Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

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

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.