Автор: И. А. РЕЗАНОВ

стр. 26

Доктор геолого-минералогических наук И. А. РЕЗАНОВ, Институт истории естествознания и техники им. С. И. Вавилова РАН.

2002 г. назван ЮНЕСКО годом гор. Однако в течение уже нескольких столетий ученых волнует вопрос: почему на планете возникли эти гигантские исполины, протягивающиеся цепями на тысячи километров? Окончательного ответа нет и поныне.

Статьи данной рубрики отражают мнение автора ( прим. ред. )

стр. 27

В середине XIX в. на основе геодезических измерений в Индии англичане Дж. Эри (иностранный член-корреспондент Петербургской АН) и Дж. Пратт сформулировали принцип изостазии (равновесия), согласно которому земная кора "плавает" на более тяжелой, т.е. более плотной мантии, подчиняясь закону Архимеда. В XX в. эту идею подтвердили сейсмическими методами: оказалось, под высокогорными хребтами легкая земная кора утолщена. Так, отечественными геофизиками в 80-е годы прошлого столетия выполнен уникальный сейсмический профиль, пересекший массив Памира и Гиндукуша. Он показал: под высокогорьем толщина земной коры достигает 75 км, в то время как южнее, под равниной Индостана, всего 40 км. Утолщение земной коры установлено под Кавказским хребтом, под Альпами и другими высокогорными массивами. В противоположность им под отрицательными формами рельефа - морями, океанами - земная кора резко утончена. Скажем, под глубоководными океаническими котловинами ее толщина - всего 5 - 10 км. Чтобы прояснить механизм образования гор, надо выявить причину утолщения земной коры под ними.

Геологическая история свидетельствует: высокогорные хребты зачастую появляются там, где в предшествующее время имели место крупные прогибания коры, сопровождавшиеся накоплением мощных (10 - 15 км) толщ осадочных пород, - так называемые геосинклинали. Нужно выяснить, почему именно они в неоген-четвертичный период (в последние 25 млн. лет) стали воздыматься и превратились в высокогорные хребты?

Наконец, третий и самый каверзный вопрос: если земная кора "плавает" на более плотной мантии по закону Архимеда, то в силу каких причин в отдельных зонах планеты ее движения направлены вверх, т.е. против силы притяжения?

Гипотезы, объясняющие горообразование, подразделяются на три группы.

"СЖАТИЕ" ЗЕМНОЙ КОРЫ

Самая ранняя и в то же время наиболее распространенная до сих пор объясняет образование гор сжатием отдельных, податливых зон земной коры, сдавливаемых с двух сторон более "жесткими" плитами коры. Эта идея родилась в середине XIX в., когда французский геолог, иностранный член Петербургской АН Ж. Эли де Бомон сформулировал широкоизвестную ныне контракционную гипотезу. Отталкиваясь от господствовавшей в то время концепции постепенного охлаждения Земли и, соответственно, уменьшения земного радиуса, процессы горообразования он представлял в следующем виде: размеры охлаждающегося жидкого ядра уменьшаются, тонкая земная кора ввиду твердости не может следовать за сокращением внутренних масс, поэтому между ней и ядром образуется пустое пространство; наконец, она разрывается и опять плотно примыкает к огненно-жидкому ядру. При этом в ней создается боковое давление, которое скучивает породы и создает горы. Данная гипотеза пользовалась признанием в конце XIX - начале XX в., когда геологи в земной коре выделили два типа структур: стабильные платформы (кратоны - источники сил) и подвижные геосинклинальные пояса. Первые, сближаясь, давили на вторые, заполненные осадками, сминали их, образуя складчатые горы.

В последней четверти XX в., когда большое внимание завоевала концепция тектоники плит, образование гор стали связывать со сближением литосферных плит - придвигающаяся давила на геосинклинальный пояс, и кора там скучивалась, образуя высокогорный хребет. Скажем, образование Гималайского хребта связывают с движением на север приплывшей Индийской плиты*.

