Эволюция Земли и земной коры

Еще в семнадцатом веке удивительное совпадение контуров береговых линий Южной Америки и Африки наводило ученых на мысль о непостоянстве современного местонахождения материков. Первая гипотеза об их горизонтальном перемещении была выдвинута Российским учителем Е.В.Быхановым в 1877 году. Процесс горообразования и перемещения материков он связывал с замедлением скорости вращения Земли. В 1912 году с гипотезой о горизонтальном перемещении гранитных материков по базальтовому субстрату выступил немецкий геофизик и метеоролог А.Вегенер. Однако отсутствие внятных объяснений того, как движение твердой континентальной коры может осуществляться по кристаллической коре океанов, а также отсутствие видимых источников энергии, необходимых для движения континентов вызывали сомнение в возможности такого явления. Новую жизнь гипотеза дрейфа материков получила в 60-х годах в связи с открытием планетарной системы рифтов в Мировом океане и обоснованием тепловой конвекции вещества в мантии, которая могла стать источником колоссальной энергии. В кратком изложении теория тектоники плит заключается в следующем.

Земная кора состоит из 7 крупных плит и 6-8 более мелких (микроконтинентов) разделенных сейсмически активными поясами, в которых происходит до 95% всех землетрясений и большинство извержений вулканов. К крупнейшим относятся плиты Евразии, Африки, Северной Америки, Южной Америки, Тихого океана, Индо-Австралии и Антарктиды. Плиты представляют собой громадные фрагменты земной коры - океанической или океанической и континентальной (под материками). Они движутся от срединно-океанических хребтов, где в рифтовых зонах выдавливаются на поверхность породы верхней мантии, а в результате их остывания формируется земная кора океанического типа. Этот процесс получил название спрединга (рис.1.2).

Скорость спрединга изменяется от 2-4 в Атлантическом и Индийском океанах, до 8-10 см в год в Тихом океане (в отдельные периоды геологической истории скорость спрединга увеличивалась до 18-21 см в год). Величина скорости спрединга зависит от интенсивности растяжения земной коры и поступления мантийного вещества к рифтовым зонам, где земная кора разрывается и через эти разломы происходит выдавливание магмы, образующей лавовые покровы на океаническом дне. Этот процесс идет импульсами и когда к поверхности поднимается новая порция расплава разлом оказывается прочно запечатан уже остывшей горной породой, что приводит к новому разрыву и раздвиганию дна океана массами вязкой быстро остывающей магмы.

Общая протяженность системы срединно-океанических хребтов составляет 80000 км, а средняя ширина около 2500 км. На суше зарождающиеся зоны спрединга представлены рифтовыми долинами (оз. Байкал, Мертвое море). Одной из немногих областей выхода действующего рифта (Срединно-атлантического хребта) на дневную поверхность является остров Исландия в северной Атлантике. Половина острова движется с Евразийской плитой на восток, а другая, с Североамериканской, на запад. Разрастание коры составило 400 км за 14 млн лет.

Рис. 1.2. Размещение зон субдукции (1) и зон спрединга (2) на поверхности Земли

Континентальная кора распространена не только в пределах собственно континентов, но и в пределах шельфовых зон континентальных окраин, а также в виде отдельных микроконтинентов внутри океанских бассейнов. Общая площадь континентальной коры меньше, чем океанской, и составляет 41% земной поверхности. Средняя мощность континентальной коры 30-35 км. Она уменьшается к окраинам континентов и в пределах микроконтинентов, а под горными сооружениями возрастает до 70—75 км.

Процесс рождения новой земной коры в зонах спрединга уравновешивается ее сокращением на противоположных флангах плит в зонах субдукции (рис.1.3). Здесь происходит столкновение литосферных плит и погружение более тяжелых в мантию, на глубины 500-700 км, их переплавление и возвращение содержащейся в них воды в Мировой океан. Погружение жестких плит в зонах субдукции приводит к формированию над ними системы глубоководных желобов и окаймляющих их островных дуг с активной вулканической деятельностью. Классическим примером этого является Марианская впадина и Японские острова.

Следует подчеркнуть, что в зоне субдукции в верхнюю мантию затягивается, в основном, океаническая (базальтовая) кора. Континентальная (преимущественно гранитная) кора и тем более слой осадков, обладая значительно меньшим удельным весом, не могут полностью погрузится в мантию в силу большей «плавучести». Они «обдираются» о материковый выступ, сминаются в складки, уплотняются, накапливаясь на окраинах материков в виде складчатых массивов и грандиозных горных сооружений (Гималаи, Анды).

Рис. 1.3. Строение литосферы и тектоника плит

В процессе погружения литосферные плиты постепенно теряют легкие компоненты (растворы, газы), происходит выплавление менее плотных андезитов, базальтов и кислых магм (граниты, гранодиориты). Вследствие этого, вблизи границы континентальной плиты развивается вулканизм и формируется островная дуга (Курильская гряда, Алеутские и Японские острова). В результате горные породы, слагающие островные дуги и горные сооружения на окраинах материков, возникающие в результате субдукции, осложнены многочисленными разрывными нарушениями, интрузивными и эффузивными телами, а опускающиеся литосферные плиты постепенно изменяют свой химический состав (теряя SiO₂, Al₂O₃, щелочи) и к глубинам 100-180 км приобретают высокую плотность, опускаясь в нижнюю мантию, в качестве более тяжелого тела.

