Дрейф геомагнітних полюсів або дрейф материків?

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Климаты и магнитное поле прошлого Земли

Вопрос, вынесенный в назва­ние этой главы, вызвал в 50-х— начале 60-х гг. горячие споры сре­ди геологов. В то время еще не произошло разделение геологов на «фиксистов» и «мобилистов», как сейчас, большинство геологов считало, что земная кора и верх­няя мантия надежно связаны по ввртикали с нижней мантией Зем­ли, и что земная поверхность ис­пытывает только вертикальные ко­лебательные движения. Сторон­ники гипотезы дрейфа материков, правда, указывали на геологиче­ские и палеоклиматические приз­наки, свидетельствующие о пере­мещениях континентов в прошлые геологические эпохи, но прямых доказательств этих движений еще не было найдено.

Идейным «отцом» современно­го мобилизма принято считать не­мецкого геофизика Альфреда Вегенера.

В 1915 г. он опубликовал свою ставшую позже знаменитой книгу «Происхождение материков и океанов». Это новое, неизвестное раньше в геологических кругах имя сразу же обратило на себя внимание научной общественно­сти. Хотя идеи о том, что матери­ки в геологической истории Зем­ли смещались, высказывались и раньше, Вегенер собрал наибо­лее полный круг из имевшихся в те годы доказательств дрейфа материков, а также предложил движущий механизм дрейфа. Он считал, что сил вращения Земли достаточно для того, чтобы сдви­нуть континентальные глыбы и привести их с течением времени в современное положение. Этот ошибочный вывод Вегенера был резко раскритикован физиками, и основной — геологический — смысл работы оказался как бы на втором плане. Между тем, Вегенер предсказал многие факты гео­логического строения и развития Земли, которые в настоящее вре­мя кажутся классическими. На­пример, на основании анализа гипсографической кривой он при­шел к правильному выводу о том, что материки и океаны прин­ципиально различаются по гео­логическому строению: континен­ты сложены преимущественно гранитными породами, а ложе океана — базальтами. Полстоле­тия спустя это было доказано в результате сейсмических работ в океанах. Анализируя распростра­нение на материках Южного полу­шария древних ледниковых отло­жений, он, вопреки господство­вавшему мнению, сделал заклю­чение, что только дрейфом мате­риков можно объяснить их нынеш­нюю удаленность от полюсов Земли.

Существовавшее уже в то вре­мя представление о Гондване — суперконтиненте, объединявшем материки Южного полушария (Ав­стралию, Африку, Южную Амери­ку, Антарктиду), а также Индию — Вегенер развил предположением о том, что еще ранее все матери­ки Земли были объединены в Пангею, которая начала распадаться только в юрское время. Первыми двумя «осколками» этого гигант­ского материка были Гондвана и Лавразия (последняя объединяла материки Северного полушария).

Вегенер и несколько его пред­шественников и последователей создали школу мобилизма, мно­гие положения которой принима­ются их современными последо­вателями в качестве основопола­гающих. Однако критика движу­щего механизма дрейфа матери­ков привела впоследствии к не­которому забвению идей моби­лизма, и внимание геологов было сосредоточено на вертикальных движениях земной коры.

В течение длительного време­ни только палеоклиматология под­держивала идеи Вегенера, не да­вая гипотезе о дрейфе материков окончательно исчезнуть из поля зрения геологов.

При палеоклиматическом ана­лизе исследователи исходят из актуалистических представлений о том, что в геологическом прош­лом на Земле сохранялась клима­тическая зональность, аналогич­ная нынешней, т. е., что всегда были холодные полярные и жар­кие экваториальные области, а между ними располагались пояса умеренного и тропического кли­мата. Для каждого из таких поя­сов характерен, в общем, свой набор осадочных пород — инди­каторов климата. Например, соленосные толщи характерны для сухих — аридных — областей; ко­ралловые постройки — так назы­ваемые рифовые комплексы — типичны для теплых морей тро­пической зоны; угленосные свиты и торфяники характеризуют влаж­ный, гумидный климат. Однако трактовка этих данных далеко не так однозначна и точна, как тре­буется для палеотектонических реконструкций. Так, материковые оледенения, не раз охватывавшие большие площади Земли в прош­лом, иногда связываются с галактическими явлениями (галактиче­ским годом), вступлением Земли в область галактической «зимы» и т. д. Пожалуй, только геологи, занимавшиеся изучением Гондва­ны, отмечали, что разрозненные, удаленные в настоящее время от полюсов Земли фрагменты ранне­палеозойских и более поздних тиллитов (ископаемых ледниковых отложений) в геологическом прошлом были сконцентрированы в приполярной области.

