1 История океанов
1.1 Эволюция взглядов на динамику литосферных плит
Еще в 1620 году Френсис Бекон впервые обратил внимание на подобии конфигураций противостоящих континентов – Африка и Южная Америка.
В теоретической геологии сама собой и как «очевидная» точка зрения возникла фиксистская концепция, согласно которой все геологические структуры, начиная от континентов, океанов и их дна и кончая островами, всегда находились на поверхности Земли только в строго фиксированном положении. В рамках такой фиксистской концепции любые сколько-нибудь-значительные горизонтальные перемещения геологических структур полностью исключались.
Фиксистский барьер «очевидности» впервые удалось перешагнуть английскому пастору и талантливому физику О. Фишеру в его незаслуженно забытом труде со вполне современным названием «Физика земной коры», изданным ещё в 1889 г. (Ficher, 1889). Заметим, кстати, что, исходя из идеи об изостатическом равновесии материков, О. Фишер в этой же работе впервые правильно определил среднюю толщину континентальной земной коры в 20 – 25 миль, или около 40 км.
В противоположность господствовавшим тогда представлениям о постепенном охлаждении и сжатии Земли, приводящим к возникновению в земной коре напряжений сжатия, О. Фишер, создавая свою концепцию, исходил из факта одновременного существования на Земле структур растяжения и сжатия. К первым он отнес рифтовые зоны, проходящие через Исландию, Срединно-Атлантическое плато (как тогда называли Срединно-Атлантический хребет), Восточную Африку и другие подобные структуры, а ко вторым – Тихоокеанский подвижный пояс, выделяющийся резко повышенной сейсмичностью. За основу геодинамической модели развития земной коры О. Фишер принял закономерности движения лавовых корок, образующихся при остывании магмы в лавовом озере кратера вулкана Килауэа на Гавайских островах. Эти корки всегда перемещались от открытых трещин, заполняемых огненно-жидкой магмой (из которой при остывании и формировались сами корки), к местам их торошения и погружения в глубины расплавленной магмы лавового озера. В результате О. Фишер пришел к естественным выводам. Океаническая кора образуется за счет излияния базальтов из трещин в зонах ее растяжения, таких, например, как в Исландии и на осевом хребте в Атлантическом и других океанах. По периферии Тихого океана существуют зоны сжатия, в которых океаническое дно опускается под островные дуги и континентальные окраины. Этот-то поддвиг океанической коры под континентальную и приводит к возникновению землетрясений под Тихоокеанским подвижным поясом. Континенты пассивно «дрейфуют» вместе с океанической корой от зон растяжения к зонам сжатия. Движущим механизмом, перемещающим блоки земной коры, служат конвективные течения магмы в подкоровом субстрате.
Просто поразительно, как за 70-80 лет до появления основополагающих работ по тектонике литосферных плит была нарисована столь близкая к современной модель развития геологических процессов на Земле. Однако идеи О. Фишера опередили свою эпоху и не были по достоинству оценены современниками. К тому же в то время геологи еще так мало знали о строении океанского дна, что фактический материал, подтверждающий гипотезу О. Фишера о важнейшей роли океанической коры в тектонике Земли, практически отсутствовал. Теперь приходится только гадать, насколько быстро пошло бы развитие современной геологии, если бы идеи О. Фишера были оценены его современниками. Но этого не случилось, и вновь вспомнил о его работах лишь Д. Маккензи в 1972 г. (1975), а более подробно их описали К. Риффо и Кс. Ле Пишон в 1976 г. (1979).
Следующий шаг в развитии идей мобилизма сделал выдающийся немецкий геофизик А. Вегенер, опубликовавший в 1912 г. гипотезу дрейфа континентов. В качестве аргументов, свидетельствующих о дрейфе материков и распаде некогда единого супер-континента Пангеи, А. Вегенер (1925) приводил следующие аргументы: необычайное сходство очертаний западных и восточных береговых линий Атлантического океана, однотипность геологического строения смежных материков, окружающих этот океан, общность древней фауны и флоры на разобщенных ныне материках, а также следы почти одновременного (позднепалеозойского) распространения покровного оледенения в Южной Америке, Южной Африке, Индии и Австралии. К сожалению, с трагической смертью А. Вегенера в 1930 г. его смелая гипотеза была предана забвению.
