От гипотезы дрейфа материков к теории
глобальной тектоники
Дата создания сайта:
20/12/2012
Дата создания
сайта: 20/12/2012 Дата обновления главной страницы:
14.04.2019 09:05
e-mail:
icq:
613603564
поддержка
проекта:
разместите на своей странице нашу кнопку!И мы
разместим на нашей странице Вашу кнопку или ссылку. Заявку прислать на
e-mail
код нашей кнопки:
Новые факты, полученные геологической наукой за последние
15-20 лет, внесли коренные изменения во многие представления, казавшиеся
ранее фундаментальными.
Космическое землеведение и геолого-геофизические исследования морского
дна позволили по-новому понять развитие Земли. Сформировалась новая
теория тектоники, согласно которой на поверхности нашей планеты
перемещается 8-9 больших плит литосферы - верхней наиболее холодной,
кристаллической, а поэтому твердой и хрупкой оболочки Земли. Эта теория
дала мощный толчок быстрому развитию общей теории эволюции нашей планеты
- глобальной тектоники.
Теория тектоники литосферных плит представляет собой развитие родившейся
еще в начале XX в. гипотезы дрейфа материков.
Понятие "земная твердь" прочно вошло в повседневное
сознание людей. Поэтому с самого зарождения геологии Как самостоятельной
науки в ней сформировалось и многие годы господствовало представление о
невозможности значительных горизонтальных перемещений крупных
геологических тел, а тем более целых материков. Теоретическим
фундаментом геологии на протяжении более чем полувека служила контракцион-ная гипотеза, объяснявшая горообразование остыванием Земли и
сокращением ее радиуса. Но геологические аргументы, накопленные к началу
XX в. (и прежде всего установление областей, расположенных буквально "по
соседству", в одной из которых происходило сжатие земной коры, тогда как
в другой в то же самое время - растяжение), подорвали престиж этой
гипотезы. Главной же причиной крушения контракционной гипотезы было
открытие радиоактивности и обнаружение в континентальной земной коре
значительного количества радиоактивных элементов. (Правда, как мы теперь
понимаем, это представление о высоких концентрациях было в начале нашего
века неоправданно распространено на всю Землкх" Следствием явилось
предположение, что наша планета не только не остывает, но даже
продолжает разогреваться.) Крушение гипотезы контракции привело к общему
кризису в теоретической геологии. Многочисленные попытки спасти красивую
и, казалось бы, естественную гипотезу не увенчались успехом.
Именно в это время появились две статьи американского геолога Ф. Тейлора
(Taylor, 1910) и немецкого геофизика А. Вегенера (Wegener, 1912). В этих
работах допускалась возможность крупных горизонтальных перемещений
континентальных массивов. Так в теоретической геологии родилось новое
направление - мобилизм.
Гипотезу дрейфа материков обычно связывают с именем А. Вегенера, который
наиболее полно разработал эту идею к концу 20-х годов. Прежде всего он
был поражен удивительным сходством очертаний окраин континентов, ныне
разделенных Атлантическим океаном.
Анализ относительного распределения по площади высот суши и глубин моря
позволил А. Вегенеру выдвинуть предположение (которое в настоящее время
полностью подтвердилось) о том, что в среднем составы континентальных
пород и пород, слагающих дно океана, существенно различны. Материки
сложены более легкими, преимущественно гранито-гнейсовыми породами (сиаль),
в составе которых преобладают кремний и алюминий; дно океана сложено
более тяжелым веществом (симой), состоящим в значительной степени из
кремния и магния. На этой основе А. Вегенер создал простую, достаточно
наглядную и для того времени правдоподобную модель строения верхней
оболочки Земли. Согласно этой модели более легкие материки в виде
толстых (до 100 км и более) сиалических плит погружены в пластичную
тяжелую симу, где и плавают подобно айсбергам в океане.
Для подтверждения своей гипотезы А. Вегенер и его последователи
привлекли четыре группы фактов: геоморфологические, геологические,
палеонтологические и палеоклиматологические. Наиболее простым и
убедительным аргументом было сходство береговых линий материков по
разные стороны Атлантического океана. Менее четкое, но все же достаточно
убедительное совпадение очертаний береговых линий удалось установить и
для материков, окружающих Индийский океан. Реконструкция расположения
континентов в геологическом прошлом, проведенная путем сближения до
наилучшего совпадения очертаний их окраин, позволила А. Вегенеру
предположить, что в середине мезозоя (около 200 млн. лет назад) все
материки были сгруппированы в единый гигантский континент - Пан-гею.
Этот суперконтинент образовался около 300 млн. лет назад из двух крупных
частей: северной - Лавразии, объединявшей нынешнюю Европу, Азию (без
Индии) и -Северную Америку, и южной - Гондваны, которая включала в себя
Южную Америку, Африку, Антарктиду, Индостан и Австралию (рис. 1).
