Глава 9. Движение континентов

Сходство противоположных берегов Атлантики. Гипотеза Вегенера. Тектоника литосферных плит. Границы плит. Движение плит на сфере: раздвижение океанского дна, трансформные разломы, полюсы вращения плит. Мезокайнозойская ястория Тихого океана. Фанерозойская глобальная палеогеографическая реконструкция. Мезокайнозойская история Средиземного моря. Верхнемиоценовые катастрофы. Движение континентов в будущем

Первым свидетельством движения континентов издавна считалось сходство очертаний западного берега Африки и восточного берега Южной Америки. Неслучайность этого сходства отмечал еще английский философ Ф. Бэкон в своем сочинении "Новый Органон" (1620), а Пласе (1658) высказывал предположение, что Старый и Новый Свет разделились в результате всемирного потопа (эта точка зрения просуществовала по меньшей мере до XIX столетия). В 1858 г. итальянский ученый Антонио Спидер-Пеллегрини обосновывал идею об образовании Атлантики в результате раскола единого праматерика и раздвижения его осколков сходством очертаний противоположных берегов Атлантики, а также ископаемых растений и месторождений угля в Европе и Америке.

Сходство противоположных берегов Атлантики продолжает поражать нас и теперь. В 1965 г. Э. Буллард, Дж. Эверетт и А. Смит при помощи вычислительной машины подобрали наилучший вариант совмещения естественных границ приатлантических континентов - их материковых склонов (на глубине в 500 морских саженей; рис. 46). Показанные на рисунке черным цветом зоны несовпадения материковых склонов очень узки по сравнению с размерами самих континентов; так, среднее квадратичное отклонение двух контуров между устьем Амазонки и мысом Доброй Надежды составляет всего 88 км. Несколько хуже, но все же приемлемо полученное совпадение границ Северной Атлантики; правда, оно потребовало небольшой деформации континентов - поворота Испании относительно Европы, частично закрывающего Бискайский залив, а также неучета Мексики и Центральной Америки. Отметим, что теперь мы видим на картах еще третью линию, удивительно похожую на контуры противоположных берегов Атлантики, - это ось Срединно-Атлантического хребта.

Рис. 46. Совмещение границ приатлантических континентов (по Э. Булларду, Дж. Эверетту и А. Смиту (1965))

В 1908 г. американский ученый Ф. Тэйлор выдвинул ряд аргументов в пользу движения континентов (по направлению к экватору, но с уклонениями и на запад, и на восток), объясняя им образование и складчатых гор, и островных дуг. В серии статей 1911 - 1928 гг. американского геолога Бейкера движение континентов обосновывалось соответствием горных систем (каледонид) на противоположных берегах Атлантики и предлагалась реконструкция единого праматерика, обеспечивающая непрерывность этих горных систем.

Наибольшую популярность идея о движении континентов приобрела в результате работ выдающегося немецкого геофизика А. Вегенера, который справедливо считается главным автором этой идеи. Впервые он сформулировал ее в статье "Происхождение континентов" (1912), а затем в книге "Возникновение материков и океанов" (1915), многократно переиздававшейся и переведенной на многие языки (русский перевод вышел в 1925 г.). Исходя из уже упоминавшегося сходства контуров берегов, геологического строения и верхнепалеозойской флоры и фауны приатлантических континентов, особенно Африки и Южной Америки, а также из распространения на всех гондванских материках следов пермокарбонового оледенения, А. Вегенер предложил реконструкцию Пангеи и процесса ее распада (эта классическая реконструкция приводится на рис. 47); паши современные представления о после девонском движении континентов во многом с ней совпадают. Одна из первых целей, которые преследовал Вегенер при составлении этой реконструкции,- объяснение климата Земли во время пермокарбонового оледенения Гондваны (к этому вопросу мы еще вернемся в следующей главе); это объяснение получило горячую поддержку одного из крупнейших климатологов того времени В. Кеппена и нашло отражение в их совместной книге "Климаты геологического прошлого" (1921). Многочисленные геологические свидетельства в пользу гипотезы Вегенера, собранные в результате специальных исследований в Африке и Бразилии, были изложены в книге одного из наиболее активных последователей А. Вегенера, крупного южноафриканского геолога А, Дю-Тоита "Наши блуждающие континенты" (1937).

