Эволюция земной коры и эволюция взглядов на нее
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Вулканические извержения, землетрясения и перемещения береговой линии морей, несомненно, отражающие идущие в недрах Земли глубинные процессы, обратили на себя внимание уже в античной древности. Ведь античная греко-римская цивилизация располагалась в Средиземноморье — одном из наиболее подвижных поясов современной Земли. Эта идущая из глубин Земли активность требовала своего объяснения, и такие попытки предпринимались, начиная с эпохи Возрождения, но почти до конца XVIII столетия оставались чрезвычайно наивными. Лишь в конце XVIII века появляются первые научные тектонические гипотезы.
По мере развития возникшей к тому времени геологической науки тектонические гипотезы сменяли одна другую, постепенно расширяя свою фактическую базу, как собственно геологическую, так и астрономическую и физическую. Однако почти вплоть до наших дней, они неизменно оставались в основном умозрительными, не сопровождаясь количественными расчетами и не имея прогнозной силы. Лишь в шестидесятые годы прошлого века удалось преодолеть эту грань, и начался третий этап развития геодинамических представлений.
Поскольку первый этап развития этих представлений имеет лишь исторический интерес, мы начнем свой рассказ со второго. Этот период уже заслуживает внимания, так как в каждой из последовательно выдвигавшихся тектонических гипотез были свои рациональные элементы, которые, как правило, переживали саму гипотезу и в конечном счете во многом подготовили почву для современных геодинамических моделей.
Первой научной тектонической гипотезой явилась гипотеза «кратеров поднятия», выдвинутая в конце XVIII века М. В. Ломоносовым и Дж. Геттоном, но развитая далее А. фон Гумбольдтом и Л. фон Бухом уже в первой четверти XIX века. В основе гипотезы лежали наблюдения над внедрением магматических пород в осадочные толщи и над вулканической деятельностью. Преобразование рельефа и структуры Земли связывалось с подъемом расплавленных магматических масс. Складчатые деформации объяснялись распирающим действием этих магматических диапиров, как мы бы назвали их сегодня.
Эти представления удерживались лишь до начала геологического картирования складчатости. В процессе же картирования выяснилось, что интенсивные складчатые деформации наблюдаются и на значительном удалении от магматических интрузий и даже в районах их отсутствия. Сложность складчато-надвиговых нарушений часто столь значительна, что она не может быть объяснена лишь внедрением магмы. Магматические породы, выступающие вдоль оси складчатых горных образований, нередко оказываются более древними, чем прилегающие к ним осадочные породы, и, следовательно, не могли быть причиной деформации последних.
Все это привело во второй четверти XIX века к замене гипотезы поднятия новой, контракционной гипотезой. Здесь в основу была положена, казалось бы, прочно обоснованная еще в конце XVIII века концепция о возникновении Земли в горячем огненно-жидком состоянии и ее последовательном остывании, начиная с поверхности. Отсюда делался вывод, что земная кора — продукт такого остывания, а дальнейшее ее развитие вглубь Земли с сокращением ее объема должно приводить к смятию коры в складки и образованию таким путем складчатых систем. Значительным подкреплением контракционной гипотезы явилось возникшее во второй половине XIX столетия учение о геосинклиналях, ибо оно сделало понятным, почему складчатые сооружения возникают не повсеместно, а в определенных зонах земной поверхности, испытавших интенсивное прогибание и заполненных осадками. Эти осадки при общем сжатии сминаются между сближающимися более жесткими глыбами. Образование океанических впадин также попытались объяснить на основе контракционной гипотезы — обрушением отдельных сегментов коры над охлаждающимися и сжимающимися недрами.
Гипотеза контракции в течение более чем полувека служила надежной теоретической базой регионально-геологических исследований. На ее основе Э. Зюсс создал свой доныне непревзойденный синтез структуры всей земной коры — «Лик Земли». И даже позднее, уже в первой четверти XX века, когда контракционная гипотеза утратила свое монопольное положение, многие выдающиеся тектонисты продолжали опираться на нее в своих региональных и глобальных построениях.
Главной причиной крушения контракционной гипотезы явилось открытие радиоактивности и обнаружение значительного содержания в земной коре, особенно в ее верхней части, радиоактивных элементов. Первоначально высокие концентрации этих элементов были неправомерно распространены на всю кору, мантию и даже Землю в целом. Отсюда следовало заключение о том, что Земля не только не остывает, но даже продолжает разогреваться. С другой стороны, на рубеже XIX и XX веков «горячие» космогонии были вытеснены «холодными», и возобладало мнение о том, что Земля возникла в холодном виде и никогда не проходила через фазу полного плавления. Вопрос этот на сегодня можно считать практически решенным в пользу «холодного» происхождения Земли, хотя это положение иногда и оспаривается. Накопление геологической информации, происходившее в течение всего XIX и начала XX века во всевозрастающем объеме, также способствовало подрыву господства контракционной гипотезы.
Все это делает понятным разочарование в контракционной гипотезе, наступившее уже в начале XX века и приведшее в конечном счете к ее почти полному забвению. При этом, однако, за борт оказались выброшенными и такие полезные представления, как идея о разделении коры на относительно устойчивые и «жесткие» глыбы — платформы, срединные массивы и податливые деформациям пояса — геосинклинали, как представления о складчатости в результате сжатия и другие.
Падение контракционной гипотезы привело к общему кризису в геотектонике и теоретической геологии в целом. Начались поиски новых путей объяснения эндогенной активности Земли, причем поиски в самых различных направлениях. Рождение мобилизма в форме гипотезы дрейфа материков, как ее обычно называют, принято связывать, и в общем справедливо, с именем А. Вегенера и его работой 1912 года, хотя двумя годами ранее американец Ф. Тейлор опубликовал статью, содержащую аналогичные мысли. Вегенер, как и Тейлор, а в XIX веке еще А. Снайдер-Пеллегрини и Е. В. Быханов, были прежде всего, поражены удивительным сходством очертаний континентов, ныне разделенных Атлантическим океаном. Естественно напрашивался вывод о том, что Атлантический океан и близкий к нему по своему характеру Индийский возникли в процессе распада Гондваны — гипотетического древнего суперконтинента, объединявшего, еще по мысли Э. Зюсса, материки южного полушария и Индостан. Причем этот распад произошел в результате раздвигания, но не обрушения промежуточных участков, как предполагал Зюсс, а за ним многие другие геологи, включая и сегодняшних «фиксистов».
Вегенер развернул дополнительную аргументацию в пользу своего вывода. Он теоретически вывел правильное заключение о коренном различии состава земной коры континентов и океанов: континенты сложены в основном гранитами, океаническое ложе — базальтами. Это предположение блестяще подтвердилось в пятидесятых годах после проведения широких сейсмических исследований земной коры и при драгировании коренных пород океанского ложа. Вегенер не только подкрепил дополнительными данными соображения Зюсса об удивительном сходстве геологического строения южных континентов, но и показал, что некоторые черты этого сходства могут быть объяснены только дрейфом континентов.
В частности, повсеместное распространение следов позднепалеозойского оледенения не может быть объяснено былым соединением этих континентов «мостами» суши, что могло быть достаточным для обмена наземной фауной и флорой, а лишь в случае более компактного их расположения. Используя геологические данные и сходство очертаний континентов, Вегенер заключил, что в позднем палеозое не только южные, но и остальные континенты составляли единую континентальную массу — Пангею и что распад Пангеи начался только в юрском периоде. Этот второй вывод Вегенера много лет спустя, в шестидесятых годах прошлого века, был блестяще подтвержден палеомагнитными и другими геологическими данными.
