С. Невин
Слово «тектоника» в переводе с греческого означает строительство, и по отношению к выражению «тектоника земной коры» это наиболее точно. Земная кора действительно строилась и перестраивалась в течение всей геологической истории. Она и в настоящее время продолжает перестраиваться. Процесс перестройки означает, очевидно, преобразование внутреннего строения земной коры, из чего следует, что в каждый отдельный момент геологической истории Земля и ее кора обладают какой-то завершенной на данный момент структурой.
При подобном понимании тектоники как процесса перестройки коры и тем самым создания ее внутренней и внешней (формы земной поверхности) структуры главная роль отводится механическим силам, почему и сами преобразования рассматриваются в основном как механические деформации различных геологических тел и их сочетаний. Такие деформации, слабые и сильные, медленные и быстрые, геологи называют специальным словом «дислокации».
Но откуда берутся тектонические силы и деформации, составляющие механику земной коры? Этот вопрос, один из главнейших для всей геологии, остается до сих пор не решенным, оставаясь в сфере более или менее обоснованных, более или менее остроумных догадок и предположений. И это несмотря на то (а пожалуй, именно потому), что источников механических напряжений в земной коре более чем достаточно. Чего стоит одно вращение Земли вокруг своей оси! Оно порождает центробежные силы, максимальные на экваторе и равные нулю на полюсах, а в промежуточных широтах отклоняют все тела, движущиеся косо к параллелям, в северном полушарии вправо, а в южном — Блево. Скорость вращения Земли во времени закономерно, хотя и незначительно, меняется. На Землю действуют мощные приливы, вызванные тяготением соседних небесных тел, особенно Луны. Эти приливы совершенно регулярны и движут как воды океана, так и твердую земную кору. А земное тяготение и сила тяжести, увлекающие любые, большие и малые, массы вниз, к центру Земли! А наличие огромных запасов тепловой энергии в недрах планеты и несомненные факты приближения порций этой энергии снизу к земной коре и даже к самой поверхности (вспомним об извержениях вулканов, о постоянном глубинном тепловом потоке), неравномерного от места к месту и от времени до времениШ мнооое, многое другое, вроде установленного перемещения географических и магнитных полюсов, вероятных изменений длины земного радиуса. И вот при таком разнообразии возможных причин, вызывающих механические напряжения земной коры, основная причина, которой можно было бы объяснить все тектонические явления, если положить руку на сердце, все еще не найдена. А если, как думают некоторые увлекающиеся ученые, и найдена, то далеко не всеми признана. К счастью, это не мешает изучать тектонику земной коры, хотя такое изучение и основано на допущениях, а не на научных истинах и во многом формально. На помощь приходят полевые наблюдения, сбор фактов, лабораторный эксперимент, изучение морфологии деформаций земной коры и отдельных геологических тел, и малых, и очень больших, и гигантских, и, наконец, самый могущественный из всех методов геологии — исторический. Геологи уже давно научились различать в тектонике земной коры структуры активные и пассивные, кратковременно и длительно развивающиеся, жесткие и податливые к деформациям, первичные (например, когда горизонтально лежащие слои осадочных пород впервые сминались в складки) и вторичные, наложенные, при которых слои, уже собранные в складки, еще раз сминались, часто под другим углом, рассекались разломами, срывались со своего основания и т. д. Самое же главное, геологи, пользуясь шкалой геологического времени и возрастом геологических тел, испытавших ту или иную деформацию, научились располагать тектонические явления прошлого в достаточно строгом историческом порядке и тем самым видеть реальные связи (часто унаследованные) таких разновременных явлений. В настоящее время удалось, пользуясь всеми этими приемами, представить себе тектоническую историю земной коры, т. е. ход перестройки земной коры и более подробно отдельных крупных ее частей, начиная с глубокого докембрия до современности. Это огромное завоевание геологической науки. Большую роль в этом очень трудном деле сыграли советские ученые, немалое значение имели в нем их исследования в Восточной Сибири.
Удалось ли выявить основную линию и направление тектонического развития земной коры? Пожалуй, еще нет. Покажем это на развитии самой геологии в течение последних двух веков.
