parnachev_v_p_osnovy_geodinamicheskogo_analiza

2. История становления теории тектоники литосферных плит	21

воду сомнения, поскольку результаты измерения силы тяжести в океане не подтверждали этой точки зрения, а позволяли предполагать, что океаническая кора качественно отличается от континентальной.

В 1910 г. американский геолог Ф.Б. Тейлор пытался найти объяснение третичному диастрофизму с помощью гипотезы дрейфа континентов. Он высказал соображение, что в мелу большая часть материков концентрировалась на полюсах. В это время Земля приобрела спутника

– Луну, что привело к увеличению скорости вращения планеты, действию приливных сил, к потере Землёй сферической формы, трансгрессии океана и смещению больших масс суши от полярных районов к экватору. Автор считал, что континенты движутся по узкой зоне скалывания, ниже которой Земля является твёрдой.

Внутреннее строение Земли также оставалось загадкой вплоть до первой половины XX столетия. В 1909 г. А. Мохоровичич выявил разделение на кору и мантию (граница Мохо). Наличие у Земли жидкого ядра было установлено в результате исследований Е. Вихерта (1897), Р. Олдгема (1906) и Б. Гутенберга (1914), а существование твердого внутреннего ядра определено И. Леманом в 1936 г. Глубокофокусные землетрясения впервые были отмечены X. Тернером в 1922 г., а в 1935 г. К. Вадати показал, что в районе Японии их очаги приурочены к плоскости, наклоненной от Японского глубоководного желоба под Азиатский континент. В начале века (1940) Ван-Хайз ввёл понятие «астеносфера», а Дж. Баррел в 1914 г. на основе геодезических измерений выдвинул предположение о внешней твёрдой литосфере, покрывающей пластичную астеносферу. Изучая амплитуды объемных волн землетрясений, Б. Гутенберг в 1954 г. подтвердил вывод о том, что под литосферой находится слой с пониженной скоростью сейсмических волн и, следовательно, с пониженной жесткостью.

При характеристике основных положений тектоники плит пальма первенства в разработке концепции обычно отдавалась А. Вегенеру, который в 1912 г. обосновал гипотезу дрейфа континентов. Сущность гипотезы он изложил в докладах 6 и 10 января 1912 г. в Геологическом обществе Франкфурта-на-Майне и в дальнейшем совершенствовал её. В 1923 г. он писал, что материковые глыбы толщиной около 100 км плавают в массе иного состава и выступают из неё на 5 км, причём эта масса на дне океанов остаётся непокрытой. В окончательном виде эта гипотеза была опубликована в 1929 г. Под дрейфом континентов А. Вегенер понимал процесс раскола, перемещения и вращения коры

22	В.П. Парначёв. ОСНОВЫ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

некогда единого массива Пангея относительно её субстрата и смещение одних её частей относительно других. Общее движение континентальной коры направлено на запад, т.е. совершается вокруг оси, совпадающей с осью вращения. Движение на запад А. Вегенер связывал с притяжением Солнца и Луны. Признавалось также частичное перемещение коры к экватору, что объяснялось действием «полюсобежных» сил. В качестве аргументов обычно приводилось необычайное сходство очертаний береговых линий Америки и Африки по разные стороны Атлантического океана, одинаковое геологическое строение материков и общность древней флоры и фауны на смежных береговых участках. Он высказал предположение о существовании единого материка Пангеи. Для доказательства континентального дрейфа А. Вегенером были приведены геодезические, геофизические, геологические, палеонтологические, биологические и палеоклиматические аргументы:

1.По оледенениям и радиоактивному распаду А. Вегенер определил абсолютную продолжительность эоцена, олигоцена, миоцена, плиоцена, квартера и современного этапа и вычислил скорости движения отдельных участков земной коры – от 0,2 до 36 м/год.

2.Установил, что дно океана состоит из более плотного и тяжелого материала, а более мягкие континентальные глыбы плавают на поверхности более плотной оболочки. Опираясь на теорию изостазии, утверждавшей, что слой, подстилающий земную кору, обладает известной степенью текучести, предположил, что подвижность континентальных глыб должна проявляться не только в вертикальных, но и в горизонтальных движениях.

3.Обратил внимание на то, что многие складки и структурные зоны, возникшие до раскола континента, при их обратном совмещении соединяются и как бы продолжают друг друга (сходство в Южной Африке и Южной Америке ряда геологических формаций древних и молодых гранитов, юрских вулканических пород, кимберлитовых полей).

4.Отметил палеонтологические и биологические доказательства прошлой связи между ныне разобщенными материками (распространение глоссоптериевой флоры и рептилий на обширных территориях разъединенных южных материков.

5.По распространению тиллитов позднего докембрия, кембрия, девона, перми, плиоцена и квартера, а также залежей углей, соли и гипса пришел к убеждению, что «резкая смена климатов – в Европе от тропического до климата умеренных широт, а на Шпицбергене – от субтро-

2. История становления теории тектоники литосферных плит	23

пического до полярного, сразу наводит на мысль о смещении полюсов и экватора и вместе с ними всей зональной системы климатов». Неопровержимое подтверждение заключается в том, что «Южная Африка, расположенная на 80° южнее Европы и 110° южнее Шпицбергена..., покрытая в карбоне материковым льдом..., сегодня находится в субтропическом поясе».

После трагической гибели А. Вегенера в 1930 г. во льдах Гренландии, его смелая идея была предана забвению. Свою роль сыграло неверное объяснение автором механизма дрейфа континентов за счёт ротационных сил и приливных взаимодействий Луны с Землёй. Элементарные расчёты показали, что предлагаемые механизмы намного слабее тех сил, которые могли бы в действительности сместить материки.

Но оказывается, что еще в 1889 г. английский физик Альфред Дж. Фишер в труде «Физика земной коры» создал свою концепцию мобилизма. Он выявил на Земле структуры сжатия – Тихоокеанский пояс повышенной сейсмичности, и структуры растяжения – СрединноАтлантический хребет и Исландия. За основу геодинамической модели развития земной коры была принята картина движения лавовых корок в лавовом озере Килауэа на Гавайях. Он пришел к выводу, что:

1)океанская кора образуется за счет излияния базальтов из трещин в зонах растяжения в Исландии и осевом плато Атлантического океана, как тогда называли Срединно-Атлантический хребет;

2)по периферии Тихого океана существуют зоны сжатия, вдоль которых океаническое дно опускается под островные дуги и континентальные окраины. Этот поддвиг и приводит к землетрясениям вдоль Тихоокеанского подвижного кольца;

3)движущим механизмом, перемещающим блоки земной коры, являются конвективные движения подкорового вещества.

В 1926 г. Американская ассоциация геологов-нефтяников провела в Нью-Йорке симпозиум, посвященный дрейфу континентов. На нем был достигнут консенсус, объявляющий этот дрейф физически невозможным.

ВРоссии с критикой гипотезы выступили М.А. Усов, М.М. Тетяев, Н.С. Шатский, Л.С. Берг, А.Д. Архангельский, В.В. Белоусов.

Идеи о движении материков поддержал в 1922 г. российский учёный А.А. Борисяк. Указав на перспективность новой «смелой и красивой мысли Вегенера», А.Д. Тойт в своей книге «Наши блуждающие континенты» доказывал существование двух циркумполярных континентов – Лавразии и Гондваны. Он полагал, что древний океан, разделяющий эти

24	В.П. Парначёв. ОСНОВЫ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

континенты, первоначально был экваториальным, а Альпийско-Гималай- ский пояс сформировался при воссоединении Лавразии и Гондваны, после чего Тихий океан получил современную конфигурацию.

В1928 г. Артур Холмс из Эдинбургского университета указал, что дрейф континентов проще объяснить, если предположить, что в движение вовлечены не только континенты, но также вся кора и часть мантии. Движущий механизм реализуется при этом через тот или иной вид конвекции в твердом состоянии. В 1929 г. он писал, что «конвективные потоки поднимаются внутри мантии Земли, создавая огромные горные хребты в средней части бассейна Атлантического океана. Поднимающийся к поверхности поток расходится в обе стороны от хребта, отталкивая в разные стороны континенты и образуя Атлантический океан».

В1931 г. им была предложена концепция разрастания дна океана (спрединг).

