Лекция 5. Влияние геофизических факторов на климат

К геофизическим факторам, которые, как и астрономические, являются внешними по отношению к климатической системе и опре- деляют динамику климата разных временных масштабов, относятся:

–перемещение материков по Земному шару и горообразование;

–движение магнитных полюсов Земли;

–вулканические извержения;

–природные катастрофы.

1.Перемещение материков по земному шару

игорообразование

Современный геологический календарь выделяет следующие основные стадии в динамике материков [9, 13, 16]:

•1,1 млрд лет назад возник суперконтинент Родиния, который омывался гигантским океаном Мировия;

• 750 млн лет назад Родиния распалась;

•в эпоху палеозоя (500 млн лет назад) из частей Родинии воз- ник протоконтинент Пангея;

•150–220 млн лет назад Пангея распалась на два континента – Лавразию и Гондвану;

•135–200 млн лет назад Лавразия распалась на современные континенты – Евразию и Северную Америку;

•30 млн лет после распада Пангеи Гондвана распалась на со- временные континенты – Африку, Южную Америку, Антарктиду, Австралию и субконтинент Индия, который впоследствии соеди- нился с южной Евразией;

•через 300 млн лет, если сохранится современная скорость движения континентов, возможно возникновение нового суперкон- тинента – Пангеи Ультимы.

Первым свидетельством движения континентов издавна счита- лось сходство очертаний западного берега Африки и восточного бе- рега Южной Америки. Неслучайность этого сходства отмечал еще английский философ Фрэнсис Бэкон в своем сочинении «Новый Ор- ганон» (1620). Он первым подметил, что все материки и значитель- ные полуострова напоминают по своей форме

воду и изрезаны многими заливами и бухтами. На востоке у всех материков, напротив, имеются выступы в сторону океана с сильно изогнутыми дугами островов. В 1658 г. Пласе высказывал предпо- ложение, что Старый и Новый Свет разделились в результате все- мирного потопа, и эта точка зрения просуществовала по меньшей мере до XIX столетия. Географ Карл Риттер (1779–1859) обратил внимание, что если на глобусе через какую-либо точку земной суши мысленно провести диаметр через земной шар, то противополож- ная (антиподная) точка в 19 случаях из 20 окажется

не на суше,	а в океане или море. Первым пришел к выводу, что
атлантические		побережья были когда-то едины, французский
мыслитель Бюф-		фон (1708–1788). Сложены они из одинаковых
кристаллических		пород и перекрывающих их осадочных слоев с
одними и	теми	же окаменелостями растений и животных.
Александр фон Гумбольдт			(1769–1859) продемонстрировал столь
замечательную параллель-			ность между берегами Атлантического

океана, что весь он обрел вид гигантской горной долины.

В 1858 г. итальянский ученый Антонио Снидер-Пеллегрини обосновывал идею об образовании Атлантики в результате рас- кола единого праматерика и раздвижения его осколков сходством очертаний противоположных берегов Атлантики, а также ископае- мых растений и месторождений угля в Европе и Америке. В 1965 г. Э. Буллард, Дж. Эверетт и А. Смит при помощи вычислительной техники подобрали наилучший вариант совмещения естественных границ приатлантических континентов – их материковых склонов (рис. 5.1). Показанные на рисунке черным цветом зоны несовпа- дения материковых склонов очень узки по сравнению с размерами самих континентов; так, среднее квадратичное отклонение двух кон- туров между устьем Амазонки и мысом Доброй Надежды составля- ет всего 88 км. Несколько хуже, но все же приемлемо полученное совпадение границ Северной Атлантики; правда, оно потребовало небольшой деформации континентов – поворота Испании относи- тельно Европы, частично закрывающего Бискайский залив, а также неучета Мексики и Центральной Америки.