Мы помним теорию (скорее, гипотезу) Канта—Лапласа о происхождении Солнечной системы, ее планет и, следовательно, Земли путем сжатия, разогрева и последовательного отрыва экваториальных колец от вращающейся центральной туманности. Из распавшихся колец образовались отдельные планеты, центральное ядро стало Солнцем. Земля, первоначально расплавленный сгусток космической материи, охлаждаясь, постепенно покрылась твердой корой, над ней образовались водный и воздушный океаны. Но Земля продолжала охлаждаться и сжиматься. Уже остывшая кора, имея под собой продолжающее охлаждаться и сжиматься ядро, принуждена сокращаться, сморщиваться, собираться в складки и пр. В таких представлениях, казалось, была найдена причина тектонических сил и деформаций. Пока Земля не остынет и не затвердеет окончательно, эти силы и рычаги геологической истории будут действовать безотказно.
Время шло, наука развивалась, и представление о непрерывном сжатии Земли, названное теорией контракции (сокращения), пришлось оставить — оно не могло объяснить установленных геологией новых фактов и закономерностей, в особенности объяснить неравномерность тектонических явлений прошлого как во времени, так и пространстве. Выяснились периодичность, или цикличность, в истории земной коры, необъяснимые одной контракцией. Было установлено, что периоды спокойного тектонического режима, при котором сильнейшие деформации коры или даже ее отдельных частей на Земле не имели места, сменялись относительно менее продолжительными периодами бурного развития, громадных глубинных деформаций, разломов земной коры и горообразования. Вместе с тем оказалось, что такие геологические бури разыгрывались по земному шару с неодинаковой силой. Они концентрировались в сравнительно узких окраинно-материковых и островных зонах, где земная кора в предыдущем периоде относительного покоя испытывала длительный и глубокий прогиб, где накапливались осадки, нередко огромной мощности, а также толщи вулканического происхождения. Такие зоны — особо подвижные области земной коры — были названы геосинклиналями. Они проходят в своем развитии через тектонический цикл один или несколько раз и в конце концов как бы «умирают», окостеневают, насыщаются глубинными внедрениями магмы преимущественно кислой (гранитной), становятся малоподвижными и превращаются в так называемые платформы — жесткие устойчивые массы, не способные к сжатию и складкообразованию. В силу своей относительной хрупкости, тело платформ подвержено, однако, разломам, главным образом по своей периферии. Эти разломы в неспокойные стадии развития земной коры служат каналами, по которым из подкоровых глубин поднимаются к поверхности и изливаются на ней в виде лав основные породы, близкие к базальтам. Таковы, между прочим, сибирские траппы, которые в виде внутрисловных внедрений и покровов занимают огромное пространство между Енисеем и Леной, примерно в середине Сибирской платформы, образуя широко известную Тунгусскую трапповую провинцию.
Таким образом, платформы — это отжившие свой геологический век геосинклинали, как бы опоры, жесткие ядра земной коры, сохраняющиеся почти неизменно в течение многих периодов и даже эр. Однако историческая геология знает отдельные случаи перерождения платформы снова в геосинклиналь, точнее,— превращение платформы или ее части в фундамент новой геосинклинали.
Итак, развитие структуры земной коры идет через возникновение, развитие (возможное как на материковой, так и на океанической коре) и, так сказать, замыкание геосинклинали с превращением обычно в горную сушу и затем в платформу. В этом геологическом учении, названном теорией платформ и геосинклиналей, путь развития коры однозначен — превращение (в далеком от нас будущем) коры в общую жесткую массу, состоящую из спаянных друг с другом платформ при частичном или полном вырождении геосинклиналей. В таких взглядах энергетическим источником тектонических процессов остается глубинное тепло, а в далекой геологической перспективе, так же как в теории контракции, его иссякание и тепловая «смерть» Земли. Моделью такой перспективы была (кстати, и остается) Луна.
Что же дальше? Дальше в течение многих лет классическая теория геосинклиналей не имела соперниц. Но она была основана, естественно, главным образом на изучении геологии материков, островов и околоматериковых мелководий. Океаны, их геология и их прошлое оставались загадкой. Только в 1960-х годах изучение океанов резко продвинулось вперед. Оно принесло замечательные, во многом неожиданные результаты. Была открыта Мировая рифтовая система, состоящая из подводных хребтов и впадин, как бы оплетающая весь земной шар. Об этой системе мы расскажем подробнее в главе «Что такое Байкальский рифт?». Сейчас отметим только, что рифтовые хребты и впадины оказались очагами растяжения земной коры и в океанах, и на материках, что их рост приводит к расширению (спредингу) ложа океанов в обе стороны от срединно-океанических хребтов. Оси этих хребтов соответствуют глубоким разломам, по которым мантийное вещество поднимается на поверхность и дает начало новым порциям океанической коры, отталкивая старую океаническую кору в стороны континентов, где эта кора вместе с накопленными на ней морскими осадками погружается под значительным углом под материки (такое явление названо субдукцией), там перерабатывается и наращивает собой снизу кору материков.