Российский ученый А.Н. Криштофович (1937) доказывал существование в позднем палеозое таких же ботанико-географических зон, которые известны и в настоящее время, но которые занимали в то время иное географическое положение, что объясняется подвижностью земной коры «... в виде ли подвижности материков или движения полюсов или обоих вместе». Без признания этого, пишет он, «мы никак не можем объяснить явлений гондванского оледенения с центром близ тропиков и движения льдов через современный экватор в северное полушарие».

В30-х гг. обстоятельный обзор представлений о гипотезах континентального дрейфа выполнил Б.Л. Личков, что было изложено в его труде «Движение материков и климаты прошлого Земли» (1931). Он писал, что «наши знания о движении материков в сущности примитивны и мы еще не знаем всех слагаемых сложных действительных движений материков на протяжении геологических периодов». И здесь же «...материки непрерывно ползут по земной поверхности, унося с собой все, что на них находится, но сохраняя в основных чертах свои общие очертания». И ещё: «Климатические перемены на земном шаре довольно легко укладываются в схему передвижения материков и связанных с эти перемещений полюсов земной коры по отношению к земным полю-

сам» (Личков, 1931, с. 130).

Д. Григс в 1939 г. еще ближе подошел к главной идее тектоники плит, утверждая, что горные сооружения и сейсмические пояса, окаймляющие Тихий океан, создаются конвективными течениями, поднимающимися в центре бассейна и опускающимися на его окраине. «Та-

2. История становления теории тектоники литосферных плит	25

кая интерпретация, – писал он, – частично объясняет отсутствие континентальной коры в Тихоокеанском бассейне. Все сейсмологи согласны с тем, что фокусы глубоких землетрясений в Тихоокеанской кольцевой зоне попадают на плоскости, наклоненные под углом 45° к континентам. Возможно, что эти точки вызваны проскальзыванием вдоль поверхности конвективных потоков».

Для объяснения механизма перемещения континентов в этот период используются ротационные гипотезы (Д. Крейхгауэр, Г. Зимрот, В. Пикеринг, Дж. Дарвин, Б.Л. Личков и др.), гипотезы подкоровых течений (О. Ампферер, Дж. Джоули, А. Холмс, Ф. Венинг-Мейнес, Д. Григс, Э. Арган, Б. Гутенберг, А.Н. Заварицкий и др.), гипотезы радиоактивных циклов (Дж. Джоули), гипотеза расширения Земли (О. Хильгенберг, Б. Линдеман, М.М. Тетяев и др.), ундационная (волновая) гипотеза (Р.В. Ван Беммелен), радиомиграционная гипотеза (В.В. Белоусов), осцилляционная гипотеза (Э. Харман), астенолитная гипотеза (Б. и С. Виллисы), пульсационная гипотеза (А. Грэбо, М. Боголепов, М.А. Усов, В.А. Обручев) и др.

Однако лишь в конце 50-х – начале 60-х гг. прошлого века появились факты, подтвердившие не только существование дрейфа континентов, но и открывшие новое явление – раздвижение океанского дна.

Кэтим фактам относятся:

1.Палеомагнитные данные по позднему палеозою, которые показывают, что в это время существовал единый суперконтинент – Пангея, модель которой предложил еще А. Вегенер.

2.Открытие крупнейших подводных срединно-океанических хребтов (СОХ), по гребням которых располагаются глубокие трещины растяжения – рифтовые зоны, из которых изливались базальты.

3.Раскрытие одних океанов и закрытие других одновременно с движением континентов. Возраст дна всех океанов не превышает 100 – 150 млн лет.

На основе этих данных стала создаваться стройная концепция – теория тектоники литосферных плит. Тем не менее, еще до середины 1960-х гг. лишь немногие геологи признавали и использовали некоторые положения этих гипотез. Большинство исследователей считали предположения о дрейфе континентов и мантийной конвекции недоказанными, неправильными или ошибочными. Большинство геологов и геофизиков категорически отвергали дрейф континентов, а упомянутая выше статья о континентальном дрейфе и спрединге океанического дна до 1962 г. прак-

26	В.П. Парначёв. ОСНОВЫ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

тически не цитировалась в печати. В большинстве авторитетных учебников США в течение 1950-х гг. отношение к идее континентального дрейфа резюмировалось следующим образом: «Хотя эта теория является блестящим проявлением изобретательности, она не имеет существенных подтверждений». Высказывания «за» континентальный дрейф были столь же непопулярны, как высказывания «против» него сегодня.