Рис. 47. Реконструкции Панген и процесса ее распада (по А. Вегенеру) Заштрихованы области континентов, покрытые мелкими морями

Заметим, однако, что предложенные Вегенером в качестве причины движений континентов полюсобежные силы Этвеша, которые мы упоминали в предыдущей главе, оказались для этого слишком слабыми (тогда как их момент, по-видимому, вполне достаточен, чтобы вызывать движение полюсов). Другая же причина, представляющаяся ныне наиболее правдоподобной (конвекционные течения в верхней мантии Земли), хотя и высказывалась в той или иной форме еще в начале XX столетия О. Ампферером, Р. Швиннером, Э. Краусом, А. Дю-Тойтом и в форме, весьма похожей на современную, А. Холмсом (1927 - 1929), долгое время считалась спекулятивной и всерьез не принималась. Кроме того, мелкие ошибки в некоторых деталях, обнаруженные придирчивыми критиками в высказываниях Вегенера и его последователей, заслонили от большинства геологов достоинства его идей и концепция движения континентов ряд лет считалась несостоятельной, пока не возродилась в 60-х годах текущего столетия под давлением новых независимых данных палеомагнетизма (изложенных в предыдущей главе) и сведений о строении океанского дна.

Одного только взгляда на карту очагов землетрясений (см. рис. 7) достаточно, чтобы заметить, что они образуют узкие и длинные зоны, разделяющие сейсмически активный верхний слой Земли на стабильные участки - литосферные плиты, внутри которых землетрясений не происходит (пли происходит сравнительно мало). Эти зоны, разграничивающие плиты, образованы срединно-океанскими хребтами (там они особенно узки) и глубоководными океанскими желобами (зоны Заварицкого - Беньофа, заметно Солее широкие). К этим зонам приурочено и подавляющее большинство действующих вулканов (см. рис. 8). Таким образом, верхний слой Земли естественно распадается на плиты (см. рис. 9), причем насчитывается шесть - семь крупных плит, а в некоторых из них выделяется еще несколько мелких.

В главе 5 говорилось о том, что океанские литосферные плиты образуются на осях срединно-океанских хребтов (рассматриваемых как зоны восходящих ветвей конвекционных течений в мантии Земли), раздвигаются в обе стороны от этих осей под действием расходящихся горизонтальных ветвей подлитосферных конвекционных течений (такое раздвижение подтверждается данными о возрасте базальтового фундамента океанской коры, полученными как палеомагнитным методом, так и прямыми исследованиями образцов из кернов, полученных при глубоководном бурении океанского дна) и заглубляются под континентальные литосферные плиты в зонах Заварицкого - Беньофа, в результате чего в этих зонах происходит наращивание новой континентальной коры. Складывающаяся из этих представлений теория, названная новой глобальной тектоникой, или тектоникой плит, была сформулирована в статьях В. Моргана, затем К, Лепишона и, наконец, Б. Айзекса, Дж. Оливера и Л. Сайкса, опубликованных в 1968 г. Соответствующие этим представлениям схематические разрезы различных типов границ между литосферными плитами показаны на рис. 48 (по Дж. Дьюи и Дж. Берду, 1970); в ряде мест эти схемы подтверждены геофизическими (прежде всего сейсмическими) данными.

На рис. 48,а дан разрез через Южную Америку (от Перуано-Чилийского желоба), Атлантику и Африку (до Срединно-Индоокеанского хребта), показывающий, в частности, что Южная Америка и Африка намертво "впаяны" в соответствующие литосферные плиты (иначе говоря, атлантической край Южной Америки и края Африки - так называемые пассивные континентальные окраины). На рис. 48,б приведен разрез через Японское море и Тихий океан до Анд; подводная возвышенность Ямато в Японском море здесь трактуется как микроконтинент, показаны Японский, Перуано-Чилийский желоба и рифтовая зона Восточно-Тихоокеанского поднятия. На рис. 48,в дан другой разрез через Тихий океан - от Восточно-Китайского моря через Манильский и Марианский желоба до Калифорнии с ее глубинным разломом Сан-Андреас и затем Кордильерами. На рис. 48,г приведен более южный разрез через Филиппинскую плиту, где под нее заглубляется кора и Южно-Китайского моря, и Тихого океана. Рис. 48,д свидетельствует, что Австралия приближается к Новым Гебридам. На рис. 48,в дан меридиональный разрез через Черное море (окаймленное пассивными окраинами), Турцию и Средиземное море (с предположительной зоной Заварицкого - Беньофа, уходящей под Турцию). Наконец, на рис. 48,ж приведен меридиональный разрез через Гималайскую зону столкновения Индостала с Азиатским континентом, продолжающийся на юг, в Индийский океан.

Рис. 48. Схематические разрезы различных типов границ между литосферными плитами (по Дж. Дьюи и Дж. Берду (1970))

Движение любой жесткой плиты на поверхности сферы в каждый фиксированный момент времени может быть представлено как ее вращение с определенной угловой скоростью относительно некоторого мгновенного полюса (т. е. относительно оси, проходящей через этот полюс и центр сферы). Проходящие через этот полюс меридианы и соответствующие ему параллели будем называть мгновенными. Если принять, что раздвижение океанского дна происходит по направлениям, перпендикулярным оси срединно-океанского хребта, то эта ось либо должна быть мгновенным меридианом, либо, если она искривлена, должна состоять из отрезков мгновенных меридианов, последовательные концы которых соединены отрезками мгновенных параллелей. Фактически оси срединно-океанских хребтов, конечно, искривлены и, согласно второй из указанных возможностей, имеют вид ступенчатых кривых - они состоят из отрезков мгновенных меридианов, сдвинутых друг относительно друга по мгновенным долготам. Соединяющие их последовательные концы отрезки мгновенных параллелей суть разломы (называемые трансформными), на противоположных берегах которых движения, соответствующие раздвижению океанского дна, имеют противоположные направления (на продолжениях же этих разломов за пределы осей срединных хребтов разрывов в скорости движений уже не имеется). Л. Сайкс (1967) на многочисленных примерах установил, что трансформные разломы между концами отрезков рифтовых зон срединных хребтов весьма сейсмичны, причем механизм происходящих на них землетрясений действительно соответствует разрыву в направлении движений на их противоположных берегах.

В качестве примера на рис. 49 показана система трансформных разломов на искривлении срединно-океанского хребта в экваториальной Атлантике по работе Б. Хизена и М. Тарна (1965); все эти разломы совпадают по направлению с мгновенными параллелями, соответствующими мгновенному полюсу раздвижения экваториальной Атлантики, находящемуся в точке с координатами 62° с. ш., 36° з. д.

Другими примерами являются разлом Де-Гира, проходящий между Норвегией, Шпицбергеном и Гренландией и соединяющий сдвинутые друг относительно друга концы Срединно-Атлантического и Срединно-Арктического хребтов, а также соседний, находящийся ныне в состоянии покоя, разлом Вегенера между Гренландией и о. Элсмир, соединяющий концы разлома Де-Гира и палеорифтовой зоны Баффинова моря.

Рис. 49. Система трансформных разломов на искривлении срединно-океанского хребта в экваториальной Атлантике и их соответствие мгновенным параллелям с полюсом в точке 62° с. ш. и 36° з. д. (по Б. Хизену и М. Тарпу (1965))

Аналогичный характер имеют разломы, ограничивающие рифт Красного моря; один из них соединяет восточный конец красноморского рифта в Индийском океане со сдвинутым относительно него северным концом Срединно-Индийского хребта Карлсберг (северное продолжение этого разлома доходит до азиатского берега около Карачи, а южное идет вдоль сомалийского берега Африки), другой соединяет северный конец красноморского рифта через долину р. Иордан с горной дугой в юго-восточной Турции.

Четвертым примером служит хорошо видный на суше и подробно изученный по землетрясениям разлом Сан-Андреас. Он соединяет концы Восточно-Тихоокеанского хребта и подводного хребта Хуаи-де-Фука и отрезает от территории США Калифорнию и лежащее к северу от нее Тихоокеанское побережье. Аналогичный подводный разлом - у берегов Канады, он идет от северного конца хребта Хуан-де-Фука к Аляске.

