Дрейф континентов

     Введение 
 

     Около тридцати лет назад разгорелся спор между геологами, представителями  двух научных школ. Первые утверждали, что континенты на Земле находятся  в непрерывном движении, "плавая" по ее поверхности, и приводили ряд  убедительных фактов, свидетельствующих в пользу этой гипотезы. Вторые отвергали всякую возможность больших горизонтальных перемещений континентов, считая, что относительные смещения отдельных частей земной поверхности происходят за счет только вертикальных движений, и тоже приводили убедительные доводы в пользу своей гипотезы. Первые принадлежали к школе "мобилистов", сторонников дрейфа континентов, вторые - "фиксистов", сторонников вертикальных движений поверхности Земли. В этом споре победителями стали "мобилисты". На их стороне оказалось большое количество данных, полученных в результате геофизических наблюдений в последние десятилетия. Однако и они не смогли создать до конца стройной теории движения континентов и эволюции Земли. Несколько лет назад с помощью сейсмического просвечивания нашей планеты удалось установить, что плотность недр Земли очень неоднородна. Сразу же появилась новая теория, пытающаяся связать эти неоднородности с движениями континентов. Но и эта теория не способна была ответить на ряд важных научных вопросов, среди которых принципиальными, по-видимому, были следующие: влияют ли континенты на процессы внутри планеты? какова роль вертикальных движений внутри континентов? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1 Дрейф континентов  
 

     Гипотеза  континентального дрейфа утверждает, что относительное положение континентов менялось на протяжении истории Земли. Внимательно рассмотрев очертания береговых линий западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки, невольно удивишься их потрясающему сходству. Еще в 1620 г. великий англичанин Фрэнсис Бэкон объяснял это совпадение возможной связью двух континентов в далеком прошлом. В 1912 г. А. Вегенер изложил наиболее полно гипотезу континентального дрейфа в своей книге "Происхождение океанов и континентов". Будучи метеорологом, он особенно заинтересовался тем, что в определенные прошлые эпохи оледенением были охвачены экваториальные области, в то время как в высоких широтах преобладали тропические условия. Само по себе это наблюдение можно было бы объяснить сдвигом направления оси вращения планеты, происходящим без каких-либо перемещений в ее поверхностных оболочках. Однако Вегенер выдвинул множество качественных аргументов в пользу того, что в прошлом континенты примыкали друг к другу. Помимо сходства береговых очертаний он обнаружил соответствие геологических структур, непрерывность реликтовых горных хребтов и тождественность ископаемых остатков на разных континентах. Вегенер отстаивал идею о существовании единого суперконтинента Пангея, его расколе и последующем дрейфе образовавшихся континентов в разные стороны. Позже А. Дю Тойт (1937) отверг идею единого суперконтинента, предполагая, что первоначально существовали северный континент Лавразия, южный Гондвана и разделяющий их океан Тетис. Согласно П. Хоффману (1991), за всю историю Земли континенты по крайней мере пять раз объединялись в суперконтинент, образуя поочередно Лаурентию (1,9 миллиарда лет назад), безымянный (1,5 миллиарда лет назад), Роднию (1 миллиард лет назад), Гондвану (650 миллионов лет назад) и Пангею (250 миллионов лет назад).

     Проводившиеся в середине нашего столетия интенсивные  исследования океанического дна  привели к открытию глобальной системы  подводных гор, так называемых срединно-океанических хребтов. Одновременно была выдвинута  важная гипотеза, что в области  осей океанических хребтов постоянно происходит формирование новых участков океанического дна, расходящихся в стороны от хребта. Действием этого процесса можно объяснить сходство очертаний континентальных окраин. Действительно, можно предполагать, что между частями расколовшегося континента образуется новый океанический хребет, а океаническое дно, наращиваемое симметрично в обе стороны от него, формирует новый океан. Скорее всего, таким образом возник Атлантический океан, посреди которого теперь расположен рассекающий его на две части срединно-Атлантический хребет.

     Концепция континентального дрейфа завоевала  общее признание исследователей Земли лишь в период между 1967 и 1970 годами. До этого изучение твердой  Земли велось в основном на континентах, где ярко проявляются вертикальные движения земной коры. Хотя в поддержку новой концепции выдвигались убедительные аргументы, почти все геофизики выступали против нее. Их возражения основывались, по большей части, на представлениях о жесткой мантии Земли - части земных недр, заключенной между корой и ядром, - и отсутствии эффективного механизма движения континентов.