После обстоятельной критики гипотеза А. Вегенера в широких кругах геологической общественности получила почти полное забвение. В

СССР возможность проявления в земной коре крупных горизонтальных перемещений также стала оспариваться, а складчатость объяснялась вертикальными колебательными движениями. По согласованному мнению многих участников прошедшей в 1951 г. дискуссии, было признано, что «основными и наиболее универсальными тектоническими движениями земной коры являются вертикальные (колебательные) её движения» и что «большие горизонтальные перемещения материков в свете идей А.Вегенера заведомо не существовали»

Вместе с тем, с начала нашего века накапливались инструментальные данные о горизонтальных подвижках в земной коре и их количественном превосходстве над вертикальными. В Калифорнии по разлому Сан-Андреас выявлено горизонтальное смещение за период с 1851 по 1907 г. на 3 м, а по вертикали от 0,0 до 0,3 м. В Японии в районе г. Кванто после нескольких землетрясений 1923 – 1930 гг. обнаружены горизонтальные подвижки до 4 м при вертикальном поднятии до 1,9 м и опускании до 0,7 м. По поверхности Вахшского надвига (Таджикистан) блоки смещаются со скоростью от 0,9 до 2 см/год. В Африканской рифтовой зоне скорость раздвига достигает 2 см/год, а скорость расширения Калифорнийского залива составляет 5,6 см/год. По определению П.Н. Кропоткина (1980) геодезия принесла несомненные доказательства горизонтальных перемещений блоков континентальной коры со скоростями 0,5 – 8,0 см/год.

В 1950 – 1970 гг. на континентах установлены признаки покровнонадвиговых структур с крупномасштабными горизонтальными перемещениями. По данным П. Фалло (1955), Северные Известняковые Альпы переместились в северном направлении более чем на 250 км. На Южном Урале амплитуда Зилаирского и Тирлянского покровов по М.А. Камалетдинову (1970, 1974) оценивается в 50 – 100 км. Амплитуда Томского надвига, установленного на границе Кузнецкого прогиба и Колы- вань-Томской складчатой зоны, варьирует от 8 до 30 км.

2. История становления теории тектоники литосферных плит	27

Новую трактовку получают офиолитовые комплексы. В Югославии, на Кавказе, Южном Урале и в других местах площадные выходы меланократовых пород с серпентинитами объясняются широким развитием тектонических покровов. Серия параллельных даек, содержащихся в таких покровах и известная под названием «дайка в дайке», рассматривается как существование зон раздвига земной коры. На Кипре на расстоянии в 100 км насчитано около 48 000 таких вертикальных параллельных даек.

Получают развитие идеи о пластическом течении вещества земной коры (Рамберг, 1957−1970; Клоос, 1958; Пейве, 1967 и др.). Изучение структур течения и хрупких деформаций при латеральных перемещениях позволило выявить тектоническую расслоенность земной коры. А.В. Пейве (1967) пришёл к заключению, что в процессе разрывноглыбового течения горных масс происходит их тектоническое расслаивание с дифференциальным горизонтальным течением, охватывающим всю земную кору и, вероятно, верхнюю мантию вплоть до астеносферы.

Важнейшую роль в развитии мобилизма сыграли геофизические исследования (сейсмика, изучение землетрясений, палеомагнитные и др.), раскрывшие физическую сущность многих морфоструктурных и кинематических явлений и процессов в тектоносфере Земли.

