Эволюция геотектонических гипотез

Но часть гипотезы Пратта об изменении плотности земной коры — уменьшении ее в горных странах и увеличении в тех областях, где толщина земной коры меньше, — подтвердилась. Кроме того, многие исследователи предполагают, что вместо астеносферы на границе коры и мантии имеется более глубоко залегающий слой, выполняющий функции астеносферы. Гутенбергом (1926, 1959) был открыт слой пониженных скоростей сейсмических волн в мантии па глубинах около 100 км под континентами и около 50 км под океанами. Нижняя поверхность слоя расположена на уровне 200 км. В астеносфере, вещество которой имеет повышенную пластичность, по представлениям геофизиков, осуществляется горизонтальный транспорт вещества, причем восстанавливаются небольшие нарушения равновесия, происшедшие за счет изменения высоты блоков (например, при загрузке низких блоков осадочным материалом, сносимым с разрушаемых гор, образующих высокие блоки).

Таким образом, сейчас мы пользуемся комбинацией гипотез Эри и Пратта, чтобы объяснить механизм изостатической компенсированности земной коры. Учитывая это, Хейсканен (1932) предложил гипотезу, согласно которой две трети компенсации осуществляется путем утолщения коры, а одна треть — изменением ее плотности.

Изостатические движения в земной коре некоторыми исследователями были приняты как главный механизм, вызывающий тектонические деформации. Считалось, что эрозионное срезание возвышенности на одной колонне земной коры и загрузка разрушенным материалом другой колонны будет вызывать поднимание вверх первой и опускание вниз второй колонны. Именно такой процесс поднятия гор и опускания предгорных впадин, перегружаемых обломками пород, сносимых с гор, наблюдается повсюду в горных странах.

Такие представления не противоречат действительно существующим явлениям изостатического выравнивания (компенсации нарушенного равновесия). Но для того чтобы начал работать механизм изостазии, нужно приложить силы, которые первоначально нарушили бы это равновесие. Иначе говоря, движения, восстанавливающие изостатическое равновесие, являются только следствием, а по причиной (А. Д. Архангельский).

Какие же явления в земной коре вызывают тектонические движения изостатического типа? На этот вопрос первоначально, во времена господства контракционной гипотезы, отвечали так: главной причиной является утолщение легкой сиалической коры в геосинклинальных прогибах в связи с тангенциальным сжатием, складкообразованием и формированием шарьяжей.

Но выше уже было установлено, что складчатость и образованно шарьяжей часто происходят задолго до поднятия гор. Таковы, на пример, очень большие тангенциальные движения земной коры с образованием шарьяжей в начале верхнего мела в Западных Карпатах и Восточных Альпах, которые не сопровождались образованием сколько-нибудь значительных гор. Биллингс (1960) рассмотрел явлении утолщения земной коры путем смятия в складки и пришел к выводу, что одних этих деформаций недостаточно, чтобы объяснить главную причину поднятия гор.

Особенно важные данные были получены советскими геологами в Центральной Азии (В. А. Обручев, С. С. Шульц, Н. П. Костенко), там наблюдается интенсивный рост очень высоких гор в плиоцен о и четвертичном периоде (Тянь-Шань, Куньлунь, Алтай, Саяны и т. д.). На месте всех этих горных поясов до начала горообразования (в мезозое, палеогене и миоцене) не существовало геосинклинального осадконакопления и не проявлялось существенного складкообразования. На этом примере можно доказать, что между величиной тангенциального сжатия и интенсивностью горообразования нет обязательной связи, из чего делается вывод, что значительная часть горообразовательных движений вызывается другими причинами, не имеющими отношения к предшествовавшим тангенциальным сжатиям.

В 1943 г. Б. Гутенберг обнаружил корни гор, исследуя отражение сейсмических волн под Сьеррой Невадой в Калифорнии. Оказалось, что поверхность Мохоровичича, отделяющая земную кору от мантии, здесь опускается на глубину около 60 км. Г. Гамбурцев (1954, 1956) показал, что корни имеют также горы Центральной Азии.

П. Н. Кропоткин, Е. Н. Люстих и Н. Н. Повало-Швейковская (1958), исследуя современную большую толщину земной коры в высокоподнятых горных плато Центральной Азии и Боливийских Анд, приняли во внимание, во-первых, геологические факты, указывающие на геологическую молодость высокогорного рельефа в этих странах (главные поднятия произошли в плиоцене и в четвертичном периоде), и, во-вторых, довольно высокую степень изостатического равновесия, достигнутого земной корой этих областей. На этом основании они считают, что наращивание корней гор представляет весьма быстрый процесс в масштабе геологического времени. Хейсканен (1958), имея в виду другие факты, изученные им на примере изостатического выравнивания Балтийского щита, думает, что обычно достаточно десяти тысяч лет, чтобы произошло выравнивание равновесий и земная кора приспособилась к происшедшему нарушению.

