Поставленная задача нелегка. Сейчас рано говорить об окончательных выводах: еще слишком много «белых пятен» в наших знаниях о глубинах Земли и неясностей во взаимоотношениях между различными явлениями в земной коре и верхней мантии.
Можно говорить лишь о частичных итогах, подчеркивая те из них, которые, с одной стороны, наиболее обоснованы фактическим материалом, а с другой — в максимальной степени способствуют решению основного вопроса — о причинах и механизме эндогенных геологических процессов: тектонических, магматических, метаморфических.
Задача усложняется существованием между исследователями крупных разногласий по поводу самых важных сторон жизни земных недр, что связано с ограниченностью наших знаний о веществе и процессах в глубоких слоях коры и верхней мантии. Одни и те же фактические данные могут быть истолкованы по-разному, во всяком случае, им может быть придано, в зависимости от того, какой концепции придерживается исследователь, различное значение. В этом читатели монографии могли уже убедиться.
Конечно, в подобном итоговом очерке необходимо объективно отразить различные существующие точки зрения, но едва ли это возможно сделать в полной мере, поскольку автор не может уйти от собственной оценки существующих данных. По-видимому, наиболее оптимальный путь — не столько подчеркнуть уже достигнутое, сколько указать на нерешенные вопросы и наметить способы их решения. А так как нерешенных проблем пока гораздо больше, чем решенных, то такой подход откроет перед нами множество тем для обсуждения.
Состав континентальной коры
Первое, что нас интересует, когда мы начинаем изучать природный объект,— это его вещественный состав. Вопрос о вещественном составе возникает и тогда, когда мы обращаемся к изучению коры и верхней мантии Земли. И тут выясняется, что о вещественном составе глубоких слоев коры и верхних слоев мантии нам известно очень мало. Парадоксально то, что мы изучаем физические свойства, структуру и процессы развития среды, почти не зная, из какого материала она состоит. Наши сколько-нибудь определенные знания кончаются на кровле «гранитного» слоя материковой коры. Верхняя часть этого слоя обнажается на кристаллических щитах; кроме того, она была достигнута многими скважинами под чехлом осадочных пород на Восточно-Европейской и Северо-Американской платформах. Приблизительно наполовину верхняя часть «гранитного» слоя действительно состоит из гранитов, а наполовину — преимущественно из гнейсов, а также из других метаморфических и изверженных пород. Если исходить из петрологических особенностей этого слоя, то его, вероятно, более правильно называть гранито-гнейсовым, хотя по химическому составу он близок к граниту.
О составе более глубоких слоев материковой коры и всей консолидированной части океанической коры (т. е. о втором и третьем слоях последней) мы судим преимущественно не по прямым химическим и минералогическим данным, а по результатам некоторых косвенных методов. В еще большей степени это относится к составу верхней мантии.
Сравнение скоростей распространения сейсмических волн, наблюдаемых в нижней части материковой коры и в третьем (основном) слое океанической коры, с упругими свойствами различных горных пород привело сейсмологов к выделению так называемого «базальтового» слоя. В большинстве схем предполагается, что этот слой на материках занимает всю нижнюю половину коры (отделяясь от «гранитного» слоя «разделом Конрада») и непрерывно протягивается в океан, где образует всю консолидированную кору, поскольку в океанах «гранитный» слой отсутствует.
Во-первых, следует отметить, что слово «базальт» в этом случае выбрано неудачно. Для материков правильнее было бы говорить о габбровом слое, если только не считать, что «гранитный» слой является более молодым, чем «базальтовый», и образовался на открытой поверхности ранее излившихся базальтов. Во-вторых, для материковой коры «базальтовое» решение не является единственно возможным. Современные наблюдения над сейсмическими явлениями в связи с вулканическими извержениями, а также данные лабораторных исследований об условиях образования базальтовых лав показывают, что извергаемые вулканами базальты происходят не из земной коры, а из более глубоких областей — их верхней мантии. Источник этих лав находится на глубине не менее 50 км, и весьма вероятно, что он может спускаться до глубины 200 км. В коре могут находиться лишь промежуточные «отстойники» базальтовой магмы на ее пути к поверхности.
Вместе с тем наблюдаемые в «базальтовом» слое скорости распространения сейсмических волн (6,5—7,0 км/с для продольных волн) могут быть приурочены не только к основным магматическим породам, но и к метаморфическим породам высоких степеней метаморфизма гранулитовой фации: к плагиоклазовым гнейсам с гранатами, кордиеритом и другими плотными минералами.
Эта последняя альтернатива представляет несомненный интерес. С процессом регионального метаморфизма связана миграция воды: если в исходном осадке содержание воды измеряется многими процентами п даже десятками процентов, то чем выше степень метаморфизма, тем меньше сохраняется в породе воды. В «гранитном» слое преобладают породы амфиболитовой фации метаморфизма, в минералах которых еще присутствует вода в количестве нескольких процентов. Петрологические и лабораторные данные показывают, что присутствие воды необходимо для процесса гранитизации, происходящего в том же слое пород амфиболитовой фации. Породы же гра-нулитовой фации практически лишены воды. На поверхности они обнажаются на ограниченных участках, и вполне логично полагать, что основная область их распространения лежит глубже — под гранитным слоем, т. е. там. где находится «базальтовый» слой. Такое расположение метаморфических фаций кажется вполне закономерным, если исходить из того, что региональный метаморфизм вызывается потоком тепла, приходящим в кору снизу, из верхней мантии. Тогда логично ожидать более сильный метаморфизм в нижних слоях коры и миграцию воды в коре снизу вверх.
«Метаморфический вариант» модели коры заслуживает внимапия и по другим соображениям. Изучение сейсмическими методами строения земной коры в разных районах показывает, что строение ее от места к месту сильно меняется. Меняется толщина как всей коры, так и ее «гранитного» и «базальтового» слоев. Меняется характер «раздела Конрада», который то выражен отчетливо в виде скачка в изменении скоростей сейсмических волн, то представлен зоной, характеризующейся постепенным нарастанием скоростей. Меняется количество сейсмических границ второго порядка, которые выделяются как в «гранитном», так и в «базальтовом» слое.
Хотя этот вопрос еще не совсем ясен, можно с большой долей уверенности утверждать, что изменения в строении материковой коры происходят при переходе от одной тектонической зоны к другой. Толщина и слоистость коры различны под складчатыми зонами разного возраста, под платформами и щитами, под зонами тектонической активизации и т. д. Разные тектонические зоны материков отражают различные стадии развития земной коры и существуют в настоящее время рядом друг с другом в силу того, что эволюция коры идет неравномерно: одни ее части развиваются быстрее, другие — медленнее.
Следовательно, наблюдаемые различия в строении коры свидетельствуют о том, что изменения ее толщины, а также толщины отдельных слоев и характера слоистости происходят не только в пространстве, но и во времени: с течением времени изменяются и толщина коры в целом, и ее внутренняя структура. Речь должна идти прежде всего об изменении плотности и упругости материала коры и об изменении размещения в коре материала с различными плотностью и упругостью. Такие изменения легко вообразить для метаморфических пород, поскольку метаморфические процессы, и прогрессивные и регрессивные, ведут к изменению как плотности, так и упругих свойств пород. Прогрессивный метаморфизм повышает плотность и скорость распространения сейсмических волн, а регрессивный понижает их. Поскольку метаморфические процессы, изменяя плотность породы, сопровождаются изменением объема — уменьшением его при прогрессивном метаморфизме и увеличением при регрессивном,— теми же процессами могут быть обусловлены некоторые виды деформаций, наблюдаемые в верхних слоях коры, например «платформенные складки», выраженные в изолированных пологих и незначительных куполообразных или валообразных поднятиях слоев.
