О механизме эволюции земной коры
Одной из первых научно обоснованных теорий эволюции земной коры была теория катастроф Кювье. Схематично она заключается в том, что в результате какой-либо общеземной или космической катастрофы вымирает существующий вид жизни. Новые формы жизни образуют следующие слои. Катастрофы же вызывают и изменения форм рельефа. Будучи внутренне противоречивой, эта гипотеза не могла просуществовать долго, хотя и объясняла многие явления. На смену ей пришла эволюционная концепция, которой мы придерживаемся и теперь, однако пути эволюции могут быть различными. Одной из эволюционных гипотез была контракционная гипотеза. Эта гипотеза, казалось, неплохо объясняла процесс горообразования, но не могла объяснить разновременность этого процесса и асимметричное расположение материков северного и южного полушарий. Гипотеза состояла в том, что по мере остывания Земли образовывалась твердая внешняя оболочка – земная кора, которая по мере дальнейшего сжатия внутреннего расплавленного вещества растрескивалась и сминалась, как печеное яблоко при остывании. Так в одних местах появились горные области, в других – образовались впадины. Опустившиеся области заполнялись водой и образовывали впоследствии океаны. При таком механизме по мере сжимания Земли горообразовательный процесс должен был идти более или менее равномерно по всей Земле, тогда как мы встречаем и совсем молодые складчатые области, где процесс не завершен и сейчас (Альпы), и совсем древние, даже разрушенные временем (например, Урал и Тиман).
В рамках этой гипотезы невозможно согласовать скорость охлаждения со сжатием. Исходя из коэффициента объемного сжатия, можно подсчитать, что для образования только одной горной цепи длиной несколько тысяч метров Земля должна охладиться на 1000 °C. Тысяча горных цепей или одна горная страна типа Гималаев потребуют охлаждения Земли на 1 млн. градусов. Такой температуры нет и в ядре Земли. Сейчас считают, что температура ядра около 4000–5000 °C.
Позже возникла идея расширяющейся Земли. Причиной могли быть радиоактивный разогрев, общее тепловое расширение вещества Земли и даже уменьшение гравитационной постоянной. Идеей механизма такого расширения, заимствованной из физики и искусственно приспособленной к геологии, была гипотеза П. Дирака об изменениях гравитационной константы.
Любой механизм контракционной гипотезы не может объяснить существенную разновременность процессов горообразования.
Расширение Земли должно вызывать растрескивание коры и образование океанических впадин. Неоднородные конвективные течения магмы, вызванные внутренним разогревом, могли явиться причиной вертикальных движений, подъемов и опусканий целых областей, в результате которых образовались горы. Но и в случае сжимания Земли, и в случае ее расширения должна сохраняться некоторая симметрия континентов и океанов северного и южного полушарий. Основываясь на этом соображении, задолго до открытия Антарктиды люди считали, что должны существовать один или даже несколько южных материков.
Более обоснованной явилась пришедшая на смену концепция холодного происхождения Земли. Разогрев происходит, с одной стороны, от сжатия, с другой – от радиоактивных процессов. Этот механизм может объяснить неравномерность во времени разогрева различных областей. Этот же разогрев может вызывать явления вулканизма и конвективные движения в мантии (так называется оболочка Земли, лежащая под корой и доходящая до глубин 2900 км), которые, в свою очередь, могут вызвать вертикальные движения земной коры. Эти движения и приводят к тому, что современные горные страны, высоко воздымающиеся над уровнем океана, сложены из пород, образовавшихся под водой, т. е. горы эти когда-то были дном моря – областью накопления морских осадков.
Гипотеза континентального дрейфа
Пангея, Гондвана и Лавразия
Если внимательно посмотреть на карту мира, можно заметить сходство контуров западного побережья Африки и восточного Южной Америки. Сдвинув эти континенты, мы получим почти без разрывов единый континент. Это наводит на мысль, что когда-то Африка и Америка составляли единый материк. Изучение окаменелостей древней флоры и фауны, например каменноугольного периода, показывает их идентичность на обоих континентах. По-видимому, прежде они действительно не разделялись. Согласно концепции вертикальных движений область Атлантики, когда-то соединявшая оба континента, опустилась, образовав Атлантический океан. Это породило фантастические легенды об Атлантиде. Почему при погружении должно было возникнуть подобие береговых линий?
В 1912 г. немецкий ученый – геофизик А. Вегенер сформулировал четкую новую гипотезу эволюции Земли. Он считал, что основные движения, формирующие лик Земли, – горизонтальные. Добавив к поступательным горизонтальным перемещениям вращательные,
А. Вегенер нашел сходство очертаний береговых линий и других континентов. Он не ограничился только внешним изучением. Исследовав окаменелости флоры и фауны, а также палеоклимат – периоды оледенения, он окончательно сформулировал свою гипотезу.
В древние времена, примерно 300 млн. лет назад, существовал на Земле единый континент – Пангея и единый океан – Панталасса. С течением времени этот материк начал раскалываться и расползаться. Сначала образовались два новых праконтинента: Гондвана, включающая в себя Африку, Южную Америку, Индию, Австралию и Антарктиду, и Лавразия, состоявшая из Евразии и Северной Америки. В дальнейшем и эти два праматерика раскололись, расползлись и заняли современное положение.
Гипотеза Вегенера получила название концепции дрейфа континентов.
Идея существования праматерика зародилась в умах ученых задолго до появления гипотезы Вегенера: на нее наводили следы одинаковых климата, растительности и ископаемых животных. И название Гондвана возникло давно – его дал Зюсс еще в прошлом веке по названию древнего индийского племени Гондов.
Гипотеза нашла многих сторонников, однако базировалась она на шатком основании – не был предложен возможный механизм движения. Концепция вертикальных движений, вызываемых неравномерным разогревом и охлаждением недр и конвекционной миграцией (течениями) пластической магмы, объясняла значительно больше явлений, и очень быстро (уже к тридцатым годам) концепция континентов умерла, точнее, о ней начали забывать. Оставались некоторые энтузиасты, например профессор С. Кэрри из Тасманского университета, который много сил отдал изучению палеомагнетизма и древних оледенений. Профессор Э. Буллард из Великобритании сделал реконструкцию Гондваны по сечениям изобат на разных уровнях и получил наилучшее совмещение по изобате 1000 м (рис. 1).
Рис. 1. Реконструкция Гондваны (по Л. П. Зонненшайну и А. М. Городницкому
I – контур современных материков; 2 – контур Гондваны
Второй Международный геофизический год вызвал к жизни обширную программу постоянных, продолжающихся до сих пор геолого-геофизических исследований. Изучались магнитное и гравитационное поля Земли, особенно океанов, началось и систематически проводится глубоководное бурение, исследуются морфология и геологическое строение дна океанов, сейсмические явления и вулканизм, строение глубоководных впадин и желобов, островных дуг и вулканов, распределение теплового потока. Систематически всеми геолого-геофизическими методами начали изучать Антарктиду. Накопилось много данных, которые на новой основе возродили концепцию дрейфа континентов.