Очень характерны в этом от­ношении споры о позднепалео­зойском оледенении. В южных частях Африки, Индии, Южной Америки, Австралии, а также в Антарктиде в породах пермского возраста обнаружены мощные толщи древних ледниковых отло­жений. «Великое позднепалеозойское оледенение Гондваны», как его часто называют, рассматрива­ется геологами-мобилистами в ка­честве прямого и неоспоримого доказательства расположения этих материков в приполярной об­ласти. Но некоторые геологи счи­тают, что это было не покровное оледенение, вроде современной полярной «шапки» Антарктиды, а высокогорное, фрагментарное развитие ледниковых покровов. Значит, считают геологи-фиксисты, для объяснения оледенения сов­сем не нужно, чтобы материки гондванской группы в позднем палеозое занимали приполярное положение. Ведь даже на эквато­ре высоко в горах лежит снежный покров. К сожалению, чисто гео­логические признаки не позво­ляют достоверно и однозначно разрешить этот спор между пред­ствителями двух научных школ.

По породам — индикаторам климата можно наметить положе­ние поясов не только полярных, но и умеренных и жарких областей. Например, соленосные толщи (эвапориты) характеризуют сухой и жаркий субтропический климат. Анализ современного распреде­ления этих пород заставляет от­казаться от предположения о том, что материки в геологической истории оставались неподвижными относительно полюсов Земли и эк­ватора. Например, для раннего кембрия в геологической литера­туре предлагается три варианта реконструкций, которые приводят к созданию единых для всей Земли поясов распространения соленосных толщ — эвапоритовых поясов. Для доказательства одного из них нужно предположить, что в раннем кембрии наступило все­общее потепление на Земле, это мало вероятно; второй вариант предусматривает иное, по срав­нению с современным, располо­жение полюсов Земли и эквато­ра при неизменном положении материков. Третий вариант возмо­жен при условии дрейфа матери­ков. Размещение эвапоритовых поясов в девоне, выполненное па­леоклиматологами с учетом дрей­фа материков, хорошо согласует­ся с реконструкциями американ­ского ученого Н. Опдайка и дру­гих палеомагнитологов, которые показали аналогичное распреде­ление в девоне зон теплого тропи­ческого климата по палеомагнит­ным данным.

Анализ материалов по эвапоритовым отложениям второй по­ловины ранней перми и поздней перми показывает, что без прив­лечения представлений о дрейфе материков не удастся наметить в это время аридный пояс Земли. С учетом дрейфа эвапоритовый пояс для ранней и поздней перми выделяется в виде единой широ­кой зоны, охватывающей все об­ласти аридного осадконакопления в Лавразии и Гондване на площади от 50° ю. ш. до 30° с. ш.

Как видно из нашего коротко­го обзора, палеоклиматические данные хотя и подкрепляют гипо­тезу дрейфа материков, но дале­ко не всегда дают однозначный, а главное точный в пространстве географических координат ответ на вопрос о положении континен­тов в геологическом прошлом Земли.

Качественно новый этап раз­вития гипотезы дрейфа материков начался с того момента, когда для ее доказательства были привлече­ны палеомагнитные данные, т. е. сведения о магнитном поле Зем­ли в геологическом прошлом.

Вывод о том, что многие гор­ные породы обладают собствен­ной намагниченностью, был сде­лан давно. Но к середине нашего столетия об этом накопился уже довольно большой и часто про­тиворечивый материал. Оказа­лось, что данные, собранные да­же в пределах одного какого-либо материка, указывают на то, что геомагнитный полюс с тече­нием времени смещался на зна­чительные расстояния. Например, было установлено, что северный геомагнитный полюс для ордови­ка и силура Северной Америки располагался вблизи экватора, а затем в течение позднего палео­зоя и мезо-кайнозоя испытал поступательное движение к се­веру. Так сначала возникло пред­ставление о дрейфе геомагнит­ных полюсов. Однако вскоре было установлено, что кривые дрейфа геомагнитных полюсов для разных материков заметно отличают­ся друг от друга. Например, сов­сем иначе «вела» себя Австра­лия, для которой кривая дрейфа геомагнитного полюса проходит через приполярную область в карбоне. Естественный вопрос, поставленный при анализе этих противоречивых данных, заклю­чался в следующем: что же сме­щается — геомагнитные полюса относительно неподвижных кон­тинентов или же континенты, ко­торые дрейфуют независимо по отношению к неподвижным полю­сам?

