Спрединг океанического дна

Спрединг океанического дна — это геологический процесс расширения (растяжения) литосферных плит в океанах, происходящий в зонах срединно-океанических хребтов. В ходе спрединга мантийное вещество (астеносфера) поднимается к поверхности, частично плавится, образуя новую океаническую кору, которая растекается в обе стороны от оси хребта, заполняя образующуюся трещину. Спрединг является основным механизмом, обеспечивающим рост океанической литосферы и движение литосферных плит, и составляет ключевой элемент теории тектоники плит.

История открытия и изучения

Предпосылки и первые гипотезы

Идея о том, что океаническое дно не является статичным, а постоянно обновляется, возникла в середине XX века. До этого господствовала концепция фиксизма, предполагавшая, что континенты и океанические бассейны занимают постоянное положение. Однако накопление данных о рельефе дна Мирового океана, полученных с помощью эхолотирования, и о магнитных аномалиях поставило эту точку зрения под сомнение.

В 1960 году американский геолог Гарри Хесс сформулировал гипотезу о том, что океаническая кора образуется в срединно-океанических хребтах и затем медленно перемещается в стороны, уходя в мантию в зонах субдукции. Эта гипотеза получила название «спрединг морского дна» (seafloor spreading). Независимо от Хесса, к аналогичным выводам пришёл Роберт Дитц, который в 1961 году опубликовал статью, в которой ввёл сам термин «спрединг морского дна».

Подтверждение гипотезы

Решающее подтверждение гипотеза спрединга получила в середине 1960-х годов благодаря исследованиям палеомагнетизма. Учёные (Ф. Вайн, Д. Мэтьюз, Л. Морли) обнаружили, что магнитные аномалии на дне океана образуют симметричные полосы, параллельные оси срединно-океанических хребтов. Эти полосы соответствовали периодам прямой и обратной полярности магнитного поля Земли, зафиксированным в застывающей базальтовой лаве. Симметрия полос доказывала, что новая кора образуется в центре хребта и растекается в обе стороны, а возраст пород закономерно увеличивается по мере удаления от оси.

В 1968 году, после открытия зон субдукции и формулировки теории тектоники плит, спрединг был признан фундаментальным процессом, управляющим движением литосферных плит. В последующие десятилетия детальное изучение спрединга проводилось с помощью глубоководного бурения (программа DSDP/ODP), подводных аппаратов и сейсмических исследований.

Механизм процесса

Движущие силы

Основной движущей силой спрединга является конвекция в мантии Земли. Горячее, менее плотное вещество астеносферы поднимается к основанию литосферы в зонах срединно-океанических хребтов. В условиях пониженного давления (декомпрессия) происходит частичное плавление мантийных пород (перидотитов), в результате чего образуется базальтовая магма. Магма поднимается по трещинам и каналам к поверхности дна океана, где изливается в виде лавы, формируя новую кору.

Этапы процесса

1. Подъём астеносферы: Восходящий поток мантийного вещества достигает подошвы литосферы под срединно-океаническим хребтом.
2. Плавление и магмообразование: Вследствие декомпрессии происходит частичное плавление, образуется базальтовая магма.
3. Внедрение магмы: Магма по трещинам и дайкам поднимается к поверхности, формируя магматические камеры на глубине 1–3 км от дна.
4. Излияние и кристаллизация: Магма изливается на дно в виде подушечных лав (pillow lavas) или образует более мощные потоки. При быстром охлаждении в контакте с водой формируется верхний слой коры — базальтовые лавы. Ниже, в магматической камере, происходит медленная кристаллизация, образуя габбро — нижний слой океанической коры.
5. Растекание и охлаждение: По мере образования новой коры в осевой части хребта, более старая кора отодвигается в стороны, постепенно остывая и уплотняясь. Толщина литосферы увеличивается по мере удаления от оси.

Скорость спрединга

Скорость спрединга (полускорость — скорость одной стороны относительно оси) варьируется от нескольких миллиметров до 15–20 сантиметров в год. По скорости выделяют:

• Медленный спрединг (1–5 см/год): Характерен для Северного Ледовитого океана, Атлантического океана (Срединно-Атлантический хребет). В таких зонах формируется глубокий рифт (долина) в осевой части хребта, рельеф сильно расчленён.
• Средний спрединг (5–9 см/год): Встречается, например, в Индийском океане.
• Быстрый спрединг (9–17 см/год): Характерен для Тихого океана (Восточно-Тихоокеанское поднятие). В таких зонах рифтовая долина выражена слабо или отсутствует, рельеф более пологий.