Реконструкция Пангеи, выполненная по геоморфологическим данным,
убедительно подтверждалась и сходством геологических разрезов
позднепалеозойских и раннемезозойских пород на смежных материках. В
отдельных случаях удалось установить сходство даже в тонких деталях
состава и строения геологических разрезов в краевых зонах Африки и Южной
Америки, разделенных сейчас Южной Атлантикой на тысячи километров.
Первые различия в геологическом строении береговых районов этих
континентов проявились лишь в позднеюрское- раннемеловое время (около
130 млн. лет назад). Эти различия свидетельствуют о расколе Пангеи,
который сопровождался обильным излиянием базальтовых лав, образовавших
мощные покровы.
Не менее убедительно о единстве материков Лавразии и Гондваны
(объединившихся в конце палеозоя в единую Пангею) свидетельствуют
окаменелые остатки животных и растений. Вся древняя фауна и флора южных
материков образует единое сообщество, некогда заселявшее одну область.
Особенно показательным в этом отношении оказались листрозавры -
пресмыкающиеся, похожие на небольших гиппопотамов, обитавшие в
пресноводных водоемах около 200 миллионов лет назад. В начале XX в. их
остатки были найдены в Африке и Южной Америке (в конце 60-х годов в
Антарктиде было найдено буквально кладбище листрозавров). Невозможно
себе представить, чтобы эти неуклюжие наземные или пресноводные животные
могли проплыть тысячи километров по океану, если бы он разделял в то
время, как и сейчас, Африку, Южную Америку и Антарктиду. Остается
единственный вывод, который и был сделан А. Вегенером:
Рис. 1. Реконструкция пространственного
расположения материков по А. Вегенеру (1929)
в триасовое время (около 200 млн. лет назад)
все эти ныне разрозненные материки составляли единый материк - Гондвану,
который, в свою очередь, входил тогда в состав Пангеи.
Сильным аргументом, убедительно свидетельствующим в пользу единой Пангеи,
были и обобщенные А. Вегенером палеоклиматические данные. Геологи,
изучавшие материки современного Южного полушария, давно установили следы
позднепалеозойского покровного оледенения (ледниковые, валунные глины -
тиллиты) в Южной Америке, Африке, Индии и Австралии. В конце 50-х -
начале.60-х годов бесспорные следы пЬзднепалеозойского покровного
оледенения были найдены и в Антарктиде. Трудно себе представить
покровное оледенение в Бразилии, Африке и Индостане в пермское и
карбоновое время при современном расположении материков, тем более что в
том же самом карбоне (около 300 млн. лет назад) на юге и в центре
нынешней Русской платформы отлагались известняки теплого моря, а
найденные в Предуралье коралловые острова в то время изобиловали
тропической фауной.
Простота и наглядность предложенной А. Ве-генером модели движения
материковых глыб^ а главное - убедительность приводимых в защиту
гипотезы дрейфа континентов фактических геологических данных, позволили
этой гипотезе в 20-е годы быстро завоевать широкую известность. Но вслед
за первым успехом мобилистской гипотезы, после трагической гибели ее
автора в 1930 г. во льдах Гренландии, началось быстрое охлаждение к ней
"здравомыслящего" геодрги-ческого сообщества. Начало критическому
отношению положили геофизики; кр^Инейший английский геофизик-теоретик X.
Джефрис (Jeffreys) количественно оценил предложенную Ф. Тейлором и А.
Вегенером "центробежную" модель дрейфа и показал, что центробежная сила
на 2-3 порядка меньше той величины, которая необходима для преодоления
прочности земной коры и смещения континентальных массивов.
Другой удар нанесли геологи; они привели достаточно много аргументов,
свидетельствующих, что наиболее существенный процесс образования
континентальной коры, происходящий в островных дугах, имеет явно
глубинную природу и не связан с внешними силами, которыми первые
мобилисты объясняли механизм перемещения материков. И снова геофизики:
они открыли зоны глубоких (до 600 км) очагов землетрясений под
островными дугами, которые стали трактовать как расколы твердой и
прочной мантии, следовательно (при такой трактовке), не могло быть и
речи о каких-либо перемещениях континентальной коры относительно мантии.
Критические аргументы были настолько убедительными, что к началу 40-х
годов гипотеза растеряла почти всех своих сторонников, и в 50-х годах
абсолютному большинству геологов казалось, что она имеет лишь
историческое значение.
В самом начале 60-х годов американский геолог Г. Хесс
(Hess) высказал предположение, что горячее, частично расплавленное
мантийное вещество поднимается вдоль рифтовых трещин, которые в ту пору
были впервые трассированы по сейсмологическим данным в виде единой
мировой системы осевых зон пологих и обширных подводных хребтов.
