Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет

Подождите немного. Документ загружается.

та (1037 г.). Следующей важной идеен на пути к текто

ники шшт была гипотеза снрединга — раздвигания океа-

шпеского дна в стороны от. г срединно-океанических хреб

тов, опоясывающих весь земной шар. Гипотеза сиреднli

ra была выдвинута Хессом в I960 г. и далее развита Дит

цем (1961—.1963 гг.), Ванном и Мэтыозом (1963 г.), Мор-

ли п Ларошеллем (1964 г.), Хессом (!96Г> г.), Уилсоном

(196Г) г), Ванном (1960 г.), Пнтмоном н Хенрцлеро.м.

(1966 г.) и Сайксом (1967 г.).

Но гипотезе слредиига расширение океанического дна

обусловлено конвективными потоками вещества в под

стилающей кору (точнее, литосферу) мантни, горячее ве

щество которой выносится наружу в осевой зоне океани

ческих хребтов — местах расположения рифтов. Посколь

ку площадь земной поверхности остается постоянно!!,

рождение коры (правильнее!, литосферы) в зоне океани

ческих хребтов должно сопровождаться ее уничтожением

в каких-то других зонах. Такими зонами являются океа

нические желоба, расположенные вблизи островных дуг

или так называемых активных континентальных окраин

(характерный пример — западное побережье Южной Аме

рики). Согласно гипотезе спредппга, в области желобов

происходит погружение океанической литосферы, кото

рая вначале уходит под островную дугу, а затем дальше

под континент на глубину, достигающую ~700 км.

Существенным шагом в разработке тектоники шшт

или, как ее часто и более удачно называют, новой гло

бальной тектоники ШГТ) была гипотеза Вайна и Мэть

юза (1963 г.), объясняющая природу линейных магнит

ных аномалий в океане. Чередующиеся положительные

и отрицательные полосы магнитных аномалий, параллель

ны осям хребтов, причем соответствующие друг другу

полосы располагаются симметрично по обе стороны от

осп хребта. Для объяснения полосчатой структуры маг

нитных аномалий океанического дна необходимо при

влечь явление смены полярности геомагнитного поля на

протяжении геологической истории. В новейшее геологи

ческое время (~ 4 • 10° лет) продолжительность эпох од

ной полярности составляла в среднем ~ 2 • 1.05 лет. В бо

лее древнее геологическое время эти эпохи были более

протяженными и достигали 10” и даже 107 лет. Явление

смены полярности геомагнитного диполя послужило ос

новой для создания геомагнитной хронологической шка

лы (см. § 8.2). Эта писала указывает, какую полярпостг.

и на протяжении какого периода времени имел магнит

пый дшюль. Полосчатая структура магнитных аномалии,

расположенных симметрично относительно средшшо-океа-

ннческнх хребтов, с помощью геомагнитной шкалы поз

воляет оценить скорость раздвигания океанического дна

в стороны от хребтов.

