Дрейф геомагнітних полюсів або дрейф материків?
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
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.