Движение континентов

Из книги «Современная геология». Н.А. Ясаманов. 

Длительное время в геологической науке господствовала гипотеза о неизменном положении континентов и океанов. Было принято считать, что те и другие возникли сотни миллионов лет назад и никогда не меняли своего положения. Лишь изредка, когда высота континентов существенно снижалась, а уровень Мирового океана повышался, море наступало на низменности и затапливало их.

Среди геологов утвердилось мнение, что земная кора испытывает только медленное вертикальное перемещение и благодаря этому создается наземный и подводный рельеф.

С мыслью, что «земная твердь» находится в беспрестанном вертикальном движении, за счет которого формируется рельеф Земли, абсолютное большинство геологов согласилось давно. Часто эти движения имеют большую амплитуду и скорость и приводят к крупным катастрофам, например землетрясениям. Однако имеются еще и очень медленные, не ощутимые даже самыми чувствительными приборами вертикальные движения с переменным знаком. Это так называемые колебательные движения. Только за очень продолжительный промежуток времени обнаруживается, что горные вершины выросли на несколько сантиметров, а речные долины углубились.

В конце XIX — начале XX в. некоторые естествоиспытатели усомнились в справедливости этих предположений и стали осторожно высказывать идеи о единстве материков в геологическом прошлом, в настоящее время разделенных обширными океанами. Эти ученые, как и многие люди прогрессивных взглядов, оказались в затруднительном положении, поскольку их предположение было бездоказательно. Действительно, если вертикальные колебания земной коры можно было объяснил, какими-то внутренними силами (например, воздействием тепла Земли), то перемещение громадных континентов по земной поверхности сложно было представить.

ГИПОТЕЗА ВЕГЕНЕРА

В начале XX в. большую популярность среди естествоиспытателей, благодаря трудам немецкого геофизика А. Вегенера, получила идея перемещения материков. Он провел многие годы в экспедициях и в ноябре 1930 г. (точная дата неизвестна) погиб на ледниках Гренландии. Научный мир был потрясен известием о гибели А. Вегенера, находившегося в расцвете творческих сил. К этому времени достигла зенита популярность его идеи о дрейфе материков. Многие геологи и геофизики, палеогеографы и биогеографы с интересом восприняли их, стали появляться талантливые работы, в которых развивались эти идеи.

А. Вегенеру пришла мысль о возможном перемещении материков, когда он внимательно рассматривал географическую карту мира. Его поразило удивительное сходство очертаний берегов Южной Америки и Африки. Позднее, А. Вегенер познакомился с палеонтологическими материалами, свидетельствующими о существовании некогда сухопутных связей между Бразилией и Африкой. В свою очередь, это послужило толчком к проведению более детального анализа имеющихся геологических и палеонтологических данных и привело к твердому убеждению о правильности его предположения.

Преодолеть господство хорошо разработанной концепции о неизменности положения материков, или гипотезы фиксизма, остроумным, по чисто умозрительным предположением мобилистов, основанным пока только па сходстве конфигураций противоположных берегов Атлантического океана, в первое время было сложно. А. Вегенер считал, что он сможет убедить всех своих оппонентов в справедливости дрейфа материков лишь тогда, когда будут собраны веские доказательства, основанные на обширном геологическом и палеонтологическом материалах.

Для подтверждения дрейфа материков А. Вегенер и его сторонники приводили четыре группы независимых доказательств: геоморфологические, геологические, палеонтологические и палеоклиматические. Итак, все началось с определенного сходства береговых линий материков, расположенных по обе стороны от Атлантического океана, менее четкое совпадение имеют очертания береговых линий материки, окружающие Индийский океан. А. Вегенер предположил, что около 250 млн. лет назад все материки были сгруппированы в единый гигантский суперматерик — Пангею. Этот суперматерик состоял из двух частей. На севере располагалась Лавразия, которая объединяла Евразию (без Индии) и Северную Америку, а на юге — Гондвана, представленная Южной Америкой, Африкой, Индостаном, Австралией и Антарктидой.

Реконструкция Пангеи была основана главным образом на геоморфологических данных. Они полностью подтверждаются сходством геологических разрезов отдельных материков и ареалами развития определенных типов животного и растительного царств. Вся древняя флора и фауна южных гондванских материков образует единое сообщество. Многие наземные и пресноводные позвоночные, а также мелководные беспозвоночные формы, не способные активно перемещаться на большие расстояния и жившие как будто бы на разных материках, оказались удивительно близкими и похожими друг на друга. Трудно представить, каким образом могла расселиться древняя флора, если бы материки были отдалены один от другого на такое же огромное расстояние как в настоящее время.

Убедительные доказательства в пользу существования Пангеи, Гондваны и Лавразии получены А. Вегенером после обобщения палеоклиматических данных. В то время уже было хорошо известно, что почти на всех южных материках обнаружены следы крупнейшего покровного оледенения, которое произошло около 280 млн. лет назад. Ледниковые образования в виде фрагментов древних морен (их называют тиллитами), остатков форм ледникового рельефа и следов движения ледника известны в Южной Америке (Бразилия, Аргентина), Южной Африке, Индии, Австралии и Антарктиде. Трудно представить, как при современном положении материков могло возникнуть оледенение почти одновременно в столь удаленных друг от друга районах. Кроме того, большинство из перечисленных районов оледенения располагаются и настоящее время в экваториальных широтах. 