     Действительно, было известно, что через мантию могут распространяться поперечные сейсмические волны, и это свидетельствовало  о ее твердом состоянии. Поэтому  возникал весьма важный вопрос, каким образом твердое вещество мантии может допускать горизонтальное перемещение континентов на многие сотни и тысячи километров. С другой стороны, уже в конце прошлого столетия на основе измерений силы тяжести было высказано соображение, что мантия ведет себя подобно жидкости. Под горными массивами, например, располагаются легкие породы. Дефицит массы "горных корней", - лежащих под горными массивами пород, - примерно равен избытку масс выступающих вверх гор. Это можно объяснить, исходя из принципа гидростатического равновесия, если допустить, что мантия ведет себя как жидкость, на которой горные массивы плавают подобно льдинам на воде.

     Как показали исследования высот прибрежных террас в Скандинавии, земная поверхность  там все еще продолжает "всплывать" после таяния мощных слоев льда, намерзшего во время последнего ледникового периода. Исходя из скорости этого процесса, было установлено, что коэффициент вязкости материала мантии составляет приблизительно 10²⁰ Па ^* с (по современным данным, 10²¹ Па ^* с). Хотя это значение чрезвычайно велико (коэффициент вязкости воды равен 10^-3 Па ^* с), оно не бесконечно, и, следовательно, в геологических масштабах времени, в течение многих миллионов лет, можно считать, что мантия ведет себя как жидкость.

     Позже было установлено, что при температурах, равных заметной доле температуры плавления, активизируются так называемые процессы ползучести, позволяющие мантийным  породам перетекать за времена порядка  десять тысяч лет. Жесткая литосфера - кора и самая верхняя часть мантии - состоит из пород, температура которых достаточно низка, в силу чего они не могут испытывать течений даже за столь длительные промежутки времени.

     Чтобы континенты могли двигаться, на них  должны действовать силы. А. Вегенер  предполагал, что движения в Земле, ответственные за континентальный дрейф, вызываются или приливными силами, или силами, связанными с вращением Земли. Однако позже английский геофизик сэр Г. Джеффрис показал, что эти силы оказываются недостаточными, и описал полученные результаты в своей книге "Земля: ее происхождение, история и строение". Для приведения в движение континентов необходимо найти какой-то другой механизм. Он должен обладать запасом энергии, достаточным по крайней мере для того, чтобы покрывать расход энергии, непрерывно теряемой при землетрясениях, вулканических извержениях и горообразовании. В качестве такого гипотетического механизма была предложена тепловая конвекция - вертикальные потоки жидкого вещества мантии. Конвекция может возникнуть в жидкости, находящейся в поле силы тяжести, если жидкость нагревается снизу или изнутри и охлаждается сверху. В результате более холодные породы погружаются в глубь мантии, а нагретые поднимаются к поверхности Земли. Согласно одной из концепций, нагрев мантии происходит за счет радиоактивного распада изотопов урана ²³⁵U и ²³⁸U, тория ²³²Th и калия ⁴⁰K.

     В 60-х годах концепцию континентального дрейфа дополнительно подтвердили  результаты палеомагнит ных исследований. Под действием внешнего магнитного поля Земли породы в момент своего образования приобретают намагниченность, которая сохраняется в дальнейшем. Исследования ее ориентации позволяют определить, как перемещались относительно магнитных полюсов Земли породы за время, прошедшее с момента их образования. Образцы пород из разных частей одного и того же континента, не претерпевших локальных деформаций, указывают примерно одно и то же направление на магнитные полюса Земли. Однако породы Северной Америки и Европы дают различные положения магнитных полюсов. Отсюда делался вывод, что это различие возникло в результате относительного дрейфа двух континентов. Сопоставле ние расположения границ между областями с повышенным и пониженным значениями напряженности магнитного поля по сравнению с ее средним значением и оценка времени, за которое направление геомагнитного поля изменилось на противоположное, позволило количественно определить скорость раздвигания океанического дна.

     Итак, к концу 60-х годов в основном сложился теоретический фундамент  для понимания явлений и процессов, связанных с континентальным дрейфом. Последней и самой важной гипотезой, выдвинутой американцем Дж. Морганом и французом Кс. Ле Пишоном, была концепция мозаичной структуры поверхностной оболочки Земли, разбитой на жесткие плиты, приводимые в движение мантийной конвекцией. Дрейф континентов стал составной частью так называемой тектоники плит (от латинского tectonicus, что означает науку о форме, орнаменте и сборке при конструировании). Теперь он объясняется движением плит, на которых покоятся континенты.  
 
