ГЛАВА 3: ЕСТЕСТВЕННАЯ ПЕРИОДИЗАЦИЯ ИСТОРИИ ЗЕМЛИ

Возрасты изверженных пород. Тектоно-магматические эпохи. Основная геохронологическая схема: катархей, архей, афебий, рифей, фанерозой. Основные этапы формирования земной коры.

Совокупность накопленных результатов определения возрастов изверженных пород показывает, что у этих возрастов имеется тенденция группироваться по сравнительно коротким эпохам (длительностью в миллионы лет), отделенным друг от друга гораздо более длинными эрами (до 150-500 млн. лет). Иначе говоря, в истории Земли чередовались короткие эпохи с повышенной магматической активностью и длительные эры с пониженной магматической активностью (под магматизмом мы здесь подразумеваем и вулканизм, приводящий к образованию эффузивов, т. е. излияний на поверхность Земли глубинных магм через жерла вулканов, и плутонизм, приводящий к образованию интрузий, т. е. вторжений в верхние слои земной коры магм, возникших в более глубоких слоях).

Согласно геологическим данным, магматизм является спутником некоторых видов тектонической активности, т. е. движений земной коры.

Обширные участки земной коры (так называемые подвижные поясы) способны испытывать медленные и плавные вертикальные движения (иногда называемые, несколько неудачно, эпейрогеническими, т. е. создающими континенты) со скоростями от десятых долей миллиметра до сантиметров в год, амплитудами порядка километров, шириной областей опускания или подъема в сотни и тысячи километров (длина этих областей бывает много больше их ширины) и типичными временами порядка миллионов лет.

Подвижные поясы можно разделить на два типа: зоны сжатия и зоны растяжения земной коры. Рассмотрим пока зоны сжатия. На первой (геосинклинальной) стадии развития подвижного пояса типа зоны сжатия образуется прогиб земной коры (синклиналь), в него наступает (трансгрессирует) море и накапливаются большие толщи осадков. При образовании разрывов коры на границах между зонами интенсивных разнонаправленных вертикальных движений возникает местный (часто подводный) вулканизм, преимущественно в форме излияний глубинных диабазо-спилитовых лав, и плутонизм в форме основных и ультраосновных интрузий, в результате чего образуется так называемая офйолитовая ассоциация вулканических и плутонических пород. Затем синклиналь начинает дробиться на зоны частных прогибов и поднятий; в это время изливаются специфические андеаитовые базальтовые лавы и развиваются плагиогранитные интрузии.

На второй (орогенной, т. е. горообразующей) стадии развития подвижного пояса типа зоны сжатия преобладают относительно короткие и быстрые поднятия земной коры, сопровождающиеся складкообразованием, горизонтальными сдвигами, надвигами, разрывами, землетрясениями, отступанием (регрессией) моря и приводящие к перерывам в накоплении осадков и нарушениям согласного залегания осадочных слоев (нормального напластования). Развивается плутонизм с образованием крупных гранитоидных интрузий (батолитов), а к концу орогенеза - малых и трещинных интрузий субщелочного и затем щелочного состава; продолжается и завершается вулканизм. В результате орогенеза образуются и наращиваются утолщенные области континентальной земной коры, обладающие повышенной жесткостью и стабильностью (континентальные платформы или эпейрократоны).

Связь магматизма с тектонической активностью земной коры позволяет считать эпохи усиленного магматизма также эпохами повышенной тектонической активности. Таким образом, данные о возрастах изверженных пород показывают, что тектоническая активность Земли непостоянна во времени: имеется тенденция к чередованию коротких эпох повышенной тектонической активности с длительными эрами относительного покоя. Эпохи повышенной активности естественно признать главными событиями в тектонической истории Земли; следовательно, возникает естественная периодизация истории Земли по признаку ее тектонической активности.

Таким образом, достаточно представительная сводка данных о возрастах изверженных пород является своего рода календарем главных событий в тектонической истории Земли. Одна из последних сводок такого типа приведена в книге А. И. Тугаринова и Г. В. Войткевича [13]. Близкий вариант вскоре опубликовал В. Е. Хаин [14]. Приняв его за основу, О. Г. Сорохтин [15] отобрал наиболее надежные данные - возрасты 247 гранитных интрузий с неметаморфизованными гранитами, определенные по свинцовому или в крайнем случае по рубидий-стронциевому методу. После осреднения в пределах возрастных групп и геологических регионов средние арифметические по всем регионам возрасты тектоно-магматических эпох образовали табл. 4.

Табл. 4. Возраст тектоно-магматических эпох

В этой и во всех последующих хронологических таблицах время растет снизу вверх, так что ранние времена располагаются ниже поздних, подобно тому как при нормальном напластовании в земной коре древние пласты осадочных пород лежат ниже молодых.

Приведенные в табл. 4 наименования тектоно-магматических эпох происходят от мест нахождения наиболее типичных из соответствующих изверженных пород. Эпохи без наименований установлены О. Г. Сорохтиным и не являются общепризнанными; возрасты эпох 5, 9 и 13 подтверждены новейшими материалами канадских ученых [16]. Отметим, что вследствие общей тенденции развития континентальной земной коры в сторону все возрастающей ее неоднородности с течением времени возможны все более частые отступления от планетарной одновременности и, следовательно, разбросы возрастов вспышек тектонической активности в разных районах мира. Вместе с тем в более молодых эпохах (по которым на поверхности Земли, естественно, больше материалов) мы способны различать большее число деталей или фаз тектонической активности, которые в табл. 4 еще не указаны (см. ниже рис. 34).

Опираясь на сведения о возрастах тектоно-магматических эпох, а также на материалы типовых разрезов древних осадочных толщ земной коры и некоторые палеонтологические данные (которые будут освещены ниже), ученые разработали около 50 более или менее близких вариантов периодизации истории Земли, сводку которых можно найти в книге М. А. Семихатова [17] (см. также работу Л. И. Салопа [18]). В табл. 5 представлен один из последних вариантов, в основном по книгам [13] и [17].

Табл. 5. Основная геохронологическая схема.

Согласно табл. 5, история Земли расчленяется на 5 отрезков приблизительно одинаковой продолжительности: катархей, архей, афебий, рифей и фанерозой.

Афебий и рифей, взятые вместе, называют протерозоем, причем афебий состоит из нижнего и среднего протерозоя, а рифей - это верхний протерозой; канадский рифей иногда называют альгонком, а китайский - синием. Слово «фанерозой» означает «эра явной жизни». Дофанерозойское время называют криптозоем (точнее, это A+Pt), т. е. эрой скрытой жизни (хотя на самом деле эта жизнь оставила довольно много следов), или, чаще, докембрием, поскольку самый ранний геологический период фанерозоя (570-500 млн. лет тому назад) именуется кембрием. Время после нижнего рифея называют неогеем. Эру венд называют также терминальным рифеем, R4, эокембрием или инфракембрием.

Мы не будем здесь обсуждать гипотез о происхождении Земли - для этого требуется специальная книга. Отметим лишь, что по современным представлениям (во многом связанным с именем О. Ю. Шмидта) Земля, остальные планеты Солнечной системы и Солнце, по-видимому, образовались приблизительно одновременно - около 4.6 млрд. лет тому назад - из допланетного холодного слегка вращающегося газово-пылевого облака.

О первом миллиарде лет существования Земли (катархее) у нас почти не имеется каких-либо прямых фактических данных. Однако поскольку в самом начале архея уже имеются осадочные породы, надо полагать, что в катархее имел место активный вулканизм (с излияниями, по-видимому, базальтовых и гипербазитовых лав), приведший к образованию первичных атмосферы, океана (к началу архея имевшего глубины и объем, по самой грубой оценке, впятеро меньше современных) и земной коры (вероятно, похожей на современную океаническую).

Во время Белозерской тектоно-магматической эпохи в начале архея и Кольской эпохи в середине архея в земной коре развились процессы гранитизации осадочных пород и образовались первичные гранитоидные участки сравнительно небольших размеров, содержащие плагиограниты (продукты гранитизации амфиболитов, диабазов и спилитов) и гранитные мигматиты (гибридные породы, образующиеся из смеси сланцеватых пород с проникавшей в них кислой магмой).

В Кеноранскую тектоно-магматическую эпоху в конце архея эти процессы привели уже к образованию ядер всех будущих континентальных платформ. Эти ядра, достигавшие в поперечнике многих сотен километров, показаны на тектонической карте мира (рис. 4) черным цветом. В течение последующих тектоно-магматических эпох гранито-гнейсовые ядра платформ нарастали. Последнее существенное приращение произошло во время Балтийской тектоно-магматической эпохи, создавшей рубеж между нижним и средним протерозоем. В это время в накопившихся осадочных толщах образовались огромные плутоны гранитоидов с площадями до тысяч квадратных километров (примером могут служить полосчатые гранитоиды Украины со следами огнейсован-ных сланцев и слоистости); появились и продукты гранитизации изверженных пород основного состава - чарнокиты; в то же время, возможно, в связи с появлением карбонатных осадочных пород, впервые сформировались щелочные интрузии. Весь этот этап развития земной коры, начавшийся с Кеноранской эпохи, в течение которого происходило образование первичного гранито-гнейсового слоя земной коры и формирование древних платформ, завершился Карельской тектоно-магматической эпохой. В результате этого этапа сформировались древние области континентальной земной коры, существующие ныне в виде десяти платформ - Европейской (Русской), Восточно-Сибирской, Китайско-Корейской, Таримской, Индостанской, Африкано-Аравийской, Северо-Американской, Южно-Американской, Австралийской и Восточно-Антарктической (эти десять платформ показаны на рис. 4 штриховкой). В их пределах выделены щиты, т. е. участки платформ, испытывавшие в течение своей истории преимущественно поднятия и поэтому обладающие относительно более тонкой корой и почти или даже вовсе не имеющие чехла осадочных пород (кристаллический фундамент платформ в области щитов выходит на поверхность Земли). Таковыми являются, например, Балтийский и Украинский щиты Русской платформы, Анабарский и Алданский щиты Восточно-Сибирской платформы, Канадско-Гренландский щит Северо-Американской платформы, Гвианский, Западно-Бразильский и Восточно-Бразильский щиты Южно-Американской платформы, Капско-Аравийский щит Африканской платформы.

Мы пока еще не знаем, как были распределены по поверхности Земли в Карельскую эпоху существующие ныне десять древних платформ. Учитывая аналогичность и одновременность стадий их формирования, можно предположить, например, что они образовывали тогда единый континент, занимавший континентальное полушарие, окруженный единым океаном (который, грубо говоря, имел тогда глубины и объем около двух третей современного Мирового океана). Такое предположение высказывали Г. Штилле (называвший этот единый континент Мегагеей, т. е. Большой Землей) и советские геологи С. С. Кузнецов, А. В. Пейве и В. М. Синицын. К его обсуждению мы вернемся в других главах.

После Карельской эпохи, т. е. начиная с нижнего рифея, характер развития земной коры изменился. Древние платформы в основном стабилизировались и в дальнейшем испытывали лишь частные внутриплатформенные прогибы, не затрагивавшие щитов и проходившие, по-видимому, вдоль следов древних подвижных поясов (например, Катангинский складчатый пояс в Африке или девонский Днепровско-Донецкий прогиб в Русской платформе, разделяющий Украинский щит и Воронежскую глыбу). Зато они, по-видимому, могли раскалываться на части, испытывавшие затем движения друг относительно друга и растущие за счет подвижных поясов, образующихся на их периферии, но растущие более медленно по сравнению с древними платформами и неодновременно.

Таким образом, если Кеноранская и Балтийская эпохи отличались наиболее интенсивным магматизмом после катархея и имели глобальный характер, то тектоно-магматические эпохи рифея и фанерозоя характеризовались уже постепенным угасанием магматизма и его растущей неоднородностью в пространстве, связанной с усиливавшейся неоднородностью земной коры.

Нижний рифей был эрой высокого стояния и, следовательно, осушения континентов (как говорят, геократической эрой). Он завершился Готской тектоно-магматической эпохой, во время которой на большинстве континентов развились повторные метаморфизм и гранитизация дорифейских пород (и лишь в Кибарской геосинклинали в Центральной Африке и, может быть, в немногих других местах имел место свежий геосинклинальный магматизм). Полагают, что в то время возникли новые подвижные поясы («великое обновление» структурного плана земной коры - отсюда и название «неогей» для всего последующего времени), развивавшиеся затем серией вспышек в течение всего неогея, по наетоящее время включительно. Сейчас это Западно- и Восточно-Тихоокеанские, Атлантическая, Уральская и Аравийско-Мозамбикская меридиональные и Арктическая, Средиземноморская и Южноокеанская широтные зоны, в ячейках между которыми располагаются древние платформы.

Средний рифей в целом был эрой некоторого оседания платформ и наступания моря (талассократической эрой). Он завершился Гренбыльской тектоно-магматической эпохой, которая была наиболее интенсивной в Канаде и Южной Африке; в это время, как и в Готскую эпоху, гранитизация охватывала преимущественно древние, ранее уже гранитизированные породы. В верхнем рифее продолжалось оседание Китайской, а также севера и востока Русской платформ, а на Северо-Американской, Сибирской и Австралийской платформах появилась тенденция к воздыманию. Эта эра завершилась Катангинской, или Раннебайкальской, тектоно-магматической эпохой, которая на разных платформах была не вполне одновременной; на севере Китайской, юго-западе Северо-Американской и на Индостанской платформах катангинский магматизм отсутствовал. Венд еще оставался эрой низкого стояния всех платформ, кроме Северо-Американской. Его завершила Салаирская, или Позднебайкальская, тектоно-магматическая эпоха.

Ряд ученых, и в их числе автор фундаментального советского руководства по исторической геологии Н. М. Страхов [19], полагает, что после Байкальских тектоно-магматических эпох существующие ныне четыре континентальные платформы южного полушария - Африкано-Аравийская, Южно-Американская, Австралийская и Антарктическая - вместе с Индостанской платформой образовывали единый южный суперконтинент Гондвану, отличавшийся в начале фанерозоя высоким стоянием, тогда как Европейская и Северо-Американская платформы еще были перекрыты трансгрессиями моря.

После Каледонской тектоно-магматической эпохи нижнего палеозоя, проявившейся в основном на западе Европейской платформы (на Грампианской геосинклинали - от Шотландии через Скандинавию и до Шпицбергена) и по периферии Северо-Американской (а также по югу Сибирской платформы), Евразия и Северная Америка с Гренландией, испытав подъем, образовали единый северный суперконтинент Лавразию, отделенный от Гондваны, хотя бы частично, океаном Тетис.

В мезозое произошел раскол Гондваны на ее части, существующие ныне, с образованием между ними Южной Атлантики и Индийского океана. Затем раскололась и Лавразия, и между Европой и Северной Америкой образовалась Северная Атлантика.

Подробнее тектоническая история фанерозоя будет рассмотрена в главе 7.

 

ГЛАВА 4: ЭВОЛЮЦИЯ НЕДР ЗЕМЛИ

Гравитационная дифференциация недр Земли, результаты расчета. Энергия гравитационной дифференциации, радиогенное тепловыделение, тепловая история Земли. Зонная плавка. Конвекция в мантии, конвективные циклы. Эволюция химического состава мантии

Теперь мы попытаемся выяснить, как изменялась в течение истории Земли ее внутренняя структура. Главным процессом в эволюции недр планеты является гравитационная дифференциация веществ различного веса, при которой более тяжелые (т. е. имеющие при том же давлении большую плотность) вещества опускаются вниз, к центру планеты, а более легкие поднимаются наверх. В результате этого процесса планета должна расслоиться на оболочки так, чтобы более глубокие оболочки состояли из более тяжелых веществ.

Не рассматривая пока, каким образом осуществляется движение вверх и вниз легких и тяжелых веществ, выясним сначала, как изменяется со временем в результате этого движения внутренняя структура Земли. Чтобы ответить на этот вопрос, в работе В. П. Кеонджяна и автора [20] была рассчитана упрощенная модель Земли, состоящей из двух веществ - легкого, «мантийного», содержащего в основном силикаты, и более тяжелого (т. е. обладающего при всех давлениях, возможных внутри Земли, большей плотностью, чем «мантийное»), «ядерного», состоящего в основном из железа. Наличием в Земле очень небольшой доли наиболее легкого вещества земной коры («сиаль»), а также возможным небольшим различием состава веществ во внешней и внутренней частях ядра мы для простоты пренебрегли, так как эти осложнения могут внести в приводимые ниже результаты лишь очень незначительные поправки.

Считая, что мантия современной Земли состоит из пиролита А. Рингвуда, содержащего по массе 6.58% железа, и принимая для «ядерного» вещества, по О. Г. Сорохтину, химический состав Fe2O, получаем для концентрации «ядерного» вещества в мантии современной Земли значение 7.52%. Кроме того, о внутренней структуре современной Земли известно, что ее ядро (слои Е, F, G в сумме) составляет 32.18% массы всей Земли. Из этих цифр получается, что концентрация «ядерного» вещества в Земле в целом равняется 37.3% и что доля х всего содержащегося в Земле «ядерного» вещества, уже перешедшая в ядро, сейчас равняется 86.3%, Таким образом, процесс гравитационной дифференциации «ядерного» вещества в Земле осуществился уже на 86.3%.

Далее мы приняли, что плотности и «мантийного», и «ядерного» веществ внутри Земли зависят только от давления, на каждой глубине равного весу вышележащего вещества (тем самым мы для простоты пренебрегли малыми поправками на температурное расширение веществ). Зависимости плотности от давления мы описали следующим простым параболическим законом: давление пропорционально квадрату плотности за вычетом некоторого постоянного слагаемого. Коэффициенты пропорциональности и постоянные слагаемые в этом законе для «мантийного» и «ядерного» веществ мы подобрали так, чтобы для современной Земли с известными значениями ее радиуса (r2) и радиуса ее ядра (r1) получались правильные значения ее массы, момента инерции (I), а также массы ядра (при этом было принято еще одно упрощение: считалось, что отношение плотностей «мантийного» и «ядерного» веществ не зависит от давления).

При изложенных предпосылках было нетрудно рассчитать внутреннюю структуру Земли на любой стадии гравитационной дифференциации ее недр, на которой доля х всего содержащегося в Земле «ядерного» вещества опустилась к центру Земли и образовала ее ядро, а остальное «ядерное» вещество осталось равномерно распределенным по массе мантии. Современная структура Земли при x=86.3% получилась очень близкой к модели «Земля-2» (табл. 3, с. 31), построенной с использованием сейсмических данных. Результаты расчета при разных х приведены в табл. 6. В ней значения х даны в процентах, радиусы ядра rх и всей Земли r2 - в километрах, плотности ρс в центре Земли, ρ+1 и ρ-1 соответственно в ядре и в мантии на границе ядра - в граммах на кубический сантиметр, давления рc в центре Земли и р1 на границе ядра - в мегабарах (т. е. в миллионах атмосфер).

Табл. 6. Эволюция недр Земли.

В то время как масса ядра растет пропорционально х, табл. 6 показывает, что радиус ядраr1 растет чуть быстрее, чем х1/3, так что средняя плотность ядра - его масса, деленная на его объем,- слегка убывает (от 11.65 г/см3 при x=20% до 11.09 г/см3 при x=100%).

Согласно табл. 6, радиус Земли r2 за время полной гравитационной дифференциации ее недр уменьшается на 25 км. Это явление напоминает о гипотезе контракции, сформулированной в 1852 г. Эли де Бомоном и сохранявшей популярность более полувека, согласно которой Земля первоначально была расплавленной и по мере охлаждения сжималась, что приводило к сморщиванию земной коры, проявлявшемуся в образовании подвижных поясов типа зон сжатия со складчатыми горными сооружениями. Однако теперь мы придерживаемся противоположной точки зрения (О. Ю. Шмидта) о первоначально холодной Земле, постепенно разогревавшейся (и по этой причине испытывавшей небольшое термическое расширение). Кроме того, для контракционного объяснения складчатого горообразования нужно в десятки раз большее сокращение радиуса Земли, чем полученное в табл. 6. Наконец, контракция на 25 км представляется не выходящей за пределы точности нашей упрощенной модели Земли, и свой результат мы склонны расценивать лишь как указание на малость изменений радиуса Земли при гравитационной дифференциации ее недр.

По мере роста ядра количество находящегося над ним вещества (а именно «ядерного» вещества) уменьшается. Поэтому понятно, что давление р1 и плотности ρ+1 и ρ-1 на границе ядра уменьшаются, как это видно из табл. 6 (однако оказывается, что скачок плотности ρ+1-ρ-1 на этой границе слегка возрастает). Поскольку гравитационная дифференциация увеличивает концентрацию массы к центру тяжести, ясно, что плотность вещества рс в центре Земли заметно возрастает (в силу указанного выше закона зависимости плотности от давления заметно растет и давление pс в центре Земли), а момент инерции I уменьшается (в табл. 6 приведено его отношение к современному значению р*).

Момент количества движения вращающейся Земли, равный произведению момента инерции I на угловую скорость вращения ω), за счет внутренних процессов в Земле меняться не может. Поэтому скорость вращения ω возрастает обратно пропорционально моменту инерции (в табл. 6 дано отношение ω к современной скорости вращения ω*). Этот эффект противоположен приливному трению, замедляющему вращение Земли, но слабее последнего: с момента образования Земли и по настоящее время вращение Земли ускорилось за счет гравитационной дифференциации ее недр, согласно табл. 6, всего на 11%.

Каждый слой в Земле обладает потенциальной энергией в поле ньютоновского притяжения всех масс Земли. Потенциальная энергия всей Земли в процессе гравитационной дифференциации ее недр уменьшается (так как увеличивается концентрация масс к центру тяжести). Значения освобождающейся при этом потенциальной энергии П приведены в табл. 6 в единицах 1038 эрг. Это-мощный источник выделения тепла внутри Земли. Согласно табл. 6, с момента образования Земли и по настоящее время этот энергетический источник дал 1.61*1038 эрг.

