Итоги и закономерности

Каждое путешествие с научными целями требует последующего осмысления. Попробуем и мы подвести итоги путешествиям в прошлое Земли и наметить основные закономерности в геологической истории нашей планеты.

Наиболее характерными, пожалуй, являются: эволюционная направленность, частичная повторяемость геологических событий и сокращение длительности геотектонических этапов.

Эволюционная направленность развития Земли на протяжении 2 - 3 млрд. лет выражается в закономерном увеличении территории устойчивых платформенных областей и в сокращении площади подвижных геосинклиналей. Начиная с конца архейской эры, с момента возникновения первых эпиархейских протоплатформ, геосинклинали неуклонно переходят в платформы: в конце раннего протерозоя вокруг протоплатформ образуются эпикарельские платформы, в конце позднего протерозоя они "обрастают" эпибайкальскими, а далее эпикаледонскими, эпигерцинскими платформами и мезозоидами.

Современная тектоническая карта континентов хорошо иллюстрирует центробежное разрастание платформ из некоего центра к периферии. Такими центрами обычно являются эпиархейские протоплатформы. По мере движения от этих своеобразных ядер консолидации к периферии отмечается омоложение возраста складчатых зон. Одновременно происходят рост контицентов, увеличение их площади и сокращение морских пространств земного шара, в пределах которых, как правило, развивались геосинклинали.

С течением времени всеобщая подвижность земной коры, столь характерная для начальных этапов геологической жизни, сменяется избирательной подвижностью, которая сосредоточивается в пределах геосинклиналей, объединяющихся в протяженные мобильные пояса. Эволюционная направленность в развитии литосферы приводит к усложнению ее строения, к увеличению объема коры за счет нарастания гранитного и осадочного слоев, к усилению контраста между платформенными и геосинклинальными режимами.

Частичная повторяемость геологических событий - закономерность развития Земли, предусматривающая обратимость тектонических процессов. В эпохи диастрофизма наряду с образованием горноскладчатых систем на месте геосинклиналей имели место и частичная деструкция (переработка) ранее существовавших платформенных массивов земной коры и заложение на них новых геосинклинальных поясов. Так происходило частичное разрушение континентов и новообразование океанов. По образному выражению В. Е. Хаина, путем обновления и перестройки структуры земной коры осуществлялся "тектонический круговорот" (геосинклиналь - платформа - геосинклиналь), подобно хорошо изученным в природе круговоротам воды, кислорода или углерода.

Периодическая смена трансгрессий и регрессий моря также может служить указанием на определенную повторяемость геологических событий. В последнее время эта особенность развития Земли ставится под сомнение. В частности, академик А. Л. Яншин считает, что четкой одновременности в развитии планетарных морских трансгрессий или регрессий не существует. По-видимому, эта периодичность не имеет глобального масштаба и может быть прослежена в пределах одного или нескольких континентов, отражая неравномерность развития геологических процессов, на разных материках.

Третьей важной особенностью развития Земли является сокращение длительности геотектонических этапов, завершающихся образованием новых платформ. Продолжительность архейско-раннепротерозойского и позднепротерозойского этапов соответственно 1500 и 1200±100 млн. лет, раннепалеозойского, позднепалеозойского и мезозойского этапов - по 170±10 млн. лет, а кайнозойского этапа - менее 70 млн. лет. С уменьшением длительности геотектонических этапов возрастают темп и дифференцированность тектонического развития земной коры. Возможным объяснением сокращения длительности геотектонических этапов может быть предположение о медленном истощении энергетических ресурсов недр нашей планеты.

Таким образом, развитие земной коры - эволюционно направленный процесс, обладающий частичной повторяемостью событий и характеризующийся прогрессивным ускорением геотектонических процессов.

В "лесу" гипотез. Теперь мы подошли к сакраментальному вопросу современной исторической геологии: что же управляет геологическими процессами? Почему возникают геосинклинали и платформы? Каковы причины тектонического развития Земли?

Современная геология пока не может дать однозначного ответа на поставленные вопросы. Универсальной, научно доказанной теории о причинах геотектогенеза сегодня не существует. Если бы мы попытались перечислить все известные гипотезы и кратко рассмотреть их, то просто заблудились бы в этом своеобразном "лесу". Чтобы этого не произошло, ограничимся только основными современными представлениями, сгруппировав их авторов в два лагеря: фиксистов и мобилистов.

Фиксисты привлекают для объяснения развития Земли вертикальные движения, практически отрицая возможность проявления сколь-нибудь значительного горизонтального перемещения отдельных глыб литосферы. Одни фиксистские гипотезы решающую роль отводят восходящим вертикальным движениям (гипотезы поднятий, осцилляционная, ундационная, астенолитная, радиомиграционная, расширяющейся Земли, глубинной дифференциации), другие - нисходящим движениям (контракционная гипотеза), третьи предусматривают сочетание восходящих и нисходящих движений, проявляющихся периодически (пульсационная гипотеза).

Наиболее хорошо обоснованной фиксистской гипотезой является гипотеза глубинной дифференциации, развиваемая у нас в стране членом-корреспондентом АН СССР В. В. Белоусовым, а за рубежом - голландским геофизиком Р. Ван-Беммеленом. В основе гипотезы лежит представление о дифференциации вещества мантии, приводящей к образованию пологих вздутий в теле верхней мантии.

В. В. Белоусов считает, что дифференциация мантии происходит в астеносфере под влиянием радиогенного тепла. Расплавленный материал в виде крупных тел (астенолитов) поднимается вверх до подошвы земной коры, вызывая ее расплавление и образование геосинклиналей - тектонических активных зон, характеризующихся интенсивным вулканизмом.

Р. Ван-Беммелен допускает разуплотнение и расширение мантийного материала в низах мантии и образование "вздутий" (мегаундаций), приводящих к поднятию верхней мантии и коры. Это обусловливает растрескивание коры и даже верхней мантии и соскальзывание пластин литосферы с образующихся поднятий, что ведет к раздвижению коры и возникновению океанов. В этой гипотезе предусматриваются и проявления горизонтальных движений, подчиняющихся вертикальным.

Мобилисты, начиная с А. Вегенера, объясняют всё тектонические процессы, протекающие на земном шаре, горизонтальным движением жестких пластин литосферы. Вертикальные движения, по мнению мобилистов, имеют подчиненное значение и являются производными от горизонтальных Заложение геосинклиналей происходит в зонах раздвигов коры, а горноскладчатые области возникают при столкновении жестких пластин и смятии осадочно-магматических геосинклинальных осадков в складки. "Мотором", приводящим в движение отдельные глыбы литосферы, по мнению одних ученых, являются растаскивающие усилия, возникающие при вращении Земли, тогда как другие видят его в конвекционном движении подкорового мантийного вещества.

Несколько обособленно от этих гипотез стоит ротационная гипотеза, объясняющая причины геотектогенеза не внутренними, а внешними силами, возникающими при изменении угловой скорости вращения планеты. При уменьшении скорости возрастает шарообразность, а при увеличении скорости - эллипсоидальность Земли. Деформации, которые испытывает при этом земной шар, наиболее интенсивно проявляются в районе 35-х параллелей, названных критическими. Поскольку, как полагают сторонники ротационной гипотезы, меняется во времени положение оси вращения Земли, то меняется и положение критических параллелей, что приводит периодически к тектоническому оживлению различно ориентированных структур.

В начале 60-х годов появляются работы Г. Хесса, Р. Дитца, К. Ле Пишона, В. Моргана и многих других европейских и американских ученых, давших толчок к появлению неомобилистской гипотезы, получившей сейчас наиболее широкое распространение и названной "новой глобальной тектоникой", или "тектоникой плит". У нас в стране эти взгляды развиваются в трудах А. В. Пейве, П. Н. Кропоткина, Ю. М. Пущаровского, А. С. Монина, В. Е. Хаина, О. Г. Сорохтина, Л. П. Зоненшайна и др. В основу гипотезы положены новые данные по изучению геологии дна Мирового океана, остаточного магнетизма пород и установление факта перемещения континентальных пластин относительно друг друга.

Движутся ли материки? Некоторые данные об увеличении расстояния между Северной Америкой и Европой, Южной Америкой и Африкой приведены нами выше. Вспомним хотя бы особенности изменения возраста островов Атлантического океана.

Впервые научные факты о разрастании дна океанов были получены палеомагнитологами - учеными, изучавшими остаточную намагниченность горных пород. Еще в середине XIX в. было обнаружено, что вулканические породы Этны обладают остаточной намагниченностью. Такая намагниченность возникает, когда лавы находятся в жидком состоянии. Железосодержащие минералы при температуре лавы 600°C ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля Земли. В дальнейшем при остывании лавы эта ориентация сохраняется. Было также установлено, что железистые минералы приобретают ориентировку и при осаждении их из водной среды. Следовательно, не только магматические, но и некоторые осадочные породы (например, песчаники, глины) обладают остаточным магнетизмом. Изучая эти свойства пород Северной Америки и Европы, ученые заключили, что положение магнитного полюса менялось на протяжении последних 70 - 100 млн. лет. Так как, очевидно, сам полюс оставался более или менее на одном месте, то был сделан вывод о том, что мигрировали материки.

В 1959 г. были получены весьма интересные данные о характере распределения магнитных аномалий на дне океанов. Было обнаружено, что магнитные аномалии располагаются не беспорядочно, а образуют узкие и длинные полосы относительно высоких и относительно низких значений магнитного поля. Полосы идут параллельно гигантской трещине, рассекавшей дно всех современных океанов (рифтовой долине), и образуют симметричную картину по обе стороны от нее (рис. 25). Английские океанографы Ф. Вайн и Д. Мэтьюз в 1963 г. объяснили происхождение такого "зеброидного" узора океанического дна тем, что глубинные магматические породы постоянно внедрялись вдоль рифтовой долины, расталкивая пластины литосферы и отодвигаясь в стороны по мере поступления из недр новых порций расплавленных пород. Происходило, таким образом, расползание (спрединг) дна океана и раздвижение континентов. Была вычислена скорость этого процесса, она составила в разных местах от 2 до 12 см/год.

Рис. 25. Карта магнитных аномалий океанического дна, установленных к 1969 г. По Д. Тарлингу и М. Тарлинг (1973)

В конце 60-х годов бурением было установлено, что по мере удаления от рифта возраст основания осадочного слоя закономерно одревняется, т. е. на сравнительно молодые, новообразованные участки океанического дна ложатся более молодые осадки.

На континентах современной геофизической аппаратурой установлено изменение во времени расстояния между двумя точками земной поверхности. Казалось бы, горизонтальное перемещение крупных блоков литосферы доказано, и движение материков не вызывает сомнений. Сторонники "новой глобальной тектоники" считают, что вся литосфера состоит из нескольких подвижных жестких пластин, в которые как бы впаяны континенты (рис. 26).

Рис. 26. Деление литосферы на плиты согласно концепции 'новой глобальной тектоники'. 1 - граница столкновения литосферных плит; 2 - граница раздвижения; 3 - направление движения литосферных плит (цифры - скорость перемещения, см/год)

Причину, вызывавшую дрейф этих пластин, большинство исследователей видит в конвекционном движении мантийного вещества. В подошве мантии оно находится в более нагретом состоянии, чем в ее кровле. Разница температур обусловливает движение мантийного материала вверх, что порождает возникновение восходящего потока. Достигая подошвы литосферы, горячее вещество мантии расходится в стороны, разрывая литосферу и расталкивая возникшие при этом плиты. В зоне раздвига закладываются геосинклинали. Остывая, глубинное вещество опускается вниз, образуя нисходящие ветви конвекционного потока. Там, где они сходятся, жесткие пластины сталкиваются, происходит укорачивание земной коры, одна пластина как бы заталкивается под другую. Возникают глубоководные океанические желоба и островные дуги, выделяемые как зоны субдукции. В этих местах геосинклинали достигают своей зрелости, и на их месте образуются горноскладчатые системы.