 
 
 
 
 
 
 

     2 Тектоника плит  
 

     Согласно  теории тектоники плит, внешняя оболочка Земли разделена на ряд жестких  плит, которые движутся друг относительно друга. Скорости их относительного движения по порядку величины составляют несколько  сантиметров в год. Хотя эти скорости представляются незначительными, оказывается, что большую часть всех землетрясений, вулканических извержений и процессов образования гор можно отнести за счет взаимодействия между соседними литосферными плитами на их границах.

     Плиты сложены из относительно холодных пород и имеют толщину около 100 километров. Они непрерывно создаются и поглощаются. Вблизи срединно-океанических хребтов, где плиты расходятся в противопо ложные стороны, идет процесс раздвигания океанического дна (спрединга). В промежутках между ними снизу поднимаются горячие мантийные породы, которые охлаждаются, становятся жесткими и формируют новые участки плит. По этой причине срединно-океанические хребты называют также границами наращивания плит.

     Площадь поверхности Земли остается практически постоянной, поэтому наряду с созданием плит должны происходить и процессы их уничтожения. Они происходят в районе так называемых океанических желобов. Здесь две смежные плиты сходятся, и одна из них уходит под другую, опускаясь в глубь Земли. Этот процесс называется субдукцией. Поэтому океанические желоба называют также границами уничтожения плит. Литосфера сложена относительно холодными и жесткими породами, благодаря чему плиты могут двигаться по земной поверхности, почти не сминаясь. Твердые породы мантии, находящиеся под литосферой, сильно нагреты и поэтому могут легко деформироваться. Они образуют так называемую астеносферу, по которой литосферные плиты скользят, испытывая относительно малое сопротивление. Двигаясь от зоны наращивания к зоне уничтожения, плиты охлаждаются и утолщаются. Именно здесь, между погружающейся и примыкающей к ней сверху литосферными плитами, располагаются главные разломы земной поверхности. В области этих разломов, в холодных хрупких породах плит, инородных для горячего окружающего вещества мантии, происходит наибольшее количество сильнейших землетрясений планеты.

     Вдоль почти всех океанических желобов  тянется цепь действующих вулканов; лито-сферный блок опускается под  них на глубину около 150 километров. Там его породы плавятся, и расплав, более легкий, чем его окружение, поднимается и лавой изливается на поверхность. Если цепь вулканов лежит на дне океана, образуется островная дуга, типичным примером которой могут служить Алеутские острова в северной части Тихого океана. Если же океанический желоб проходит вблизи континента, вулканы возникают на поверхности суши.

     Таким образом, теория тектоники плит принесла новое представление о внешней  оболочке Земли как о системе  жестких структур, движущихся друг относительно друга. Но она не затрагивает процессов в глубоких недрах Земли и практически игнорирует роль чисто вертикальных движений в эволюции земной поверхности. Не дает она ответа и на ряд принципиальных вопросов, например, почему после своего формирова ния суперконтинент раскалывается на части, которые, вращаясь, расходятся в разные стороны?

     К началу 90-х годов стало ясно, что  нужна новая теория, обобщающая тектонику  плит и дающая объяснение как новым  данным о внутреннем строении Земли, так и процессам, происходящим в ее недрах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 Тектоника плюмов  
 

     На  протяжении двух десятилетий в геофизике  широко обсуждается вопрос: охватывает ли конвекция всю мантию или мантийный  материал циркулирует в верхнем  и нижнем ее слоях раздельно, никогда не смешиваясь? Большинство исследователей считают, что мантия толщиной около 2900 км разделена на два слоя границей на глубине 660 км, где мантийный материал подвергается фазовым изменениям. Но в то же время они спорят, служит ли эта граница барьером для общемантийной конвекции. Геохимики полагают, что верхняя и нижняя части мантии отличаются по своему химическому составу. Если это так, то обе части должны иметь изолированные конвективные ячейки, и материал погружающейся литосферной плиты остается в верхней мантии. С другой стороны, ряд геофизиков, в основном сейсмологов, считают, что конвекция пронизывает всю мантию. Их уверенность основана на сейсмических данных, показывающих что литосферная плита погружается в глубь мантии, достигая границы ядра.