В табл. 6 не указано, каким временам соответствуют различные доли х отдифференцировавшегося «ядерного» вещества; известно лишь, что х=0 соответствует моменту образования Земли, от которого следует отсчитывать время эволюции t, а x=86.3% соответствует настоящему моменту, т. е. t=4.6 млрд. лет. Использование ж вместо t сильно упростило расчет табл. 6 и сделало его более надежным. Однако теперь нам желательно иметь хотя бы приближенную оценку зависимости х от i.

Для этой цели О. Г. Сорохтин [10] предложил считать, что отделение «ядерного» вещества от «мантийного» происходит только на поверхности ядра, т. е. является поверхностной реакцией, скорость которой (скорость роста массы ядра, пропорциональная скорости роста величины х) пропорциональна поверхности ядра и концентрации «ядерного» вещества в мантии. Считая, например, коэффициент пропорциональности постоянным (не зависящим от времени), с помощью этих предпосылок нетрудно рассчитать зависимость х от t. Результаты такого расчета приведены на рис. 12. Они показывают, что масса ядра сначала росла медленно, но этот рост ускорялся. Наибольшая скорость роста была достигнута 1.4 млрд. лет тому назад, во время Готской тектоно-магматической эпохи. После этого рост ядра стал замедляться. Через 1.5 млрд. лет ядро достигнет 99% своей максимально возможной массы.

Рис. 12. Масса ядра x(1) и скорость ее роста х(2) в различные моменты времени t.

Другим важным энергетическим источником внутри Земли является тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных элементов. Мощность этого источника оценить гораздо труднее, так как каких-либо прямых данных о концентрациях радиоактивных веществ в недрах Земли мы не имеем. Наибольшее внимание здесь следует уделить долгоживущим, т. е. имеющим большие периоды полураспада, радиоактивным изотопам U288, U235, Th232 и К40, о которых мы уже говорили выше при обсуждении изотопных методов определения абсолютного возраста минералов в горных породах.

Они относятся к литофильным химическим элементам, имеющим сродство с силикатами (т. е. способным замещать атомы в кристаллических решетках силикатов - легче всего в решетках с наименее плотной упаковкой атомов). Поэтому при дифференциации веществ внутри Земли эти изотопы должны накапливаться там, где образуются наибольшие концентрации силикатов (т. е. кремнекислоты SiO2), меньше всего их должно быть в ядре, лишь очень немного - в плотных ультраосновных породах мантии и больше всего- в сиале коры, особенно в кислых породах. И действительно, установлено возрастание концентрации урана, во-первых, от ультраосновных пород земной коры к основным и кислым (см. с. 8, 9) и, во-вторых, от более плотных минералов к менее плотным (оливин < ортопироксен < клинопироксен < шпинель < гранат).

Исходя из сведений о содержании радиоактивных изотопов в расплавах и кристаллах мантийного вещества, А. Масуда (1965 г.) получил следующие оценки мощности соответствующего тепловыделения в различных слоях современной Земли:

Глубины, км

Удельная мощность тепловыделения, эрг/г ·год

0-37

50

37-103

7

103-500

0.8

500-1700

0.3

1700-2900

0.2

Поскольку радиоактивные вещества со временем распадаются, раньше их было больше, чем теперь (и они, вероятно, сначала были распределены внутри Земли равномерно). Следовательно, они генерировали больше тепла (по имеющимся оценкам, в момент образования Земли - в 4-7 раз больше, чем сейчас). По оценке Е. А. Любимовой [5], за все время существования Земли долгоживущие радиоактивные изотопы выделили 0.9 ⋅ 1038 эрг тепла, что составляет около половины нашей оценки потенциальной энергии, освободившейся при гравитационной дифференциации. Впрочем, мы вынуждены подчеркнуть значительную неопределенность в оценках мощности радиогенного тепловыделения.

Другие энергетические источники внутри Земли, кроме освобождения потенциальной гравитационной энергии и тепловыделения долгоживущих радиоактивных изотопов, имеют, по-видимому, гораздо меньшее значение. Так, например, в природе обнаружены в больших количествах по сравнению с нормой космической распространенности продукты распада 27 короткоживущих радиоактивных изотопов (Al26, Be10, Np237, Fe60, Cl36 и др.), имеющих периоды полураспада меньше, чем сотни миллионов лет. Их тепловыделение могло быть существенным лишь в первые 100-200 млн. лет формирования зародыша Земли из «планетезималей», но это тепло быстро излучалось в космос, как это свойственно небольшим нагретым телам. Выделение тепла внутри Земли вследствие торможения ее вращения приливным трением в настоящее время много энергии дать не может, так как полная кинетическая энергия вращения Земли сейчас составляет всего 2.16 · 1036 эрг. Раньше, когда Земля вращалась быстрее, а приливы были сильнее (так как Луна была ближе), тепловыделение из-за приливного трения было больше, чем теперь, но все же, согласно имеющимся оценкам, его доля в общем тепловыделении внутри Земли за все время ее существования невелика.

Таким образом, учитывая лишь гравитационную дифференциацию и долгоживущие радиоактивные изотопы и пренебрегая другими энергетическими источниками, мы можем оценить суммарное тепловыделение внутри Земли за все 4.6 млрд. лет ее существования цифрой 2.5·1038 эрг. Часть этого тепла была излучена в космос. Как указывалось в гл. 2, сейчас эти теплопотери (геотермический поток тепла) оцениваются цифрой 1.5·10-6 кал./ см2 ⋅ сек., или 9.9·1027 эрг со всей поверхности Земли в год (эти цифры, по-видимому, нужно несколько увеличить, так как при измерении геотермического потока на океанском дне не учитывается возможный вынос тепла из трещин термальными водами). Если эти теплопотери были такими же и в прошлом, то за время своего существования Земля излучила в космос 0.45·1038 эрг.

Менялись ли теплопотери в течение истории Земли, можно пытаться выяснить путем расчетов эволюции распределения температуры в недрах Земли по уравнению теплопроводности, задавая начальное распределение температуры в момент образования Земли и распределения коэффициента теплопроводности и тепловыделения. Но в этих трех пунктах столь много неопределенности, что по одним моделям теплопотери все время нарастали, а по другим проходили максимум на ранних стадиях истории Земли и затем убывали. Все же, по оценкам Е. А. Любимовой [5], суммарные теплопотери Земли не превысили 0.74·1038 эрг.

Вычтя из суммарного тепловыделения суммарные теплопотери, мы убеждаемся, что за всю историю Земли внутри нее накопилось около 2·1038 эрг тепла, что привело к разогреву, а частично и к плавлению земных недр. Приняв для скрытой теплоты плавления «ядерного» вещества оценку 70 кал., как для железа, убеждаемся, что на расплавление слоя Е (внешнего слоя ядра), имеющего массу 1.78·1027 г, затрачено всего только 5·2036 эрг. Следовательно, практически все накопившееся тепло ушло на повышение температуры земных недр. Если разогреть Землю на всех глубинах до температуры плавления, то, согласно Е. А. Любимовой [12], внутренняя энергия будет не меньше 3.2·1038 эрг.

Указанного выше накопленного тепла (2·1038 эрг) для этого не хватает, если только начальная внутренняя энергия Земли в момент ее образования не превосходила 1.2·1038 эрг. При средней теплоемкости земного вещества 0.3 кал./г·град, это означает, что средняя по массе начальная температура земных недр не должна была превосходить 1600°. Фактически она, по-видимому, не превышала 1200° (см. работу В. С. Сафронова [21]). Из этого следует, что Земля никогда не была полностью расплавленной.

Однако частичное плавление происходило - оно произошло в слое Е и могло происходить в некоторых зонах мантии, особенно на первых этапах истории Земли, когда радиоактивных веществ было больше и они были распределены в недрах Земли более равномерно, а отвод тепла наружу через неподвижное вещество происходил крайне медленно. Наиболее эффективным механизмом отвода тепла наружу в таких условиях могла быть зонная плавка, рассмотренная А. П. Виноградовым и осуществленная им экспериментально на веществе метеоритов.

Механизм зонной плавки и вместе с тем один из возможных механизмов движения легких (точнее, легкоплавких) веществ вверх и тяжелых вниз, т. е. гравитационной дифференциации веществ, заключается в следующем. Скорость роста с глубиной температуры плавления вещества мантии, имеющая значения около 3° на 1 км, значительно превышает скорость роста температуры опускающихся вниз веществ, создаваемого их сжатием из-за роста давления, имеющую значения около 0.5° на 1 км (это-так называемый адиабатический градиент температуры). Поэтому в образующейся расплавленной зоне верхние слои расплава оказываются плотнее нижних, и в расплаве возникает вертикальное перемешивание (конвекция) - более плотные вещества опускаются вниз, а менее плотные всплывают вверх. Поднявшееся вверх вещество оказывается перегретым, оно подогревает и плавит кровлю, а опустившееся вниз вещество оказывается переохлажденным и выпадает из расплава на дно расплавленной зоны. Поэтому и верхняя, и нижняя границы расплавленной зоны двигаются вверх (верхняя - медленнее из-за затрат части тепла на подогрев кровли), пока зона не «захлопнется» или не выйдет к охлаждающейся сверху литосфере, создавая широко распространенный вулканизм (не таково ли происхождение астеносферы?).

При движении расплавленной зоны вверх расплав все время обогащается легкоплавкими веществами, так как тугоплавкие вещества первыми выпадают из расплава на дне зоны, а слишком тугоплавкие вообще не плавятся. Поэтому вынос тепла из недр Земли при зонной плавке сопровождается разделением тугоплавких веществ (железо, никель, кобальт, хром, магний и др.), смещающихся вниз, и легкоплавких веществ (щелочных, щелочноземельных, литофильных, включая U, Th и К), а также легколетучих (таких как Н2O, НСl, HF, NH3 и т. п.), смещающихся вверх.

Вероятно, процессы образования расплавленной зоны и ее продвижения вверх могли повторяться неоднократно, каждый раз несколько иначе, так как распределение ряда веществ по глубинам при зонной плавке со временем изменяется (в частности, радиоактивные источники тепла поднимаются вверх, а их суммарная мощность со временем уменьшается).

В математической модели зонного плавления Земли, рассчитанной А. Н. Тихоновым, Е. А. Любимовой и В. К. Власовым [22] (правда, без расчета дифференциации легкоплавких и тугоплавких веществ, но с задававшимся изменением со временем распределения источников тепла), расплавленные зоны возникали в верхнем 500-километровом слое Земли многократно, в зависимости от отношения коэффициентов теплопроводности в расплаве и в твердом веществе - до 13-20 раз, через промежутки времени около 170-100 млн. лет такой же длительности, как эры между тектоно-магматическими эпохами (рис. 13).

Рис. 13. Многократные зонные плавки верхней мантии Земли по одной из моделей А. Н. Тихонова, Е. А. Любимовой и В. К. Власова [22] при коэффициентах теплопроводности в твердом веществе 0.07 и в расплавленном 0.1 кал./см ⋅ сек. ⋅ град.

В нижней мантии вещество находится в особенно плотном кристаллическом состоянии и имеет очень высокие температуры плавления, так что процессы зонного плавления там представляются маловероятными; и действительно, в моделях [22] в нижней мантии зонного плавления не происходит. Тогда как же осуществляются там вертикальные перемещения легких и тяжелых веществ в процессе их гравитационной дифференциации?

Для ответа на этот вопрос надо учесть, что вещество в мантии Земли ведет себя как твердое тело только при быстро меняющихся нагрузках, а при очень долго действующих нагрузках оно обретает способность течь, как вязкая жидкость. Поэтому, например, под действием центробежных сил, создаваемых вращением, Земля приобрела форму сжатого по оси эллипсоида вращения, почти в точности такого, как равновесная фигура вращающейся самогравитирующей жидкости.

Крошечная разница между фактическим сжатием Земли 0.0033528 и чуть меньшим сжатием 0.0033370 фигуры равновесия жидкости при современной скорости вращения Земли объясняется тем, что мантия течет как жидкость с очень большой вязкостью, порядка 1026 пуаз, и поэтому не вполне успевает приспосабливаться к вековому замедлению вращения Земли из-за приливного трения, составляющему около 0.2% за 107 лет; вследствие этого сейчас фигура Земли совпадает с фигурой равновесия при большей скорости вращения - такой, как 107 лет тому назад.

В интересующих нас процессах долгодействующими нагрузками являются архимедовы силы плавучести, действующие на объемы мантии, потерявшие часть «ядерного» вещества при контакте с поверхностью ядра и потому обладающие пониженной плотностью и положительной плавучестью, а также на объемы, уплотнившиеся в результате выплавки из них в верхних слоях Земли некоторой доли легкого вещества земной коры и охлаждения из-за теплоотдачи наружу, а потому обладающие отрицательной плавучестью. Под действием архимедовых сил в мантии могут развиваться очень медленные конвективные движения (со скоростями, по-видимому, порядка всего лишь нескольких сантиметров в год).

Установившиеся (т. е. не изменяющиеся со временем) медленные конвективные движения в том или ином слое вещества организуются по горизонтали в ячейки. По краям так называемых открытых ячеек происходит подъем, а в центрах - опускание вещества; у верхней границы слоя в открытых ячейках вещество движется от их краев к центрам, а у дна слоя - от центров к краям (возможны также закрытые ячейки с противоположным направлением движения).

Конвективные движения должны, по-видимому, пронизывать всю мантию от поверхности ядра до астеносферы. Движения вещества мантии в верхнем слое конвективных ячеек должны увлекать литосферные плиты вместе со «впаянными» в них континентами, заставляя их двигаться по горизонтали от областей подъема к областям опускания вещества мантии. Таким образом, если наблюдаются горизонтальные перемещения литосферных плит (а данные, которые мы рассмотрим в главе, посвященной тектонике плит, определенно указывают на такую возможность), то по ним можно пытаться восстанавливать очертания мантийных конвективных ячеек.

Простейшим случаем будет одна конвективная ячейка, охватывающая всю мантию, с одним полюсом подъема вещества и с одним полюсом опускания и с движениями литосферных плит от полюса подъема к полюсу опускания, благодаря которым континенты должны собираться воедино вокруг полюса опускания, освобождая океаническое полушарие вокруг полюса подъема. Таким могло быть, например, происхождение гипотетической Мегагеи Г. Штилле в конце среднего протерозоя и Пангеи А. Вегенера в начале фанерозоя.

Следующим по сложности случаем будет пара конвективных ячеек, например открытых, с двумя приблизительно противоположными полюсами опускания вещества и с зоной подъема приблизительно по соответствующему экватору между ними или по линии, получающейся в результате волнообразного изгибания экватора с образованием на нем двух гребней и двух ложбин, - так выглядит шов на поверхности теннисного мяча, склеенного из двух лоскутов. По этому шву должна образовываться глобальная зона растяжения с цепочкой срединно-океанических хребтов, а континенты должны собираться в две группы по осям лоскутов. Нечто похожее мы наблюдаем на современной Земле, где одну группу континентов образуют Африка, Евразия и Австралия, а другую - Северная и Южная Америка и Антарктида, и эти два континентальных «лоскута» разделены глобальным «швом» срединно-океанических хребтов. На иллюстрирующем это рис. 14 заштрихован американо-антарктический «лоскут», заметно меньший по площади, с осью, проходящей приблизительно по меридиану 60° з. д., и с центром на этой оси в Южной Америке, около южного тропика; другой, африкано-евроазиатско-тихоокеанский, «лоскут» имеет центр около о. Тайвань, а его осью служит дуга большого круга, полюс которого расположен на полярном круге в Гренландии.

Рис. 14. Двухъячеистая стилизация поверхности современной Земли типа лоскутов теннисного мяча. Штриховая линия - линия подъёма; сплошные линии - оси опускания мантийного вещества; кружки - центры этих осей; заштрихован Американо-Антарктический 'лоскут'.

Впрочем, пока еще, конечно, трудно настаивать на том, что такое восстановление конвективных ячеек в мантии современной Земли является единственно возможным или наилучшим. Так, например, О. Г. Сорохтин [23]

Допускает возможность существования пары закрытых ячеек типа Лоскутов теннисного мяча с полюсами подъема мантийного вещества в треугольнике Афар в Африке, чуть южнее места поворота Красного моря в Баб-эль-Мандебский пролив, и у о. Пасхи в Тихом океане и с зоной опускания вещества вдоль соответствующего этим полюсам большого круга, содержащей почти все геосинклинальные области тихоокеанской периферии (рис. 15). Правда, при этом приходится предполагать, что зона растяжения вдоль срединно-океанических хребтов не обязана соответствовать линии подъема мантийного вещества, а лишь должна как-то размещаться в области подъема.

Рис. 15. Схема возможного расположения восходящих и нисходящих мантийных потоков по О. Г. Сорохтину [23]. 1 - центры восходящих потоков; 2 - области нисходящих потоков; 3 - рифтовые зоны; 4 - современные развивающиеся геосинклинальные зоны; 5 - экваториальная линия по отношению к центру восходящего потока в Афаре.

Поскольку под действием архимедовых сил плавучести мантия Земли ведет себя, как очень вязкая жидкость, конвективные движения в ней должны преодолевать силу вязкости. При этом часть энергии движения расходуется, превращаясь в теплоту. По схеме, предложенной О. Г. Сорохтиным [23], при одноячеистой конвекции эта теплота выделяется преимущественно в астеносфере и превосходит теплопотери в литосферу, так что мантия разогревается. Перенос перегретого вещества конвективным течением из астеносферы в нижнюю мантию приводит к понижению в ней вязкости и, более того, - к уменьшению ее отношения к вязкости астеносферы. Это, по расчетам О. Г. Сорохтина, нарушает устойчивость одноячеистой конвекции, и она перестраивается в двухъячеистую. При двухъячеистой конвекции, наоборот, теплота выделяется преимущественно в нижней мантии и оказывается меньше теплопотерь в литосферу, так что мантия охлаждается. Это повышает вязкость нижней мантии и увеличивает ее отношение к вязкости астеносферы, что приводит к обратной перестройке в одноячеистую конвекцию. Такие перестройки можно сопоставить с тектоно-магматическими эпохами. Промежутки времени между ними должны быть сравнимыми с периодом полного перемешивания мантийного вещества (т. е. его прохождения через слой активной дифференциации у поверхности ядра), которое можно назвать конвективным циклом.

Согласно этому определению, приращение массы ядра за конвективный цикл должно быть пропорциональным объему мантии в начале цикла; коэффициент пропорциональности δρ будет иметь смысл уменьшения плотности вещества мантии при его прохождении через слой активной дифференциации у поверхности ядра. Среднее значение δρ, соответствующее возрастам 19 тектоно-магматических эпох прошлого, указанным в табл. 2, при использовании данных табл. 6 получилось равным 0.1 г/см3. При этом оказалось, что в будущем наступят еще три тектоно-магматические эпохи - через 0.16, 0.56 и 1.24 млрд. лет. Все 22 тектоно-магматические эпохи прошлой и будущей истории Земли показаны на кривых рис. 12 точками (впервые аналогичный график, несколько отличающийся от этого в количественном отношении, был построен О. Г. Сорохтиным [10]).

В заключение рассмотрим, опять следуя предположениям О. Г. Сорохтина, эволюцию химического состава мантии Земли при постепенной потере ею «ядерного» вещества, Fe2O. Предполагается, что вначале железо находилось в мантии в виде окиси FeO и в свободном виде с концентрациями около 22 и 14% соответственно, а окиси трехвалентного железа Fe2O3 практически не существовало. Кислород, освобождавшийся при переходе Fe2O3 в ядро, сначала тратился на окисление свободного железа до FeO, а когда свободного железа уже не осталось, то на окисление FeO до Fe2О3. Последний процесс, по расчету О. Г. Сорохтина, начался в конце протерозоя и будет продолжаться еще около 0.4 млрд. лет, после чего железо в мантии останется лишь в форме Fe2О3, и освобождающийся кислород пойдет на окисление других веществ. Первичное вещество Земли было сильно недонасыщено кремнеземом - концентрация SiO2 в нем оценивается в 31%. Такое вещество состоит из так называемых ортосиликатов и не содержит ромбических пироксенов, (Mg, Fe)2Si2O8, которые образовались позднее - по мере накопления в мантии SiO2 в результате разрушения железистого оливина фаялита. Изменения со временем концентраций окислов железа, кремния и магния в мантии показаны на рис. 16.

Рис. 16. Изменения со временем главных компонент химического состава мантии Земли по О. Г.Сорохтину. 1- Fe; 2 - FeO; 3 - Fe2O3; 4 - SiO2; 5 - MgO.

О. Г. Сорохтин рассчитал также изменения со временем мантийных концентраций ряда веществ, выносящихся из мантии в кору, гидросферу и атмосферу, считая скорости относительных изменений концентраций пропорциональными скорости роста земного ядра. Коэффициенты пропорциональности (называемые показателями подвижности) можно определять путем сопоставления известных в настоящее время концентраций веществ в мантии и в коре. Для оценки подвижности воды О. Г. Сорохтин ориентировочно принял, что при погружении океанических литосферных плит 70-километровой толщины в мантию под геосинклинальными зонами (см. главу о тектонике плит) из них удаляется половина содержащейся в них воды. Тогда в течение каждого конвективного цикла мантия, перетекая через верхний 350-километровый слой Земли, теряет (1/2)70 км/350 км=10%воды. Если принять суммарную массу воды в современных гидросфере и коре равной 2.25·106 триллионов т, то концентрация воды в современной мантии получится равной 7·10-5. Результаты О. Г. Сорохтина для щелочей и воды приведены на рис. 17.

Рис. 17. Изменения со временем мантийных концентраций щелочей и воды по О. Г. Сорохтину. 1 - Na2O; 2 - H2O; 3 - K2O.

 

ГЛАВА 5: ИСТОРИЯ АТМОСФЕРЫ И ГИДРОСФЕРЫ

Образование атмосферы и гидросферы как результат вулканических процессов. Вулканические газы. Первичная атмосфера и гидросфера при температуре лучистого равновесия. Происхождение и рост массы океана. Происхождение солености океана. История атмосферного кислорода по геологическим данным. История углекислого газа. Происхождение атмосферы Венеры.