Впрочем, и основные, и ультраосновные магматические породы — габбро и перидотиты — могут менять плотность, объем и упругие свойства в результате процессов амфиболитизации и серпентинизации. связанных с притоком воды. Вместе с тем увеличение или уменьшение толщины земной коры в целом указывает на существование каких-то форм обмена материалом между верхней мантией и корой. Такой обмен предполагает внедрение в кору или присоединение к коре снизу материала, выделившегося из верхней мантии. Это может быть либо основной, либо ультраосновной магматический материал. Вероятно, трудно, не обращаясь к привносу нагретого материала в кору из мантии, объяснить и появление в коре высоких, значительно превышающих нормальную величину тепловых потоков. В настоящее время такие высокие тепловые потоки, превышающие нормальный в несколько раз, наблюдаются в вулканических областях. Однако данные определения геологическими методами наиболее вероятной глубины образования различных метаморфических минералов позволяют сделать вывод, что в геосинклиналях разных тектонических циклов в эпохи развития регионального метаморфизма и гранитизации тепловой поток в 3—5 раз превышал нормальный.
В результате всех этих рассуждений можно прийти к заключению, что «базальтовый» слой коры на материках представляет собой сложное переплетение метаморфических пород преимущественно высоких степеней метаморфизма (в отдельных местах, возможно, подвергшихся регрессивному метаморфизму), а также основных и ультраосновных магматических пород, внедрившихся из мантии и местами испытавших амфиболитизанию и серпентинизацию. Кроме того, судя по результатам экспериментальных исследований условий образования эклогитов, проведенных под руководством А. Рингвуда, в нижних слоях коры можно предполагать наличие включений эклогита. Возможно, что в слое с «промежуточными» сейсмическими скоростями (7,2—7,4 км/с), который обычно трактуется как слой, состоящий из смеси материала коры и мантии, значительную роль играют глыбы эклогита.
Такое заключение о составе нижней части материковой коры не может, конечно, считаться окончательным, но в настоящее время едва ли может быть сделан более точный вывод. Вопрос о составе глубоких слоев материковой коры, вероятно, будет решен лишь после прямого проникновения в эти слои с помощью скважин или каким-либо другим методом, позволяющим добыть с глубины образцы горных пород или, во всяком случае, получить прямую информацию о минералогическом составе последних. Глубинное бурение на материках, хотя бы для достижения верхней части «базальтового» слоя и определения его состава, представляет насущную научно-техническую задачу.
Океаническая кора и мантия Земли
Вопрос о составе консолидированной части коры в океанах также не решен; для его решения необходима организация буровых работ. Современные технические возможности позволяют пробурить скважину через всю океаническую кору и достичь верхних слоев мантии.
Первый слой в океанах — осадочный. Второй слой, имеющий сейсмическую скорость около 5,5 км/с, сложен, по-видимому, либо полностью, либо преимущественно плато-базальтами, потоки которых прослеживаются на дне океана и образцы которых были подняты из разных районов океанических впадин. Однако не известно, присутствуют ли в этом слое уплотненные и метаморфизованные осадочные породы. Решение этого вопроса представляет исключительный интерес для освещения времени образования и истории развития океанических впадин. Дело в том, что, как показывают результаты новейших сейсмических исследований методом отраженных волн, позволяющим проследить отражающие горизонты осадочной толщи от глубоких океанических котловин вплоть до шельфов, где применимы уже палеонтологические методы определения возраста пород, наиболее древние осадки, залегающие на дне океана на втором слое, относятся почти повсеместно к меловой системе. Только в некоторых районах Тихого океана можно по экстраполяции предполагать наличие верхне- и среднеюрских отложений. Если в океанах есть более древние осадочные отложения, они должны быть заключены во втором слое.
Проходка скважин через осадочную толщу и второй слой коры на дне океанов представляет чрезвычайно важную задачу.
Состав третьего слоя в океанах, называемого, как и нижний слой материковой коры, «базальтовым», совсем не обязательно должен быть таким же, как на материках. В настоящее время существуют две точки зрения на его состав: по мнению одних исследователей, он состоит из основных магматических пород (габбро), в то время как другие считают, что он сложен серпентинизированными ультраосновными породами верхней мантии.
Предположение, согласно которому серпентинизированные породы играют определенную роль в строении этого основного слоя океанической коры, подтверждается находками кусков серпентинитов на дне океанов. Но сложен ли этот слой целиком серпентинитами? Верхний температурный предел процесса серпентинизации равен 500° С. Вместе с тем заведомо известно, что в океанах подошва коры (т. е. раздел Мохоровичича) залегает значительно выше изотермы 500°. Почему же процесс серпентинизации не распространился вплоть до этой изотермы, т. е. до глубины около 20 км, а остановился на глубине под дном всего в 5—6 км? Что же представляет собой в этом случае раздел Мохоровичича? И почему он столь резок, если серпентинизация должна была бы обусловить постепенный переход от коры к мантии? Попытка ответить на эти вопросы увлекает некоторых исследователей на путь выдвижения дополнительных гипотез происхождения океанической коры (об этих гипотезах будет упомянуто ниже). Пока же вопрос о составе третьего слоя океанической коры приходится считать открытым.
Результаты дискуссии о составе верхней мантии — эклогитовом или перидотитовом — явно оказались в пользу второго решения. Признание эклогитового состава верхней мантии создавало бы слишком большие трудности для объяснения происхождения ультраосновных изверженных пород. Кроме того, возникло бы значительное несоответствие между тепловым потоком, который в настоящее время идет из мантии, и тем потоком, который должен был бы наблюдаться, если бы радиоактивность мантии соответствовала радиоактивности эклогитов. Многочисленные включения перидотитов в излияниях базальтов при почти полном отсутствии включений эклогитов также говорят в пользу перидотитового состава. В настоящее время можно ставить вопрос более тонко: какими разновидностями перидотитов сложена верхняя мантия на различных глубинах?
Происхождение базальтовой магмы из перидотитовой верхней мантии связывают с частичным плавлением материала верхней мантии. При этом и результаты экспериментальных исследований, и некоторые геологические наблюдения показывают, что состав выплавленных базальтов должен зависеть от глубины, на которой произошло полное отделение базальтового расплава от кристаллического субстрата. Едва ли можно сейчас указать с достаточной точностью абсолютные величины глубин, но ясно, что на меньших глубинах обособляются пересыщенные базальты, служащие, по-видимому, исходной породой для геосинклинальных спилитов, а на больших — недосыщенные оливиновые щелочные базальты и пикриты, характерные для материковых платформ.
Этот вывод имеет очень большое геологическое значение. Он позволяет ставить вопрос о связях отдельных структурных комплексов земной коры с теми или иными глубинами. Например, приуроченность к геосинклиналям относительно более кислых базальтов показывает, что окончательное обособление базальтового расплава от ультраосновной кристаллической массы происходит под геосинклиналями на сравнительно небольшой глубине, измеряемой, возможно, всего двумя-тремя десятками километров от подошвы земной коры. А щелочные базальтовые лавы, характерные для материковых рифтовых зон. отделяются на больших глубинах (60 км и более под подошвой коры).
Крайне интересно, к каким окончательным результатам придут ученые в результате обсуждения вопроса о составе океанических базальтов. До недавнего времени считали, что для океанов типичны щелочные оливиновые базальты. Данные новейших исследований, выполненных главным образом К. и А. Энгелами, заставляют изменить эту точку зрения; они позволяют предполагать, что щелочные базальты слагают лишь вершины вулканических гор в океанах, тогда как более глубокие склоны гор и все дно образованы толеитовыми базальтами. Для решения этого вопроса необходимо дальнейшее накопление сведений. Можно предполагать, что в слое С верхней мантии главный минерал перидотита — оливин — переходит в более плотные структуры (шпинелевую, корундовую), так же как кремнезем — в более плотные модификации (коэсит, стишовит).