УВЕЛИЧЕНИЕ ОБЪЕМА ПОРОД ПОД ГОРАМИ

Принципиально иной подход к проблеме горообразования предлагает гипотеза разуплотнения коревого или подкорового вещества под хребтами - складывающие их породы вследствие той или иной причины "разбухают", занимают больший объем, что и выражается поднятием земной поверхности. Главный аргумент в пользу этой идеи принесла геофизика. Сейсмическими методами* было установлено: под горами, например под Тянь-Шанем, подкоровое вещество характеризуется пониженными значениями скорости сейсмических волн. Значит, мантия под ними (в отличие от равнинных территорий) разуплотнена - а это должно сопровождаться увеличением объема. К аналогичному выводу приводит и анализ гравитационного поля горных стран - под высокогорьем обнаруживается дефицит массы, объясняемый лишь разуплотнением. Соответствующие расчеты, проведенные российским ученым М. Е. Артемьевым, показали: дефицит массы под Тянь-Шанем лишь частично обусловлен утолщением легкой коры, но в основном вызван разуплотнением верхов мантии. Главной причиной, вызывающей такой процесс, считается ее частичное плавление (расплав занимает больший объем, чем кристаллические породы). В пользу последнего свидетельствует обнаружение там зон повышенной электрической проводимости - расплав оказывает меньшее сопротивление электрическому току. Разбухание допускается и в коре. Оно может быть вызвано различными процессами в зависимости от минерального состава пород: гидратацией ультраосновных пород (серпентинизацией), поступлением с растворами кремнезема, карбонатов и т.д. Согласно этой гипотезе, боковое давление не требуется - горы сами растут по принципу разбухающего теста.

"ВЫЖИМАНИЕ" ВЕЩЕСТВА ИЗ-ПОД ВПАДИН

Как уже говорилось, поднятие горных массивов как бы противоречит принципу изостазии - породы земной коры поднимаются вопреки силе тяжести. Но еще более удивительным кажется формирование на планете обширных впадин - ведь в этом случае относительно легкие породы коры погружаются в более плотную и тяжелую мантию!

* См.: Б. П. Дьяконов, А. К. Троянов. Голоса земных недр. - Наука в России, 1998, N3 (прим. ред.).

* См.: Д. В. Рундквист и др. Геодинамика XXI века и полезные ископаемые. - Наука в России, 1998, N 6 (прим. ред.).

стр. 28

стр. 29

Возможные глубинные процессы, вызывающие горообразование,

I - сближение плит земной коры, вызывающее сдавливание осадков, складкообразование и воздымание гор;

II - разуплотнение в верхах мантии (или в коре), приводящее к поднятию коры и росту гор;

III - выжимание вверх материала коры из под формирующейся рядом впадины.

Проблема появления таких прогибов - одна из наиболее сложных в геологии, но пока она решается в зависимости от "вкуса" исследователя. Так, сторонники больших горизонтальных смещений коры считают, что впадины образуются в результате ее раскола и раздвижения осколков в разные стороны, между которыми и образуется лежащая на мантии кора океанического типа. Поскольку она тонкая, то залегает ниже. Однако конфигурацию большинства впадин и их взаимосвязь с обрамляющими поднятиями часто нельзя объяснить раздвижением плит земной коры. Это наглядно видно на примере Средиземноморского складчатого пояса - хребты и котловины там образуют сложную конфигурацию. То же наблюдается в Прикаспийской, глубокой округлой впадине.

Геологическая история как океанических впадин, так и прогибов на континентах свидетельствует: их появление связано с опусканием земной коры. На это указывают два факта. Во-первых, на дне океанических впадин обнаружены породы континентального типа (скажем, скважина N 547 в Атлантическом океане вскрыла гранито-гнейсы, как и драгирование дна Тихого океана между разломами Кларион и Клиппертон). Во-вторых, выявленные бурением мелководные отложения в основании осадочного разреза морских впадин.

Почему же легкая кора оказалась погруженной в более плотную и тяжелую мантию? Объяснение может быть одно - низы коры под впадинами уплотнились до состояния мантии. Согласно одной гипотезе, это вызвано замещением ультраосновной магмой кислых (сиалических) пород коры.

Автор этих строк предложил по-другому взглянуть на происходящее. В процесс вовлечены срединные массивы и тектонические платформы, т.е. геологические структуры, ранее относительно приподнятые. Большая (нижняя) часть коры под ними - сейсмический "базальтовый" слой - сложена серпентинизированными ультраосновными породами. Небольшой подъем температуры здесь, допу-

стр. 30

стр. 31

стр. 32

стим, вследствие вулканической деятельности, приводит к обезвоживанию серпентинитов, которые вновь приобретают плотность, свойственную мантии. И уплотненная кора опускается.

Допустимы и другое механизмы уплотнения низов коры под платформами и срединными массивами, ведь еще нет достоверных сведений о минеральном составе сейсмического "базальтового" слоя. Но сам по себе факт такого уплотнения очевиден. Под действием архимедовых сил происходит опускание утяжеленных платформ и срединных массивов. В мантию, оказывается, вовлечен значительный объем материала бывшей земной коры. Но погружение вещества в одном месте должно сопровождаться его "выжиманием" вверх в другом. В особенности там, где имеются ослабленные зоны коры. Таковыми в первую очередь и являются геосинклинальные прогибы, возникшие вдоль глубинных разломов. Как это происходит, можно наблюдать на примере Средиземноморья. Там в начале неогена (порядка 25 млн. лет назад) в опускание оказались вовлеченными все ранее приподнятые срединные массивы. На их месте образовались Адриатическое, Тирренское моря, Алжире- Прованская котловина. А расположенные рядом геосинклинальные прогибы оказались приподнятыми и представляют сейчас горные хребты: Пиренеи, Альпы, Апеннины, Карпаты, Балканы, Динариды, а к югу от Средиземноморской впадины возвышаются Атласские горы.