В этой главе излагаются в основном представления А. П. Виноградова [7], согласно которым атмосфера и гидросфера образовались в результате дегазации лав, выплавлявшихся из верхней мантии Земли и создавших земную кору.

Атмосфера и гидросфера состоят из легких и летучих веществ, содержание которых в Земле в целом очень мало - гораздо меньше, чем в космосе. Так, по Б. Мейсону [24], отношение массы инертных газов к массе кремния в Земле в 106-1014 раз меньше, чем в космосе; для водорода это различие составляет 106.6 раз, для азота - 105.9 раз, для углерода - 104 раз. Этот дефицит легких и летучих веществ возник, по-видимому, еще в протопланетном облаке, из которого затем сформировалась Земля. Причинами образования дефицита могли быть нагрев части протопланетного облака солнечным излучением и короткоживущими радиоактивными изотопами (по некоторым оценкам, до 500-600°). и «выметание» из облака выделяющихся при нагреве легких и летучих веществ «солнечным ветром» (т. е. потоками солнечной плазмы) и давлением света. Указанный дефицит и объясняет относительную малость атмосферы и гидросферы, массы которых составляют только одну миллионную и одну четырехтысячную долю массы всей Земли. Такие же рассуждения справедливы и для других планет земной группы.

В момент формирования Земли из протопланетного облака все элементы ее будущей атмосферы и гидросферы находились в связанном виде в составе твердых веществ: вода - в гидроокислах, азот - в нитридах и, возможно, в нитратах, кислород - в окислах металлов, углерод - в графитах, карбидах и карбонатах. Бомбардировка поверхности Земли планетезималями в то время могла приводить к выделению летучих веществ, но вода, углекислый газ, «кислые дымы» и другие активные вещества должны были поглощаться раздробленными породами, так что первичная атмосфера на этом этапе состояла, по-видимому, лишь из небольших количеств азота, аммиака и инертных газов.

Дальнейшее наращивание атмосферы и образование гидросферы связаны с выплавками базальтов, водяного пара и газов из верхней мантии при вулканических процессах, развившихся уже в первые 0.5-1 млрд. лет существования Земли в результате разогревания ее недр при гравитационном сжатии (включая формирование и рост уплотненного ядра) и за счет распада радиоактивных изотопов (как остатков короткоживущих изотопов, так и, главное, долгоживущих изотопов, которых тогда было в 4-7 раз больше, чем сейчас).

Мы говорим здесь о выплавках веществ именно из верхней мантии (а не из коры), так как магматические очаги, питающие вулканы, находятся в основном в астеносфере (приоритет на установление этого факта принадлежит советскому вулканологу Г. С. Горшкову).

Интенсивность современных вулканических процессов на Земле представляется вполне достаточной для образования за время существования Земли всей ее коры, гидросферы и атмосферы. В доказательство этого Е. К. Мархинин [25] приводит следующие подсчеты. Количество твердого вещества, ежегодно поставляемого вулканами Курильских островов, оценено в 0.08 км3, т. е. при среднем удельном весе этих пород 2 г/см3 - в 0.16 млрд. т. Курильские острова - это только одна из 22 островных дуг периферии Тихого океана. Стало быть, все эти островные дуги в сумме дают ежегодно порядка 0.16 · 22=3.52 млрд. т вещества (приблизительно такая же величина получается из суммирования объемов веществ, извергнутых из недр Земли во время наиболее сильных вулканических извержений за 1800-1964 гг.). Чтобы учесть вулканизм вне островных дуг (т. е. главным образом в срединно-океанических хребтах), увеличим полученную цифру в 2-3 раза. Тогда интенсивность современного вулканизма будет оцениваться в 6-10 млрд. т вещества в год (указанный здесь нижний предел принимался в качестве допустимой оценки Н. М. Страховым [26]). Если вулканизм имел интенсивность такого же порядка и раньше (а по рис. 12 максимум интенсивности эволюционных процессов, выражаемой скоростью роста земного ядра, был достигнут 1.4 млрд. лет тому назад), то за 4.6 млрд. лет существования Земли он доставил на ее поверхность (2.8-4.6)·107 триллионов т вещества, т. е. как раз количество порядка массы земной коры.

Газы, выделяющиеся из современных вулканов, содержат преимущественно водяной пар (его, по-видимому, не менее 75%; так, в газах из базальтовых лав гавайских вулканов с температурами 1200° С обнаруживается 70-80 объемных % Н2O; в фумароль-ных газах Курильских островов с температурами около 100° С содержится 79.7 весовых % Н2O). Второй по значению составляющей является углекислый газ (в газах из гавайских базальтовых лав его 6-15 объемных %, в курильских фумарольных газах - 19.6 весовых %). В вулканических газах встречается немало хлора (в газах Килауэа - около 7%), бывает метан СН4 (иногда до 3%), аммиак NH3 и другие компоненты (в газах Килауэа содержится 4.3·104 SO2, 4·10-4 S, 2.5·10-4 Вr, 2·10-5 F, 1.2·10-5 Se, 4.5·10-6 J, 3.2·10-6 В). Проводившиеся измерения показали, что при температурах 800-1000° из лав отгоняются, кроме водяного пара, преимущественно «кислые дымы» - НСl и HF, при температуре 500° - сера и ее соединения, H2S, SO2 и другие, а при более низких температурах - борная кислота и соли аммония. Правда, ряд вулканических газов (NH3, CH4S, H2S, CO) быстро окисляется кислородом современной атмосферы.

Большой интерес представляют результаты химического анализа содержимого газовых пузырьков в древнейших (по-видимому, катархейских) кварцитах Курумканской свиты (мощностью более 1000 м) Алданского щита, приводимые Л. И. Салопом [18] и дающие сведения о составных частях катархейской атмосферы. В этих пузырьках отсутствует свободный кислород, около 60% составляет углекислый газ, около 35% - H2S, SO2, NH3 и «кислые дымы», НСl и HF, в небольших количествах присутствуют азот и инертные газы.

Таким образом, можно думать, что при дегазации лав на поверхность Земли поступали пары воды, соединения углерода - СO2, СО и СН4, аммиак, сера и ее соединения, H2S и SO2, галоидные кислоты, НСl, HF, HBr, HJ, борная кислота, водород, аргон и некоторые другие газы. Эта первичная атмосфера сначала, конечно, была чрезвычайно тонкой, и поэтому ее температура у поверхности Земли была очень близкой к температуре лучистого равновесия, получающейся в результате приравнивания потока поглощаемого поверхностью солнечного тепла потоку уходящего излучения поверхности Земли, пропорциональному четвертой степени температуры этой поверхности (по некоторым предположениям, температура могла быть выше, чем при лучистом равновесии, из-за парникового эффекта, создававшегося аммиаком). Эта температура (при современной отражательной способности Земли 0.28) в среднем равна +15° С. Следовательно, почти весь водяной пар вулканических газов должен был конденсироваться, превращаясь в жидкую воду и тем самым формируя гидросферу.

В первичный океан переходили, растворяясь в воде, также и другие составные части вулканических газов - большая доля углекислого газа, кислоты, сера и ее соединения и часть аммиака. В результате первичная атмосфера, содержавшая в равновесии с океаном главным образом водяной пар и небольшие количества СO2, СО, СН4, NH3, H2S, кислых дымов и инертных газов, оставалась тонкой. Следовательно, температурные условия не испытывали слишком больших изменений и оставались в среднем в пределах существования жидкой воды. Это и определило одну из специфических особенностей Земли, отличающую ее от других планет Солнечной системы,- постоянное наличие на ней гидросферы. В свою очередь оно наложило существенный отпечаток на дальнейшую эволюцию земной коры, поверхности Земли и атмосферы.

Прямым фактическим доказательством существования гидросферы на Земле во все геологические времена до архея и даже до катархея включительно является обнаружение в земной коре осадочных пород соответствующих возрастов. Наиболее древние осадочные породы недавно обнаружены английскими геологами С. Мурбатом, Р. К. О'Найоном и Р. Дж. Панкхерстом в юго-западной Гренландии. Это - бурый железняк, возраст которого оценен по свинцовому методу в 3.76 ± 0.07 млрд. лет (причем это, по-видимому, возраст метаморфизации этих пород, а время их образования может быть еще более ранним). Найденные рядом изверженные породы - гранитоидные гнейсы - имеют возраст 3.7 ± 0.14 млрд. лет (по рубидий-стронциевому методу).

Для оценки массы растущей гидросферы можно исходить из того, что в расплавленном базальте при температуре порядка 1000° С и давлении в 5-10 тыс. атм. может раствориться до 7-8% воды. По данным ряда вулканологов, при излиянии лав из них дегазируется примерно столько же процентов воды. По оценкам энергии вулканических взрывов Е. К. Мархинин [25] установил, что количество выделяющегося водяного пара составляет в среднем 3% массы изверженного вещества. Приведенные цифры приблизительно сходятся с долей массы современной гидросферы по отношению к массе земной коры - (1.46·106) : (4.7·107) ≈ 3.1%.

На рис. 17 мы приводили кривую О. Г. Сорохтина, иллюстрирующую изменения со временем концентрации воды в мантии Земли. Умножая изменения концентрации на массу мантии, равную 4.05·109 триллионов т, получаем количество освободившейся воды; оно изображается кривой 1 на рис. 18, заимствованном опять у О. Г. Сорохтина. Наибольшая часть этой воды пополняет гидросферу, часть же поглощается породами земной коры. Главный интерес здесь представляет поглощение воды с углекислотой мантийными оливинами (их серпентинизация) при образовании третьего слоя океанической коры, т. е. химическая реакция

4(Mg, Fe)2SiO4 + 4H2O + 2CO2 =

(Mg, Fe), Si4O10 (OH)8 +

2 (Mg, Fe) CO3.

Оливин

Серпентин

Магнезит, сидерит

Вода поглощается также и при серпентинизации пироксенов; например, гидратация простейшего магнезиального пироксена - энстатита может идти по формуле

6MgSiO3 + 8Н2O =

Mg6Si4O10(OH)8 + 2Si(OH)4.

Энстатит

Серпентин

Упомянем еще процессы метаморфизма базальтов и габбро в океанической коре, в частности, низкотемпературную реакцию каолинизации с разрушением полевого пшата плагиоклаза-анортита:

2CaAl2Si2O8 + 4Н2O + 2СO2 =

Al4Si4O10(OH)8 +

2CaCO3.

Анортит

Каолин

Кальцит

Частично вода поглощается, по-видимому, также и при образовании континентальной коры. По имеющимся оценкам, в настоящее время в гидросфере, в третьем слое океанической коры, в сумме в первом и втором слоях океанической коры и в континентальной коре содержится соответственно 1.46·106, 0.49·106 и 0.35·106 триллионов т воды. Изменения со временем количеств воды в гидросфере, океанической и континентальной коре по расчетам О. Г. Сорохтина показаны кривыми 2-4 на рис. 18.

Рис. 18. Изменения со временем массы воды в гидросфере и земной коре по О. Г. Сорохтину. 1 - суммарная масса воды, дегазированная из мантии; 2 - масса воды в гидросфере; 3 - масса связанной воды в океанической коре; 4 - масса связанной воды в континентальной коре.

По упомянутым расчетам, в катархее и архее воды в океанах было еще недостаточно, чтобы покрывать срединно-океанические хребты, и вода в океаническую кору поступала в основном не из океана, а лишь непосредственно из мантии, снизу; серпентинизация мантийных гипербазитов происходила лишь частично, и доля воды в океанической коре была меньше современной. В начале протерозоя уровень океана достиг вершин срединно-океанических хребтов, и после этого некоторое время (по расчетам - в течение нижнего протерозоя) все поступления воды в океан в основном поглощались океанической корой, так что объем океана почти не увеличивался. С начала среднего протерозоя вся океаническая кора приобрела уже современный характер, и избыток поступающей из мантии воды над затратами на серпентинизацию гипербазитов привел к дальнейшему росту объема Мирового океана, который продолжается в настоящее время и будет продолжаться, замедляясь, еще около 2 млрд. лет.

Выше мы охарактеризовали состав первичной атмосферы. Переходя теперь к обсуждению состава первичного океана, мы должны принять во внимание два источника возможных примесей к океанской воде - во-первых, атмосферные газы, способные растворяться в воде, и, во-вторых, горные породы, подвергающиеся на поверхности суши и на дне моря разрушающему воздействию Солнца, воздуха и воды - эрозии, облегчающей вымывание из горных пород и перенос в океан ряда веществ. Как уже отмечалось, из атмосферы в океан переходили прежде всего кислоты, а также углекислый газ, аммиак, сера в чистом виде и в виде сероводорода. Кислоты, особенно в воде, реагировали с силикатами горных пород, извлекая из них эквивалентные количества щелочных, щелочноземельных и других элементов, причем, во-первых, вода переставала быть кислой, и в ней устанавливалось кислотно-щелочное равновесие (со значением водородного показателя рН = 7, отвечающим нейтральному раствору), и, во-вторых, растворимые соли извлеченных из силикатов элементов переходили в океан, так что вода в нем сразу жестановилась соленой.

По оценке В. М. Гольдшмидта, на 1 кг морской воды приходится 0.6 кг разрушенных горных пород; при их разрушении извлекается и переводится в океан 66% содержащегося в них натрия, 10% магния, 4% стронция, 2.5% калия, 1.9% кальция, 0.3% лития и т. д. Учитывая распространенность этих элементов в породах земной коры (показанную на рис. 5), нетрудно вычислить получающиеся концентрации соответствующих катионов в морской воде - они совпадают с фактическими характеристиками солености морской воды. В то же время содержание главных анионов в морской воде во много раз выше, чем их количества, которые могут быть извлечены из горных пород. Особенно это относится к хлору и брому, которых в 1 кг современной морской воды в 200 и 50 раз больше, чем в 0.6 кг горных пород. Таким образом, хлор и бром могли попасть в воду только из продуктов дегазации мантии, и мы приходим к одному из основных тезисов А. П. Виноградова: все анионы морской воды возникли из продуктов дегазации мантии, а катионы - из разрушенных горных пород.

Общая соленость первичного океана, определяемая содержанием анионов в продуктах дегазации мантии, была, вероятно, близка к современной, но соотношения катионов могли быть несколько иными, так как горные породы первичной коры были преимущественно ультраосновными и основными, и соотношения Na/K и Mg/K в них были много больше, чем в современных горных породах (первичное изобилие магния и повышенное соотношение Mg/Ca в древних породах подтверждается, например, наличием в архейских осадочных породах магнийсодержащих осадков- доломитов, MgCO3·CaCO3; таковы, например, известняки Булавайо в Южной Африке, возраст которых около 3 млрд. лет). Отметим еще, что в водах первичного океана отсутствовал анион окисленной серы, сульфат SO2-4, что служит одним из свидетельств отсутствия в атмосфере и в океане тех времен свободного кислорода (к этому вопросу мы еще вернемся несколько ниже). Действительно, первые сульфатные осадки - гипсы CaSO4·2H2O и ангидриты CaSO4 - обнаруживаются, по-видимому, лишь в гренвильских породах Канады возрастом около 1 млрд лет; кроме того, происходящее при окислении серы уменьшение изотопного отношения S32/S34 (в сере метеоритов равного 22.22, а в сульфатах современной морской воды - 21.76) впервые обнаруживается в сере древних осадков лишь в среднем протерозое. Таким образом, воды первичного океана были хлоридными, нейтральными (рН ≈ 7) и бессульфатными.

Приведем еще и другие свидетельства отсутствия в древних атмосфере и океане свободного кислорода. Одним из наиболее важных является высокое значение отношения FeO/Fe2O3, закисного железа к окисному в древних изверженных (и затем метаморфизованных), а также в осадочных породах, особенно в глинах, тогда как в современных океанических глубоководных красных глинах это отношение упало до 1/7 (двухвалентное железо могло в изобилии поступать в гидросферу при серпентинизации богатых фаялитом Fe2SiO4 мантийных гипербазитов в процессе образования земной коры). Это относится, в частности, ко встречающимся в катархее и архее железным рудам: основной рудной составляющей в них является магнетит - FeO·Fe2O3. Таковы, например, катархейские силикатно-магнетитовые руды приазовского типа и архейские полосчатые магнетит-сидерит-кремнистые руды алгомского типа (кстати, часто содержащие в виде примеси легко окисляющееся, но не окисленное сернистое железо - пирит FeS2 и пирротин FeSx. Среди карбонатов в то время доминировали сидериты FeCO3. Наконец, в архее часто встречаются осадочные железо-марганцевые руды, что также свидетельствует о недостатке кислорода, так как при таких условиях железо и марганец одинаково хорошо подвижны и мигрируют вместе, а при наличии кислорода их геохимические пути расходятся (железо теряет подвижность).

Аналогичные свидетельства дает присутствие в древних породах также и других легко окисляющихся, но не окисленных веществ: графита - в мощных слоях катархейских гнейсов и мраморов, лазурита (содержащего Na2S) - в катархейских карбонатных породах, свежих и хорошо окатанных зерен пирита FeS2

и уранинита U3O8 (а кое-где даже урановых смолок UO2), - в нижнепротерозойских золото-ураноносных месторождениях Коли-Калтимо в Финляндии, Блайнд-Ривер в Канаде, Витватерсранд в Южной Африке, Жакобина в Бразилии и в других местах. Наконец, о недостатке кислорода свидетельствуют сравнительно низкие темпы выветривания древних пород.

Свободный кислород мог образовываться в первичной атмосфере в результате фотодиссоциации небольшой доли молекул водяного пара, т. е. их разложения под действием жесткой компоненты солнечного излучения. Однако, по расчетам Л. Беркнера и Л. Маршалла [27], такое образование свободного кислорода должно быть весьма ограниченным, так как кислород сам поглощал излучение, расщепляющее молекулы воды. При равновесии между этими двумя процессами содержание кислорода в атмосфере не могло превышать одной тысячной современного уровня, на самом же деле оно было много меньше, так как равновесие никогда не достигалось: весь образующийся кислород быстро затрачивался на окисление атмосферных газов - СН4, СО, NH8 и H2S. Из-за недостатка свободного кислорода в атмосфере, по-видимому, отсутствовал озоновый экран, и тонкая первичная атмосфера была способной пропускать жесткие излучения Солнца до поверхности суши и океана.

Под действием жестких излучений Солнца, способных ускорять образование сложных молекул (фотокатализ), в океане, по-видимому еще в катархее, образовался ряд сложных органических веществ, до аминокислот включительно, - предполагать их образование необходимо, так как в архейских осадочных породах уже обнаруживаются следы жизни (при отсутствии озонового экрана появившейся, вероятно, именно в океане, где первичные организмы были защищены от жестких излучений Солнца некоторым слоем воды - для этого вполне достаточно 10-метрового слоя).

Лабораторными опытами С. Миллера в 1953 г. показано, что при воздействии электрических разрядов на смесь водяного пара, метана, аммиака и водорода, близкую по составу к газам некоторых вулканов, в ней образуются сложные органические вещества, в том числе аланин, глицин и другие аминокислоты. Экспериментально доказано также, что в указанной смеси образование сложной органики, до аминокислот включительно, может происходить и под действием ультрафиолетовой радиации. В вулканических газах такой синтез может идти за счет высоких температур, при которых взаимодействие метана с аммиаком дает синильную кислоту HCN, метана с водой - альдегиды RCOH, и в получающейся смеси аминокислоты синтезируются по так называемой схеме Штрекера; отметим, что в горячих газах курильского вулкана Алаид обнаружено большое количество синильной кислоты, а в гидротермальных растворах Камчатки и Курильских островов - производные синильной кислоты и различные аминокислоты. Укажем, наконец, что сложные органические вещества, включая аминокислоты, обнаружены в ряде каменных метеоритов, особенно в так называемых углистых; см. книгу С. М. Майской и Т. В. Дроздовой [28].

Эволюцию жизни на Земле мы будем обсуждать ниже, здесь же отметим, во-первых, что наиболее древние достоверные остатки жизнедеятельности организмов (микроорганизмов Eobacterium isolatum) найдены в кремнистых сланцах серии Фигового дерева системы Свазиленд (Барбертон) в Трансваале, возраст которых 3.1-3.4 млрд. лет, и, во-вторых, что одними из первых организмов были микроскопические одноклеточные водоросли, начиная с самых примитивных - синезеленых, которые осуществляли фотосинтез органических веществ из углекислоты и воды с выделением свободного кислорода. Такая деятельность водорослей, а затем и сухопутных растений привела в конце концов к образованию на Земле кислородной атмосферы - этого геохимического чуда, не имеющего аналогов на других планетах Солнечной системы.

Первые количества кислорода, вырабатывавшиеся водорослями при фотосинтезе уже с начала архея, затрачивались на окисление атмосферных газов (а затем и пород коры). При этом аммиак NH3 окислялся до молекулярного азота N2 (а часть аммиака поглощали организмы), и так, по-видимому, образовался почти весь азот современной атмосферы. Метан СН4 и окись углерода СО окислялись до СO2, и углекислота преимущественно уходила в морскую воду, превращая ее из исходной хлоридной в хлоридно-карбонатную (и создавая в ней вместе с ионами Са2+ карбонат-бикарбонатовый буфер, способствовавший превращению «лишних» бикарбонатов в карбонатные осадки). Сера S и сероводород H2S окислялись до SO2 и SO3; в океане начал появляться сульфат SO2-4, так что морская вода становилась хлоридно-карбонатно-сульфатной (как уже упоминалось, изотопное отношение S32/S34 начало уменьшаться со среднего протерозоя, а первые сульфатные осадки появились в верхнем рифее).