Почему же так произошло и на этот раз? Помимо определенного консерватизма свойственного научному миру (кстати, иногда это бывает вполне оправдано, поскольку защищает науку от принятия легковесных гипотез), главную роль здесь сыграло ошибочное объяснение А. Вегенером механизма дрейфа континентов, тогда как ни один из его геологических аргументов в пользу самой гипотезы дрейфа, никогда опровергнут так и не был. А. Вегенер предполагал, что перемещения материков происходят за счет ротационных сил и приливных взаимодействий Луны с Землей, т.е. благодаря чисто внешним воздействиям, а не внутренним причинам. Элементарная проверка расчетами показала, что подобный механизм на много порядков слабее тех сил, которые могли бы в действительности сместить материки (Джефрис, 1960). Но весь парадокс ситуации состоял в том, что в 20-х годах вместе с ошибочным механизмом вегенеровской гипотезы «за борт выплеснули» и его совершенно правильные аргументы в пользу реальности самого факта существования дрейфа континентов.
Революционным этапом в развитии представлений об истории океанов стало глубоководное бурение их дна. Американское буровое судно «Гломар Челенджер» начало работу в океане в августе 1968 году. Практически оно побывало во всех частях Мирового океана. Позже к этому проекту присоединились и другие страны, в том числе и СССР.
При исследовании мирового океана в большом объеме были задействованы геофизические методы. После проведения комплекса разносторонних исследований Мирового океана по существу открыта новая часть нашей планеты, в 2,5 раза большая, чем все континенты.
Тектонические процессы, протекающие на обширных пространствах Мирового океана, как в настоящее время, так и миллиард лет назад и затрагивающие всю планету, наиболее полно объясняются концепцией тектоники плит (практически в настоящее время всеми признанной), которая в последнее время существенно дополнилась концепцией плюмажей – конвекционных потоков. Концепция тектоники плит пришла на смену прежним представлениям о дрейфе континентов и спрединга океанического дна. При этом допускается, что литосферные плиты состоят, как правило, из участков океанической и континентальной коры. Кроме того, предусматривается, что перемещение плит происходит не вдоль границ Конрада или Мохо, а по низкоскоростному астеносферному слою. С этих позиций литосфера характеризуется большой жесткостью и плотностью и включает в себя как сиаль, так и симу, как континенты, так и дно океанов, т.е. образует единую плиту. Астеносфера настолько мягка по сравнению выше и ниже лежащими оболочками Земли, что плиты могут скользить по ней под действием конвекционных сил.
В настоящее время преобладает конвекционная теория (Сорохтин О.Г.), позволяющая объяснить причину и динамику движения плит. Движущая сила эволюции – гравитационная конвекция в первоначальной однородной массе планеты и дифференциация ядра и мантии. Сорохтин О.Г. продолжил идеи О.Ю. Шмидта и французского ученого 19 века Эли де Бомона. Сгусток из пыли и межзвездного газа постепенно уплотнялся и в большей степени начала сказываться гравитация. Началась геотектоническая история Земли. В результате этого проявилось все многообразие эволюции, тектонические циклы, кора и мантия, океаны, атмосфера, гидросфера и т.д.
Медленный рост железо-никелевого ядра определил глобальную геологию и тектонику Земли. Внешнее ядро состоит из окиси одновалентной фазы железа. Железо в ядре, а выплавленные легкие шлаки движутся наверх. В этом процессе мантия является мешалкой и транспортером.
Полный оборот вещества в мантии – это один тектонический цикл. Всего было 20 таких циклов за всю прошедшую историю Земли и будет еще 7 циклов, пока не прекратится тектоническая жизнь. Это еще 2 млрд. лет. В астеносфере вязкость меньше, поэтому идут горизонтальные движения.