Данные о скоростях прохождения продольных волн позволили предложить модель трёхслойного, затем четырёхслойного и, наконец, пятислойного строения земной коры. Было показано, что многие субгоризонтальные отражающие границы в пределах земной коры подходят к земной поверхности в виде разломов с более крутыми углами (до 45 – 80°). Было установлено, что в земной коре наряду с участками скачкообразного увеличения скорости продольных сейсмических волн выделяются горизонты с их скачкообразными уменьшениями, которые получили название волноводов. По площади волноводы распространены локально, но они отмечаются и в складчатых областях, и в древних и молодых платформах, и в рифтовых зонах. Глубина кровли волноводов изменяется от 5 – 8 до 25 км, а мощность колеблется от 2 до 30 км, причём наиболее мощные состоят из 2 – 3 слоёв. Такие же слои с пониженной скоростью имеются ниже поверхности Мохо на глубинах 70 – 200 и около 1000 км. Наличие таких волноводов может быть обусловлено частичным расплавом и размягчением вещества при перемещении его по поверхности субгоризонтальных сколов.

Выявленные в начале прошлого века прямая и обратная полярности магнитного поля Земли позволили в 60-е гг. разработать геомагнитную

28	В.П. Парначёв. ОСНОВЫ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

геохронологическую шкалу. При использовании радиоизотопного датирования было установлено, что палеомагнитные полярности разделяются по возрасту на группы и что за последние 4 млн лет эти интервалы полярности изменялись по длительности от 20 до 700 тыс. лет. На основе палеомагнитных данных построены кривые миграции магнитных полюсов, свидетельствующие о существенных перемещениях континентов в фанерозое.

Р. Мэзоном и В. Васкье в 1959 г. в северо-восточной части Тихого океана были выявлены латеральные смещения магнитных аномалий. Вдоль субширотного разлома Меррей северная часть аномального поля оказалась смещенной к востоку на 680 км (правый сдвиг); по разлому Мендосино – на 1140 км (левый сдвиг) и по разлому Пайонир-Ридж – на 260 км (левый сдвиг). По данным Б. Хизена и др., в Атлантическом океане сходный разлом Чейн смещает Срединно-Атлантический хребет на 320 км, а разлом Романш – на 860 км. Подобные структуры известны

ив Индийском, и в Северном Ледовитом океанах.

В1963 г. учёные Кембриджского университета Ф. Вайн и Д. Мэтьюз установили, что полосовые магнитные аномалии вызваны различными направлениями намагничивания. Аномалии имеют ширину 20 – 30 км, длину в несколько сотен километров и амплитуду в несколько сотен гамм. Ширина каждой магнитной полосы на океаническом дне пропорциональна продолжительности соответствующей эпохи нормальной или обратной полярности. Было высказано предположение о «растекании морского дна»

М. Хиллом (1957) и Дж. Уайтом (1963) на основе геофизических данных был определен разрез океанической коры. Сверху вниз были выделены четыре «слоя». Первый слой – неконсолидированные осадки со скоростью продольных сейсмических волн до 2 км/с. Второй слой – интрузивные и вулканические породы, переслаивающиеся с консолидированными осадочными образованиями и отличающиеся скоростями сейсмических волн от 4 до 6 км/с. Третий слой расположен ниже уровня моря на 6 – 8 км и имеет скорость сейсмических волн около 7,3 км/с. Четвёртый слой характеризует верхнюю мантию и имеет скорость сейсмических волн 8,1 ± 0,3 км/с.

С августа 1968 г. началось изучение разреза океанической коры драгированием и бурением скважин Консорциумом ведущих океанологических организаций США со специализированного корабля «Гломар Челленджер» (слово «сhallenger» означает «тот, кто бросает вызов», а

2. История становления теории тектоники литосферных плит	29

слово «glomar» образовано из двух слов: «global» и «marine» – всемирный и морской). По октябрь 1980 г. было пробурено 878 скважин в 532 различных районах морей и океанов с глубиной проникновения в породы дна до1741 метра. Скважины прошли отложения первого геофизического слоя, в котором обнаружились отложения глубоководных, мелководных и наземных фаций с многочисленными перерывами между ними и с мощностью от 1,0 до 1,5 км. Определены юрский, меловой и кайнозойский возрасты базальных отложений. Второй слой представлен базальтами, содержащими прослои осадочных отложений общей мощностью до 2 км. В составе третьего слоя по данным драгирования преобладают базиты и ультрамафиты, отвечающие по геофизическим характеристикам породам основания коры и кровли верхней мантии. В базальтовом слое кроме толеитовых были обнаружены и щелочные оливиновые базальты. Возраст базальтовых и осадочных слоёв во всех океанах оказался не древнее 200 – 230 млн лет.

