парначев

определить возраст их коры, а также гравитационные аномалии, по которым рассчитывается ее плотность (см. раздел 3.6). Если какаято составляющая в сегодня измеренном геофизическом поле имеет ретроспективный характер, то весь вопрос состоит в том, хватает ли аппаратурных возможностей, чтобы ее зарегистри-ровать (как было показано на примере линейных магнитных ано-малий над “несостоявшимися океанами”, ретроспективный сигнал в суммарном поле может быть очень слабым), а также хватает ли интерпретационных возможностей (алгоритмических и компьютерных), чтобы слабый ретроспективный сигнал выделить на фоне интенсивных аномалий-помех. Как правило, для поиска ретроспективных составляющих в сложных геофизических полях применяется целый арсенал методов их трансформации и количественной интерпретации (см. рис. 5.2.3).

Если же ретроспективные составляющие в современном геофизическом поле отсутствуют, т.е. поле неконсервативно, оно тем не менее может быть использовано для палеогеодинамического анализа. В этом случае применяется косвенный подход к интерпретации геофизического поля: его аномалии рассматриваются как функция возраста и физико-механического состояния литосферы, несущей источники аномалий. Моделируется эволюция литосферы и связанных с ней геофизических полей, после чего параметрические (модельные) поля сопоставляются с реальными (наблюденными).

Сочетание двух изложенных подходов, прямого и косвенного, делает анализ геофизических полей универсальным средством реконструкции древних геодинамических обстановок. На завершающих этапах анализа результаты обоих подходов сопоставляются, исходная гипотеза о генезисе и развитии литосферы региона корректируется и вновь проходит проверку экспериментальными данными и теоретическими расчетами. При условии достаточно полной и качественной геофизической изученности региона всегда имеется принципиальная возможность чисто дедуктивным путем создать его геодинамическую модель, т.е. понять, когда, как и сколько времени эволюционировала его литосфера. Такая модель в дальнейшем может проверяться прямыми геологическими наблюдениями, а также сама направлять геологическое изучение региона.

Применение геофизических данных для палеогеодинамического анализа имеет естественные смысловые ограничения.

281

Во-первых, как любой дедуктивный метод, геофизический анализ не может установить причину явления, а лишь способен отбраковать несостоятельные причины. Используя геофизические индикаторы, можно строго опровергнуть ту или иную гипотезу о генезисе и эволюции литосферы изучаемого региона, показав ее физическую несостоятельность и несогласованность. Но в принципе невозможно доказать, что предложенная исходная гипотеза – единственно верная, даже если она прошла количественную проверку и на выходе получена согласованная геодинамическая модель региона (см. рис. 5.2.3). Ведь вполне вероятно, что существуют другие гипотезы, помимо тестированной нами, которые проходят проверку не хуже, но до которых мы просто не додумались в силу ограниченности наших знания и воображения.

Во-вторых, в силу абстрактности любых геофизических построений геологические индикаторы, конечно, более однозначно и достоверно реконструируют древние геодинамические обстановки. Однако подавляющее большинство объектов и процессов, принципиально важных для понимания геодинамической эволюции Земли, недоступно или ограниченно доступно для непосредственного геологического изучения. Именно для познания этих процессов и используются в основном геофизические индикаторы, причем их применение эффективно лишь в комплексе с традиционными геологическими индикаторами геодинамических обстановок.

5.3. Методы палеогеодинамических реконструкций

Для выполнения палеогеодинамических реконструкций необходимо не только расшифровать следы древних геодинамических обстановок, используя их геологические и геофизические индикаторы, о которых шла речь в разделе 5.2, но и понять пространственное соотношение континентов и океанов в геологическом прошлом. На современной Земле можно наблюдать лишь “мгновенный снимок” ее истории, длящейся миллиарды лет. Например, в любом современном или древнем складчатом поясе совмещены индикаторы почти всех геодинамических обстановок цикла Вилсона: следы континентального рифтинга (раскол континента и

282

начало раскрытия океана), офиолиты (реликты коры обширных океанов или их окраинных морей, разобщавших континенты и островные дуги), краевые прогибы (реликты пассивных окраин), андезитовые и гранитоидные пояса (свидетельства субдукции и коллизии). Принципиально важно, что все перечисленные геодинамические обстановки, следы которых ныне совмещены в едином складчатом поясе, имели место в разное время и в различных местах. Поэтому для выполнения полноценных палеогеодинамических реконструкций необходимо привлекать методы анализа движений литосферных плит в геологическом прошлом.

Техника описания таких движений ничем не отличается от методов анализа кинематики современных литосферных плит, описанных в разделе 2.4. Если известны положения какой-либо литосферной плиты в последовательные моменты времени t1 и t2, то несложно подобрать полюс Эйлера, конечным вращением вокруг которого плита переводится из положения, которое она занимала на земной сфере в момент времени t1, в положение, которое она заняла в момент t2. Не составляет труда также определить угловую скорость этого вращения ω, а затем рассчитать линейные скорости движения Vi любой точки жесткой литосферной плиты.

Таким образом, основная проблема палеогеодинамических реконструкций состоит в установлении положения континентов на поверхности Земли в геологическом прошлом, что автоматически дает конфигурацию и размеры древних океанов, разобщавших эти континенты. Однако, для того чтобы решить эту задачу, положение континентов должно быть определено в абсолютной системе координат. Основные методы палеогеодинамических реконструкций описываются ниже.

Наиболее строгий и точный метод реконструкции древнего положения континентов – палеомагнитный. Его физическую основу составляет способность горных пород, содержащих ферромагнитные минералы, сохранять неизменным направление вектора остаточной намагниченности с момента ее приобретения, как правило, совпадающего с моментом образования породы (см. раздел 1.5).

Палеомагнитные данные используются для палеогеодинамических реконструкций двояко.

Первый способ состоит в геоисторической интерпретации

283

океанских линейных магнитных аномалий. Последние, как было показано в разделе 3.4, являются изохронами, т.е. представляют собой как бы “годовые кольца” на океанском дне и несут информацию о его возрасте. Последовательно “вырезая” участки наиболее молодого дна, мы тем самым сдвигаем разобщенные океаном континенты и получаем представление об их взаимном расположении в геологическом прошлом.

40 ìëí ëåò 16 (эоцен)

16

80 млн лет (кампан)

33

33

Рис. 5.3.1. Реконструкция раскрытия Южной Атлантики по данным интерпретации линейных магнитных аномалий (проекция с центром 0° с.ш., 25° з.д.).

За условно неподвижную плиту принята Антарктическая.

130 млн лет (готерив)

Ì3

Ì3

На рис. 5.3.1 такая процедура показана для южной части Атлантического океана. Первые две реконструкции демонстрируют взаимное расположение Африки и Южной Америки в эпохи аномалий 16 (40 млн лет) и 33 (80 млн лет) кайнозойской последо-

284

вательности (см. аномалийную шкалу на рис. 3.4.3). В каждую эпоху соответствующая линейная магнитная аномалия была осевой, т.е. располагалась над рифтовой зоной Срединно-Атлантичес- кого хребта, а более молодая кора Южной Атлантики еще не сформировалась. На третьей реконструкции показано расположение Африки и Южной Америки до начала раскрытия между ними океана: совмещение в этом случае выполнено по аномалии М3 с возрастом 130 млн лет мезозойской последовательности, которая является краевой (наиболее древней) линейной магнитной аномалией в современной Южной Атлантике.

На наиболее ранней реконструкции рис. 5.3.1, помимо прочего, видно удивительно четкое совпадение очертаний береговых линий Африки и Южной Америки – тот факт, на который ученые обратили внимание еще в конце XVI – начале XVII века, задолго до рождения тектоники плит (см. раздел 2.1). Факт сходства краев континентов, впоследствии разобщенных рифтингом и спредингом, используется как вспомогательный метод и в современных палеогеодинамических реконструкциях; он получил название

метода наилучших совмещений (англ. best fit). Правда, его можно применить только для реконструкции дорифтового расположения континентов с пассивными окраинами и лишь в том случае, если эти окраины не подверглись существенной деформации на стадии начального раскола (рифтинга). Кроме того, начиная с работ Э. Булларда, впервые применившего метод наилучших совмещений уже на этапе становления мобилизма, выполняется компьютерное совмещение не самих береговых линий континентов, а подножий или перегибов континентальных склонов на их пассивных окраинах (глубины океана 1000 – 2000 м), где проходит контакт континентальной и океанской коры. Такой подход является более строгим и обычно дает лучшие результаты, чем совмещение береговых линий.

Простой и в то же время достаточно надежный и точный метод реконструкции взаимного расположения континентов на основе геоисторической интерпретации линейных магнитных аномалий, разобщающих континенты океанов, в комплексе с методом наилучших совмещений пассивных континентальных окраин имеет два существенных ограничения. Во-первых, он позволяет реконструировать лишь перемещения континентов по

285

отношению друг к другу, к другому континенту или к общей межплитовой границе, т.е. их относительные движения (см. раздел 2.4), но никак не абсолютное положение континентов относительно географических координат. Например, реконструкция взаимных перемещений Африки и Южной Америки на рис. 5.3.1 выполнена по отношению к условно неподвижной Антарктиде. Во-вторых, метод применим только для современных океанов, возраст коры которых не превышает 160 – 180 млн лет, следовательно, взаимное расположение континентов может быть определено данным методом только для этого временного интервала.