Поднимаясь из глубоких недр под такими хребт^Йи, мантийное вещество
согласно модели Хесса должно растекаться в разные стороны от оси хребта
и "растаскивать" океаническое дно*в разные стороны. Кроме того,
поднимающееся расплавленное мантийное вещество заполняет рифтовую
трещину, застывает в ней, а затем, разрываясь примерно посредине,
наращивает таким образом расходящиеся края океанической коры*.
В то же самое время появились новые убедительные геофизические
доказательства перемещения материков, связанные с палеомагнетизмом
древних пород. Первые же палеомагнитные исследования (П. Блеккет -
Blackett и С. Ран-корн - Runcorn, Англия, 1962; Э. Ирвинг - Irving, США,
1964; А. Храмов, 1967) подтвердили вегенеровские реконструкции распада
Пангеи.
В начале 60-х годов появились и сильные палеомагнитные доказательства
разрастания океанического дна, полученные на основании анализа природы
полосчатого аномального магнитного поля. Оказалось, что эти аномалии
симметричны по отношению к гребням срединно-оке-анических хребтов, и
каждая половина симметричной картины с хорошей точностью повторяет
порядок чередования намагниченности континентальных пород по мере
увеличения их возраста. К тому времени было установлено, что изменения
намагниченности континентальных пород связаны с изменениями направления
магнитного поля нашей планеты: за последние несколько миллионов лет
магнитные полюса Земли меняли свою полярность свыше 20 раз. Для
объяснения природы полосчатого аномального магнитного поля океана было
высказано много гипотез. Справедливой оказалась модель английских ученых
Ф. Вайна (Vine) и Д. Мэттюза (Matthews) (1963), которые предположили,
что эти аномалии есть не что иное, как запись инверсий магнитного поля
Земли в геологическом прошлом на гигантской природной "магнитофонной
ленте" - океанической коре, которая, застывая в рифтовой трещине, рвется
в ней примерно посредине, и каждая половина раздвигается в стороны от
места своего рождения. Определив порядок чередования и время каждой
инверсии, можно по рисунку аномалий установить возраст дна океана. Эта
интерпретация, проверенная данными глубоководного бурения, убедительно
показала геологическую молодость океанического дна. Возраст пород в
рифтовых трещинах буквально современный, на флангах
срединно-океанических хребтов - 80-100 млн. лет, а самой древней
океанической коре не более 150-160 млн. лет, что составляет всего v30 от
возраста нашей планеты.
Теперь хорошо известно, что раскол Пангеи произошел около 160-170 млн.
лет назад, когда Африка откололась от Северной Америки. По мере их
удаления друг от друга начала образовываться и расширяться впадина
Северной Атлантики. Полярная и субполярная области Атлантического океана
начали развиваться лишь 60-65 млн. лет назад, когда раскололась
Лавра-зия - Северная Америка отделилась от Гренландии, а Гренландия от
Европы. Южная Америка откололась от Африки 120-130 млн. лет назад,
положив начало разрастанию южноатлантической впадины. Рубеж юрского и
мелового времени - это рубеж распада Гондваны. В это же время Индостан
откололся от Африки и Антарктиды и начал свой стремительный путь к
северу; тогда же началось разрастание современного Индийского океана.
Последний раскол остатков Гондваны - разделение Антарктиды и Австралии -
произошел в раннем кайнозое, всего 60-65 млн. лет назад.
Так палеомагнитные исследования континентальных пород и аномального
магнитного поля океана не только полностью подтвердили аргументы ранних
мобилистов, но и позволили выявить детальные черты геометрии взаимного
перемещения литосферных плит в процессе разрастания геологически молодых
впадин Атлантического и Индийского океанов.
Как мы уже упоминали, геофизиками было установлено, что глубина очагов
землетрясений под островными дугами достигает нескольких сотен
километров; они группируются в сравнительно узкие (до 100 км)
сейсмофокальные зоны. Еще в начале 30-х годов голландский геофизик Ф.
Венинг- Мейнес ( Weining-Meines), а в середине 40-х советский геолог
академик В. Заварицкий интерпретировали эти зоны как результат
вдавливания или пододвигания океанической литосферы под материковую. Но,
повторим, в то время большинство геофизиков и геологов традиционно
трактовали глубинные сейсмофокальные зоны как расколы жесткой мантии.
Только в конце 60-х годов американцы JI. Сайке (Sykes), Ж. Оливер (Oliver),
Б. Айсекс (Isacks), анализируя сейсмологические данные, убедительно
показали, что глубинные сейсмофокальные зоны под островными дугами
действительно по своим упругим параметрам представляют плиты, более
жесткие, чем окружающая мантия, и уходящие на глубину под разными
углами.
