Другие парадигмы

К приведенным выше трудностям парадигмы тектоники плит У. Кэрри [11] добавляет ряд новых. К ним относятся:

1. Африканский парадокс. Как и все материки, Африка окружена собственной рифтовой зоной. Здесь происходит разрастание океанического дна, а грубые очертания Африканской плиты вдвое больше самого континента, причём вся кора прибавилась за последние 100 млн лет. Наращивание коры в Атлантике подразумевает субдукцию где-то на востоке, а аккреция коры в Индийском океане возле Африки – субдукцию где-то на западе. В каком-то месте Африки тектоника плит требует наличия субдукционной воронки, поглотившей больше океанической коры, чем вся площадь этого континента. Но зоны субдукции там нет, а есть только системы крупных рифтовых долин. Также между СОХ Атлантического и Индийского океанов есть только расширяющееся океаническое дно. Антарктида также окружена собственной зоной роста и в ней нет зоны субдукции.

2. Аномалия, связанная с Перуанско-Чилийским жёлобом. Согласно плитотектоническим реконструкциям, под Анды должно быть пододвинуто 4500 км новообразованной за последние 50 млн лет коры в Тихом океане. Но осадконакопление не сопровождалось какими либо возмущениями, нет и содранных с океанического дна и собранных в аккреционные призмы осадков. Некоторые части глубоководных жёлобов пусты, в других местах турбитиды, поступившие с суши, совершенно не похожи на глубоководные илы, которые должны бы были аккумулироваться здесь. По данным чилийских геологов в зоне Чилийского берегового хребта главный тектонический режим – растяжение со сбросами и грабенами. Поэтому здесь субдукционная модель не “работает”.

3. Индийская загадка. Плитотектонические реконструкции отделяют в палеозое Индию от Китая и Афганистана океаническими просторами, хотя многие протерозойские и палеозойские формации, стратиграфические подразделения и палеонтологические опорные горизонты протягиваются из Индии в Афганистан. Листозавр, рептилия, по размеру, форме и местообитанию напоминающая бегемота, путешествовала из Индии в Китай вместе со многими спутниками, насекомыми и растениями. Этого тектоника плит объяснить не может. Существует другие факты, которые противоречат ей. Это, в частности, однородность теплового потока в океанах и на материках, аномально пониженные на большие глубины под материками температуры, увеличивающийся периметр Тихого океана.

Снять эти противоречия призвана концепция расширяющейся Земли. Согласно её положениям радиус Земли за последние 200 млн лет увеличился на одну треть (рис. 4.7), а скорость расширения составляет 2,4±0,8 см. На глобусе с уменьшенным радиусом пути миграции полюсов совпали для всех материков. Это заставило предположить, что угловое расположение материков относительно центра Земли в настоящее время примерно такое, какое они занимали более миллиарда лет назад. Их разобщение на современной поверхности Земли обусловлено радиальным перемещением материковых блоков от центра Земли. Важным допущением считается спаянность материков с мантией. Перемещение континентов по горизонтали ограниченно океаническими впадинами на расширяющейся Земле, в которых образуется новая кора, тогда как относительно отодвигающиеся друг от друга континенты покоятся на собственной мантии.

По этой концепции переход океанической коры в континентальную происходит в результате воздействия мантийных диапиров на жесткую кору. В ней происходит образование прогибов, заполнение их осадками, метаморфизация, смятие в складки, внедрение интрузий и превращение отрицательной структуры в ороген в результате продолжающегося подъёма мантийного плюма. Возникновение и стадии развития простого орогена показано на рис. 4.2. Первичное растяжение в континентальной коре приводит сначала к образованию шейки и утонению, пока кровля и подошва литосферы не сблизятся настолько, что на глубине около 5 км ниже уровня моря литосфера не исчезнет. Уменьшение мощности континентальной коры до нуля сопровождается подъёмом мантии на 30 км. В этой модели расширения на протяжении всех стадий развития орогенеза происходит растяжение и движение подкорового диапира всё время вверх. Когда мощность континентальной коры убывает до нуля (средняя схема на рис. 4.2), появляются две зоны формирования осадков. В центральной зоне располагается глубокая эвгеосинклиналь с активным и неустойчивым дном, множеством разломов и рифтовых долин, по которым снизу проникает горячая магма из поднимающегося диапира. Осадки накапливаются быстро, не подвергаясь значительной переработке волн. При сейсмических толчках по крутым склонам спускаются турбитидные потоки, давая начало флишевым толщам.

В зоне пологого прогиба – миогеосинклинали, расположенной сбоку от орогена, дно более пологое, море мельче, вулканизм практически отсутствует. Действие волн сортирует и разрушает обломки пород и минеральные зёрна; здесь обильная жизнь и формируются известняки. Между мио – и эвгеосинклинальными прогибами образуется выступ, разделяющий две различные фации. Со стороны эвгеосинклинали присутствуют не только одновозрастные осадкам миогеосинклинали вулканиты и интрузии гранитов, внедрившиеся во время последующей складчатости, но и серпентиновые пояса и офиолиты, т.е. типы пород, перемещённых из мантии, которые тесно сочетаются в разрезе с эвгеосинклинальными осадками.

В тех случаях, когда орогены образуются на границе континент – океан, где располагается зона Беньофа, выдавливание диапирами мантийного вещества приводит к образованию островных дуг, выносу лав, внедрению интрузий базит-гипербазитового, а на конечных этапах орогенеза и гранитоидного состава с образованием гранитогнейсовых куполов. Как показано на рис. 7.8, от осевой зоны орогена вплоть до зоны Беньофа располагается один сложный диапир. Зона Беньофа представляет собой границу между поднимающимся диапиром и неподвижной океанической литосферой. Давление, заставляющее диапир двигаться, может вызвать образование разрывов в любом месте орогена, но в его центральной зоне из-за разогрева породы приобретают способность течь. При низких температурах надвиги могут возникнуть даже в центральной зоне. В стороны от осевой зоны разность напряжений достигает уровня образования разрывов прежде, чем породы начинают течь. Образующаяся зона разлома и есть зона Беньофа. На границе диапира, имеющего форму перевёрнутого колокола, висячее крыло, принадлежащее диапиру, надвигается на неподвижное крыло. Такая картина наблюдается на азиатской части тихоокеанского побережья.

Поднятие глубинного диапира выносит кверху ранее накопившиеся образования, которые затем под собственной тяжестью начинают течь в стороны. Предположим, что точка, обозначенная на рис. 4.2 буквой Р, находится в середине орогена на уровне прежней поверхности суши. Она перемещается вверх под действием поднимающегося диапира, но на неё воздействует направленное вниз давление – вес вышележащей толщи. Эти две вертикально ориентированные силы сжимают её, заставляя расширятся в стороны. Высота орогенической зоны продолжает возрастать до тех пор, пока направленное в стороны течение материала не достигнет скорости, с которой диапир выталкивается снизу. Тогда поверхность орогенической зоны перестает подниматься, но ороген продолжает растекаться в горизонтальном направлении подобно леднику. Внутренние зоны всегда надвигаются на соседние внешние. Поверхности покровов очень круты вблизи центра, но выполаживаются к внешним зонам, где покровы надвигаются на миогеосинклиналь. На рис. 4.2 выклинивающийся край континентальной первичной коры опрокинут в виде шарьяжа на миогеосинклиналь, где давление вышележащих покровов отжимает миогеосинклинальные осадки в сторону от оси орогена, с формированием надвиговых пластин и цепочек концентрических складок.

На вращающемся небесном теле, которым является Земля, обладающим силой тяжести, отчасти жидком, отчасти пластичном, т. е. способном за длительные периоды времени течь в твёрдом состоянии, происходят различные крупномасштабные вращения. Они во многом могут определять тектонический облик планеты [11]. Выделяют следующие типы движений: 1 – движения между полушариями; 2 – дифференциальные движения континентальной и океанической литосфер; 3 – происходящие в каждой одной восьмой части сферы, как показано на правой верхней схеме земного шара на рисунке 4.9 межзональные движения, например перемещения экваториальных зон, относительно циркумполярных зон; 5 –дифференциальные движения между оболочками, например между ядром и мантией, мантией и литосферой, литосферой и гидросферой, гидросферой и атмосферой; 6 – дифференциальная прецессия оболочек; 7 – неосевое вращение Земли и, возможно, какие-либо другие (рис. 4.9).

Благодаря силе тяжести все участки литосферы стремятся к состоянию равновесия за счёт плавучести, причём области с меньшей плотностью (континентальные) поднимаются выше относительно уровня геоида, чем области с большей плотностью (океанические). Так как вклад континентов в момент инерции больше, чем вклад океанов, первые имеют тенденцию сползать на запад, тогда как океаны стремятся смещаться на восток. Наличие вращений в октантах приводит к тому, что скорость смещения любого блока в восточном направлении при удалении от центра Земли увеличивается (сила Кориолиса). При подъёме диапира его вещество удаляется от центра, поэтому имеет тенденцию отставать по сравнению с новым для него обрамлением, т.е. смещаться на запад. Поэтому в активных диапирах новая кора должна больше наращиваться на западных флангах, расширяя новый участок между активным орогенном и смежным материком, что наблюдается у азиатских берегов Тихого океана. В отличие от этого вдоль восточных берегов Тихого океана оси орогенов палеозойского, мезозойского и кайнозойского возрастов вряд ли смещались одна относительно другой, и новая кора внедрялась на их западных флангах. Подобным образом материал, движущийся к экватору, должен отклоняться на запад, а перемещающийся к полюсу – на восток. Это может проявиться как направленное к западу движение экваториальной и к востоку движение приполярной зон.

Мантия обгоняет в своём вращении ядро, а атмосфера – литосферу, полюса блуждали в прошлом, мигрируют и сейчас со скоростью 10 м в столетие. За последние 400 млн лет Северная Америка повернулась на 90° относительно Северного полюса (рис. 4.10), что было вызвано вращением литосферы относительно мантии. Земля подвергается воздействию двух процессов кручения панглобального масштаба вдоль двух огромных кольцевых зон. Они располагаются по большим кругам перпендикулярно относительно друг друга: по левосторонней Тетической зоне кручения и сопряженной с ней Циркумтихоокеанской зоне кручения. Кручение в Тетической зоне происходило вдоль экватора, а в Циркумтихоокеанской – через полюсы Земли. Последняя отделяла «материковое полушарие» от «океанического» полушария. Там, где они пересекаются под прямыми углами, возникают области раздробления – в Вест-Индии и Ост-Индии.

В зоне Тетического кручения материки Северного полушария смещаются влево относительно материков Южного полушария. Непосредственно вокруг Тетического кольца блоки, отколовшиеся от материков, и частные орогенические пояса повернуты влево в результате сопротивления кручению. Когда орогенический пояс подвергается кручению, он приобретает S-образную форму, если смещение левостороннее, и Z-образную форму, если оно правостороннее. Вокруг Тетической зоны кручения располагается несколько зон, испытавших левостороннее смещение: Атлас в Северной Африке, Сицилия и Альпы, Загрос в Иране. В противоположность им зона Гималаи, Таиланд, Суматра и Ява испытали правостороннее смещение вдоль Циркумтихоокеанской зоны кручения. Причиной рассматриваемого кручения является взаимодействие инерционных сил и сил тяготения, обусловленных более высоким положением центра масс на материках. Она стремится сдвинуть материки на запад относительно океанической коры, что проявляется в разных масштабах. На западе Тихого океана имеются впадины растяжения, расположенные на всём протяже нии от полюса до полюса (моря Охотское, Японское, Желтое, Восточно-Китайское, Филиппинское, Сулавеси, Тасманово), чего нет у восточных берегов Тихого океана. Здесь Американские материки от полюса до полюса стремятся сместиться на запад относительно океанической коры, тогда как последняя имеет тенденцию смещаться на восток. Поэтому растяжение здесь меньше и впадины растяжения не образуются.

Циркумтихоокеанская зона кручения отделяет полушарие, в котором преобладает суша, от полушария, в котором преобладают океаны. В условиях приблизительного изостатического равновесия в обоих полушариях Земли момент инерции материкового полушария должен превышать момент инерции океанского полушария, так как центр масс материков располагается на 2 км выше. Перед ускорением процесса расширения Земли в меловое время выходы осей максимального и минимального моментов инерции располагались на экваторе (в зоне Тетис), примерно посередине между Ост-Индией и Вест-Индией, т.е. в центрах Пангеи и Тихого океана. Начавшееся затем ассиметричное расширение стало смещать находившуюся на экваторе зону Тетис и переместило её в Средиземноморье.

Циркумтихоокеаническая зона кручения по Хьюго Беньоффу представляет главное тектоническое перемещение материков по часовой стрелке вокруг Тихого океана. Это другая сдвиговая зона большого круга, которая делит земной шар на два полушария – океаническое и континентальное (дисимметрия). Тетическое кручение является левосторонним, а циркумтихоокеанское – правосторонним, и можно полагать, что эти процессы развивались одновременно. Наиболее ярким выражением циркум-тихоокеанического кручения является ров Скалистых гор, разлом Сан-Андреас, мегасдвиг Ассам – Анадырь, Новозеландский разлом. По этим линеаментам происходит право-стороннее смещение континентов относительно океанической коры.

