Дрейф материков и глобальная эволюция Земли

ДРЕЙФ МАТЕРИКОВ КАК ПРИЧИНА ГЛОБАЛЬНЫХ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ И ЭВОЛЮЦИИ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ

ДРЕЙФ МАТЕРИКОВ — ГЛАВНАЯ ПРИЧИНА ЭВОЛЮЦИИ «ЛИКА ЗЕМЛИ», КЛИМАТА И ОКЕАНИЧЕСКИХ ТЕЧЕНИЙ

Уже несколько десятилетий назад при изучении геологической истории Земли были выявлены и для того времени довольно удовлетворительно объяснены такие общепланетарные явления, как трансгрессии и регрессии, глобальные изменения климатов, в частности ритмика ледниковых и практически безморозных эпох, океанических течений и т. д. Эти глобальные климатические и океанические вариации наиболее уверенно, разумеется, были зафиксированы в фанерозое хотя чередование безледниковых периодов и крупных покровных оледенений было и в докембрии (Чумаков, 1978).

Естественно, что и до появления теории тектоники литосферных плит предпринимались многочисленные попытки объяснить природу этих явлений. Так, например, флюктуации уровня моря Г. Штилле связывал с заполнением океана обломочным материалом, с опусканием дна по вертикальным разломам, с орогеническими циклами и другими причинами. В конце 60-х — начале 70-х годов была высказана и количественно проверена гипотеза, согласно которой глобальные трансгрессии и регрессии Мирового океана обусловлены изменением средней высоты срединно-оке- анических хребтов, а она, в свою очередь, является (как теперь хорошо известно) функцией средней линейной скорости нарастания океанической литосферы.

На протяжении нескольких десятилетий многими исследователями (в нашей стране В. П. Казариновым. А. Б. Роновым, Н. М. Страховым. А. Л. Яншиным и др.) по эмпирическим данным проводились количественные оценки амплитуд изменения площадей суши и моря. Сделанное неравно критическое обобщение наиболее репрезентативных данных по территориям СССР и США (Яншин, 1973; Казаринов, 1976) позволяет считать, что на протяжении фанерозоя имели место по крайней мере две крупные общепланетарные трансгрессии. Ближайшая к нам происходила в меловое время, а ее максимум был в позднем мелу, 100—80 млн. лет назад. Вторая крупная трансгрессия имела место в девоне; возможна и третья — в ордовике.

Количественная проверка гипотезы о том, что причиной глобальных трансгрессий и регрессий служат вариации средних скоростей приращения океанической литосферы, была сделана (насколько это позволили данные о возрасте дна океана) для позднемело- вого и кайнозойского времени. Результаты геоисторического анализа аномального магнитного поля океана и эмпирическая зависимость глубины дна от возраста океанической литосферы позволяют рассчитать объем каждого фрагмента системы срединно- океанических хребтов, возвышавшегося от 110 до 10 млн. лет назад над уровнем 5500 м.

Несмотря на то что история развития впадины Индийского океана теперь достаточно хорошо известна, изменения глубины дна этого океана, так же как и Тетиса, в расчетах не были использованы, главным образом ввиду плохого знания истории эволюции глубины дна этой ныне почти исчезнувшей океанической впадины. При оценке по вариациям суммарного объема срединно-океани- ческих хребтов (над принятой глубиной дна 5,5 км) площадей суши, затопленных водой, естественно, учитывалось и'зостатическое погружение поверхности литосферы при увеличении толщины водного слоя и всплытие при регрессии воды. Кроме того, при оценках по геодинамической модели площадей современной суши, покрытых ранее, во время трансгрессии, водами Мирового океана, учитывалось, что примерно 85Х106 кв. км, т. е. около у6 площади поверхности Земли, характеризуется в настоящее время высотами от 0 до + 500 м. Отсюда при допущении линейного закона экстраполяции (что, конечно, верно лишь в первом приближении) принималось, что подъем уровня океана на 1 м приводит к затоплению 0,17 X 106 кв. км площади суши. При таких предположениях была получена теоретическая кривая изменения уровня поверхности океана за последние 110 млн. лет.