Таким образом, теория тектоники плит состоит в том, что земная кора и спаянная с ней часть верхней мантии разбита на отдельные сегменты толщиной 70-100 км (литосферные плиты), которые перемещаются по поверхности полурасплавленной астеносферы. В зависимости от характера перемещения плит границы между ними могут быть: 1) дивергентными (границы растяжения) когда плиты расходятся от срединно-океанических хребтов; 2) конвергентными (границы сжатия), когда плиты сталкиваются или заходят одна под другую, что наблюдается в зонах субдукции; 3) трансформными в тех случаях, когда плиты скользят относительно друг друга. Поскольку практически вся тектоническая активность сосредоточена вдоль этих границ, очаги землетрясений и вулканизма позволяют определить геометрию литосферных плит.

Как уже отмечалось, столкновение плит приводит к формированию на активных окраинах континентов (со стороны зоны субдукции) горных систем и цепей (Гималаи, Анды и др.). Каждая эпоха горообразования (орогенеза) сопровождается приращением земной коры материкового типа и соответственно сокращением площади, занятой земной корой океанического типа. В результате одни плиты увеличивается, другие уменьшаются, а почти вся тектоническая и вулканическая активность сосредоточена вдоль их границ.

Объективность этих процессов, кроме непосредственного определения современной скорости смещения континентов подтверждена многими фактами из самых различных областей знаний. Например, из палеонтологии (наличие останков теплолюбивых живых организмов в отложениях высоких широт, где никогда не было тропического климата), палеомагнетизма (в толщах одновозрастных горных пород с различных континентов неодинакова ориентация магнитных минералов, фиксирующаяся в момент кристаллизации), стратиграфии (отсутствие на дне Мирового океана отложений старше 180 млн лет в то время как на континентах возраст пород достигает 3,5-4 млрд лет), региональной геологии и многих других.

Тем не менее, до недавнего времени оставался неясным механизм, регулирующий и приводящий плиты в движение. Современные теории энергетики дрейфа литосферных плит, существенный вклад в разработку которых внесли работы российских ученых – геофизика В.Трубицина и математика В.Рыкова заключаются в следующем.

Благодаря высокой температуре ядра из нижней части мантии к поверхности Земли постоянно, со скоростью около 5 см в год идут мощные масстепловые потоки - плюмы. Достигнув жесткой земной коры, тепловые потоки растекаются в стороны, охлаждаются и в других районах (как правило зонах субдукции) погружаются вниз, но их теплоотдача на поверхности проявляется неравномерно. Большая часть тепла Земли выделяется под океанами в зонах спрединга. Через более толстую континентальную литосферу выходит энергии в три раза меньше. Поэтому континенты, находящиеся на плюме постепенно нагреваются, поднимаются и разламываются (начало рифтогенеза) или начинают скользить по астеносфере в сторону нисходящих потоков, где останавливаются и не затягиваются в мантию благодаря значительно меньшему удельному весу.

В связи с тем, что материков на Земле много и их размеры не одинаковы общее взаимодействие оказывается значительно сложнее. Более мощный нисходящий тепловой поток, удерживая один материк, подтягивает и другой, находящийся по соседству. В результате оба нисходящих потока сливаются в мощный водоворот, затягивающий остальные континенты, что приводит к формированию суперматерика. За всю историю Земли таких материков, предположительно, было восемь. Процесс их формирования занимает около 200-300 млн лет. Задерживая идущее из мантии тепло (как крышка на кастрюле) эта гигантская суша способствует прогреву мантийного вещества под ней и преобразованию нисходящего потока в восходящие. Эти потоки разрывают суперконтинет, заставляя его осколки дрейфовать в разные стороны.

Последний суперматерик южная часть, которого находилась в районе южного полюса, назван Пангея (предыдущий - Родиния существовал 800 млн. лет назад на месте Тихого океана). Первой от него, откололась Северная Америка (175 млн. лет назад). За ней (115 млн. лет назад) последовала Южная Америка. Далее настал черед Австралии и Индии. Причем, последняя, находясь у восточного побережья Южной Африки, пересекла древний океан Тетис, двигаясь в зону субдукции со скоростью до 30 см/год и несколько млн. лет назад столкнулась с Евразией, в результате чего стали подниматься Гималаи. Позднее всех, сползая с восходящей струи и вращаясь против часовой стрелки, двинулась на север Африка (ее южная часть до сих пор находится на восходящем плюме, в связи с чем она приподнята на 1000 м) и около 40 млн. лет назад столкнулась с Евразией. По линии их соприкосновения (зона субдукции) образовалась длинная горная гряда – от Пиренеев и Аппенин, до Карпат и Кавказа. В результате древний океан Тетис, плескавшийся вдоль современного положения южных границ России закрылся, а фрагменты его дна, возможно, сохранились в глубоководных частях котловин Каспийского, Черного и Средиземного морей.

Ролью мантийных потоков в трансформации земной коры объясняется и современное количество материков. Внутри мантии в настоящее время существует шесть крупных нисходящих потоков, и каждый континент уже занял свое место, или приближается к нему. Таким образом, материки являются своеобразными регуляторами теплового потока земных недр, заставляя литосферу все время меняться, влияя на рельеф, климат, уровень Мирового океана и видообразование в живом мире.