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
|