Сравнение теоретических результатов (рассчитанных по модели, в которой глобальные изменения глубины дна Мирового океана зависят только от средней скорости раздвижения океанических краев плит) с эмпирическими (полученными из подсчета по литологическим данным площади современной суши, ранее затопленной водами океана) дает вполне удовлетворительное совпадение. Заметим также, что эрозия позднемеловых морских отложений должна приводить к некоторому занижению эмпирических данных о величине максимальной трансгрессии. При сравнении теоретических и эмпирических данных необходимо также учитывать, что консервация воды в современных покровных ледниках, которых не было в позднем мелу и раннем кайнозое, приводит к изменению уровня океана на 60—65 м.

Другая причина глобальных регрессий и трансгрессий, а именно вариации средней скорости осадконакопле- ния в Мировом океане, как теперь можно оценить на основании анализа данных глубоководного бурения, влияет еще меньше.

Однако эмпирические данные по территориям СССР, США, наиболее изученным, показывают для отдельных отрезков времени, например для поздней юры, расхождения средних уровней океана на величину до 100 м. Такие различия могут быть обусловлены как относительными изменениями во времени средних высот каждого из этих континентальных участков, так и, возможно, существенными по площади вариациями ундуля- ций геоида из-за изменения местоположения глубинных аномальных масс во внешнем ядре и в мантии Земли. Если дальнейшие исследования глобальных вариаций аномалий силы тяжести действительно установят крупные временные вариации низких гармоник аномального гравитационного поля Земли, то этот эффект, приводящий к региональным вариациям поверхности океана с максимальной амплитудой около 100 м, может обусловить существенные различия в уровне поверхности океана и, следовательно, разные уровни затопления разных континентов в одно и то же время.

Поэтому дальнейшие, более детальные и целенаправленные экспериментальные и теоретические исследования глобальных и региональных вариаций уровня океана представляются вполне актуальными. В настоящее время можно только достаточно уверенно констатировать, что главной, хотя и не единственной причиной глобальных регрессий и трансгрессий служат изменения во времени средних скоростей нарастания океанической литосферы в рифтовых трещинах. Но ведь изменения средней скорости раздвижения краев плит в рифтовых трещинах (и конечно, средней скорости погружения плит на конвергентных границах) определяют вариации во времени суммарных теплопотерь нашей планеты. Теплопотери будут максимальными при больших скоростях раздвижения и, следовательно, будут совпадать с трансгрессиями, тогда как минимальные теплопотери — с регрессиями. Простые оценки показывают, что амплитуда таких глобальных вариаций теплопотерь (характерный период которых близок к 150 млн. лет) достигает 10—12% от суммарной величины. В частности, согласно этой модели, суммарные теплопотери в позднем мелу, около 80 млн. лет назад, должны были быть почти на 20 % больше, чем в настоящее время.

Вполне естественно считать, что регрессии и трансгрессии уровня океана должны были существенно влиять на глобальные вариации климата нашей планеты в ее геологическом прошлом. Из-за того, что теплоемкость воды намного больше теплоемкости- континентальных горных пород и атмосферы, всякое существенное увеличение площади морской поверхности за счет уменьшения суши смягчает сезонные и широтные изменения климата. При затоплении водой до 40 и более процентов площади поверхности континентов смягчающее воздействие трансгрессии на глобальные вариации климата в умеренных и высоких широтах должно быть достаточно велико, особенно если учесть, что расширение эпиконтинентальных морей создавало новые морские коридоры, по которым мог происходить адвективный теплообмен между низкими и высокими широтами. В период регрессии по мере отступания моря возрастала общая континентальность климата Земли, увеличивались сезонные контрасты, а также происходило похолодание в умеренных и высоких широтах.

На широтную зональность климата существенно влияло также пространственное расположение материков и океанов. Действительно, при условии относительного постоянства во времени величины солнечной радиации количество энергии, затрачиваемое на нагревание атмосферы и поверхности нашей планеты, является функцией ее отражательной способности, т. е. альбедо. Хорошо известно, что величина альбедо меняется в очень широких пределах — от 0,05—0,10 для океана, который поглощает значительно больше солнечной энергии, чем поверхность суши, где альбедо изменяется от 0,15 до 0,90 для снега и льда. Поэтому альбедо и служит важнейшим клима- тообразующим фактором.