Над пластичной астеносферой кристаллизуются базальты – отсюда начинается литосфера. Над восходящим потоком появляется гигантская трещина, на много тысяч километров прорезая базальты. Эта трещина – та самая ложбина, расположенная в осевой части срединно-океанических хребтов – рифтовая долина, по которой поступает материал мантии, который застывает, наращивая расходящиеся края. Океаническое дно растаскивается в стороны мощными горизонтальными потоками в астеносфере. Оценивая возраст базальтовых порций (пластин), значит оценивается и возраст океана. Возле хребтов базальты естественно моложе.
Рисунок 1 – Геосферы Земли (по К. Оллиеру)
В зонах подъема мантийных струй плиты растаскиваются в стороны, в зонах опускания мантийных струй плиты будут сходиться. Схождение материков и расхождения было много раз. Сейчас обе Америки дрейфуют на Запад, а Евразия – на Восток.
Когда через 2 млрд. лет мантия очистится от железа и окислов, кислород хлынет в атмосферу. Давление будет в тысячу атмосфер. Материки увеличатся, но поверхность будет ровная и океан по ней растечется. Активность затухнет.
1.2 История возникновения и исчезновения океанов и перемещений континентов
Наиболее надежные представления об истории океанов в пределах области развития коры океанического типа мы имеем только для последних 150 млн. лет. Эти данные получены при глубоководном бурении в Тихом, Индийском и Атлантическом океанах. Однако, это не значит, что ранее океаны не существовали. Протоокеаны существовали всегда – и в раннем мезозое, в палеозое, и в докембрии, т.е. с момента появления воды и коры океанического типа.
Рисунок 2 – Оболочки земной коры и верхней мантии (по К. Оллиеру)
Масса воды в гидросфере (и на поверхности земли) постепенно растет, причем со времени 2 млрд. лет назад практически с постоянной скоростью. Современная гидросфера по отношению к массе земной коры соответствует количеству водяного пара, выделяющегося при извержениях (около 3 % массы изверженного материала).
Рисунок 3 – Реконструкция взаимного расположения континентов и океанов в различные геологические эпохи. На этом рисунке вы видите Землю, какой она была в начале полеозоя (около 480 млн. лет назад). Карта построена на ЭВМ по методике, разработанной в Институте океанологии им. П.П. Ширшова АН СССР.
Нижний рисунок – образование рифтовой зоны (по А. Городницкому, 1981)
В соответствии с положениями концепции тектоники плит движение океанических плит в пределах современных средних размеров океанов идет с такой скоростью, что максимальная продолжительность их существования до исчезновения плит в областях субдукции составляет при средней скорости спрединга 3 см/год около 150-160 млн. лет. Сходный возраст имеют и многие пассивные окраины океанов.
Признаки древних-докембрийских и палеозойских океанов обнаружены и на суше. Это – офиолитовые, известково-щелочные и некоторые другие комплексы. Для фанерозоя палеотектонические реконструкции основных элементов геодинамики выполнены Зоненшайном Л.П. и др. Современное взаиморасположение материков возникло в результате длительного их развития, различных по направлению перемещений, столкновений и исчезновения древних океанов.
При движении плит то открывались, то исчезали крупные проливы, соединявшие океаны, менялись системы циркуляции поверхностных и глубинных вод, менялась флора и фауна в океанах и на континентах. Движение плит происходило сложным образом, расширение дна океанов шло по нормали к срединным хребтам с разной скоростью и в разных направлениях, причем для каждого океана оно менялось во времени. Каждая плита находилась под действием многих сил, что приводило к сложной картине суммарных перемещений плит, вызывало значительные напряжения на их границах. В реконструкциях океаническая и континентальная части каждой из плит двигались вместе.
Со времен как образовались океаны, океаническая кора всегда была наиболее распространенной. Непрерывное обновление океанической коры находит подтверждение при подсчете объема осадков в океане. Если принимать даже самые низкие скорости седиментации, известные для современного этапа и фанерозоя, то и при этом слой осадочных отложений в океане должен был бы составить несколько десятков километров, т.е. океаны должны быть погребены под осадками.