Согласно гипотезе Вайпа — Мэтьюза, когда расплав

ленный мантийный материал охлаждается на гребне

океанического хребта ниже точки Кюри, вновь образо

ванные базальтовые породы намагничиваются в соответ

ствии с полярностью геомагнитного поля, существующего

в данный период. Последующее раздвигание вновь обра

зованной коры в стороны от оси океанических хребтов

приводит к «магнитной записи» ноля, существовавшего

во время формирования коры на гребне хребта. Опреде

ленная таким образом скорость спредннга океанического

дна составляет величину порядка нескольких с-м/год. Идеи

Хесса и Вайна — Мэтыоза о раздвигании океанического

дна в настоящее время разделяются большинством иссле

дователей. Описывая историю становления этой замеча

тельной идеи, необходимо отметить английского геолога

Артура Холмса, который еще в 1929 г. для объяснения

дрейфа континентов предложил механизм тепловой кон

векции в мантии. Предлагавшиеся Холмсом картины теп

ловой конвекции в мантии, восходящие потоки в которой

приводили к раскалыванию континента н образованию

нового океана, удивительно близки к схемам, принимае

мым в настоящее время. Однако, если перенестись в эпо

ху 30-х годов, когда небольшое число ведущих геофизи

ков стояло на твердых позициях классической механики

и им значительно больше по душе были статические

представления геологов-фп ксистов, чем динамические

представления геологов-мобилистов, то становится совер

шенно ясно, что представления Холмса воспринимались

н лучшем случае как очень смелая фантазия. Теперь,

задним числом мы понимаем, что это было замечательное

предвидение, а сам Холмс выступает как одни из наибо

лее прозорливых геологов нашего столетия. Необходимо

1акже вспомнить американского- геофизика Д. Грштса,

который л конце 30-х годов на основе экспериментального

моделирования конвекции в мантпн пришел к заключе

нию, что геологические особенности островных дуг можно

объяснить, если предположить, что их развитие происхо

дит над нисходящим потоком мантийного материала. Из

вестный голландский геофизик Ф. Веиштг-Мейиес, от

крывший в 30 х годах большие отрицательные гравита-

li* 211

циоиныс аномалии над глубоководными желобами, также

выдвигал гипотезу, согласно которой происхождение же

лобов н островных дуг связано с нисходящим конвектив

ным потоком в маитии.

Концепция тектоники плит была сформулирована в

серии работ 19G7 и 1008 гг., когда в полной мере было

осознано значение следующих трех основных положений.

1. Механическая модель верхней мантии состоит из

упругого жесткого наружного слоя --- литосферы и под

стилающего его размягченного слоя — астеносферы. Один

из создателей НГТ Мак-Кензи отметил, что аналогичная

модель для длиннопернодных механических воздействий

была намечена Фишером еще в 1889 г. Баррел в 1914 г.

формализовал мехапическую модель верхней мантин и

ввел термины «литосфера» и «астеносфера». Эльзассер

(1967 г.), Мак-Кензи (1967 г.) и Оливер и Айзекс (1967 г.)

рассмотрели различные аспекты, связанные с указанной

реологической стратификацией верхней мантни. Постро

ение современной механической модели верхней мантии —

ее разделение на литосферу и астеносферу — нашло свое

завершение в работе Туркотта и Оксбурга в 1967 г., где

океаническая литосфера была определена как наружный

холодный ногранслой конвективных ячеек; верхпей ман

тин. Эта фундаментальная идея служит основой при

физической интерпретации тектоники плит (см. § 8.4).

2. Для разделения литосферы на плиты попользуют

сводки по сейсмичности Земли (см. § 1.3, рис. 9), впер

вые в полном объеме составленные Гутенбергом и Рих

тером (1941, 1954 гг.). Согласно этим данным большая

часть механической энергии, выделяемой в поверхностном

слое Земли, расходуется в нескольких узких сейсмиче

ских поясах, а остальная энергия— при эпейрогеническнх

движениях *).

*) В г оологическом словаре дано следующ ее определение:

F.pei-rogeny — илейрогеннл. Но определению Гильберта (G ilbert.

1890), аяейрогенпя — вид тектонических движений, которые соз

дают более крупны е черты строения кош ннентов и океанов (на-

пример, плато и бассейны), в противоположность более ло кали зо

ванному процессу орогенеза, под воздействием которого образую т

ся горные хребты. П реимущ ественно вертикальны е, направлен

ные вверх или вниз зпейрогенпческие движ ения затрагиваю т

большую часть континентов не только в пределах кратонов (щ и

тов и платформ), но такж е и стабилизированны е бывшие ороге

иические пояса, в пределах которых они создаю т большинство со

временных гор.

3. Литосферные плиты являются жесткими телами,

поэтому кинематика их перемещения на сфере подчине

на строгим геометрическим правилам.

Мы уже знаем, что существуют два тниа границ

плит — границы типа рифтов, где происходит рождение

пли наращниание литосферпых плит, и границы в райо

нах глубоководных желобов, где происходит уничтоже

ние, т. е. погружение в мантию литосферпых плит. Гра

ницы первого типа являются зонами растяжения коры

(точнее, литосферы), а границы второго типа — зонами

сжатия. Это хорошо видно на карте распределения упру

гих напряжений в литосфере (рис. 11), определенных по

механизмам очагов землетрясении. Однако глобальная

система срединно-океанических хребтов и континенталь

ных рифтов и система океанических желобов во многих

местах оказываются разорванными крупными разломами,

протяженность которых достигает многих сотен километ

ров. Эти разломы «трансформируют» хребет в хребет,

желоб в желоб пли хребет в желоб. Канадский геолог

Уилсон (J965 г.), впервые давший правильную интерпре

тацию относительному движению плит по этим разломам,

назвал их трансформными разломами. По трансформным

разломам происходит горизонтальное нроскальзованпе

плит друг относительно друга. Этот вывод Уилсона пол

ностью подтвердился данными по механизмам очагов

землетрясений, расположенных на таких разломах. Транс

формные разломы бывают двух типов: если противопо

ложный берег разлома движется влево — это левосторон

ний разлом, если вправо, то правосторонний разлом.