Перидотитовый состав верхней мантии как будто указывает, что раздел Мохоровичича должен иметь химическую, а не фазовую природу. Однако в свете новейших экспериментальных данных не только не исключается, но вполне вероятно присутствие в самой верхней части мантии если не сплошного слоя, то отдельных глыб и массивов эклогита, образовавшихся в результате остывания под давлением включений базальтовой магмы или превращения в эклогит метаморфических пород гранулитовой фации. Следовательно, нельзя отрицать возможность того, что на отдельных участках раздел Мохоровичича имеет фазовых! характер.
Равенство средних тепловых потоков на материках и в океанах указывает, что мантия под океанами отличается от мантии под материками большим содержанием радиоактивных элементов: если на материках по крайней мере 2/3 теплового потока генерируются в коре, где (в особенности в «гранитном» слое) сосредоточена основная масса радиоактивных источников тепла, то в океанах, где кора тоньше и содержит заведомо значительно меньше радиоактивных элементов, почти весь тепловой поток должен приходить из мантии. Этот вывод о различном составе не только коры, но и верхней мантии материков и океанов, во всяком случае на глубину в несколько сотен километров, имеет принципиальное значение для понимания строения и развития внешних твердых оболочек Земли.
Процессы в коре и верхней мантии
Выше было отмечено, что сравнение глубинного строения различных тектонических зон приводит к выводу, что в ходе геологической истории меняются толщина коры и плотность ее материала. Существенным достижением последних лет явилось установление на основе совместного использования сейсмических и гравиметрических данных того факта, что изменения плотности охватывают не только кору, но и верхние слои мантии. В связи с этим прежнее представление, согласно которому каждой крупной выпуклости на поверхности Земли соответствует утолщение коры, чем и обеспечивается изостатическое состояние последней (идея «корней гор»), оказалось отвечающим лишь частному случаю. В ряде районов поднятия на поверхности лишены «корней» в подошве коры, и равновесие в таких случаях обеспечивается соответствующим уменьшением плотности верхней мантии. Точно так же в других районах впадины на поверхности Земли не имеют «антикорней» (т. е. выпуклостей раздела Мохоровичича), и равновесие может поддерживаться лишь возрастанием плотности верхней мантии.
Мы не знаем, почему Кавказ или Альпы имеют «корни», а, например, плато Колорадо их не имеет, так же как Ферганская впадина не имеет «антикорня». Необходимо более тщательное сопоставление тектонической природы различных областей с их глубинным строением.
Однако это не означает, что, осветив точнее связь глубинного строения с вертикальными движениями коры, мы придем к простой схеме, в которой вертикальные движения представляют собой прямую реакцию на изменение плотности и. следовательно, объема в одних случаях в коре, а в других в верхней мантии. Недавно М. Е. Артемьев показал, что почти повсеместно вертикальные тектонические движения земной коры происходят аитиизостатически. Это означает, что там, где, следуя изостатической аномалии, кора должна была бы опускаться, она поднимается. И наоборот, там, где стремление к равновесию должно было бы вызывать поднятие, происходит опускание. Особенно сильно такое противоречие между изостатическими силами и современным тектоническим движением проявляется в молодых геосинклиналях. Глубинный механизм вертикальных движений земной коры оказывается более сложным, чем влияние на кору изменений плотности и объема, происходящих непосредственно под рассматриваемым местом. В чем заключаются эти сложности, мы пока не знаем.
Исключения из «правила антиизостатичности» составляют области, недавно освободившиеся от покровного оледенения, такие, как Скандинавия или Канада. Их поднятие происходит в направлении действия изостатических сил.
Волновод
Чрезвычайно большое значение для понимания характера глубинных процессов имеет правильная интерпретация природы волновода в верхней мантии. Существование волновода не вызывает сомнений. Однако до сих пор мы располагаем далеко не достаточными сведениями о глубине его залегания, его толщине и строении в разных геологических зонах. Имеющиеся данные чрезвычайно схематичны. Они указывают, что под материками волновод залегает обычно на глубинах между 100 и 250 км, тогда как под океанами он толще и залегает на глубинах от 50 до 400 км. Под кристаллическими щитами волновод выражен слабее, чем в других местах и, возможно, местами вообще отсутствует. Есть основания предполагать, что под активными тектоническими зонами волновод становится толще, с его поверхности поднимаются выступы. Под Курильской вулканической островной дугой канал пониженных сейсмических скоростей поднимается от волновода вплоть до подошвы земной коры. По этому каналу поступает лава, питающая вулканы. Волновод сказывается на скорости поперечных волн больше, чем на скорости продольных волн. Зарегистрированы случаи, когда уменьшение скорости отмечалось только для первых.
На Памире и Курильских островах установлено присутствие нескольких (один над другим) волноводов в верхней мантии.
Наличие слоя-волновода может быть объяснено изменением либо химического состава, либо фазового состояния вещества. А. Рингвуд, например, говорит о химическом изменении и приписывает слою-волноводу состав пироксеновых перидотитов в противовес покрывающим его дунитам и подстилающим гранатовым перидотитам. Рингвуд полагает, что пироксеновый перидотит волновода отвечает исходному материалу верхней мантии, тогда как покрывающие дуниты представляют собой остаток после выделения из этого материала путем частичного плавления базальтов. С этой точки зрения выплавление базальтов началось с самых верхних слоев мантии и постепенно распространялось вглубь. Там, где процесс этот зашел дальше, волновод тоньше, а в областях, где дифференциация мантии находится в начальной стадии, он толще. Последние условия, очевидно, могут существовать в океанической мантии, где волновод имеет наибольшую толщину.
Поскольку понижение сейсмических скоростей может быть вызвано увеличением среднего атомного веса, причиной появления волновода может служить также повышение содержания железа в материале мантии.
Из возможных изменений агрегатных или фазовых состояний можно предположить, например, переход с повышением температуры ромбического пироксена в клиноэнстатит и последнего в протоэнстатит; в обоих случаях сейсмические скорости снижаются на 2—3%, если считать, что пироксены составляют около 1/3 общего объема верхней мантии.
Чаще всего наличие волновода рассматривают как результат преобладания на некоторой глубине влияния температуры над влиянием давления. Этот эффект особенно велик, если происходит либо переход от кристаллического состояния в аморфное, либо частичное плавление верхней мантии, когда между твердыми кристаллами появляются капли и пленки жидкого расплава. Последняя точка зрения интересна в связи с возможностью связать в этом случае с волноводом выплавление базальта из ультраосновного материала верхней мантии. То, что сейчас известно или предполагается о распределении температур в верхней мантии по глубине, а также о температурах частичного плавления ультраосновных горных пород при различных давлениях, не противоречит этой точке зрения.
Что касается взаимодействия между верхней мантией и корой, то здесь весьма существен вопрос о средней плотности материала волновода: ниже она плотности покрывающего материала слоев мантии, находящихся между волноводом и подошвой коры, или нет? Некоторые из перечисленных гипотез предполагают снижение средней плотности материала в волноводе по сравнению с покрывающим материалом, а следовательно, появление в кровле волновода механической неустойчивости, связанной с «инверсией плотности», т. е. с расположением более плотного материала поверх менее плотного.