Глобальное значение срединно-океанических хребтов (СОХ) стало понятно после работ М. Эвинга, Б. Хизена (1960) и установления профессором Принстонского университета Г. Хессом, а также Ф. Вайном, Д. Матьюзом и К. Ле Пишоном в 1962 – 1968 гг. того, что оси СОХ представляют собой конструктивные границы крупных плит. Это послужило ключом к построению глобальных тектонических моделей эволюции Земли. В начале 70-х гг. Дж. Канном, М. Лагнсетом, К. Ле Пишоном и М. Эвингом были разработаны модели петрологического развития и тепловой эволюции океанической коры и литосферы.

Особенно большой вклад в становление теории внесли геофизики и геологи, занимавшиеся изучением строения океанического дна.

В1961 – 1962 гг. американские ученые Г. Хесс и геофизик Роберт Дитц с использованием новых материалов повторили основные выводы А.Дж. Фишера об образовании океанской коры в СОХ, о молодости и расширении океанического дна, о его погружении в мантию в зонах глубоководных желобов. Они высказали предположение о конвеерообразном движении мантийного вещества – его подъёме в средин- но-океанических хребтах и опускании в глубоководных желобах. Р.Дитцем (1961) был предложен термин «спрединг морского дна», концепция которого позднее была сформулирована Г. Хессом (1962−1966)

иразвита в работах К. Ле Пишона (1968).

В1963 г. английские геофизики Ф. Вайн и Д. Мэтьюз предположили, что полосчатые магнитные аномалии на океанском дне представля-

30	В.П. Парначёв. ОСНОВЫ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

ют собой запись инверсий магнитного поля Земли в базальтах и на основании интерпретации этих аномалий обосновали процесс «растекания морского дна».

В1965 г. профессор университета Торонто Дж. Тюзо Уилсон (университет Торонто) впервые установил, что наиболее молодые вулканиты находятся вблизи СОХ и постепенно удревняются при удалении от них. Он обратил внимание на то, что жесткая литосфера разбита на ряд плит, оконтуренных тремя типами границ: рифтовыми зонами, зонами поддвига плит и трансформными разломами.

В1967 – 1968 гг. проф. Дж.Т. Уилсон, проф. В. Джасон Морган (Принстонский университет), Д.Маккензи (Кембриджский университет), К. Ле Пишон (Парижский, Колумбийский университеты) предложили новую геодинамическую концепцию – новую глобальную тектонику, или тектонику плит. Она была сформулирована В.Д. Морганом в выступлении на ежегодной конференции Американского геофизического союза в Вашингтоне в апреле 1967 г. В 1968 г. этот автор писал «…предполагается, что поверхность Земли состоит из нескольких жёстких коровых блоков и что каждый блок ограничен поднятиями, … желобами и крупными разломами». В этот же год К. Ле Пишон предположил горизонтальное перемещение плит на тысячи километров.

В 1968 г. американские и французские геофизики Дж. Херцлер и К. Ле Пишон теоретически рассчитали возраст океанского дна – он закономерно увеличивается по мере удаления от хребтов, и оно образовалось сравнительно недавно – 100 – 150 млн лет.

В1968 г. американец В.Д. Морган и француз К. Ле Пишон выделили наиболее крупные литосферные плиты и рассчитали параметры их движения по поверхности Земли. Основы нового подхода к осмыслению эволюции поверхности Земли через пару «океан – континент» были заложены в трудах Дж.Т. Уилсона в 1969 г. Изучая развитие Северной Атлантики, этот ученый один из первых высказал мысль о неоднократном раскрытии и закрытии океанической впадины. В 1974 г. по предложению Д. Дьюи и К. Берка вся цепочка геологических событий от заложения океана до его закрытия получила название цикла Уилсона.

В1968 г. К. Ле Пишон высказал мнение, что тектоника плит обеспечивает разработку согласованной глобальной кинематической картины

ирассмотрел это на примере кайнозойской эволюции Земли. Совместно с В.Д. Морганом (1968) была сформулирована сущность самой гипотезы тектоники литосферных плит, которая сводится к следующему: