной коры и верхней мантии, разделённых границей Мохоровичича (сейсмическим разделом, где скорость продольных волн скачкообразно возрастает).

Земная кора

Земная кора — самый верхний слой литосферы. Различают два основных типа коры:

• Континентальная кора — толщиной от 25–30 км под равнинами до 70–80 км под горными системами (например, под Гималаями). Состоит из трёх слоёв: осадочного, гранитного (гранитно-метаморфического) и базальтового. Средняя плотность — около 2,7 г/см³.
• Океаническая кора — толщиной 5–10 км. Состоит из трёх слоёв: осадочного (рыхлые отложения), базальтового (лавовые покровы) и габбро-серпентинитового (интрузивные породы). Средняя плотность — около 2,9 г/см³. Океаническая кора моложе континентальной (самые древние участки имеют возраст около 200 млн лет, тогда как континентальная — до 4 млрд лет).

Верхняя мантия

Верхняя часть мантии (до глубины около 400 км) входит в состав литосферы. Она сложена преимущественно ультраосновными породами — перидотитами (оливин, пироксены). Верхняя мантия вместе с корой образует литосферную плиту. Ниже, в астеносфере, вещество находится в частично расплавленном состоянии (1–10 % расплава), что обеспечивает возможность движения литосферных плит.

Литосферные плиты

Литосфера разбита на крупные и мелкие блоки — литосферные плиты. Они находятся в постоянном движении относительно друг друга по поверхности астеносферы. Выделяют семь крупнейших плит:

• Тихоокеанская
• Северо-Американская
• Евразийская
• Африканская
• Южно-Американская
• Антарктическая
• Индо-Австралийская

Также существуют десятки более мелких плит (например, Аравийская, Карибская, Филиппинская, плита Кокос, плита Наска). Границы между плитами проходят по срединно-океаническим хребтам (дивергентные границы), зонам субдукции (конвергентные границы) и трансформным разломам.

История формирования и развития

Ранняя история

Формирование литосферы началось около 4,5–4,6 млрд лет назад, после аккреции Земли из протопланетного диска. Первоначальная кора была базальтовой и быстро разрушалась под действием интенсивной метеоритной бомбардировки и вулканизма. Первые стабильные участки континентальной коры (кратоны) сформировались около 3,8–4,0 млрд лет назад. Древнейшие породы Земли (возрастом до 4,03 млрд лет) обнаружены в Канаде (Акаста-гнейс) и в Австралии (цирконы из Джек-Хиллз).

Тектоника плит

Современная модель тектоники литосферных плит была разработана в 1960–1970-х годах на основе теории дрейфа континентов Альфреда Вегенера (1912) и данных о спрединге океанического дна. Основные положения:

• Литосфера разделена на плиты, которые движутся со скоростью 1–10 см/год.
• Движение обусловлено конвекцией в мантии (подъём горячего вещества в астеносфере и опускание холодного).
• В зонах спрединга (срединно-океанические хребты) образуется новая океаническая кора.
• В зонах субдукции океаническая кора погружается под континентальную или под другую океаническую плиту, вызывая землетрясения и вулканизм.
• Столкновение континентальных плит приводит к образованию горных систем (орогенез).

Типы границ литосферных плит

Дивергентные границы

На дивергентных границах литосферные плиты расходятся. Это происходит в срединно-океанических хребтах (например, Срединно-Атлантический хребет, Восточно-Тихоокеанское поднятие). Здесь поднимается магма, формируя новую океаническую кору. На континентах дивергентные границы образуют рифтовые зоны (Восточно-Африканская рифтовая система, Байкальская рифтовая зона).

Конвергентные границы

На конвергентных границах плиты сближаются. Выделяют три типа:

• Субдукция — более плотная океаническая плита погружается под менее плотную континентальную или под другую океаническую плиту. Примеры: зона субдукции Тихоокеанской плиты под Евразийскую (Япония, Курилы, Камчатка), зона субдукции плиты Наска под Южно-Американскую (Анды).
• Обдукция — океаническая кора надвигается на континентальную (редкое явление, пример — офиолиты Омана).
• Коллизия — столкновение двух континентальных плит, ни одна из которых не погружается полностью. Пример — столкновение Индийской и Евразийской плит, приведшее к образованию Гималаев и Тибетского нагорья.