В этой обстановке можно ожидать возмущений на поверхности волновода, связанных со стремлением материала последнего всплывать, а материала, лежащего выше, — погружаться. Характер движений должен напоминать конвекцию (точнее, «адвекцию», поскольку здесь нет условий для полных петель конвекции: легкий материал всплывает и остается наверху, тяжелый тонет и остается внизу). В геологических условиях полной аналогией этого процесса является образование соляных диапировых куполов. Нечто подобное диапирам должно подниматься в вышележащие слои мантии из волновода. Если же в волноводе происходит выплавление базальта, то расплав последнего в процессе всплывания материала волновода может обособляться, собираясь в самостоятельные жидкие массивы — «астенолиты», которые прокладывают себе путь вверх либо путем всплывания, либо путем проплавления. Подъем базальтовых астенолитов может служить главным инструментом вещественного, термического и механического воздействия на земную кору. С помощью астенолитов кора пополняется базальтовой магмой, которая, дифференцируясь в процессе кристаллизации и ассимилируя породы земной коры при их проплавлении, дает начало гамме магматических пород. Астенолиты же приносят с собой тепло с глубин 100—200 км и прогревают кору, вызывая в ней процессы регионального метаморфизма и гранитизации. Наконец, крупные массы базальта, «подстроившиеся» к подошве коры, должны вести к поднятию последней и, таким образом, могут явиться причиной волновых колебательных движений.
На основе использования этого гипотетического механизма может быть создана довольно стройная схема глубинных процессов, как будто удовлетворительно объясняющая основные особенности развития вертикальных движений земной коры и магматизма геосинклиналей, переход последних с течением времени в платформы и общие черты тектонического развития платформ. Однако гипотетичность всех таких построений очевидна и не менее очевидна необходимость значительного уточнения наших знаний о природе волновода в верхней мантии для того, чтобы можно было перейти к более уверенным представлениям.
Горизонтальное сжатие
Для выбора правильных путей изучения глубинных процессов важным геологическим и тектоно-физическим вопросом является вопрос о том, вызывается ли смятие слоев горных пород в геосинклиналях в складки какими-то «общими» горизонтально направленными силами сжатия, приложенными к геосинклинали извне, или же для объяснения складчатости такое «общее» сжатие не является необходимым.
В течение длительного времени геологи воспитывались в духе контракционной гипотезы, постулировавшей общее охлаждение земного шара, уменьшение его поверхности и в связи с этим сжатие геосинклиналей между жесткими массивами платформ. Результат этого сжатия и видели в складкообразовании.
Хотя контракционная гипотеза в целом в настоящее время большинством специалистов не разделяется, до сих пор многие уверены, что для складкообразования в геосинклиналях необходимы внешние силы сжатия, которые возникают либо в результате давления материков друг на друга при их относительных горизонтальных перемещениях, либо при «засасывании» в глубь коры геосинклинали нисходящей ветвью конвективного потока в мантии. Эти представления требуют допущения значительных горизонтальных перемещений в материале верхней мантии, что в свою очередь ведет к предположению о крупных, материкового масштаба петлях конвекции.
Однако развивается и другая точка зрения, согласно которой существуют складки разного происхождения. Некоторые их типы (глыбовые складки и складки нагнетания) не связаны с внешним горизонтальным сжатием. Только один тип складчатости, называемой линейной, полной, или голоморфной, действительно требует горизонтального сжатия слоев, но ограниченность распространения этого типа складчатости, обычно окруженной в геосинклинали складчатостью других типов, и ряд других структурных обстоятельств позволяют думать, что требуемое горизонтальное сжатие представляет собой местное явление, связанное либо с распирающим действием всплывающих сквозь верхние слои коры массивов более глубинных пород, либо со отеканием слоев под влиянием силы тяжести со склонов тектонических поднятий. Эта точка зрения не требует предположений о крупных горизонтальных перемещениях в мантии: она довольствуется вертикальной циркуляцией материала верхней мантии и весьма ограниченными его горизонтальными перемещениями — лишь теми, которые необходимы для того, чтобы два встречных вертикальных потока могли разминуться.
Решение этого вопроса требует дальнейших детальных структурных исследований в складчатых областях, выяснения характера изменения складчатости с глубиной, изучения истории развития складчатости на фоне вертикальных движений земной коры и решения ряда специальных тектоно-физических проблем.
Большие горизонтальные смещения
К этому же разряду геологических вопросов относится и вопрос о существовании в земной коре крупных горизонтальных сдвигов. Вполне очевидные горизонтальные смещения вдоль разрыва Сан-Андреас в Калифорнии, выраженные в смещениях русел и других элементов современного рельефа, крайне невелики. Они не превышают 1 км. Еще меньше амплитуда очевидных горизонтальных смещений вдоль Альпийского разрыва на острове Южный Новой Зеландии. Однако ряд исследователей, исходя из своей интерпретации более общих геологических данных, приходят к выводу, что горизонтальные перемещения по указанным разрывам, накапливаясь в течение долгих геологических периодов, достигли к настоящему времени многих сотен километров. О еще больших горизонтальных смещениях говорят на основании расположения магнитных аномалий вдоль крупных широтных разрывов на дне Тихого океана в его восточной части. Предполагаемая амплитуда в некоторых местах превышает здесь 1000 км. Большое число .сдвигов, по предположению, пересекает срединные хребты в океанах, вызывая относительные боковые смещения отдельных их участков. Сдвигом с амплитудой выше 100 км считают и разрыв Грейт-Глен в Шотландии.
Идея больших сдвигов несет в себе много противоречий. Некоторые особенности геологического строения вокруг таких разрывов как будто согласуются с большой амплитудой перемещения. Но другие решительно этому противоречат. Например, в ряде мест через разрыв Сан-Андреас непосредственно соприкасаются столь сходные геологические структуры, что трудно поверить в случайность такого совмещения. Два гранитных массива, расположенных по обе стороны разрыва Грейт-Глен и, по предположению. представляющих собой разделившиеся части ранее единого массива, по петрографическим данным оказываются сложенными различными породами, что. естественно, позволяет усомниться в однозначности сдвиговой интерпретации.
Принципиальные затруднения возникают при объяснении того, куда девается материал, который при больших горизонтальных перемещениях должен в огромном объеме скапливаться у обоих концов разрыва. Например, там, где широтные разрывы восточной части Тихого океана выходят на материк, на их продолжении хотя и есть тектонические разрывы, но без заметных горизонтальных смещений. Куда же девался материал, сдвинутый, например, вдоль разрыва Мендосино в горизонтальном направлении в сторону берега на 1200 км?
Затруднения такого рода привели к появлению понятия о «трансформных сдвигах», в которых горизонтальное перемещение компенсируется, с одной стороны, опусканием соответствующей полосы земной коры в мантию, а с другой — образованием нового участка коры за счет материала, поднявшегося из мантии. Такой «обмен» материалом между корой и мантией, действительно, может погасить любую амплитуду горизонтального смещения. Однако необходимо, чтобы наблюдения подтвердили существование у концов разрыва зон поглощения и новообразования коры. Пока такие наблюдения отсутствуют.
Как и вопросы происхождения складчатости, проблема больших горизонтальных сдвигов должна быть изучена специально и с максимальной объективностью. Ответ, который мы при этом получим, будет иметь непосредственное влияние на развитие представлений о характере глубинных процессов.
Образование океанов и континентов
Мы говорили выше о возрасте осадков на дне океанов. Вызывает удивление тот факт, что по возрасту океанические осадки начинаются преимущественно с меловых и только в некоторых местах можно предполагать присутствие осадков несколько более древних, но не древнее юрских. Под осадками залегает второй слой, сложенный, по всей видимости, излияниями базальтов и свидетельствующий о эпохе повсеместного грандиозного базальтового вулканизма, происходившего на территории современных океанов. Следы этой бурной эпохи, продолжительность которой нам неизвестна, резко контрастируют со спокойным залеганием осадочных слоев на поверхности базальтов.
