Модели появления геологических структур на поверхности Земли
Нептунической (по имени бога морей Нептуна) была названа теория немецкого геолога и минеролога А. Г. Вернера, основавшего (1775) институт для изучения минералов и полезных иско-
паемых. Он разработал первую систему классификации горных пород и ландшафтов по внешним признакам. Вернер исходил из того, что Земля была покрыта океаном («всемирный потоп»).
Когда вода отступила, из осевших в воде отложений минералов на протяжении более миллиона лет образовались слои пород, например граниты, путем осаждения кристаллов на дне океана. Ошибочность такого представления стала ясна, когда появились убедительные доказательства того, что граниты возникли в результате охлаждения и затвердевания силикатных расплавов — магм, поднимающихся из земных недр. Эти факты послужили основой для другой, плутонической гипотезы.
Плутонической (по имени бога подземного царства Плутона) названа теория шотландского геолога Дж. Геттона (1795). Он, отказавшись от идеи о потопе, выдвинул версию о медленной эволюции Земли. Под действием ветра, воды, вулканов, землетрясений земная кора разрушалась, а продукты разрушения образовывали на поверхности планеты слои. Теплота земных недр перемещала породы и формировала континенты. Эту теорию поддержал профессор геологии Ч.Лайель, считая, что геологические явления вызваны природными факторами, действующими длительные промежутки времени, и что всюду природные факторы действуют одинаково. Лайель сформировал геологию как научную дисциплину, а его теория, получившая название теории «единообразных изменений», поддерживается современными учеными.
Земная кора делится на океаническую (плотную и однородную) и континентальную (более легкую и гетерогенную по минеральному составу). Верхние слои состоят преимущественно из горных пород, которые образовывались в результате осаждения частиц, разрушенных ветром и водой. В них захоронены остатки окаменевших древних флоры и фауны. В пластах прослеживается история планеты. Осадочный слой достигает толщины 10 —15 км, но покрывает не всю поверхность Земли, до 70 % всех его пород составляют глины. Кора состоит из осадочного, гранитного и базальтового слоев. Это деление условно из-за постоянных движений в литосфере. Среди пород океанического дна важна роль магматических глубинных пород, но их состав более однообразен, чем пород континентов. Геофизические методы исследования показали, что океаническая кора значительно тоньше, в ней нет гранитного, богатого кремнеземом и глиноземом, слоя, имеющегося в континентальной коре.
Возраст осадочных пород — важный параметр в эволюции планеты, как и ископаемые останки. Одноклеточные организмы (размером от 40 мкм до 1 мм) — радиолярии — появились в океанах около 500 млн лет назад, а 160 млн лет назад были распространены так же, как сейчас. Они занимают в океанах верхние горизонты, но их скелеты, состоящие из кремнезема, слаборастворимы,
и встречаются на всех глубинах. Кислотой из пород выделяют останки вымерших червеобразных, живших 570 — 200 млн лет назад. Исследуя их, удалось доказать, что разрезы более древних пород иногда залегают поверх молодых, т.е. большие скопления слоев могут перетасовываться. Расшифровать историю помогает и палеомагнетизм пород.
Химическая эволюция континентальной части земной коры проходила от основного, базальтового состава, характерного для океанического типа коры, к кислому, гранитному, и океаническая кора постепенно (примерно 2,5 млрд лет назад) превратилась в континентальную. Этому способствовало несколько факторов:
при формировании ядра планеты в одном из полушарий выделилось больше базальтов;
состав продуктов извержения вулканов менялся, изменяя толщину континентальной коры. Базальтовые магмы обогащались SiO2, А12O3, Fe2O3, Na2O, соответственно уменьшая долю MgO, FeO, CaO;
начался мощный круговорот веществ, включающий переработку первичной коры под действием солнечной энергии, гравитации и всей биосферы (рис. 10.4, а).