Таким образом, относительные перемещения блоков коры по У. Кэрри представляют собой сложные взаимодействия нескольких движений: 1 – взаимное разделение блоков при движении в радиальном направлении от центра Земли с формированием между ними океанической коры; 2 – левостороннее кручение в зоне Тетис между полушариями; 3 – правостороннее циркумтихоокеанское кручение; 4 – ассиметрия между западом и востоком, выраженная в большем расширении вдоль западной окраины по сравнению с восточной; 5 – ассиметрия между севером и югом – большее расширение Южного полушария по сравнению с Северным.

К. Сторетведт [38] разработал модель «глобальной тектоники скручивания». Он считает, что из глобальной картины распределения палеоклиматов от палеозоя до третичного времени, Земля претерпевала систематическое изменение своей ориентации в пространстве относительно своей оси вращения. Процесс изменения оси вращения и соответствующего блуждания полюса неизменно связан с изменением планетарных моментов инерции, что, безусловно, должно сопровождаться внутренним перераспределением масс в глубоких недрах планеты. Этот автор предполагает, что на ранних этапах своей истории Земля имела панглобальную гранит-гранулитовую кору, которая становилась химически нестабильной в ходе последующего остывания планеты.

Первичная кора в изменяющихся термодинамических условиях непрерывно, хотя и неравномерно, утоняется под влиянием термохимических процессов в мантии, по всей видимости, в результате воздействия пульсирующих мантийных плюмов. И, в конечном счете «большая часть первично сиалического покрова была замещена под современными бассейнами тонкой океанической базальной корой, но «непереваренные» остатки континентального материала (множества асейсмичных хребтов и др.) оказались рассеянными по пространству Мирового океана». Поэтому, по мнению К. Сторетведта, мы скорее должны говорить о деструкции континентов, чем об аккреции. Следует отметить, что идеи океанизации континентальной коры высказывались и раньше.

Дальнейшая эволюция Земли и глобальная тектоника, основанные на простых физических принципах, обнаруживают строгую взаимосвязь с планетарным вращением. Складчатые пояса развиваются в двух палеогеографических позициях относительно оси вращения планеты: либо вдоль (и близко), либо перпендикулярно экватору соответствующего времени, и их предшествующая геосинклинальная стадия оказывается естественным следствием воздействия мантийных плюмов внутри вращающегося тела. В альпийское время, когда потери континентальной коры достигли значительных размеров, земная кора и верхняя часть мантии приобрели определенную мобильность. Она выразилась в том, что континентальные массивы оказались способны к некоторым переменным азимутальным поворотам (рис. 4.11). Это объясняется результатом определенного западного дрейфа (скручивания) коры – самых верхов мантии под действием сил инерции и изменения положения оси вращения.

Этапность или цикличность в развитии Земли признают почти все геологи, начиная с XIX века. Каноны Штилле о фазах складчатости вошли в учебники. В.Е. Хаин [36] выделяет три крупнейших цикла, давая им собственные названия. Цикл Уилсона (~ 600 млн лет) характеризуется образованием и распадом суперконтинентов, новообразованием и последующим закрытием океанов; Бертрана (~150 млн лет) – обычно частичным закрытием океанов из-за столкновения микроконтинентов или крупных вулканических дуг с континентами; Штилле (~30 млн лет) – проявлением фаз орогенеза. Первый цикл связан с процессами общемасштабной конвекции, второй – верхнемантийной, третий – с конвенцией в астеносфере.

Пульсационную гипотезу развивает Е.Е. Милановский [16], в основе которой лежат чередование эпох сжатия и расширения Земли, обусловленных космическими причинами. Он пришел к убеждению о существовании пульсаций Земли различного порядка и продолжительности, происходивших на фоне ее слабого или умеренного расширения, преобладавшего на отдельных этапах развития Земли. Этим автором были высказаны представления о существовании геопульсационных циклов разного ранга, начиная от суперциклов продолжительностью до 0,5-1 млрд. лет и кончая циклами длительностью порядка 10 лет, намечаемых на основании обнаружения ничтожных периодических изменений силы тяжести и скорости вращения Земли.