КУДА ПЛЫВУТ МАТЕРИКИ?

О том, что материки плавают как айсберги в океане, ученые догадывались давно. Первые доводы в пользу дрейфа континентов выдвинул в 1912 году немецкий геофизик и метеоролог А.Вегенер (теория мобилизма). Однако, эти идеи не сразу были приняты научной общественностью, так как причины и механизм их передвижения не находили объяснения. Поскольку во всех науках о Земле того времени господствовали идеи геоцентризма, то дрейф континентов объясняли глубинными силам в недрах Земли. Позже идея А.Вегенера о перемещении материков получила развитие в геологии. Она в конечном итоге свелась к, так называемой, "новой глобальной тектонике", известной также под названием "тектоника литосферных плит" или еще короче и проще — "тектоника плит".

В.Молчанов, доктор геолого-минералогических наук
В.Параев, кандидат геолого-минералогических наук
старшие научные сотрудники ОИГГМ СО РАН

Согласно современным моделям, твердая земная оболочка — литосфера — представляет собой мозаику из отдельных плит, ниже находится слой астеносферы. Массивы материков и литосфера в целом сложены твердыми упруго-хрупкими породами. Астеносфера представлена пластично-вязким веществом. Ее вязкость в тысячу (и даже более) раз меньше вязкости литосферы, что допускает течение типа конвективных потоков, которые способны переносить литосферные плиты.

Переосмысление идей А.Вегенера привело к тому, что вместо дрейфа континентов вся литосфера стала рассматриваться как подвижная твердь Земли. Но причины движения литосферных плит, энергетическая основа глобальной тектоники и закономерности, определяющие направление движения плит, по-прежнему остались предметом дискуссий. Опять все свелось к эндогенной энергии. Материки в составе литосферных плит (согласно новой гипотезе) пассивно и свободно перемещаются по поверхности земного шара за счет непрерывного движения конвективных потоков вещества в мантии. Иными словами, процесс тектогенеза не должен бы иметь закономерностей ни во времени, ни в пространстве. Тектонику плит стали уточнять и корректировать.

Новые геологические материалы о наличии вертикальных флюидомагматических струй, поднимающихся от границ самого ядра и мантии к земной поверхности, легли в основу построения новой, так называемой, "плюмовой тектоники" или гипотезы плюмов. Она опирается на представления о внутренней (эндогенной) энергии, сосредоточенной в нижних горизонтах мантии и во внешнем жидком ядре планеты. Ее запасы, как считают сторонники плюмовой тектоники, практически неисчерпаемы.

Высокоэнергетические струи (плюмы) пронизывают мантию и устремляются в виде потоков в земную кору, определяя тем самым все особенности тектоно-магматической деятельности. Некоторые приверженцы плюмовой гипотезы склонны даже считать, что именно этот энергообмен лежит в основе всех физико-химических преобразований и геологических процессов. В развитие теплофизических идей появились различные модели конвекции, которые позволили процессы структурообразования на земной поверхности связать с эндогенной энергией в нижних горизонтах мантии и во внешнем жидком ядре планеты.

Вместе с тем, с мобилистских позиций феномен упорядоченности структуры современной Земли практически необъясним, так как отсутствуют четкие представления о закономерностях тектогенеза в целом. К тому же и сам исходный постулат о неисчерпаемости глубинной (эндогенной) энергии, заключенной в недрах Земли, далеко не безупречен. Объяснения изменений природной среды, климата, эволюции биосферы и пр. через периодичность отрыва мантийных плюмов от границы ядра и мантии (под воздействием регулярно "перегревающегося" внешнего ядра) мало убедительны. Они не раскрывают ни природы движущих сил, ни самих причин такой периодизации.

В последнее время многие исследователи все больше стали склоняться к мысли, что неравномерным распределением эндогенной энергии Земли, как и периодизацией некоторых экзогенных процессов, управляют внешние по отношению к планете (космические) факторы. Из них наиболее действенными силами, непосредственно влияющими на геодинамическое развитие и преобразование вещества Земли, пожалуй, служит эффект гравитационного воздействия Солнца, Луны и других планет.

Эффект гравитационного влияния наиболее результативно должен сказываться, прежде всего, на эндогенных процессах, протекающих в ядре и мантии, где сосредоточена основная масса планеты. Ритмы глубинной жизни Земли (в том числе и периодичность мантийных плюмов), во-первых, должны подчиняться законам небесной механики. Во-вторых, нельзя не учитывать инерционных сил вращения Земли вокруг своей оси и ее движение по орбите.

В свое время механизм Солнечной системы лег в основу конструирования так называемых центробежно-планетарных мельниц (ЦПМ), созданных в Институте геологии и геофизики СО АН СССР. Планетарный тип выражается в том, что рабочий барабан аппарата, вращаясь вокруг собственной оси, движется по круговой орбите вокруг главной оси планетарного механизма. Использование центробежных сил вместо силы тяжести дало возможность создания высокоэнергонапряженных механизмов с большой частотой воздействия на измельчаемый материал.

Принцип действия ЦПМ легко понять на основе простого и наглядного опыта. В стакан с чаем (с чаинками) опустить стальной шарик, бросить несколько кусочков темноцветной породы и начать двигать стакан по кругу. После некоторого навыка и попадания в нужный ритм, можно заставить шарик бегать по стенке стакана. Частицы породы при этом будут скользить по стенке, задерживаться силой трения и попадать под удары шарика. Чаинки, как более легкие частицы и менее подверженные действию центробежных сил, соберутся во вращающийся жгут по оси стакана. В этом опыте воспроизводится один из вариантов ЦПМ, когда число оборотов рабочего барабана равно числу оборотов в движении по орбите. Именно так движется Луна в своем обращении вокруг Земли.

Сопоставление механики движения вещества загрузки в барабане мельницы с движением Земли может служить готовой моделью для изучения механики глобального тектогенеза.

Опыт в стакане показал, что внутри тела, участвующего в планетарном движении, возникают силы, способные перемещать содержимое. Причем, твердые стенки становятся опорной поверхностью и тормозным путем. Теоретический анализ позволил обозначить силы, действующие внутри тела (барабана мельницы), участвующего в планетарном движении. Это — центробежная сила от вращения тела вокруг своей оси; центробежная сила от движения по орбите; инерционная сила от сложения двух центробежных сил; сила Кориолиса, возникающая от сложения относительного и переносного движения; сила трения о твердые стенки тела, а также силы вязкости и трения внутри неоднородной массы, заполняющей объем тела; степень заполнения вращающегося тела. Кроме того, следует учитывать, что силы и направления потоков определяются положением оси собственного вращения по отношению к плоскости орбиты и формой внутренней поверхности вращающегося тела. (В мельнице — барабан цилиндрический, Земля — сферической формы).

Не станем вдаваться в детали исследований, проведенных на специальном стенде, где скорости вращения барабана вокруг своей оси и по орбите, а также радиус орбиты изменялись в задаваемых пределах. Расчеты показали, что при режиме, отвечающем условиям эффективной работы мельницы, отношение радиуса орбиты к радиусу барабана приблизительно равно отношению угловых скоростей. В этом случае центробежная сила собственного вращения близка к центробежной силе орбитального вращения, и содержимое рабочего барабана движется вместе со стенкой барабана в той части круга, где обе силы суммируются. При повороте же барабана, когда центробежная сила орбитального движения вычитается, содержимое барабана отрывается от стенки и совершает "свободный пролет".

Кинематический параметр системы Земля-Солнце исключает отрыв внутреннего содержимого планеты от ее твердой оболочки (этому препятствует и полнота заполнения всего объема Земли). Так как центробежно-инерционные силы продолжают действовать, трение между твердой оболочкой планеты и относительно вязким веществом астеносферы становится той силой, которая способна взломать твердую оболочку и перемещать ее осколки-плиты.

Из опыта эксплуатации мельниц известно, что металл барабана даже собирается в складки, подобно тому, как деформируется асфальт перед автобусными остановками. Сгон металла силами трения приводит к курьезным результатам: рабочий барабан оказывается дырявым. Причем, не из-за износа, а просто металл с одной стороны стенки барабана перегнало на другую сторону.

В свете изложенного анализа ЦПМ, находит логическое объяснение не только сам механизм дрейфа материков, но становится возможным определить также главные направления подлитосферных потоков и ответить на вопрос "куда плывут материки?".

170 миллионов лет назад: мир представлял собой единый гигантский континент — Пангею.	50 миллионов лет назад: Австралия находилась рядом с Антарктидой, а Индия дрейфовала на север, пока не стала частью Азии. Дрейф был медленным — Атлантический океан ежегодно увеличивался менее чем на 10 см.

Первое направление потоков проявилось в опыте со стаканом. Инерционные силы при планетарном движении действуют в плоскости орбиты и направлены против орбитального вращения. Именно эти силы оторвали от африканской и европейской плит американскую и двигают ее дальше, расширяя Атлантический океан. Это движение происходит, разумеется, не без сопротивления. Гряда Кордильеры-Анды нагромождена силами противодействия со стороны тихоокеанской плиты. Последняя же под нажимом американской плиты изгибается (подворачивается), образуя глубоководный желоб, субпараллельно протянувшийся вдоль побережья Северной и Южной Америки.

Тихоокеанская плита обладает достаточной жесткостью и потому сила напора американской плиты передается на азиатскую. Мощный напор обусловил "подныривание" тихоокеанской плиты под азиатскую, что привело к подвороту Беньофа-Заварицкого. Он выразился как глубоководный желоб вдоль берегов Камчатки, Курильских островов, Сахалина и Японии. Эти же силы инерции управляют волнами приливов в гидросфере, а в атмосфере беспорядочные ветры сороковых широт упорядочивают в пассатный, устойчивый и выдержанный, поток воздуха.

Второе важное направление подлитосферного потока обусловлено сферической формой планеты; углом наклона оси ее вращения к плоскости орбиты; силой Кориолиса. Последняя, при заданном направлении вращения в планетарной системе Земля-Солнце, направлена с юга на север. Суммарное действие всех трех сил заставляет материки дрейфовать из южного полушария в северное. Центробежные силы, согласно закону механики, стремятся сгруппировать материки в виде пояса близ экватора. В то же время, действие силы Кориолиса, ориентированной по нормали к плоскости орбиты, заставляет материки двигаться к северному полюсу. Однако по мере продвижения их в высокие широты, сила Кориолиса убывает, в то время как центробежная сила, направленная от полюса к экватору, возрастает. Равновесие этих двух противодействующих сил приходится примерно на широту Полярного круга и дальнейшее продвижение материков на север исключается. Полярный круг, по-видимому, является не только географической границей, но и геодинамическим рубежом.

Чтобы убедиться в справедливости выдвинутого положения, достаточно взглянуть на карту мира. Результат противодействия центробежных сил и силы Кориолиса отразился в концентрации большей части материков именно в северном полушарии. Евразийская и североамериканская плиты уже достигли геодинамического рубежа и заняли устойчивую позицию. А вот африканская плита осталась в зоне действия сдвигающих сил и продолжает свое движение. Коллизия по границам африканской и европейской плит проявилась в виде Альпийского хребта.

Южное побережье Азии омывалось в геологическом прошлом океаном Тетис, который отделял индокитайский континент. Его движение на север привело к вытеснению океана и смыканию индокитайской плиты с азиатской. Столкновение плит породило нагорные плато и горные системы Тянь-Шаня и Гималаев. Общая географическая картина вырисовалась как цепь гор (Пиренеи — Альпы — Карпаты — Кавказ — Тянь-Шань — Гималаи), нагроможденных при нажиме стремящихся на север африканской и индокитайской плит, встретивших сопротивление евроазиатской.

Австралийская плита в своем стремлении на север встречает упорное сопротивление тихоокеанской плиты, зажатой между Азией и Америкой и вытесняемой на юг. Южноамериканская плита, хотя и прочно связана с североамериканской, тем не менее, проявляет свое стремление на север. В целом, стремление к северу материков, оставшихся еще в зоне действия силы Кориолиса, проявляется как полоса ныне активного тектогенеза, вулканизма и часто повторяющихся землетрясений. Эта полоса проходит по Средиземному морю, Малой и Средней Азии, островам Индийского и Тихого океанов, югу Северной Америки, Панамскому перешейку и северным областям Южной Америки.

Кратко остановимся еще на одном принципиальном вопросе, на который никакая мобилистская гипотеза ответа не дает. Речь идет о природе периодичности и цикличности, наблюдаемых в изменениях природной среды, биоты, особенностей литогенеза, тектонической активности земной коры, а также и периодичности мантийных плюмов.

Как уже было отмечено, в действии механизма ЦПМ и системы Земля-Солнце много общего. Однако, в отличие от мельницы, в планетарном механизме системы Земля-Солнце есть еще один существенный параметр, который нельзя не учитывать. Имеются в виду силы, связанные с галактическим орбитальным движением самой Солнечной системы. По данным астрофизиков, скорость движения Солнечной системы вокруг ядра Галактики изменяется от 400 км/сек до 800 км/сек. Такое ускорение (торможение), несомненно, должно воздействовать на инерционные силы, способные повлиять и на активацию флюидомагматических струй, и на движение литосферных плит.

Анализ динамики глобальных катаклизмов, зафиксированных в геологической летописи фанерозоя, и количественные расчеты материального обмена геосфер позволили определить глобальную геологическую цикличность долговременного масштаба, продолжительностью до 170 млн. лет. Она, несомненно, имеет галактическую природу, которая отразилась в закономерном изменении климата планеты, ее тектонической активности, особенностях седиментогенеза и осадочного рудообразования как выражение глобальной сезонности.

* * *

Об основных положениях балансового расчета взаимодействия геосфер и принципах выделения глобальных геологических циклов уже рассказывалось в газете "Наука в Сибири", N 37, сентябрь, 2001. Более подробно об этом — в "Вестнике ОГГГГН РАН, N 4(14)'2000.

стр. 7