Другим ярким доказательством погружения океанической литосферы в мантию
под островными дугами служит рельеф дна. В конце 20-х - начале 30-х
годов было установлено, что глубоководные желоба и невулканические гряды
островных дуг далеки от равновесия; для того чтобы их удерживать в таком
состоянии, литосфера должна обладать прочностью порядка 1000 кг см-г,
что соответствует условно-мгновенной прочности кристаллических горных
пород на скалывание. Отсюда автором данной статьи был сделан вывод
(1968), что нескомпенсирован-ные структуры островных дуг могут длительно
существовать только при условии перераспределения напряжений в процессе
пододвигания одной плиты под другую, т. е. они представляют собой
поверхностное проявление динамики конвергентных (сходящихся) краев плит.
Еще один тип границ литосферных плит был впервые выделен в середине 60-х
годов канадцем Дж. Т. Уилсоном (Wilson) - это так называемые
трансформные разломы, вдоль которых края плит скользят без значительного
раздвигания или пододвигания.
Таким образом, к концу 60-х годов были сформулированы основные положения
тектоники литосферных плит. А именно: на поверхности нашей планеты
перемещается ансамбль плит литосферы - верхней наиболее холодной
оболочки Земли, в пределах которой все компоненты находятся в
кристаллическом состоянии. Поэтому только литосфера обладает конечной
длительной прочностью и хрупким разрушением - разрывы литосферы приводят
к землетрясениям. Иными словами, с позиций механики литосфера и является
корой Земли. Нижняя ее граница определяется температурой кристаллизации
(или плавления) базальтов; начало их плавления - фазовый переход
литосферы в астеносферу (неустойчивую сферу). Верхняя граница литосферы
определяет лик нашей планеты.
Наиболее существенные геологические процессы происходят на боковых
границах плит. Эти границы делятся на три главных типа.
Первый - это дивергентные края плит; здесь в образующуюся трещину
поступает расплавленное мантийное вещество, которое, достигая
поверхности, застывает и образует новую океаническую литосферу. Раскол
континентальной литосферы и раздвижение краев двух материков дает начало
образованию между ними нового океана.
Другой тип границ - это конвергентные, которые, в свою очередь, можно
разделить на два подтипа. Первый - когда океаническая плита сталкивается
с другой плитой (океанической или континентальной) и погружается в
мантию. Такое погружение приводит к образованию глубоководных желобов и
островных дуг (например, Курильской) или активных, вулканических
континентальных окраин (андийская окраина Южной Америки, восточная
окраина Камчатки и др.). Второй подтип можно наблюдать там, где
сталкиваются континентальные края плит. Существенно более легкая, чем
мантия, континентальная
Рис. 2. Глобальная модель линейных скоростей
относительных и абсолютных перемещений главных литосферных плит (Ушаков,
Галушкин, 1978): 1 - дивергентные границы 2 - планетарные пояса плит и
величина линейной скорости раздвижения в см/год- сжатия литосферы; 3 -
конвергентные границы плит и величина линейной скорости сжатия в см
/год; 4 - абсолютная линейная скорость смещения плиты в см/год
кора играет в материковой литосфере роль
"пробки" и не позволяет ей глубоко погрузиться в астеносферу. Поэтому
столкновение континентальных окраин подобно торошению льдин во время
затора при ледоходе; пример такого "торошения" материковой литосферы -
Альпийско-Гималайский горный пояс.
Третий тип границ - это уже упоминавшиеся трансформные разломы.
Деформация и расколы литосферы происходят в основном лишь на границах
плит, при этом на конвергентных границах выделяется 95-96% всей упругой
энергии, тогда как остальные 4-5% - на дивергентных (расходящихся) и
трансформных.
Как уже отмечалось, крупных литосферных плит немного - 8-9; их число
зависит от того, какой характерный линейный размер плиты
и какую скорость их относительного смещения выбрать за начальные. В
настоящее время можно выделить еще свыше 20 малых плит, которые
сосредоточены преимущественно в пределах Альпийско-Гималайского и
Циркум-Тихоокеанского планетарных поясов сжатия литосферы. Грубо можно
считать, что характерный линейный размер крупной плиты - тысячи, а малой
- сотни километров; нижний предел относительной линейной скорости
смещения двух плит 0,5-1 см/год. Пространственное расположение границ
плит на поверхности Земли, а также некоторые другие геофизические
данные, о которых речь пойдет ниже, позволяют предполагать, что
перемещение литосферных плит обусловлено крупномасштабной конвекцией,
охватывающей всю мантию нашей планеты, вплоть до поверхности ядра.
