Гипотеза дрейфа континентов А. Вегенера и её судьба

Итак, за короткий промежуток времени произошёл настоящий переворот в наших знаниях о рельефе морского дна. Выявилась чрезвычайно сложная геологическая структура дна океана. Интенсивное накопление фактических данных привело в конечном итоге к революционному пересмотру всей системы взглядов на историю не только океанического дна, но и континентов. В том же 1962 Г. Хесс, просуммировав эти данные, сформулировал свою гипотезу разрастания (спрединга) океанического дна. Он предположил, что в мантии происходит конвекция – перемешивание вещества под действием тепловых потоков. Расплавленное мантийное вещество поднимается на поверхность по рифтовым разломам; это вещество постоянно раздвигает края рифта и одновременно, застывая, наращивает эти края изнутри. Так образуется новая океаническая кора. При этом возникают многочисленные мелкофокусные землетрясения (с эпицентром на малых глубинах в десятки километров). Хесс писал: «Этот процесс несколько отличается от механизма дрейфа материков, описанного Вегенером. Континенты не прокладывают себе путь сквозь океаническое дно под воздействием какой-то неведомой силы, а пассивно плывут в мантийном материале, который поднимается вверх под гребнем хребта и затем распространяется от него в обе стороны. Срединно-океанический хребет является просто-напросто местом, где на поверхность планеты выходит восходящий конвекционный ток, какие можно наблюдать в кастрюле, где варится кисель или жидкая каша; материк же в рамках такой аналогии является пенкой на этом киселе»[7].

Рис. 4. Модель конвекции в мантии как механизма континентального дрейфа

а -- схематический разрез Земли на основе гипотезы разрастания (спрединга)

океанического дна,

б -- район глубоководного желоба,

в -- литосферная плита погружается в астеносферу А, упирается в её днище Б и В и

разламывается, затем отламывается периферийная часть плиты Г. В зоне трения плит происходят мелкофокусные землетрясения (чёрные кружки выще линии низкой прочности), в зоне упора и разлома плиты – глубокофокусные землетрясения (см. кружки ниже линии низкой прочности).

Если на срединно-океанических хребтах постоянно образуется новая океаническая кора, то должно быть и место, где происходит обратный процесс, так как суммарная поверхность планеты не увеличивается. Местами, где та же кора уходит обратно в некогда породившую её мантию, являются глубоководные желоба. Именно продольное давление постоянно расширяющейся океанической коры и является той самой силой, что удерживает желоба в прогнутом состоянии и не дает их дну "всплывать". Энергия же напряжений, возникающих, когда твердая кора вдвигается в частично расплавленную мантию, выделяется в виде разрушительных глубокофокусных землетрясений (с эпицентром на глубине до 600-650 км) и извержений вулканов. Именно это произошло у восточного берега острова Хонсю. На Рис.4 показано как раздвигаются литосферные плиты с «впаянными» в них континентами под воздействием конвективных потоков в мантии, выходящих на поверхность в рифтовой зоне срединно-океанического хребта (Рис 4.а). При этом океаническая плита, граничащая с континентальной плитой, «подползает» под эту плиту (Рис. 4. в). Другими словами, континенты движутся не под действием сил, связанных с вращением Земли, а в результате сложных процессов, происходящих в мантии [7].

Итак, сегодня гипотеза А. Вегенера о дрейфе континентов подтверждена благодаря новым достижениям науки о Земле и вошла как ключевой элемент в современную теорию глобальной геологии или, что то же самое, в «Тектоническую теорию геологической эволюции Земли». Эта теория так и называется: «Тектоника литосферных плит». Научное направление «мобилистов» победило «фиксистов», и дальнейшее развитие геологии будет происходить под флагом парадигмы мобилизма. Это событие напоминает победу Коперниковского гелиоцентризма над Птоломеевским геоцентризмом. Подтвердилась и гипотеза Вегенера об образовании и распаде суперконтинента Пангеи, и это название, данное ему Вегенером, сохранено.

Рис. 5. Расположение континентов, начиная с Пермской эпохи и до наших дней.

Такие же процессы объединения и расхождения континентов происходили и в болееранние эпохи геологической эволюции Земли. Первый суперконтинент сформировался на рубеже Архейской и Протерозойской эры. Его назвали «Монгея». Затем были «Мегания» и «Родиния». После Пангеи ожидается в будущем образование суперконтинента «Тинергеи». Сегодня на вопрос о том, какие силы вызывают тектоническую активность, включая дрейф континентов, современная наука о Земле отвечает так. В основном это эндогенные силы, т.е. силы внутри Земли. Главная из них – это действие гравитационной химико- плотностной дифференциации внутриземного вещества во времени. Именно этот процесс привёл к расслоению первоначально однородного вещества планеты на сферические слои: кору, мантию и ядро. Он продолжается с выбросом энергии, которая трансформируется в различные тектонические явления, в тот же дрейф континентов. Вторым по значению источником внутриземной энергии служит распад естественных радиоэлементов. И лишь на третьем месте находится внеземной экзогенный источник энергии из космоса: воздействие Луны и Солнца. Но появляется всё больше новых данных, полученных с околоземных и удалённых станций, изучающих космос. Эти данные, видимо, внесут существенные коррективы в наши представления о влиянии космических сил на процессы, происходящие в недрах и на поверхности Земли. Может быть пересмотрен выше приведённый тезис о незначительной роли внеземных источников энергии. В частности,

речь идёт о воздействии мощных потоков нейтринного излучения из дальнего космоса, способного пронизывать всю планету.

Глава 5  Тектоника литосферных плит

В самом начале 60-х годов американский геолог Г. Хесс (Hess) высказал предположение, что горячее, частично расплавленное мантийное вещество поднимается вдоль рифтовых трещин, которые в ту пору были впервые трассированы по сейсмологическим данным в виде единой мировой системы осевых зон пологих и обширных подводных хребтов. Поднимаясь из глубоких недр под такими хребт^Йи, мантийное вещество согласно модели Хесса должно растекаться в разные стороны от оси хребта и "растаскивать" океаническое дно*в разные стороны. Кроме того, поднимающееся расплавленное мантийное вещество заполняет рифтовую трещину, застывает в ней, а затем, разрываясь примерно посредине, наращивает таким образом расходящиеся края океанической коры*.

В то же самое время появились новые убедительные геофизические доказательства перемещения материков, связанные с палеомагнетизмом древних пород. Первые же палеомагнитные исследования (П. Блеккет - Blackett и С. Ран-корн - Runcorn, Англия, 1962; Э. Ирвинг - Irving, США, 1964; А. Храмов, 1967) подтвердили вегенеровские реконструкции распада Пангеи.

В начале 60-х годов появились и сильные палеомагнитные доказательства разрастания океанического дна, полученные на основании анализа природы полосчатого аномального магнитного поля. Оказалось, что эти аномалии симметричны по отношению к гребням срединно-оке-анических хребтов, и каждая половина симметричной картины с хорошей точностью повторяет порядок чередования намагниченности континентальных пород по мере увеличения их возраста. К тому времени было установлено, что изменения намагниченности континентальных пород связаны с изменениями направления магнитного поля нашей планеты: за последние несколько миллионов лет магнитные полюса Земли меняли свою полярность свыше 20 раз. Для объяснения природы полосчатого аномального магнитного поля океана было высказано много гипотез. Справедливой оказалась модель английских ученых Ф. Вайна (Vine) и Д. Мэттюза (Matthews) (1963), которые предположили, что эти аномалии есть не что иное, как запись инверсий магнитного поля Земли в геологическом прошлом на гигантской природной "магнитофонной ленте" - океанической коре, которая, застывая в рифтовой трещине, рвется в ней примерно посредине, и каждая половина раздвигается в стороны от места своего рождения. Определив порядок чередования и время каждой инверсии, можно по рисунку аномалий установить возраст дна океана. Эта интерпретация, проверенная данными глубоководного бурения, убедительно показала геологическую молодость океанического дна. Возраст пород в рифтовых трещинах буквально современный, на флангах срединно-океанических хребтов - 80-100 млн. лет, а самой древней океанической коре не более 150-160 млн. лет, что составляет всего v30 от возраста нашей планеты.

Теперь хорошо известно, что раскол Пангеи произошел около 160-170 млн. лет назад, когда Африка откололась от Северной Америки. По мере их удаления друг от друга начала образовываться и расширяться впадина Северной Атлантики. Полярная и субполярная области Атлантического океана начали развиваться лишь 60-65 млн. лет назад, когда раскололась Лавра-зия - Северная Америка отделилась от Гренландии, а Гренландия от Европы. Южная Америка откололась от Африки 120-130 млн. лет назад, положив начало разрастанию южноатлантической впадины. Рубеж юрского и мелового времени - это рубеж распада Гондваны. В это же время Индостан откололся от Африки и Антарктиды и начал свой стремительный путь к северу; тогда же началось разрастание современного Индийского океана. Последний раскол остатков Гондваны - разделение Антарктиды и Австралии - произошел в раннем кайнозое, всего 60-65 млн. лет назад.

Так палеомагнитные исследования континентальных пород и аномального магнитного поля океана не только полностью подтвердили аргументы ранних мобилистов, но и позволили выявить детальные черты геометрии взаимного перемещения литосферных плит в процессе разрастания геологически молодых впадин Атлантического и Индийского океанов.

Как мы уже упоминали, геофизиками было установлено, что глубина очагов землетрясений под островными дугами достигает нескольких сотен километров; они группируются в сравнительно узкие (до 100 км) сейсмофокальные зоны. Еще в начале 30-х годов голландский геофизик Ф. Венинг- Мейнес ( Weining-Meines), а в середине 40-х советский геолог академик В. Заварицкий интерпретировали эти зоны как результат вдавливания или пододвигания океанической литосферы под материковую. Но, повторим, в то время большинство геофизиков и геологов традиционно трактовали глубинные сейсмофокальные зоны как расколы жесткой мантии. Только в конце 60-х годов американцы JI. Сайке (Sykes), Ж. Оливер (Oliver), Б. Айсекс (Isacks), анализируя сейсмологические данные, убедительно показали, что глубинные сейсмофокальные зоны под островными дугами действительно по своим упругим параметрам представляют плиты, более жесткие, чем окружающая мантия, и уходящие на глубину под разными углами.

Другим ярким доказательством погружения океанической литосферы в мантию под островными дугами служит рельеф дна. В конце 20-х - начале 30-х годов было установлено, что глубоководные желоба и невулканические гряды

островных дуг далеки от равновесия; для того чтобы их удерживать в таком состоянии, литосфера должна обладать прочностью порядка 1000 кг см-г, что соответствует условно-мгновенной прочности кристаллических горных пород на скалывание. Отсюда автором данной статьи был сделан вывод (1968), что нескомпенсирован-ные структуры островных дуг могут длительно существовать только при условии перераспределения напряжений в процессе пододвигания одной плиты под другую, т. е. они представляют собой поверхностное проявление динамики конвергентных (сходящихся) краев плит.

Еще один тип границ литосферных плит был впервые выделен в середине 60-х годов канадцем Дж. Т. Уилсоном (Wilson) - это так называемые трансформные разломы, вдоль которых края плит скользят без значительного раздвигания или пододвигания.