Все сказанное выше позволяет сделать вывод, что процессы горообразования, происходящие весьма энергично, например, в нашу эпоху, в главной своей части вызываются увеличением (наращиванием) корней растущих горных сооружений. М. Е. Артемьев (1966), исследовавший местные изостатические аномалии силы тяжести,, пришел к выводу, что именно эти аномалии отражают происходящие в настоящее время процессы (динамику тектонических движений горообразования), развивающиеся в нижних горизонтах земной коры,, там, где она взаимодействует с мантией. Действительно, вдоль современных горных сооружений прослеживаются линейные изостатические аномалии, положительные над тыльным склоном горного хребта, тогда как над склоном хребта, обращенным в сторону передовой предгорной впадины и в самой предгорной впадине, проходит линейная отрицательная изостатическая аномалия (рис. 197). Венинг-Мейнес открыл (1930), что особенно большие отрицательные изостатические аномалии имеются в островных дугах, например, в Индонезии и на Антильских островах.

Геологический смысл изостатических аномалий в подвижных складчатых поясах Земли по Венингу-Мейнесу и Артемьеву заключается в том, что в зонах положительных аномалий земная кора тоньше, чем она должна была быть при полной компенсации, а в зонах отрицательных аномалий земная кора соответственно толще нормальной. Таким образом, в зонах положительных аномалий в настоящий момент происходит наращивание относительно лег кой земной коры за счет мантии, тогда как в зонах отрицательных аномалий происходит разрушение земной коры и замещение ее более плотным веществом мантии. Однако, ввиду запаздывания компенсационных изостатических движений, для того чтобы установилось равновесие, надо некоторое время, и за счет этого запаздывания образуются аномалии. Такое объяснение пригодно только для орогенических поясов. Совсем другое происхождение, по-видимому, имеют изостатические аномалии в областях энергичной океанизации земной коры и в тыльных областях орогенических поясов, где происходят поздние опускания и провалы, например в Эгейском, Ионическом и Тирренском морях, Паннонском блоке и т. п.

Еще один важный вопрос о механизме горообразования был в последнее время исследован в связи с накоплением огромного материала о возрасте регионального метаморфизма и гранитоидного магматизма. Выясняется, что энергичное наращивание корней гор и орогенез имеют максимум, отчетливо смещенный относительно максимумов регионального метаморфизма и гранитоидного магматизма (Ажгирей, 1967, 1968). Оба эти процесса в определенной мере самостоятельны. Поэтому есть основание предполагать, что по глубинным тектоническим зонам во время горообразования поднимается поток вещества, сильно отличающийся по составу и несущий значительно меньший поток тепла, по сравнению с более ранними эпохами складкообразования, формирования шарьяжей, регионального метаморфизма и гранитных магм. Геофизические исследования последних лет подтверждают такое представление, потому что, судя по скоростям сейсмических волн, корни горных сооружений составлены веществом основного и среднего состава.

Все вышеизложенное показывает важную роль и определенное историческое место процессов изостатического выравнивания при горообразовании в земной коре. Однако не следует забывать, что и во время горообразования происходит тангенциальное сжатие земной коры, что выражается в образовании складок большого радиуса и взбросо-надвигов (Леукс, 1912, Арган, 1922).

Поэтому часть горообразования следует относить за счет тангенциального сжатия земной коры.

3.6 Мобилистические гипотезы

Гипотеза горизонтального перемещения (дрейфа) материков сформулирована немецким геофизиком В.Вегенером (1912 г.) с использованием идей американского ученого Ф. Тейлора. Согласно гипотезе, гранитный (сиалический) слой земной коры ранее равномерно покрывал Землю, плавая по базальтовому (симатическому) слою. Под действием центробежных и приливных сил гранитный слой был собран в единый праматерик Пангея (греч. "пан" — всеобщий, "ге — Земля). С конца палеозоя под влиянием тех же сил он начал раскалываться на отдельные  крупные глыбы — континенты, которые стали отплывать друг от друга в широтном направлении. Северная и Южная Америка оторвались от Европы и Африки и подвинулись на запад. В промежутке между ними возник Атлантический океан. Южная Америка и Африка в своём движении испытали поворот по часовой стрелке (рис. 8).

При передвижении Индостана к северо-востоку, Антарктиды к югу, а Австралии к юго-востоку между ними образовался Индийский океан. Таким образом, по гипотезе А. Вегенера, Тихий океан являлся первичным, а Атлантический и Индийский — вторичными. Образование складчатых поясов объяснялось сжатием в складки континентов, которые при перемещении испытывали сопротивление подстилающего базальтового слоя.

Гипотеза основывалась на сходстве очертаний материков,  их геологического строения, животного и растительного мира. Однако она имела  неудовлетворительную физическую основу с точки зрения объяснения причин и механизма движения твердых континентов по твердому субстрату. Не объяснялись также вертикальные тектонические движения и глубокофокусные землетрясения, игнорировалась взаимосвязь коры и мантии. Некоторое время гипотеза была популярна, но затем как мало обоснованная была оставлена.

Изучение палеомагнетизма, исследования океанского дна, приведшие к открытию мировой системы срединно-океанических хребтов с их осевыми рифтами, последующие доказательства коренного отличия океанической коры от континентальной, обнаружения резкого утонения осадочного слоя к срединным хребтам и повышенного теплового потока в осевой зоне последних, наконец, установление астеносферы в мантии — все это привело к возрождению идей мобилизма на принципиально новой основе.

В 60-е годы была сформулирована концепция "новой глобальной тектоники" (Б.Изакс, Дж. Оливер, Л.P. Сайке), или "тектоники плит" (K.Ле Пишон, В.Дж. Морган), представляющая собой теоретическое обобщение новых фактов и базирующаяся на совокупности современных мобилистских гипотез раздвигания (спрединга) океанического дна (Г. Хесс, Р.Дитц, Ф. Вайн, Д. Мэтьюз), трансформных разломов, субдукции (пододвигания под материк) в зонах глубоководных желобов (Ватати, Г. Беньоф) и дрейфа континентов. Идеи мобилизма и, в частности тектоники плит, поддерживаются и развиваются советскими учеными А.В. Пейве, В.Е. Хаиным, П.Н. Кропоткиным, Л.П. Зоненшайном и др.

 а – положение 300 млн. лет назад, б – положение 80 млн. лет назад, в – положение 1 млн. лет назад

Рисунок 11- Движение материков по гипотезе А.Вегенера

Основные положения этой новой концепции заключаются в следующем. Земная кора и верхняя часть мантии, образующие верхнюю твердую оболочку Земли — литосферу, подстилаются астеносферой — более вязкой и пластичной оболочкой. Литосфера разделена на относительно небольшое (6 — 8) число крупных жестких монолитных плит, вдоль границ которых концентрируется практически вся тектоническая и сейсмическая активность .

Литосферные плиты испытывают смещения трех типов. Раздвиг (спрединг) происходит в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов (так называемые границы разрастания, конструктивные или дивергентные). Сжатие приурочено к зонам Заварицкого — Беньофа — глубоководным желобам окраинных частей океана вдоль глубинных разломов (конвергентные, деструктивные или поглощающие границы). Сдвиг происходит вдоль трансформных разломов (трансформные или скользящие границы).

Относительные смещения литосферных плит по поверхности Земли совершаются в соответствии с законами сферической геометрии. В зонах раздвига срединно-океанических хребтов рождается новая океаническая кора (отсюда название "конструктивные границы"). В зонах Заварицкого - Беньофа она поглощается в мантии (деструктивные, поглощающиеся границы). Этот процесс называется субдукцией. Предполагается, что субдукция полностью компенсирует спрединг, поэтому объем Земли остается неизменным. (рис. 9) Причиной относительного перемещения литосферных плит считается тепловая конвекция в мантии Земли. Рифты срединно-океанических хребтов располагаются над восходящими ветвями конвективных ячей. Зоны Заварицкого — Беньофа совпадают с нисходящими ветвями. Океаническая литосфера движется от рифтов к этим зонам, увлекаемая как конвейером горизонтальными отрезками конвективных ячей. Скорость конвективных потоков от 1 до 3 см/год. В земной коре эти вертикальные и горизонтальные течения в замкнутых ячеях вызывают тектонические движения в виде поднятий и опусканий, сжатия и растяжения. Они приводят к перемещению материковых плит или их отдельных частей.

Рисунок 12 -  Движение литосферных плит

Перемещение материала происходит в виде систем замкнутых кругов. Геосинклинали возникают в зонах смыкания двух ветвей нисходящих потоков, а поднятия — в местах расхождения восходящих потоков. Прогибание сопровождается сжатием, а поднятие — растяжением с образованием разломов в разные стороны (так образуются срединно-океанические хребты). Океанические впадины связывают с нисходящими или горизонтальными ветвями конвекционных потоков. Складкообразование является следствием сжатия геосинклинали двумя сближающимися платформами, при котором пластический материал выдавливается с образованием гор, либо столкновением материковых и океанических литосферных плит.