Огромные массы земной континентальной коры прошли через состояние осадочных пород, были перемыты водой и изменились под действием многих компонент. Длительный круговорот воды вымывал из коры некоторые базальтовые элементы (наиболее растворимые Са++, Mg++, Fe++), сохраняя малоподвижные типа SiO2, А12O3. Натрий попадал в океан в большом количестве, находился там в растворенном виде, но его значительная часть возвращалась в континентальную кору в виде осадков. Калий задерживался в тонкодисперсных глинах и растительных остатках, поэтому его больше в континентальной коре, чем в океанической (рис. 10.4, б).
В лабораторных условиях моделировали глобальные изменения только последнего геологического периода. Для изучения взаимодействия пар земных слоев изготовили двухслойные модели: лист резины толщиной 1,5 см залили тонким слоем (3—4 мм) легкоплавкого материала (воска или парафина), сцепляющегося с резиной. После остывания модели растянули домкратами. В верхнем слое резины появилась сеть трещин и возникла блоковая структура, характерная для верхнего слоя земной коры. При сильном измельчении от подложки отслоились мельчайшие «блоки», и дробление прекращали. Так проверили идею Вернадского об определенной организованности процессов в земной коре и энергонасыщенности геологической среды.
Гипотезу дрейфа континентов развивал немецкий ученый А. Вегенер (1912), хотя она казалась необоснованной. Сходство очертаний западного берега Африки и восточного берега Южной Америки издавна считали свидетельством разделения еди-
ного материка. Вегенер назвал его Пангея (от греч. pan — все + gaia — земля). Итальянский ученый Синднер-Пеллегрини указывал на сходство не только очертаний, но и ископаемых растений и месторождений угля в Америке и Европе. Примерно в это же время гляциолог Ф. Б. Тейлор связывал образование молодых гор третичного периода вокруг Тихого океана с «раскрытием» дна Атлантического океана. Причину он видел в приливных силах Луны
после ее захвата Землей в меловом периоде, что и вызвало дрейф континентов. А.Холмс в 1927 — 29 гг. выделил силы конвективного течения в верхней мантии Земли как способные переместить континенты (верхнюю оболочку толщиной 50 — 100 км). Измерения силы тяжести на море и на суше свидетельствовали в пользу гипотезы дрейфа континента.
Район землетрясений образуют узкие и длинные зоны, разделяющие сейсмически активный верхний слой Земли на лито]-сферные плиты— стабильные участки. Плиты (толщиной 75 — 150 км) включают в себя значительную часть верхней мантии. Зоны, ограничивающие плиты, образованы срединно-океаническими хребтами и глубокими и широкими океанскими желобами. По ним расположено большее число действующих вулканов. Плиты перемещаются по поверхности мантии Земли, края плит раздвигаются или сходятся. При раздвижении образуется трещина, в которую поступает вещество мантии; у поверхности оно затвердевает, образуя кору. Этот процесс назван спредингом. Выход вещества — один из процессов рудообразования. Оценка скорости приближения этих элементов к поверхности позволила бы уравнять потребление металла со скоростью формирования руд для достижения устойчивого развития человечества. Если плиты сходятся, их края погружаются в мантию, плита попадает как бы на переплавку.
Гипотеза Вегенера возродилась под влиянием сведений о строении океанического дна и новых данных палеомагнетизма. Оказалось, что континенты в ходе истории Земли испытывали смещения относительно магнитных полюсов, причем по сравнению с концом палеозоя (230 млн лет назад) расположение континентов изменилось. Для понимания процессов потребовалось провести магнитные измерения в океанах. В толще земных осадков установили несколько уровней смены векторов намагниченности пород. Мы живем в эпоху, которая началась около 730 тыс. лет назад, сменив эпоху обратной полярности. Но за этот период бывали и кратковременные смены магнитных полюсов. Исследования геофизиков показали, что возраст пород коры меньше возраста осадочных пород на дне океана и растет в зависимости от расстояния до хребта. Значит, на оси хребта создается новое вещество коры, а образованное ранее смещается от зоны раздвига со скоростью несколько сантиметров в год.
