Еволюція земної кори та еволюція поглядів на неї

Вулканічні виверження, землетруси та переміщення берегової лінії морів, безсумнівно, відображають наявні в надрах Землі глибинні процеси, вони звернули на себе увагу вже в античній давнині. Адже антична греко-римська цивілізація розташовувалася в Середземномор’ї – одному з найбільш рухливих поясів сучасної Землі. Ця, що йде з глибин Землі активність вимагала свого пояснення, і такі спроби робилися, починаючи з епохи Відродження, але майже до кінця XVIII століття залишалися надзвичайно наївними. Лише в кінці XVIII століття з’являються перші наукові тектонічні гіпотези.

По мірі розвитку виниклої до того часу геологічної науки тектонічні гіпотези змінювали одна іншу, поступово розширюючи свою фактичну базу, як власне геологічну, так і астрономічну і фізичну. Однак майже аж до наших днів, вони незмінно залишалися в основному умоглядними, не супроводжуючись кількісними розрахунками і не маючи прогнозної сили. Лише в шістдесяті роки минулого століття вдалося подолати цю грань, і почався третій етап розвитку геодинамічних уявлень.

Оскільки перший етап розвитку цих уявлень має лише історичний інтерес, ми почнемо свою розповідь з другого. Цей період вже заслуговує уваги, оскільки в кожній з послідовно висунутих тектонічних гіпотез були свої раціональні елементи, які, як правило, переживали саму гіпотезу і в кінцевому рахунку багато в чому підготували ґрунт для сучасних геодинамічних моделей.

Першою науковою тектонічною гіпотезою стала гіпотеза “кратерів підняття”, висунута в кінці XVIII століття М. В. Ломоносовим і Дж. Геттоном, але розвинена далі А. фон Гумбольдтом та Л. фон Бухом вже в першій чверті XIX століття. В основі гіпотези лежали спостереження над впровадженням магматичних порід в осадовій товщі і над вулканічною діяльністю. Перетворення рельєфу і структури Землі зв’язувалося з підйомом розплавлених магматичних мас. Складчасті деформації пояснювалися розпираючою дією цих магматичних діапірів, як ми б назвали їх сьогодні.

Ці уявлення утримувалися лише до початку геологічного картування складчастості. У процесі ж картування з’ясувалося, що інтенсивні складчасті деформації спостерігаються і на значній відстані від магматичних інтрузій і навіть в районах їх відсутності. Складність складчасто-насувних порушень часто настільки значна, що вона не може бути пояснена лише впровадженням магми. Магматичні породи, які виступають вздовж осі складчастих гірських утворень, нерідко виявляються більш давніми, ніж прилеглі до них осадові породи, і, отже, вони не могли бути причиною деформації останніх.

Все це призвело у другій чверті XIX століття до заміни гіпотези підняття новою, контракційною гіпотезою. Тут в основу була покладена, здавалося б, міцно обґрунтована ще в кінці XVIII століття концепція про виникнення Землі в гарячому вогненно-рідкому стані і її послідовному охолодженні, починаючи з поверхні. Звідси робився висновок, що земна кора — продукт такого охолодження, а подальший її розвиток вглиб Землі з скороченням її обсягу повинен призводити до зминання в складки кори і утворення таким шляхом складчастих систем. Значним підкріпленням контракційної гіпотези стало виникле у другій половині XIX століття вчення про геосінклінії, бо воно зробило зрозумілим, чому складчасті споруди виникають не повсюдно, а в певних зонах земної поверхні, які зазнали інтенсивне прогинання і заповнених осадками. Ці опади при загальному стисненні мнуться між зближуючими більш жорсткими брилами. Утворення океанічних западин також спробували пояснити на основі контракційної гіпотези – обваленням окремих сегментів кори над охолодженими і стисненими надрами.

Гіпотеза контракції протягом більш ніж півстоліття служила надійною теоретичною базою регіонально-геологічних досліджень. На її основі Е. Зюсс створив свій дотепер неперевершений синтез структури всієї земної кори — «Лик Землі». І навіть пізніше, вже в першій чверті XX століття, коли контракційна гіпотеза втратила своє монопольне становище, багато видатних тектоністів продовжували спиратися на неї в своїх регіональних і глобальних побудовах.