В горных породах нижнего протерозоя обнаружены многочисленные свидетельства происходившего в то время перехода от восстановительных к окислительным условиям в атмосфере и океане. Одним из наиболее важных свидетельств является изменение поведения железа в морской воде: окисление закиси железа FeO до окиси Fe2O3 резко понизило подвижность железа и привело к массовому выпадению из водной взвеси гидратов окиси железа Fe(OH)3 и FeO(OH) в комплексе с SiO2·nH2O и органикой в осадки, преобразовавшиеся затем в многочисленные железистые кварциты нижнего протерозоя - джеспилиты Криворожского бассейна и Курской магнитной аномалии в СССР, Верхнего озера в Северной Америке и ряда крупных месторождений в Индии. При образовании джеспилитов железо могло заимствоваться, например, из сидеритов FeCO3, окислявшихся по схеме

2FeCO3 + ЗН2О +О → 2Fe(OH)3 + 2СO2,

причем в воду поступал углекислый газ, который мог затрачиваться в реакциях серпентинизации оливинов и каолинизации анортитов на образование новых порций карбонатов; кремнезем же в джеспилитах мог заимствоваться из продуктов серпентинизации пироксенов (для энстатита см. с. 57).

Типичное для нижнего протерозоя чередование слоев железистых кварцитов со сланцами слюдяно-амфиболового состава указывает, возможно, на частую смену окислительных и восстановительных условий. Следует также упомянуть мощные пласты гематита, Fe2O3, и сидерита в нижнепротерозойских карбонатных и терригенно-карбонатных отложениях Саткинской и Бакальской групп Южного Урала, а также некоторых районов Карелии (СССР), Канады и США.

По данным Р. Е. Фолинсби (1971 г.), проанализировавшего условия образования докембрийских осадочных и россыпных рудных месторождений, заметные количества свободного кислорода появились около 2.2 млрд. лет тому назад.

Над упоминавшимися выше золото-ураноносными конгломератами начала нижнего протерозоя располагаются карбонатные отложения - доломиты и биогенные известняки возрастом около 2.4-2.5 млрд. лет (оцененным по свинцовому методу), а над ними впервые в разрезе древних осадков появляются красноцветы - породы, образовавшиеся из древних почв, содержавших окисное железо, которые могли формироваться лишь при появлении в атмосфере свободного кислорода. Выше первого доломитового горизонта с биогенными известняками середины нижнего протерозоя золото-ураноносные конгломераты больше не встречаются, так как при появлении в атмосфере кислорода обломочные сульфиды и уранинит окисляются и условия для одновременного накопления в россыпях урана и золота исчезают. Примером может служить урановая минерализация в гуронских породах Канады, где золото-ураноносные конгломераты с окатанными зернами пирита и уранинита находятся в сероцветных породах серии Эллиот-Лэйк; выше, в красноцветных кварцитах серии Кобальт, вместо пирита присутствует гематит, а урановая минерализация исчезает.

В породах среднего протерозоя и тем более рифея остатки жизнедеятельности водорослей - биогенные известняки - встречаются все чаще и чаще; очевидно, продуцирование свободного кислорода водорослями в эти эры нарастало. По расчетам Л. Беркнера и Л. Маршалла [27], содержание свободного кислорода в атмосфере в одну тысячную долю современного уровня (точка Юри) было достигнуто в среднем рифее, около 1.2 млрд. лет тому назад. К этому же выводу пришел и П. Клауд (1965 г.) в результате обобщения палеонтологических, геологических и геохимических данных. Согласно Е. П. Акулыниной, А. В. Ивановской и Ю. П. Казанскому [29], с этого времени начали образовываться мощные кислые выщелоченные коры выветривания в ряде областей на поверхности континентов, окрашенные гидроокислами железа в бурные и красные цвета (причем при захоронении окислы не восстанавливались из-за отсутствия на суше тех времен органического материала). Отметим, что отношения азота к кислороду (N2/O2) в газовых включениях в среднерифейских кремнистых отложениях Восточной Сибири уже близки к их значениям в современных атмосфере и гидросфере (Ю. П. Казинский, В. Н. Катаева, Н. А. Щугурова [30]).

Наличие свободного кислорода создало возможность для следующего крупного шага в эволюции жизни - появления организмов, потребляющих кислород, животных. И действительно, наиболее древние остатки животных найдены в породах среднего протерозоя (трубочки червей Udokania problematica в слоях Удоканской серии Забайкалья). Несомненное становление многоклеточных морских животных датируется началом верхнего рифея, около 1 млрд. лет тому назад. В венде обнаружено уже не менее 20 родов животных, преимущественно кишечнополостных («век медуз») и членистоногих - это так называемая эдиакарская бесскелетная фауна (названная по местечку Эдиакара в Австралии, где в породах вендского возраста найдено много отпечатков этих животных).

С биологической точки зрения критическим уровнем содержания свободного кислорода в атмосфере является так называемая точка Пастера, около одной сотой от количества кислорода в современной атмосфере, при которой организмы переходят от использования энергии процессов ферментативного (анаэробного) брожения к энергетически более эффективному (в 30-50 раз) окислению при дыхании. По расчетам Л. Беркнера и Л. Маршалла, точка Пастера была достигнута в конце венда, около 600 млн. лет тому назад, и это привело в начале фанерозоя к настоящему биологическому взрыву - массовому распространению практически всех типов животных (кроме хордовых).

Растения, осуществляющие фотосинтез первичной биологической продукции и потому являющиеся первоосновой всей жизни, вскоре начали проникать на сушу, вначале в наиболее примитивных формах (псилофиты) и очень медленно - одним из главных препятствий для проникновения жизни на сушу являлось отсутствие в атмосфере озонового экрана, который защищал бы живые организмы от жестких излучений Солнца. Л. Беркнер и Л. Маршалл считают, что появлению озонового экрана около 400 млн. лет тому назад отвечало содержание кислорода в атмосфере порядка 10% современного уровня, после чего современный уровень был достигнут очень быстро - всего за несколько десятков миллионов лет - вследствие бурного фотосинтеза в гигантских лесах на континентах того времени.

Заканчивая на этом изложение истории кислорода в атмосфере и гидросфере, отметим, что в настоящее время годовая продукция кислорода, выделяемого всеми растениями в море и на суше, имеет порядок 100-150 млрд. т (и распределяется между морем и сушей приблизительно поровну, составляя в море около 10% продукций массы водорослей). При таком темпе весь кислород атмосферы - порядка 103 триллионов т - был бы создан всего за десяток тысячелетий, однако практически весь продуцируемый сейчас кислород затрачивается на дыхание животных и на окисление органических остатков, вулканических газов и разрушающихся горных пород.

Остановимся теперь вкратце на истории углекислого газа. Первоначально он попадает в атмосферу и гидросферу, несомненно, в продуктах дегазации мантии, в которых образуется путем высокотемпературных каталитических реакций графита с водой (ЗС+2Н2O → СН4+2СО, С+Н2О → СО+Н2, С+2Н2O → СO2 + Н2), разложения карбидов (например, карбида железа: Fe3C+2FeO → 5Fe+CO2), температурной диссоциации первичных карбонатов (например, СаСO3 → СаО+СO2), а затем также путем окисления метана и СО вулканических газов. Удаление углекислого газа из атмосферы и гидросферы происходит главным образом при образовании карбонатов - в результате как химических реакций (см. на с. 57 реакции серпентинизации оливинов и каолинизации анортитов), так и биологических процессов (образование карбонатных оболочек и скелетов организмов); некоторая доля СO2 тратится также на образование органического вещества в процессе фотосинтеза растений. Согласно подсчетам О. Г. Сорохтина [23], химическое осаждение карбонатов все время ограничивалось лишь количеством СO2, тогда как вторая необходимая составляющая карбонатов - гидроокислы кальция, магния и железа - всегда находилась в большом избытке.

В катархее карбонатных пород немного; укажем прежде всего мраморы и известковистые кристаллические сланцы Прибайкалья, Побужья, Памира (Ваханская серия) и юго-восточной Канады (серия Гренвилл), образовавшиеся, вероятно, из сульфатно-сернистых известняков и доломитов. В архее карбонатных пород, пожалуй, еще меньше. В нижнем протерозое, когда появился кислород, выросло количество С2, морская вода стала хлоридно-карбонатной и в ней образовалось карбонат-бикарбонатное равновесие, появились и мощные слои карбонатных осадочных пород, прежде всего доломитов химического происхождения (при большом содержании СO2 и высоком щелочном резерве в морской воде доломитовое вещество насыщает воду и выпадает в осадок легче, чем СаСO3); примером может служить мощная доломитовая свита Трансвааля возрастом около 2 млрд. лет.

В дальнейшем в карбонатных породах наблюдается некоторый рост доли кальцита за счет доломитов (объясняемый, вероятно, снижением щелочного резерва морской воды; Р. В. Фэйрбридж [31] считает, что значение рН воды в среднем и верхнем протерозое могло падать до 4-5), а также увеличение доли карбонатов биологического происхождения.

В венде содержание СO2 в океане, по-видимому, уменьшилось (возможно, вследствие затрат углекислоты при фотосинтезе водорослей), морская вода приобрела хлоридно-сульфатный характер, и значение рН в ней опять достигло 7, допустив в некоторой мере образование карбонатов; может быть, это и содействовало появлению скелетов у животных в начале фанерозоя.

Позже, 360-280 млн. лет тому назад, развитие фотосинтезирующей растительности на суше привело, вероятно, к новому уменьшению содержания СO2 в атмосфере, а потому и в океане, и значение рН в морской воде выросло до современного уровня 7.5-8.5. Это, вероятно, содействовало вспышке в развитии организмов, выделяющих известь, - кокполитовых водорослей и одноклеточных животных - корненожек фораминифер (возникших еще в начале фанерозоя; в рассматриваемый период наибольшее развитие имели фораминиферы надсемейства фузулинид). После некоторого спада такая вспышка повторилась 130-70 млн. лет тому назад, обусловив массовое выпадение биогенных карбонатных осадков мелового периода (причем наибольшее развитие из фораминифер имели нуммулитиды). В настоящее время накопление карбонатов в Мировом океане происходит почти исключительно биологическим путем (причем основную роль в нем играют планктонные фораминиферы - в холодных и умеренных водах глобигериниды, а в теплых - глобороталлииды).

Рассуждения о происхождении и эволюции атмосферы и гидросферы, аналогичные изложенным здесь, могут быть применены и к другим планетам земной группы. Маленькая Лупа (0.01229 массы Земли) и небольшой Меркурий (0.0543 массы Земли), раскаляемый близким Солнцем и обдуваемый сильным солнечным ветром, не смогли удержать свои атмосферы. Марс побольше (0.10766 массы Земли) и может удержать атмосферу из тяжелых газов, но температура лучистого равновесия на его поверхности в среднем много ниже температуры существования жидкой воды, так что условия для гидратации мантийных гипербазитов и для химического карбонатообразования весьма затруднены. Этим можно пытаться объяснять наличие на Марсе лишь небольшой атмосферы (с давлением у поверхности планеты около 0.005-0.008 атмосферного давления на Земле) преимущественно из углекислого газа (впрочем, возможно, что основное количество СO2 на Марсе в настоящую эпоху выморожено и находится в виде «сухого льда» в полярных шапках; об этом может свидетельствовать также предполагаемое повышенное содержание аргона в современной марсианской атмосфере).

Наиболее близка к Земле по размерам Венера - ее масса равна около 0.81 массы Земли; ускорение силы тяжести на ее поверхности равно 884 см/сек.2 против 981 см/сек.2 у Земли; средняя плотность Венеры (5.06 г/см3) лишь немногим меньше, чем Земли (5.52 г/см3). Не имея иных данных, мы можем пока допустить, что:

1) Венера имеет такой же возраст, как Земля;

2) она образована приблизительно из такого же вещества (может быть, лишь с чуть большим содержанием железа);

3) эволюция ее недр происходила приблизительно так же, как у Земли (лишь из-за менее сильной гравитации она немного меньше уплотнилась).

Большая разница в собственных вращениях планет (Венера вращается вокруг своей оси в 243 раза медленнее, чем Земля, и в противоположную сторону) и, возможно, связанное с этим отсутствие у Венеры магнитного поля не кажутся существенными для процессов расслоения планеты на оболочки. Поэтому можно предположить, что из мантии Венеры выплавилось базальтов, водяного пара и других газов примерно такое же количество, как и на Земле. Однако эволюция внешних оболочек Венеры, несомненно, происходила совершенно иначе, чем на Земле, так как современная атмосфера Венеры совсем не похожа на земную.

В 1967-1975 гг. выдающимся достижением советской науки и техники явилась серия экспериментов по измерению характеристик венерианской атмосферы с помощью аппаратов, спускаемых на парашютах с автоматических космических ракет. Эти измерения показали, что венерианская атмосфера имеет большую мощность - она почти в 100 раз массивнее земной (давление атмосферного газа на поверхности этой планеты равно в среднем около 90 атм., т. е. оно в 90 раз больше, чем на Земле). Состоит она в основном из углекислого газа (его там около 97%), небольшого количества водяного пара и очень малой доли кислорода. Температура у твердой поверхности планеты очень высокая - около +470° С (в нижних слоях атмосферы она падает в среднем на 8.5° на каждый километр высоты, так что на нижней границе облаков, занимающих там слой на высотах 35-65 км, температура равна +172° С, а на верхней границе облаков зарегистрирована температура около -40° С). Такая температура исключает существование гидросферы и допускает наличие капельно-жидкой воды лишь в облаках высоких холодных слоев атмосферы. Несмотря на большую толщину и наличие мощного облачного слоя, атмосфера все же пропускает некоторую долю солнечного излучения до твердой поверхности планеты, на которой одним из аппаратов, совершивших мягкую посадку, была зарегистрирована освещенность Солнцем порядка одного ватта мощности световой энергии на квадратный метр площади.

Высокая температура у поверхности Венеры в настоящее время объясняется не тем, что Венера ближе к Солнцу, чем Земля, и на нее падает больше солнечного тепла (в 1.9 раза): из-за большой отражательной способности верхней поверхности облачного слоя венерианской атмосферы около 3/4 солнечного излучения отражается в космос, и усваиваемое количество солнечного тепла здесь оказывается даже меньше, чем на Земле. Высокая температура создается сильнейшим парниковым эффектом мощной атмосферы из углекислого газа, частично пропускающей солнечное излучение в свои глубины, но не выпускающей обратно тепловое излучение своих нижних слоев. Однако раньше, в начале образования первичной атмосферы Венеры, до тех пор, пока она оставалась столь тонкой, что парниковый эффект еще не играл существенной роли, температура у поверхности Венеры была близкой к температуре лучистого равновесия, которая вследствие близости к Солнцу была выше, чем на Земле, и, согласно простейшим оценкам, превышала пределы существования жидкой воды.

Таким образом, приходится признать, что на Венере не было и нет ни гидросферы, ни жизни земного типа, так что ни гидратации мантийных гипербазитов, ни химического, ни биологического карбонатообразования там не происходило. Поэтому весь углерод, на Земле перешедший (преимущественно биологическим путем) в карбонаты, сланцы, глины, угли и нефти коры (где количество CO2 в одних только карбонатах А. Б. Ронов и А. А. Ярошевский [32] оценивают в 3.7·106 триллионов т, в 70 раз больше массы атмосферы), на Венере остался в атмосфере.

Сложнее объяснить, куда девалась на Венере вода. Если на Земле испарить всю воду, то она образовала бы атмосферу из водяного пара вчетверо массивнее нынешней венерианской. Молекулы воды в венерианской атмосфере, по-видимому, распадались под действием более интенсивных, чем на Земле, жестких излучений Солнца и, кроме того, заряженных частиц, на Земле отражаемых магнитным полем (а по О. Г. Сорохтину [23], -также по реакции термолиза ЗFе+4Н2О → Fe3O4+H2 при наличии свободного железа на горячей поверхности Венеры). Водород уходил в космическое пространство, а кислород, составляющий 8/9 массы воды, затрачивался на окисление СН4, СО и других атмосферных газов, свободного железа и закисей Fe и других металлов в породах горячей венерианской коры (такие процессы происходили и происходят и на более холодной Земле, но соответствующая убыль кислорода в ее атмосфере теперь компенсируется быстрым продуцированием О2 при фотосинтезе растений). Если для грубой прикидки принять, что первичные базальты венерианской коры содержали порядка 10% закиси железа FeO, то для ее окисления до Fe2O3 в коре массой 5·107 триллионов т потребовалось бы порядка 5·105 триллионов т кислорода, и его заимствование из атмосферы уменьшило бы давление газа у поверхности Венеры примерно на 90 атм. Эта оценка показывает, что количественное объяснение исчезновения кислорода из венерианской атмосферы может быть дано при дополнительном учете свободного железа и других способных окисляться веществ в венерианской коре.

 

ГЛАВА 6: ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Осадочные породы и скорость их образования. Пододвигание океанической коры под континенты в зонах Заварицкого-Беньофа. Образование океанической коры в рифтовых зонах. Изверженные породы. Образование континентальной коры над зонами Заварицкого-Беньофа. Метаморфические породы, гранитизация. Геохимическая эволюция земной коры. История руд

Земная кора состоит из осадочных, изверженных и метаморфических пород. Обсуждение их эволюции удобнее всего начать с осадочных пород, образование которых в океанах в настоящее время доступно непосредственному наблюдению (обширная сводка материалов об осадкообразовании в океанах содержится в недавно вышедшей фундаментальной книге А. П. Лисицына [33]).

Скорости океанического осадкообразования оцениваются по возрастам различных слоев в колонках донных осадков, получаемых при помощи грунтовых трубок, и в кернах, извлекаемых при бурении океанского дна.

Относительные возрасты слоев определяются палеонтологическим методом по видам организмов с известковыми раковинками - корненожек фораминифер и кокколитовых водорослей, а также организмов с кремнеземными раковинками - диатомовых водорослей и одноклеточных животных радиолярий, анализируются и попавшие в осадок пыльца и споры наземных растений. Слои разного возраста различаются также по характеру их намагниченности, на чем основаны методы палеомагнитной стратиграфии, к которым мы вернемся в главе 9.

Абсолютные возрасты слоев осадков определяются изотопными методами - по содержанию в них радиоактивного изотопа углерода С14 (возрасты до 50-60 тыс. лет); ионий-протактиниевым методом по изотопному отношению I230/Ра231, а также радиево-иониевым, ионий-ториевым и протактиний-ториевым методами (возрасты до 200 тыс. лет); по содержанию радиоактивных висмута (Bi214), алюминия (Al26) и бериллия (Be10) (возрасты до 0.3, 3 и 10 млн. лет); калий-аргоновым методом.

Полученные указанными методами оценки скоростей осадкообразования, а также карты типов осадков показывают, что в осадкообразовании проявляется широтная, циркумконтинентальная и вертикальная зональность. В зонах срединно-океанических хребтов осадки встречаются лишь в разрозненных «карманах». Наименьшие скорости осадкообразования - меньше 1 мм за 1000 лет, а местами даже меньше 0.1 мм за 1000 лет - наблюдаются в глубоких центральных котловинах океанов; осадки там имеют вид тонких слоев плотных красных глин. На большей части площадей Тихого и Индийского океанов осадконакопление происходит со скоростями 3-10 мм/1000 лет, причем образуются преимущественно карбонатные осадки. В высокоширотных и экваториальной зонах Тихого и Индийского океанов и на большей части площади Атлантического океана (в котором осадкообразование вообще происходит в несколько раз интенсивнее, чем в Тихом) скорость осадкообразования увеличивается до 10-30 мм/1000 лет, а ближе к берегам - до 30-100 мм/1000 лет, в краевых морях - до 100-500 мм/1000 лет, а напротив устьев больших и мутных рек - до тысяч и даже десятков тысяч миллиметров за 1000 лет. Средняя по всей площади океанов скорость осадконакопления получается порядка десятков миллиметров за 1000 лет.

Другой способ оценки средней скорости осадкообразования заключается в подсчете источников осаждающегося вещества. Главным источником является твердое вещество, выносимое с континентов реками в виде взвеси; по данным, изложенным в книге А. П. Лисицына [33], его масса оценивается в 18.5 млрд. т в год, причем около 40% этой суммы дают 11 крупнейших рек - Хуанхэ, Ганг, Брахмапутра, Янцзы, Миссисипи, Амазонка, Инд, Иравади, Меконг, Оранжевая и Колорадо. Сток растворенных веществ оценивается в 3.2 млрд. т, снос твердого вещества ледниками и ветром - соответственно в 1.5 и 1.6 млрд. т, скорость размыва морских берегов и дна - в 0.5 млрд. т в год. Вклад вулканического пепла в океаническое осадкообразование оценивается в 2-3 млрд. т в год. Наконец, из огромной годичной продукции планктона, порядка 550 млрд. т живого или 110 млрд. т сухого вещества, на дно океана осаждается лишь очень малая доля: карбонатного вещества - 1.36 и кремнистого - 0.46 млрд. т. По этим данным суммарная скорость океанического осадкообразования оценивается в 27 млрд. т в год. Поделив эту цифру на площадь океанов 3.6·1018 см2 и на типичный объемный вес твердой фазы рыхлых осадков натуральной влажности, скажем, на 1.5 г/см3, получим среднюю скорость осадкообразования, равную 50 мм/1000 лет, в хорошем соответствии с прямыми измерениями.

Средняя скорость наращивания осадочных пород плотностью 2.5 г/см3 получается равной 3 см/1000 лет (а скорость эрозии суши - вдвое больше). При такой скорости осадкообразования за 4 млрд. лет геологического времени сформировалась бы кора из осадочных пород толщиной 120 км и массой 10.8·107 триллионов т, тогда как, по данным главы 3, вся земная кора, состоящая из осадочных, изверженных и метаморфических пород, имеет среднюю толщину 33 км и массу 4.7·107 триллионов т (осадочных пород в ней лишь около 2·106 триллионов т). Даже если принять, что скорость осадкообразования в течение большей части геологического времени была меньше современной, скажем, втрое, то за 4 млрд. лет все же накопился бы слой осадочных пород толщиной 40 км, тогда как в современной континентальной коре его толщина в среднем равна 3 км, а в океанической коре - всего 0.7 км. Таким образом, мы сразу же приходим к важному выводу о том, что должны действовать какие-то эффективные механизмы превращения осадочных пород в изверженные и метаморфические породы континентальной коры и даже полного исчезновения осадочных пород, т. е. их ухода из земной коры в мантию.

Опускаться в мантию осадочные породы могут, вероятно, лишь вместе со всей несущей кору литосферной плитой. Наиболее подходящими местами для таких процессов представляются края литосферных плит. Естественно ожидать, что на границе между двумя сталкивающимися литосферными плитами (несущими, например, одна океаническую, а другая континентальную кору) та из них, которая обладает меньшей плавучестью (т. е. большей плотностью, в приведенном примере - океаническая), заглубляется в мантию под более плавучую плиту. Тогда в зоне заглубляющейся плиты следует ожидать глубокофокусных землетрясений.

Как отмечалось в главе 3, все глубокофокусные землетрясения, кроме Памиро-Гиндукушских, происходят вдоль глубоководных океанических желобов, с континентальной стороны от них (и там же находится большинство действующих вулканов). При этом глубины фокусов землетрясений закономерно возрастают по мере удаления от желоба в сторону континента, доходя до значений около 700 км приблизительно на таких же расстояниях от желоба (рис. 19). Проекции фокусов землетрясений на вертикальную плоскость, перпендикулярную желобу, вырисовывают в ней зону заглубляющейся плиты (уходящей вглубь сначала под небольшим углом к горизонту, затем - после излома под тяжестью верхней плиты - под углом порядка 45°, а с глубин в несколько сотен километров иногда еще круче); см. на рис. 20 пример желоба Тонга, а на рис. 21 пример Камчатского желоба (в котором зона заглубляющейся плиты имеет толщину около 50-70 км и наклонена к горизонту под углом около 50°; на глубинах 140-180 км, в месте пересечения плиты корнями вулканов, плотность фокусов землетрясений резко уменьшается).

Рис. 19. Изолинии глубин землетрясений в зоне желоба Тонга в Тихом океане. Область желоба с глубинами больше 6 км. заштрихована.

Рис. 20. Проекция фокусов землетрясений, зарегистрированных в 1965 г., в 300-километровой зоне вдоль желоба Тонга на вертикальную плоскость, перпендикулярную желобу.

Еще в 1946 г. выдающийся советский геолог А. Н. Заварицкий [34] высказывал предположение о возможности пододвигания океанической коры под континенты в областях островных дуг. Позже американский конструктор сейсмографов и электронных музыкальных инструментов Г. Беньоф установил, что очаги глубокофокусных землетрясений сосредоточены в сравнительно тонких зонах, заглубляющихся под углами порядка 45° под края континентов или окраинных морей. Таким образом, зоны заглубления океанических плит справедливо именовать зонами Заварицкого-Беньофа.

Рис. 21. Проекции фокусов землетрясений 1965 - 1968 гг. в Петропавловском секторе Камчатки на плоскость, перпендикулярную Камчатскому желобу, по С. А. Федотову с сотрудниками. Горизонтальные расстояния отсчитываются от оси вулканической дуги. 1 - вода; 2 - 'гранитный слой'; 3 - 'базальтовый слой'.

Оказалось, что механизмы глубокофокусных землетрясений, в том числе направления происходящих при них смещений в литосфере, соответствуют заглублению океанических плит под континентальные; скорости распространения сейсмических волн от промежуточных и глубоких очагов в пределах фокальной зоны на 4-7% выше, а затухание этих волн на порядок ниже, чем в окружающей мантии, т. е. фокальная зона действительно представляет собою плиту, более жесткую, чем окружающая мантия.

Движение плит вглубь создает вдоль океанических желобов, обычно на их континентальной стороне, зоны больших отрицательных изостатических аномалий силы тяжести - порядка 150-200 мгал, а перед ними, в зоне сжатия, и особенно за ними, над уплотняющейся заглубившейся частью океанических плит, наблюдаются положительные гравитационные аномалии, но меньшие по величине. В качестве примера на рис. 22 приводится профиль гравитационных аномалий на меридиональном разрезе через Яванский желоб в Индийском океане. Изостатическая аномалия порядка +200 мгал аналогична избыточному или недостаточному давлению в литосфере порядка +1000 атм. Поддержание таких избыточных напряжений в течение миллионов и десятков миллионов лет удается объяснить только движением заглубляющихся литосферных плит. Отметим, наконец, минимумы геотермического потока тепла на континентальных склонах океанических желобов (где толщины сталкивающихся литосферных плит складываются), а также наличие в рельефе океанского дна перед желобами передовых валов, свидетельствующих о горизонтальном сжатии литосферы в этих зонах.

Рис. 22. Профиль изостатических гравитационных аномалий Хейфорда-Пратта на меридиональном разрезе чекрез Яванский желоб в Индийском океане.

Рассмотрим теперь самый большой из океанов - Тихий. Большую долю его периферии - весь север и запад от Аляски до Новой Зеландии и юго-восток вдоль всей Южной Америки - образуют зоны Заварицкого-Беньофа, в которых океаническая литосфера уходит вглубь, в мантию Земли. Значит, внутри океана должны находиться области зарождения и растяжения новой океанической литосферы. Во всех океанах такими областями являются срединно-океанические хребты. Установлено, что на их осях в рифтовых долинах граница Мохоровичича, т. е. поверхность мантии, выклинивается и выходит к поверхности дна океана (драгирование на ней приносит образцы ультраосновных мантийных пород). Геотермический поток тепла здесь достигает максимума, широко развит подводный и надводный вулканизм с излияниями толеитовых базальтов, выходами гидротерм и гидротермальными изменениями коренных пород. Рифтовые зоны на осях срединно-океанических хребтов весьма сейсмичны. Землетрясения в этих зонах только мелкофокусные, с глубинами очагов до 10-20 км (а глубже, по-видимому, начинается приподнятая здесь вязкая астеносфера, в которой землетрясений не бывает). Смещения при землетрясениях имеют характер сбросов, что, как и провалившиеся вниз рифтовые долины, указывает на происходящее горизонтальное растяжение литосферы (расходящимися течениями на вершине восходящей ветви конвекции в мантии). Франко-американская экспедиция ФАМОУС в 1975 г. проводила детальный осмотр участка дна рифтовой долины в Срединно-Атлантическом хребте на глубинах около 4 км, используя обитаемые подводные аппараты - французский батискаф «Архимед», «ныряющее блюдце» «Циану» и американский «Алвин». При этом были обнаружены прямые визуальные свидетельства растяжения океанского дна в виде параллельных оси рифтовой долины трещин длиной от десятков метров до километров и шириной от дециметров у оси до десятков метров у крутых склонов рифтовой долины. Было обнаружено также, что наращивание новой океанической коры происходит путем излияния свежих базальтовых лав из цепочки маленьких вулканов (с высотами в десятки или немногие сотни метров) вдоль полосы шириной в 1-3 км на оси рифтовой долины.

Можно думать, что пространство между раздвигающимися в обе стороны от оси рифтовой долины литосферными плитами заполняется веществом астеносферы, которое, охлаждаясь сверху и кристаллизуясь, наращивает раздвигающиеся плиты. Пусть t - время охлаждения (равное расстоянию х от оси рифтовой долины, деленному на скорость отодвигания). Тогда, как и вообще в процессах внешнего охлаждения теплопроводных материалов, толщина образующейся плиты, т. е. глубина охлаждения (а также пропорциональная ей глубина оседания нарастающей плиты, т. е. глубина океана над нею), будет расти пропорционально t1/2 (а потому также пропорционально х1/2 ). О. Г. Сорохтин [23] о успехом применил этот закон для описания глубин океана в окрестности Срединно-Атлантического хребта (для чего ему пришлось принять скорость отодвигания к западу от хребта равной 1.9 см/год, а к востоку -1.6 см/год) и к западу от Восточно-Тихоокеанского поднятия (при скорости отодвигания 5 см/год). Результаты приведены на рис. 23.

Рис. 23, а. Описание глубин океана H в окрестности срединно-океанического хребта законом H ∼ x^½ по О. Г. Сорохтину [23]. Срединно-Атлантический хребет.

Рис. 23, б. Описание глубин океана H в окрестности срединно-океанического хребта законом H ∼ x^½ по О. Г. Сорохтину [23]. Восточно-Тихоокеанское поднятие.

Согласно изложенным данным, океаническая литосфера и кора образуются в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов, раздвигаются в обе стороны конвекционными мантийными течениями и, дойдя до зон Заварицкого-Беньофа, уходят вглубь, в мантию Земли, так что дно океана движется от рифтовых зон до зон Заварицкого-Беньофа, как лента конвейера. Прямая связь заглубления океанических плит в мантию в зонах Заварицкого-Беньофа с их отодвиганием от осей рифтовых зон демонстрируется приблизительной пропорциональностью между шириной полос эпицентров землетрясений над зонами Заварицкого-Беньофа и скоростью отодвигания плит (рис. 24).

Рис. 24. Зависимость между шириной полос эпицентров землетрясений над зонами Заварицкого-Беньофа и скоростью поддвигания океанических плит.

Возраст того или иного участка океанической коры оказывается равным расстоянию этого участка от соответствующей рифтовой долины, деленному на соответствующую скорость отодвигания. Эти возрасты минимальны в окрестностях рифтовых зон срединно-океанических хребтов и максимальны на перифериях океанов. При типичной полуширине океана 5000 км и типичных скоростях отодвигания 2-5 см/год типичные возрасты дна океана на его периферии получаются порядка 100-250 млн. лет, т. е. много меньше, чем время существования Мирового океана, который, таким образом, является древним образованием с молодым, все время обновляющимся дном.

Идея о растяжении океанского дна была высказана еще в 1928 г. английским геологом Артуром Холмсом, который, однако, сам считал ее спекулятивной, не могущей иметь научного значения, пока не появятся фактические доказательства. Такие доказательства накопились за 15 лет послевоенного времени, и идея о раздвижении океанского дна была возрождена в статьях Г. Хесса и Р. Дитца 1961-1962 гг., русский перевод которых читатель найдет в сборнике [35]. Теперь эта идея является одной из основ так называемой новой глобальной тектоники (тектоники литосферных плит), которую мы будем излагать в главе 10.

Приняв концепцию об уходе в мантию в зонах Заварицкого-Беньофа океанической литосферы, коры и осадочных пород, мы снимаем кажущуюся трудность, создаваемую высокими темпами океанического осадкообразования, но, наоборот, приходим к необходимости объяснять наличие в континентальной коре мощных древних слоев осадочных пород: как уже отмечалось, на континентах встречаются осадочные породы любых возрастов до 3.8 млрд. лет, а мощности осадочных слоев в геосинклинальных зонах доходят до 10-15 и даже до 25-30 км (например, 30-километровые толщи переслоенных осадочных и вулканогенных пород в Андах). В современном океане многокилометровые мощности слоев рыхлых осадков (со скоростями распространения сейсмических волн Р до 4 км/сек.) имеются лишь у основания материкового склона в некоторых краевых и внутренних морях (например, в Беринговом море 3-10 км, в Черном море 4-8 км, в Каспийском море до 10 км, у атлантического побережья США до 6-8 км, в северной части Индийского океана в областях выноса рек Ганг и Инд 2.5-3 км и более). Поэтому вполне вероятно, что мощные осадочные слои геосинклинальных зон континентов образовались в существовавших там ранее краевых и внутренних морях.

Переходя к образованию изверженных пород, рассмотрим сначала вулканические, а затем также и плутонические породы. В настоящее время известно 808 действующих вулканов, для 569 из них зарегистрированы даты извержений. Их распределение на земном шаре показано на рис. 9. На рисунке видно, что большинство вулканов находится в зонах Заварицкого-Беньофа, с континентальной стороны от глубоководных океанических желобов. Некоторая часть действующих вулканов находится в центральных районах океанов, преимущественно в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов (к ним относятся, в частности, вулканы Исландии), а также на поперечных трансформных разломах (к ним, по-видимому, относятся вулканы Гавайских островов); вероятно, немало подводных срединно-океанических вулканов еще не зарегистрировано.

Породы, образующиеся в результате извержений срединно-океанических вулканов, - это в основном толеитовые базальты, слагающие второй слой океанической коры. Их состав мы приводили на с. 24. На примере вулканических серий Гавайских островов известно, что кварц-толеитовые базальтовые магмы высокотемпературны, образуются в астеносфере сравнительно глубоко и выбрасываются при извержениях первыми; во втором слое океанической коры они должны занимать нижние горизонты. Затем появляются более тугоплавкие и менее глубинные высокоглиноземистые оливиновые базальты, занимающие верхние горизонты второго слоя. Наконец, изливается небольшое количество остаточных, наименее горячих и наименее глубинных щелочных нефелиновых базальтов.

Совершенно иной характер имеют породы, образующиеся при извержениях вулканов в зонах Заварицкого - Беньофа. В качестве типичного примера на рис. 25 приведены данные о составе лав, изливающихся из вулканов Курильских островов, по Е. К. Мархинину [25] (здесь взяты эффузивы - излившиеся лавы, а не гораздо более распространенные пирокластические продукты, вулканические пеплы, так как последние сильнее изменяются в результате внешних воздействий). На графике видно, что базальтов здесь уже мало (19%), больше всего пород с промежуточными содержаниями кремнезема - андезито-базальтов, андезитов и андезитодацитов (28.9+35.8+13.1%), появляются кислые породы - риолитодациты и риолиты (3.2%). Здесь же образуются и интрузивные (плутонические) породы промежуточного и кислого состава - диориты, гранодиориты и граниты. Объяснить это отличие от срединно-океанического вулканизма можно тем, что магмы вулканов и плутонов в зонах Заварицкого - Беньофа выплавляются не из мантии, а из заглубляющихся в нее в этих зонах плит океанической литосферы, попадающих в условия высоких температур и давлений. Предположение о связи андезитового магматизма с процессами в зонах заглубления океанической коры А. Н. Заварицкий высказывал еще в 30-х годах этого века.

Рис. 25. Доли пород с различным содержанием кремнезема в лавах, изливающихся из вулканов Курильских островов, по Е. К. Мархину [25].

На рис. 26 показано рассчитанное М. Токсёзом, Дж. Минеаром и Б. Джулианом (1971 г.) распределение температуры в плите океанической коры толщиной 80 км, заглубляющейся в мантию со скоростью 8 см/год. Плита в целом остается на всех глубинах заметно более холодной, чем мантия, но температуры в ней, конечно, все же по мере заглубления возрастают, особенно на ее границах, где выделяется много тепла из-за трения. Одним из важнейших эффектов этого прогрева должна быть дегидратация серпентинитов третьего слоя океанической коры, т. е. их распад с выделением воды по формуле

Mg6Si4O10(OH)8 →

3Mg2SiO4 + Si(OH)4 + 2H2O

Серпентин

Форстерит

и аналогичная дегидратация каолина во втором слое:

Al4Si4O10(OH)8 →

2Аl2O3 • 3SiO2 + SiO2 + 4Н2O.

Каолин

Силлиманит

Выделяющийся при таких процессах водяной пар насыщается кремнеземом, щелочами и летучими компонентами из пород океанической коры, в том числе рядом веществ, концентрировавшихся при образовании осадочных пород. Вследствие перегрева этого пара в нем развивается более высокое давление, чем в окружающих породах, и он поднимается вверх, пропитывая и прогревая вышележащие породы. Вследствие насыщения водой температуры плавления последних снижаются, а поскольку с паром в них поступают кремнезем и щелочи, это создает условия для развития типичного андезитового и кислого магматизма зон Заварицкого-Беньофа.

Рис. 26. Распределение температуры в плите окенической литосферы толщиной 80 км, заглубляющейся в мантию со скоростью 8 см/год, по расчету М. Токсёза, Дж. Минеара и Б. Джулиана (1971 г.).

По мере дальнейшего заглубления плиты при ее прогреве выше 700° С (на глубинах больше 80-100 км) все осадочные и базальтовые породы океанической коры расплавляются и, выжимаясь наверх вместе с выделившимися из третьего слоя коры флюидами, формируют в коре вышележащей плиты, по-видимому, все породы гранитно-метаморфического и базальтового слоев, превращающих эту кору в континентальную. В продолжающей заглубляться плите от океанической коры остаются лишь оливины и окислы железа, никеля, хрома и марганца. Вычтя эти вещества из состава серпентинитов третьего слоя океанической коры и сложив остаток с составами базальтов второго_слоя и океанических осадков в пропорциях ρ 3h3: ρ 2h2: ρ 1h1 (где ρ 3=3, ρ 2=2.8 и ρ 1=2 г/см3 - плотности пород этих слоев, а h3=4.5, h2=1.5 и h1=0.5 км - их толщины), О. Г. Сорохтин, Л. В. Дмитриев и Г. Б. Удинцев [36] получили состав континентальной коры, очень близкий к известному но геологическим данным (см. с. 23).

Дополнительным аргументом в пользу изложенных представлений об образовании континентальной коры может служить следующий расчет тех же авторов [23, 36]. При суммарной длине всех зон Заварицкого-Беньофа 60000 км, средней скорости заглубления океанических плит 5 см/год, суммарной толщине океанической коры 6.5 км и ее средней плотности 2.88 г/см3 за год в мантию заглубляется около 56 млрд. т вещества океанической коры. Если раньше этот процесс происходил медленнее, в среднем, скажем, на 25%, то за 4.5 млрд. лет геологической истории Земли через зоны Заварицкого-Беньофа прошло 1.9-108 триллионов т океанической коры. Вычтя отсюда тугоплавкую часть третьего слоя, по изложенному выше расчету [36] составляющую около 3/4 всей массы океанической коры, убеждаемся, что на образование континентальной коры могло пойти около 4.8·107 триллионов т вещества - приблизительно вдвое больше всей ее современной массы. Таким образом, выделение летучих и легкоплавких компонент океанической коры в зонах Заварицкого-Беньофа оказывается, более чем достаточно эффективным механизмом образования континентальной коры: по нашему расчету, на образование последней уходит лишь половина легкоплавких компонент (другая половина остается в мантии).

Изложенный механизм образования континентальной коры дает объяснение концентрированию в ней (особенно в гранитах) ряда веществ из состава летучих и легкоплавких компонент океанической коры, в том числе урана, тория и щелочей: например, окиси калия (К20) в континентальной коре 2.9%, тогда как в современной мантии ее содержание в 100-1000 раз меньше! Первичное концентрирование калия происходит, по-видимому, при образовании глубоководных океанических осадков - илов и глин, поглощающих калий из морской воды, причем он входит в состав гидрослюды. В современных глубоководных осадках содержание К20 достигает 2-3%, а раньше, когда вынос калия из мантии был более высоким - см. рис. 17, 3, - его было больше и в осадках (в водных алюмосиликатах - глауконитах среднего протерозоя было до 10% К2O, а к концу протерозоя эта концентрация упала до 7%; в глинах Русской платформы она уменьшилась с 4% в рифее до 2.6% в кайнозое).

При заглублении океанической коры в зонах Заварицкого-Беньофа гидрослюда теряет воду и превращается в обычную белую слюду - мусковит; последний в присутствии свободного кремнезема разлагается, выделяя калиевый полевой шпат - ортоклаз:

KAl3Si3O10(OH)2 + SiO2 →

KAlSi3O8 +

Al2SiO6 + H2O.

Мусковит

Ортоклаз

Андалузит

При температурах выше 700° ортоклаз легко переходит в расплавы и уходит из зон Заварицкого-Беньофа вверх, в образующуюся континентальную кору (О. Г. Сорохтин [23]).

Перейдем теперь к рассмотрению метаморфических пород, образующихся из осадочных и изверженных пород в результате изменения их минерального состава под действием высоких давлений и температур в глубоких слоях земной коры (до температур 600-700°, давлений 10-12 тыс. атм. и глубин 30-40 км; глубже ряд пород уже плавится).

Метаморфизм, по-видимому, особенно широко развит в зонах Заварицкого-Беньофа - в заглубляющихся в мантию океанических плитах и в погружающихся из-за своего веса толщах осадков краевых морей (метаморфизм погружения), а также в породах над заглубляющимися океаническими плитами (в частности, контактный метаморфизм вблизи внедряющихся снизу раскаленных магматических тел - огромных гранитных и гранодиоритовых батолитов площадью свыше 100 км2 и мощностью до 10-30 км, меньших по площади штоков, менее мощных котлообразных лополитов, грибообразных внедрений между слоями пород - лакколитов, внедрений с параллельными невозмущенным слоям границами - силлов и столбчатых интрузий с пересекающими слои границами - даек).

П. Эскола ввел понятие о метаморфических фациях - сериях минеральных ассоциаций, образующихся и сохраняющих равновесие в определенных интервалах давлений и температур и отражающих постоянные соотношения между химическим и минеральным составом пород. Области давлений и температур, занимаемые различными метаморфическими фациями, показаны на рис. 27. При росте давления и температуры, скажем, со средним геотермическим градиентом 30°/км последовательно образуются следующие фации:

1) цеолитовая (ряд алюмогидросиликатов, включая анальцим, натролит, хейландит и хабазит, в ассоциациях со светлыми слюдами мусковитом и хлоритом и с кварцем),

2) зеленосланцевая (слюда - хлорит, алюмосиликат - эпидот, амфибол - актинолит, натриевый полевой шпат - альбит; иногда выделяют более высокую стадию метаморфизма - эпидот-альбитовую фацию),

3) амфиболитовая (амфибол - роговая обманка, полевой шпат - плагиоклаз, гранат, слюда - биотит),

4) гранулитовая (пироксены, кальциевый плагиоклаз - анортит),

5) наиболее глубинная эклогитовая (пироксены и гранаты). При низких температурах с ростом давления за цеолитами следует фация голубых сланцев (голубой амфибол - глаукофан, лавсонит, гранат и др.). При низких давлениях с ростом температуры (контактный метаморфизм) за цеолитами следует фация роговообманковых роговиков (роговая обманка, плагиоклаз, пироксен диопсид) и затем фация пироксеновых роговиков (пироксены диопсид и гиперстен, плагиоклаз и др.).

Рис. 27. Области давлений и температур, занимаемые различными метаморфическими фациями.

Метаморфические породы образуются в глубинах земной коры, но в результате тектонических движений и размыва вышележащих слоев они могут обнажиться на поверхности Земли. Примером служат упоминавшиеся в главе 2 при описании геосинклинальных процессов офиолитовые ассоциации пород, встречающиеся в эвгеосинклиналъных (т. е. полностью геосинклинальных) зонах. Их местоположение показано на тектонической карте мира (рис. 4). В СССР они встречаются на Урале, Кавказе, в Центрально-Азиатском складчатом поясе, на Сихотэ-Алине и Камчатке. Офиолитовые ассоциации представляют собой чередование глубоководных кремнистых осадков (часто с радиоляриями), подводных подушечных диабазо-спилитовых лав и интрузий основного и ультраосновного состава обычно в состоянии метаморфизма зеленосланцевой, а иногда даже амфиболитовой фации. Офиолитовые ассоциации пород до составу и строению вполне аналогичны океанической коре. Академик А. В. Пейве [37, 38] показал, что они могут рассматриваться как остатки древней океанической коры зон Заварицкого-Беньофа. С офиолитами обычно ассоциируются также метаморфические породы фации голубых сланцев, образовавшиеся из осадков при низких температурах, но высоких давлениях в условиях сжатия зон Заварицкого-Беньофа.

Крайней степенью метаморфизма является частичное плавление породы, начинающееся при возрастании температуры, естественно, с самых легкоплавких минералов или с их эвтектических смесей, если таковые имеются в породе (эвтектической называется смесь, температура плавления которой ниже, чем у всех составных частей смеси no-отдельности). Такой начальный этап частичного плавления породы называется анатексисом. На треугольной диаграмме рис. 28, а показаны температуры затвердевания расплавов из кремнезема SiO2, калиевого полевого шпата KAlSi3O8 и альбита NaAlSi3O8 при давлении водяного пара в тысячу атмосфер и различных соотношениях этих трех составных частей (на треугольной диаграмме прямые, параллельные одной из сторон, суть линии постоянной концентрации составной части, соответствующей противоположной вершине, причем концентрация убывает при удалении от вершины пропорционально расстоянию от нее - от единицы в вершине до нуля на противолежащей стороне). В центре треугольника, где концентрации всех трех составных частей одинаковы, у рассматриваемой смеси температура давления минимальна (равна 700°С); это - эвтектическая точка.

Рис. 28. Температуры затвердевания расплавов из SiO2, KAlSi3O8 и NaAlSi3O8 при давлении водяного пара в 1000 ат. (а) и изолинии распространенности гранитов с различными соотношениями SiO2, KAlSi3O8 и NaAlSi3O8 (б).

На рис. 28, б на той же треугольной диаграмме даны изолинии распространенности гранитов соответствующего состава; 90% гранитов попадают здесь в черное пятно около эвтектической точки. Сопоставление с рис. 28, а показывает, что соответствующая магма должна была образоваться при анатексисе пород, содержавших приблизительно одинаковые количества SiO2, KAlSi3O8 и NaAlSi3O 8, при температурах выше 700° С. В породах коры над зонами Заварицкого-Беньофа анатексис может вызываться их пропитыванием попадающими в них снизу горячими насыщенными кремнеземом и щелочами флюидами (возможно также разогревание пород при химических реакциях с тепловыделением, таких, как реакция Al2SiO5+5SiO2+2KOH → 2KAlSi3O8+H2O+78.5 кал.). Явления, происходящие в зонах глубинного метаморфизма при участии возникающих вследствие анатексиса расплавов, называются гранитизацией пород. Такие расплавы обладают большой вязкостью и, как правило, редко доходят до поверхности коры, т. е. при застывании обычно образуют плутонические, а не вулканические породы. Геологи отмечают, что гранитно-метаморфический слой в кристаллическом фундаменте континентов сложен, по-видимому, преимущественно не настоящими гранитами, а сланцеватыми кислыми гнейсами явно метаморфического происхождения, и что многие крупные гранитные тела - батолиты - обнаруживают проявления метаморфизма и не имеют вулканических эквивалентов.

Процессы метаморфизма, а затем и плавления пород в плитах океанической литосферы, заглубляющихся в мантию, и пород над этими плитами должны создавать специфическую геохимическую зональность изверженных пород в коре над зонами Заварицкого-Беньофа - их закономерное изменение с расстоянием от соответствующих глубоководных океанических желобов. Уже на малых расстояниях происходит десерпентинизация гипербазитов третьего слоя заглубляющейся океанической коры, так что содержание воды, кремнезема и летучих веществ в вулканических продуктах здесь максимально, а дальше оно убывает. Наоборот, содержание веществ, освобождающихся из океанической коры лишь на высоких ступенях метаморфизма, с расстоянием должно увеличиваться; это относится, в частности, к калию, приобретающему подвижность лишь в результате наиболее высокотемпературных процессов разложения мусковита. Эти закономерности получают хорошее подтверждение в данных по вулканам Курильских островов: в их продуктах содержание Н2О, SiO2 и летучих веществ с удалением от желоба убывает, а содержание калия и отношение K2O/Na2O возрастают.

Геологами установлено следующее чередование рудных полезных ископаемых в геосинклинальных зонах Восточной Азии. В эвгеосинклиналях с офиолитовыми ассоциациями встречаются медь, золото, хром, никель, платина. В зоне интенсивного андезитового вулканизма сначала идет подзона с гранитными и гранодиоритовыми батолитами и месторождениями золота, свинца, олова, а часто и молибдена, а затем подзона с мелкими гранитными интрузиями и месторождениями редких металлов, полиметаллов, олова и вольфрама. Наконец, в зоне щелочного магматизма обнаруживаются месторождения редких элементов. Отметим, что предположение о связи зональности полезных ископаемых Тихоокеанского пояса с процессами в зонах пододвигания океанической коры под континент высказывалось советским геологом С. С. Смирновым еще в 30-х годах текущего столетия.

Переработка осадочных пород океанической коры в зонах Заварицкого-Беньофа замыкает цикл выветривание → снос → осадкообразование → заглубление → метаморфизм → мазматизм → выветривание, через который могла проходить (может быть, даже многократно) значительная доля материала континентальной коры. Прохождение через такие циклы должно было уравнивать средние составы изверженных и осадочно-метаморфических пород; и действительно, А. Б. Ронов обнаружил, что при одинаковом содержании кремнезема в породах этих двух типов оказывается одинаковым также и содержание глинозема (рис. 29); график показывает, что переход от основных пород к кислым происходил еще при осадкообразовании. Однако в этих циклах осуществлялась, наоборот, резкая дифференциация различных составных частей пород и образовывались, нередко при участии живых организмов, местные концентрации ряда веществ. Таким образом, возникала и росла неоднородность земной коры.

Рис. 29. Зависимость алюмокремниевого модуля Al2O3/SiO2 от содержания SiO2 у изверженных и осадочно-метаморфических пород по А. Р. Ронову.

Итак, по изложенным представлениям, континентальная кора формируется путем переработки океанической; океаническая же кора образуется путем выплавки легкоплавких компонент из мантии, что, стало быть, и является первичным процессом образования и роста земной коры. Поэтому эволюция суммарного состава коры должна следовать за эволюцией состава мантии. В последней, как указывалось в конце главы 4, главным процессом было постепенное обогащение кремнеземом, остающимся после распада фаялита на границе ядра и перехода железа в ядро. Первичная мантия была недонасыщена кремнеземом, и выплавки из нее образовали катархейскую кору из основных пород (вероятно, анортозитов, состоящих в основном из кальциевого полевого шпата-анортита) со включениями гипербазитов. Продукты их разрушения составляют 60% в осадочных породах нижнего архея возрастом 3.5-3 млрд. лет - см. рис. 30 (еще 20% в них составляют продукты разрушения андезитовых пород - граувакки, 15% - разрушенные метаморфические амфиболитовые породы, остальное - кварциты). В архее с ростом содержания кремнезема в мантии, по-видимому, появились клинопироксены - авгиты и диопсиды; к концу архея из мантии уже могли выплавляться щелочные базальты.

Рис. 30. Докембрийская эволюция состава осадочных пород по А. И. Тугаринову и Г. В. Войткевичу [13]. 1 - железистые кварциты; 2 - карбонаты; 3 - амфиболитовые сланцы и глины; 4 - кварциты, конгломераты; 5 - граувакки; 6 - продукты разрушения основных и ультраосновных изверженных пород.

В нижнем протерозое осуществлялся ряд важных геохимических процессов:

1) с дальнейшим ростом содержания кремнезема в мантии появились ромбические пироксены энстатит-гиперстенового ряда, а из мантии начали выплавляться толеитовые базальты;

2) уровень океана поднялся выше срединно-океанических хребтов, стала осуществляться полная серпентинизация гипербазитов третьего слоя океанической коры, и выделяющиеся при этом карбонаты положили начало широкому образованию карбонатных осадков;

3) произошло массовое выпадение железистых кварцитов - джеспилитов;

4) появились осадочные толщи, по составу близкие к гранитам, - кварциты, кварц-биотитовые и амфибол-биотитовые сланцы, гранат-пироксеновые и гранат-кордиеритовые гнейсы;

5) появились первые настоящие андезитовые лавы (обнаруженные в Карелии);

6) вслед за широким развитием карбонатных осадков появились первые щелочные интрузии (нефелин-сиенитового и граносиенитового состава) и близкие к ним по типу граниты рапакиви. В осадочных породах нижнего протерозоя, возраст которых 2.6-1.9 млрд. лет (рис. 30), разрушенных эффузивов и граувакков уже только 25%; амфиболовые сланцы и глины, по составу близкие к гранитам, выходят на первое место - 35%; железистые кварциты, а также конгломераты и пески дают по 15%, и 10% составляют карбонаты.

В начале среднего протерозоя, когда вся океаническая кора уже приобрела современный характер с полностью сорпентинизированным третьим слоем, земную кору охватила широкая волна всеобщего метаморфизма, породившая крупнейшие плутоны гранитоидов и чарнокиты (см. главу 2). В осадочных породах среднего и верхнего протерозоя, возраст которых 1.9-0.6 млрд. лет, доминируют уже продукты разрушения метаморфических пород - амфиболиты и глины, конгломераты и пески занимают по 30%; доля разрушенных эффузивов падает до 20%, до этой же величины возрастает доля карбонатов, железистые кварциты исчезают.

В заключение настоящей главы уместно затронуть проблему наибольшей практической важности - историю образования месторождений полезных ископаемых. Первичное концентрирование ряда веществ могло происходить еще при выплавках легкоплавких и летучих компонент из мантии в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов; рудоформирующие эффекты повышенных концентраций ряда металлов гидротермальных растворов рифтовых зон обнаружены экспедицией А. П. Лисицына в Тихом океане. Вторичное концентрирование происходило как при осадкообразовании, так и при переработке океанической коры в зонах Заварицкого-Беньофа (включая деятельность гидротермальных растворов в породах над этими зонами).

Остановимся в кратце на истории месторождений золота, урана, свинца, железа и меди, следуя книге А. И. Тугаринова [3]. По классификации В. М. Гольдшмидта, золото относится к элементам сидерофильным, т. е. имеющим сродство к железу. Поэтому концентрация золота в мантии и, следовательно, в выплавляющихся из нее базальтах должна была уменьшаться со временем, по мере перехода железа из мантии в ядро. Это служит объяснением тому, что самые крупные месторождения золота - Колар (Индия), Иеллоунайф (Канада), Гранж-Майн (Бразилия) и Витватерсранд (ЮАР) - оказываются чрезвычайно древними: они сосредоточены в метаморфизованных архейских основных породах или в зонах действия возникших в них гидротермальных растворов с возрастами 3.1-2.6 млрд. лет.

Уран принадлежит к литофильным элементам, имеющим сродство с силикатами. Его наиболее древние крупные месторождения относятся к концу архея и первой половине нижнего протерозоя (Витватерсранд - около 2.7 млрд. лет) и имеют осадочный характер. Гидротермальные месторождения (по-видимому, над зонами Заварицкого-Беньофа) образовывались в последующие тектоно-магматические эпохи, начиная с Балтийской (в Канаде - Атабаска, 1.8 млрд. лет, и Медвежье озеро, 1.4 млрд. лет, в Австралии - Радиум-Хилл и Иса-Майн, 1.7 млрд. лет, в Африке - Катанга, 620 млн. лет, в Европе - Иоахимсталь, 280 млн. лет).

Свинец относится к халькофильным элементам, имеющим сродство с серой, его наиболее распространенная руда - это галенит PbS. Его месторождения связаны с тектоно-магматическими эпохами (т. е. с эпохами активизации зон Заварицкого-Беньофа), начиная с самой ранней - Белозерской (3.5 млрд. лет). Однако в дорифейское время, пока осадочная дифференциация коры была еще незначительной, образовывались лишь некрупные месторождения свинца, а крупные начали возникать на разных континентах почти одновременно во время Карельской тектоно-магматической эпохи в начале рифея (Брокен-Хилл в Австралии - 1.7 млрд. лет, Сулливан в Канаде - около 1.6 млрд. лет, Завар в Индии - около 1.5 млрд. лет). Их образование происходило путем накопления свинца при осадкообразовании и последующего метасоматоза под влиянием интрузий.

Содержание железа в мантии уменьшается по мере его перехода в ядро (см. рис. 16), соответственно сокращается и его поступление в кору. Поэтому неудивительно, что наиболее крупные месторождения железных руд имеют очень большой возраст: это железо-кварцевые осадки нижнего протерозоя (джеспилиты), образовавшиеся в результате потери подвижности железа после окисления его закисей до окисей, как об этом было рассказано в предыдущей главе. До этого железо было подвижным, и его химическое осаждение происходило лишь в небольших масштабах, а позже новые руды образовывались в основном путем переработки уже имеющихся осадочных концентраций железа (например, скарновые руды - путем контактного метасоматоза пород, содержащих сидериты и железистые хлориты - шамозиты). Укажем, наконец, весьма обильные современные осадочные руды - железо-марганцевые конкреции на поверхности дна глубокого океана, количество которых оценивается в 1-2 триллиона т; в Тихом океане они содержат в среднем 24% марганца, 14% железа и заметные количества ряда других металлов.

Медь - это халькофильный элемент; в числе распространенных медьсодержащих минералов следует назвать медный колчедан халькопирит, CuFeS2, медный блеск халькозин, Cu2S, ковеллин, CuS. Имеются крупные осадочные месторождения - медистые песчаники и сланцы древних возрастов (нижнепротерозойское Удоканское в Забайкалье и верхнепротерозойские Мосабони в Индии, Меденосный пояс в Замбии и Заире), а также более поздние прожилково-вкрапленные медно-порфировые и медно-молибденовые руды, связанные с интрузиями над зонами Заварицкого-Беньофа (кайнозойский Меденосный пояс Чили, Коунрад в СССР, Бингем в США, Валли-Коппер в Канаде и др.).

 

ГЛАВА 7: ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПЕРИОДЫ ФАНЕРОЗОЯ

История периодизации фанерозоя. Геологические периоды и их характеристика. Тектоническое обоснование периодизации; Каледонская, Герцинская и Альпийская тектоно-магматические эпохи. Фанерозойская история континентов и океанов; образование и распад Гондваны и Лавразии

В последующих главах нам придется многократно упоминать различные подразделения фанерозоя - последних 570 млн. лет истории Земли, о которых накоплены наиболее детальные сведения (полученные при изучении пород континентальной коры и, в частности, хранящихся в них достоверных остатков организмов) и которые явились основным предметом исследования классической геологии XIX и первой половины XX века. В итоге классическая геология смогла воссоздать во многих деталях фанерозойскую эволюцию континентальной коры (см., например, фундаментальные книги Н. М. Страхова [26, 39] и М. Жиньо [40]).

О структуре, свойствах и поведении океанической коры классическая геология практически не имела сведений, что крайне затрудняло понимание движений земной коры в целом или, как говорят, глобальной тектоники Земли. Сейчас построение исторической геологии океанической коры (и тем самым земной коры в целом) уже началось, в связи с чем созданное классиками здание современной геологии подвергается революционной перестройке. О некоторых новых воззрениях уже говорилось в предыдущей главе (образование новой океанической коры в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов, растяжение океанского дна, заглубление океанической литосферы в мантию в зонах Заварицкого-Беньофа), другие будут рассмотрены ниже. Эта же глава посвящается краткому изложению основных сведений классической исторической геологии фанерозоя.

Термин фанерозой (фанерос - явный, зоэ - жизнь) введен Чедвиком в 1930 г. Доля докембрийских пород в обнажениях на поверхности Земли невелика, в обнажениях же, которые были известны геологам XIX века, она практически была равна нулю, так что для них фанерозойские породы исчерпывали всю геологическую летопись. Еще Ардуино (1759 г.) предложил делить эти породы по степени их древности на первичные, вторичные и третичные (последний из этих терминов сохранился и сейчас, он используется для наименования первого периода кайнозойской эры, занимающего почти всю ее продолжительность). Расчленение фанерозоя на три эры-древней жизни (палеозой, Pz, длительностью 340 млн. лет), средней жизни (мезозой, Mz, длительностью 163 млн. лет) и новой жизни (кайнозой, Kz, последние 67 млн. лет, вплоть до нашего времени) - окончательно было введено Дж. Филлипсом в 1841 г. (в стратиграфии для совокупности слоев данной эры применяется термин «группа»). С биологической точки зрения палеозой может быть вкратце охарактеризован как эра господства морских беспозвоночных, рыб и земноводных, мезозой - пресмыкающихся и кайнозой - млекопитающих.

Эры делятся на периоды (стратиграфический термин «системы»), выделенные в основном в 30-х годах XIX столетия, и прежде всего английскими геологами; история этих работ изложена в книге Г. П. Леонова [41 ]. Периоды делятся на эпохи (отделы), последние - на века (ярусы); имеются и еще б злее мелкие подразделения. Всем им даны наименования в основном по местностям, в которых были встречены наиболее яркие или типичные обнажения соответствующих осадочных слоев. Обобщающая колонка «толщи с окаменелостями», предложенная Чарльзом Ляйелем в 1839 г. и затем принятая в Англии, Франции и Германии, имела следующий вид:

Третичный

Новый плиоцен

Древний плиоцен

Миоцен

Эоцен

Меловой

Мел

Зеленый песок

Уилд

Оолитовый

Верхний оолит

Средний оолит

Нижний оолит

Лейас

Верхний новый красный

Верхний новый красный песчаник

Раковинный известняк

Нижний новый красный и каменно-угольный

Нижний красный песчаник

Магнезиальный известняк

Угленосная толща

Древний красный песчаник

Первичнофаунистический

Верхний силур

Нижний силур

Кембрий и более древняя толща с фауной

Из употребленных здесь терминов лейас - это местное название соответствующих слоев на юге Англии; оолиты - округлые образования в некоторых осадочных породах, имеющие концентрически-слоистую и иногда радиально-лучевую структуру и состоящие из углекислой извести, окислов железа, марганца и других веществ; уилд - наименование лесной территории в Южной Англии; остальные термины будут пояснены ниже. В германских государствах слои магнезиального (доломитового) известняка именовались цехштейном (т. е. рудным камнем), а верхний красный песчаник - кейпером, по местному названию пестроцветных ленточных глин и мергелей в провинции Кобург.

Терминология Ч. Ляйеля наглядно демонстрирует геологические представления об истории Земли - отождествление тех или иных периодов прошлого времени с конкретными слоями горных пород, обнажающимися в определенных местностях. В дальнейшем расчленение трех эр фанерозоя на геологические периоды многократно пересматривалось, пока не сложилась современная номенклатура, приведенная в табл. 7.

Табл. 7. Геологические периоды фанерозоя.

Заметим, что третичный период теперь предпочитают разделять на два - палеогеновый и неогеновый; в табл. 7 указаны также эпохи, на которые их делят. Каменноугольный период (карбон) американские геологи делят на два периода - пенсильванский и миссисипский. В таблице указаны также применяющиеся сокращенные обозначения эр и периодов. Наконец, в ней приведены абсолютные возрасты границ между периодами в миллионах лет (и в скобках после наименований эр и периодов - их продолжительность), определенные калий-аргоновым методом с принятыми для констант распада К40 значениями λ K= 0.0585 и ) и λ β = 0.472 (млрд. лет) -1 и утвержденные Международной геохронологической комиссией в 1965 г. (отметим, что первая шкала абсолютных возрастов геологических периодов фанерозоя была составлена Артуром Холмсом по данным свинцового метода еще в 1947 г.; современная шкала отличается от нее лишь немногим). Дадим теперь краткую характеристику каждому из геологических периодов, начиная с самых древних.

Кембрий был выделен английским геологом А. Седжвиком в 1835 г., назван по древнему наименованию английской провинции Уэльс, где встречаются древние сланцы этого периода. В докембрийское время, в конце венда, территории современных континентов были в основном осушенными (как говорят, венд был теократической эрой), а начало кембрия ознаменовалось обширным наступлением моря (трансгрессией), сменившимся затем в середине периода некоторым отступанием (регрессией) во время Салаирской тектоно-магматической эпохи (см. с. 36). Если докембрийская (вендская) фауна была бесскелетной, то в кембрии появились животные со скелетами, раковинами и панцирями. Особое развитие получили трилобиты (рис. 31) - подкласс морских членистоногих, впоследствии вымерших, размерами 2-10 см, иногда до 75 см (из ныне существующих животных на них больше всего похожи представители отряда мечехвостов, так называемые кинг-крабы). Для раннего кембрия характерны также похожие на губок рифообразующие животные с известковым скелетом археоциаты. Упомянем еще плеченогих (брахиопод) с двустворчатой раковиной и ряд других животных (см., например, палеонтологический атлас [42]).

Рис. 31. Отпечаток среднекембрийского трилобита (Сибирская платформа).

Кембрий делят на три эпохи: нижнюю (Георгийскую), Cm 1 с Алданским и Ленским веками, среднюю (Акадскую - по провинции Атлантического побережья США и Канады), Cm 2, с Амгинским и Майским веками (Алдан, Лена, Амга, Мая - реки в Сибири) и верхнюю (Потсдамскую - по городу Потсдам в штате Нью-Йорк), Cm 3, в Северной Америке (Тихоокеанской палеозоогеографической области), подразделяющуюся на Дресбачский, Франконский и Тремпёлионский века.

Ордовик введен как нижняя эпоха силура английским геологом Р. Мурчисоном в 1835 г.; название предложено Лэпворсом (1879 г.) по древнему кельтскому племени ордовиков, населявших Северный Уэльс во времена Римской империи; в Уэльсе имеются граувакковые толщи этого периода; в качестве самостоятельного периода утвержден лишь в 1960 г. (21-й сессией Международного геологического конгресса). Его первая половина ознаменовалась обширными трансгрессиями моря, в результате которых середина ордовика оказалась талаееократичеекой внохой; во время этой эпохи наибольшая за весь фанерозой часть площади современных континентов находилась под водой. Конец ордовика ознаменовался регрессией моря во время Таконской фазы Каледонской тектоно-магматической эпохи (в тектоно-магматических эпохах выделяют фазы складчатости; это понятие, зародившееся еще во второй четверти XIX в., было окончательно введено в 1924 г. Г. Штилле, который составил первый список, так называемый канон фаз складчатости фанерозоя). Из животных наряду с трилобитами, брахиоподами, головоногими моллюсками, примитивными иглокожими цистоидеями широкого развития достигли граптолиты - впоследствии вымершие донные и плавающие колониальные морские животные с хитиноподобной оболочкой, образующие подтип в типе полухордовых (из ныне живущих организмов к ним наиболее близки так называемые крыложаберные).

Ордовик Англии делят на шесть веков: Тремадок (поселок в Уэльсе), Арениг (гора в Уэльсе; иногда называется также Скиддав -по скиддавским сланцам), Лланвирн (населенный пункт в Уэльсе), Лландейло (населенный пункт в Уэльсе), Карадок (горный хребет в Шропшире) и Ашгиль (местность в Ланкашире). Ордовик Северо-Европейской провинции СССР делят на три эпохи: нижний, О1 (Тремадок, Арениг и нижний Лланвирн), средний, O2 (верхний Лланвирн, Лландейло, нижний и средний Карадок), и верхний, O3 (верхний Карадок и Ашгиль).

Силур введен Р. Мурчисоном в 1835 г., назван во древнему кельтскому племени силуров, населявших Шропшир в Уэльсе (иногда называют также Готландием по о. Готланд в Балтийском море, где имеются обнажения пород этого периода). После Таконской фазы Каледонского горообразования в нижнем силуре произошла крупная трансгрессия моря, сменившаяся в верхнем силуре почти повсеместной регрессией. Из животных наряду со специфическими граптолитами и брахиоподами широкого развития достигли кишечнополостные - рифообразующие кораллы табуляты и ругозы, а также рачки с двустворчатой раковинкой остракоды и крупные, длиной до двух метров, морские членистоногие эвриптериды (ракоскорпионы, гигантостраки); появились первые рыбы и сухопутные растения - псилофиты и плауновые.

Силур делят на две эпохи: нижний, S1 с веками Лландовери (район в Южном Уэльсе; этот век называют также Валентом по старинному римскому наименованию юга Шотландии) и Венлок (местность в Шропшире) и верхний, S2, с веками Лудлов (местность в Шропшире) и Даунтон (замок в Уэльсе).

Девон введен А. Седжвиком и Р. Мурчисоном в 1839 г., назван по графству Девоншир в Англии; в качестве типового избран разрез девонских пород в Рейнско-Арденнской области Европы. Начало девона было теократической эпохой, в течение которой и накопились красноцветные лагунно-континентальные отложения древнего красного песчаника Англии; затем произошли обширные трансгрессии моря. В течение девона проявлялся ряд ранних фаз Герцинской тектоно-магматической эпохи. Наряду с брахиоподами, гигантостраками и кораллами широкого развития достигли морские лилии - криноидеи (остатки которых образовали криноидные известняки), головоногие моллюски - наутилусы и аммониты (в частности, гониатиты), бесчелюстные и панцирные рыбы (так что девон иногда называют «веком рыб»); в конце девона от кистеперых рыб произошли первые земноводные животные - панцирноголовые стегоцефалы. Появились папоротникообразные, птеридоспермовые, плауновые и хвощовые растения, образовавшие на суше первые леса.

Девон Рейнско-Арденской области делят на семь веков: Жедин (деревня в Бельгии), Зигени Эмс (городки в ФРГ), Эйфель (горы в ФРГ), Живе (город во Франции), Фран (деревня в Бельгии), Фамен (местность в Бельгии); Зиген и нижний Эмс в Арденском разрезе называют веком Кобленц - по городу в ФРГ. Эти века объединяют в три эпохи: девон нижний, D1 (Жедин и Кобленц), средний, D2 (верхний Эмс, Эйфель и Живе), и верхний, D3 (Фран и Фамен).

Карбон (каменноугольный период) выделен английскими геологами У. Конибиром и У. Филлипсом в 1822 г., назван по слоям каменного угля в породах этого периода. После регрессии в начале карбона и обширной трансгрессии в его нижней половине произошла резкая регрессия моря в середине периода, во время главной, Судетской, фазы Герцинского горообразования, затем опять наступила трансгрессия моря. Наряду с брахиоподами, кораллами, криноидеями, моллюсками (особенно головоногими, особенно гониатитами; появились и первые белемниты), остракодами широкого развития достигли форами-ниферы (особенно крупные фузулиниды), хрящевые и костистые рыбы (в том числе акулы), стегоцефалы, прямокрылые насекомые (в частности, огромные стрекозы). Появились первые пресмыкающиеся, но до их расцвета еще далеко. Леса образовывали гигантские тростники каламиты, древовидные плауновые лепидодендроны и сигиллярии, голосемянные кордаиты и папоротникообразные; в конце периода появились первые хвойные растения. В многочисленных болотах формировались торфяники, превратившиеся затем в залежи каменного угля.

В СССР карбон делят на три эпохи: нижний, С1, с веками Турнэ, Визе и Намюр (города в Бельгии), средний, С2, с веками Башкирским и Московским и верхний, С3, с веками Гжельским (по названию реки в Подмосковье) и Оренбургским. Карбон Западной Европы делят только на две эпохи: нижний (Динант - Турнэ+Визе - назван по бельгийскому городу Динан) и верхний (Силезский) с веками Намюр +Намюр СССР+нижний Башкирский), Вестфаль (верхний Башкирский+Московский, назван по провинции Вестфалия) и Стефан (=С3, назван по французскому городу Сан Этьен-Стефанус). Американский Миссисипи чуть короче C1, Пенсильвания - чуть длиннее С2+3.

Пермь выделена Р. Мурчисоном в 1841 г., названа по Пермской губернии России, где в организованной им экспедиции с участием нескольких западноевропейских геологов изучались обнажения пород этого периода (на 10 лет раньше этот период был выделен бельгийским геологом Омалиусом д'Аллуа по разрезу в Саксонии и Тюрингии под названием Пенеенского, т. е. пустого, безрудного). Она началась интенсивной регрессией моря, приведшей во времена Заальской фазы Герцинского горообразования и затем Пфальцской фазы в конце периода к установлению длительной теократической эпохи, продолжавшейся еще и в триасе. На северном суперконтиненте Лавразия в обширных лагунах засушливой субтропической зоны отлагались осадки испарения звапориты - доломиты, ангидриты, гипсы, каменная и калийная соли Соликамска и немецкого Цехштейна, а во влажной экваториальной зоне накапливались массы отмершей растительности, превратившиеся затем в каменноугольные залежи Советского Союза (Кузбасс, Печора) и Китая. На южном суперконтиненте Гондване, по-видимому в области южного полюса, имелось обширное континентальное оледенение, следы которого в породах этого периода имеются в Антарктиде, Африке, Индии, Австралии и Южной Америке. Из животных процветали фузулиниды, брахиоподы, акулы, стегоцефалы и звереподобные пресмыкающиеся тероморфы (в том числе огромные хищники иностранцевии), достигли расцвета и насекомые, зато почти исчезли трилобиты и гониатиты.

В СССР пермь делят на две эпохи: нижнюю, P1, с веками Ассельским, Сакмарским, Артинским (по уральским рекам Ассель, Сакмара и Арти) и Кунгурским (по бывшему Кунгурскому уезду) и верхнюю, Р2, с веками Уфимским, Казанским и Татарским. В западноевропейской перми Ассельский век и нижнюю часть Сакмарского века называют Нижним красным лежнем (Отэном), верхнюю часть Артинского века и Кунгурский век - Верхним красным лежнем (Саксонией), а Р2 - Цехштейном (Тюрингией).

Триас введен Альберти в 1834 г., назван по составу его в континентальных отложениях Западной Европы из трех слоев - пестрого песчаника, раковинного известнякаи кейпера (см. пояснения на с. 88); на 3 года раньше был выделен Омалиусом д'Аллуа под названием Кейперского. Начало триаса было теократическим, затем произошли трансгрессия, образование ряда краевых морей на периферии Тихого океана и, по-видимому, раскол Гондваны на две части - африкано-американскую и индо-австралийскую. В триасе обновилась и морская, и наземная фауна. Широкого развития достигли аммониты, двустворчатые моллюски, шестилучевые кораллы, морские ежи, бурно развились пресмыкающиеся, особенно ящеротазовые динозавры (это слово означает ужасные ящеры); появились первые водные пресмыкающиеся - плезиозавры и ихтиозавры, а также первые мелкие млекопитающие; к концу периода окончательно вымерли стегоцефалы. В наземной растительности начали преобладать голосемянные цикадовые, гинкго и хвойные.

Типичный разрез морского триаса в Восточных Альпах делят на три эпохи: нижний, T1, называемый Верфенским (по деревне в Зальцбурге) или Скифским (в СССР его делят на века Индский и Оленёкский, названные по соответствующим рекам), средний, Т2, слагающийся из веков Анизийского (по реке Енис в Динарских Альпах) и Ладинского (по народности ладиней в Тироле), верхний, Т3, - из веков Карнийского (по Карнийским Альпам), Норийского (по римской провинции Норикум близ Дахштейна) и Рэтского (по Рэтским Альпам).

Юра выделена французским геологом Александром Броньяром в 1829 г., названа по швейцарско-французским Юрским горам (в 1822 г. вводилась У. Конибиром и У. Филлипсом под названием оолитовой системы, тогда как название юрская предлагалось в то же время А. Гумбольдтом). Начало юры ознаменовалось Древнекиммерийской фазой Альпийской тектоно-магматической эпохи, после чего последовала трансгрессия моря (в частности, по-видимому, начал формироваться Индийский океан), а в конце периода - Новокиммерийская фаза Альпийского горообразования. Наряду с губками и рифообразующими кораллами, двустворчатыми, брюхоногими и головоногими моллюсками (из последних активно обновлялся состав аммонитов, достигли расцвета белемниты), морскими ежами, лилиями и рыбами широкого развития достигли ихтиозавры и плезиозавры, появились гигантские формы наземных растительноядных и хищных динозавров, а также летающие ящеры и зубастые птицы. Богатой была папоротниковая, хвощовая и голосемянная растительность.

Юру делят на три эпохи. Нижнюю юру, J1 в Англии называют Лейасом (по местному названию плитчатых пород этого возраста на юге Англии), а в германских государствах - черной юрой. Нижний Лейас включает века Геттанг (город в Лотарингии) и Синемюр (по древнеримскому названию французского города Семюр; верхний Синемюр называют Лотарингом); средний лейас называют Плинсбахом (по городу в ФРГ), а верхний Плинсбах - Домером (по горе Монте-Домера в Ломбардских Альпах); верхний лейас называют Тоаром (по древнеримскому названию французского города Тура). Среднюю юру, J2, в Англии называют Доггером (по местному наименованию железистых песчаников в Йоркшире, относящихся по возрасту к началу этой эпохи), а в германских государствах - бурой юрой. Доггер делят на три века - Аален (город в Вюртемберге), Байос (по городу Вайэ в Нормандии) и Бат (по городу Ват в Англии). Верхнюю юру, J3, в Англии называют Мальмом (по местному названию мергелей и песчаников среднего мела в Англии), а в германских государствах - белой юрой. Мальм делят на четыре века: Келловей (по поселку в Англии), Оксфорд, Киммеридж (города в Англии) и Портленд (по полуострову в Англии); последний век называют также Волжским (иногда Нижневолжским) или Титоном (по имени мифологического героя Титона - мужа древнеримской богини утренней зари Авроры, так как этот век явился зарей мелового периода).

Мел выделен Омалиусом д'Аллуа в 1822 г., назван по слоям белого мела, относящимся по возрасту к верхней половине этого периода. После небольшой трансгрессии в начале мела и последующей регрессии во время Австрийской фазы Альпийского горообразования последовала одна из самых глубоких трансгрессий фанерозоя (прерванная Ларамийской фазой горообразования) - в это время, по-видимому, формировалась Южная Атлантика, а конец мела ознаменовался значительной регрессией (с образованием Скалистых гор Восточных Анд). В море широкого развития достигли фораминиферы (в частности, нуммулитиды), рифообразующие колонии двустворчатых моллюсков рудистов, аммониты с раковинами разнообразных и причудливых форм (иногда огромными, диаметром до 3 м), костистые рыбы, крупные пресмыкающиеся - ихтиозавры (до середины периода), плезиозавры, а в верхнем мелу также мозазавры длиной до 12 м. На суше господствовали пресмыкающиеся, в том числе самые крупные хищники за всю историю Земли тираннозавры, крупные травоядные игуанодоны, крупные летающие ящеры птеранодоны с размахом крыльев до 8 м; в конце периода появились первые беззубые птицы и плацентарные млекопитающие, а аммониты, белемниты, рудисты, динозавры, плезиозавры и многие другие животные вымерли. Из растений в меловом периоде вначале преобладали папоротники и голосемянные, однако еще в нижней половине мела появились покрытосемянные, а во второй его половине они уже завоевали господство.

Мел делят на две эпохи - нижний, Cr1 и верхний, Сr2. Нижний мел включает шесть веков: Берриас (по деревне в юго-восточной Франции), Валанжин (по замку в Швейцарии), Готерив (по городу в Швейцарии), Баррем (по деревне в юго-восточной Франции), Апт (по городу во Франции) и Альб (по латинскому названию французской реки Об); Берриас иногда рассматривают как нижний Валанжин; нижние четыре века образуют надвек Неоком (по латинскому названию швейцарского города Невшатель). Верхний мел включает 7 веков: Сеноман (по древнеримскому названию французского города Ле Ман), Турон (по французской провинции Турень), Коньяк (по городу во Франции), Сантон (по французской провинции Сэнтонж), Кампан (по древнеримскому названию местности Шампань), Маастрихт (по городу в Голландии), Дании (по стране Дания); Коньяк и нижний Сантон называют Эмшером (по реке в ФРГ), надвек от Коньяка до Маастрихта включительно - Сеноном (по древнеримскому названию народа, жившего у французского города Сане); Дании иногда относят к палеогену.

Третичный период вводился еще Ардуино в 1759 г.; он фигурировал и в схеме Ляйеля (см. с. 88), но позже был поделен на два периода. Палеоген был введен Науманом в 1866 г. как расширение эоцена Ляйеля. В течение этого периода осуществился ряд фаз альпийского горообразования, сформировались осевые хребты современных Атласа, Пиренеев, Альп, Карпат, Крыма, Кавказа, Копетдага, Памира и Гималаев; происходил ряд мелких и по крайней мере одна значительная трансгрессия с последующей регрессией в конце периода. В палеогене, по-видимому, сформировалась Северная Атлантика и возникли разломы рифтовых зон Восточной Африки. Широкого развития достигли крупные фораминиферы - нуммулиты (так что палеоген иногда называют «нуммулитовой системой»), а также мелкие планктонные фораминиферы злобигерины и глобороталлии; развились брюхоногие и двустворчатые моллюски, сократилось число брахиопод.

Широкого развития достигли млекопитающие - древние хищники креодонты, от которых возникли первые копытные (всеядные кондилятры), а от них в конце периода - травоядные парно- и непарнокопытные. В палеогене появились обезьяны, в конце периода - первые хоботные. В этот период в Австралии возник самостоятельный центр развития однопроходных (таких, как уткокос и ехидна) и сумчатых, а в Южной Америке - центр развития сумчатых, неполнозубых (броненосцы, ленивцы, муравьеды) и низших обезьян.

Палеоген делят на три эпохи: нижний, Pg1, или Палеоцен, введенный Шимпером в 1874 г.; средний, Pg2, или Эоцен, введенный Ляйелем в 1833 г. (от слов «эос» - заря и «кенос» - новый); верхний, Pg3, или Олигоцен, введенный Бейрихом в 1854 г. Палеоцен делится на два века: Инкерманский (в Европе - Монтский по бельгийскому городу Монс) и Качинский (Танетский - по английскому о. Танет). В эоцене четыре века: Бахчисарайский (Ипрский - по бельгийскому городу Ипр, он же Кюизский - по горе Кюиз во Франции), Симферопольский (Лютетский - по древнеримскому наименованию Парижа), Бодракский (Ледский - по селению Лед в Бельгии) и Альминский (Бартонский - по утесам Бартон в Англии); советские наименования веков Pg1+2 взяты по Крымскому разрезу. В олигоценедва века: Рюпель-ский (по бельгийской реке) и Хаттский (по племени хаттов в Центральной Европе); верх Бартонскогои низ Рюпельского веков называют Латдорфским веком (по селению в ФРГ).

Неоген введен австрийским геологом М. Хёрнесом в 1853 г., но образующие его эпохи Миоцен, N1, и Плиоцен, N2 (что означает «менее новая» и «более новая»), были выделены по итальянскому разрезу еще в 1833 г. Ч. Ляйелем. Этот период - теократический, с наибольшим осушением территорий современных континентов за весь фанерозой. В нем окончательно сформировались современные горные системы Альпийской складчатости - Альпы, Аппенины, Карпаты, Балканы, Крым, Кавказ, Понт и Тавр, Гималаи, Анды, Кордильеры, горные области Белуджистана, Камчатки, Японии, Филиппин, Новой Гвинеи, Новой Зеландии. Происходило формирование новых рифтовых зон на континентах в областях Красное море-Восточная Африка, Байкал-Ангара-Баргузин, долина Рейна. В начале неогена возникло оледенение Антарктиды, к концу периода - оледенения в горных странах.

Основой для распознавания различных слоев морских отложений неогена являются двустворчатые моллюски отряда пластинчатожаберных, брюхоногие моллюски, фораминиферы и остракоды. В мире наземных животных появился ряд новых семейств, и среди их представителей - медведи, собаки, гиены, хоботные мастодонты и динотерии, гигантские тигры, носороги, антилопы, олени, овцы, первые свиньи, трехпалые лошади гиппарионы, человекообразные обезьяны. Наиболее разнообразной фауна была в Евразии. В Северной Америке не было мастодонтов, оленей и обезьян, хищников было меньше, а копытных больше, чем в Евразии; миграция животных из Евразии в Северную Америку началась в позднем миоцене (по-видимому, в области Чукотки-Аляски). В Южной Америке развивались специфические сумчатые, копытные, грызуны, гигантские неполнозубые, плосконосые обезьяны; миграция животных из Северной Америки в Южную началась лишь в среднем плиоцене. Австралия с ее специфическими сумчатыми оставалась изолированной. Растительность, близкая к современной, свидетельствовала о постепенном похолодании. В конце неогена в приарктических областях континентов появились хвойные леса и даже тундры. Эпохи и века неогена приведены в табл. 8.

Табл. 8. Эпохи и века неогена.

Отметим, что выделение веков неогена в разных районах различно, нет поэтому и общепринятой терминологии; табл. 8 заимствована в основном из 3-го издания БСЭ. Поясним лишь происхождение наиболее употребительных названий, встречающихся в таблице. Аквитан происходит от древнеримского названия французской провинции Гасконь, Бурдигал - от древнеримского названия французского города Бордо, Тортон - от селения в Италии, Сармат - от древнего племени сарматов на юге России, Мэотис - от древнего названия Азовского моря, Мессиний - от города в Сицилии, Понт - от древнего названия Черного моря, Киммерий - от древнего племени Причерноморья, Плезанс - от французского названия итальянского города Пьяченца (этот ярус иногда называют просто Пьяченца), Астий -от деревни в итальянской провинции Пьемонт, Акчагыл - от возвышенности в Туркмении, Виллафранк - от города в Северной Италии (в этом веке появились настоящие слоны, быки и лошади; были отмечены первые признаки климатического похолодания; морским аналогом среднего и верхнего Виллафранка является Калабрийский век, названный по местности в Италии).

Четвертичный период выделен французским ученым Ж. Денуайе в 1829 г. Название дано как дополнение к «первичным, вторичным и третичным» слоям пород по Ардуино. Соответствующие этому периоду рыхлые континентальные отложения выделялись А. Вернером нод названием аллювия еще в 70-х годах XVIII в. В 1823 г. английский ученый У. Бакленд разделил их на более древний дилювий - отложения «всемирного потопа» - и более молодой аллювий. В 1832 г. Ч. Ляйель назвал дилювий плейстоценом, т. е. «наиболее новым»; позже его стали называть также ледниковым периодом, а послеледниковое время - голоценом, т. е. «самым новым». Наконец, в 1922 г. русский геолог А. П. Павлов предложил для четвертичного периода название антропоген, чтобы отметить формирование человека и человеческого общества в течение этого периода.

