Катастрофы: неистовая Земля

Любая научная гипотеза требует проверки фактами. Вряд ли, однако, это требование выполнимо в полной мере для гипотез, охватывающих столь сложные, древние и огромные по масштабам объекты, как океаны и континенты или даже платформы, геосинклинали, рифты, зоны краевых глубинных разломов. Плацдармом для дискуссий обычно служат конкретные участки. Именно на них обязаны в конечном счете ориентироваться глобальные гипотезы. За последние десятилетия динамика современного рельефа Земли изучалась инструментально, что придает выводам геоморфологов особую убедительность. Одновременно стало известно о движениях земной коры, связанных с техногенным перемещением масс (вызванным деятельностью человека), которые фиксируются непосредственно с помощью геофизических и геодезических приборов. Из этих движений очень интересны техноизостатические, т. е. связанные с увеличением или уменьшением нагрузки на отдельные сравнительно небольшие блоки.
При создании крупных водохранилищ, интенсивной разработке месторождений некоторых подземных ископаемых (в частности, нефти и полезных вод) и, возможно, при крупном строительстве дополнительные нагрузки могут быть достаточно весомыми (сотни миллиардов тонн -для некоторых водохранилищ), хотя на единицу поверхности они сравнительно малы (сотни миллионов тонн на 1 кв. км, что соответствует дополнительному слою осадков мощностью несколько десятков метров, т. е. около 0,1% от веса всего блока). Все зависит от того, насколько "отрегулированы весы" изостазии и как велика сила трения между смежными блоками.
При заполнении в США крупного водохранилища Мид было отмечено резкое усиление сейсмической активности. Началось заполнение в 1935 году, а три года спустя, когда вес воды превысил 20 млрд. т, начали отчетливо фиксироваться сейсмические толчки, достигшие максимума в то время, когда уровень воды поднялся до проектного (вес - около 40 млрд. т). В дальнейшем подобные явления регистрировались при заполнении и эксплуатации некоторых других водохранилищ.
По мнению крупного специалиста по неотектонике Н. И. Николаева, "гравитационная (упругая) энергия, накопленная при опускании коры под весом воды, достаточна, чтобы вызвать основную сейсмическую активность в районе". Н. И. Николаев подчеркивает, что в ряде районов "частота землетрясений увеличивается с увеличением водной массы во время паводков. Так объясняются землетрясения в долине р. Миссисипи, а в Индии- в районе Чатры. По-видимому, естественная "пригрузка" может вызвать частичную разрядку напряжений с выделением сейсмической энергии".
Следовательно, земная кора если не везде, то во многих районах удивительно чутко и быстро отзывается на изменение нагрузок.
По данным Ю. Д. Буланже и А. А. Никонова, "чаша оседания" Москвы регистрируется топографическими методами. И если этот факт можно объяснить не столько пригрузками, сколько результатом интенсивных откачек подземных вод, то отмечаемое за пределами "чаши оседания" компенсационное относительное поднятие со скоростью до 1 -1,8 мм в год (при фоновых естественных движениях, в этом районе не превышающих 0,5 мм в год) свидетельствует, по-видимому, о техноизостатических движениях.
Трудно поверить в техноизостазию, связанную с колебаниями блоков земной коры иод воздействием городов: нагрузки и время их проявления очень малы.
Более убедительный материал предоставляет изучение изостатических аномалий, вызванных последним крупным оледенением. Классическими можно считать районы центров оледенений в Северной Америке и Северной Европе. Гляциоизостатический характер вздыманий этих районов (после снятия ледовой нагрузки) вряд ли вызывает сомнение. Скорости поднятий здесь достигают 1 см в год, а в недавнем прошлом они могли быть в несколько раз выше.