Противники гипотезы дрейфа материков выставляли следующие аргументы. По их мнению, хотя все эти континенты в прошлом располагались в экваториальных и тропических широтах, они находились на значительно более высоком, чем в настоящее время, гипсометрическом положении, что обусловило появление в их пределах льда и снега. Ведь сейчас на горе Килиманджаро имеется многолетний снег и лед. Однако маловероятно, чтобы общая высота материков в то далекое время составляла 3500—4000 м. Для этого предположения нет никаких оснований, так как в этом случае материки подвергались бы интенсивному размыву и на их обрамлении должны были скопиться толщи грубообломочного материала, подобные накоплениям в конечных бассейнах стока горных рек. В действительности же на шельфе материков отлагались лишь тонкозернистые и хемогенные осадки.

Поэтому наиболее приемлемое объяснение этому уникальному явлению, т. е. нахождению в современной экваториальной и тропической областях Земли древних морен, состоит в том, что 260 — 280 млн. лет назад материк Гондвана, состоящий из собранных воедино Южной Америки, Индии, Африки, Австралии и Антарктиды, находился в высоких широтах, вблизи Южного географического полюса.

Противники гипотезы дрейфа не могли представить, каким образом материки перемещались на столь большие расстояния. А. Вегенер объяснял это на примере движения айсбергов, которое осуществлялось под влиянием центробежных сил, обусловленных вращением планеты.

Благодаря простоте и наглядности и, главное, убедительности приводимых в защиту гипотезы дрейфа материков фактов, она довольно быстро стала популярной. Однако вслед за успехом довольно скоро наступил кризис. Начало критическому отношению к гипотезе положили геофизики. Они получили большое число фактов и физических противоречий в цепи логических доказательств перемещения материков. Это им позволило доказывать неубедительность способа и причин дрейфа материков, и к началу 40-х годов эта гипотеза растеряла почти всех своих сторонников. К 50-м годам XX в. большинству геологов казалось, что гипотеза дрейфа материков должна быть окончательно оставлена и может рассматриваться лишь как один из исторических парадоксов науки, не получивших подтверждения и не выдержавший проверку временем.

                                   ТЕКТОНИКА ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ

Открытия первичной намагниченности, полюсов магнитных аномалий с переменным знаком, симметричных осям срединно-океанических хребтов, изменение положения магнитных полюсов со временем и целый ряд других открытий привели к возрождению гипотезы дрейфа материков.

Представление о расширении дна океанов от осей срединно-океанических хребтов к периферии получило многократное подтверждение, особенно после глубоководного бурения. Большой вклад в развитие идей мобилизма (дрейфа материков) внесли сейсмологи. Их исследования позволили уточнить картину распределения зон сейсмической активности на земной поверхности. Оказалось, что эти зоны довольно узкие, но протяженные. Они приурочены к окраинам материков, островным дугам, а также к срединно-океаническим хребтам.

Возрожденная гипотеза дрейфа материков получила название тектоники литосферных плит. Эти плиты медленно перемещаются по поверхности нашей планеты. Их толщина иногда достигает 100—120 км, но чаще составляет 80—90 км. Литосферных плит на Земле немного (рис. 1) — восемь крупных и около полутора десятков мелких. Последние часто называют микроплитами. Две крупные плиты расположены в пределах Тихого океана и представлены тонкой и легко проницаемой океанической корой. Антарктическая, Индо-Австралийская, Африканская, Северо-Американская, Южно-Американская и Евразийская литосферные плиты обладают корой континентального типа. Они имеют различные края (границы). В тех случаях, когда плиты расходятся, их края называют дивергентными. Поскольку они расходятся, в образующуюся трещину (рифтовую зону) поступает мантийное вещество. Оно застывает на поверхности дна и наращивает океаническую кору. Новые порции мантийного вещества расширяют рифтовую зону, что заставляет двигаться литосферные плиты. На месте их раздвига образуется океан, размеры которого все время увеличиваются. Этот тип границ фиксируется современными океаническими рифтовыми трещинами вдоль осей срединно-океанических хребтов.

Когда литосферные плиты сходятся, их границы носят название конвергентных. В зоне сближения происходят сложные процессы. Можно выделить два главных. В случае, когда океаническая плита сталкивается с другой океанической или континентальной, она погружается в мантию. Процесс этот сопровождается короблением и разламыванием. В зоне погружения возникают глубокофокусные землетрясения. Именно в этих местах располагаются зоны Заварицкого — Беньоффа.

Океаническая плита поступает в мантию и там частично переплавляется. При этом наиболее легкие ее компоненты, расплавляясь, вновь поднимаются на поверхность в виде вулканических извержений. Именно такую природу имеет Тихоокеанское огненное кольцо. Тяжелые компоненты медленно погружаются в мантию и могут опускаться вплоть до границ ядра.