Другой весьма важный климатообразующий фактор, тесно связанный с первым, — способность к накоплению солнечного тепла, поступающего через атмосферу к поверхности нашей планеты. Океаны и моря благодаря малому альбедо воды, ее прозрачности и теплоемкости, а следовательно, и способности переносить тепло на достаточно большую глубину служат тепловым резервуаром нашей планеты (по сравнению с сушей, сохраняющей довольно малый запас солнечного тепла). Крупные области суши, попадая по мере перемещения ансамбля литосферных плит в полярные регионы, начинают постепенно покрываться сначала горными ледниками, а затем (из-за большого альбедо льда и постепенного охлаждения всей полярной области) и покровным оледенением. Последнее, таким образом, играет роль глобального холодильника*. Следовательно, наиболее резкая широтная зональность на Земле будет иметь место тогда, когда при прочих равных условиях в обеих полярных областях располагаются крупные массивы суши. Уменьшение площади поверхности суши в полярных областях, например в результате трансгрессии, и тем более полное отсутствие в этих областях крупных материковых фрагментов приводит к значительному сглаживанию широтной зональности и глобальному потеплению климата Земли. Такова принципиальная основа для количественной оценки влияния трансгрессий и регрессий, а также пространственного расположения материков и океанов на климат нашей планеты в различные периоды ее геологической истории.

При построении на мобилистской основе качественных и количественных палеоклиматических моделей необходимо учитывать достаточно много параметров, которые могли весьма существенно варьировать в геологическом прошлом. В частности, в настоящее время ни у кого не вызывает сомнения, что атмосфера (эта климатическая шуба на поверхности нашей планеты) существенно эволюционировала по своему химическому составу в процессе всей геологической истории Земли, постепенно увеличиваясь по массе. Естественно считать, что количественная глобальная модель для расчета палеоклимата должна быть в принципе близка к современным метеорологическим моделям долгосрочного прогноза, которые основаны на вычислении теплового баланса поверхности Земли.

Первые, полученные согласно теоретической модели результаты свидетельствуют о том, что в мезозое климат северного полушария (а расположение материков и океанов в южном полушарии позволяет считать, что и на всей Земле в целом) был достаточно мягким и теплым. Среднегодовая температура поверхности даже на полюсах должна была быть несколько выше нуля, тогда как в тропиках она не превышала 30° С. Напомним, что сейчас среднегодовая температура на экваторе 27° С, на северном полюсе — 14° С, а на южном — около — 50° С, т. е. перепад температур в северном полушарии составляет 41° С, а в южном — 77 С. Следовательно, даже на основании первой достаточно грубой количественной оценки средний градиент температур от полюса к экватору получается в мезозое почти в 2 раза меньше, чем в наше время. Похолодание началось в середине кайнозоя и особенно сильным было во второй его половине.

Сравнение расчетных данных с эмпирическими, полученными по отношению изотопов кислорода и по маг- незиальности в органогенных карбонатах, дает хорошее соответствие среднегодовых температур для территории Европы. В юре она составляла 18—22° С, в меловой период — 20—24° С (современная среднегодовая температура в этой области —около 12° С). Но рассчитанная модель занижает температуру в юрское и меловое время для территории Канады и Восточной Гренландии почти на 10° С. Как нам представляется, одной из наиболее вероятных причин такого занижения теоретической температуры в модели может быть неучет смягчающего влияния меловой трансгрессии, особенно существенной в средних и высоких широтах.

Таким образом, можно считать, что рассмотренная количественная модель дает даже занижение значения температуры в средних и высоких широтах по сравнению с наблюдавшимися в природе в мезозое и кайназое. Общее похолодание климата на Земле произошло в течение кайнозоя, и оно развивалось особенно быстро во второй его половине, начиная с олигоцена. Причин здесь было две: первая — в кайнозое материки подошли к полюсам, а Антарктида уже с начала кайнозоя находилась в околополярном регионе; вторая — позднекайнозойская регрессия, которая усугубилась начиная с миоцена превращением значительного объема воды в лед. Все это привело в конечном счете к существенному похолоданию и в северном полушарии, начавшемуся здесь около 10 млн. лет, оно особенно усилилось около 3—3,5 млн. лет назад. Для того чтобы лучше понять природу глобальных и некоторых других крупных региональных изменений климата в мезозое и кайнозое, необходимо рассмотреть изменение течений в Мировом океане за этот период, начиная с распада Пангеи.