Но и материки не остаются при этом неподвижными, и речь идет уже не о земном шаре, как таковом (см. главу 1), а об литосфере, которая, кроме коры, включает в себя верхние горизонты верхней мантии и лежит на астеносфере, вещество которой находится в частично расплавленном виде, имеет пониженную вязкость. Это дает литосфере или отдельным ее пластинам возможность скользить в горизонтальном направлении, а также при каждом значительном изменении нагрузки сверху немного «тонуть» или немного «всплывать» на астеносфере. Так сложилась так называемая тектоника плит, новая гипотеза, быстро завоевавшая огромное количество сторонников. Созданная за рубежом, эта гипотеза поддерживается и развивается также многими, но не всеми советскими учеными. Следуя ей, историю тектонического развития земной коры представляют, во-первых, как образование в ослабленных местах зон растяжения и расхождения краев рифтовых впадин, что ведет к образованию океанов. Раннюю современную стадию такого процесса видят в рифтовой впадине Красного моря, структуре растяжения, по которой Северная Африка отделяется в настоящее время от Аравии. Во-вторых, литосфера считается состоящей из отдельных плит, разделенных глубочайшими разломами и могущих достигать в поперечнике многих сот и тысяч километров. Такие плиты медленно двигаются по астеносфере в горизонтальном направлении (современная скорость расхождения плит оценивается сантиметрами в год). Расходясь, плиты создают океаны, сближаясь, сжимают промежуточные прогибы, или провесы, коры, а то и целые провалы континентальной или океанической коры вместе с накопившимися в них осадками, вызывая складкообразование, глубинный магматизм и прочие явления, типичные для геосинклиналей. Одним из таких «рубцов», зоной стыка и сжатия двух литосферных плит, соответствующих Восточно-Европейской платформе в Западно-Сибирской плите, является узкая складчатая зона Урала.
«Тектоника плит» объяснила явления, ранее не находившие полного понимания, но и она споткнулась на некоторых трудностях, и научные дискуссии на этот счет продолжаются. Мы не будем углубляться в них, но заметим, что уже давно и как бы подспудно в геологии параллельно сохраняется важная идея о чередовании в геологической истории Земли состояний ее общего расширения и общего сжатия. Эту так называемую пульсационную гипотезу разделяют многие ученые. С ее помощью также можно объяснить многие геологические явления в прошлом и настоящем. Так, в периоды сжатия становятся понятными столкновения отдельных «кусков» литосферы, складчатость отложений и образования складчатых гор, а в периоды растяжения — образование рифтовых впадин, расширение океанов и т. д. Некоторые ученые считают, что главным, ведущим в этом процессе является все же расширение Земли. Вся эта гипотеза очень заманчива, но при существующем общем признании, что внутреннее тепло Земли генерируется радиоактивными процессами, постоянными во времени, трудно указать на общую физическую причину пульсации объема планеты.
Мы углубились в самую гущу современных идей о причинах тектонических явлений и истории земной коры. Но не менее, если не более, необходимо остановиться на некоторых «частностях», на отдельных структурах, составляющих общую, медленно, но непрерывно развивающуюся конструкцию земной коры.
Механические напряжения в земной коре создают разнообразные деформации геологических тел. Лучший пример — складки, которые состоят из ранее, несомненно, горизонтально лежавших слоев. Такие деформации физики называют остаточными, ибо они остаются и после прекращения действия создавших их сил. Но в земной коре существуют и упругие деформации, которые исчезают по прекращении действия силы. Это деформации сжатия и растяжения, какими являются упругие колебания, распространяющиеся в толще земной коры и в подкоровых глубинах при землетрясениях. В самом очаге землетрясения первичная деформация имеет, наверное, необратимый характер, а сейсмические волны, как упругие деформации, распространяющиеся в виде сейсмических лучей, создают остаточные деформации (например, трещины разрывов), лишь достигая земной поверхности. Таким образом, упругие деформации происходят в земной коре, в соответствии со статистикой землетрясений, ежесуточно множество раз (в масштабе всего земного шара).