Аналогичная ситуация наблюдалась и вокруг океанических впадин. Опускание дна Тихого океана сопровождалось поднятием его берегов. Это особенно наглядно видно на примере цепей Кордильер и Анд, протянувшихся вдоль океана на многие тысячи километров. Приподнятыми оказались и прибрежные зоны на западе Тихого океана и берега, окружающие Индийский и Атлантический океаны, почти везде приподняты, составляя контраст с прилежащими океаническими котловинами. В Австралии положительные морфоструктуры размещены вдоль ее западного и восточно-

стр. 33

го берегов, а в центральной части материка - низина. Африканский материк, окруженный океанами со всех сторон, приподнят примерно на 1000 м. На другом берегу Атлантики (в Бразилии) горы находятся ближе к океану, а центральная часть Южной Америки опущена. Показательна в этом плане Мексика, где горы расположены по берегам Тихого и Атлантического океанов. Аналогичная ситуация и на севере Атлантики, где вдоль берегов поднялись Скандинавские горы, Гренландия, Баффинова земля.

Компенсационные поднятия возникли как обрамление локальных прогибов: грабен Красного моря с обеих сторон окружен "вздернутыми" на тысячу метров берегами. Любой, глядя на гипсометрическую карту Земли, продолжит эти примеры. Все они свидетельствуют: опускание литосферы под океанами частично компенсировалось поднятием на прилегающих материках.

Существуют высокогорные массивы и в удалении от океанических впадин, например, Тибет. Но и это можно частично объяснить аналогичным образом: к югу от него расположены предгорные прогибы. Они испытывали значительные опускания в кайнозое (последние 70 млн. лет назад), т.е. в то же время, когда воздымался Тибет.

Общий объем океанических и иных впадин, возникших в последние 60- 80 млн. лет на нашей планете, составил не менее 1200 млн. км ³ , а объем компенсационных поднятий около 120 млн. км. Таким образом, возникшие горные хребты компенсировали не более 10% опустившейся в мантию былой коры. Остальные 90% пошли на увеличение объема мантии земли. Фиксированные в земной коре некоторые следы ее растяжения (например, грабены), возможно, вызваны именно таким процессом.

Попытаемся оценить вероятность названных механизмов горообразования. Для этого необходимо рассмотреть историю формирования горного рельефа, запечатленную в сохранившихся на вершинах хребтов поверхностях выравнивания. Повсеместно установлено: фрагменты наиболее древних из них расположены в центральной (осевой) зоне хребта. Их возраст - палеогеновый или раннемиоценовый (25 - 2 млн. лет назад). На флангах хребтов частично сохранились позднемиоценовые уровни (15 - 10 млн. лет), а в предгорьях развиты еще более молодые плиоценовые и раннечетвертичные поверхности выравнивания. Выясняется: сначала поднималась осевая часть хребта, затем процесс прекращался или ослабевал, и по периферии поднятой гряды формировалась следующая, более молодая поверхность выравнивания. Потом поднятие возобновлялось, захватывая более широкую зону. Горный хребет рос не только вверх, но и вширь.

Последний факт - серьезный контраргумент гипотезе "сдавливания". Если бы горы возникали вследствие горизонтального давления "кратонов" на "ороген", то сначала должны были бы деформироваться и воздыматься краевые части хребта, а лишь затем - осевая.

Гипотеза "разбухания" коры и верхов мантии под горами представляется более приемлемой, с точки зрения геоморфологии, но она не объясняет причины разуплотнения недр. Предстоит выяснить, почему в одних местах локально происходят такие явления и горы "растут", а в большинстве других - поверхность планеты остается равнинной.

Гипотеза "выжимания" гор опускающейся рядом впадиной удачно трактует образование хребтов, обрамляющих океаны, в особенности это касается Тихого. Однако представляется неубедительной при объяснении воздымания наиболее крупного горного региона мира - Тибета. Прилегающие к нему прогибы являются недостаточно крупными, чтобы "выдавить" столь гигантское поднятие.

Выходит, проблема горообразования еще не решена. Каждая из рассмотренных гипотез опирается на определенную группу фактов, но в то же время встречает и возражения. Наши сведения о характере физических процессов, происходящих под горными хребтами на глубинах 20 - 50, а то и 100 км, далеко не полны и во многом противоречивы. Потребуется много лет, прежде чем станет понятным, почему среди равнинных пространств нашей планеты возникли каменные исполины.

Иллюстрации автора и Ю. Супруненко

Permanent link to this publication: