Академик В. Е. ХАИН, Институт литосферы окраинных и внутренних морей РАН

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕОЛОГИИ: ТЕКТОНИКА ПЛИТ

В конце 60-х - начале 70-х гг. науки о твердой Земле перестали быть чисто описательными и занялись поисками объяснения геологических процессов, основанного на применении физических и математических законов. Новое научное направление - геодинамика - объединила усилия геологов, геофизиков и геохимиков, сконцентрировав их на выяснении природы сил и процессов, протекавших на нашей планете. И, в частности, тех, что вызывают изменения в строении ее внешних оболочек, включая литосферу и земную кору. Появилась теория, описывающая развитие литосферы в виде взаимодействия ансамбля относительно монолитных плит, названная тектоникой плит. В геологии произошла научная революция. Ее предпосылка - появление новых методов исследований: геофизических (сейсмических, палеомагнитных, геотермических и др.), изотопно-геохимических, геологических (экспериментальная минералогия и петрология и др.). Дальнейшее развитие этих методов и создание новых (глубоководное бурение, исследование Земли из космоса и др.) подтвердили основные положения тектоники плит. Выявлено было, в частности, огромное значение крупных горизонтальных перемещений горных масс.

Итак, литосфера Земли, ее достаточно жесткая и вместе с тем хрупкая верхняя оболочка разделена на сравнительно небольшое число крупных и среднего размера плит, движущихся относительно друг друга. Характер этих перемещений тройственный - плиты расходятся с образованием зияний, заполняемых базальтовой магмой (процесс спрединга вдоль осей срединно-океанических хребтов), сближаются друг с другом, причем одна из них, океанская, поддвигается под другую (процесс субдукции на окраинах континентов или вдоль островных дуг), либо, наконец, скользят относительно друг друга вдоль вертикальных разломов. Перемещение плит подчиняется теореме великого ученого XVIII в. Л. Эйлера, согласно которой относительное движение сопряженных точек по сферической поверхности совершается вдоль окружностей, проведенных вокруг некоторого полюса вращения - проекции на поверхность оси, проходящей через центр Земли.

Литосферные плиты перемещаются вдоль границы раздела между литосферой и подстилающей ее менее жесткой и вязкой, более пластичной и текущей астеносферой. Плиты увлекаются в ней течениями, вызванными тепловой конвекцией в мантии. Течения эти направлены от осей серединных хребтов (зон спрединга) к осям глубоководных желобов на периферии океана, к зонам субдукции. Спрединг и субдукция взаимно компенсируют друг друга: сколько новой океанской коры рождается в зонах спрединга, столько ее и поглощается в зонах субдукции, благодаря чему объем Земли, согласно данной теории, остается постоянным.

Теория тектоники литосферных плит не только объяснила происхождение океанов, но и с установлением тождества так называемых офиолитов* складчатых систем с корой океанского типа сумела объяснить и формирование таких систем и континентов в целом, ранее описывавшееся в достаточно абстрактной и маловразумительной форме с позиций геосинклинально-орогенной концепции.

* Офиолиты - комплекс ультраосновных и основных интрузивных, эффузивных и осадочных пород, предположительно реликтов океанской коры геологического прошлого и перемешенных на окраины материков (прим. ред.).

стр. 83

ТЕКТОНИКА ПЛИТ В СВЕТЕ СОВРЕМЕННЫХ ДАННЫХ

За годы, прошедшие после публикации основ тектоники плит в 1967 - 68 гг., были обнаружены новые факты, подтверждающие эту теорию. Она распространялась на все новые и новые области геологических наук и наук о Земле вообще, но в то же время появились материалы, существенно дополняющие и, главное, заставляющие изменить некоторые постулаты теории. Собственно говоря, отдельные такие факты стали известными еще в период рождения тектоники плит, например, внутриплитный вулканизм и магматизм вообще. Он не находил объяснения и потребовал для своего истолкования создания дополняющей гипотезы "горячих точек" - восходящих мантийных струй (плюмов), вертикально поднимающихся из глубин мантии и как бы прожигающих и прошивающих насквозь движущиеся под влиянием конвективных течений литосферные плиты. Необъясненной, однако, осталась взаимосвязь этих двух принципиально различных типов мантийных течений - адвекции - плюмы и конвекции.