В поисках механизма, движущего континентальные глыбы, Вегенер обратился к силам, связанным с осевым вращением Земли. Он считал, что под влиянием этих сил материки смещаются к западу и, встречая сопротивление океанического ложа, тихоокеанская окраина Северной и Южной Америк сминается в цепи Кордильер, а на востоке Азии и Австралии происходит отрыв островных гирлянд с образованием впадин окраинных морей.
Хотя, в общем геологи встретили с интересом гипотезу геофизика Вегенера (но Тейлор был геологом!), большинство из них отнеслось к ней с недоверием. Тем не менее, Вегенер имел и выдающихся последователей-геологов, каждый из которых внес свою лепту в развитие мобилизма.
Своеобразный вариант мобилизма был предложен ирландским геологом Дж. Джоли в 1926 году. По его мысли, накопление радиогенного тепла под обладающими низкой теплопроводностью континентальными глыбами приводит к плавлению базальтовой оболочки и создает тем самым условия для смещения материков по слою смазки в новое положение, под влиянием вращения Земли. В свою очередь это влечет за собой покрытие холодной водой океана ранее расплавленных участков и полное остывание и затвердение базальтового слоя. Затем процесс начинается сначала. Несмотря на то, что предложенная Джоли схема оказалась несостоятельной по той простой причине, что граниты, слагающие материки, плавятся при значительно более низкой температуре, чем базальты, в его концепции, несомненно, имелись интересные и прогрессивные элементы. Прежде всего, он был, по существу, первым геологом, обратившим внимание на радиогенное тепло как фактор, могущий играть в геологическом развитии Земли важную роль.
Далее, очень интересны его идея о периодическом плавлении промежуточного слоя в твердой оболочке Земли и представление об эпизодичности дрейфа, все чаще появляющееся и в современных работах.
Венцом классического мобилизма, перекидывающим мостик к мобилизму шестидесятых годов, была концепция А. Холмса, использовавшего идеи как Вегенера, так и Джоли. Эта концепция не была, однако, оценена в свое время должным образом, и ее появление не смогло спасти мобилизм десятых — двадцатых годов от временного забвения в тридцатые — пятидесятые годы прошлого века.
В чем причины таких поворотов тектонической мысли? В настоящее время трудно выделить главную из них, но представляется следующее. Успехи геофизики, в частности открытие зон глубокофокусных землетрясений, позже названных зонами Беньофа, хотя открыл их японец Вадати, укрепляли геологов во мнении, что коровые структуры имеют глубокие корни в мантии, что их развитие непосредственно зависит от процессов в мантии под ними и, следовательно, не может быть и речи о каких-либо перемещениях коры относительно мантии.
Таково было положение, сложившееся в теоретической геологии к середине XX столетия. Подавляющему числу геологов и геофизиков казалось, что мобилизм был лишь эфемерным эпизодом в истории нашей науки, пустоцветом, обреченным на бесплодие. Но вот наступили пятидесятые годы, и начали накапливаться новые факты, заставившие совершенно по-другому оценить значение мобилистских идей. Факты эти относились к совершенно различным областям наук о Земле, и каждый из них был по-своему значителен.
Отметим, прежде всего, подтверждение сейсмическими методами предсказанных А. Вегенером коренных отличий состава и мощности океанической коры от континентальной.
Сейсмология же принесла подтверждение и другого давнего предположения геологов и геофизиков — в верхней мантии был обнаружен слой пониженных скоростей распространения сейсмических волн.
Следовательно, относительно жесткая и хрупкая литосфера, включающая не только кору, но и самую верхнюю часть мантии, подстилается весьма пластичной, даже частично расплавленной астеносферой, вдоль верхней поверхности которой может происходить скольжение одних плит литосферы по отношению к другим.
В те же годы широко развернулось детальное изучение рельефа океанического дна с помощью эхолота и состава донных пород путем драгирования. Одним из первых результатов явилось открытие мировой системы срединно-океанических хребтов с осложняющими их рифтами, относящееся к числу самых фундаментальных открытий в науках о Земле. Почти точная приуроченность к осевым зонам срединных хребтов очагов океанских землетрясений позволила наметить общую картину распространения этих хребтов в Мировом океане, включая Северный Ледовитый океан.
Факт существования подобных хребтов во всех океанах, их срединное положение в Атлантическом, Индийском и Южном океанах, осложненность рифтовыми разломами-раздвигами наводили на мысль об образовании океанов путем их последовательного расширения, начиная от рифтовых зон, за счет раздвигания обрамляющих их континентальных глыб.
Тем временем поддержка идеям мобилизма пришла совсем с другой стороны, со стороны новой ветви геофизики — палеомагнетизма. Как известно, в пятидесятые — шестидесятые годы английские геофизики Р. Блекетт, С. Ранкорн М Э. Буллард открыли явление остаточного намагничивания горных пород. Первые же определения положения полюсов в прошлые геологические эпохи показали, что чем древнее эпоха, тем больше кажущееся положение палеомагнитного полюса отличается от современного. С другой стороны, это положение оказывается более или менее идентичным для одновозрастных образцов с одного и того же континента, но образцы с разных континентов дают и разные положения полюсов, опять-таки все больше расходящиеся с увеличением возраста.
Первое обстоятельство еще можно объяснить миграцией полюсов, то есть смещением оси вращения Земли, но второе требует уже допущения смещения самих континентов, если мы продолжаем придерживаться общепринятой теории земного магнетизма. Самое же, пожалуй, замечательное состоит в том, что если мы попытаемся совместить положение палеомагнитных полюсов конца палеозоя — начала мезозоя для разных континентов с современными географическими полюсами, то мы тем самым сдвинем и континенты, придя к реконструкции Пангеи, которую предложил в свое время Вегенер, естественно, ничего не знавший о палеомагнитных методах реконструкций.
Результаты первых же палеомагнитных исследований непосредственно оживили интерес к, казалось бы, прочно забытой гипотезе дрейфа материков и побудили, прежде всего, проверить ее исходную предпосылку — сходство контуров материковых глыб, ныне разделенных Атлантическим океаном. Такая проверка была осуществлена английским геофизиком Э. Буллардом и его сотрудниками. Итогом явилась знаменитая реконструкция Булларда, в которой края Атлантики совпали на большей части периметра океана почти идеально, за двумя примечательными исключениями — в районе Багамского архипелага и дельты Нигера, где образовались перекрытия. Однако Багамский архипелаг — относительно молодая рифовая надстройка, а дельта Нигера — продукт накопления новейших выносов этой реки, следовательно, эти перекрытия не должны приниматься во внимание. Не сошлись контуры и в районе Мексиканского залива, указывая либо на его более древнее происхождение, либо на иной способ образования, возможно, более сложный. Но в остальном совпадения получились близкими к идеальным.
Успех Булларда и его группы побудил проделать аналогичную работу для других частей земной поверхности. Хорошо совпали контуры южного края Австралийского материка и противолежащего края Антарктиды. Реконструкция для Индийского океана оказалась неоднозначной в связи с тем, что, кроме Африки, Австралии и Антарктиды, необходимо учитывать расположение Индостана и микроконтинента Мадагаскар — Сейшелы.
Под влиянием этих работ геологи многих стран начали все более серьезно относиться к гипотезе Вегенера и обратились к проверке других ее положений, что можно было сделать теперь на гораздо более обширном и в значительной мере принципиально новом материале. Прежде всего, во времена Вегенера Антарктида оставалась геологически совершенно не изученной, и только по ее расположению можно было предполагать, что она принадлежит к гондванской группе континентов и сходна с ними по строению. Это предположение также полностью подтвердилось — здесь были найдены отчетливые следы позднепалеозойского оледенения, типично гондванская позднепалеозойская-раннемезозойская флора, гондванская фауна триасовых амфибий и рептилий. Особенно примечательным оказалось, во-первых, поразительное сходство пермских флор Антарктиды и Индостана, ныне разделенных по широте расстоянием, превышающим 10 тысяч километров, и поэтому необъяснимое при их нынешнем расположении, и, во-вторых, такое же сходство фаун лабиринтодонтов и листрозавров между Антарктидой, Южной Африкой и Южной Америкой.
Другой группой сведений, которой совершенно не располагали Вегенер и его первые последователи, были данные по докембрию гондванских континентов. Успехи радиогеохронометрии позволили расчленить докембрийский фундамент этих континентов на разновозрастные блоки и выявить его достаточно сложную, мозаичную структуру. Оказалось, однако, что эта мозаика удовлетворительно «складывается» при использовании «Буллардова совмещения» для Атлантики.
Таким образом, постепенно выяснилось, что классическая геологическая аргументация Вегенера в пользу мобилизма не только не утратила своего значения, но, напротив, существенно обогатилась благодаря новой информации. Однако решающие успехи все же были достигнуты не геологическими, а геофизическими методами.
В первую очередь следует отметить открытие в океанах замечательной системы знакопеременных магнитных аномалий, так называемой «полосчатости». Исследования магнитных аномалий океанического дна привели к заключению о принципиальном различии геомагнитного поля океанов и материков — различии, которое отнюдь не ослабляется тем фактом, что на отдельных участках континентов может наблюдаться внешне сходная картина аномалий.
«Полосчатое» магнитное поле океанов требовало своего объяснения, и в 1963 году английские геофизики Ф. Вайн и Дж. Мэтьюз сделали вывод, что чередование магнитных аномалий разного знака может отражать последовательное остывание и раздвижение новообразованной базальтовой океанической коры, и установили прямую корреляцию между отдельными линейными аномалиями и эпохами прямой и обратной полярности магнитного поля. Этим был открыт путь к установлению возраста океанической коры разных частей океанического ложа и к определению скорости расширения океанического дна.
В тот же период большой вклад в развитие неомобилистских взглядов внесла сейсмология. К этому времени были значительно усовершенствованы методы определения положения очагов землетрясений и создана мировая сеть сейсмических станций. Это позволило значительно уточнить картину распределения зон сейсмической активности на поверхности Земли, причем оказалось, что сейсмоактивные зоны достаточно узки и совпадают с молодыми складчатыми системами окраин материков и островных дуг, а в океанах — со срединными хребтами. Обширные промежуточные области практически асейсмичны. Именно это дало основание считать, что литосфера разделена на ограниченное число плит (первоначально считали 6—8), разделенных тектонически активными шовными зонами. Отсюда появился и сам термин — «тектоника плит».
Сейсмологи разработали также методику определения характера смещений в очагах землетрясений. Это позволило установить, какого рода смещения происходят на границах между плитами. Как и следовало ожидать, рифтовые зоны океанов оказались зонами активного растяжения, а системы глубоководных желобов, островных дуг и складчатые окраины континентов, а также альпийский Средиземноморский складчатый пояс — зонами сжатия.
Эти данные и были положены в основу опубликованной гипотезы «новой глобальной тектоники», ставшей синонимом «тектоники плит». По этой гипотезе океаны образуются в процессе раздвига континентальной коры под действием восходящих и расходящихся в стороны конвекционных течений. Раздвиг этот заполняется поднимающейся вдоль оси срединных хребтов базальтовой магмой. Базальты и образуют новую океаническую кору, которая по мере своего остывания увлекается в сторону горизонтальной ветвью конвекционного течения, действующей наподобие ленты конвейера. Одновременно на этой ленте образуются метки — линейные магнитные аномалии, отпечатки периодических инверсий магнитного поля.
Сейчас новая геотектоническая концепция обрела уже вполне определенные контуры и в глазах ее все более многочисленных сторонников стала первой тектонической теорией в отличие от гипотез — ее предшественниц. Многие восприняли ее также как результат научной революции в геологии.
Автор: В. Хаин.