Однако существует еще один метод палеомагнитных реконструкций, также использующий отпечатки древнего геомагнитного поля в горных породах, но уже на континентах, где возраст этих пород значительно превышает возраст коры современных океанов. Данный метод состоит в анализе дрейфа континентов по кривым кажущейся миграции древних геомагнитных полюсов.

В соответствии с принципом центрального осевого диполя, аппроксимирующего главное магнитное поле Земли (см. раздел 1.5), направление вектора остаточной намагниченности Jr (его склонение D и наклонение I ) позволяет установить положение древнего геомагнитного полюса (Φ, Λ) в современных географических координатах, а также древнюю геомагнитную широту ϕm местности, где выполнены палеомагнитные измерения. Геомагнитную широту допустимо отождествлять с географической, поскольку осредненное положение геомагнитных полюсов в геологическом прошлом соответствовало положению географических полюсов, а ось центрального диполя – оси вращения Земли.

Следовательно, определив направление остаточной намагниченности и возраст горной породы в какой-либо точке современного континента, можно рассчитать кажущееся положение геомагнитного полюса для этого континента в некоторый момент времени. Выполнив аналогичные определения для разных интервалов геологического времени (т.е. для пород одного континента, имеющих разный возраст), мы получим серию древних геомагнитных полюсов, а соединив их ломаной линией – кривую кажу-

щейся миграции геомагнитного полюса для данного континента.

286

На рис. 5.3.2 показан классический пример кривых кажущейся миграции геомагнитного полюса, построенных для одновозрастных горных пород Европы и Северной Америки. Видно, что кривые подобны друг другу, но не совпадают. Этот факт убедительно свидетельствует о том, что миграция геомагнитного полюса – именно кажущаяся, а на самом деле движутся не полюса, а континенты. В противном случае (если бы двигались полюса, а континенты стояли на месте) кривые миграции полюса получились бы одинаковыми для всех континентов.

Рис. 5.3.2.

Кривые кажущейся миграции геомагнитного полюса для Европы и Северной Америки.

Цифры – время, млн лет.

Северный
полюс	50		Европа	550
100			300
150	200	250	400
200	250	300

400	550
Северная Америка

Следовательно, установив кажущееся положение древнего геомагнитного полюса по направлению остаточной намагниченности горной породы определенного возраста, можно совместить его с современным географическим (Северным или Южным) полюсом, после чего континент, в породах которого измерялась остаточная намагниченность, будучи “привязан” к своему полюсу, переместится в то положение, которое он занимал в момент образования данной породы (при условии, конечно, что остаточная намагниченность была приобретена породой именно в тот момент, но такое условие, как уже отмечалось, для большинства магматических пород выполняется).

287

Обратим внимание, что кривые кажущейся миграции Европы и Северной Америки, показанные на рис. 5.3.2, соединяются на Северном полюсе в современную эпоху. Если же привести Европу и Северную Америку в додрейфовое положение, “закрыв” Северную Атлантику описанными выше методами интерпретации линейных магнитных аномалий ее дна и наилучшего совмещения окраин континентов, то кривые кажущейся миграции совпадут. Естественно, что если в течение какого-то геологического интервала ныне разобщенные континенты представляли собой единое целое и дрейфовали вместе, то и кривая кажущейся миграции полюса для данного интервала у них будет единой. В этом состоит взаимная проверка разных методов палеомагнитных реконструкций.

К сожалению, у палеомагнитного метода реконструкций есть один существенный недостаток. Он позволяет определить древнее широтное положение континентов (в этом смысле палеомагнитный метод восстанавливает абсолютные движения плит), а также их ориентировку относительно полюса, но ничего не говорит о долготном положении континентов в геологическом прошлом. Палеомагнитным данным удовлетворяет бесконечное число положений континента, каждое из которых можно получить, поворачивая континент вокруг полюса и не меняя при этом его широтного положения и ориентировки. Причина такой неоднозначности состоит в том, что принцип центрального осевого диполя, положенный в основу палеомагнитологии (см. раздел 1.5), предполагает круговую симметрию главного геомагнитного поля.