Блоковые движения земной коры под нагрузкой материковых ледников можно считать неплохой естественной моделью движения блоков земной коры под действием механизма геосфер. Гляциоизостатические явления проявлялись в последнюю ледниковую эпоху в интервале десятков тысячелетий. Процессы блоковой тектоники земной коры, не связанные с ледниками, реализуются в масштабе десятков (или даже сотен) миллионов лет. За такие сроки процессы протекают более уравновешенно, не столь отчетливо, и это затрудняет их распознавание.
Можно найти немало сходства в развитии континента и материкового ледника, в процессах, наблюдаемых на их краевых частях. Однако в леднике вряд ли можно отыскать подобие круговорота вещества коры. Течение ледника происходит под влиянием гравитационных сил (уклоны ложа, растекание под собственной тяжестью) при постоянном притоке льда из областей питания (области аккумуляции атмосферных осадков).
Для континентов гравитационные силы также имеют большое значение (хотя и действуют они несколько иначе, чем в ледниках). Но "питание" континентальных глыб осуществляется как бы изнутри, при ассимиляции, переработке подкоровых масс и океанической коры, под действием круговорота литосферы.
При относительно высокой плотности и вязкости мантии скорости круговых движений в ней (не считая зон волноводов) должны быть заметно ниже, чем в нижних частях земной коры и в астеносфере,
Советский геолог, изучавший глубинные процессы в Земле, Ю. М. Шейнманн оспаривал гипотезу о замкнутых мантийных круговоротах с восходящими ветвями в центре океанических срединных хребтов и нисходящими у побережий, откуда потоки по низу вновь направляются к подводным хребтам. "Ввиду отсутствия под корой сплошного магматического резервуара, - писал Шейнманн, - пришлось искать подтверждения способности чрезвычайно вязкой (по сравнению с магмой) мантийной массы создать подобное коловращение. Правда, его возможность пока что никем не доказана, и утверждение покоится пока что на вере, а не на исследовании. Если течение возможно, немаловажно будет знать его скорость..."
Взамен гипотезы мантийных круговоротов ученый предложил другую. Согласно ей, геологически активные синклинальные зоны - это приповерхностные проявления процессов, идущих в глубоких недрах, в так называемых тектогенах. "Тектоген, - писал Ю. М. Шейнманн, - является своеобразной отдушиной, выводящей в мировое пространство излишки внутренней энергии Земли... Тектоген зарождается на глубине вместе с начинающимся подъемом энергии. Механику появления и роста вверх такой узкой и обычно наклонной зоны мы не знаем".
Возможно, гипотеза тектогена более перспективна, чем идея круговоротов в мантии. Но она вряд ли убедительно обоснована. Не очень понятно, каковы источники излишков глубинной энергии Земли и почему они излучаются направленными пучками.
Конечно, слабости гипотез о глубинных силах планеты еще не доказывают верности гипотезы о господстве на Земле поверхностных процессов и существовании круговоротов литосферы.
Некогда А. П. Чехов писал, что хорошая пожарная команда приезжает на место происшествия за полчаса до пожара, а у хорошего ученика ответ готов еще до того, как учитель придумает вопрос. Ну а если говорить без шуток, у предусмотрительного ученого всегда появляются убедительные возражения против еще не высказанной гипотезы. Например, известный геолог-тектонист В. Е. Хаин высказал некоторые соображения, казалось бы отрицающие саму возможность изодинамики. Вот его слова: "Довольно легко показать, что крупные седиментационные бассейны не могут возникнуть только вследствие изостазии, под тяжестью накапливающихся осадков. Об этом говорит прежде всего существование глубоководных впадин, не заполненных осадками, с некомпенсированным погружением". Изодинамические движения, связанные со стремлением к нарушению изостазии и сохранению неравновесного состояния благодаря действию механизма геосфер, эрозия возвышенностей и накопление осадков по окраинам континентов, образование круговоротов земной коры - все это формирует глубоководные желоба. Отсутствие глубокозодных желобов можно объяснить, например, низкими скоростями накопления осадков и отсутствием круговорота литосферы; небольшими мощностями континентальной плиты на данном участке и т. д. Пожалуй, существование глубоководных впадин подтверждает наличие круговоротов литосферы.