Из самого понятия упругих, обратимых деформаций следует, что они не сохраняются в земной коре. Вся она построена из разнообразного материала, подвергавшегося, как правило, много раз необратимым, остаточным деформациям. Выходит, что и сами дислокации, или деформации, были разновременны и местами накладывались, как мы видели выше, друг на друга. Крупные остаточные деформации земной коры — это и есть тектонические структуры, связанные друг с другом или генетически, или исторически, или просто пространственно. В общем внутреннем «устройстве» земной коры это те составляющие ее элементы, какими являются, например, внутренние органы, их ткани и клетки в живом организме.
С точки зрения тектоники, дислокации делятся на два класса — хрупкие и пластические. Те и другие относятся, понятно, к остаточным. Хрупкие — это различные разломы, или разрывы, земной коры, от самых малых до крупнейших, разделяющих целые части материков и океанов. Малые мы видим в виде трещин в любом крупном выходе коренных горных пород на земную поверхность. Часть трещин может относиться, впрочем, к явлениям поверхностным, связанным с изменением температуры, влажности и т. д., и в этом геологу необходимо разобраться на месте. Б небольшом обнажении, особенно в северных широтах, можно встретиться и со сложными пластическими нарушениями в залегании слоев, вызванных процессами оттаивания и промерзания. Подобные им мелкие, но крутые складки могут быть вызваны древними оползнями и прочим. Но вернемся к хрупким деформациям.
Один простой пример. Разлом, или раскол, может произойти так, что края разломанной вещи еще сохраняют прежнее положение. Таковы трещины в тарелках, которыми еще можно пользоваться. Если разлом будет полным и трение уже не сможет удерживать соприкасающиеся по трещине части тарелки, она просто развалится. В земной коре, замкнутой, так сказать, самой на себя, отваливаться от трещины разлома частям некуда. Разломы, самые мощные и глубокие, остаются на месте, но их края, или, по геологической терминологии, крылья разлома, могут перемещаться относительно друг друга. По наличию, величине (амплитуде) и направлению такого перемещения разломы делятся на разные, как говорят, морфологические и генетические типы. Если крылья разлома просто разошлись — перед нами раздвиг. Если одно крыло опущено относительно другого — это сброс. Если трещина разрыва значительно наклонена к плоскости горизонта, то можно различить лежачее и висячее крыло, а если первое из них еще сдвинуто вверх, то это будет взброс или, при пологом наклоне трещины разрыва, надвиг. При смещении крыльев только в горизонтальном направлении вдоль разлома мы получим сдвиг. Именно сдвиги, как оказывается, достигает максимальной амплитуды, особенно при многократных движениях в одну и ту же сторону. Геологам известны сдвиги в сотни километров, амплитуда сбросов меньше — обычно несколько, до десятка километров. Все эти типы разломов дают и взаимные переходы, и комбинации. Ими, как и пластическими деформациями, занимается специальная часть тектоники — структурная геология. По современным представлениям ученых, разломы могут возникать, надолго прекращать свое развитие и вновь оживать, причем многократно. Разломам приписывается основное значение в структуре земной коры.
Пластические деформации, происходящие без разрывов, т. е. в виде искривлений, изгибов и складок, особенно широко распространены и доступны для изучения в горных областях и в фундаментах древних платформ. Господствующий и лучше наблюдаемый их тип — складки слоистых осадочных и осадочно-метаморфических толщ. По форме, симметрии крыльев, по размаху, а также охвату того или иного объема коры различают многие типы складок (например, прямые, косые, даже лежачие и опрокинутые). Все они делятся на два класса: синклинальные, когда изгиб слоя обращен вниз, и антиклинальные — изгиб вверх. Гигантские антиклинальные складки сложного строения создают целые горные системы. Например, Большой Кавказ — единая огромная внутренне очень сложная антиклинальная складка. Такие складки называют антиклинориями.
Разломы могут возникать и при растяжении, и при сжатии земной коры, и по их морфологическим признакам мы можем различать, в какой именно динамической обстановке они образовались. Другое дело пластические формы, каких бы размеров они ни достигали. Это всегда складки, радиус кривизны которых может быть от микроскопического до десятков и сотен километров, как мы только что упоминали (Большой Кавказ). Всякие складки (если только это не провесы слоистых толщ над неустойчивым основанием) — дислокации сжатия, при которых возможно не только смятие в складки, но и растяжение самих слоев с их утончением.
Складки мы наблюдаем относительно редко в полурыхлых и геологически молодых толщах, гораздо чаще, но не всегда, в слоях, испытавших «окаменение» (литификацию). Так, гигантская Сибирская платформа несет на себе мощный (свыше 2 км толщиной) покров нотифицированных нижнепалеозойских отложений, испытавших за 300—350 лет только слабую складчатость и то в немногих местах. Зато разломы и окружают Сибирскую платформу наподобие рамы и проникают далеко в глубь ее.
Чем древнее толщи осадочных да и вулканических пород, очень часто переслаивающихся с первыми, тем больше они имели шансов испытать складчатость и тем самым приобрести складчатую структуру. Только в чехлах древних платформ, лежащих на жестком несгибаемом основании, такие породы могли избежать сложных да еще и неоднократных тектонических деформаций. Вот почему древнейшие толщи архейского и раннепротерозойского возраста практически повсеместно интенсивно складчаты, и распутать их складчатую структуру можно только при специальных и очень детальных исследованиях. Примеры таких исследований, выполненных .сотрудниками Института земной коры, мы имеем и в Прибайкалье.
Одна важная сторона дела позволяет нам уяснить, почему в геологическом смысле разломы, как правило, оказываются моложе самых молодых складок. Как известно, давление и температура земной коры увеличиваются с глубиной. Нагрев понижает вязкость и плотность и повышает пластичность горных пород. Поэтому глубинные зоны Земли благоприятствуют пластическим деформациям, тогда как в поверхностных частях коры легче происходят хрупкие дислокации. Складчатость в целом — процесс глубинный, и, оказавшись близ поверхности, складочные толщи могут подвергаться лишь изгибам, но зато в них легко образуются разрывы.
В настоящее время предполагается, что литосфера даже на значительной глубине расчленена разломами, среди которых много горизонтальных, что делает возможным перемещение по ним и между ними больших пластин литосферы. Если это так, то можно, по-видимому, считать состояние вещества ка подобных глубинах промежуточным между хрупким и пластичным.
Все, о чем мы говорили в этой главе, относилось как бы к прошлому земной коры, к периоду ее «строительства». В современную эпоху мы имеем нечто вроде результата этого тянувшегося миллиарды лет строительства. Но здесь-то мы и должны вспомнить, что механические напряжения в земной коре никогда не прекращались, лишь временами резко усиливаясь. Следовательно, они происходят и сейчас, и свидетельств того предостаточно. Прежде всего — это землетрясения. Сведения о них есть во всей человеческой истории, а геологические следы уводят далеко в глубь времен. Громадные разломы, создавшие, например, впадину Байкала, которые происходили еще на глазах людей древнекаменного века, ощущаются доныне. Современный рельеф Земли продолжает изменяться под воздействием движений самой земной коры — поднятий, опусканий, горизонтальных смещений. Об этом говорят не только последствия землетрясений, но и геофизические измерения, а в истории много случаев значительных изменений береговых линий морей и океанов и множество других фактов и наблюдений во всех частях света.
Исследуя тектоническую историю новейшей геологической эры, кайнозоя, ученые пришли к непреложному выводу, что основы современного рельефа суши и, по-видимому, дна океана были заложены в конце палеогена, и период рельефообразования как процесса, направленно развивавшегося до наших дней, включает в себя неоген (миоцен и плиоцен) и четвертичный период, или антропоген, продолжающийся и в наше время. Все это время (около 30 млн. лет) принято называть этапом новейшей тектоники, а тектонические явления, происходившие в нем,— новейшими.
Первым ученым, указавшим на необходимость различать в истории Земли неотектонику (новейшую тектонику), был В. А. Обручев. Предложенный им термин ныне принят в мировой науке. Этот крупнейший русский геолог рубежа XIX и XX столетий пришел к таким выводам на основе изучения гор, впадин, молодых отложений и следов очень молодого вулканизма в Прибайкалье и Центральной Азии. Из новейшей тектоники иногда, и это вполне разумно, выделяют современную тектонику, так как ее явления непосредственно касаются современного человечества, а их подробное, в том числе и инструментальное, изучение помогает нам понять, как происходили тектонические процессы в далеком геологическом прошлом, объяснить их динамику. Советские ученые добились в этом направлении немалых успехов.