Головною причиною аварії контракційної гіпотези стало відкриття радіоактивності і виявлення значного вмісту в земній корі, особливо в її верхній частині, радіоактивних елементів. Спочатку високі концентрації цих елементів були неправомірно поширені на всю кору, мантію і навіть Землю в цілому. Звідси випливав висновок про те, що Земля не тільки не остигає, але навіть продовжує розігріватися. З іншого боку, на межі XIX і XX століть «гарячі» космогонії були витіснені «холодними», і запанувала думка про те, що Земля виникла в холодному вигляді і ніколи не проходила через фазу повного плавлення. Питання це на сьогодні можна вважати практично вирішеним на користь «холодного» походження Землі, хоча це положення іноді і заперечується. Накопичення геологічної інформації, що відбувалося протягом усього XIX і початку XX століття у всезростаючому обсязі, також сприяло підриву панування контракційної гіпотези.

Все це робить зрозумілим розчарування в контракційній гіпотезі, що настало вже на початку XX століття і призвело в кінцевому рахунку до її майже повного забуття. При цьому, однак, виявилися викинутими за борт і такі корисні уявлення, як ідея про поділ кори на відносно стійкі і «жорсткі» брили — платформи, серединні масиви і податливі деформаціям пояси — геосинкліналі, як уявлення про складчастості в результаті стиснення та інші.

Падіння контракційної гіпотези призвело до загальної кризи в геотектоніці і теоретичній геології в цілому. Почалися пошуки нових шляхів пояснення ендогенної активності Землі, причому пошуки в самих різних напрямках. Народження мобілізму у формі гіпотези дрейфу материків, як її зазвичай називають, прийнято пов’язувати, і загалом справедливо, з ім’ям А. Вегенера і його роботою 1912 року, хоча двома роками раніше американець Ф. Тейлор опублікував статтю, що містить аналогічні думки. Вегенер, як і Тейлор, а в XIX столітті ще А. Снайдер-Пеллегріні і Є. В. Біханов, були перш за все, вражені дивовижною схожістю обрисів континентів, нині розділених Атлантичним океаном. Природно напрошувався висновок про те, що Атлантичний океан і близький до нього за своїм характером Індійський виникли у процесі розпаду Гондвани — гіпотетичного стародавнього суперконтиненту, що об’єднував, ще за думкою Е. Зюсса, материки південної півкулі та Індостан. Причому цей розпад стався в результаті розсування, але не обвалення проміжних ділянок, як припускав Зюсс, а за ним багато інших геологів, включаючи і сьогоднішніх “фіксистів”.

Вегенер розгорнув додаткову аргументацію на користь свого висновку. Він теоретично вивів правильний висновок про докорінну відмінність складу земної кори континентів і океанів: континенти складені в основному гранітами, океанічне ложе — базальтами. Це припущення блискуче підтвердилося в п’ятдесятих роках після проведення широких сейсмічних досліджень земної кори і при драгуванні корінних порід океанського ложа. Вегенер не тільки підкріпив додатковими даними міркування Зюсса про дивовижну схожість геологічної будови південних континентів, але і показав, що деякі риси цієї подібності можуть бути пояснені тільки дрейфом континентів.

Зокрема, повсюдне поширення слідів пізньопалеозойського заледеніння не може бути пояснено колишнім з’єднанням цих континентів “мостами” суші, що могло бути достатнім для обміну наземною фауною і флорою, а лише в разі більш компактного їх розташування. Використовуючи геологічні дані і подібність обрисів континентів, Вегенер уклав, що в пізньому палеозої не тільки південні, але й інші континенти становили єдину континентальну масу — Пангею, і що розпад Пангеї почався тільки в юрському періоді. Цей другий висновок Вегенера багато років по тому, в шістдесятих роках минулого століття, був блискуче підтверджений палеомагнітними та іншими геологічними даними.

У пошуках механізму, що рухає континентальні брили, Вегенер звернувся до сил, пов’язаних з осьовим обертанням Землі. Він вважав, що під впливом цих сил материки зміщуються на захід і, зустрічаючи опір океанічного ложа, тихоокеанська околиця Північної та Південної Америк мнеться в ланцюги Кордильєр, а на сході Азії та Австралії відбувається відрив острівних гірлянд з утворенням западин окраїнних морів.

Хоча, загалом геологи зустріли з інтересом гіпотезу геофізика Вегенера (але Тейлор був геологом!), більшість з них поставилося до неї з недовірою. Тим не менш, Вегенер мав і видатних послідовників-геологів, кожен з яких вніс свою лепту в розвиток мобілізму.

Своєрідний варіант мобілізму був запропонований ірландським геологом Дж. Джолі в 1926 році. За його думкою, накопичення радіогенного тепла під володіючими низькою теплопровідністю континентальними брилами призводить до плавлення базальтової оболонки і створює тим самим умови для руху материків по шару мастила в нове положення, під впливом обертання Землі. У свою чергу це тягне за собою покриття холодною водою океану раніше розплавлених ділянок і повне охолодження і затвердіння базальтового шару. Потім процес починається спочатку. Незважаючи на те, що запропонована Джолі схема виявилася неспроможною з тієї простої причини, що граніти, які складають материки, плавляться при значно нижчій температурі, ніж базальти, в його концепції, безсумнівно, були цікаві та прогресивні елементи. Перш за все, він був, по суті, першим геологом, який звернув увагу на радіогенне тепло як фактор, що може грати в геологічному розвитку Землі важливу роль.

Далі, дуже цікаві його ідеї про періодичне плавлення проміжного шару у твердій оболонці Землі і уявлення про епізодичності дрейфу, яке все частіше з’являється і в сучасних роботах.

Вінцем класичного мобілізму, що перекидає місток до мобілізму шістдесятих років, була концепція А. Холмса, який використав ідеї як Вегенера, так і Джолі. Ця концепція не була, однак, оцінена свого часу належним чином, і її поява не змогло врятувати мобілізм десятих-двадцятих років від тимчасового забуття в тридцяті-п’ятдесяті роки минулого століття.

У чому причини таких поворотів тектонічної думки? В даний час важко виділити головну з них, але представляється наступне. Успіхи геофізики, зокрема відкриття зон глибокофокусних землетрусів, пізніше названих зонами Беньофа, хоча відкрив їх японець Вадаті, зміцнювали геологів на думці, що корові структури мають глибокі корені в мантії, що їх розвиток безпосередньо залежить від процесів в мантії під ними і, отже, не може бути й мови про будь-які переміщення кори щодо мантії.

Таке було становище, що склалося в теоретичній геології до середини XX століття. Переважній кількості геологів та геофізиків здавалося, що мобілізм був лише ефемерним епізодом в історії нашої науки, пустоцвітом, приреченим на безпліддя. Але ось настали п’ятдесяті роки, і почали накопичуватися нові факти, що змусили зовсім по-іншому оцінити значення мобілістських ідей. Факти ці належали до абсолютно різних галузей наук про Землю, і кожен з них був по-своєму значний.

Відзначимо, перш за все, підтвердження сейсмічними методами передбачених А. Вегенером корінних відмінностей складу і потужності океанічної кори від континентальної.

Сейсмологія ж принесла підтвердження й іншого давнього припущення геологів і геофізиків — у верхній мантії був виявлений шар знижених швидкостей поширення сейсмічних хвиль.

Отже, відносно жорстка і тендітна літосфера, що включає не лише кору, але і верхню частину мантії, вистелена досить пластичною, навіть частково розплавленою астеносферою, вздовж верхньої поверхні якої може відбуватися ковзання одних плит літосфери по відношенню до інших.