Гипотеза литосферных плит основана на их способности скользить по поверхности астеносферы (расплавленным глубинным породам), чем поверхность Земли приводится в состояние, близкое к гидростатическому равновесию. Эта теория получила признание в 60-е гг. XX в. Считается, что верхний слой коры состоит из 15 жестких плит, из них 50 % — крупные (до 1000 км), которые плавают на горячем, пластичном слое мантии Земли по поверхности астеносферы. При этом плиты могут сталкиваться,
погружаться друг под друга и надвигаться одна на другую. Вместе с плитами могут перемещаться и континенты. Эту гипотезу называют гипотезой новой глобальной тектоники, поскольку впервые попытались объяснить развитие Земли с помощью данных, полученных при изучении развития континентов и океанов. Литосферу моделируют системой плит, перемещающихся относительно друг друга со скоростями несколько сантиметров в год. Так, Гималаи, Памир и Тянь-Шань — результат надвигания одной плиты на другую.
При росте плит расширяется океаническая котловина, магма поднимается, застывает и образует вдоль подводного хребта океаническую кору. При замедленном процессе сокращается протяженность спрединговых центров. В настоящее время длина такой системы около 56 тыс. км, а скорости развития порядка 5 см/год (в Атлантике — почти вдвое ниже, в Тихом океане — в 3 раза выше). Умножая среднюю скорость роста на длину спрединговых центров, получим скорость формирования коры — 2,8 км2/год. Средняя площадь океанов — 310 млн км2, т.е. они сформировались за 110 млн лет. Средством проверки гипотезы тектоники плит служила программа бурения с судна «Гломар Челленджер». Результаты бурения дна подтверждают, что океаны более «молоды», чем считали ранее. Возраст западной части Тихого океана — до 180 млн лет, т.е. за последние 2 млрд лет могли возникнуть и исчезнуть до 20 океанов. Если дно и континент принадлежат к одной и той же плите, то континент перемещается вместе с ней. Океаническая кора может погрузиться под континент, присоединяясь к мантии (субдукция). Кора поднимается на хребте, перемещается поперек котловины и погружается вдоль желоба, отделяющего зону субдукции. Породы охлаждаются в океане, растекаются по оси хребта и в стороны от него, и кора постепенно погружается. Некоторые горы на океаническом плато настолько велики, что поднимаются, как острова. Подводные горы чаще всего базальтовые и появляются из «горячих точек», расположенных под плитой. Если плита скользит по магме, возникает целая цепь быстро растущих вулканов, как на Гавайских островах. Скопления минерального сырья по всем границам плит подтверждает существование таких процессов.
Горизонтальные перемещения плит преобладают с 60-х гг. XX в., хотя ранее считалось, что крупные прогибания земной коры заполняются осадками, вызывая вздымания, создающие молодые горные цепи. В местах раздвижения плит развиваются рифты, образуются океанические котловины. Так, в рифтовых впадинах Красного моря обнаружен ил, насыщенный Fe, Mn, Мо, Со, Си и Zn. Аналогичный ил найден и вблизи всех гребней срединных хребтов в океанах. Повышенной активностью обладает и узкая часть Южноамериканского континента, ограниченная Андами. Перу, Боливия и Чили очень богаты рудами металлов, как и
восточное побережье Азии. В эти области миллионы лет поддвигается океаническое дно, порождая потоки раскаленной магмы, насыщенной металлами. Вдоль линий столкновения и параллельно им возникают зоны вулканов, вдоль линий скольжения — цепь землетрясений. Структурные элементы, порождаемые тектонической активностью, недолговечны и подвержены самосогласованным изменениям, так как новые блоки коры возникают и при вулканических процессах. Как показали керны, около 11 млн лет назад Африканская и Европейская плиты сблизились и перекрыли Гибралтар, Средиземное море высохло, отложились толщи соли и гипса. Потом пролив открылся, и на сотни лет в нем установился водопад (почти как Ниагарский), заполняя бассейн моря.
