3.6. Представления о развитии литосферы

Ученые во все века стремились осмыслить геологические явления. Об этом свидетельствуют обобщения древних натуралистов, первые космогонические гипотезы и более стройные научные геологические концепции. Каждая из этих гипотез опиралась на какую-то реально наблюдаемую сторону тектонических процессов и в конечном счете терпела неудачу, так как не учитывала их действительного многообразия и не могла предложить удовлетворительного из механизма.

До настоящего времени нет единого представления о путях развития литосферы. Существует несколько тектонических концепций, каждая из которых хотя и основана на бесспорных фактах, однако отражает одну сторону тектонической истории Земли, не охватывая общего ее хода, и противоречит другим фактам, которые, в свою очередь, удачно объясняются другой теорией. Такое состояние тектонической проблемы объясняется тем, что геология и геофизика основывают свои выводы на исследовании материков, которые занимают всего 29,2% Земли, а изучение океанического дна, т.е. большей части планеты, только еще началось.

В основе гипотез эволюции Земли и интерпретации геологических данных (латеральных неоднородностей и тектонических процессов), полученных при изучении земной коры, заложены 4 варианта представлений: 1) о сжимающейся Земле и уменьшении её объёма; 2) о расширяющейся Земле и увеличении её объёма; 3) о постоянстве её объёма; 4) о пульсационном (то уменьшении, то увеличении) изменении её радиуса.

Гипотезы, базирующиеся на представлениях о сжатии Земли. На рубеже XIX и ХХ наиболее популярной была контракционная гипотеза, предложенная Ж.Эли де Бомоном (1829) и почти целое столетие безраздельно владевшая умами геологов. Она связана с космогонией Канта-Лапласа представлениями об изначально огненно-жидкой Земле, её постепенном остывании и сжатии, образовании охлаждённой сравнительно тонкой коры, которая на жидком субстрате сжимается, по мере уменьшения объёма Земли, образуя на её поверхности складки – горы наподобие сморщивания кожуры печёного яблока.

Гипотеза изостазии Эри и Пратта вполне уживалась с контракционной гипотезой. Сущность её в том, что в результате эпейрогенических вертикальных движений происходило уравновешивание блоков земной коры по мощности за счет разрушения одних и накопления материала на других.

Идеи Г. Штилле, основанные на его представлениях об орогенических и эпейрогенических движениях, всё ещё укладывались в рамки контракционной гипотезы, так же как не противоречили ей ни «овалы» В.В.Белоусова, ни открытие радиоактивного распада.

Контракционная гипотеза перестала быть эффективной после того, когда была подорвана ее основа – представление о жидком состоянии недр Земли.С установлением твёрдого состояния мантии, получением доказательств прохождения продольных волн до границы ядра и мантии, с открытием глубокофокусных землетрясений стали быстро устанавливаться признаки доминирования вертикальных движений.

Порождением конракционной гипотезы можно считать геосинклинальную гипотезу (или теорию геосинклиналей), сформулированную в конце XIX в. американскими учеными Д. Холлом и Д. Дэном. Дальнейшее развитие эта гипотеза нашла в первой половине ХХ в. работах огромного числа геологов мира – Дана (Dana), Бертрана (Bertrand), Ога (Haug), Шухерта (Schuchert), Г.Штилле (Stille), В.А.Обручева, Г.Штейнмана, А.Д.Архангельского, Н.С.Шатского, В.В.Белоусова, М.В.Муратова, А.В.Пейве, В.Е.Хаина, Н.П.Хераскова, Ю.А.Косыгина и др.

Более подробно геосинклиналная теория рассматривается в п. 3.11.

Гипотеза расширения Земли. Возможность расширения Земли частично допускалась М.В. Ломоносовым, Д. Геттоном и др. Впервые эту идею описал в 1889 г. И.О. Ярковский. В середине ХХ в. гипотеза нашла развитие в работах И.В. Кириллова, Л. Эдьеда, О. Хильгенберга, П. Дирака, В.Б. Неймана и др. Сторонники гипотезы предполагают, что объем земного шара первоначально был намного меньшим, чем сейчас. Радиус Земли составлял 3500 – 4000 км, а ее поверхность была вдвое меньше современной. Океанов не существовало. Материковая кора покрывала сплошной оболочкой весь земной шар. По мнению одних исследователей, расширение Земли началось с конца палеозойской эры. Другие считают, что это произошло в меловом периоде. С этого момента радиус Земли стал увеличиваться ежегодно приблизительно на 0,6 мм. Вследствие расширения первоначально единая материковая кора растрескалась. Образовались отдельные континенты, они все дальше и дальше отодвигались друг от друга по мере дальнейшего расширения Земли. В промежутках между материками обнажался подкоровый слой. Сюда проникало поднимавшееся снизу мантийное вещество, образуя новую кору океанического типа.