Д. Дарвин и Фишер (1880 г.) предлагали объяснять движение континентов перестройкой формы Земли после гипотетического от- рыва от нее Луны на месте современного Тихого океана (в резуль- тате резонанса при совпадении периодов вращения Земли и ее соб- ственных колебаний), однако теперь эта гипотеза о происхождении Луны признана несостоятельной. В 1908 г. американский ученый

Ф. Тэйлор выдвинул ряд аргументов в пользу движения

Рис. 5.1. Совмещение границ приатлантических континентов по Э. Булларду, Дж. Эверетту и А. Смиту (1965 г.)

(по направлению к экватору, но с уклонениями и на запад, и на вос- ток), объясняя им образование и складчатых гор, и островных дуг. В серии статей за 1911–1928 гг. американского геолога Бейкера дви- жение континентов обосновывалось соответствием горных систем (каледонид) на противоположных берегах Атлантики и предлага- лась реконструкция единого праматерика, обеспечивающая непре- рывность этих горных систем.

Наибольшую популярность идея о движении континентов приобрела в результате работ выдающегося немецкого геофизика Альфреда Вегенера, который справедливо считается главным авто- ром этой идеи [1, 2]. Впервые Альфред Вегенер выступил с докла- дом о дрейфе материков 6 января 1912 г. на собрании Немецкого геологического общества и сформулировал свою идею в статье

«Происхождение континентов» (1912), а затем в книге «Возникно- вение материков и океанов» (1915), многократно переиздававшейся

143

и переведенной на многие языки (русский перевод вышел в 1925 г.). Доказательствами теории дрейфа материков были: а) молодость океанического дна вблизи среднеокеанических рифтовых хребтов; б) сходство конфигурации и строения материков, являвшихся еди- ным целым, и сходство их палеофлор, фаун и климатов; в) рекон- струкция положения магнитных полюсов относительно материков по палеомагнитным данным.

Вегенер утверждал, что сначала на поверхности Земли воз- ник тонкий слой гранитных пород. Со временем гранитные глы- бы сконцентрировались в один большой праконтинент – Пангею (570–280 млн лет назад). Тогда же образовался праокеан, который окружал эту сушу. Затем Пангея раскололась и продолжала распа- даться на более мелкие части. Эта революционная для тех лет тео- рия достаточно просто объясняла многие непонятные

геологические	факты. Механизм движения континентов Вегенер
обосновал дей-	ствием центробежных сил в результате вращения
Земли и взаимным		притяжением Земли, Солнца и Луны. Таким
образом он объяснял		отдаление Северной Америки от Европы и
Африки, возникновение			Атлантического океана, а также

интенсивное образование гранди- озных складчатых горных цепей

Кордильер и Анд во фронтальной	части		обоих американских
материков, надвигающихся на тихоо-	кеанскую платформу. Дрейф
континентов от полюсов в направле-	нии		экватора, вызванный
вращательным движением Земли, привел		к столкновению Европы
и Африки, в результате чего в Африке обра-			зовались Атласские
горы, а в Европе – Альпы, Карпаты, Динарское				нагорье и другие
горные цепи. Появление Гималаев,	в	свою		очередь,	было

результатом столкновения Деканского нагорья с Азией. Эти молодые горные цепи возникли в результате медленного движения континентов почти перпендикулярно к общепризнанным, по Веге- неру, направлениям дрейфа. Более старые горные цепи ориентиро- ваны в иных направлениях, которые Вегенер объяснял другим в то время местоположением как полюсов, так и оси вращения Земли, от которых зависело направление дрейфа.

Согласно современной теории литосферных плит, вся литосфе- ра узкими и активными зонам (глубинными разломами) разделена на отдельные блоки, перемещающиеся в пластичном слое верхней мантии относительно друг друга со скоростью 2–3 см в год. Эти блоки называются литосферными плитами. Особенность литосфер- ных плит – их жесткость и способность при отсутствии внешних воздействий длительное время сохранять неизменными форму и

строение.

Рис. 5.2. Строение поверхности Земли по теории тектонических плит, где 1 – Северо-Американская плита; 2 – «Кокос»-плита; 3 – Карибская плита;

4 – Евро-Азиатская плита; 5 – Индо-Австралийская плита; 6 – Филиппинская плита; 7 – Тихоокеанская плита; 8 – Плита «Каска»;

9 – Южно-Американская плита; 10 – Плита «Скотка»; 11 – Африканская плита; 12 – Антарктическая плита; 13 – Каролинская плита

Литосферные плиты подвижны и их перемещение происходит под влиянием конвективных течений в мантии. Отдельные литос- ферные плиты могут расходиться, сближаться или скользить друг относительно друга. В первом случае между плитами возникают зоны растяжения с трещинами вдоль границ плит, во втором – зоны сжатия, сопровождаемые надвиганием одной плиты на другую, в третьем – сдвиговые зоны – разломы, вдоль которых происходит скольжение соседних плит. В местах схождения континентальных плит происходит их столкновение, образуются горные пояса. Так возникла, например, на границе Евразийской и Индо- Австралийской плиты горная система Гималаи. В настоящее время можно выделить семь наиболее крупных плит и шесть небольших (рис. 5.2). Из них самая большая по площади – Тихоокеанская, которая целиком со- стоит из океанической литосферы.

Первый известный гигантский материк, который сформировался в конце раннего протерозоя, 1150 млн лет назад, и практически пол- ностью вышел из-под уровня моря, получил название Родиния и, ве- роятно, представлял собой высокогорное плато (в среднем около 3 км

Рис. 5.3. Суперматерик Родиния и его составные части

над уровнем океана) без особо выраженных вершин. Хотя геофизики предполагают, что до Родинии существовали и другие суперконти- ненты: Кенорленд – максимальная сборка континента ~2,75 млрд лет назад, Нуна – максимальная сборка ~1,8 млрд лет назад [15].

Вместе с суперконтинентом Родиния на остальной части Зем- ли существовал гигантский океан Мировия, который, несмотря на свои обширные размеры, был гораздо меньше современного океана. Расположение и очертания суперконтинента Родиния все еще остаются предметом острых споров в научной среде (рис. 5.3). Определенные совпадения на краях плит Северной Америки и Ан- тарктиды позволили выдвинуть предположение о том, что эти два материка в протерозойскую эру были соединены между собой. Се- верная Америка с Гренландией в то время сообщались с Европой, которая, в свою очередь, столкнулась с Азией. На месте этого стол- кновения выросли Уральские горы – на сегодня один из древней- ших горных массивов на планете, хотя они и несколько потеряли в своей первоначальной высоте после продолжительной эрозии.

Примерно 800–900 млн лет назад Родиния начала раскалывать- ся под воздействием своеобразных горячих точек – магматических выбросов, взламывавших земную кору и выбрасывавших на ее поверхность огромное количество лавы. Раскол суперконтинен- та сопровождался расширением океанов и морей, вследствие чего

увеличивалось количество водяного пара в атмосфере. Из-за обиль- ных дождей углерод, находившийся в атмосфере в форме углекис- лого газа, оказался в океанских просторах и обосновался в осадоч- ных отложениях в форме карбонатов. Вывод углерода из атмосферы увеличил скорость похолодания, и около 800 млн лет назад

началось	глобальное оледенение, а около 750 млн лет назад уже и
большая	часть Мировии была покрыта льдом толщиной 2 км. На
планете	начали образовываться огромные ледники, поверхность
которых	стала отражать в космическое пространство еще больше
солнеч-	ных лучей. Согласно одной из палеоклиматических
реконструкций		(гипотеза «Земля – снежок»), во время
существования		Родинии	на планете наступил глобальный

ледниковый период, который за- кончился только когда Родиния

раскололась. Подобные масштабные			оледенения		в дальнейшей
истории нашей	планеты не	повторялись,		поскольку		вновь
формировавшиеся континенты		уже не	имели	ис-	ключительно
экваториальной	конфигурации.	Геохронологический				период,

получивший название криогений, предположительно ха- рактеризовался тем, что большая часть Родинии была расположена вокруг Южного полюса, а окружавший ее океан был покрыт льдом толщиной в 2 км. Лишь часть Родинии – будущая Гондвана – нахо- дилась вблизи экватора. Распад суперконтинента, продолжавший- ся в течение 30–40 млн лет, привел к постепенному понижению средней температуры на поверхности нашей планеты примерно на 8 °С.

Геофизик Ив Годдери из Национального центра научных иссле- дований Франции отмечает: «Оледенение Земли было вызвано зна- чительным снижением количества углекислого газа в атмосфере. Оно, в свою очередь, явилось результатом распада суперконтинента Родиния, центр которого тогда находился в зоне экватора и который простирался от 60 градусов северной широты до 60 градусов южной широты». Средняя температура на планете упала до –40 °С, на по- люсах Земли она была значительно ниже: до –80 °С. Но

несмотря	на	масштабное оледенение				процессы	формирования
континенталь-		ной коры и активная вулканическая деятельность
продолжались.		Мощные вулканы выбрасывали в атмосферу
планеты	углекислый		газ,		поэтому	спустя	определенный
промежуток времени средняя				температура поднялась до отметки в
25–30 °С. Климат на Земле				стал очень жарким. В эдиакарии, 600
миллионов лет		назад,	когда	осколки Родинии продвинулись на
север, на них стала развиваться					многоклеточная простая жизнь, а

Мировия превратилась в океаны Панталасса и Панафрикан.

В это самое продолжительное время в геологической истории Земли – протерозое – происходили интенсивные горообразователь- ные процессы и тектонические движения, и в результате

завершилось		формирование		многих		платформ	земной коры,
ограниченных		гор-	но-складчатыми			областями.	Именно эти
обширные	и	малоподвиж-		ные	участки создают			твердый
материковой	каркас. Материк			Родиния		распался	на	несколько
отдельных	континентов и мелких				островков.		Образовались

Амазония (включавшая в себя Гвиану и Централь- ную Бразилию), Северная Америка, Восточная Антарктида, Индия, Центральная Африка, Западная Африка, Южная Африка (Калахари), Западная Австралия, Сибирь, Восточная Европа, Южный Китай и Тарим. На поверхности новых континентов сформировались обшир- ные базальтовые отложения из гигантских потоков лавы.

Континенты, разбросанные по планете более или менее рав- номерно, начали медленно дрейфовать по протерозойскому океану, пока вновь не стали собираться в суперконтинент Паннотия, кото- рый является гипотетическим и существовал недолго, приблизи- тельно в период 540–600 млн лет тому назад [7]. Впервые был опи- сан Иэном В. Д. Диэлом в 1997 г. Паннотия начала формироваться около 750 млн лет тому назад в результате разделения предыдущего суперконтинента Родинии на Прото-Лавразию (впоследствии допол- нительно разделившуюся и вновь образовавшую Лавразию), прото- платформу Конго и Прото-Гондвану (Гондвану без Атлантики и Кон- голезской платформы). При смещении Прото-Лавразии к Южному полюсу, частичном повороте Прото-Гондваны и внедрении между ними Конголезской платформы приблизительно 600 млн лет тому на- зад образовалась Паннотия. В связи с тем, что большие

материковые		массы находились вокруг полюсов, предполагается,
что масштабы		материкового оледенения в эпоху Паннотии были
максимальными за всю геологическую					историю. Именно этому
периоду	(терминальный		рифей,	680–570		млн	лет назад)
соответствует известное лапландское				оледенение, которым были
охвачены	большие пространства Европы				и Северной Америки.
Ледниковые отложения этого возраста из-					вестны на Урале, в Тянь-
Шане, на Русской платформе (Белоруссия),						в	Скандинавии
(Норвегия), в Гренландии и Скалистых горах.

После распада Паннотии континенты объединились в наиболее известный и исследованный суперконтинент Пангея («всеземля»), который после своего распада и сформировал современную геогра- фическую картину Земли. Исходя из сходства контуров берегов и

ге- ологического строения А. Вегенер предложил реконструкцию

Рис. 5.4. Реконструкция Пангеи с обозначением современных континентов (слева) и процесса ее распада по А. Вегенеру (справа). Заштрихованы области континентов, покрытые мелкими морями

целей, которые преследовал Вегенер при составлении этой рекон- струкции, – объяснение климата Земли во время пермокарбонового оледенения Гондваны. Это объяснение получило горячую поддерж- ку одного из крупнейших климатологов того времени В. Кеппена и нашло отражение в их совместной книге «Климаты геологического прошлого» (1921).

В процессе формирования Пангеи из более древних континен- тов на местах их столкновения возникли горные системы, некото- рые из них просуществовали и до нашего времени, к примеру Урал или Аппалачи. Эти ранние горы гораздо древнее таких сравнитель- но молодых горных систем, как Альпы в Европе, Кордильеры в Се- верной Америке, Анды в Южной Америке или Гималаи в Азии. Из-за длящейся много миллионов лет эрозии Урал и Аппалачи стали обкатанными и невысокими горами. Гигантский океан, омывавший Пангею, получил название Панталасса («собрание морей»). Пангея образовалась в пермском периоде (310–250 млн лет назад) и раско- лолась в конце триаса, примерно 200–210 млн лет назад, на два кон- тинента (рис. 5.5). Северный континент Лавразия позже раскололся

149

	на Евразию и Северную Аме-
	рику, в то время как из южно-
	го континента Гондвана позже
	образовались Африка, Южная
	Америка, Австралия и Антарк-
	тида.
	В конце перми и нача- ле
	триаса (250 млн лет назад)
	произошли расколы земной
Рис. 5.5. Распад Пангеи на Лавразию и	коры. Гигантские разломы рас-
Гондвану 200 млн лет назад	секли земную кору в основном
	ванского мегаблоков. Вдоль
	на стыке Лавразийского и Гонд-

этих провалов, заполнившихся вскоре водой, изливались базальто-

вые лавы, а кое-где случались и вулканические извержения. С тече- нием времени рельеф суши становился все более изрезанным и кон- трастным. Наконец, отдельные трещины стали сливаться

вместе,	образовав		единую		разветвленную систему				прогибов,
которые	были	обрамлены			глыбовыми			хребтами.	На рубеже
юрского и мелового			периодов (150 млн лет назад) Лавразийский и
Гондванский блоки			разошлись, и Пангея перестала существовать.
Гондванский блок,			сохранявший относительную целостность, в
меловой период рас-			пался на несколько крупных фрагментов. Уже
в неокомское		время		между		Африкой		и Южной	Америкой,
составлявшими до того еди-					ное целое, сформировалась сложная
система континентальных риф-						тов, отдельные отрезки которой
уходили далеко в сторону от основ-							ного направления расколов.
Полностью разделение				Африканского			и	Южно-Американского
континентов произошло на рубеже раннего								и позднего мела. Это

событие ознаменовалось мощными подводны- ми вулканическими излияниями и извержениями вулканов на ти- хоокеанской окраине

Южной Америки. В раннем	мелу от Африки	откололись
Индостанский, Мадагаскарский	и Австрало-Антаркти- ческий

блоки. Распад Гондваны завершился в кайнозое отделением Антарктиды от Австралии.

Начиная с кембрия, долговременное извлечение углерода из ат- мосферы биотой шло уже двумя мощными путями – как захоро- нением неокислившейся органики, так и отложением биогенных карбонатов. Вероятно, в результате этого и возникали в палеозой- скую эру несколько оледенений. Это оледенение пермо-карбоновое (350–230 млн лет назад), начавшегося в каменноугольном периоде, а также оледенения на границе верхнего ордовика – нижнего

силура