У ті ж роки широко розгорнулося детальне вивчення рельєфу океанічного дна з допомогою ехолота і складу донних порід шляхом драгування. Одним з перших результатів стало відкриття світової системи серединно-океанічних хребтів з рифтами, що відноситься до числа самих фундаментальних відкриттів в науках про Землю. Майже точна приуроченість до осьових зон серединних хребтів вогнищ океанських землетрусів дозволила намітити загальну картину поширення цих хребтів у Світовому океані, включаючи Північний Льодовитий океан.

Факт існування подібних хребтів у всіх океанах, їх серединне положення в Атлантичному, Індійському та Південному океанах, ускладненість рифтовими розломами-розсувами наводили на думку про утворення океанів шляхом їх послідовного розширення, починаючи від рифтових зон, за рахунок розсування континентальних брил.

Тим часом підтримка ідей мобілізму прийшла зовсім з іншого боку, з боку нової гілки геофізики – палеомагнетизму. Як відомо, у п’ятдесяті — шістдесяті роки англійські геофізики Р. Блекетт, С. Ранкорн М. Е. Буллард відкрили явище залишкового намагнічування гірських порід. Перші ж визначення положення полюсів в минулі геологічні епохи показали, що чим давніша епоха, тим більше уявне положення палеомагнітного полюса відрізняється від сучасного. З іншого боку, це положення виявляється більш або менш ідентичним для одновікових зразків з одного і того ж континенту, але зразки з різних континентів дають і різні положення полюсів, знову-таки все більше розходяться із збільшенням віку.

Першу обставину ще можна пояснити міграцією полюсів, тобто зміщенням осі обертання Землі, але друга вимагає вже допущення зміщення самих континентів, якщо ми продовжуємо дотримуватися загальноприйнятої теорії земного магнетизму. Саме ж, мабуть, чудове полягає в тому, що якщо ми спробуємо поєднати положення палеомагнітних полюсів кінця палеозою – початку мезозою для різних континентів з сучасними географічними полюсами, то ми тим самим зрушимо і континенти, прийшовши до реконструкції Пангеї, яку запропонував свого часу Вегенер, який природно, нічого не знав про палеомагнітні методи реконструкцій.

Результати перших же палеомагнітних досліджень безпосередньо оживили інтерес до, здавалося б, міцно забутої гіпотези дрейфу материків і спонукали, перш за все, перевірити її вихідну передумову – схожість контурів материкових брил, нині розділених Атлантичним океаном. Така перевірка була здійснена англійським геофізиком Е. Буллардом і його співробітниками. Підсумком стала знаменита реконструкція Булларда, в якій краї Атлантики збіглися на більшій частині периметра океану майже ідеально, за двома визначними винятками – в районі Багамського архіпелагу і дельти Нігеру, де утворилися перекриття. Однак Багамський архіпелаг – відносно молода рифова надбудова, а дельта Нігера – продукт накопичення новітніх виносів цієї річки, отже, ці перекриття не повинні братися до уваги. Не зійшлися контури і в районі Мексиканської затоки, вказуючи або на її давнє походження, або на інший спосіб утворення, можливо, більш складний. Але в іншому збіги вийшли близькими до ідеальних.

Успіх Булларда і його групи спонукав виконати аналогічну роботу для інших частин земної поверхні. Добре співпали контури південного краю австралійського материка і протилежного краю Антарктиди. Реконструкція для Індійського океану виявилася неоднозначною у зв’язку з тим, що, крім Африки, Австралії та Антарктиди, необхідно враховувати розташування Індостану і мікроконтиненту Мадагаскар — Сейшели.

Під впливом цих робіт геологи багатьох країн почали більш серйозно ставитися до гіпотези Вегенера і звернулися до перевірки інших її положень, що можна було зробити тепер на набагато більш великому і значною мірою принципово новому матеріалі. Насамперед, у часи Вегенера Антарктида залишалася геологічно зовсім не вивченою, і тільки по її розташуванню можна було припускати, що вона належить до гондванської групи континентів і схожа з ними за будовою. Це припущення цілком підтвердилося — тут були знайдені виразні сліди пізнього палеозойського зледеніння, типово гондванська пізня палеозойська флора, гондванська фауна тріасових амфібій та рептилій. Особливо примітним виявилося, по-перше, разюча схожість пермських флор Антарктиди та Індостану, нині розділених по широті відстанню, що перевищує 10 тисяч кілометрів, і тому незрозуміла при їх нинішньому розташуванні, і, по-друге, така ж схожість фаун лабіринтодонтів і лістрозаврів між Антарктидою, Південною Африкою і Південною Америкою.

