На разных этапах развития геологических знаний ученые пытались найти причину таких различий и на основе известных причинно-следственных связей создать гипотезу, объясняющую различие и особенности в строении и развитии земной коры. Такие гипотезы называют геотектоническими.
Первая гипотеза возникла во второй половине XVIII века и получила название гипотезы поднятий. Ее предложили М.В. Ломоносов, немецкие ученые А. фон Гумбольдт и Л. фон Бух, шотландец Дж. Хаттон.
Суть гипотезы в следующем – поднятия гор вызваны подъемом из глубин Земли расплавленной магмы, которая на своем пути оказывала раздвигающее действие на окружающие слои, приводившее к образованию складок, пропастей разной величины. Ломоносов впервые выделил два типа тектонических движений – медленные и быстрые, вызывающие землетрясения.
В середине XIX века на смену этой гипотезе пришла гипотеза контракции французского ученого Эли де Бомона. В ее основе была космогоническая гипотеза Канта и Лапласа о происхождении Земли как первоначально раскаленного тела с последующим постепенным охлаждением. Этот процесс приводил к уменьшению объема Земли, и в результате Земная кора сжималась, и возникали складчатые горные сооружения подобные гигантским «морщинам». Для своего времени это была прогрессивная гипотеза, достоинством которой является разработка учения о геосинклинальном, орогенном и платформенном этапах развития земной коры. Но с позиций этой гипотезы было трудно объяснить, почему смятие происходит в определенных зонах, и почему этот процесс был периодическим.
В середине XIX века англичанин Д. Эйри и священник из Калькутты Д. Пратт открыли закономерность в положениях аномалий силы тяжести – высоко в горах аномалии оказывались отрицательными, т.е. обнаруживался дефицит массы, а в океанах аномалии были положительными. Чтобы объяснить это явление предложили гипотезу, согласно которой земная кора плавает на более тяжелом и вязком субстрате и находится в изостатическом равновесии, которое нарушается действием внешних радиальных сил.
Эта гипотеза, не имея широкого самостоятельного значения, тем не менее, в части движения земной коры по субстрату легла в основу другой геотектонической гипотезы.
Космогоническую гипотезу Канта-Лапласа сменила гипотеза О.Ю. Шмидта о первоначальном твердом, холодном и однородном состоянии Земли. Возникла необходимость иного подхода в объяснении формирования земной коры. Такую гипотезу предложил В.В. Белоусов. Называется она радиомиграционная. Суть этой гипотезы:
1. Основной энергетический фактор – радиоактивность. Разогрев Земли с последующим уплотнением вещества происходил благодаря теплу радиоактивного распада. Радиоактивные элементы на начальных этапах развития Земли распределялись равномерно, и поэтому разогрев был сильным и повсеместным.
2. Нагревание первичного вещества и его уплотнение привело к разделению магмы или ее дифференциации на базальтовую и гранитную. В последней концентрировались радиоактивные элементы. Как более легкая, гранитная магма «всплывала» в верхнюю часть Земли, а базальтовая погружалась вниз. При этом происходила и температурная дифференциация. В то время как, верхняя гранитная часть остывала и кристаллизовалась, внутренняя часть за счет внутреннего разогрева расширялась, воздействовала на твердую оболочку и та начинала растрескиваться. По образовавшимся трещинам устремлялись лавы. Это приводило к потере энергии и охлаждению подкоровых областей. В местах наибольшего охлаждения происходило сжатие, земная кора прогибалась, и зарождались геосинклинали. В результате каждого геосинклинального цикла внедрялись гранитные магмы, и с ними происходила миграция радиоактивных элементов в верхнюю часть земной коры. Следствием этого явилось постепенное охлаждение внутренних частей Земли, которое привело к переходу от активных тектонических движений к более спокойным, т.е. от геосинклинального состояния к платформенному.
Недостатком этой гипотезы можно считать то, что с ее позиций трудно объяснить периодичность и синхронность тектонических процессов. Устранить этот недостаток должна была гипотеза пульсации. Согласно этой гипотезе Земля периодически испытывает периоды расширения, сменяющиеся периодами сжатия. В периоды расширения развиваются вертикальные движения, появляются разрывы в земной коре, интенсивно проявляется магматизм. В периоды сжатия происходит складкообразование, затухает магматизм.
Если проанализировать перечисленные гипотезы, то можно отметить для них общее:
1. Преобладание вертикальных (или радиальных) тектонических движений в процессе формирования земной коры.
2. Признание стабильного (фиксированного) положения отдельных частей земной коры относительно подстилающей мантии.