Четвертичный период отличается многократными сменами климатических похолоданий и потеплений. Во время похолоданий в высоких широтах возникали континентальные оледенения (и в связи с переходом в них значительных количеств воды из океанов уровень последних понижался на 100-150 м - это один из видов глобальных, так называемых эвстатических, колебаний уровня моря в отличие от региональных, вызываемых эпейрогеническими вертикальными движениями земной коры, и от локальных колебаний); вне ледниковых областей устанавливался влажный климат; происходило понижение температуры поверхностных вод океана, даже в тропиках она снижалась до 6° С. Во время потеплений континентальные ледяные щиты стаивали, уровень океана повышался, климат внеледниковых областей становился более сухим. Колебания климата не только вызывали миграции животных и растительности из-за изменений среды их обитания, но и способствовали появлению некоторых новых видов; так, например, во время максимального (среднечетвертичного) оледенения появились мамонты и шерстистые носороги.

Комиссией по международной карте четвертичных отложений Европы в 1932 г. принято деление Четвертичного периода на нижний, или Эоплейстоцен (завершающийся окончанием Миндельского оледенения Альп, около 300 тыс. лет тому назад), средний, или Мезоплейстоцен (завершающийся окончанием Рисского оледения, около 75 тыс. лет тому назад), верхний, или Неоплейстоцен (завершающийся окончанием Вюрмского оледенения, документируемым моренами Сальпаусселькя в Южной Финляндии, 10.8-10.1 тыс. лет тому назад), и Голоцен. Более детальное расчленение плейстоцена, связанное с чередованием фаз оледенений, мы рассмотрим в главе 11, посвященной эволюции климата.

Завершив на этом краткую характеристику геологических периодов фанерозоя, перечень которых приведен в табл. 7, попытаемся понять, почему геологи расчленили фанерозой именно таким, а не каким-либо другим образом. Основания для того или иного расчленения даются изменениями от слоя к слою, во-первых, свойств осадочных пород (отражающих изменения условий осадкообразования в конкретном регионе в соответствующие периоды времени, являющиеся в свою очередь следствием прежде всего предшествующих горизонтальных и вертикальных движений земной коры, т. е. ее тектоники) и, во-вторых, ископаемых остатков организмов (отражающих уровень развития жизни на Земле).

В развитии жизни, конечно, не было никакой периодичности, и палеонтологические данные никаких оснований для термина «период» не содержат. Хотя расцвет тех или иных организмов относился к определенным промежуткам времени (например, мы говорили об эре морских беспозвоночных, рыб и земноводных - палеозое, эре пресмыкающихся - мезозое, эре млекопитающих - кайнозое, веке трилобитов - кембрии, веке рыб - девоне, об аммонитах юры и нуммулитах палеогена, ассоциировали мамонтов с плейстоценом), однако границы этого расцвета в большинстве случаев были размытыми (например, трилобиты существовали не только в кембрии, но и в течение всего палеозоя, а пресмыкающиеся - не только в мезозое, но и еще в карбоне, а некоторые из них процветают и сейчас). Создавая хорошую основу для распознавания слоев разного возраста, палеонтологические данные, по-видимому, все же не дают однозначной естественной периодизации истории фанерозоя. К этому вопросу мы еще вернемся в следующей главе.

Данные о свойствах осадочных пород, позволяющие судить прежде всего об их континентальном или морском происхождении, показывают, что многие территории современных континентов неоднократно то заливались морем, то осушались. Распределение суши и моря на территориях современных континентов - это первое, что демонстрируется на палеогеографических картах различных отрезков геологической истории. В качестве примера на рис. 32 приведена палеогеографическая схема одной из талассо-кратических эпох - верхнего мела (по 3-му изданию БСЭ). Целую серию таких палеогеографических карт для различных периодов фанерозоя построил Н. М. Страхов [19]; распределение суши и моря на этих картах показано на рис. 33. Несколько позже аналогичные карты для несколько иных периодов времени построили X. Термье и Г. Термье (1952 г.).

Рис. 32. Палеогеографическая схема мелового периода. 1 - суша; 2 - накопление континентальных красноцветных и сероцветных отложений; 3 - буровые скважины, вскрывшие меловые отложения на дне океана; 4 - вулканизм; 5 - угленакопление; в - эвапориты.

Палеогеографические карты показывют, что зачастую одновременно с осушением одних участков континентов другие покрывались морем. Однако эти процессы, как правило, не уравновешивались, и суммарная площадь покрытых морями территорий современных континентов то увеличивалась, то уменьшалась. Иными словами, происходили планетарные трансгрессии и регрессии моря, которые мы перечисляли при характеристике геологических периодов фанерозоя. Это чередование трансгрессий, регрессий и фаз горообразования изображено на качественном графике (рис. 34), где видно, что границы между периодами в большинстве случаев совпадают с завершающими регрессии фазами горообразования и лишь в двух случаях (O/S и С/Р) - со сменой трансгрессий на регрессии. На таких границах, естественно, меняются процессы осадкообразования и, следовательно, характер образующихся осадочных пород.

Судя по рис. 34, конец венда был теократической эпохой. В кембрии, ордовике и силуре прошли три волны трансгрессий (первые две - только на континентах северного полушария, особенно на Сибирской и Китайской платформах), закончившиеся теократической эпохой в начале девона. В среднем и верхнем девоне и дважды в карбоне прошли еще три волны трансгрессий (особенно на Русской платформе), после чего наступила длительная теократическая эпоха, охватившая почти всю пермь и триас. В юре, а затем особенно интенсивно в верхнем мелу и, наконец, в палеогене опять прокатились волны трансгрессий; с неогена установилась новая теократическая эпоха с современным распределением суши и моря.

Проведенный советским геологом А. А. Прониным в 1969-1971 гг. статистический анализ данных по перерывам в осадкона-коплении и несогласиям в залегании смежных слоев в фанерозое всех континентов показал, что фазы складчатости (каждая из которых выделена в среднем по данным 2000 разрезов, где перерывы и несогласия отмечены в 95 % случаев) в основном совпадают с фазами канона Штилле, занимают в среднем по 15-20 млн. лет, а промежутки между ними - по 30-40 млн. лет. Все же признать периодизацию, приведенную в табл. 7, естественной (а именно, имеющей тектоническую основу) довольно трудно из-за того, что не каждая фаза горообразования, завершающая планетарную регрессию, служит границей между геологическими периодами (например, Судетская фаза в середине карбона), а также вследствие того, что фазы горообразования не имели подлинно глобального характера, а проявлялись лишь в некоторых регионах и притом не вполне одновременно.

В фанерозое выделяют в первую очередь Каледонскую (Нижнепалеозойскую) тектоно-магматическую эпоху (название предложено французским геологом М. Бертраном в 1887 г. по латинскому названию Шотландии). Основные фазы Каледонской эпохи - Таковская (верхний ордовик) и Позднекаледонская (конец силура); иногда к этой эпохе относят и Салаирскую фазу (середина кембрия), а иногда также и Оркадскую, или Свальбардскую, фазу (середина девона). Они проявились, во-первых, по западной периферии Европейской платформы, на Грампианской геосинклинали (названной по Грампианским горам в Шотландии) - в Ирландии, Уэльсе, Шотландии, Скандинавии, Шпицбергене и на восточной периферии Северо-Американской платформы - в Аппалачах, Нью-Фаундленде и в Гренландии; во-вторых, в Центрально-Азиатском складчатом поясе - в Центральном Казахстане, Саянах, Алтае и Монголии, а также в Восточном Китае; в-третьих, в Восточной Австралии, на Тасмании и в Антарктиде. В геосинклиналях этой эпохи преобладал морской режим, происходило огромное осадконакопление, имели место вулканизм и плутонизм (в частности, образовывались обширные гранитные батолиты); в Аппалачах, Скандинавии и в Центрально-Азиатском поясе сформировались зоны с офиолитовыми ассоциациями пород (см. главу 6). Образовавшиеся в эту эпоху каледониды ныне являются невысокими сглаженными горами с осадочным плащом над складчатым докембрийским и нижнепалеозойским фундаментом.

Во-вторых, выделяют Герцинскую (Варисцийскую, Верхнепалеозойскую) тектоно-магматическую эпоху (первое название дано М. Бертраном по горной группе Центральной Европы, называвшейся древними римлянами Герцинским лесом; второе название дано немецким геологом Э. Зюссом по древнему наименованию «Кур Варискорум» области Саксония-Тюрингия-Бавария). Ранняя фаза этой эпохи Бретонская (в Америке - Акадская) в конце девона-начале карбона проявилась в Андах, Аппалачах, канадской Арктике, Западной Европе и в Куэнь-Луне. Затем последовали главная Судетская фаза в конце раннего-начале среднего карбона, Астурийская фаза верхнего карбона, Заальская фаза средней перми и Пфальцская фаза конца перми. Эти фазы, охватили геосинклинали между Русской, Сибирской, Китайской и Таримской платформами (Тибет-Гиндукуш-Каракорум-Тянь-Шань-Алтай-Куэнь-Лунь, Урало-Сибирская геосинклиналь, Урал, хребет Бырранга на Таймыре), Предкавказье, Кавказ, Донбасс, территорию Западной Европы (Францию, Испанию), Южной Америки (Анды) и Северной (Аппалачи, часть североамериканских Кордильер), северо-западную периферию Африки, Восточную Австралию. Интенсивное горообразование происходило преимущественно в приплатформенных зонах геосинклиналей, с надвигами на платформы. Герциниды ныне представляют собой средние и высокие, но не островерхие горы с мезокайнозойским осадочным плащом в низинах и складчатым докембрийским и палеозойским фундаментом.

Третьей является Альпийская (Мезокайнозойская) тектоно-магматическая эпоха с фазами Ларамийской (конец мела-начало палеогена), Пиренейской (конец эоцена-начало олигоцена), Савской (конец олигоцена-начало миоцена), Штирийской - середина миоцена), Аттической (конец миоцена), Роданской (середина плиоцена) и Валахской (четвертичный период, продолжается и сейчас). Эти фазы охватили геосинклиналь Тетис от Гибралтара до Малайского архипелага, Западно-Тихоокеанскую зону от Новой Зеландии и юго-восточной Австралии до Камчатки и Чукотки и Восточно-Тихоокеанскую зону - Кордильеры и Анды. В триасе складчатого горообразования еще не было, но происходил интенсивный вулканизм в «огненной зоне» Кордильер-Анд и в Восточно-Сибирской геосинклинали. В юре (Лейасе) к нему добавился базальтовый вулканизм в Африке и Бразилии, а в мелу - также и в Индии. В палеогене развилось Средиземноморское горообразование, а позже оно охватило и периферию Тихого океана. Альпиды - это высокогорные страны с высочайшими островерхими вершинами и глубокими долинами, в которых складчатый фундамент включает породы всех предыдущих периодов, а осадочный чехол еще только начинает формироваться.

Геологи неоднократно пытались найти какую-нибудь причину кажущейся периодичности или квазипериодичности тектонических процессов на Земле в целом. Установив длительности Каледонской, Герцинской и Альпийской эпох - около 180, 180 и 200 млн. лет соответственно, - некоторые авторы обратили внимание на их близость к галактическому году (т. е. к периоду обращения Солнечной системы вокруг центра тяжести Галактики, составляющему около 180 млн. лет) и предложили объяснять квазипериодическое повторение тектоно-магматических эпох изменениями галактического гравитационного потенциала в окрестностях Солнечной системы вследствие эллиптичности ее орбиты в Галактике, хотя о такой эллиптичности вовсе нет никаких фактических данных. Эта фантазия проникла даже в такую серьезную книгу, как «Общая геотектоника» В. Е. Хаина (1973 г.). Она сродни фантастическим предположениям о расширении Земли вследствие уменьшения со временем гравитационной постоянной (о котором также нет никаких фактических данных) или даже вследствие космологического расширения Вселенной (хотя и известно, что оно не затрагивает размеров планет, звезн и галактик, а касается лишь расстояний между далекими галактиками, слабо взаимодействующими друг с другом). Подобные фантазии лишь уводят в сторону от выяснения истинных, внутренних причин квазипериодичности тектонических процессов - таких, как зонные плавки верхней мантии (рис. 13) или конвективные циклы О. Г. Сорохтина (глава 4).

Поскольку отдельные фазы горообразования внутри тектоно-магматических эпох проявлялись лишь регионально, представляется, что попытки выявить цикличность тектонических процессов с меньшими периодами могут иметь надежды на успех только в отдельных регионах (и, вероятно, в пределах не слишком больших интервалов времени). Такой характер, по-видимому, имеет остроумная схема цикличности фанерозойских тектонических процессов в Западной Европе, опубликованная немецким геологом русского происхождения С. Н. Бубновым в 1954 г. и приведенная в табл. 9. Фанерозой разбивается в ней на шесть циклов, каждый из них состоит из шести последовательных фаз: первая трансгрессия, вторая трансгрессия, инундация (т. е. глубокое погружение), дифференциация (т. е. распадение территории на участки с вертикальными движениями разных знаков), регрессия (возвращение поверхности Земли на уровень моря) и эмерсия (т. е. подъем выше уровня моря). Обратим внимание, однако, на очень большие различия в длительностях этих циклов, резко укорачивающихся при приближении к современности.

Табл. 9. Теектонические циклы фанерозоя Западной Европы по С. Н. Бубнову (1954 г.).

После качественного графика последовательности трансгрессий и регрессий фанерозоя (рис. 34) рассмотрим теперь аналогичный количественный график (рис. 35), построенный венгерским геофизиком Л. Эгьедом (1957 г.) по данным палеогеографических карт Н. М. Страхова, соответствующих максимальным трансгрессиям (черные кружки), и карт X. Термье и Г. Термье, соответствующих умеренным уровням трансгрессий (белые кружки). На графике приведены суммарные площади покрытых морями территорий современных континентов в различные периоды фанерозоя. На нем видно, что площадь суши, испытывая резкие колебания во времени, в течение фанерозоя в общем возрастала (т. е. в среднем происходила эвстатическая регрессия моря). Однако общий объем воды в Мировом океане убывать не мог, наоборот, вследствие продолжающегося вулканизма и дегазации лав (хотя и менее интенсивных, чем в наиболее активные времена протерозоя) количество воды в гидросфере должно было увеличиваться (см. кривую 2 на рис, 18).

Рис. 34. Тектоно-магаатические эпохи фанерозоя. Фазы орогенеза: 1 - Салаирская; 2 - Вермонтская; 3 - Трюсильская; 4 - Таконская; 5 - Арденнская; 6 - Эрийокая; 7-9 - Девонская; 10 - Бретонская; 11 - Судетская; 12 - Астурийская; 13 - Заальская; 14 - Пфальцская; 15 - Древнекиммерийская; 16 - Новокиммерийская; 17 - Австрийская; 18 - Ларамийская; 19-26 - кайнозойские. Римские цифры - трансгрессии, зачернены теократические эпохи.

Рис. 35. Изменения суммарной площади покрытых морями территорий современных континентов по Л. Эгьеду (1957 г.).

Следовательно, либо росла высота континентов, либо углублялись котловины океанов, либо происходило и то, и другое (и плюс к этому во время ледниковых периодов уровень океана мог понижаться на 100-200 м из-за перехода части воды в континентальные ледники). Однако средний уровень континентов (ныне равный 840 м, см. рис. 3) регулируется законом Архимеда (так как континенты могут рассматриваться как глыбы легкого сиаля, плавающие, как айсберги, на более плотном веществе мантии, см. рис. 6), и для заметного повышения этого уровня нужно существенное увеличение объема континентов, вряд ли имевшее место в течение фанероэоя. Поэтому остается рассмотреть фанерозой-скую историю океанов. Конечно, говоря о палеоокеанах, т. е. об океанах прошлого, нам тем самым придется говорить и о палеоконтинентах и прежде всего о предполагаемых фанерозойских суперконтинентах Гондване и Лавразии, которые нам уже пришлось упоминать в конце главы 3 и в настоящей главе при характеристике некоторых геологических периодов фанерозоя.

Гондвана (от племени гондов и района Вана в Центральной Индии) - суперконтинент южного полушария, который, по мнению австрийского геолога Э. Зюсса, южноафриканского геолога А. Дю-Тойта и многих других ученых, существовал с начала палеозоя (после Байкальской тектоно-магматической эпохи) до конца триаса и состоял из основных частей современной Южной Америки (без Анд), Африки (без гор Атласа, но с Аравией), Антарктиды, Австралии (без восточной горной периферии), п-ова Индостан (без Гималаев) и о. Мадагаскар. Одним из аргументов в пользу гипотезы существования Гондваны было обнаружение на всех ее современных частях, в том числе в северных тропиках Индии, обширных следов огромного пермо-карбонового континентального оледенения, которых на континентах северного полушария мало или вовсе нет; в то время в Гондване развивалась специфическая растительность умеренного холодного климата с обилием папоротникообразных глоссоптерисов и хвощей. Приводился и ряд других аргументов, и в столь большом числе, что эта концепция принята в фундаментальном курсе исторической геологии Н. М. Страхова [19].

Лавразия (от Лаврентьевского, т. е. Канадского, щита и от Азии) - суперконтинент северного полушария, который, по гипотезе Э.Зюсса, образовался вследствие соединения Северо-Американской и Восточно-Европейской платформ после Поздне-каледонской фазы горообразования в начале девона и присоединения к ним после Судетской фазы Герцинского горообразования в карбоне внегондванских азиатских платформ (по-видимому, кроме Китайско-Корейской). Вначале Лавразия, вероятно, была отделена от Гондваны океаном Палео-Тетис, образовавшимся еще в ордовике, но в конце карбона-начале перми северо-западная Африка, по-видимому, вошла в контакт с Северной Америкой, закрыв на этом участке Палео-Тетис; объединенные Лавразия и Гондвана образовали Пангею (эту гипотезу высказал еще в 1912 г, немецкий геофизик Альфред Вегенер). Пангея просуществовала, по-видимому, до конца триаса, когда начали образовываться Саргассово море, отделившее Африку от Северной Америки, и новый Тетис (вероятно, чуть южнее Палео-Тетиса), отделивший Евразию от Гондваны. Отделение Евразии от Северной Америки (т. е. распад Лавразии) началось, вероятно, еще в юре и окончательно завершилось в палеогене.

Предполагаемая история этих суперконтинентов, а также древних океанов - Палео-Атлантического, Палео-Азиатского, Палео-Тетиса, Южно-Монгольского, Джунгарского, Уральского и Тетиса - будет детально рассмотрена в главах 9 и 10. Здесь же мы пока ограничимся лишь двумя общими замечаниями.

Во-первых, по всем глобальным палеогеографическим реконструкциям (включая одну из самых последних, принадлежащую Л. П. Зоненшайну и В. Е. Хаину [43]), на Земле в течение фанерозоя (а возможно, и в более древние времена) всегда имелись океаническое полушарие, занятое в основном Тихим океаном и почти свободное от континентов, и континентальное полушарие, в котором группировались почти все континенты (рис. 36).

Рис. 36. Континентальное и океаническое полушария Земли.

Такая асимметрия была особенно резко выражена во времена Пангеи (пермь-триас) и, возможно, также Мегагеи Г. Штилле (начало рифея). Она должна быть типичной для эпох с одноячейковой конвекцией в мантии Земли, с полюсом подъема вещества в центре океанического и полюсом опускания в центре континентального полушария. Если при переходе к двухъячейко-вой конвекции ось последней (соединяющая полюсы опускания вещества) будет устанавливаться хотя бы приблизительно перпендикулярно оси симметрии предшествовавшей одноячейковой конвекции, то океаническое полушарие будет при этом оставаться океаническим. Такие смены ориентации осей последовательных форм конвекции в мантии могли бы дать объяснение замеченной многими геологами некоторой преемственности во времени глобальных глубоких линейных разломов литосферы - так называемых линеаментов (это понятие введено американским ученым У. Хоббсом в 1911 г.).

Второе замечание касается понимания процессов соединения и распада континентов. В курсе исторической геологии Н. М. Страхова [19] на основании разнообразных и обширных геологических данных излагается представление об образовании и распаде Гондваны и Лавразии. Их образование описывается как результат процессов горообразования предшествовавших тектоно-магматических эпох, причем, поскольку на соответствующих палеогеографических картах положение современных континентов принимается неизменным («фиксизм»), по-видимому, имеется в виду горообразование на дне океанов, разделявших части суперконтинентов. Распад же суперконтинентов описывается как результат опускания под уровень моря некоторых их частей, вероятно, с превращением в них континентальной коры в океаническую (океанизация, требующая базификации, т. е. замены кислых пород основными). При таком толковании возникают трудности. Горообразование на дне океанов нам известно в основном только двух типов: образование срединно-океанических хребтов в рифтовых зонах, приводящее не к закрытию, а, наоборот, к раскрытию океанов, и образование островных дуг над зонами Заварицкого-Беньофа, требующее растяжения океанского дна в рифтовых зонах.

Концепцию океанизации континентальной коры развивает В. В. Белоусов [44], полагающий, что под влиянием сильного прогрева породы континентальной коры могут терять воду, кремнезем и щелочи и превращаться в эклогиты, которые вследствие своей повышенной плотности (3.4-3.5 г/см3) будут тонуть в веществе верхней мантии, замещаясь гипербазитами и базальтами и становясь источником андезитовых лав. Однако многие специалисты не соглашаются с этой гипотезой; например, А. П. Виноградов [7] считал ее «невозможной по физико-химическим данным».

С позиции движения континентов («мобилизм») соединение континентов может быть результатом буквального столкновения литосферных плит, несущих континентальную кору; так, например, образование Гималаев толкуется как результат столкновения Индостанской платформы с Азией. Распад же континента трактуется как результат появления под ним восходящего движения в мантии, образования рифтовой зоны и растяжения литосферных плит в обе стороны от этого разлома с формированием между ними океанической коры. В качестве примера первой стадии этого процесса указываются рифтовые долины в Восточной Африке, пример следующей стадии - образование Красного моря.