Литосферные плиты состоят из фрагментов коры и новых «кусков», называемых экзотическими блоками. При сближении плит одна может поддвинуться под другую и погрузиться в мантию. При этом большая часть коры углубляется в астеносферу, а верхние слои как бы соскабливаются с нее верхней плитой, образуя призму аккреции (от лат. accretio — приращение, увеличение). Так, близ Венесуэлы Карибская плита поддвигается под Южно-Американскую. При столкновении плит несколько увеличивается объем континентальной коры. Вдоль линии столкновения более плотная плита погружается, подвергаясь действию все более высокой температуры. Она несет на себе и осадки, и воду, захваченную пористыми породами. На глубинах 100—150 км эта вода инициирует ряд процессов — частичное плавление пород, образование магмы, обогащенной А1, К, Na, и др. Эта магма содержит до SO70 % кремнезема и отличается от океанической базальтовой своей большей вязкостью и густотой. В этих местах растет давление, вызывающее повышенный вулканизм.
В настоящее время известно несколько сотен действующих вулканов, и большая их часть расположена по берегам Тихого океана. Действующий вулкан Ключевская сопка извергает огромные потоки лавы с периодичностью в 6 —7 лет. Вулкан Безымянный пробудился в 1956 г., и сила извержения была такова, что туча пепла поднялась на высоту 40 м. Этот пепел выпал на площади 500 км2, растопил снег и достиг за двое суток Северного полюса. Раскаленный поток лавы шириной до 30 м имел длину 18 км. В 70-е гг. бурно «заговорил» вулкан Толбачек. Вулкан на одном из Антильских островов при своем извержении в 1902 г. уничтожил целый город за несколько минут, при этом погибли 30 тыс. человек.
Вулканы по краям плит расположены над огромными, поднимающимися вверх «занавесами» мантии, параллельными маркирующим желобам. Длина цепей вулканов достигает 37 тыс. км. На 1 км за 1 млн лет извергается 20—40 км3 нового силикатного материала, который присоединяется к коре (континентальной) со скоростью 0,751,5 км3/год, а сама океаническая кора почти ничего к ней не добавляет. Но над ней возвышаются острова, возникшие за счет спокойного базальтового вулканизма над горячи-
ми точками и в результате вулканизма в областях, параллельных зонам субдукции. На дне океанов имеются целые блоки осадков (до 170 млн км3), принесенные реками или оставленные вымершими организмами. Часть этого океанического чехла сублимируется, но большая часть составляет основу экзотических блоков.
Полуостров Индостан — один из самых больших таких блоков. Последние 100 млн лет он был единым, хотя некоторые его части имеют возраст более 1 млрд лет. Считается, что он был частью огромного континента Гондваны, впоследствии разорванного на куски, и дрейфовал на север до столкновения с южной окраиной Азии. Другие экзотические блоки, которые не являются осколками древних материков, имеют возраст до 200 млн лет. Они состоят в основном из гальки, песка и алеврита, их очертания складывались под влиянием столкновений и глубинных деформаций. На Аляске, к примеру, блоки хребта Брукс — огромные, настланные друг на друга пластины. В Кордильерах они имеют вытянутую форму, а в Китае сместились в субширотном направлении, так как Индостан давит на Азию с юга. История формирования блоков не всегда восстанавливаема, но свидетельства движений существуют.
Объем континентальной коры сейчас составляет 7,6 • 109 км3, а древнейшие породы имеют возраст 3,8 млрд лет, т.е. средняя скорость роста континентов составляет около 2 км3/год, или 65 м3/с, что явно завышено, так как на неостывшей Земле она была больше. До 70 % коры образовалось более 2 млрд лет назад, а 30 % формировались 2 млрд лет со скоростью 1 км3/год. С этой скоростью образования коры модель рассчитывалась вплоть до фанеро-зоя (этапа в 600 млн лет), для которого существует ископаемая летопись жизни. По данным палеомагнетизма, в начале периода континенты были изолированы и сосредоточены в области экватора, в последующие 350 млн лет из-за движения континентов возник агломерат Гондваны и Лавразии, затем (250 млн лет назад) при объединении последних сформировался суперконтинент, ориентированный в субмеридианном направлении. Древние ядра континентов увеличивались за счет экзотических блоков, которые наращивались уже 200 млн лет, и Пангея начала распадаться вдоль системы рифов, напоминающих очертания современных океанических центров спрединга, опоясывающих земной шар (на 56 тыс. км).