Современное магнитное поле — дипольное. Но оставалось ли оно таким всегда? Может быть, не­зависимый дрейф геомагнитных полюсов указывает на то, что раньше таких диполей было много (т. е. поле было мультипольным), и в пределах каждого материка можно найти следы нескольких диполей?

Для проверки этого была вы­брана Русская платформа — ги­гантская стабильная область. Палеомагнитологи под руководством А. Н. Храмова изучали ориентиро­ванные образцы из палеозойских отложений Русской платформы из разных, самых удаленных друг от друга ее частей. И каждый раз оказывалось, что как бы ни были удалены друг от друга точки, где отбирались образцы, вычис­ленные палеомагнитные полюса для одного и того же геологиче­ского времени совпадали между собой. Эти факты позволили сде­лать вывод о том, что магнитное поле на Земле и раньше было дипольным.

Траектория движения Южного полюса относительно Африки и Южной Америки в позднем палеозое при современном расположении континентов (а) и при реконструкции Гондваны (б). Цифры — возраст с интервалом в 50 млн. лет. Чередование черных и белых участков на шкале времени показывает, что скорость дрейфа материков в различные эпохи была неодинаковой

То, что для разных континен­тов положение геомагнитных по­люсов на каждую геологическую эпоху оказывается различным, дало возможность высказать гипоте­зу, альтернативную представле­нию о дрейфе геомагнитных по­люсов. Если в геологическом прошлом ось геомагнитного дипо­ля, как и в настоящее время, в среднем за десятки тысяч лет сов­падала с осью вращения Земли, то расхождение в положении гео­магнитных полюсов можно объяс­нить независимым дрейфом кон­тинентов по поверхности нашей планеты. Уже первые проверки этого предположения показали, что палеомагнитные данные под­тверждают правильность рекон­струкций Вегенера. Палеомагнитный метод явился, по сущест­ву, единственным методом гео­хронологии, позволившим не только качественно, но и количествен­но определять горизонтальные смещения континентальных бло­ков.

Палеомагнетизм и движение материков

При отборе палеомагнитных данных для палеотектонических реконструкций необходимо про­изводить тщательный анализ исходного материала и отбраков­ку малодостоверных данных. Дело в том, что после образова­ния горные породы испытывают различные, часто значительные деформации. Во-первых, горные породы могут сминаться в склад­ки, что изменит первоначальное направление на палеомагнитный полюс. Во-вторых, искажения вносят процессы метаморфизма. Если сильные давления, т. е. динамометаморфизм, могут вызвать переориентировку магнитных ми­нералов в породе, исказив ее внутреннее магнитное поле напо­добие складчатых движений, то процессы термального мета­морфизма омолаживают «гео­магнитный» возраст породы, по­скольку высокие температуры сначала размагнитят горные по­роды, а после остывания ниже точки Кюри горная порода намаг­нитится в соответствии с новым магнитным полем. В-третьих, не все магнитные минералы стабиль­ны. Нестабильные минералы, по­падая под воздействие сильных магнитных полей, переориентиру­ются в соответствии с ними. Кроме того, магнитные минералы, под­вергаясь низкотемпературным хи­мическим изменениям, могут «ста­реть», теряя в значительной степе­ни свою намагниченность.

Если все эти осложняющие факторы не учитываются, карти­на смещения материковых блоков оказывается неправдоподобно сложной. Так, в одной из ранних работ по палеомагнетизму Австра­лии (относящейся к середине 60-х гг.) доказывалось, что в про­цессе смещения к северу этот ма­терик испытывал еще и вращатель­ное движение приблизительно вокруг своего центра. Если бы такое движение происходило в действительности, на дне океана должны были бы образоваться спиральные формы рельефа дна — следы вращения. Ничего подобного батиметрические кар­ты не показывают. И действитель­но, более тщательный отбор дан­ных позволил отказаться от такой экзотической гипотезы, в кото­рой материк исполняет сложный «танец».

Однако ошибки, подобные только что описанной, заставили некоторых геологов считать палеомагнитные данные недостовер­ными.