Отпечатки древнего геомагнитного поля обнаружены в настоящее время у достаточно древних пород, вплоть до архейских. Следовательно, палеомагнитный метод в принципе применим почти для всей геологической истории Земли, во всяком случае начиная с того времени, когда у нашей планеты сформировалось железистое ядро и появилось дипольное магнитное поле. Однако для ранних этапов геологической истории возможности палеомагнитных реконструкций дрейфа континентов ограничиваются неточностью возрастных датировок (см. раздел 1.6). Понятно, что если возраст горной породы, а соответственно и время приобретения ею остаточной намагниченности, определяются для раннего докембрия с точностью ± 100 млн лет, то ни о каких достоверных

288

реконструкциях положения континентов для этого периода говорить не приходится: ведь даже при очень скромной скорости дрейфа 1 см/год за указанное время континент мог сместиться на

1000 км!

Палеоклиматический метод реконструкций дрейфа континентов основан на том, что климатическая зональность в геологическом прошлом была такой же, как сейчас, т.е. всегда существовали параллельные экватору пояса арктического, умеренного, тропического и экваториального климатов.

Напомним, что судьба мобилизма с момента его зарождения в начале XX столетия была связана с палеоклиматологией (см. раздел 2.1). Гипотеза А. Вегенера первоначально возникла как попытка объяснить распространение древних оледенений, причем именно то, что Вегенер был метеорологом, помешало ему указать правильную причину дрейфа континентов – он стремился прежде всего объяснить дрейф континентов от полюсов к экватору, что привело к ошибочному выводу о главной роли сил, связанных с вращением Земли, в континентальном дрейфе.

Разрешающая способность палеоклиматического метода реконструкций зависит главным образом от надежности определения древних климатов по соответствующим типам горных пород и ископаемых остатков флоры и фауны, а также преимущественной зависимости климатов от широты. Палеоклиматические методы близки по смыслу палеомагнитным: они имеют те же достоинства (позволяют реконструировать абсолютный дрейф континентов) и те же недостатки (долготную неопределенность). Вдобавок, существенный недостаток палеоклиматического метода реконструкций по сравнению с палеомагнитным заключается в полном отсутствии количественной информации о древнем широтном положении континентов – границы между климатическими пояса-ми, как известно, не следуют строго по широте, а могут смещаться в зависимости от многих местных условий (например, рельефа местности).

Климат на Земле, помимо тепловой энергии Солнца, определяется в основном режимами циркуляции океанов и атмосферы, которые, в свою очередь, зависят от вращения Земли. Именно в этом и заключается причина общей широтной зональности климата. Но в последние годы доказано, что есть еще один

289

важный фактор, влияющий на климат, – распределение материков и океанов на поверхности Земли. Таким образом, проблемы палеоклиматологии и дрейфа континентов тесно переплетаются и между ними намечается обратная связь: дрейф континентов, который мы пытаемся реконструировать по палеоклиматическим данным, сам влияет на формирование климата.

Наглядный пример взаимного влияния тектоники плит на климат – современная Земля с ее огромной асимметрией в распределении суши и моря. Океанская и атмосферная циркуляция, а также связанная с ней климатическая зональность атлантического сектора Земли близки к теоретической (широтные направления ветров и течений, как следствие – широтные климатические пояса), тогда как индийско-тихоокеанский сектор являет собой пример нарушения теоретической зональности на больших площадях, что объясняется неодинаковой реакцией суши Северного полушария и океана Южного полушария на сезонное прогревание (в результате возникают муссоны, существенно изменяющие глобальный климатический режим). Моделирование древних климатов показало, что глобальное позднепалеозойское (пермское) оледенение было связано с объединением в этот период всех материков в Пангею, вытянутую в меридиональном направлении от полюса до полюса, которое блокировало глобальную широтную циркуляцию океана и атмосферы и вызвало резкое похолодание на Земле.

Таким образом, климат в геологическом прошлом не оставался постоянным: периоды потепления сменялись ледниковыми эпохами, когда все климатические пояса сдвигались к экватору, причем не последнюю роль в глобальных изменениях климата играл дрейф континентов. Несмотря на это, глобальная широтная климатическая зональность на Земле сохранялась во все геологические эпохи, а каждый климатический пояс обладал своими индивидуальными особенностями экзогенных геологических процессов, что привело к образованию совершенно определенных комплексов осадочных пород, характерных лишь для данного пояса. Эти породы на современных континентах распространены хаотически, но если совместить области их распространения для конкретных геологических эпох (т.е. закрыть современные океаны), развернуть совмещенные таким путем области параллельно

290