Какие движения континентов предстоят? По одной из моделей через 108 лет может возникнуть новый континент из Азии и Америки. Атлантический океан будет расширяться, а Тихий закроется из-за субдукции Восточно-Тихоокеанского спредингового центра. По другим моделям могут быть отличия. При столкновении размеры континентов возрастут. Площадь континентов, окружающих Тихий океан, сейчас около 290 млн км2, она вырастет на 9 % за счет экзотических блоков со скоростью 1 км3/год. Большую роль играют в этом процессе осадки. Сей-
час самым большим источником сноса осадочного материала является вздымающаяся масса суши, возникшая за счет столкновения Индостана с Азией. Кора почти удвоила свою мощность и образовала Гималаи и Тибет. Шесть крупных речных систем дренируют регион, составляющий 4% общей площади поверхности Земли, и выносят в океан до 40 % общего количества осадков, переносимых реками.
Северо-западная часть Тихого океана (Япония, Азия, Филиппины) имеет континентальную кору из фрагментов древнего континента, каждый из которых окружен поясами экзотических комплексов, наросших за 600 — 250 млн лет в течение палеозоя. Стержнем служила Сибирская платформа, вокруг нее наращивались блоки. Вдоль ее южной границы в раннем палеозое сгрудились вулканические дуги и другие поднятия коры, сформировался Байкальский складчатый пояс. Затем, от 300 до 60 млн лет назад, когда Индостан подошел к Азии, формировались другие районы (Индокитай, Янцзы). Континенты юго-западной части Тихого океана (Антарктида, Австралия и Новая Зеландия) возникли при распаде части Гондваны 120—100 млн лет назад, когда развилась рифтовая система, состоящая из трех частей. Одна из них образовала Тасманово море, а две другие отделили Антарктиду от Австралии и плато Кэмпбелл от Новой Зеландии. Вероятно, восточная часть Антарктиды и западная часть Австралии являются более молодыми надстройками коры.
Движения плит — это периодический процесс, в котором главная движущая сила — тепловая конвекция в нижней мантии, а источник энергии — радиоактивный распад. Здесь важна особенность распространения теплоты через земную кору и ухода ее в окружающее пространство: океаническая кора проводит теплоту вдвое более эффективно, чем континентальная. Если часть поверхности занимает суперконтинент, под ним должна накопиться теплота мантии, ведущая к его вздыманию и разрушению. После раздвижения осколков теплота уходит под образующиеся между ними новые океанические бассейны. Поэтому при непрерывном подведении теплоты к поверхности из-за малой теплопроводности континентов она «прорывается» через нее в отдельные и достаточно короткие отрезки времени. Сначала в недрах континента образуются «горячие точки» вулканов, потом они соединяются в рифтовые долины, вдоль которых происходит раскол континента. Через рифты вещество мантии поступает к поверхности, готовя океанское дно. Дно уплотняется, охлаждается, опускается вниз, углубляя океан, и этот процесс длится примерно 200 млн лет. Затем самая древняя часть нового океанического дна континента, примыкающая к осколкам, уплотняется и погружается под континентальную кору — начинается процесс субдукции. Далее океан закрывается, континенты сближаются, а силы сжатия порождают горы.
Суперконтинентальный цикл длится около 440 млн лет. Суперконтинент устойчив около 80 млн лет, накапливающаяся теплота вызывает зарождение рифтов. Через 40 млн лет континент
раскалывается. Через 160 млн лет дрейфующие континенты максимально удаляются, а затем начинают сближаться, и суперконтинент восстанавливается. Если сейчас Атлантический океан находится еще в стадии раздвижения, то потом, когда его кора состарится и начнет погружаться под соседние континенты, он может закрыться.
Удивительные закономерности обнаруживаются при сопоставлении времени развития рифтов и времени интенсивного горообразования. Середины периодов горообразования приходятся примерно на 2600, 2100, между 1800 и 1600, 1100, 650 и 250 млн лет назад. Интервалы между ними порядка 400—500 млн лет. Примерно через 100 млн лет после каждого из них наступала пора рифто-генеза. Возрасты большого числа вынесенных из мантии пород группируются на отрезки времени со средними значениями 2500, 2000, 1700—1500, 1000 и 600 млн лет. Период образования гор, протекавший около 250 млн лет назад, сменился рифтогенезом и разрушением Пангеи, т.е. период эволюции суперконтинента 400— 500 млн лет. Эта периодичность отражается в колебаниях уровня океанов, что является проверкой модели. Кроме этого, в океанической коре непрерывно возникают периодические структуры — «твердые волны». Полоса плотных и тяжелых пород у берегов нагружается осадками с континента, прогибается и уходит вниз. Ее место занимают осадочные породы, в них вновь проникают растворы и цементируют их. Так цикл повторяется. Такие застывшие волны сейчас наблюдаются в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах. Эти волны медленные, проходят миллионы лет, пока навстречу этой волне придет аналогичная с другого берега. Когда волны встретятся, возникнет поднятие, называемое срединным хребтом.
Глобальная тектоника литосферных плит — это еще один механизм обменного характера, позволяющий понять эволюцию земных глубин. Расчеты на ЭВМ показали, что под действием теплоты вещество Земли осуществляет кольцеобразное движение, сосредоточенное в верхней зоне на областях порядка 700 км. Эти кольцеобразные звенья играют роль неких ячеек: верхние, наиболее холодные части и являются плитами. Теория позволяет объяснить с позиций механики и химии многие геологические явления. Теория дренажной оболочки, например, находит свое применение при объяснении эволюции материков, что показывает огромную взаимосвязь систем Земли. Темпы развития геофизических исследований позволяют надеяться, что вскоре удастся разрешить многие несогласованности в развитии отдельных концепций о процессах на границе коры с мантией под океанами и создать единое представление о кругообороте вещества в Земле — от первого попадания лучистой энергии на ее поверхность до настоящего времени. На больших глубинах все находится
в движении, хотя детали процессов не выяснены. Эта теория создала представление об упорядоченном, детерминированном характере развития верхней оболочки Земли. Нелинейная геодинамика позволила бы включить в рассмотрение «особенности неупорядоченного проявления во времени и пространстве структурообразующих движений в пределах тектоносферы». Создание такой теории позволит описать характер движения вещества в недрах в прошлом и будущем (рис. 10.5).
Метод интерферометрии со сверхдлинной базой (ИСДБ) дал возможность измерить колебания Земли, изменения скорости ее вращения и дрейф материковых плит, используя наблюдения за слабыми радиосигналами от квазаров, расположенных на краю Вселенной. Квазары служат как бы маяками, тем более что их удаленность не позволяет засечь их собственное передвижение в пространстве, да и распределены они по небу достаточно равномерно. Радиотелескопы на Земле, разнесенные на тысячи километров, должны следить за одним и тем же источником радиоизлучения. Метод ИСДБ позволяет засечь изменения положения в мантии или колебания земной коры с амплитудой в несколько сантиметров относительно оси вращения Земли или изменения ориентации оси в пространстве на величину около 10-3 угл. с при ускорении или замедлении вращения. Таким путем, например, установили, что Красное море расширяется со скоростью 1 см/год.
i
Возможности изложенных выше гипотез и теорий существенно бы возросли при учете действия природных физических полей, тем более что горные породы являются носителями электрических зарядов.