Быстрое расширение земного шара объясняется сторонниками гипотезы по-разному. Одни связывают это с уменьшением по времени гравитационной постоянной и, следовательно, силы тяжести. Другие, например И.В. Кириллов, указывают на возрастание массы Земли в процессе перехода глубинного вещества от более плотных фаз к менее плотным. Высказывается предположение, что в ядре плотность вещества соответствует первоначальным давлениям, какие сейчас в Земле не наблюдаются. Поэтому в недрах Земли непрерывно происходит процесс разуплотнения вещества с увеличением его объема. По данной гипотезе средняя плотность Земли до расширения достигала 15,5 г/см³, а ускорение силы тяжести на поверхности Земли вдвое превышало современное

Гипотеза расширения Земли вызывает ряд возражений.

1) Сторонники передвижения континентов указывают, что на земной поверхности преобладает меридиональная ориентировка срединно-океанических хребтов, благодаря чему океаническая кора нарастает в широтном направлении быстрее, чем в меридиональном. Поэтому причиной разрастания не может быть общее растяжение Земли. Иначе оно происходило бы с разной скоростью в разных направлениях и Земля потеряла бы свою сферическую форму.

2) Существование складчатых деформаций и надвигов, возникающих в земной коре в обстановке сжатия, не укладываются в содержание гипотезы расширения Земли.

Пульсационная гипотеза. В начале ХХ в. была высказана идея о том, что эпохи расширения Земли сменяются эпохами ее сжатия. Позднее эта гипотеза, получившая название «пульсационной», была развита американским геологом В. Бэчером и советскими академиками В.А. Обручевым и М.А. Усовым. Пульсационная гипотеза исходит из абсолютного преобладания вертикальных движений земной коры. Эпохам сжатия соответствуют горообразовательные фазы, эпохам расширения – периоды покоя и прогибания бассейнов. Растяжение земной коры сосредоточено главным образом в рифтовых зонах. Оно компенсируется сжатием коры в области глубоководных желобов и горноскладчатых систем. Эффекты сжатия и растяжения распределяются неравномерно на поверхности Земли. Вследствие многократного попеременного сжатия и растяжения происходит дрейф глыб земной коры от зон растяжения к зонам сжатия. Так, например, происходит движение Сирийско-Аравийской плиты от грабенов Красного моря и Аденского залива в сторону складчатых хребтов Тавра, Загроса и Кавказа.

Ряд сторонников пульсационной гипотезы считают, что процесс сокращения объема Земли и сжатия земной коры преобладает над ее расширением, особенно в настоящую эпоху. Проведенные исследования в конце ХХ в. на территории Скандинавии, Канады, Египта, Малайзии, Ирана и др. регионах показали, что уже на небольшой глубине горные породы находятся под действием сильнейших горизонтальных усилий, превышающих на 100-500 кг/см³ расчетные данные. Это позволило Н. Хасту и П.Н. Кропоткину сделать вывод, что в нынешнюю эпоху земная кора в самых различных геологических условиях – в альпийской складчатости, на платформах и в таких районах как Исландия, где преобладает растяжение, охвачена боковым сжатием. Оно связано с сокращением радиуса Земли. Причины пульсаций остаются неясными. М.А. Усов связывает их с космическими факторами, В.А. Обручев – переходом магматических горных пород из твердого состояния в жидкое под воздействием радиоактивного тепла или уменьшения давления после прекращения сжатия. Сжатие связывается с интенсивным выделением тепла вэпохи расширения благодаря выносу лавами, газами, парами и горячими источниками.

В пользу данной гипотезы ученые приводят аргументы:

1) о прогрессирующем уменьшении радиуса Земли свидетельствуют ряд геологических факторов, таки как преобладание опускания над поднятиями в истории Земли; существование планетарных эпох складчатости; господства напряжений сжатия в очагах землетрясений под складчатыми сооружениями;

2) на существование попеременных изменений радиуса Земли указывает ряд астрономических данных – изменение угловой скорости вращения Земли, которое устанавливается по изменению продолжительности суток; данные палеомагнетизма показывают колебания радиуса Земли на 10% на протяжении последних 500 млн. лет.

Гипотезы основанные на взглядах о постоянном объеме Земли. Развитие представлений о механизмах формирования наблюдаемой структуры земной коры связанных с процессами в земных недрах (эндогенными процессами) всегда было обусловлено накоплением данных о доступных наблюдениям районах Земли и, в следствие этого, неизбежно отражало специфику этих районов. Такая ориентированность характерна и для двух крайних по отношению к горизонтальным движениям тектонических концепций: мобилистской – тектоники плит и фиксистской – вертикальных движений.

Несмотря на то, что уже было много доказательств (геологических, данных поверхностных нивелировок и триангуляций), подтверждающих превышение горизонтальных перемещений в 2-4 раза по сравнению с вертикальными, последним отводилась главенствующая роль, а горизонтальные признавались как их производные. Данные представления в тектонике базировались на признании отсутствия жидких или высокопластичных оболочек в верхней части мантии, которые могли бы обеспечить горизонтальные перемещения, а переходная жидкая зона ядро-мантия слишком далека от поверхности и не могла контролировать тектонические процессы в земной коре. Данное направление получило название фиксизма и господствовало в тектонике с 20-ых по 60-ые годы XX века. «Фиксисты» придерживались взглядов о неизменном положении материков и образовании океанов за счет материков.

В 1960-1970-е сформировалась и бурно развивалась мобилистская концепция новой глобальной тектоники, или тектоник плит. В основе ее лежат представления об образовании океанических впадин вследствие перемещения крупных твердых литосферных плит по размягченной астеносфере. Начало мобилизму положили работы А. Вегенера, И.Ф. Тейлора, Е.В. Быханова.

Ученые давно обратили внимание на загадочное географическое явление – совпадение очертаний противоположных берегов Атлантического океана: Южной Америки и западного побережья Африки. В середине XIX в. итальянский ученый А. Снидер (Пеллегрини) высказал идею, что Северная и Южная Америка в прошлом составляли единое целое с Европой и Азией. Впоследствии они откололись и переместились относительно друг друга. В 1877 г. подобные идеи выдвинул русский любитель-астроном Е.В. Быханов.

В 1910 г. американский ученый И.Ф. Тейлор. Высказал идею, что причиной образования Альпийско-Гималайского складчатого пояса является столкновение континентов. Он считал, что передние края движущихся материков испытывали на своем пути сопротивление пород базальтового слоя. Вследствие этого они смыкались в складки. Так, вдоль переднего края Северной и Южной Америки образовалась система Кордильер и Анд. Вследствие надвигания Индостана на Азию возникли Гималаи. При движении Австралии на восток на ее переднем крае сформировались Ново-Гвинейские горы.

Рис. 3.??? Совмещение континентальных единиц, разобщённых при раскрытии Атлантического океана в позднем мезозое-кайнозое. По Э.Буларду и др. (1965).

Наиболее полно развил гипотезу дрейфа материков в 1912 г. немецкий геофизик Альфред Вегенер. Опираясь на сумму геологических и палеогеографических данных А. Вегенер обратил внимание на то, что на гипсографической кривой земного шара поверхность континентов и океанического дна представляется в качестве различных ступеней в рельефе Земли (рис. 3.???).

Это привело его к выводу об отсутствии гранитного слоя в составе океанической коры. Породы гранитного слоя имеют меньший удельный вес, чем породы базальтового слоя. Поэтому А. Вегенер, опираясь на гипотезу изостазии, предположил, что континенты, сложенные более легким гранитным материалом, плавают, словно айсберги, на подстилающих их более тяжелых породах базальтового слоя.

Рис. 3.?? Гипсографическая кривая земного шара Рис. 3. ??? Движение материков по гипотезе Вегенера: а – положение 300 млн. лет назад, б – положение 80 млн. лет назад, в – положение 1 млн. лет назад.

Согласно представлениям А. Вегенера вся поверхность Земли первоначально была покрыта сплошным тонким гранитным слоем. В палеозойскую эру весь гранитный материал собрался в один блок – образовался единый материк Пангея (греч. «пан» - единый, «ге» - земля), возвышавшийся над уровнем окружавшего его океана. На Пангею действуют приливные силы Луны и Солнца с востока на запад, центробежные силы – направлены от полюсов к экватору. В мезозое Пангея раскалывается на крупные глыбы – континенты, которые под действием этих сил стали отплывать друг от друга в широтном направлении. В промежутках между ними возникли Атлантический и Индийский океан, а Тихий океан рассматривается как остаток первичного океана.

Гипотеза А. Вегенера имела много противников и в 1930-е годы была предана забвению, так как ее считали слабообоснованной.

Фиксистские представления о развитии земно коры были естественны в те времена, когда данные наблюдений о структуре земной коры были известны и касались в основном континентов, а сведения об океаническом дне были скудны. Появление мобилистской концепции дрейфа континентов не смогли поколебать главенствующее положение учения о геосинклиналях (тектонически активных, складчатых поясах разделяющих платформенные области), как глобальной концепции в геотектонике, поскольку не авала приемлемого механизма дрейфа континентов. И лишь исследования строения океанического дна. Установление реологических свойств мантии и указывающие на дрейф континентов палеомагнитные и палеоклиматические условия привели к созданию неомобилизма или новой глобальной тектоники (тектоники плит).