Теперь геологи стали понимать, что непосредственно из мантии рождается
лишь океаническая кора - в рифтовых трещинах срединно-океани-ческих
хребтов. Континентальная кора представляет собой продукт вторичной
переработки и переплавления океанической коры в местах, где происходит
погружение в мантию океанических плит. Когда океаническая кора
переплавляется, слагающие ее породы теряют воду, часть кремнезема,
щелочные металлы, глинозем и некоторые другие подвижные соединения и
элементы. Все эти компоненты в виде богатых водой и кремнеземом магм
поднимаются на поверхность наползающего края плиты, образуя
вулканические цепи островных дуг и континентальных окраин.
На основании принципиально различных по своей физической природе данных
удалось представить картину "мгновенного" движения главных литосферных
плит (характерное время такого "мгновенного" движения в геологическом
масштабе составляет несколько миллионов лет).
Математической основой для этого служит известная теорема Эйлера,
которая гласит, что произвольное перемещение твердого тела с некоторой
неподвижной, расположенной внутри тела точкой можно представить как
результат вращения относительно фиксированной оси, проходящей через эту
точку. Применяя теорему Эйлера к "мгновенному" перемещению литосферных
плит по поверхности сферической Земли, получаем, что это перемещение
(при условии, что плита в некотором приближении ведет себя как жесткое
тело) можно описать вращением с некой угловой скоростью вокруг оси,
проходящей через центр Земли. Следовательно, описание геометрии
перемещения плит базируется на предположении об относительной жесткости
каждой плиты.
Проверка этого предположения и вытекающих из него следствий впервые была
выполнена еще в 1968 г. У. Морганом (Morgan, США) и К. Jle Пишоном (Le
Pichon, Франция). При расчете первой глобальной модели "мгновенной"
кинематики 6 наиболее крупных плит Ле Пишон использовал 30 значений
относительных скоростей на дивергентных границах плит и 30 направлений
смещений, определенных по простираниям трансформных разломов. Дж.
Минстер (Minster, США) и др. (1974) при расчете своей кинематической
модели 10 плит использовали около 200 исходных величин, добавив около
100 направлений смещений на границах плит.
При построении нашей кинематической модели 12 плит (С. А. Ушаков, Ю. И.
Галушкин, 1978) было использовано 300 исходных значений скоростей и
направлений смещений на границах плит. Результаты во всех моделях
получились достаточно близкими. Тектоника плит позволила впервые в
геологической науке получить количественную воспроизводимость глобальной
модели природного процесса.
Используя данные об относительном движении плит, можно попытаться
оценить их "абсолютное" движение в системе координат, не связанной с
самими плитами. Такую систему, основанную на "горячих пятнах" (областях
аномально высокого плавления) в мантии, удалось создать. В этой модели
предполагается, что пояса подводных вулканических хребтов и наземных
щелочных базальтов образовывались при прохождении плиты (океанической
или континентальной) над "горячим пятном". Такое "пятно" создает область
ослабленной литосферы, там концентрируются напряжения, образуются
трещины и проявляется вулканизм. Считая "пятна" неподвижными
относительно друг друга, можно по простиранию вулканических хребтов
(подводных или наземных) определить "абсолютные" направления и скорость
движения плиты.
Наша (Ушаков, Галушкин, 1978) и предыдущая (Минстер и др., 1974) модели
включали 20 направлений простирания линейных поясов подводных гор и
наземных щелочных вулканических провинций. Результаты показали, что
предположение об относительной неподвижности "горячих пятен" за интервал
времени порядка нескольких
Рис. 3. Движение плит в результате мантийной
конвекции (схема)
миллионов лет, по-видимому, справедливо и систему
координат, привязанную к "пятнам", в первом приближении можно считать
абсолютной.
Наиболее высокие скорости в этой системе координат у океанических
литосферных плит; они перемещаются в 3-7 раз быстрее, чем те плиты,
значительную часть которых составляют материки. Так, например,
Тихоокеанская плита в районе Гавайских островов движется в
северозападном направлении с линейной скоростью около 10 см/год. Это
самая быстрая из всех плит; Антарктическая и Евроазиатская - самые
медленные (рис. 2).
Таким образом, полученная на основании геомагнитных, геоморфологических
и сейсмологических данных количественная глобальная замкнутая модель
"мгновенной" кинематики литосферных плит принципиально отличает
современную мобилистскую теорию, которая развилась на основе гипотезы А.
Вегенера о дрейфе материков, от всех предшествующих геотектонических
гипотез, объяснявших геологические процессы лишь на качественном уровне.
Этот факт делает тектонику литосферных плит надежной основой для
разработки фундаментальной теории образования и эволюции коры Земли.
Поэтому тектонику литосферных плит следует рассматривать как составную
часть более общей теории - глобальной тектоники.