Теперь, когда были открыты и стали понятны все

типы движений литосферпых плит, создались предпосыл

ки для окончательной формулировки НГТ. Ограничения,

существующие при движении жестких плит на плоской

Земле, впервые были описаны Уилсоном в 1965 г. в его

классической работе «Новый класс разломов и их отно

шение к континентальному дрейфу», опубликованной в

■.куриале «Иейчур». Б том же году была опубликована

работа Булларда, Эверетта и Смита, где рассматривались

геометрические ограничения при движении плит на сфере.

Вот как описывает Ле Пншон кульминационный мо

мент в создании НГТ. «Как и для большинства других

гипотез, трудно восстановить точную историю становле

ния тектоники плит. Когда основы заложены, новые идеи

могут возникнуть практически одновременно у несколь

ких ученых. В наши дни интенсивный обмен пнформаци-

213

eii еще больше ускорил распространение иовых идей.

Морган впервые сформулировал гипотезу в своем выступ

лении па ежегодной конференции Американского геофи

зического союза в Вашингтоне в апреле 1967 г. Мак-Кен-

зп и Паркер (1967 г.) дали четкое определение гипотезы

тектоники шшт и использовали ее для объяснения ори

ентировки напряжений в очагах землетрясений и приро

ды тектонических структур на периферии семерной части

Тихого океана. Они занимались в основном геометриче

скими проблемами, связанными с соединением трех плит.

Ле Пишон (1968 г.) показал, что тектоника шшт обеспе

чивает получение согласованной кинематической карти

ны в глобальном масштабе, и предпринял небезуспешную

попытку применить тектонику плит для изучения налео-

кинематической эволюции Земли в кайнозое. Айзекс,

Оливер и Сайкс (1963 г) впервые систематически исполь

зовали тектонику шшт для объяснения глобальных тек

тонических явлений. Они показали, что гипотеза может

объяснить большинство происходящих на Земле сейсми

ческих явлений и не противоречит основным эмпири

ческим фактам. По всей вероятности, именно их

работа впервые оказала реальное влияние на геологиче

ский мнр».

И далее: «Приведенная краткая- история развития ги

потезы показывает, что, хотя все основные положения

тектоники плит были опубликованы и широко известны

ранее, ее оформление потребовало некоторого времени,

потому что специалистам в области наук о Земле было

трудно осознать концепцию относительных движений па

сфере. Подобно этому ранее была не сразу принята кон

цепция трансформных разломов Уилсона, так как' уче

ным было трудно воспринять представление об относи

тельных движениях на плоскости. И -только благодаря

тому, что предсказания, сделанные на основе этих гипо

тез, были подтверждены многочисленными новыми откры

тиями, главным образом в океанах, эти гипотезы получи

ли широкое признание. Первые открытия в области изу

чения структуры дна океанов и природы средмнно-океа-

нпческпх хребтов были описаны в работах М. п Дж. Юин

гов (1961 г.) и Хизенн (1962 г.). В целом можно считать,

что гипотеза тектоники илит развивалась поэтапно на

протяжении последнего столетня, причем на каждом эта

пе ей удавалось удовлетворительно объяснить большин

ство известных в то время фактов. Основные этапы

развития концепции были инициированы Вегенером и

Ill \'l г., Хессом it ! 0(H) г., Ванном n Мэтьюзом в .19(13 г.,

Уилсоном в 190о г. и Морганом в 1907 г.».

Идеи НГТ оказали большое влияние на развитие мно

гих разделов наук о Земле. Кап всякая новая теория,

НГТ имеет не только много сторонников, но встречает

и оппозицию, в особенности среди геологов, которые счи

тают, что многие важные факты геологии континентов

невозможно объяснить с позиции тектоники плит. Труд

ности усугубляются и чисто психологическими причина

ми в связи с тем, что НГТ сделала первый шаг по пере

воду геологии из разряда описательных наук в разряд

точных наук естествознания. Но то, что это только пер

вый шаг на указанном трудном и длинном пути, редко

подчеркивается и еще реже осознается. Трудности,

с которыми встречаются представители паук о Земле, в ко

нечном счете обусловлены двумя обстоятельствами: I) не

возможностью проникнуть в недра Земли и 2) утерей

колоссальной информации об эволюции Земли. В более

частном плане иногда говорят и так: «Об океаническом

дне известно меньше, чем об обратной стороне Луны!».