Іншою групою відомостей, яку абсолютно не мали Вегенер і його перші послідовники, були дані по докембрію гондванських континентів. Успіхи радіогеохронометрії дозволили розчленувати докембрійський фундамент цих континентів на різновікові блоки і виявити його досить складну, мозаїчну структуру. Виявилося, однак, що ця мозаїка задовільно «складається» при використанні «Буллардового суміщення» для Атлантики.

Таким чином, поступово з’ясувалося, що класична геологічна аргументація Вегенера на користь мобілізму не тільки не втратила свого значення, а, навпаки, істотно збагатилася завдяки новій інформації. Однак вирішальні успіхи все ж були досягнуті не геологічними, а геофізичними методами.

В першу чергу слід зазначити відкриття в океанах чудової системи знакозмінних магнітних аномалій, так званої «полосчатості». Дослідження магнітних аномалій океанічного дна привели до висновку про принципову відмінність геомагнітного поля океанів і материків — відмінності, що вже аж ніяк не послаблюється тим фактом, що на окремих ділянках континентів може спостерігатися зовні схожу картину аномалій.

«Смугасте» магнітне поле океанів вимагало свого пояснення, і в 1963 році англійські геофізики Ф. Вайн і Дж. Метьюз зробили висновок, що чергування магнітних аномалій різного знака може відображати послідовне остигання і розсування новоствореної базальтової океанічної кори, і встановили пряму кореляцію між окремими лінійними аномаліями та епохами прямої та зворотної полярності магнітного поля. Цим було відкрито шлях до встановлення віку океанічної кори різних частин океанічного ложа і до визначення швидкості розширення океанічного дна.

У той же період великий внесок у розвиток неомобілістських поглядів внесла сейсмологія. До цього часу були значно вдосконалені методи визначення положення вогнищ землетрусів і створена світова мережа сейсмічних станцій. Це дозволило значно уточнити картину розподілу зон сейсмічної активності на поверхні Землі, причому виявилося, що сейсмоактивні зони достатньо вузькі і збігаються з молодими складчастими системами околиць материків і острівних дуг, а в океанах — з серединними хребтами. Великі проміжні області практично асейсмічні. Саме це дало підставу вважати, що літосфера розділена на обмежене число плит (спочатку вважали 6-8), розділених тектонічно активними шовними зонами. Звідси з’явився і сам термін — «тектоніка плит».

Сейсмологи розробили також методику визначення характеру зсувів у осередках землетрусів. Це дозволило встановити, якого роду зміщення відбуваються на кордонах між плитами. Як і слід було очікувати, рифтові зони океанів виявилися зонами активного розтягування, а системи глибоководних жолобів, острівних дуг і складчасті околиці континентів, а також альпійський середземноморський складчастий пояс – зонами стиснення.

Ці дані і були покладені в основу опублікованої гіпотези “нової глобальної тектоніки”, що стала синонімом “тектоніки плит”. За цією гіпотезою океани утворюються в процесі розсування континентальної кори під дією висхідних і таких, що розходяться в сторони конвекційних течій. Зрушення це заповнюється базальтовою магмою, що піднімається вздовж осі серединних хребтів. Базальти і утворюють нову океанічну кору, яка в міру свого остигання захоплюється в бік горизонтальною гілкою конвекційної течії, що діє на зразок стрічки конвеєра. Одночасно на цій стрічці утворюються мітки — лінійні магнітні аномалії, відбитки періодичних інверсій магнітного поля.

Зараз нова геотектонічна концепція знайшла вже цілком певні контури і в очах її все більш численних прихильників стала першою тектонічною теорією на відміну від гіпотез — її попередниць. Багато хто сприйняв її також як результат наукової революції в геології.

Автор: В. Хаїн.