Согласно современным представлениям, в основу которых
положена космогоническая гипотеза О. Ю. Шмидта, Земля (как и остальные
планеты Солнечной системы) образовалась путем аккреции вещества
холодного протопланетного газопылевого облака, некогда окружавшего
Солнце. Такой* процесс должен был привести к образованию первоначально
достаточно однородной по составу и сравнительно холодной Земли; по
оценкам В. С. Сафронова (1969) средняя температура разогрева первичной
Земли в результате соударения самых крупных кусков протопланетного
облака (планетеземалей) не могла подняться выше 1000-1200° С.
Сейчас наша планета расслоена на оболочки. Важнейшие из них - литосфера,
мантия, простирающаяся до глубины почти 2900 км, и тяжелое ядро,
разделенное на жидкое внешнее и, вероятно, застывшее, но достаточно
горячее внутреннее.
Согласно последним оценкам А. С. Монина, О. Г. Сорохтина и др. (1975,
1979) расслоение нашей планеты на тяжелое ядро и более легкую мантию -
мощнейший источник выделения тепла внутри Земли. С момента ее
образования и до настоящего времени этот энергетический источник дал
(1,5-1,6)- 1038 эрг, тогда как суммарная величина энергии, выделившейся
за счет распада радиоактивных источников за все время жизни Земли,
оценивается в (0,4 - 0,9)-1038 эрг (оценка по нижнему пределу
представляется нам более правдоподобной). Тепловыделение при замедлении
вращения за счет приливного трения оценить трудно. Оценка по верхнему
пределу дает величину не более 0,2-1038 эрг, при этом основная доля всей
приливной энергии, вероятно, выделилась за первые полмиллиарда лет жизни
Земли. Для сравнения заметим, что сейчас полная кинетическая энергия
вращения Земли вокруг своей оси лишь немногим более 0,02- 1038 эрг.
Эти энергетические оценки позволяют предположить, что избыточное тепло
выносится с помощью конвекции при образовании новой океанической
литосферы в рифтовых трещинах (С. А. Ушаков, И. И. Федынский, 1973).
Или, попросту говоря, перемещение ансамбля литосферных плит (а как
следствие - дрейф материков в составе разных плит) есть результат
спасения Землей себя от перегрева теплом, выделяющимся при
гравитационной дифференциации ее недр.
Считая процесс выделения земного ядра главным движущим механизмом
эволюции Земли, О. Г. Сорохтин (1974, 1979) предложил современную
химическую модель состава и глобальной эволюции нашей планеты. Плотность
образцов различных материалов, сжатых взрывами до давлений, существующих
в центральной области Земли, сравнивалась с плотностью земного ядра,
вычисленной по геофизическим данным. Из такого сопоставления было
сделано наиболее вероятное заключение, что ядро на 85-90% состоит из
железа. Легкой добавкой к нему в жидком внешнем ядре, по-видимому,
служит кислород в соединении Fe20 (теоретические оценки Сорохтина
показали, что при высоких давлениях возможно образуется окисел Fe20,
который при таких давлениях не в состоянии кристаллизоваться). Жесткое
внутреннее ядро, как и железные метеориты, вероятно, состоит из сплава
железа с никелем. В современном земном ядре сосредоточена почти треть
всей массы Земли, а выделение из первичной однородной мантии такого
объема железа и кислорода не могло не повлиять самым существенным
образом на глобальное развитие всей нашей планеты.
Наличие резкой плотностной границы между мантией и ядром (разность
плотностей около 4 г см-з) позволяет предполагать, что процесс
дифференциации мантийного вещества в гравитационном поле Земли протекает
лишь в тонком пограничном слое на поверхности ядра. После удаления в
ядро части тяжелой фракции (окислов железа) облегченное мантийное
вещество всплывает вверх. Таким образом, в мантии Земли образуются
мощные восходящие и нисходящие потоки, замыкание которых в непрерывные
конвективные ячейки происходит путем горизонтальных течений вверху - в
астеносфере и внизу - в переходном слое на поверхности ядра (рис. 3).
Наиболее вероятный порядок астеносферных скоростей - дециметры в год
(Ушаков, Красс, 1970; Сорохтин, 1974). Сцепление астеносферы с
литосферой приводит к тому, что под действием конвективных течений в
литосфере возникают механические напряжения. Когда они превышают предел
прочности пород, происходит раскол литосферы на плиты, которые
перемещаются в виде единого ансамбля в соответствии с направлениями
астеносферных течений, определяемыми глобальной структурой мантийной
конвекции. Пространственное распределение дивергентных и конвергентных
границ, а также направления и скорости перемещения литосферных плит в
настоящее время позволяют грубо представить себе современную структуру
конвективных течений в мантии.
В самом общем виде эта структура близка к двуячеистой. Объединение
отдельных материков в единые суперконтиненты в прошлом происходило не
единожды; кроме вегенеровской Пангеи в позднем палеозое, еще раньше - в
протерозое - существовала Мегагея, геологически обоснованная Г. Штилле (Stille,
ГДР). Отсюда следует, что в эти периоды мантийная конвекция была
одноячеистой и дрейф литосферных плит происходил только в одном
направлении - от области восходящих мантийных потоков, расположенной
Рис. 4. Глобальные палеогеографические
реконструкции
(по JI. П. Зоненшайну и А. М. Городницкому):
1 - материки (суша);
2 - границы континентов;
3 - дивергентные и трансформные границы плит;
4 - конвергентные границы плит; 5 - направления палеомеридиана
в океаническом полушарии, к области нисходящих, над
которой сталкивались и собирались воедино разрозненные материки. В
периоды столкновений континентов на них должны были развиваться мощные
геологические процессы, подобные тем, которые уже десятки миллионов лет
идут в пределах Альпийско-Гималайского горного пояса по мере его
формирования.
Возможная физическая природа и схема перестроек мантийной конвекции была
рассмотрена А. С. Мониным и О. Г. Сорохтиным (1977). Не исключено, что
пространственное расположение материков может, в свою очередь, оказывать
определенное влияние на структуру мантийной конвекции.
На выбор между различными теоретическими моделями, объясняющими
структуру мантийной конвекции, окажут сильное влияние глобальные
реконструкции расположения литосферных плит в различные интервалы
геологического прошлого. Для последних 550 млн. лет такие реконструкции
на основании геологических и геофизических (палеомагнитных) данных
независимо и практически одновременно (в 1978 г.) были выполнены в нашей
стране JI. П. Зоненшайном и А. М. Городницким и в Канаде Е. Р.
Кацасеви-чем (Kanasevich) и др.; полученные результаты, в общем,
достаточно близки, хотя, конечно, в деталях имеются определенные
различия (рис. 4).
При глобальных палеотектонических реконструкциях более далекого
геологического прошлого приходится учитывать общую тенденцию эволюции
Земли. Напомним, что согласно модели, которая рассматривается нами как
наиболее вероятная, дифференциация земного вещества происходит главным
образом на поверхности ядра. Следовательно, на начальных стадиях
развития нашей планеты, когда ее ядро еще только формировалось и было
маленьким, и сам процесс дифференциации, и связанные с ним глобальные
геологические явления протекали вяло. По мере роста ядра и его
поверхности ускорялся и процесс дифференциации, возрастала глобальная
тектоническая активность и на некоторой стадии эволюции Земли началось
перемещение по ее поверхности литосферных плит. Однако рост ядра и
переход в него окислов железа постепенно уменьшали их концентрацию в
мантии, что привело к замедлению дифференциации и уменьшению скорости
развития других глобальных геологических процессов. В конечном итоге
глобальная эволюция нашей планеты должна прекратиться и тогда Земля
перейдет в пассивную, подобную современной Луне, стадию медленного
остывания путем теплопотерь через постепенно утолщающуюся литосферу.
Задавшись химическим составом первоначальной однородной Земли, О. Г.
Сорохтин (1974, 1979) рассчитал характер изменения средней скорости
конвективного массообмена в мантии,
Рис. 5. Средняя скорость конвективного
массообмена в мантии Земли. На оси времени t точка 0 - настоящее время
Рис. 6. Изменение во времени массы воды,
выделившейся из недр нашей планеты: 1 - суммарная масса воды,
дегазированная из мантии; 2 - масса воды в гидросфере; 3 - масса
связанной воды в породах океанической коры; 4 - то же, в породах
континентальной коры. На оси времени г точка 0 - настоящее время
определяющего глобальную тектоническую активность, а
также изменение со временем состава мантии и выделение воды в земную
кору, гидросферу и атмосферу (рис. 5, 6). Эти расчеты позволяют
предполагать, что перемещение литосферных плит должно было начаться не
сразу, а через 500-700 млн. лет после образования -Земли. Как нам
представляется, установленные на границе архея и катархея линейные
складчатые и метаморфические пояса являются индикаторами первых
столкновений конвергентных краев литосферных плит. Если дальнейшие
исследования подтвердят это предварительное заключение, то вся
геологическая история, начиная с архея (3,5+0,15 млрд. лет), должна
рассматриваться с учетом крупных горизонтальных перемещений этих плит.
Максимум глобальной тектонической активности наблюдался в интервале от
2,3 до 1 млрд. лет назад - от середины афе-бия и вплоть до среднего
рифея.
Ряд данных позволяет считать, что Земля никогда, даже в период
максимальной активности, не была полностью расплавленной. Если бы такое
событие произошло, то, вероятнее всего, недра нашей планеты быстро бы
продифферен-цировались и Земля бы уже вступила в стадию пассивного
остывания. Как показывают расчеты (см. рис. 5), перемещение литосферных
плит продлится еще около 1 млрд. лет. Таким образом, все процессы
эволюции литосферы на границах плит взаимосвязаны в единую систему.
Физическую основу этой глобальной взаимосвязи составляют
крупномасштабная мантийная конвекция, жесткость и прочность литосферы.
Естественно, что глобальная химическая эволюция недр нашей планеты в
значительной степени определяет также и общую направленность эволюции ее
гидросферы и атмосферы, а следовательно, и главные изменения климата
Земли. Другой сильный климатообразующий фактор - это пространственное
расположение на поверхности нашей планеты материков и океанов. Попадая в
полярные районы и покрываясь ледниковым покровом, континенты становятся
глобальными холодильниками; наступает резкое похолодание в полярных и
значительное - в умеренных широтах. Когда, перемещаясь в составе
литосферных плит, материки покидают полярные области, то (благодаря
сравнительно небольшой отражательной способности воды и ее
крупномасштабной циркуляции в океане) наступает заметное, на десятки
градусов, потепление в полярных и субполярных районах и, естественно,
смягчение климата на всей нашей планете. Это явление, впервые отмеченное
еще А. Вегенером на примере пермокарбонового покровного оледенения
Гондваны, теперь получило полное подтверждение и развитие.
Выполненные совсем недавно исследования (Ушаков, Ясаманов, 1982) создают
предпосылки для разработки палеоклиматического подхода при прогнозе
размещения гипергенных (т. е. образованных близ поверхности)
месторождений на различных материках в зависимости от их
пространственного расположения в каждый период геологического прошлого.
Становится все более ясным, что глобальная эволюция жизни на Земле тесно
связана с изменениями взаимного расположения материков и океанов
(Ушаков, 1979). Ведь изолированный материк - это своеобразная замкнутая
или полузамкнутая экологическая область. Перемещения материков, их
столкновения и разделения вместе с глобальными изменениями климата и
крупномасштабными циркуляциями воды в океане самым кардинальным образом
должны были влиять на всю эволюцию жизни на нашей планете.
Русский географ и путешественник
Н. Пржевальский начал свою четвертую экспедицию в Центральную Азию
(вторая Тибетская экспедиция).
Англичанин Э. Арчибальд применил воздушный змей для поднятия небольшого
анемометра на высоту до 500 метров.
Бельгийский зоолог Э. Бенеден провел важные исследования по
цитоморфологии отдельных классов позвоночных животных.
Немецкий физик Ф. Кольрауш применил бифилярный магнетометр, с помощью
которого произвел определение горизонтальной составляющей земного
магнитного поля.
ФИНЛЯНДИЯ. В предположении, что северные сияния происходят от
электрических токов, проходящих через воздух из верхних слоев атмосферы
к земле, гельсинг-форский профессор Лемстрем задался весьма счастливою
мыслью: произвести искусственно род полярного сияния посредством
устройства на вершине одной горы прибора для истечения атмосферного
электричества, и затем доказать электрическое свойство этого света
существованием тока в проводнике, соединявшем этот аппарат с землею у
подошвы горы. Наблюдения, описанные Лемстремом, по-видимому,
подтверждают его идеи. По замечанию академика Г. И. Вильда, данное
открытие важно для этой, еще весьма темной области физики земного шара.
"Записки Российской Академии наук"
ШОТЛАНДИЯ. Р. Кеннеди устроил на заводе "Общества железнодорожных и
электрических приложений" в Паль-мади, в Шотландии, первое практическое
приложение электрической передачи силы на расстоянии для постоянного
ежедневного пользования. При помощи двух динамо-машин, изобретенных
Кеннеди и выполненных на его заводе, от 4-5 паровых сил передаются по
двум тонким медным проволокам из токарной и сборной мастерской завода в
мастерскую для плотников и модельщиков. Переданная сила применяется для
приведения в движение больших циркулярных пил и вполне находится под
контролем рабочих.
"Электричество"
Сергей Александрович УШАКОВ
(р. 1934) - геолог-геофизик, специалист в области геофизических
исследований земной коры и теории тектоники литосферных плит,
доктор геолого-минералогических наук, директор
научно-исследовательского и учебного Музея землеведения МГУ.
Родился в Ташкенте. В 1956 окончил геологический факультет МГУ.
В 1961 защитил кандидатскую, в 1967 -докторскую диссертации. С
1961 по 1979 работал на кафедре геофизики МГУ сначала в
должности младшего, а затем старшего научного сотрудника. С 1980
- профессор кафедры геоморфологии географического факультета
МГУ. С. А. Ушаков - участник антарктических экспедиций, почетный
полярник. Он автор свыше 150 научных работ, в том числе ряда
монографий. В настоящее время под его руководством в содружестве
с геофизиками ГДР проводятся геодинамические исследования
эволюции земной коры рифтовых зон и континентальных окраин в
связи с перспективами их нефтегазоносности.
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