Наряду с этим противоречием обнаружились и другие существенные пробелы тектоники плит. Это, во-первых, не вполне удовлетворительное объяснение механизма перемещения плит. Простое волочение под действием в астеносфере недостаточно эффективно. Действуют, по крайней мере, еще два механизма. Первый: расталкивание океанских плит от осей спрединга в срединных хребтах под влиянием силы тяжести, когда эти хребты вздымаются над подводными равнинами, а также инъекции базальтовой магмы в рифтовые щели. Второй - затягивание океанских плит в зоны субдукции в глубоководных желобах вследствие утяжеления этих плит при удалении от осей спрединга. При этом они охлаждаются, а трещины "залечиваются" осаждающимися из морской воды минералами.

Реальность первого из этих дополнительных механизмов подтвердила ориентировка сжимающих напряжений в плитах по обе стороны зон спрединга в переделах океанов и на континентах. Эти напряжения реализуются в очагах землетрясении и могут быть замерены непосредственно в горных выработках.

Однако более глубокой или, вернее, глубинной причиной всех этих процессов должна служить конвекция в мантии. Долгое время представление о такой конвекции, выдвинутое еще в начале XX в., оставалось по существу умозрительным. Это позволяло утверждать, что концепция тектоники плит является чисто кинематической.

Лишь с появлением в 80-е гг. методов сейсмической томографии, выявившей чередование в мантии, вплоть до ее границы с ядром, разогретых и охлажденных областей, появилось доказательство реальности конвекции, а также и субдукции океанских плит. Недостаточная изученность последней долго служила одним из главных аргументов критиков теории тектоники литосферных плит.

В то же время сейсмическая томография показала, что соответствие в распределении конвективных течений и зон спрединга и субдукции, фиксируемых у поверхности Земли, существует только до глубин порядка 300 - 400 км, не более. Выяснилось, что картина, описываемая тектоникой плит, распространяется лишь на кору и верхнюю мантию, или литосферу и астеносферу (справедливо объединяемых в понятии тектоносферы), а глубже процессы протекают иначе, т.е. она глобальна лишь в двух измерениях, но не в третьем, глубинном.

НОВОЕ ПОНИМАНИЕ ПРОЦЕССОВ В МАНТИИ

Очевидно, небезгранично действие тектоники плит и в четвертом измерении - временном, т.е. в ретроспективе. Распространение всего комплекса, характеризующего процессы и субдукции в виде, отвечающем современному, отмечено лишь начиная с позднего протерозоя, т.е. за миллиард лет до н.э. В более ранние эпохи, до 3 млрд. лет назад, действовал механизм тектоники плит, сходный с современным, но не вполне тождественный ему. Существование же механизма тектоники плит ранее 3 млрд. лет остается под вопросом, хотя ее элементы несомненно наблюдались в это отдаленное время.

Разработчики тектоники плит в ее первоначальной форме не учитывали периодическое усиление и ослабление эндогенной (внутренней) активности Земли, а также проявление существенных перестроек в плитной организации литосферы. Лишь в последнее десятилетие стало очевидным, что в истории Земли времена, когда все континентальные массивы собирались в единый суперконтинент, чередовались с периодами его распада с образованием вторичных океанов. Длительность этих мегациклов составляет порядка 500 - 600 млн. лет. По-видимому, связаны они с изменением характера мантийной конвекции. А. С. Монин (ныне - академик) и О. Г. Сорохтин ранее высказали предположение, что при образовании суперконтинентов двух- или многоячейковая конвекция сменялась одноячейковой: восходящий поток - под океанским (западным) полушарием, нисходящий - под континентальным.

Итак, за четверть века, миновавшую после появления тектоники плит, стало очевидным, что хотя она предложила удовлетворительное толкование большей части тектонических и вообще эндогенных процессов, протекавших в верхних оболочках Земли за последний миллиард лет ее истории, однако не может рассматриваться в качестве всеобъемлющей теории Земли.