В качестве пятого примера укажем систему грандиозных квазиширотных древних разломов в северной и экваториальной частях восточной половины Тихого океана; начиная с севера, это разломы Чинук, Мепдосиио, Пайопир, Меррей, Молокаи, Кларгюн, Клиппертон, Галапагос, Маркизский. Все они более или менее удовлетворительно согласуются с мгновенными параллелями с полюсом в точке 79° с. ш., 111° в. д. (Менард, 1967), но-видимому, служившей ранее полюсом раздвижения дна Тихого океана.

Используя направления трансформных разломов в зонах срединно-океанских хребтов, К. Ленишон подобрал но методу наименьших квадратов мгновенные полюсы вращения шести главных литосферных плит (Евроазиатской, Американской, Африканской, Тихоокеанской, Индийской и Антарктической) в северной и южной половинах Атлантики и Тихого океана, в Индийском океане и в Арктике. Полученные результаты, дающие количественную характеристику согласованного в глобальном плане движения шести главных литосферных плит земного шара, приведены в табл. 6.

Таблица 6. Полюсы и угловые скорости раздвижения океанского дна (по К. Ленишону, 1939)

Определение этих же полюсов вращения другим независимым методом - по линейным скоростям раздвижения океанского дна (измеренным по полосчатым магнитным аномалиям) - дало приблизительно такие же результаты и позволило дополнительно определить мгновенные угловые скорости раздвижения, указанные в последней графе табл. 6. Из данных, приведенных в таблице, видно, что полюсы раздвижения северных и южных частей Атлантики и Тихого океана находятся сравнительно недалеко друг от друга: для северных частей этих океанов оси мгновенного вращения раздвигающихся плит выходят на поверхность Земли чуть южнее Гренландии и между Австралией и Антарктидой, для южных частей океанов - чуть западнее Гренландии и в австралийском секторе Антарктиды. Для Индийского океана полюсы раздвижения находятся в Ливии и около о-вов Тоша, для Арктики- около Таймыра и в Антарктиде. Угловой скорости раздвижения 10^-7град/год соответствует линейная скорость абсолютного движения каждой из раздвигающихся плит на экваторе раздвижения в 0,5 см/год. Эти скорости максимальны в южной части Тихого океана и минимальны в Арктике и Северной Атлантике. Приведенные в табл. 6 сведения о современных движениях литосферных плит являются, конечно, весьма упрощенной схемой уже потому, что в ней учтены лишь шесть главных плит, тогда как на самом деле в некоторых из них выделяются более мелкие влиты. В табл. 6 не отражено, например, относительное движение Северной и Южной Америки по разломам, имеющимся в районе Карибского моря; недостаточно удачно описывает она и движения в восточной половине Индийского океана. В целом же согласование относительных движений шести главных плит по этой схеме можно признать удовлетворительным; эти относительные движения включают растяжения в Срединно-Атлантическом, Тихоокеанском и Индийском хребтах и сжатия в зонах западно-тихоокеанских дуг, чилийского берега и Тетиса (от Азорских островов до Явы).

Используя современные полюсы и скорости вращения главных литосферных плит, можно обратить это движение назад и таким способом восстанавливать предыдущие расположения плит и "впаянных" в них континентов настолько далеко в прошлое, пока в какой-то момент прошлого времени не возникнет расхождения с расположением полос магнитных аномалий соответствующих возрастов на океанском дне. Для этого момента по построенной указанным путем палеогеографической карте, содержащей расположение континентов, океанов, срединно-океанских хребтов, полос магнитных аномалий более древних возрастов на океанском дне и зон Заварицкого - Беньофа (находимых с использованием геологических данных об изверженных и плутонических породах соответствующих возрастов), можно пытаться находить полюсы и скорости вращения плит предшествовавшего периода и с их помощью продвигаться еще дальше в прошлое. Чрезвычайно полезной дополнительной информацией, позволяющей проверять непротиворечивость произведенных построений, при этом будут служить палеошироты стабильных континентальных блоков; их относительное значение будет возрастать по мере удаления в прошлое и уменьшения "запаса" известных ныне полос магнитных аномалий соответствующих возрастов на океанском дне. Для возрастов свыше 160 млн. лет полос магнитных аномалий уже не останется, и основной информацией станут палеошироты континентальных блоков (вместе с геологическими данными о распределении пород соответствующих возрастов, в особенности о древних зонах Заварицкого - Беньофа, оставивших до наших дней офиолитовые зоны на континентах).

Рис. 50. Плиты и срединные хребты Тихого океана 110 млн. лет тому назад (по Р. Ларсону и С. Чейзу (1972)). Крестики - зоны погружения

Самая недавняя из перестроек движения литосферных плит обнаруживается по линейной магнитной аномалии 5 возрастом в 10 млн. лет (поздний миоцен): в северной и экваториальной частях восточной половины Тихого океана линии этой аномалии (и более древних аномалий) перпендикулярны древним разломам (от Чинука до Маркизского), образующим угол около 30° с современными трансформными разломами, так что рапсе эта часть Тихого океана вращалась около мгновенного полюса 79° с. ш., 111° в, д., а начиная со времени 10 млн. лет тому назад стала вращаться относительно современного мгновенного полюса 53° с. ш., 47° з. д. (что создало растяжение океанского дна на небольшом рифте широтного простирания в районе Галапагосских островов).

Более ранняя и довольно существенная перестройка обнаруживается по аномалии 18 возрастом 45 млн. лет (поздний эоцен); она была вызвана, по-видимому, столкновением Индийского субконтинента с Азией и в свою очередь вызвала раздвижение океанского дна на северо-западной и юго-восточной ветвях Срединно-Индийского хребта и быстрое отделение Австралии от Антарктиды. Более ранняя перестройка движения литосферных плит обнаруживается по аномалии 31 возрастом около 70 млн. лет, т. е. около границы верхнего мела с нижним палеоценом (с этого времени прослеживается современное вращение южной половины Тихого океана).

Еще более ранняя перестройка, по имеющимся расчетам, приходится на нижний мел (около 110 млн. лет назад). когда началось быстрое раздвижение Центральной, Южной Атлантики. Особый интерес представляет попытка реконструкции срединных хребтов и движения плит того времени и Тихом океане, предпринятая Р. Ларсоном и С. Чэйзом (1972) и приведенная на рис. 50. На нем указаны четыре плиты - Тихоокеанская, которая с тех пор продвинулась на север относительно Евразии и Северной Америки по меньшей мере на 7000 км; плита Куда, двигавшаяся относительно Тихоокеанской на северо-запад и с тех пор целиком поглощенная (вместе с северной окраиной Тихоокеанской плиты, т. е. не менее 7000 км по длине) под Евразией и в Прото-Алеутском желобе; плита Фараллон, двигавшаяся относительно Тихоокеанской на северо- восток и почти целиком (кроме плит Хуан-де-Фука и Кокос, опять-таки не менее 7000 км но длине) поглощенная под западной окраиной Северной Америки; плита Феникс, частично (приблизительно на 5000 км по длине) поглощенная под южной частью Южной Америки и Западной Антарктидой.

Рассчитанные скорости поглощения указанных плит, наибольшие в период 110 - 85 млн. лет тому назад, неплохо коррелируют с геологическими данными о вулканической и интрузивной активности на континентальном обрамлении Тихого океана.

Переходя к более ранним периодам времени, приведем глобальную фанерозойскую палеогеографическую реконструкцию Л. П. Зоненшайна и А. М. Городницкого, отличающуюся не только широким использованием геологических данных (прежде всего об офиолитовых зонахзличных возрастов), но и учетом палеомагнитных полюсов, подкрепляемых палеоклиматическими данными. Реконструкции изображались в стереографической проекции с центрами на полюсах. Было построено восемь палеогеографических карт разных возрастов.

Самая древняя из них - кембрийская (510 млн. лет назад) - показана на рис. 51,а. На ней прежде всего изображена единая Гондвана, в которой Индия совмещается с Антарктидой, а промежуток между Африкой и Индией заполнен Мадагаскаром. Показаны также Европейский, Сибирский, Китайский и Североамериканский континенты, разделенные основными океанами континентального полушария - Палео-Атлантическим и Палео-Азиате к им с рядом срединно-океанских хребтов а зон Заварицкого - Беньофа.

Следующая карта - ордовика (480 млн. лет тому назад) - показана на рис. 51,б. Она отличается от предыдущей, во-первых, сближением Сибирского и Китайского континентов; во-вторых, временным закрытием южной части Палео-Атлантического океана; в-третьих, формированием океана Палео-Тетиса, отделяющего северные континенты от восточных и Гондваны.

На карте (рис. 51,в) нижнего девона (390 млн. лет тому назад) южная часть Палео-Атлантического океана опять раскрыта, а северная, наоборот, начинает закрываться: Палео-Азиатский океан перекрыт островными дугами; южная Палео-Атлантика через раздробленный Среднеевропейский микроконтинент соединена с Палео-Тетисом.

На карте нижнего карбона (340 млн. лет тому назад; рис. 51,г) Североамериканский и Европейский континенты и азиатские континенты и микроконтиненты начинают сгруживаться (вероятно, в результате активизации раздвижения дна в Тихом океане), образуя Прото-Лавразию; одновременно раскрываются верхнепалеозойский Палео-Тетис и Палео-Атлантика между Северной Америкой и Африкой. Затем она опять сужается на карте верхнего карбона и нижней иерми (290 - 270 млн. лет тому назад; рис. 51,д), так что Лавразия и Гондвана уже почти полностью объединяются в единую Пангею (в которую не входил лишь Китайский континент, располагавшийся между двумя ветвями Палео-Тетиса).

Л. П. Золеншайн и А. М. Городницкий дают еще три мезозойские карты, описывающие, можно сказать, уже в традиционной форме распад Пангеи. На карте верхнего триаса (200 млн. лет тому назад; рис. 51,е) Северная Америка отделена от Африки и Южной Америки Карибско-Саргассовым морем; мезозойский Тетис отделяет Евразию от Гондваны. На карте верхней юры (140 млн. лет тому назад; рис. 51,ж) Пангея уже распалась - мезозойский Тетис полностью разделяет Лавразию и Гондвану - и начался распад Гондваны - отделение Индии от Антарктиды. Карта верхнего мела (80 млн. лет тому назад; рис. 51,з) отличается от предыдущей расширением Атлантики (особенно Северной) и Индийского океана и закрытием Западного Тетиса, превращающегося в Средиземное море. Ситуация в начале этого периода в Тихом океане была показана на рис. 50.

Рис. 51. Фанерозойские глобальные палеогеографические реконструкции (по Л. П. Зоненшайну и А. М. Городницкому (1977)). а - ранний - средний кембрий (560 - 540 млн. лет); 1 - континенты (в пределах современной суши); 2 - контур континентов; 3 - зоны наращивания литосферы: срединно-океанские хребты; 4 - 6 - зоны поглощения литосферы: 4 - глубоководные желоба и островные дуги, б - поздний ордовик (480 - 450 млн. лет); 5 - активные континентальные окраины. 6 - пояса столкновения континентальных блоков; 7 - палеомагнитные векторы (цифры - палеомагнитные широты) в - нижний - средний девон (390 - 370 млн. лет); г - ранний - средний карбон (340 - 320 млн. лет) д - поздний карбон - ранняя пермь (290 - 270 млн. лет); е - трнас (220 - 200 млн. лет); ж - средняя - поздняя юра (150 - 140 млн. лет); з - поздний мел (100 - 80 млн. лет)

Реконструкция, приведенная на рис. 51, довольно подробно аргументирована геологическими данными. Она показывает, что в палеозое и в нижнем мезозое распределение континентов и океанов по поверхности Земли отличалось от современного до полной неузнаваемости. В дальнейшем рис. 51, вероятно, можно будет принять за основу палеогеографических построений и подвергнуть лишь некоторым уточнениям. Дальнейшая детализация будет касаться региональных реконструкций и конкретных периодов времени. Примером может служить детализация мезокайнозойского раскрытия Северной Атлантики, разработанная У. Питменом и М. Тальвани (1972) по данным о полосах магнитных аномалий различных возрастов (показанным выше на рис. 40). Рассматривая эти полосы как изохроны, упомянутые авторы осуществляли палеогеографические реконструкции, совмещая (вращением плит около соответствующим образом подобранных полюсов) полосы одинакового возраста, расположенные симметрично на разных сторонах от Срединно-Атлантического хребта. Совмещение полос, расположенных севернее Азоро-Гибралтарского хребта, определяло отодвижение Европы от Северной Америки, южнее этого хребта - отодвижение Африки от Северной Америки. Тем самым были определены и движения Африки относительно Европы. В целом для мезокайнозоя они свелись к повороту Афр