Трансформные границы

На трансформных границах плиты скользят горизонтально друг относительно друга. Пример — разлом Сан-Андреас в Калифорнии, где Тихоокеанская плита движется на северо-запад относительно Северо-Американской.

Взаимодействие с другими оболочками Земли

Литосфера активно взаимодействует с другими геосферами:

• Атмосфера — выветривание горных пород, перенос продуктов разрушения ветром.
• Гидросфера — водная эрозия, растворение пород, образование осадочных пород.
• Биосфера — организмы участвуют в выветривании (биогенное выветривание), формировании почв, осадочных пород (известняки, уголь, нефть).
• Мантия и ядро — через астеносферу осуществляется тепломассоперенос, влияющий на движение плит и вулканизм.

Значение литосферы

Ресурсное значение

Литосфера является источником практически всех полезных ископаемых:

• Топливные — нефть, природный газ, уголь, горючие сланцы, торф.
• Рудные — железо, медь, алюминий, никель, золото, уран, редкоземельные элементы.
• Нерудные — строительные материалы (песок, гравий, известняк, гранит), химическое сырьё (фосфориты, калийные соли), драгоценные и поделочные камни.

Экологическое значение

Литосфера является основой для почвенного покрова, который обеспечивает существование наземных экосистем. Антропогенное воздействие на литосферу (добыча полезных ископаемых, строительство, сельское хозяйство) приводит к деградации почв, эрозии, оползням, загрязнению недр.

Геодинамическая опасность

Процессы в литосфере вызывают природные катастрофы:

• Землетрясения — подземные толчки и колебания земной поверхности, вызванные разрывами в литосфере. Наиболее сильные землетрясения происходят в зонах субдукции (например, Великое восточно-японское землетрясение 2011 года магнитудой 9,1).
• Цунами — гигантские волны, порождаемые подводными землетрясениями или извержениями вулканов.
• Извержения вулканов — выход магмы на поверхность. Вулканическая активность сосредоточена вдоль границ литосферных плит (Тихоокеанское огненное кольцо).

Методы изучения литосферы

Изучение литосферы ведётся комплексно:

• Сейсмические методы — анализ распространения сейсмических волн от землетрясений или искусственных взрывов позволяет определить границы слоёв, мощность коры, глубину залегания астеносферы.
• Гравиметрические методы — измерение силы тяжести выявляет аномалии плотности пород.
• Магнитные методы — изучение магнитного поля Земли помогает обнаружить магнитные аномалии, связанные с составом пород.
• Геотермические методы — измерение теплового потока из недр.
• Бурение — сверхглубокое бурение (например, Кольская сверхглубокая скважина, достигшая глубины 12 262 м) даёт прямые образцы пород.
• Спутниковая геодезия — GPS-измерения позволяют отслеживать движения литосферных плит с точностью до миллиметров.

Интересные факты

• Самая древняя часть литосферы — кратон Каапвааль в Южной Африке (возраст до 3,6 млрд лет).
• Литосфера под океанами тоньше, чем под континентами, но плотнее.
• Толщина литосферы под срединно-океаническими хребтами составляет всего 5–10 км, а под древними платформами — до 300 км.
• Литосферные плиты движутся со скоростью, сравнимой со скоростью роста ногтей (около 2–5 см/год).
• Разлом Сан-Андреас в Калифорнии — одна из самых изученных трансформных границ, вызывающая сильные землетрясения (например, землетрясение 1906 года в Сан-Франциско магнитудой 7,8).

Источники

• Геологический словарь. Том 1. — М.: Недра, 1978.
• Хаин В. Е., Ломизе М. Г. Геотектоника с основами геодинамики. — М.: Изд-во МГУ, 2005.
• Короновский Н. В., Ясаманов Н. А. Геология. — М.: Академия, 2012.
• Press F., Siever R. Earth. — W. H. Freeman and Company, 1986.
• Turcotte D. L., Schubert G. Geodynamics. — Cambridge University Press, 2002.