Тектоника плпт является поверхностным проявлением

конвективных движении в недрах маптпп. Эти движения

очень сложны и еще плохо поняты. Важнейшей особен

ностью тектоники Земли является линейность ее основ

ных структур — срединно-океанических и континенталь

ных рифтовых систем и систем глубоководных желобок.

Это обусловлено структурой развитой конвекции в верх

ней мантии, которая такова, что образуются линейные

восходящие горячие потоки — слои, выходящие на поверх

ность в рифтовых. зонах и рождающие наружных! тепло

вой погранслон — океаническую литосферу. Отодвигаясь

в стороны от срединно-океанических хребтов, океаниче

ская литосфера остывает и заканчивает свой путь, снова

погружаясь в мантию у глубоководных желобов с обра

зованием холодного нисходящего потока — слоя, разогре

вающегося и тонущего в горячей маптпп.

На поверхности Земли были выявлены менее яркие

«следы» конвекции в мантии, которые тем пе менее име

ют важное значение для понимания тектоники Земли.

Мы имеем в виду выделенные Уплсопом (1963 г.) куполо

образные структуры выхода базальтовых магм, которые

не связаны с границами плпт. Диаметр этих структур

может достигать 200 км, н они характеризуются повы

шенным тепловым потоком. Уилсон назвал эти образо

вания горячими пятнами (liol spots), по в русской литера-

'type больше мршшлосг. название горячие точна. Соглас

но Бурке н Уилсону (11)70 г.) аа поверхности Зомлн

можно выделить но меньшей .мере 122 горячие точим,

которые на протяжении последних 10 миллионов лет были

магматически активны. По первоначальному предположе

нию Уилсона горячая точка располагается над фиксиро

ванным объектом в мантпн, который прожигает проходя

щую над ним литосферу, как папироса лист бумаги. По-

настоящему интерес к горячим точкам во:ншк н 1972 г.,

после того как Морган выдвинул для их объяснения

свою известную идею о илюмах — горячих струях в ман

и т , подходящих к основанию литосферы; при этом лито

сфера локально приподнимается и проплавляется. Морган

связывал плюмы с колоннами горячего материала, всплы

вающего из ннжней мантин. В свяли с этим горячие

точки стали использовать как реперы для определения

абсолютных скоростей движения литосферных плит от

носительно мантии Земли. Однако, поскольку мантия

Земли находится в состоянии конвекции, этот вопрос яв

ляется более сложным, чем представлялось вначале (см.

§ 8.4). Гипотеза плюмов явилась последней новой идеен,

связывающей тектонику плит с гидродинамикой мантни.

8.2. Геохронология и возраст Земли

Вопрос об определении возраста различных геологи

ческих объектов и возраста Земли представляется захва

тывающе интересным. Действительно, трудно в наглядной

форме дать представление о возрастах, с которыми имеют

дело геологи,— они оперируют с цифрами Ю1 лет, 10“ лет,

107 лет и Ю8 лет, ..., 3,75 - 10я лет (возраст древнейших

сохранившихся горных пород) и, наконец, 4,55 • 10® лет

(возраст Земли как планеты). Известный американским

астроном Фр. Уиппл в статье «История Солнечной систе

мы» (1964 г.) построил график (рис. 49), который в на

глядной форме дает представление о росте оценок возра

ста Земли на протяжении нескольких последних столетии.

V современного читателя этот график вызовет улыбку,

ji он его, скорее всего, отнесет к области научного юмора.

Однако послушаем комментарий Уиппла к этому графику:

«На рис. 49 показаны несколько оценок возраста Зем

ли. Эти оценки начинаются с библейского значения воз

раста, который является наименьшим, хотя в него верили

на протяжении наиболее длинного интервала времени и

истории человечества. Следующие значения получены

Гельмгольцем на основе оценки скорости сжатия Солнца,

Кельвином но оценке теплового потока остывающей Зем

ли, Джоли по скорости переноса соли в океаны, Холмсом

на основе радиоактивных измерений и результатов совре

менных исследователей, которые использовали различные

Рис. 49. Оценки иозраста Земли, полученные в ранние время.

методы радиоактивного датирования. В среднем возраст

Земли на протяжении трех последних столетий каждые

15 лет удваивался; эта скорость, возможно, была несколь

ко большей в последнем столетни. Имеется несколько

примечательных исключений нз этих более классических

оценок. Некоторые восточные философы постулировали

значительно большие возрасты. Па западе Джеймс Геттон,

геолог XVIII века, не видел никаких указаний на то, что

должно было быть начало и что наступит когда-нибудь

конец геологическим процессам».

В этом ярком лаконичном комментарии рассказана

вся захватывающая история определения возраста Земли.

В прошлом веке не было известно никаких источников

энергии, кроме энергии гравитационного сжатия для под

держания светимости Солнца. В результате Гельмгольц

получил сильно заниженную оценку для времени светимо

сти Солнца п автоматически для возраста Земли. Во вре

мена лорда Кельвина радиоактивность еще не была из

вестна. Кельвин вычислил тепловой поток остывающей

Земли, который сравнивался с наблюдаемыми значения

ми при времени остывания, на порядок меньшем, чем

давали геологи, определявшие возраст Земли по геологи

ческим разрезам и скоростям осадконакопления. Все, кто

интересуется историей науки, знают, что спор Кельвина

с геологами во второй половине прошлого века сотрясал

научный мир на протяжении длительного времени. От

крытие радиоактивности, как- известно, разрешило спои

в пользу геологов, хотя п Кельвин в своих оценках не

сделал ошибок — он просто не знал о существовании

фактора X (радиоактивности). Наконец, уже упоминав

шийся Джеймс Геттон выдвинул основной принцип гео

логии — принцип актуализма, согласно которому в сред

нем на протяжении геологической истории геологические

процессы развиваются более или менее равномерно. Есте

ственно, что, перейдя от библейского возраста Земли к

современным оценкам геологического возраста, которые

ио тем временам представлялись практически бесконеч

ными, и стоя на позициях принципа актуализма, Геттон

получил историю Земли п без начала, и без конца. На

рис. 49 показана также оценка Хаббла, полученная на

основе времени существования расширяющейся Вселен

ной. В целом же надо сказать, что величайшей заслугой

геологии перед естествознанием является замена библей

ских опенок возраста Земли значениями, которые прин

ципиально не отличаются от современных.

Биостратпграфнческая геохронологическая шкала при

ведена в табл. 9. Она разделяется на эры, периоды н эпо

хи. Приведенная в табл. 9 система названий сложилась

постепенно по мере совершенствования шкалы. Основы

построения' этой шкалы были заложены и первой поло

вине XIX века английскими геологами Смитом и Лай-

елем, которые ясно сформулировали основные принципы

стратиграфии: i) закон напластований — если один слой

(пласт) расположен на другом, то верхний слой образо

вался позднее, чем нижний (при условии отсутствия тек

тонических нарушений); 2) закон фаунистическнх ассо

циаций — слои, содержащие ископаемые остатки одних

п тех же видов животных и растений, образовались в

одни п тот же период. Эволюция животного и раститель

ного мира привела к тому, что ископаемые остатки яв

ляются мотками времени в осадочных слоях земной коры.

До развития методов радиоактивного датирования био-

стратиграфическая ткала по самому своему смыслу была

шкалой относительных возрастов. Приведенные в табл. 9

218

абсолютные значения возраста надежно установлены во

второй половине XX века.

Закон радиоактивного распада был открыт Эрнестом

Резерфордом в 1 ’.)()Г> г. Он ясно сознавал значение своего

Таблица 9

Геохронологическая ткала

Воараст, мл п. лет Периодм

Д .т Т е Л Ь -

НОСТЬ,

лын, лет

1 ,5 -2

12+1

26 ±1

37 ± 2

С0±2

67 ± 3

137±5

195 ± 5

240+10

285+10

340

()

П ш нстоцеп

1 ,5 -2

n 2

Плиоцен

10—10,5

N ,

Миоцен

га

I’S.i

Олкгоцои

й-i

Pg*

Эоцеи

l’g.

Палеоцен

Ci- Мел

Юра

га

Трпас

1 1ср.ч ь

с Карбон

5 5 -7 5

360

410+10

440+15

500+20

> 57 0

Девон

7 0 -5 0

s Силур

сз

1—1

Ордовик

Cm Ксмбрпй

Prz

Протерозой

открытия для геохронологии, и он же произвол пер

вую оценку возраста. Полученная нм цифра, 500 милли

онов лет, но тем времепам представлялась очень большой