Концепция "тектоники плит" необычайно быстро завоевывает популярность. Некоторые видят в ней универсальное объяснение причин геотектогенеза. В то же время усиливается критика основ этой гипотезы. Наиболее существенные замечания сводятся к следующему.

Рассматривая строение верхней мантии Земли, мы отмечали разделение этой геосферы на несколько слоев. Очевидно, если бы существовали конвекционные движения, то вещество верхней мантии неизбежно бы перемещалось, и ее расслоенность должна была бы исчезнуть. Кроме того, материал мантии находится в твердом состоянии (за исключением астеносферы). Это плотное, маловязкое вещество, конвекционное движение которого, т. е. перемещение более нагретого материала снизу вверх, трудно себе представить. Не следует также забывать, что породы низов мантии в два-три раза тяжелее пород верхней ее части.

Серьезным аргументом, направленным против концепции "тектоники плит", является существование консервативных структур литосферы, длительно и унаследование развивающихся на одном и том же месте. К таким структурам относятся прежде всего глубинные разломы. Наиболее крупные из них прослеживаются как по дну океанов, так и на континентах. Например, как указывает В. Е. Хаин, одна из крупнейших зон глубинных разломов пересекает дно Тихого океана в районе Галапагосских островов, проходит вдоль течения р. Амазонки, вновь переходит на дно океана (уже Атлантического) и достигает побережья Африки в районе Гвинейского залива. Предполагается также, что этот разлом через весь Африканский континент доходит до Аденского залива и далее проходит в Индию.

Другая зона глубинного разлома, имеющая такой же транзитный характер, прослеживается в субмеридиональном направлении из Индийского океана, где она выражена хребтами Чагос, Мальдивским и Лаккадивским, через Памир, через всю Западно-Сибирскую низменность до Северного Ледовитого океана, на дне которого этот глубинный разлом намечается в виде желоба св. Анны. Существование таких протяженных структур никак не укладывается в рамки концепции "тектоники плит". Перемещение пластин литосферы неизбежно привело бы к нарушению трассы глубинных разломов, их разрыву и смещению.

Ставится под сомнение и возможность субдукции - "подныривания" пластин литосферы друг под друга. Хотя геофизическими исследованиями и установлены вдоль побережья Тихого океана поверхности, наклонно уходящие под континент с образованием глубоководных желобов, но объяснение этого явления может быть иным. Некоторые ученые считают, что в этой своеобразной наклонной зоне происходит дифференциация вещества мантии. Легкие компоненты поднимаются вверх, вызывая землетрясения, а иногда и извержения вулканов.

Если бы процесс поддвигания пластин под континент действительно происходил, то в глубоководных желобах мы должны бы наблюдать хаотическое нагромождение осадочных толщ. По подсчетам сахалинского ученого П. Сычева, мощность такой беспорядочной толщи осадков достигла бы 18 км и более. На самом же деле в районе глубоководных желобов осадки залегают спокойно, практически горизонтально, и мощность их не превышает 1 км, лишь в редких случаях достигая 4 км.

Подвергаются критике и такие положения "глобальной тектоники плит", как объяснение полосовых аномалий океанического дна, возможность горизонтального перемещения пластин литосферы на сотни и тысячи километров и т. д. Значит, континенты двигаться не могут? Как же тогда быть с фактами относительного перемещения различных точек земной поверхности?

В конце концов, движутся материки или нет? Стремясь ответить на этот и другие вопросы, сторонники идеи глобальной тектоники плит совершенствуют свои доводы.

В настоящее время основным механизмом, приводящим в движение литосферные плиты, считают термо-гравитационное перемещение вещества мантии. По мнению О. Г. Сорохтина, в нижней мантии и внешнем ядре Земли большую роль играет окисел одновалентного железа Fe₂O. Термобарические условия, которые существуют там, приводят к высвобождению железа в свободную фазу и "стеканию" его во внутреннее ядро. Последнее за счет этого, как считают, ежегодно увеличивает свой радиус на 1 см. В низах мантии происходит, таким образом, процесс разуплотнения вещества. При этом высвобождается большое количество энергии. По расчетам ученых, в недрах нашей планеты за счет дифференциации вещества образовалось от 1,46 до 1,61·10³¹Дж, что в 3 - 4 раза больше суммарного радиогенного тепла. Поэтому низы мантии разогреты значительно сильнее остальной ее части, В результате на границе мантия - ядро образуются сравнительно легкие и горячие массы, которые испытывают механическую неустойчивость. С течением времени эти огромные "пузыри" разуплотненного и разогретого мантийного материала (аномальная мантия) получают тенденцию к всплытию. Поднимаясь к подошве литосферы, они взламывают и раздвигают континентальную земную кору, что приводит к заложению и развитию океанических впадин.

Растекаясь по подошве литосферы, аномальная мантия силой вязкого трения увлекает за собой литосферные плиты, способствуя "расползанию" океанического дна (процесс спрединга). Остывая, мантийное вещество погружается в низы мантии. В этих районах сталкиваются литосферные плиты и образуются зоны субдукции, т. е. области заглубления одной плиты под другую и переплавление ее в мантии (рис. 27). Причем в зонах субдукции (или зонах поддвига) океанические осадки чаще всего затягиваются в зазор между литосферными плитами. Этим объясняется факт отсутствия мощных осадочных образований в субдукционных зонах. Если же величина зазора меньше или равна мощности рыхлых осадков, то будут происходить их соскабливание и накопление в районе глубоководного желоба и смежной островной дуги.

Рис. 27. Внутренний 'механизм', двигающий литосферные плиты. Стрелками показано направление движения литосферных плит и конэекцион-ных потоков в недрах Земли

Таким образом, в мантии нашей планеты происходит конвекционное движение вещества, что и является главным механизмом, управляющим всем ансамблем движения литосферных плит.

В последние годы были получены визуальные доказательства процесса раздвижения и сталкивания литосферных плит. Одними из первых, кто погрузился в глубины океана за новыми данными, были американские, французские и бельгийские акванавты (смешанная экспедиция ФАМОУС). В 1974 г. исследованию подвергалась рифтовая долина Атлантического океана к югу от Азорских островов. В иллюминаторы батискафа "Архимед", подводных лодок "Алвин" и "Сиана" ученые увидели молодое дно океана, покрытое трещинами растяжения (гъярами), кратерами подводных вулканов и следами их излияний.

Сходную картину наблюдали и советские акванавты, изучавшие в 1980 г. рифтовую долину Красного моря. Эспедиция ФАМОУС совершила также несколько погружений в Эллинский глубоководный желоб - зону субдукции Средиземного моря. Следы столкновения Африканской и Евроазиатской литосферных плит были запечатлены в виде горстовидных поднятий морского дна, выжимания пластичных соленосных отложений, покрывающих мощным слоем дно Средиземного моря (мессинская свита).

Итак, казалось бы, идея горизонтального перемещения литосферных плит получила неоспоримые доказательства. Между тем продолжают совершенствоваться и другие концепции. Так в 1983 г. известный советский геолог П. Н. Кропоткин совместно с В. Н. Ефремовым привел новые весьма интересные факты в пользу пульсационной гипотезы развития Земли. Ученые доказывают, что на 95% поверхности современной Земли доминируют усилия сжатия. По их мнению, это не согласуется с идеей о подкоровом движении мантийного вещества. Предполагается, что в настоящее время наша планета переживает эпоху сжатия, которая следует за эпохой расширения. В геологической истории Земли происходило многократное чередование эпох сжатия и расширения. При этом эффекты сжатия концентрируются в горноскладчатых поясах, а эффекты расширения - в рифтовых долинах, на дне океанов. В результате промежуточные блоки литосферы перемещаются в горизонтальном направлении от зон растяжения к зонам сжатия. Эта концепция как бы синтезирует идеи мобилизма и пульсационной гипотезы фиксистов.

Обилие вопросов и предложений - вот что характерно для современного состояния проблемы, объясняющей причины геологического развития Земли. Чем больше познают геологи, тем больше возникает неразрешенных задач, тем большее количество тайн открывается вновь. Разгадка их - дело будущего.