Таким образом, к концу 60-х годов были сформулированы основные положения тектоники литосферных плит. А именно: на поверхности нашей планеты перемещается ансамбль плит литосферы - верхней наиболее холодной оболочки Земли, в пределах которой все компоненты находятся в кристаллическом состоянии. Поэтому только литосфера обладает конечной длительной прочностью и хрупким разрушением - разрывы литосферы приводят к землетрясениям. Иными словами, с позиций механики литосфера и является корой Земли. Нижняя ее граница определяется температурой кристаллизации (или плавления) базальтов; начало их плавления - фазовый переход литосферы в астеносферу (неустойчивую сферу). Верхняя граница литосферы определяет лик нашей планеты.

Наиболее существенные геологические процессы происходят на боковых границах плит. Эти границы делятся на три главных типа.

Первый - это дивергентные края плит; здесь в образующуюся трещину поступает расплавленное мантийное вещество, которое, достигая поверхности, застывает и

Рис. 5. Глобальная модель линейных скоростей относительных и абсолютных перемещений главных литосферных плит (Ушаков, Галушкин, 1978): 1 - дивергентные границы 2 - планетарные пояса плит и величина линейной скорости раздвижения в см/год- сжатия литосферы; 3 - конвергентные границы плит и величина линейной скорости сжатия в см /год; 4 - абсолютная линейная скорость смещения плиты в см/год

образуетмновуюокеаническую литосферу. Раскол континентальной литосферы и раздвижение краев двух атериков дает начало образованию между ними нового океана.

Другой тип границ - это конвергентные, которые, в свою очередь, можно разделить на два подтипа. Первый - когда океаническая плита сталкивается с другой плитой (океанической или континентальной) и погружается в мантию. Такое погружение приводит к образованию глубоководных желобов и островных дуг (например, Курильской) или активных, вулканических континентальных окраин (андийская окраина Южной Америки, восточная окраина Камчатки и др.). Второй подтип можно наблюдать там, где сталкиваются континентальные края плит. Существенно более легкая, чем мантия, континентальная кора играет в материковой литосфере роль "пробки" и не позволяет ей глубоко погрузиться в астеносферу. Поэтому столкновение континентальных окраин подобно торошению льдин во время затора при ледоходе; пример такого "торошения" материковой литосферы - Альпийско-Гималайский горный пояс. Третий тип границ - это уже упоминавшиеся трансформные разломы.

Деформация и расколы литосферы происходят в основном лишь на границах плит, при этом на конвергентных границах выделяется 95-96% всей упругой энергии, тогда как остальные 4-5% - на дивергентных (расходящихся) и трансформных.

Как уже отмечалось, крупных литосферных плит немного - 8-9; их число зависит от того, какой характерный линейный размер плиты и какую скорость их относительного смещения выбрать за начальные. В настоящее время можно выделить еще свыше 20 малых плит, которые сосредоточены преимущественно в пределах Альпийско-Гималайского и Циркум-Тихоокеанского планетарных поясов сжатия литосферы. Грубо можно считать, что характерный линейный размер крупной плиты - тысячи, а малой - сотни километров; нижний предел относительной линейной скорости смещения двух плит 0,5-1 см/год. Пространственное расположение границ плит на поверхности Земли, а также некоторые другие геофизические данные, о которых речь пойдет ниже, позволяют предполагать, что перемещение литосферных плит обусловлено крупномасштабной конвекцией, охватывающей всю мантию нашей планеты, вплоть до поверхности ядра. Теперь геологи стали понимать, что непосредственно из мантии рождается лишь океаническая кора - в рифтовых трещинах срединно-океани-ческих хребтов. Континентальная кора представляет собой продукт вторичной переработки и переплавления океанической коры в местах, где происходит погружение в мантию океанических плит. Когда океаническая кора переплавляется, слагающие ее породы теряют воду, часть кремнезема, щелочные металлы, глинозем и некоторые другие подвижные соединения и элементы. Все эти компоненты в виде богатых водой и кремнеземом магм поднимаются на поверхность наползающего края плиты, образуя вулканические цепи островных дуг и континентальных окраин.