Реконструкция океанических течений геологического прошлого представляет собой сложную задачу и основывается главным образом на косвенных данных. Благодаря исследованиям механизма современного океанического осадочного процесса удалось найти определенные индикаторы для восстановления палеотече- ний. Это литологические, палеонтологические и палеотермометрические показатели. Основные предпосылки для реконструкции палеотечений следующие. 1. В пределах мощных экваториальных поверхностных течений скорости накопления терригенного осадочного материала высоки по сравнению со скоростями в областях, где течения отсутствуют. 2. В районах мощных течений новообразование минералов в глубоководных зонах существенно замедляется. 3. На границе областей развития экваториальных течений усилена вертикальная циркуляция. В зонах дивергенций (зона подъема глубинных вод) поверхностные воды обогащены питательными веществами и, следовательно, увеличена продуктивность зоопланктона, что находит отражение и в составе осадков (преобладает органическая составляющая). Особенно характерны для зон дивергенций области кремненакопле- ния. 4. Распределение в осадках те- пло- или холоднолюбивых планктонных организмов, так же как и распределение палеотемператур, позволяет реконструировать палеотечения.

В современную эпоху важнейшие поверхностные течения представлены следующим образом. В тропиках с востока на запад поверхностные воды переносятся Северным и Южным пассатными течениями, близ экватора развито мощное экваториальное противотечение. У западных побережий океанов пассатные течения отклоняются на север и юг и, достигнув высоких широт, вливаются в течения восточных направлений. В южном полушарии формируется единое течение западных ветров, от которого у восточных побережий отходят ветви холодных течений. В северном полушарии течения западных направлений у побережий раздваиваются. Южные ветви переносят холодные воды к экватору и смыкаются с Северным пассатным течением, а северные ветви образуют самостоятельные круговороты.

История развития климата и взаимное расположение континентов, рассмотренные выше, позволяют считать, что в течение фанерозоя, так же как и в настоящее время, преобладал широтный перенос поверхностных вод в океане. Отсутствие или слабое проявление температурных градиентов в отдельные периоды фанерозоя дает основание предполагать и слабое по сравнению с современной эпохой развитие палеотечений. Однако, несмотря на то что даже в меловой период градиенты были значительно меньше, чем в настоящее время, и в полярных широтах существовали почти субтропические условия, удается восстановить общую картину течений.

В. Гордон (Gordon, 1973) на основании палеобиогеографической зональности реконструировал систему течений в меловой период. В экваториальной зоне, как и в настоящее время, существовало единое крупное течение. Осуществлялся обмен вод между океанами. Системы экваториальных и приполярных течений образовывали водовороты, сходные с современными. Теплые воды у западных побережий океанов отклонялись к северу и к югу от экватора, а у восточных — холодные течения направлялись в сторону экватора. В приполярных районах восточные течения компенсировали приток вод к западному побережью из экваториальных зон. Положение материков в меловое время заставляет сомневаться в существовании в южном полушарии единого течения западных ветров. Также мало вероятно, по геологическим данным, существование широкого водообмена между Тихим, Атлантическим и Северным Ледовитым океаном.

Таким образом, раннеюрское раскрытие впадины Северной Атлантики, которая в то время располагалась в тропиках, привело к образованию и последующему усилению в раннем мелу глобального, направленного по часовой стрелке, циркумэкваториаль- ного течения. Оно служило главной причиной хорошо известного палеонтологам расселения космополитической тропической флоры и фауны. В позднеюрское время в Северной Атлантике начал формироваться Па- лео-Гольфстрим, который проходил севернее нынешнего Ньюфаундленда и сравнительно мелководного и только еще возникшего Лабрадорского моря.

Хотя образование впадины Южной Атлантики относится к началу мела (около 130 млн. лет назад), но на протяжении большей части раннемелово- го времени этот бассейн оставался изолированным от остального океана. Это привело к тому, что вплоть до апт- ского века происходило накопление толщи эвапоритов. Оно закончилось (105—110 млн. лет назад), когда произошло опускание (из-за остывания и увеличения толщины литосферы) хребта Валвис (Китовый) и подводного плато Сан-Пауло. Несколько позже, около 95 млн. лет назад, начался обмен фауной между океаном Тетис и Южной Атлантикой, а также между северным и южным атлантическим бассейнами, превратившимися в единый Атлантический океан. Вероятно, из-за наличия отдельных поднятий и перемычек и существования общего теплого климата в конце мезозоя ни в Северной, ни в южной Атлантике не найдено доказательств активных придонных глубоководных течений, существовавших раньше кайнозоя.

Вплоть до начала миоценовой эпохи, когда произошло столкновение Аравии и Евразии и образование двух изолированных впадин — Средиземноморской и Индоокеанской, Тетис и пришедший ему на смену после соединения Индостана с Азиатским материком Индийский океан служили проводниками глобального циркумэква- ториального течения. Кроме того, в мелу и палеогене тропическая область Тетиса оставалась одним из главных аккумуляторов солнечного тепла и поставщиком теплых придонных водных масс в умеренные и даже высокие широты Мирового океана.

Тихоокеанская впадина является «прямой наследницей» раннемезозой- ского Панталасса, воды которого, вероятно, разогревались на протяжении большей части триасового и юрского времени. Панталасские осадки, образованные ранее середины юры, к настоящему времени или погрузились в мантию, или законсервированы в существенно деформированном виде в аккреционных призмах — островных дуг по периферии Тихого океана. Поэтому на основании контуров единой океанической впадины в юрское время можно лишь предполагать, что (до открытия Северной Атлантики и образования глобального циркумэква- ториального течения) в пределах Мирового океана должно было иметь место достаточно широкое, направленное к западу теплое экваториальное течение, разделявшееся на северную и южную ветви.

Продолжавшееся в позднем мезозое и кайнозое разделение и удаление Друг от друга материковых фрагментов Пангеи привели к возвращению Антарктиды в самом конце мелового времени в полярный район и, как следствие, к началу работы южного « глобального холод ильника». Этот фактор, усиленный кайнозойской регрессией, привел к общему похолоданию климата нашей планеты, прежде всего за счет понижения температуры в полярных областях. Проникновение теплых вод в холодные приполярные области, их охлаждение и опускание привели к существенной термической стратификации Мирового океана по глубине, к развитию мощных глубинных течений и, как следствие, к эрозии и переотложению осадков на обширных областях. Это явление началось в олигоцене, и его интенсивность существенно возросла в миоцене. Он о было обусловлено двумя главными, действовавшими в одном направлении причинами. Во-первых, постепенным охлаждением климата полярных регионов и началом оледенения Антарктиды и, во-вторых, вскрытием прохода через моря Дрейка и Тасманово, т. е. разделением последних континентальных барьеров, препятствовавших образованию мощного глубинного циркумантарктического течения, которое было еще усилено после почти полного закрытия прохода океанических вод между Юго-Восточной Азией и приближающейся к экватору Австралией.

Разраставшаяся в течение кайнозоя впадина нынешней Полярной и Субполярной Атлантики и смещение обрамлявших ее материков к северу также способствовали общему охлаждению климата нашей планеты, что привело в раннем плиоцене к началу развития покровного оледенения в северном полушарии, в районе Чукотки и Аляски. В настоящее время на основании результатов глубоководного бурения в Северной Атлантике установлено, что покровное оледенение Канады, Гренландии и Фенноскандии началось около 3 млн. лет назад. Можно предполагать, что быстром) распространению Аляскинско-Чукотского оледенения в Европу и Гренландию препятствовало осушение площади Средиземноморского бассейна, когда около 5 млн. лет назад на протяжении 1 млн. лет был прекращен доступ в этот глубокий бассейн атлантических вод. Это и привело к мощному накоплению эвапоритов на дне Средиземного моря, а также к развитию более теплого и сухого климата по всей Европе.

Другое тектоническое событие, которое, вероятно, также могло косвенным образом повлиять на развитие покровного оледенения в Европе и полное перекрытие островной вулканической дугой Панамского пролива, происшедшее около 3,5 млн. лет назад. Следствием этого явилась интенсификация Гольфстрима. Приток теплых вод в высокие широты Субарктики способствовал увеличению здесь испарения и выпадению большего количества осадков над Гренландией и Восточной Канадой. При существовавшем в этих районах холодном климате обилие осадков приводило к наращиванию ледового покрова. Интересно отметить, что на протяжении большей части кайнозоя через Арктический бассейн циркуляция вод происходила только в одном направлении — из Атлантического в Тихий. Лишь 3—3,5 млн. лет назад, т. е. почти одновременно, с началом оледенения Фенноскандии и Канады, началось проникновение тихоокеанских вод в Атлантику, которое усиливалось в межледниковые периоды.