На самом же деле средняя мощность осадочной оболочки океанов – около 500 м. Это объясняется погружением коры в зону и переплавлением, а также обновлением и наращиванием базальтового ложа океанов.
Таким образом, для воссоздания картины прошлого большую роль играют находки на континентах древней океанической коры – офиолитовых комплексов горных пород, в состав которых входят гипербазиты, габбро, базальты и перекрывающие их глубоководные кремнистые осадки.
Офиолитовые комплексы можно найти во всех складчатых поясах Земли – на Урале, Кавказе и Аппалачских горах США. По ним можно проследить древние границы океанов, исчезнувших затем. Они показывают, что Евразия – континент возник в результате столкновения и спаивания нескольких более мелких континентов. Свидетелями границ древних океанов являются и вулканические цепи, в основном андезитового состава – древние островные дуги.
Палеозойский этап развития Земли начался с существования в начале трех океанов, а с карбона – единого большого океана Панталасса, который весьма примечателен с точки зрения литологии. Известно, что главная часть терригенного материала образуется в гумидных зонах экваториальных частей суши с их огромными скоростями выветривания. В настоящее время оттуда поступает ¾ терригенного материала планеты, а занимает 39 % поверхности современной суши. В палеозойских океанах: палео–Азиатский, палео–Тетис, палео–Атлантический и в раннемезозойском океане Панталасса в экваториальных зонах суша отсутствовала. Только в карбоне – перми континенты движением плит были введены в экватор. Начался усиленный снос тогда терригенного материала.
Южные материки Антарктида, Австралия, Африка и Южная Америка на протяжении всего палеозоя были объединены в единый материк – Гондвану. Вдоль их границ нет офиолитовых комплексов, значит, не было и океанов.
По другую сторону тогдашних океанов располагалась группа северных материков: Северо-Американский, Восточно-Европейский и Сибирский, а также микроконтиненты: Казахстан, Средняя Европа и другие. Северо-Западная Африка находилась на Южном полюсе. Северные материки располагались в экваториальной части.
480-450 млн. лет назад северные континенты постепенно сближаются; палеоАтлантический и палео-Азиатский океаны понемногу закрываются. Рождается новый океан палео-Тетис. На его северном краю возникают гигантские цепи островных дуг с вулканами. В дальнейшем в среднем палеозое, в силуре и девоне, начинается объединение всех континентов. Океан палео-Тетис сильно сокращается. Все это продолжается и в период раннего карбона. В местах столкновений образуется герцинский складчатый пояс. Формируется новый океан палео-Тетис II, отделяющий Китайский континент от Сибири и Казахстана. Гигантские ледники покрывают Гондвану.
290-270 млн. лет назад образуется единый сверхматерик – Пангея, состоящий из двух частей – Лавразия на севере и Гондвана на юге. Он просуществовал до триаса – ранней юры.
На восточном краю Пангеи располагались протяженные вулканические пояса, с которыми связаны месторождения цветных и редких металлов. Южный полюс находился в Антарктиде. Пангею покрывали ледники. Оледенения заканчиваются в триасе 220-200 млн. лет назад. Закрывается океан палео-Тетис II, Китайский континент припаивается к Евразии. Триас – ранняя юра – время низкого уровня океана.
Затем Пангея в триасе начала распадаться и была разделена крупным океаном Тетис на три части: Гондвану, Лавразию и Китайский континент. Дальше материки дробились по разломам-рифтам, которые могли расшириться до океана. Началось все с Лавразии. Северная Америка отодвигается от Европы; между ними образовался Атлантический океан. Евразия сместилась к северу.
В конце юрской эпохи (160-140 млн. лет назад) начала распадаться Гондвана, существовавшей 500 млн лет Гондвана (южная группа материков) распалась на 8 частей: Антарктида, Южная Америка, Африка, Аравия, Австралия, Индия, Мадагаскар, Новая Зеландия. Таким образом, распад Пангеи продолжался вплоть до позднего мела.