С развитием палеомагнитных методов тщательность анализов значительно увеличилась. В настоя­щее время для изучения природы намагниченности горных пород и оценки ее первичного характе­ра ориентированные образцы под­вергаются термической чистке при температуре 200—600°С, а также «магнитной» чистке в пере­менных или постоянных магнит­ных полях и т. д. При каждой чистке нестабильные образцы отбраковываются. Это позволило значительно повысить точность и достоверность палеомагнитных определений и перейти к их син­тезу — построению реконструк­ций движений материков. Из таких работ следует упомянуть рекон­струкции положения материков в палеозое, выполненные под ру­ководством А. Н. Храмова, а так­же позднепалеозойско-кайнозойские реконструкции английских и американских геологов и палеомагнитологов Р. Дица и Дж. Холдена, М. Мак-Элхинни, Дж. Брайдена, К. Крира. И все же палеомагнитный метод обладает рядом существенных ограничений. Да­вая довольно точное определение палеомагнитной широты, он оста­вляет сомнения относительно дол­готы того места, где был отобран образец горной породы. Кроме того, в ряде случаев — особенно для древних геологических эпох — в условиях обращений магнитно­го поля легко спутать северный геомагнитный полюс с южным, а от этого будет зависеть пред­ставление о дальнейшем движе­нии всего материкового блока в северном или же в южном напра­влении. Преодолеть некоторые из этих затруднений удается в ре­зультате совместного анализа па­леомагнитных и геологических данных.

За последнее время в геоло­гии широкое развитие получило учение о специфических узких, линейно-вытянутых зонах, часто встречающихся в складчатых поя­сах — офиолитовых зонах — как «останцах» палеоокеанов Земли, прекративших свое существова­ние в результате сближения кон­тинентальных массивов.

В нашей стране представления об офиолитовых поясах как об океанической коре геологическо­го прошлого Земли развиваются научной школой советского ака­демика А. В. Пейве. Разрез офиолитовой ассоциации полностью от­вечает разрезу земной коры со­временных океанов. В них, как и в океанах, в основании залега­ют серпентинизированные ультра­основные породы, выше распо­лагаются габброиды и толеито­вые базальты, а еще выше — оса­дочный комплекс — глубоковод­ные отложения. Залегают офио­литы в виде надвиговых пластин, отторженных от мест их первона­чального залегания. Из этого сле­дует, что в геологической истории Земли континенты существовали не в том первоначальном виде, в котором мы их видим сейчас. Го­ризонтальные и вертикальные дви­жения значительно изменили их облик. Кроме того, существовали и разделявшие эти континенты океаны, которые в процессе эво­люции земной коры навсегда ис­чезли с лица Земли. Таким обра­зом, современные континенты представляют собой «конгломе­рат» континентов и микроконти­нентов прошлого. И каждый фраг­мент в этом «конгломерате» в прошлые геологические эпохи занимал свое положение, двигался более или менее независимо от других фрагментов до тех пор, пока в результате столкновения эти фрагменты не спаялись вместе.

Такой новых подход, использованный советскими геофизика­ми А. М. Городницким и Е. Г. Мирлиным и геологом Л. П. Зоненшайном при реконструкции положения материков в фанеро­зое, т. е. за последние 570 млн. лет, позволил понять, почему в ряде случаев палеомагнитные дан­ные по одному и тому же мате­рику, но взятые в разных его частях, дают различное предста­вление о движении этого матери­ка. Ярким примером «конгломе­рата» континентов прошлого явля­ется, например, Евразия. Дей­ствительно, кривые дрейфа гео­магнитных полюсов показывают, что Западная Европа, Восточная Европа, Сибирская, Индийская и Китайская платформы, Казахстан­ский и Индокитайский блоки дви­гались далеко не всегда согласо­ванно, часто — в разных направле­ниях. А геологические данные позволяют объяснить этот фено­мен тем, что по офиолитовым поя­сам, которые разделяют эти бло­ки, реконструируются палео-океа­ны Земли: Палео-Тетис-1 и Палео-Тетис-2, а после их закрытия — и гигантский палео-Тихий океан. Новое подтверждение правиль­ности реконструкций, выполнен­ных на основании палеомагнит­ных данных, было получено при изучении магнитного поля Миро­вого океана.

• ← Основи магнітостратиграфії та магнітохронологічна шкала
• Материки та океани у геологічній історії Землі →