Геологическое строение зон спрединга

Срединно-океанические хребты

Зоны спрединга представляют собой глобальную систему подводных горных хребтов общей протяжённостью около 70 000 км. Они пересекают все океаны и являются самыми протяжёнными горными сооружениями на Земле. Высота хребтов над окружающим ложем океана может достигать 2–3 км.

Строение океанической коры

Океаническая кора, образующаяся в зонах спрединга, имеет стандартное трёхслойное строение (сверху вниз):

1. Слой 1 (осадочный): Тонкий слой осадков (глины, известковые и кремнистые илы), мощность которого увеличивается по мере удаления от оси хребта.
2. Слой 2 (базальтовый): Состоит из подушечных лав и базальтовых потоков. Мощность — 1–2 км.
3. Слой 3 (габбровый): Представлен габбро — интрузивными породами, кристаллизовавшимися в магматической камере. Мощность — 3–5 км.

Общая мощность океанической коры вдали от хребтов составляет 6–7 км, что значительно меньше мощности континентальной коры (30–40 км).

Значение спрединга

Для тектоники плит

Спрединг является одним из двух главных процессов, обеспечивающих движение литосферных плит (наряду с субдукцией). Он создаёт новую литосферу, компенсируя её поглощение в зонах субдукции. Без спрединга движение плит было бы невозможным, а континенты оставались бы неподвижными.

Для геохимического цикла

Спрединг играет ключевую роль в глобальном геохимическом цикле. В зонам спрединга происходит:

• Дегазация мантии: Выделение в океан и атмосферу летучих компонентов (водяной пар, углекислый газ, сера, хлор), которые были захоронены в мантии при субдукции. Это важный источник воды и газов для гидросферы и атмосферы.
• Гидротермальная активность: Вдоль осей срединно-океанических хребтов расположены гидротермальные источники («чёрные курильщики»), из которых в океан поступают растворённые металлы (железо, марганец, цинк, медь) и сера. Эти процессы поддерживают уникальные экосистемы, основанные на хемосинтезе.

Для формирования полезных ископаемых

Зоны спрединга являются областями формирования ряда полезных ископаемых:

• Сульфидные руды: Вблизи гидротермальных источников осаждаются сульфиды металлов, образуя массивные сульфидные залежи (полиметаллические руды).
• Марганцевые конкреции: На удалении от хребтов, на абиссальных равнинах, формируются железомарганцевые конкреции, содержащие никель, кобальт, медь.
• Кобальтоносные корки: На склонах подводных гор, в том числе в зонах спрединга, образуются кобальтоносные марганцевые корки.

Современные исследования

Изучение спрединга продолжается с использованием современных методов:

• Глубоководное бурение: Программа IODP (International Ocean Discovery Program) позволяет получать керны пород океанической коры для изучения её состава, возраста и условий образования.
• Сейсмическая томография: Позволяет «просвечивать» мантию под хребтами, выявляя магматические камеры и каналы.
• Подводные аппараты: Автономные и обитаемые аппараты (например, «Мир», Alvin) проводят прямые наблюдения и отбор проб на дне океана.
• Геодезические методы: GPS-измерения и спутниковая альтиметрия позволяют с высокой точностью определять скорости движения плит.

Критика и альтернативные гипотезы

Теория спрединга является общепризнанной в геологии. Однако существуют и альтернативные или дополняющие гипотезы. Например, гипотеза «плюмового тектонизма» предполагает, что основным двигателем движения плит являются не конвективные ячейки, а восходящие мантийные плюмы, которые могут вызывать спрединг в определённых регионах. Также обсуждается роль «слэб-пулла» (затягивания плиты в зону субдукции) как основной движущей силы, а спрединг рассматривается как пассивный процесс, заполняющий образующуюся трещину. Несмотря на эти дискуссии, фундаментальный механизм образования новой океанической коры в срединно-океанических хребтах не вызывает сомнений.

Источники

1. Хесс Г. Х. «История океанических бассейнов» (1962).
2. Дитц Р. С. «Континентальный дрейф и спрединг морского дна» (1961).
3. Вайн Ф. Дж., Мэтьюз Д. Х. «Магнитные аномалии над океаническими хребтами» (1963).
4. Кокс А., Харт Р. «Тектоника плит: механизмы и движущие силы» (1986).
5. Кеннетт Дж. П. «Морская геология» (1982).
6. Лобковский Л. И., Сорохтин О. Г. «Тектоника литосферных плит и геодинамика» (1988).