В случае, когда сталкиваются две континентальные литосферные плиты, возникает эффект типа торошения.

Его мы многократно наблюдаем во время ледохода, при этом льдины сталкиваются и раздрабливаются, надвигаясь друг на  друга. Земная кора континентов значительно легче, чем мантия, поэтому плиты не погружаются в мантию. При столкновении они сжимаются и на их краях возникают крупные горные сооружения.

Многочисленные  и многолетние наблюдения позволили геофизикам установить средние скорости перемещения литосферных плит. В пределах Альпийско-Гималайского пояса сжатия, который образовался в результате столкновения Африканской и Индостанской плит с Евразийскои, скорости сближения составляют от 0,5 см/год в районе Гибралтара до 6 см/год в районах Памира и Гималаев.

В настоящее время Европа «отплывает» от Северной Америки со скоростью до 5 см/год. Однако Австралия «уходит» от Антарктиды с максимальной скоростью — в среднем 14 см/год.

Наиболее высокими скоростями перемещения обладают океанические литосферные плиты — их скорость в 3—7 раз выше скорости континентальных литосферных плит. Самой «быстрой» является Тихоокеанская плита, а самой «медленной» — Евразийская.

МЕХАНИЗМ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ

Сложно вообразить, что обширные и массивные материки могут медленно перемещаться. Еще труднее ответить на вопрос, почему они перемещаются? Земная кора представляет охлажденную и полностью раскристаллизованную массу. Снизу она подстилается частично расплавленной астеносферой. Легко предположить, что литосферные плиты возникли при остывании частично расплавленного вещества астеносферы аналогично процессу образования льда в водоемах в зимний период. Однако разница заключается в том, что лед легче воды, а раскристаллизованные силикаты литосферы тяжелее своего расплава.

Каким же образом формируются океанические литосферные плиты?

В пространство между ними поднимается горячее и частично расплавленное вещество астеносферы, которое, попадая на поверхность океанического дна, охлаждается и, кристаллизуясь, превращается в породы литосферы. Образовавшиеся ранее участки литосферы как бы «промерзают» еще сильнее и раскалываются трещинами. Новая порция горячего вещества поступает в эти трещины и, застывая, увеличиваясь в объеме, раздвигает их. Процесс многократно повторяется.

Породы литосферы тяжелее подстилающего горячего вещества астеносферы и, следовательно, чем она толще, тем глубже опускается, или проседает, в мантию. Почему же литосферные плиты, если они тяжелее вещества расплавленной мантии, не тонут в ней? Ответ довольно прост. Они не тонут потому, что к тяжелой мантийной части континентальных плит сверху «припаяна» легкая земная кора, выполняющая роль поплавка. Поэтому средняя плотность пород континентальных плит всегда меньше средней плотности горячего вещества мантии.

Океанические же плиты тяжелее мантии, и поэтому они рано или поздно погружаются в мантию и тонут под более легкими континентальными плитами.

Довольно длительное время океаническая литосфера, подобно гигантским «расплющенным блюдцам», удерживается на поверхности. В соответствии с законом Архимеда масса вытесненной из-под них астеносферы равна массе самих плит и заполняющих литосферные понижения воды. Возникает существующая длительное время плавучесть. Однако долго так продолжаться не может. Целостность «блюдца» временами нарушается в местах возникновения избыточных напряжений, причем они тем сильнее,чем глубже погружаются плиты в мантию, а следовательно, чем они древнее. Вероятно, в литосферных плитах, имевших возраст древнее 150 млн. лет, возникали напряжения, намного превышающие предел прочности самой литосферы, они раскалывались и погружались в горячую мантию.

В течение позднеюрского и мелового времени осуществлялось перемещение континентов в широтном направлении. Возникли Лабрадорское море и Бискайский залив, Индостан и Мадагаскар отделились от Африки. Между Африкой и Мадагаскаром появился пролив. Длительное путешествие Индостанской плиты завершилось в конце палеогена столкновением с Азией. Здесь и образовались гигантские горные сооружения — Гималаи.

Океан Тетис начинал последовательно сокращаться и замыкаться, главным образом за счет сближения Африки и Евразии. На его северной окраине возникала цепь  вулканических  островных дуг. Аналогичный вулкапический пояс сформировался и на восточной окраине Азии. В конце мелового периода Северная Америка и Евразия соединились в районе Чукотки и Аляски.

В течение кайнозоя полностью замкнулся океан Тетис, реликтом которого сейчас является Средиземное море. Столкновение Африки с Европой привело к образованию Альпийско-Кавказской горной системы. Континенты начали постепенно сходиться в северном полушарии и  расходиться в стороны в южном, распадаясь на отдельные изолированные блоки и массивы.

Сравнивая положения континентов в отдельные геологические периоды, мы приходим к мысли, что в развитии Земли существовали крупные циклы, на протяжении которых материки то сходились воедино, то расходились в разные стороны. Продолжительность каждого такого цикла составляет не менее 600 млн. лет. Есть основания считать, что образование Пангеи и ее распад не были единичными моментами в истории нашей планеты. Подобный супергигантский материк возник и в глубокой древности примерно 1 млрд. лет назад.