Далее В. Е. Хаин пишет: "Если бы дно бассейна прогибалось лишь под тяжестью осадков, мы бы наблюдали его прогрессивное обмеление, так как в силу разности удельных весов осадков и подкорового субстрата примерно на 1/3 каждые 100 м осадков для обеспечения изостатического равновесия должны вытеснить всего 80 м субстрата, т. е. опускание произойдет лишь на эти 80 м (В. Бухер). В случае, например, начальной глубины бассейна в 100 м дно этого бассейна поднимется до уровня моря уже после отложения 500 м осадков. Для того чтобы объяснить накопление 12-километровой толщи карбона Донецкого бассейна, надо допустить, что первоначальная глубина последнего была равна 2400 м. Это совершенно невероятно, так как самые глубоководные осадки здесь - это известняки с кораллами и водорослями, которые не могли образовываться на глубинах более 50 м".
Действительно, невозможно объяснить тектонические движения одной лишь добавочной нагрузкой, если рассматривать опущенный блок изолированно. Это допустимо только при ледниковой нагрузке, поэтому накопление льдов не может идти бесконечно при наличии первоначальной впадины, которая затем должна прогибаться под давлением толщ льда.
Но это частный случай. В остальном изодинамика делает неизбежным погружение впадины, которую надо обязательно рассматривать как единое целое с сопряженными областями (или областью) поднятий.
Механизм геосфер не только создает пригрузку осадков в прогибе, но и срезает возвышенные участки. Поднимающийся блок вызывает компенсационное опускание сопряженного блока. Оно усугубляется переносом сюда осадков. Осадочные породы, погружаясь, обезвоживаются и уплотняются, и объемный вес их возрастает.
Под действием высоких температур и давлений происходят геохимические и геофизические преобразования пород, связанные, в частности, с перестройкой кристаллических решеток минералов, с выносом летучих и легко растворимых компонентов, а также органического вещества. Возможно, поэтому в глубоких прогибах в спектре определенных глубин формируются месторождения природных газов, нефти, минеральных вод.
В системе двух сопряженных блоков изодинамические движения после фазы максимальной амплитуды могут постепенно ослабевать. Этому способствует, в частности, накопление хемогенных и биогенных осадков, которые не связаны с активным и относительно близким переносом вещества, как это характерно для обломочных пород. К тому же в поднимающемся блоке эродируются относительно легкие осадочные породы верхней части, а снизу поступают относительно тяжелые подкоровые массы. И, как в случае с опускающимся блоком, на каждые 100 м подъема лишь 80 м будут эродированы, а оставшаяся доля компенсируется благодаря разности удельных весов осадков и подкорового субстрата.
Следовательно, для некраевых блоков может все-таки наступить равновесие, когда прекратятся изодинамические движения и наступит полная изостазия региона.
Имеющиеся данные по всем платформам свидетельствуют о повсеместных движениях поверхности земли. Относительно неподвижные зоны - это по существу просто границы между областями поднятий и опусканий.
На картах неотектонических движений отчетливо выделяются области сопряженных движений - опусканий и поднятий - на платформах. Хотя размах этих движений сравнительно невелик, они проявляются отчетливо и устойчиво, охватывая не только области былого материкового оледенения, но и, скажем, Казахскую плиту, где гляциоизостазия могла сказываться лишь косвенно, как отголосок процессов, идущих за тысячу километров от этих мест.
"Систематическое проведение тахиометрических съемок, а также лимнологические, биогеографические, орогидрографические, геоморфологические и другие наблюдения показывают, что вертикальные движения литосферы, отражающие в целом тектоническую активность Земли, подчас протекают с весьма большими скоростями...
Наблюдения показывают, что с течением времени знак вертикальных движений земной поверхности меняется на противоположный... Следовательно, вертикальные движения земной коры благодаря смене знака могут быть одновременно названы и колебательными", - пишет геолог И. А. Одесский. Причину волновых движений земной коры он видит в космических воздействиях на нашу планету в соответствии с идеями, развиваемыми сторонниками астрогеологии (Б. Л. Личковым, Д. В. Наливкиным, Г. Ф. Лунгерсгаузеном и др.).
Не отрицая большого значения в жизни Земли астрономических сил, попытаемся объяснить волновые движения земной коры в рамках нашей модели.
На платформах изодинамические колебания со временем затухают. Но одновременно все отчетливее должны проявляться изостатические движения в их классическом виде. Когда впадина исчезает и рельеф двух сопряженных блоков нивелируется, для изодинамики не остается главной движущей силы - перепада высот. К этому времени строение земной коры в двух сопряженных блоках будет разное. В поднимавшемся земная кора будет тоньше, а слагающие ее породы, прошедшие путь подземных превращений, метаморфизма, дегазации, дегидратации и, возможно, переплавления и перекристаллизации, будут иметь относительно высокий удельный вес. Погружавшийся блок будет легче (неметаморфизованные осадки), а земная кора здесь - мощнее.
Возникнет изостатическая аномалия. Блоки земной коры вновь придут в движение, стремясь уничтожить ее. Опускавшийся блок станет всплывать, а поднимавшийся - опускаться. Возникший перепад высот послужит как бы пружиной, пустившей в работу ход геосфер.
Со временем механизм изостазии постепенно ослабнет, а изодинамика с увеличением размаха рельефа увеличит мощь. Позже и эта "естественная пружина" будет сдавать. Но одновременно, как мы уже знаем, начнет накапливать энергию механизм изостазии.
Когда изодинамика сойдет на нет, вновь произойдет инверсия движений сопряженных блоков и вступит в силу механизм изостазии.
Взаимодействием механизмов изодинамики и изостазии можно объяснить многочисленные гравитационные аномалии, обнаруживаемые геофизиками практически повсеместно на Земле. Для нашей модели состояние изостатического равновесия - переходное, не характерное, осуществляемое лишь в тот проходящий момент, когда оба блока имеют одинаковый вес. Действие механизма геосфер неизбежно нарушает это состояние.
Другим следствием нашей модели должно быть преобладание на платформах отрицательных движений. Это связано с особенностями движения всего платформенного блока, испытывающего общее опускание, компенсирующее общее поднятие геосинклинальных блоков. На подобный процесс указывает, во-первых, факт накопления на платформах нередко значительных осадочных толщ (при общем равновесии платформ накопление осадков должно было бы компенсироваться их эрозией). Во-вторых, на платформах известны крупные впадины со значительными отрицательными абсолютными отметками (в Прикаспии, на Мангышлаке до - 132 м, в Синь-цзяне до-151 м), а также крупные морские и озерные бассейны.
Приуроченность гор к определенным параллелям (преимущественно к тридцать пятым и шестьдесят первым) издавна отмечалась географами. Моряки знают о "ревущих сороковых" и шестидесятых широтах. Следовательно, все три геосферы (атмо-, гидро- и литосфера) испытывают какие-то общие возмущения. Об этом много писал, в частности, известный советский географ и геолог Б. Л. Личков. Он же подчеркивал наличие критических параллелей (35°) у Солнца, выявляемых по развитию солнечных пятен. Совместно с И. И. Шафрановским Б. Л. Личков показал, что и кристаллы, испытывающие внешние воздействия, деформируются в соответствии с теми же "критическими широтами".
В дальнейшем Г. Н. Каттерфельд математически обосновал существование критических широт и связал их с вращением Земли, объясняя действием ротационных сил особенности формы континентов и расположения океанов и континентов на поверхности планеты.
По мнению Б. Л. Личкова, "приливы, относящиеся к гидросфере, влияют на землетрясения, с одной стороны, ас другой - обусловливают климатические перемены. Приливы создают напряжения, передающиеся через тело материка и создающие дислокации, параллельные его береговым линиям... Нетрудно убедиться, что при вращении Земли те же 35-е параллели, на которых создаются горы, проявляют свое особое положение также для атмосферы и гидросферы..." Ученый связывал эти процессы с гравитационными воздействиями извне (притяжение Солнца, Луны, изменение скорости вращения Земли), а также с особенностями распределения лучистой энергии Солнца у поверхности Земли.
"Выводы нашей тектонической теории, - писал Б. Л. Личков, - о создании гор вследствие взаимодействия оболочек Земли можно понять так, что поднятие гор есть резонанс приливного воздействия на литосферу гидросферы и атмосферы. Возможно, что этот резонанс можно понять как своего рода поднимающуюся приливную волну литосферы, возникающую вследствие воздействия на нее остальных оболочек. С представлением о приливном поднятии литосферы согласуется вертикальный характер возникающих при этом поднятий". Следовательно, на отдельных участках эрозия происходит особенно интенсивно. В плоской, одномерной модели участки эти приурочены к контакту континентальной и океанической плит. Подтверждается это существованием великого Тихоокеанского кольца повышенной тектонической, вулканической и геоморфологической активности. Здесь, в частности, отмечены максимальные для всей планеты амплитуды рельефа поверхности литосферы - более 12 км в районах океанических желобов.
В пространственной модели к этой закономерности следует добавить активность атмосферы и гидросферы в "критических широтах", приводящую к усилению работы механизма геосфер и к интенсивному горообразованию. Подъем поверхности Земли вызывает в свою очередь усиление эрозии, способствует возрастанию количества атмосферных осадков.
То же относится и к участкам, где наиболее активно действует морская абразия из-за наибольшего проявления приливных сил или океанических течений. Например, течение Куросио, возможно, вносит свой вклад в тектоническую активность восточного побережья Японии...
Характерный серповидный рисунок островных дуг, а также многих горных хребтов и океанических побережий, к которым обычно приурочены глубоководные желоба и вулканически активные зоны, хотелось бы объяснить существованием здесь круговоротов литосферы. Эти дуги представляют собой поднимающиеся блоки, с которыми сопряжены глубоководные желоба и отчасти моря, примыкающие к континентам; цепи островов выгнуты в сторону поступательного движения круговоротов литосферы.
Итак, на поверхности континентов в активных геосинклинальных областях, по-видимому, действуют мощные круговороты вещества земной коры и подкорового субстрата (круговороты литосферы). Здесь - как бы каменный шторм, причем волны имеют не только вертикальную, но и горизонтальную составляющую.
На платформах волны очень пологие и сравнительно небольшие по амплитуде (каменный штиль). И те и другие волны определяются блоковым строением земной коры и взаимодействием геосфер.
Замкнутые круговороты литосферы имеются в прикраевых областях континентов. На других территориях преобладают вертикальные колебательные движения. В ряде случаев круговороты могут быть замкнуты в геосинклинальных областях, когда вследствие большого размаха вертикальных движений земная кора в отдельных поднятых блоках будет почти полностью эродирована, что приведет к выходу на поверхность грубинных пород.
С учетом и поверхностного и подземного рельефа земной коры можно уточнить, что молодость, зрелость и старость рельефа - состояния весьма устойчивые. Старение рельефа есть функция пространства - времени. Оно связано с удалением территории от тектонически активных зон (контакты континентов с океанами, "критические широты", активные участки механизма геосфер, рифты). Старость рельефа означает утончение земной коры и ее консолидацию, затухание круговоротов литосферы,
В советской геоморфологии за последнее время все чаще используются понятия о геотектуре, морфоструктуре и морфоскульптуре, предложенные И. П. Герасимовым. На этом подразделении основана монография Института географии "Рельеф земли". "... К элементам геотектуры,- пишут И. П. Герасимов и Ю. А. Мещеряков, - относятся самые крупные (первого порядка) черты рельефа Земли... К элементам геотектуры принадлежат материковые выступы, океанские впадины, крупные горные системы, платформенные равнины". Вместе с тем, как верно заметил в той же работе Ю. А. Мещеряков, "геоморфологическая эволюция в течение последних периодов истории Земли может быть кратко представлена таким образом: континент - океан".
Хотелось бы чуть дополнить эту формулу: контннент - океан. В таком виде она, возможно, будет отвечать самой общей закономерности развития земной коры на протяжении едва ли не всей геологической истории. На континентах встречается кора океанического типа, хотя и очень редко (в рифтовых зонах Красного моря, в Средиземном море), а на окраинах океанов встречаются области с корой континентального типа. Подобные явления вполне естественны: между этими двумя планетарными структурами (континент и океан) идет постоянное взаимодействие, хотя, по-видимому, для геологической истории наиболее характерно увеличение массы коры континентального типа из-за переработки планетарного вещества механизмом геосфер.
Можно выделить по крайней мере четыре иерархических уровня планетарных структур: континенты и океаны; платформенные равнины, древние и современные геосинклинали, континентальные склоны и другие геотектуры; крупнейшие глыбы земной коры - горные хребты, плато, низменности и т д.; отдельные блоки - сравнительно небольшие, но относительно самостоятельные части этих глыб.
Конечно, блоки разных порядков вовсе не обязательно разделены зонами тектонических нарушений или глубинных разломов; все они образуют в пределах более крупной системы единое целое; лишь континенты и океаны более или менее резко обособлены.
"В действительности, - справедливо отмечает В. Е. Хаин, - строение земной коры нельзя считать чисто или преимущесгвенно глыбовым, вернее слоисто-глыбовым, ни исключительно или даже преимущественно складчато-волновым. Оно является в целом глыбово-волновым, причем на разных глубинах и на разных участках преобладает то складчато-волновые, то глыбовые разрывные деформации. Эта особенность заставляет нас осторожно говорить о "зонах", а не о разломах или дислокациях: в зонах на контакте двух плит, глыб или мелких блоков могут проявляться и разрывы, и смятия, и пластические течения, и перетирание пород, и метаморфические и магматические процессы".
Вернемся к нашей модели, дополнив ее с учетом иерархии структур. Посмотрим, как, например, будет моделироваться рифт. Он возникает или в зоне длительного прогибания, дающей начало круговороту литосферы, или при разрывах земной коры в процессе движения материка. В обоих случаях земная кора должна испытывать растяжение и опускание.
В центре рифта отдельные глыбы максимально опустятся. Блоки, выступающие на верхних частях склонов впадины, будут подвергаться эрозии, а в нижних частях склонов - пригружатьея обломочными породами. Вступит в действие местный механизм изодинамики. Эродируемые блоки будут всплывать, пригруженные - опускаться. По обе стороны от оси впадины должны возникать прогибы, а за ними - поднятия. По оси впадины - компенсационное поднятие.
Эрозия отдельных блоков будет проходить асимметрично: ведь наиболее активно срезаются выступы, обращенные к центру прогиба, и пригружаются обломочным материалом противоположные участки блоков. Блоки будут давить на свое основание не вертикально вниз, а с наклоном в сторону коренного борта. И сила, выдавливающая блоки, будет стремиться повалить их, наклонить в противоположную от оси впадины сторону, В результате блоки должны отклониться от вертикального положения.
Действительно, едва ли не повсеместно в рифтовых зонах наблюдается запрокидывание блоков в сторону коренного борта, а также центральное поднятие по оси рифта и компенсационные поднятия или вторжения магматических пород на участках, обрамляющих рифтовую зону. Не подтверждается ли этим верность наших схематических построений?