Если где-либо в океанах существовали более древние осадки (нижнемезозойские, палеозойские и более ранние), они находятся внутри базальтовой толщи второго слоя и ею поглощены. Не исключено, что древнейший материал океанической коры сосредоточен и в третьем ее слое. Однако если считать, как к этому склоняются сейчас многие исследователи, что более древние, чем меловые (в крайнем случае, юрские), отложения на современном дне океанов вообще отсутствуют, то неминуемо придется признать, что современная океаническая кора представляет собой новообразование, возникшее в конце палеозоя или начале мезозоя. А более древняя океаническая кора была при этом «обновлении» каким-то образом уничтожена. О предполагаемом механизме такого уничтожения старой коры и появления на ее месте новой будет сказано ниже.
Срединноокеанические хребты
Важными элементами строения океанического дна являются срединные хребты. Наиболее типично они выражены в Атлантическом и Индийском океанах. Здесь вдоль их гребня тянется почти непрерывная цепочка «рифтов» — депрессий с крутыми бортами и неровным дном.
На склонах и особенно на гребне срединных хребтов слой рыхлых осадков, и без того очень тонкий в открытом океане, значительно утоняется или совсем выклинивается. При этом близ гребня хребта сохраняются только наиболее молодые (неогеновые и четвертичные) осадки. Базальты на гребне срединных хребтов по абсолютным определениям имеют неогеновый или более молодой возраст. Таким образом, Срединноатлантический и Средин-ноиндииский хребты представляют собой зоны, в пределах которых вулканизм проявляется вплоть до наших дней, тогда как в соседних котловинах вулканические явления прекратились еще в меловое время.
В Тихом океане срединный хребет (Южно- и Восточнотихоокеанский) занимает эксцентрическое положение и по своему облику отличается от Атлантического и Индийского срединных хребтов, хотя и является их непосредственным продолжением. Была высказана гипотеза, согласно которой раньше в центральной части Тихого океана существовал типичный срединный хребет, который в течение мелового периода раскололся на части и почти весь погрузился. Его остатки — это многочисленные гряды островов, которые все имеют вулканическое основание. На этих грядах наблюдаются наиболее молодые (вплоть до современных) базальтовые излияния, тогда как, судя по возрасту осадков, в окружающих котловинах вулканизм закончился к началу мелового периода или даже несколько раньше.
Срединные хребты имеют специфическое глубинное строение. Совместное использование сейсмических и гравиметрических данных позволяет прийти к выводу, что под срединными хребтами залегают линзы (до 20 км толщины) материала, характеризующегося скоростью распространения сейсмических волн 7,2—7,6 км/с. Возможно, эти линзы представляют собой смесь материала мантии и коры, тем более что над линзами с «промежуточными» скоростями выклинивается основной (третий) слой океанической коры. Другое толкование предполагает, что эти линзы сложены частично расплавленным материалом мантии и коры. Такое предположение хороню согласуется с наличием очень высоких тепловых потоков на гребнях срединных хребтов.
В океанах существуют хребты другого типа — «асейсмичные», или горстовые. Это преимущественно прямолинейные хребты с крутыми склонами (пли одним крутым склоном) и плоским сводом. Изучение их глубинного строения указывает на более толстую кору, чем нормальная кора океанов, и на мощные серии базальтовых лав в качестве материала верхней части коры. Поскольку по обе стороны от такого хребта дно часто расположено на несколько различной глубине, можно предположить, что хребты этого типа образовались в результате интенсивных излияний базальтов вдоль крупных трещин, рассекающих океаническую кору.
Гийоты
Интересными объектами являются гийоты, развитые преимущественно в центральной части Тихого океана. Никто не сомневается в том, что их плоские вершины были образованы морской абразией, когда они располагались на уровне воды в океане. Такое утверждение подкрепляется находками мелководных осадков на вершинах ряда гийотов. Осадки имеют различный возраст, но не древнее второй половины нижнего мела. Следовательно, гийоты, на вершинах которых присутствуют мелководные осадки этого возраста, образовались в форме вулканических пиков до конца нижнего мела, были усечены абразией с поверхности и с конца нижнего мела начали погружаться.
Вершины некоторых гийотов погружены на 2 км глубже современного уровня океана. Возникает вопрос, погружались ли гийоты каждый отдельно, вдавливая своей тяжестью дно океана под собой, или же мы имеем дело с результатом регионального погружения дна океана на обширной площади? В пользу первой точки зрения говорят чрезвычайно большие различия в глубине отдельных гийотов, часто близко расположенных. Глубины вершин двух соседних гийотов сплошь и рядом могут различаться на многие сотни метров. Однако второе предположение становится пе менее вероятным, если учесть, что наблюдаемые вокруг некоторых гийотов кольцевые желоба нигде не достигают таких размеров, которые могли бы компенсировать погружение гийотов. А различная глубина гийотов может быть объяснена разным временем их образования и начала их погружения, что как будто подтверждается прямой связью глубины гийота с возрастом накопившихся на нем осадков.
Если принять вторую точку зрения, то окажется, что к концу нижнего мела глубины в центральной части Тихого океана были не больше 3 км и в течение последующих 100 млн. лет возросли по крайней мере еще на 2—2,5 км.
Окраины океанов
Для выяснения геологической истории океанов много дают наблюдения на их окраинах. Известны два типа океанических окраин — атлантический и тихоокеанский. Атлантический тип окраин почти повсеместно развит в Атлантическом, Северном Ледовитом и Индийском океанах. Исключение представляют районы Антильской, Южно-Сандвичевой и Большой Зондской островных дуг. для которых характерны окраины тихоокеанского типа. Перифериям атлантического типа всюду соответствуют мезо-кайнозойские платформы на прилегающих материках. Все геосинклинали, существовавшие ранее на окраинах окаймляющих материков, полностью закончили свое развитие к началу мезозоя, уступив место платформенному режиму. Вторая характерная черта периферий атлантического типа — несогласие границы между океаном и материком с домезозойской структурой последнего: палеозойская и более древняя структура материка срезается этой границей, и океан несогласно накладывается на древний материк.
Периферия атлантического типа сопровождается хорошо выраженным шельфом. Последний образован мелководными мезо-кайнозойскими осадками, залегающими несогласно на размытой поверхности палеозойских или более древних пород. Строение шельфа показывает, что развитие его состояло преимущественно в постепенном возрастании угла наклона поверхности фундамента в сторону океана. Такой процесс привел к тому, что к настоящему времени прогибание на краю шельфа достигло 2—3 км по отношению к начальному положению. В некоторых районах прогибание началось уже в юре, но повсеместно — в нижнем мелу. Есть основания рассматривать «краевые плато», такие, как плато Блейк или Иберийское, как периферические части шельфа, отделившиеся от него и испытавшие большее опускание, чем основная часть шельфа. Только в немногих местах мезо-кайнозойское прогибание атлантических периферий сопровождалось вулканизмом.
Периферии тихоокеанского типа окружают Тихий океан и имеют ограниченное распространение в других океанах (в тех районах, которые были указаны выше при характеристике атлантических периферии в качестве исключений). Окраины этого типа совпадают с мезо-кайнозойскими геосинклиналями на прилегающих окраинах материков. Хотя в целом мезо-кайнозойская структура материков параллельна краю океана, в существенных деталях наблюдается срезание этой структуры вплоть до самых молодых (плейстоценовых) ее элементов. Характерная черта геологического развития периферий такого типа — многократное образование разрывов и оседание по ним отдельных глыб земной коры. Этот процесс сопровождается вулканизмом большой интенсивности. К тихоокеанским перифериям повсеместно приурочены глубоководные рвы и наклонные разломы, уходящие глубоко в мантию и прослеживаемые по очагам глубокофокусных землетрясений.
Хотя в тех участках, где материк непосредственно граничит с глубоким океаном, материковая кора переходит в океаническую быстро и резко (обычно в пределах не более 200 км), существуют и переходные типы коры. Переходный субокеанический тип развит в окраинных (Берингово, Охотское, Японское и др.), а также в средиземных (Средиземное, Черное, Карибское моря, Мексиканский залив, южная часть Каспийского моря) морях. Это, в сущности, океаническая кора, но со значительно более мощным, чем в открытом океане, осадочным слоем. Переходный субконтинентальный тип коры характеризует узкие зоны перехода от материка к океану и островные дуги. Этот тип коры сходен с материковым, но отличается меньшей мощностью.
Данных, которыми мы располагаем, явно недостаточно, чтобы решить вопрос о происхождении материков и океанов. Существующие по этому поводу гипотезы можно разделить на несколько групп.
Рост континентов
Одна из первых гипотез, существующих с того времени, когда стало известно о различии в строении материковой и океанической коры, предполагает, что океаны представляют собой области, в которых мантия и кора менее дифференцированы, чем в материковых областях, и что общая эволюция по мере развития дифференциации материала Земли идет от океана к материку. В качестве промежуточного элемента здесь выступает геосинклиналь, в которой процесс дифференциации протекает особенно энергично. Предполагается, что материки постепенно растут за счет океана, проходя стадию геосинклинали. Наиболее молодые геосинклинали занимают периферию материка, тогда как древнее «ядро» материка находится в его центре.
Эта простая гипотеза вполне согласуется с таким явлением, например, как равенство средних тепловых потоков на материках и в океанах. Материк Северной Америки имеет строение, близкое к тому, которое предполагает гипотеза: породы наиболее древней «консолидации» располагаются в центре платформы — на Канадском щите, а периферия материка занята палеозойскими и более молодыми геосинклиналями, причем переход от более ранних к более молодым геосипклипалям на Тихоокеанской периферии материка происходит центростремительно по направлению от материка к океану.
Однако этой гипотезе противоречат многие факты. Ее невозможно согласовать с тем срезанием материковых структур на перифериях атлантического типа, которое широко наблюдается на берегах Южной Америки, Африки, Западной Европы, Индии, Западной Австралии, а также вокруг Северного Ледовитого океана. Все признаки указывают, что на этих перифериях материк не разрастался, а, наоборот, обрушался, и океан захватывал участки материка. Такое направление развития подтверждается и многими палеогеографическими данными, свидетельствующими о существовании размывавшейся суши в разных местах, покрытых в настоящее время океаном или глубокими морями. Особенно это относится к окраинным и средиземным морям, на месте которых (часто геологически совсем недавно), несомненно, существовала суша. Только в миоцене на месте бывшей суши образовалось Японское море, только в плиоцене опустилось Охотское море, вплоть до Конца олигоцена и начала миоцена суша существовала и размывалась на месте западной части Средиземного моря и т. д. В этих морях кора сейчас имеет промежуточный характер, и если мы примем, что крупная суша всегда должна подстилаться материковой корой, то для этих районов вырисовывается ход развития не от океанической коры через промежуточную к материковой, а, наоборот, от материковой через промежуточную к океанической.
Если вместе со многими исследователями отсутствие на дне океанов отложений более древних, чем мезозойские, считать установленным фактом, то это также не вяжется с рассматриваемой гипотезой, которая предполагает, что океаны являются древнейшими образованиями с изначальной недифференцированной корой.
Дрейф континентов
На некоторые вопросы, возникающие в связи с гипотезой дифференциации, пытались ответить с помощью гипотезы горизонтальных перемещений материков. Предложенная в десятых годах нынешнего столетия А. Вегенером, она почти полностью сошла со сцены в двадцатых и тридцатых годах, но в последние два десятилетия снова получила распространение, главным образом в связи с некоторыми результатами палеомагнитных исследований, которые подтверждают эту гипотезу. Впрочем, гипотеза дрейфа континентов сейчас значительно модифицирована по сравнению с первоначальным вариантом.
Как известно, гипотеза плавания материков вначале резко противопоставляла Атлантический и Индийский океаны Тихому океану, считая первые два вторичными, «открывшимися» в результате расхождения материков, а последний — первичным. Вторичными являлись по предположению и окраинные, и средиземные моря, образовавшиеся в результате раздвижения окаймляющих их участков суши.
Эта гипотеза объясняла срезание материковых структур на периферии атлантического типа раскалыванием материков и раздвижением их частей. Палеогеографические данные, указывающие на былое существование суши на месте морей и океанов, увязывались с представлением о том, что эта суша не погрузилась на месте, а отодвинулась в сторону.
Однако при этом возник ряд роковых вопросов, ответы на которые не были найдены. Так, изучение дна океанов доказало отсутствие каких-либо признаков более древнего образования Тихого океана. Все океаны одинаковы по своему геологическому и геофизическому строению. Тезис о разделении океанов на первичные и вторичные был опровергнут. Противоречило этой гипотезе и наблюдаемое равенство среднего теплового потока на материках и в океанах. Длительное, устойчивое, сохраняемое в течение сотен миллионов лет положение областей медленных прогибаний и поднятий (синеклиз и антеклиз) на древних платформах материков (например, Московской синеклизы или синеклизы Конго и т. п.) противоречит идее перемещения материковой коры по мантии, поскольку причины этих медленных прогибаний и поднятий лежат заведомо в мантии на глубине нескольких сотен километров. Явление устойчивости тектонических зон может быть увязано с гипотезой плавания материков лишь в том случае, если допустить, что перемещается не только кора, но кора и верхняя мантия совместно в виде толщи в сотни километров мощностью. Того же требуют и различия в составе материковой и океанической верхней мантии, обнаруженные при изучении теплового потока Земли. Но допустить движение блоков коры и верхней мантии в несколько сотен километров мощностью — это значит столкнуться с непреодолимыми механическими и физико-химическими трудностями.
Следует также заметить, что, придавая первенствующее значение проблеме формирования материков и океанов в их современном облике, данная гипотеза попросту отмахивается от таких вопросов, как причины и закономерности развития колебательных движений земной коры, складчатости разных типов, магматизма и метаморфизма, т. е. от всего того, что составляет основу жизни материковой коры. Некоторые из этих явлений вообще игнорируются, другие схематизируются до полного искажения.
Растекание океанического дна
Модификацией гипотезы плавания материков явилась гипотеза «растекания» океанического дна. Она учитывает новейшие данные о молодом возрасте осадков в океане и исходит из того, что океаническая кора периодически обновляется. Последнее такое обновление произошло в начале мезозоя. Все океаны в этом смысле равноправны: все они претерпели в одно и то же время обновление своего дна. Обновление происходит в результате подъема материала из мантии сквозь разломы рифтовых долин на срединных хребтах. Этот материал, выйдя на поверхность, растекается в обе стороны, в результате чего и образуются новая океаническая кора и новое океаническое дно. А старая кора уносится общим течением под соседние материки, где под геосинклиналями (или глубоководными рвами) нисходящая ветвь конвективного потока завлекает ее обратно в мантию. В последней старая кора растворяется. Расходящиеся отсреднинных хребтов потоки раздвигают материки до тех пор, пока их положение не определится равновесием между взаимодействующими встречными потоками. Необходимым атрибутом гипотезы является принятие серпентинитового состава основного слоя океанической коры: он не может быть габбровым или базальтовым, если он образуется в результате подъема на поверхность ультраосновного материала мантии.
Эта гипотеза также не может ответить на ряд серьезных вопросов. Приведем некоторые из них.
Если океаническая кора серпентинитовая, а верхним температурным пределом серпентинизации являются 500°С, то почему раздел Мохоровичича в океанах залегает очень устойчиво на глубине, на которой указанная температура заведомо не достигается, и почему он столь резок? Как образовалась серпентинитовая кора в морях, где нет рифтовых долин (например, в Охотском. Японском или Карибском морях) и где отмечается присутствие коры субокеанического типа? Как объясняется равенство средних тепловых потоков на материках и в океанах? Почему нет никаких деформаций дна океана близ материков, где дно «подтекает» под материк? Как объясняется указанная выше длительная устойчивость расположения тектонических зон на материковых платформах? Если геосинклинали располагаются над нисходящими, т. е. наиболее холодными ветвями конвективных потоков, то как объяснить признаки повышенного теплового потока в виде явлений регионального метаморфизма и гранитизации, типичных для геосинклиналей?
К этому следует прибавить, что если для одного Атлантического океана довольно просто вообразить схему глубинных конвективных потоков, то никому еще не удалось воссоздать удовлетворительную схему конвективных течений для всей поверхности Земли в целом. Например, уже Африка представляет собой неразрешимую проблему: в Африке нет меридиональной складчатой зоны, под которой могли бы сойтись и образовать общий нисходящий поток встречные течения, идущие от срединных Атлантического и Индийского хребтов. Необъяснимое усложнение вносит и Восточно-Африканский континентальный рифт, который является непосредственным структурным продолжением Срединноиндийского океанического рифта. Почему из него не поднимается вещество мантии? Ведь известно, что на дне Восточно-Африканского рифта лежит обыкновенная материковая кора! Нужны гидродинамически совершенно невозможные конструкции подкоровых течений, чтобы как-то объяснить предполагаемое перемещение Индостана с севера на юг, образование складчатости в районе Средиземного моря, соотношение срединного хребта в Тихом океане со складчатыми зонами вокруг него и многое другое.
Если такие затруднения возникают уже при попытке объяснить распределение самых молодых складчатых зон в зависимости от расположения рифтов, то трудности неисчислимо возрастут, как только мы вспомним, что в прежние тектонические циклы было иное расположение геосинклиналей, а рифты тех предыдущих циклов нам не известны вовсе. Как же образовались структуры в течение прошлых тектонических циклов? И как геосинклинали разных циклов следовали в своем развитии одной принципиальной схеме последовательности и взаимоотношений тектонических и магматических процессов, если они непрерывно странствовали с места на место, носимые конвективными потоками? Сторонники этой гипотезы стараются убедить нас в том, что вместе с растекающимся океаническим дном на спине потока перемещаются вулканы, которые продолжают действовать. Как же они не теряют связь со своими очагами?
Но вместе с тем ряд явлений говорит в пользу гипотезы плавания материков, в том числе и ее последней модификации. Кроме параллелизма противоположных берегов (а также шельфов) Атлантического океана, что, конечно, заманчиво объяснить разрывом единого материка, главным свидетельством в пользу этой гипотезы признаются результаты палеомагнитных исследований. Расхождение в данных о положении полюса в разные геологические периоды, полученных в Европе, с одной стороны, и в Северной Америке — с другой, может быть истолковано как результат постепенного удаления одного материка от другого. Приводятся также аргументы палео-климатические, в основном касающиеся объяснения верхнепалеозойского оледенения в южном полушарии, палеогеографические и структурные. Последние указывают на сходство геологического строения по обе стороны Атлантического океана и даже на продолжение на одном берегу некоторых структурных элементов, начинающихся на другом берегу, и т. д.
Поскольку геологические и палеогеографические аргументы допускают, как показали многие авторы, и иную интерпретацию, самым сильным подкреплением гипотезы являются данные палеомагнитных исследований. Можно также прибавить, что полосовое расположение чередующихся прямых и обратных магнитных аномалий на дне океана, параллельных рифтовой долине, рассматривается рядом исследователей как подтверждение гипотезы растекания дна, а по расстоянию между полосами с разным направлением намагниченности и по хронологии эпох инверсии магнитного поля Земли подсчитывают скорости этого растекания.
Однако, несмотря на положительные свидетельства, которые дают геомагнитные наблюдения, гипотеза плавания материков вступает в столь решительный конфликт с другими геофизическими данными, а также рядом геологических данных, что возникает вопрос, правильно ли лежащее в ее основе представление о том, что магнитное поле Земли всегда имело ту структуру, какую оно имеет в настоящее время, достаточно ли учитываются те воздействия, которые испытывали породы, сохранившие остаточную намагниченность, после своего образования? Наконец, обращает на себя внимание огромный разброс между отдельными палеомагнитными определениями, по которым находят статистическое среднее. А полосы аномалий на дне океана превращаются при более детальных площадных исследованиях в довольно беспорядочную комбинацию пятен.
Гипотеза расширения Земли
Гипотеза большого расширения Земли предполагает, что первоначально земной шар был столь мал, что вся его поверхность была покрыта современными материками. По мере увеличения объема земного шара единый материк раскалывался на куски и эти куски раздвигались, а между ними на поверхность выступал материал мантии, образуя океаническое дно.
Возражение против гипотезы плавания материков, основанное на равенстве среднего теплового потока на материках и в океанах, сохраняется и в этом случае. Поскольку расстояния между материками различны, а Земля сохранила сферическую форму, современное размещение материков не могло осуществиться без их относительного горизонтального перемещения. Тем самым мы возвращаемся к предыдущей гипотезе со всеми ее противоречиями. Мы не затрагиваем проблемы, касающейся причин столь большого и быстрого (с конца палеозоя до настоящего времени) увеличения объема Земли. Высказанные по этому поводу в литературе соображения не выходили за пределы весьма неопределенных предположений.
Океанизацня
Гипотезам плавания материков и большого расширения Земли противопоставляется гипотеза «океанизации», допускающая образование океанов в результате разрушения находившейся ранее на их месте материковой коры путем раскалывания последней на глыбы, их погружения в мантию и растворения в ней. Предполагается, что в процессе длительного радиоактивного разогревания земного шара материал верхней мантии частично плавился, что вело к его дифференциации и повсеместному образованию коры материкового типа. В конце палеозоя или начале мезозоя усиливающийся радиоактивный разогрев земных недр привел в некоторых областях к полному плавлению ультраосновного материала. Это сопровождалось бурными вулканическими процессами, во время которых основные и ультраосновные интрузии пронизывали земную кору, расчленяли ее на глыбы и своим тепловым воздействием вызывали в ней явления метаморфизма с выделением воды и возрастанием плотности. Застывание интрузий также вело к возрастанию плотности. В результате утяжеленные уплотнением и собственного вещества, и внедрившихся в него интрузий глыбы коры тонули в верхней мантии, постепенно расплавляясь и растворяясь в ней. А на поверхности место этих глыб занимали базальтовые излияния.
Новейшие результаты экспериментальных работ А. Рингвуда и его сотрудников, показавшие значительно более широкие, чем это предполагалось раньше, возможности образования в результате метаморфизма в материковой коре эклогитов, обладающих более высокой плотностью, чем верхние слои мантии, говорят в пользу принципиальной возможности такого механизма. Кстати, и сам Рингвуд полагает, что глыбы эклогита, образовавшиеся при остывании базальтов и других пород в подошве коры, погружаются в мантию и что дальнейшее их плавление приводит к выплавлению андезитовой магмы. Так можно объяснить огромный объем андезитовых излияний вокруг Тихого океана.
Гипотеза «океанизации» снимает практически все возражения, выдвинутые против гипотез плавания материков и «растекания» океанического дна. Она объясняет равенство средних тепловых потоков на материках и в океанах, а также различия между материковой и океанической геологией, поскольку материки стоят на месте и развиваются в соответствии с процессами, протекающими в верхней мантии непосредственно под ними, а развитие океанов связано с областями верхней мантии, находящимися под ними. Тектоносфера разделена на вертикальные блоки, развивающиеся в той или иной мере самостоятельно. В океанах атлантического типа срединные хребты являются зонами, в которых процесс «океанизации» еще продолжается, тогда как за пределами хребтов, в котловинах, он закончился. В областях развития периферий тихоокеанского типа именно эти периферии представляют собой арену усиленного развития океанизации, которая здесь вступает в конфликт со встречным процессом дифференциации и наращивания материковой коры, проявляющимся в окружающих Тихий океан геосинклиналях. К областям такого столкновения противоположных глубинных процессов относятся островные дуги и хребты, окаймляющие Тихий океан, что и обусловливает здесь бурную сейсмическую и вулканическую активность. А наклонные глубинные разломы, окружающие Тихий океан, отделяют области развития процессов материковой дифференциации и океанической гомогенизации.
В соответствии с данной гипотезой промежуточные типы коры отражают переходные стадии на пути от материковой коры к океанической. Опускания океанических периферий и всего Тихого океана с его гийотами объясняются постепенной базификацией коры.
Возражения против этой гипотезы относятся главным образом к механизму «океанизации». Чтобы вызвать опускание кусков материковой коры достаточно глубоко в мантию, необходим подъем в кору очень большого объема ультраосновного материала, вероятно превышающего объем материковой коры. При этом такой подъем должен был произойти геологически быстро — на протяжении не более 100 млн. лет. Это выглядит как серьезный катаклизм; вызывает удивление то обстоятельство, что за пределами океанов следов его, в сущности, не заметно. Ими могут быть трапповые излияния верхнего палеозоя и мезозоя в Сибири, Индии и Южной Америке. Не объяснена локализация процесса разрушения материковой коры, приуроченность его именно к тем областям, где сейчас находятся океаны. Не было до сих пор обнаружено мест, где можно было бы наблюдать промежуточные стадии «океанизации», которые в явной форме демонстрировали бы механизм процесса. Промежуточные случаи были бы особенно важны для понимания того, каким образом в местах развития субокеанической коры происходит разрушение «гранитного» слоя при сохранении «базальтового». Указывалось, что содержание аргона в земной атмосфере противоречит процессу, предполагаемому данной гипотезой.
Многим кажется сомнительным, чтобы до конца палеозоя на Земле не было океанов современного облика, а существовали лишь неглубокие моря на материковой коре. Резкое увеличение количества воды на Земле в конце палеозоя и начале мезозоя представляет собой процесс, который трудно объяснить.
Будущие исследования
Наличие столь разных гипотез развития земной коры и верхней мантии и те противоречия, которые встречает каждая из них, лишний раз указывают на все несовершенство наших знаний. Нам не хватает самых основных фактов для того, чтобы наблюдаемые явления привести в согласие между собой и разработать удовлетворительно обоснованную схему глубинных процессов.
Для изучения состава коры необходимо глубинное бурение. Необходимы дальнейшие исследования свойств силикатов при высоких давлениях и температурах для выяснения условий их плавления и кристаллизации, дифференциации и гомогенизации и фазовых переходов. Необходимы специальные исследования природных условий и сущности процессов метаморфизма.
Для материков нужна новая систематизация данных о пространственных и временных взаимоотношениях между тектоническими, метаморфическими и магматическими процессами, а также сравнение глубинного строения различных тектонических зон.
Для океанов мы остро нуждаемся в сведениях о составе и возрасте материала второго и третьего слоев коры. Специальные исследования должны осветить совершенно неизвестные пока детали перехода от материковой коры к промежуточной и океанической. Особый интерес представляет изучение связей между структурами на океанической коре и структурами на коре материковой. Мальдивско-Лаккадивский подводный хребет как будто прямо упирается в плато Декан с его базальтовыми излияниями. Цепочки подводных вулканов в Гвинейском заливе, а также Китовой хребет как будто продолжаются в виде цепочек магматических проявлений на Африканском материке. Остров Мадагаскар, имеющий материковую кору, к югу продолжается в виде подводного хребта, характеризующегося уже океанической корой. То же явление наблюдается на продолжении к югу Новой Зеландии. Исключительный интерес представляет район Сейшельских островов. На них обнаружена материковая кора. Но, двигаясь к югу вдоль Маскаренского хребта, мы обнаруживаем очень быстрый переход к океанической коре через кору типа вулканических хребтов. Не будут ли обнаружены именно здесь определенные свидетельства в пользу процесса «океанизации»?
Необходимость обобщающей теории
В заключение, оценивая общее состояние наук о твердой Земле, мы можем констатировать, что сейчас в них наблюдается определенная асимметрия: в новейших обобщениях очень большое внимание уделяется тем данным, которые получены в последнее время при изучении океанов, и в то же время часто забывают результаты прежних длительных исследований геологов и геофизиков на материках. Психологически это понятно, так как в последние годы успехи в изучении океанов огромны. Они открыли перед нами новый мир явлений. Новые и к тому же необычные результаты гипнотизируют и затмевают многое более старое и привычное.
Между тем за два века своего существования геология накопила огромный материал о строении и закономерностях развития материков. Накоплены и немалые геофизические и геохимические сведения.
Материки нельзя рассматривать только как «мертвые рамы» океанов. Они живут сложной и закономерной тектонической и магматической жизнью.
Недостаточное внимание к материковой геологии ведет к потере историзма в науках о Земле. Материал исторической геологии пока сосредоточен почти полностью на материках, и в силу понятных обстоятельств исторический подход только начинает проникать в учение о строении океанических впадин. С точки зрения исторического подхода непростительно сводить всю геологическую жизнь материков к образованию молодых альпийских складчатых зон. Тектоническая история материков гораздо сложнее. Тот же подход не должен был бы позволять видеть в формировании мезо-кайнозойских геосинклиналей и рифтовых зон две стороны единого процесса, поскольку геологические данные указывают, что рифты начали образовываться не раньше конца палеогена, тогда как мезо-кайнозойские геосинклинали развивались уже с начала мезозоя.
Обобщающие концепции необходимо пытаться строить на совместном и уравновешенном использовании как «океанических», так и «материковых» геологических, геофизических и геохимических данных. Если эти данные в чем-то противоречат друг другу, то такое противоречие нельзя искусственно обходить путем произвольного предоставления преимущества «одной стороне»: оно должно быть специально изучено и причины и природа его должны быть досконально выяснены. Здесь не должно быть победителей и побежденных; должно существовать полное и равное уважение как к данным новой науки об океанах, так и к достижениям классической науки о материках. Не следует упускать из виду, что данные о строении и развитии океанов пока гораздо схематичнее, чем аналогичные данные о материках. Отсюда не должно вытекать, что для обобщений, охватывающих океаны и материки, сведения о материках должны подвергаться такой схематизации, какая приведет их к уровню данных об океанах. Именно чрезмерная схематизация часто является основной бедой, которая заводит обобщения в тупик. Было бы очень печально, если бы разработанные материковой геологией закономерности и механизмы геологических процессов были утрачены в целях приспособления наших представлений к более схематичным данным об океанах.
Только объединяя данные материковой и океанической геологии и геофизики, мы можем надеяться в течение обозримого срока создать основу настоящей теории глубинных процессов, теории, которая будет иметь не только научное, но и прикладное значение, поскольку она откроет для нас новые двери к минеральным и энергетическим богатствам земных недр.