Эти гипотезы стали называть фиксистскими, а ученых, которые развивают идеи фиксизма, стали называть фиксистами. Современные геотектонические гипотезы разрабатываются, используя идеи мобилизма. В основе этой идеи лежат представления о преобладании в тектонических движениях земной коры горизонтальных движений
Гипотеза континентального дрейфа утверждает, что относительное положение континентов менялось на протяжении истории Земли. Внимательно рассмотрев очертания береговых линий западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки, невольно удивишься их потрясающему сходству. Еще в 1620 г. великий англичанин Фрэнсис Бэкон объяснял это совпадение возможной связью двух континентов в далеком прошлом. В 1912 г. А. Вегенер изложил наиболее полно гипотезу континентального дрейфа в своей книге «Происхождение океанов и континентов». Будучи метеорологом, он особенно заинтересовался тем, что в определенные прошлые эпохи оледенением были охвачены экваториальные области, в то время как в высоких широтах преобладали тропические условия.
Само по себе это наблюдение можно было бы объяснить сдвигом направления оси вращения планеты, происходящим без каких-либо перемещений в ее поверхностных оболочках. Однако Вегенер выдвинул множество качественных аргументов в пользу того, что в прошлом континенты примыкали друг к другу. Помимо сходства береговых очертаний он обнаружил соответствие геологических структур, непрерывность реликтовых горных хребтов и тождественность ископаемых остатков на разных континентах. Вегенер отстаивал идею о существовании единого суперконтинента Пангея, его расколе и последующем дрейфе образовавшихся континентов в разные стороны.
Позже А.Дю Тойт (1937) отверг идею единого суперконтинента, предполагая, что первоначально существовали северный континент Лавразия, южный Гондвана и разделяющий их океан Тетис. Согласно П. Хоффману (1991), за всю историю Земли континенты, по крайней мере, пять раз объединялись в суперконтинент, образуя поочередно Лаурентию (1,9 миллиарда лет назад), безымянный (1,5 миллиарда лет назад), Роднию (1 миллиард лет назад), Гондвану (650 миллионов лет назад) и Пангею (250 миллионов лет назад).
Проводившиеся в середине нашего столетия интенсивные исследования океанического дна привели к открытию глобальной системы подводных гор, так называемых срединно-океанических хребтов. Одновременно была выдвинута важная гипотеза, что в области осей океанических хребтов постоянно происходит формирование новых участков океанического дна, расходящихся в стороны от хребта. Действием этого процесса можно объяснить сходство очертаний континентальных окраин. Действительно, можно предполагать, что между частями расколовшегося континента образуется новый океанический хребет, а океаническое дно, наращиваемое симметрично в обе стороны от него, формирует новый океан. Скорее всего, таким образом, возник Атлантический океан, посреди которого теперь расположен рассекающий его на две части срединно-Атлантический хребет.
Концепция континентального дрейфа завоевала общее признание исследователей Земли лишь в период между 1967 и 1970 годами. До этого изучение твердой Земли велось в основном на континентах, где ярко проявляются вертикальные движения земной коры. Хотя в поддержку новой концепции выдвигались убедительные аргументы, почти все геофизики выступали против нее. Их возражения основывались, по большей части, на представлениях о жесткой мантии Земли – части земных недр, заключенной между корой и ядром, – и отсутствии эффективного механизма движения континентов.
Действительно, было известно, что через мантию могут распространяться поперечные сейсмические волны, и это свидетельствовало о ее твердом состоянии. Поэтому возникал весьма важный вопрос, каким образом твердое вещество мантии может допускать горизонтальное перемещение континентов на многие сотни и тысячи километров. С другой стороны, уже в конце прошлого столетия на основе измерений силы тяжести было высказано соображение, что мантия ведет себя подобно жидкости. Под горными массивами, например, располагаются легкие породы. Дефицит массы «горных корней», – лежащих под горными массивами пород, – примерно равен избытку масс выступающих вверх гор. Это можно объяснить, исходя из принципа гидростатического равновесия, если допустить, что мантия ведет себя как жидкость, на которой горные массивы плавают подобно льдинам на воде.
Как показали исследования высот прибрежных террас в Скандинавии, земная поверхность там все еще продолжает «всплывать» после таяния мощных слоев льда, намерзшего во время последнего ледникового периода. Исходя из скорости этого процесса, было установлено, что коэффициент вязкости материала мантии чрезвычайно велик, но не бесконечен, и, следовательно, в геологических масштабах времени, в течение многих миллионов лет, можно считать, что мантия ведет себя как жидкость.
Позже было установлено, что при температурах, равных заметной доле температуры плавления, активизируются так называемые процессы ползучести, позволяющие мантийным породам перетекать за времена порядка десять тысяч лет. Жесткая литосфера – кора и самая верхняя часть мантии – состоит из пород, температура которых достаточно низка, в силу чего они не могут испытывать течений даже за столь длительные промежутки времени.
Чтобы континенты могли двигаться, на них должны действовать силы. А. Вегенер предполагал, что движения в Земле, ответственные за континентальный дрейф, вызываются или приливными силами, или силами, связанными с вращением Земли. Однако позже английский геофизик сэр Г. Джеффрис показал, что эти силы оказываются недостаточными, и описал полученные результаты в своей книге «Земля: ее происхождение, история и строение». Для приведения в движение континентов необходимо найти какой-то другой механизм. Он должен обладать запасом энергии, достаточным, по крайней мере, для того, чтобы покрывать расход энергии, непрерывно теряемой при землетрясениях, вулканических извержениях и горообразовании.
В качестве такого гипотетического механизма была предложена тепловая конвекция – вертикальные потоки жидкого вещества мантии. Конвекция может возникнуть в жидкости, находящейся в поле силы тяжести, если жидкость нагревается снизу или изнутри и охлаждается сверху. В результате более холодные породы погружаются в глубь мантии, а нагретые поднимаются к поверхности Земли. Согласно одной из концепций, нагрев мантии происходит за счет радиоактивного распада изотопов урана 235U и 238U, тория 232Th и калия 40K.
В 60-х годах концепцию континентального дрейфа дополнительно подтвердили результаты палеомагнитных исследований. Под действием внешнего магнитного поля Земли породы в момент своего образования приобретают намагниченность, которая сохраняется в дальнейшем. Исследования ее ориентации позволяют определить, как перемещались относительно магнитных полюсов Земли породы за время, прошедшее с момента их образования. Образцы пород из разных частей одного и того же континента, не претерпевших локальных деформаций, указывают примерно одно и то же направление на магнитные полюса Земли. Однако породы Северной Америки и Европы дают различные положения магнитных полюсов. Отсюда делался вывод, что это различие возникло в результате относительного дрейфа двух континентов. Сопоставление расположения границ между областями с повышенным и пониженным значениями напряженности магнитного поля по сравнению с ее средним значением и оценка времени, за которое направление геомагнитного поля изменилось на противоположное, позволило количественно определить скорость раздвигания океанического дна.
Восстановление картины геологических процессов, протекавших миллиарды лет назад и знание механизма этих процессов имеет не только академическую ценность. Значение полезных ископаемых для современной промышленности нельзя переоценить. Детальное знание о процессах перемещения веществ в литосфере планеты может помочь прогнозировать перспективные для разработок районы. Приблизительно 3,5 млрд. лет назад на Земле зародилась жизнь. Возникновение жизни кардинально изменило химические процессы внутри планеты. Около 2,5 млрд. лет назад образовалась кислородная атмосфера, окислившая осадочные породы в океане, а ведь именно они опускаются в мантию в так называемых зонах субдукции.
Океанские осадки содержат в себе до 3% воды, несколько десятых процента углекислоты и, попадая в недра, реагируют с мантийным веществом, выплавляя оттуда редкие элементы. Обогащенный расплав в свою очередь поступает наверх и изливается через гигантские разломы – рифты, наращивая океанскую кору. Пройдя многократный процесс плавления, глубинное вещество, обогащенное редкими элементами, образует в земной коре гигантские залежи полезных ископаемых, как, например, Хибинский и Ловозерский массивы на Кольском полуострове, крупнейшие источники апатита и редких земель. Этот глобальный круговорот вещества подтверждает анализ изотопов стронция, неодима, осмия. Крупные месторождения можно открыть и сейчас, если этим заниматься, применяя точное знание.
Неотектонические (новейшие) движения проявились в различных частях Земли и определили её современный рельеф. Наиболее они проявились в формировании горного рельефа. Все горы на Земле сформировались в неоген – четвертичном периодах, реже палеоген – четвертичном, хотя по высоте они отличаются. Гималаи и Альпы – высокие, а Уральские горы значительно ниже первых. Это зависело от неравномерности проявления интенсивности неотектонических движений. Для изучения современных и неотектонических движений широко используется геоморфологические методы. С помощью топокарт и аэроснимков выявляют аномалии рельефа, которые отражают тектонические движения. Признаками неотектонических опусканий служит образование эстуариев, погружение террас ниже уровня моря, величина коралловых рифов более 40-60 м.
Научное и практическое значение изучения тектонических движений и результатов этих движений состоит в проведении палеотектонические реконструкций и возможности определять условия формирования строения земной коры. Реконструкции движений по разломам и определения путей движения рудоносных растворов и их концентрации в благоприятных структурных позициях позволяют на практике проводить целенаправленные поиски полезных ископаемых.