Тому ряд причин. Во-первых, это отсутствие объяснения внутриплитного магматизма, заставляющего допустить вторую форму тепломассопереноса в недрах Земли, т.е. форму адвекции мантийных струй - плюмов. Во-вторых, тектоника плит действует лишь в верхних оболочках твердой Земли - тектоносфере, и в полном масштабе она "заработала" лишь в позднем протерозое. Классическая концепция тектоники плит оставила без учета и объяснения периодичность эндогенной активности Земли и перестройки ее структурного плана.

Используя новые методы исследования, геологи и геофизики в последнее десятилетие продолжили исследования по двум главным направлениям: глубинной геодинамике и ранней истории Земли. Первое включает изучение процессов в средней (на глубинах 400 - 670 км) и ниж-

стр. 84

ней мантии, а также в ядре Земли; оно обеспечивается методами сейсмотомографии, экспериментальной минералогии и математического моделирования. Исследователи сконцентрировали внимание на верхней (670 км) и нижней (2900 км) границах нижней мантии. Верхняя граница определяет взаимодействие средней (переходной) мантии с нижней. Здесь главный вопрос - "проницаемость" этой границы для конвективных течений, субдукции и восходящих мантийных струй - плюмов.

Классическая сейсмология утверждала, что погружение плит океанской литосферы происходит лишь до кровли нижней мантии, ибо ниже очаги землетрясений не отмечались. Но сейсмическая томография дала возможность проследить "судьбу" погружающихся в зоны субдукции пластин и глубже этой границы. Результаты наблюдений оказались, однако, неоднозначными. В некоторых случаях, например, у Японских островов, погружающиеся литосферные пластины, достигнув этой границы, изгибаются вдоль нее в направлении своего наклона. В других случаях обнаружено, что субдуцируемая пластина погружается и ниже границы 670 км, но испытывает сложные изгибы, как бы встречая сопротивление нижележащего мантийного вещества. Так происходит напротив островной дуги архипелага Тонга в Тихом океане. Наконец, совсем недавно в Зондском желобе (Малайский архипелаг) и у берегов Северной Америки выявлено погружение литосферных пластин до самой границы мантии и ядра. Логичен вывод, что граница "670 км", хотя и служит некоторой преградой для осуществления общемантийной конвекции, но в определенных условиях она преодолевается. Иначе говоря, вполне возможно, как впервые отметили французские исследователи П. Маншетель и П. Вебер, происходит чередование во времени конвекции, охватывающей всю мантию с действующей лишь в пределах ее верхних или нижних слоев. Но даже при такой раздельной конвекции, смоделированной в Новосибирске академиком Н. Л. Добрецовым и А. Г. Кирдяшкиным, течения в нижней мантии должны возбуждать (возможно, с обратным знаком) аналогичные движения вещества в верхней, о чем свидетельствует математическое моделирование, проведенное в Геологическом институте РАН академиком Ю. М. Пущаровским и В. Е. Фадеевым с группой сотрудников.

Не меньшее внимание привлекает к себе и другая глубинная граница - между мантией и ядром. Здесь выделяется пограничный "слой D" мощностью до 200 - 300 км. На данном уровне вероятен тепломассообмен между более холодной силикатно-окисной нижней мантией и металлическим (в основном железо-никелевым) расплавленным ядром. Частично подтвердилось предположение, что именно с этих глубин поднимаются мантийные струи - плюмы, достигающие литосферы и даже поверхности Земли.

Наиболее справедливо это для суперплюмов, порождающих в литосфере не отдельные горячие точки, а целые "горячие поля" (о них писали члены-корреспонденты РАН Л. П. Зоненшайн и М. И. Кузьмин - впоследствии академик). Такое "горячее поле" возникло в середине мелового периода в западно-центральной части Тихого океана, образовав здесь подводное "поднятие Дарвина". Совпадение во времени этого события с длительным периодом отсутствия инверсий магнитного поля Земли заставило заподозрить существование определенной связи между магнитными инверсиями и рождением плюмов на границе мантии и ядра, хотя механизм такой зависимости и трактуется по-разному. Более того, академиком Е. Е. Милановским выявлена определенная корреляция между указанными событиями и фазами повышенной тектонической активности Земли. Однако не все плюмы имеют столь глубинное происхождение. Некоторые могут зарождаться и на границе "670 км", питаясь за счет погружающихся пластин литосферы, задерживающихся там, как предположил австралиец А. Рингвуд.