В местах раскола Гондваны возникли рифтовые зоны и срединноокеанические хребты. Континенты Гондваны перемещаются к северу кроме Антарктиды. Индия столкнулась с Евразией, в результате чего образовались Гималайские горы. Увеличивалась протяженность срединных хребтов и скорости спрединга. Уровень океана поднялся на 300-500 м в позднемеловое время, потом начался спад уровня до минимальных отметок (-150 м.).
Южная часть Атлантики начала раскрываться 135 млн. лет назад, в конце юры. Рифтовая зона, от которой началось раздвижение Африки и Южной Америки, как полагают, напоминала современное Красное море. Атлантический океан принял знакомые нам очертания, вероятно, к концу мела (65 млн. лет назад). Нераскрытой оставалась только самая северная его часть и Северный Ледовитый океан.
В Тихом океане в юрское и меловое время, по-видимому, существовала система глубоководных желобов, поглощающих литосферные плиты Северной и Южной Америки. Двигаясь на запад, Северная Америка надвинулась на существовавшие здесь глубоководные желоба и перекрыла их. Южная Америка, достигнув Андского (Перуанско-Чилийского) желоба, не закрыла его, а начала сдвигать его к западу. В кайнозое материки заняли современные позиции.
В верхнем мелу сближаются Африка и Евразия. На северном краю закрывающегося океана Тетис возникает огромный пояс вулканических дуг, протягивающийся от Юго-Восточной Европы до Гималаев и далее. Здесь также сосредоточены месторождения золота, олова, вольфрама и полиметаллов. В кайнозойскую эру океан Тетис почти закрылся. Африка сминает южную часть Европы. Возникает Альпийский складчатый пояс. От Тетиса остались Средиземное и Черное моря. Надвигание продолжается, вулканы Италии действуют.
В связи с дрейфом материков выясняется важная закономерность, которая приводила в прошлом и привела в четвертичное время к резким похолоданиям, развитию оледенения. Попадание обширной суши на Северный или Южный полюсы приводило к развитию околополярного оледенения и похолодание климата всей Земли. При попадании океана на полюс происходило выравнивание температур и наступало потепление. Ледниковые периоды в истории Земли повторялись. Для северной Европы с юры до середины эоцена среднегодовая температура повышалась до 25-30 °С, затем снизилась до современных значений – 5-10 °С.
Рисунок 4 – Африка, Европа (отдельно Испания), Гренландия, Северная и Южная Америки передвинуты на глобусе без изменения их размеров и формы так, чтобы их контуры сошлись, возможно, лучше (по Э. Буларду и др.).
Контурами материков считаются линии глубин до 500 метров.
На плоской карте изображения материков неизбежно искажены, что видно по искривлению сетки меридианов и широтных кругов.
Огромная рифтовая зона развивается под озером Байкал и под Красным морем. Континенты снова собираются воедино в Северном полушарии. Цикл расхождения и схождения всех материков составляет 600 млн. лет. Видимо, суперконтиненты образовывались на нашей планете не раз.
Выявление факта непрерывного формирования океанической коры и последующего исчезновения в глубоководных желобах, позволяет совершенно иначе, чем ранее, подходить к пониманию истории океанов. Поскольку плиты двигаются, точка наблюдения не фиксирована. Она меняет свои координаты и при движении например по меридиану происходит смена разных климатических условий вплоть до северных широт. Соответственно развитие осадочной толщи в основных чертах предопределяется геологической историей ложа океана. Ежегодно уходит в глубинные слои Земли около 1,5 км3 осадков океана.
1. Концепция дрейфа континентов А. Вегенера.
2. Роль бурового судна «Гюмар Челленджер» в исследовании океанов.
3. Конвекционная теория О.Г. Сорохтина.
4. Офиолиты на материках – признаки существования древних океанов.
5. Суперматерики – Гондвана, Лавразия, Пангея.
6. Дрейф материков и изменение климата на Земле.
7. Формирование океанической коры и её исчезновение.