НА ЗАРЕ ИСТОРИИ ЗЕМЛИ

Что касается другого направления современных исследований - ранней истории Земли, то его быстрое развитие стимулировалось, в первую очередь, успехами изотопной геохронологии, ныне способной определять возраст пород с точностью до первых миллионов лет для самых древних эпох, удаленных от нас более чем на 3 млрд. лет.

Присутствие типичных офиолитов в ряде древних щитов среди пород нижнего протерозоя, наряду с вулканитами островных дуг и гранитными батолитами, явно свидетельствует о проявлении процессов тектоники плит в ранней истории Земли. Но некоторые другие их признаки - метаморфиты высоких давлений и низких температур такого (и более древнего) возраста - пока не известны. Возможно, они здесь замещаются более высокотемпературными породами. Раннепротерозойская плитная тектоника от более поздней отличалась, очевидно, большим числом более мелких литосферных плит и, соответственно, большей протяженностью разделяющих их осей спрединга.

Формирование гранито-зеленокаменных областей в конце архея, около 2,7 - 2,5 млрд. лет назад, шло за счет последовательной аккреции многочисленных островных дуг к ядрам более древней, протоконтинентальной коры, сложенной раннеархей-скими гнейсами. Таким образом, если раннепротерозойская тектоника была "мультиплитной", архейскую можно назвать "мультиостроводужной". В среднем и, тем более, раннем архее характер геодинамических процессов мог быть существенно иным. В среднеархейских зелено-каменных поясах вулканизм, характеризующийся основными и кислыми вулканитами при отсутствии средних - андезитов, был скорее рифтогенным, чем островодужным. Тем не менее даже т. н. серые гнейсы раннего и среднего архея (возрастом более трех миллиардов лет) вполне напоминают магматиты, образующиеся над зонами субдукции молодой океанской коры. Можно допустить поэтому, что уже с начала архея, т.е. около 4 млрд. лет назад, стали проявляться некоторые черты тектоники плит.

Новые исследования в области глубинной геодинамики и ранней истории Земли подготовили почву для перерастания тектоники плит в более общую модель развития нашей планеты.

стр. 85

ГЛОБАЛЬНАЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

В статье, опубликованной в журнале "Доклады АН" около пяти лет назад, я указал на положения, которые должны лечь в основу подлинно глобальной геодинамической модели. Это, во-первых, многооболочечное строение Земли, затем раздельное проявление конвекции в отдельных оболочках и, наряду с этим, взаимовлияние конвективных процессов, протекающих в смежных геосферах и, наконец, периодическое изменение их взаимодействия в истории Земли.

1994 г. отмечен появлением полномасштабной глобальной геодинамической модели, призванной заменить более ограниченную плитотектоническую модель. Предложена она группой японских геофизиков и геологов, опубликовавших серию взаимосвязанных статей в номере журнала Японского геологического общества, отметившего свое столетие. В них авторы (С. Маруяма, М. Кумазава, С. Каваками и др.) не опровергают тектонику плит, но отмечают ее ограниченность. Они исходят из того, что твердая Земля разделена на три области - кора и верхняя мантия (тектосфера), нижняя мантия и ядро. Геодинамические процессы в каждой из них протекают по-разному. Тектоника плит (плейт-тектоника) характерна только для тектосферы, в то время как в нижней мантии, по их мнению, господствует плюм-тектоника, а в ядре - "тектоника роста", выражающаяся в разрастании внутреннего ядра за счет внешнего. Ведущий процесс, по мнению японских коллег, - погружение охлажденных литосферных плит в зоны субдукции (ранее то же отмечал Л. П. Зоненшайн). Достигая верхней границы нижней мантии, субдуцируемая плита задерживается, возникает скопление поступающего материала и, когда его накапливается достаточно много (на это уходит порядка 500 млн. лет), происходит прорыв литосферного материала в нижнюю мантию, вплоть до границы ядра. Здесь он взаимодействует с непрерывно конвектирующим веществом самого ядра, вызывая на другой его стороне образование мощного восходящего плюма. На границе "670 км" этот суперплюм расщепляется на несколько более узких, образующих, в частности, оси спрединга срединно-океанских хребтов. Так совершается переход от плюм-тектоники к плейт-тектонике.

В настоящее время (по данным сейсмотомографии) существуют два суперплюма - в южной части Тихого океана и в Восточной Африке. Им противостоит нисходящий холодный плюм под центральной частью Азиатского материка. Оси спрединга, возникающие сперва над "дочерними" плюмами в тектосфере, например, в Атлантике, могут затем отодвинуться от них, как показывает, по мнению японских ученых, пример Индийского и Тихого океанов.

В истории Земли, по схеме японских исследователей, переход от плюм-тектоники к плейт-тектонике начался уже в начале архея. Постепенно плейт-тектоника стала играть господствующую роль в развитии верхних оболочек твердой Земли. Но самым ранним процессом, протекавшим в доархейское время, была "тектоника роста", т.е. формирование ядра Земли. Расслоение ядра на внешнее и внутреннее, начавшись еще в архее, смогло завершиться лишь к началу или даже в течение протерозоя. Близ поверхности Земли над растущим ядром вначале существовал "магматический океан", образованию которого способствовали разогрев солнечно-лунными приливами (близость Луны определяла значимость этого фактора) и парниковый эффект первичной атмосферы.

И НА ДРУГИХ ПЛАНЕТАХ...

Используя данные сравнительной планетологии, накопленные за последние годы, авторы новой концепции рассматривают с ее позиций общую эволюцию планет земной группы. Они отмечают, что все они должны были пройти в самом начале стадию "тектоники роста", т.е. аккреции и формирования ядра. Венера переживает, вероятно, стадию господства плюм-тектоники с появлением элементов плейт-тектоники.

Через подобную стадию наша Земля должна была пройти в доархейское время, а сейчас находится на стадии преобладания плейт-тектоники с сохранением плюм-тектоники в более глубинных недрах. Марс и Меркурий, по мнению японских ученых, вступили в следующую стадию - тектоники сжатия (контракции), на которой литосфера образует уже сплошную оболочку, не разделяющуюся на плиты и подвергающуюся общему сжатию вследствие охлаждения недр. Однако на этой стадии еще возможно частичное плавление мантии и выход магмы на поверхность в крупных вулканических постройках, подобных наблюдаемым на Марсе.

Уже после публикации японской модели появилась работа американского ученого Н. Слипа, в которой доказывается (на основе анализа рельефа), что Марс проходил стадию плейт-тектоники. Это подтверждает справедливость эволюционного ряда, намеченного японскими коллегами. В конце этого ряда они помещают Луну и малые планеты, находящиеся, по их определению, на стадии терминальной тектоники, когда эндогенная активность уже уступает деятельности экзогенных факторов и ограничивается образованием разрывов, по которым устремляются вверх летучие вещества, выделяющиеся при остывании и приливном разогреве глубоких недр.

Таковы основные положения геодинамической концепции, предложенной японскими учеными, сделавшими крупный шаг вперед в создании подлинно глобальной модели развития Земли и всех планет земной группы. Произошло это на рубеже XXI в. через двести с небольшим лет после выхода в свет "Теории Земли" шотландца Дж. Хаттона, одного из основоположников геологической науки. Не со всех сторон японская модель достаточно обоснована. Но ее главным методологическим недостатком, как и предшествовавшей ей тектоники плит, я считаю то, что наша Земля не рассматривается как открытая система. Между тем, она, несомненно, подвержена влиянию космических факторов, связанных, в частности, с ее движением по галактической орбите. Однако всякая новая теоретическая модель является одновременно ориентиром и отправной точкой будущих исследований. На очереди критический анализ и дальнейшее совершенствование предложенной геодинамической модели.

"Земля и Вселенная", 1995, N 5

Постоянный адрес данной публикации: