Лекция 24. Фиксизм и мобилизм, геотектонические гипотезы с позиции фиксизма

План

Борьба фиксизма и мобилизма.

Главнейшие геотектонические гипотезы с позиции фиксизма – контракции, изостазии, расширения, пульсации и др.

В настоящее время формирование земной коры и литосферы в целом рассматривается с различных позиций. Все многочисленные гипотезы и теории можно разделить на две группы. Первые рассматривают геотектонические движения с позиции фикзизма (лат. fixus – неподвижный), вторые - с позиции мобилизма (лат. mobilis – подвижный).

Сторонники фиксизма основную роль в формировании геологических структур отводят вертикальным колебательным движениям при отрицании существования сколько-нибудь значимых горизонтальных смещений крупных блоков земной коры. Обнаруженные горизонтальные смещения (надвиги, сдвиги), по их мнению, невелики и являются производными вертикальных подвижек.

Сторонники мобилизма считают, что в образовании земной коры и геологических структур основное значение имеют горизонтальное перемещения, а вертикальные подвижки являются производными этих перемещений.

Противостояние сторонников фиксизма и мобилизма относится к великим «геологическим спорам», таким же, как борьба катастрофистов и эволюционистов, нептунистов и плутонистов.

Гипотезы, рассматривающие геотектонические движения с позиции фиксизма весьма разнообразны. Среди них выделяют - гипотезы контракционная, изостазии, пульсационная, расширения земли, глубинной гравитационной дифференциации и др. Фиксистские гипотезы «старше» мобилистских, однако в настоящее время фиксизм во всех его разновидностях утерял доминирующую роль в мировой геологической науке.

Контракционная гипотеза была высказана французом Эли де Бомоном и австрийцем Эдуардом Зюссом в ХIХ в. В соответствие с ней радиальные геотектонические движения Земли связаны с ее контракционным сжатием, т .е. уменьшением объема тела вследствие его охлаждения (лат. контракцио – сжимаю). Согласно гипотезы Канта-Лапласа Земля в начале была горячим телом и все последующее время после своего образования охлаждается. Следствием этого является образование земной коры и постоянного сокращения объема планеты. Приспосабливаясь к новой форме ядра, земная кора проявляла эффект высыхающего яблока, т.е. сминалась в складки, а иногда и раскалывалась. Не смотря на то, что главные напряжения вызвали тангенциальные силы, деформации обуславливали вертикальные движения. Из-за неоднородности земной коры ее смятие осуществлялась не по всей поверхности, а только в участках более пластичных.

Контракция как физическое явление является реальным и, если наша планета остывает, то сжатие должна проявляться, однако этот процесс не объясняет существо всех геотектонических процессов. В рамках этой гипотезы трудно объяснить периодичность процессов складкообразования, так как остывание Земли должно быть равномерным, а также причину смены знаков движения с плюса на минус и наоборот. Некоторые советские ученые – Н.С. Шатский, В.Е. Хаин процессы сжатия связывали с гравитационным уплотнением вещества в связи с его фазовыми превращениями.

Гипотезу изостазии предложил в 1855 г. Эти Эри. В основе ее лежит предположение, что земная кора плавает на жидкой или вязкой магме. В соответствии с законом Архимеда твердые блоки земной коры, погруженные в жидкую среду должны находиться в изостатическом равновесии, т. е. более мощные и тяжелые блоки должны быть погружены глубже, чем более легкие и маломощные. При увеличении нагрузок на какой либо участок земной коры должно приводить к его погружению. Это находит подтверждение в резкой разнице в относительном положении и мощностях океанической коры и континентальной коры особенно в горных странах, где она резко возрастает, а также установленным фактом прогибания земной литосферы в местах ее оледенения, например в четвертичное время на Скандинавском полуострове. Имеется критика этой гипотезы. Согласно ей впадины, в которых накапливаются осадки, должны только погружаться, а горные страны подвергнутые денудации – всплывать. Обратный характер движений, либо погружение некомпенсированных впадин эта гипотеза объяснить не может. Тем не менее в настоящее время известно, что не земная кора, а литосферные плиты плавают на астносфере и они должны находится в изостатическом равновесии.

Практическое отсутствие складок, небольшая мощность и молодой возраст земной коры океанического типа и другие геологические факты, позволили предположить, что основным планетарным видом деформаций является не сжатие, а расширение. На этом основана гипотеза расширяющейся Земли, сформулированная в конце ХIХ в. М. Ридом. В соответствии с этой гипотезой в первоначальном состоянии Земля имела плотность 9,13 г/см³, а не 5,52 г/см³, и радиус ее был равен 5430 км (при современном значении 6371 км). При этом вся поверхность нашей планеты была покрыта мощной корой, аналогичной современной континентальной коре. В результате разогрева и расширения Земли возникли глобальные разрывы и отдельные фрагменты коры раздвинулись, образовав современные континенты. Гипотеза предполагает увеличение поверхности нашей планеты за последние 345 млн. лет более чем в 2 раза. Такое значительное возрастание размеров Земли не имеет физического обоснования, более того, гипотезе противоречат геологические данные. Так, значительное увеличение планеты должно было бы сопровождаться резким замедлением скорости ее вращения (увеличением продолжительности суток, сокращением числа дней в году), кроме того, изменилась бы величина силы тяжести, что должно было бы отразиться в эволюции растений и животных. Однако следов таких существенных изменений в геологической истории не обнаружено. Эти недостатки данной гипотезы пытался устранить У. Кэри. Он является сторонником вечной Вселенной, находящейся в нулевом состоянии (см. лекцию ). Он считал, что увеличение размеров планеты является не следствием ее разуплотнения, следствием рождения нового вещества в центре ядра, где должен находится нуль «Ньютона-Хаббла». Расширение планеты происходит синхронно с увеличением ее массы, что делает постоянным силы гравитации на ее поверхности. Не смотря на то, что гипотеза довольно наглядно объясняет происхождение океанической коры за счет раскола континентальной, она не дает удовлетворительного истолкования происхождения складчатости и периодичности тектонических процессов.

Синтез двух приведенных гипотез содержится в пульсационной гипотезе, разработанной американским геологом В. Бухером в 1920 г. и получившей развитие в работах советских геологов М.А. Усова и В.А. Обручева. Согласно этой гипотезы эпохи сжатия Земли чередуются с эпохами расширения, в результате чего земная кора как бы пульсирует во времени, стремясь приспособиться к изменяющемуся объему Земли. Делается предположение, что в целом преобладает сжатие, приводящее к сокращению размеров Земли. В эпохи расширения развиваются вертикальные движения, появляются разрывы в коре, интенсивно проявляется магматизм. Для эпох сжатия характерно складкообразование и затухание магматизма.

Эта гипотеза также имеет критику. Как известно, в истории земной коры нет всеобщих фаз сжатия, которые сменялись бы фазами растяжения. Сжатие и растяжение коры может происходить одновременно, но в различных ее областях. В соответствие с положениями пульсационной гипотезы магматизм связывался только с фазами растяжения, тогда как во многих областях магматизм приурочен к зонам сжатия.

Советские геологи М.А. Усов и В.А. Обручев пытались улучшить пульсационную гипотезу. Пульсации планеты они связывали с неравномерным выделением ей тепловой энергии в процессе остывания. Земная кора по их мнению играет роль «крышки», препятствующей равномерному выделению тепла. Подобно кипящей воде в кастрюле под крышкой накапливается пар, что приводит, в конечном счете, к «фазе расширения», крышка приподнимается и пар сбрасывается. Возврат ее на место отвечает «фазе сжатия». В эту фазу земная кора вынуждена не только возвращаться в исходное состояние, но и приспосабливаться к сокращению объема внутренних геосфер вследствие их контракции. Учитывается, что на фоне цикличности этих процессов, неоднородности земной коры предопределяют неоднородные потери тепла планетой и интенсивности тектонических движений в различных ее местах во время одной и той же фазы. При этом победа сил сжатия и растяжения в их непрерывной борьбе выражается в виде скачков, т.е. более коротких «революционных фаз расколов и складчатости разных типов», которые сменяются более длительные эпохи спокойного развития, отражая непрерывно-прерывистый характер процессов в истории земной коры.

Периодичность сжатия и растяжения земной коры Земли вроде находит подтверждение в периодичности тектоно-магматических процессов в геологической истории, в цикличности осадконакопления, в чередовании эпох сжатия и растяжения в истории подвижных областей. Но несмотря на свою привлекательность, гипотеза не получила развития. Она не объясняет взаимоотношений зон растяжения и сжатия одновременно существующих в единых структурах земной коры и не дает физического обоснования их причин на современном уровне.

Гипотеза радиальной тектоники и гравитационных скольжений была предложена немецким геологом Хаарманом в 1930 г. Главной первопричиной тектонических дислокаций Хаарман считал сопления подкоровых пластических масс вещества, которые вызывают вспучивание (поднятие) земной коры (геотуморы). В областях оттока подкорового вещества образуются опускания земной коры – геодепрессии. Эти движения земной коры представляют первичный тектогенез.

Вторичный тектогенез заключается в том, что осадочные толщих соскальзывают под действием силы тяжести с геотуморов в геодепрессии. Происходит смятие слоистых горных пород в складки с образованием разрывов там, где складкообразование оказывается особенно напряженным. В тыльных частях, т.е. позади соскальзывающего покрова осадочных пород, в коре образуются трещины растяжения, по которым поднимаются вверх магматические массы. Эта гипотеза в последствие получила развитие в работах советского геолога В.В. Белоусова.

В.В. Белоусовым во второй половине ХХ в. была сформулирована гипотеза глубинной гравитационной дифференциации вещества, которая полностью соответствует представлениям о формировании земной коры с позиции фиксизма.

В первоначальном варианте в качестве первопричины тектонических движений предлагался радиогенный разогрев и плавление магмы в подошве земной коры, что приводит к дифференциации ее вещества и всплыванию легких компонентов гранитного состава. От степени возбуждения этих зон зависит кокой режим устанавливается в земной коре – геосинклинальный, орогенный или платформенный. Позже В.В. Белоусов пришел к выводу, что основным фактором эволюционного формирования земной коры является гравитационная дифференциация, а радиогенное тепло является лишь вспомогательным источником энергии. Активной зоной дифференциации вещества, по В.В. Белоусову, в этом случае является астеносфера. Здесь происходит выплавление базальта в виде капель, которые объединяются в крупные глубинные диапиры – астенолиты (греч. «слабый камень»). Массы расплавленного базальта, будучи более легкими, чем окружающее вещество астеносферы, по разломам верхней мантии поднимаются вверх, достигая земной коры и даже прорываясь на поверхность. Подъем астенолитов сопровождается воздыманием земной коры. Дифференциация вещества мантии проявляется также в выделении тяжелых остаточных масс – антиастенолитов, погружение которых сопровождается опусканием земной коры.

В разработке гипотезы В.В. Белоусов придает особое значение проницаемости коры относительно поднимающихся снизу базальтовых масс, выплавляемых в астеносфере. Характер проницаемости по существу и определяет вид режима земной коры. При рассеянной проницаемости поднимающийся базальт пронизывает литосферу густой сетью каналов. Проникающая вместе с базальтом ультраосновная магма приводит к изменению состава – «базификации» коры, ее утяжелению и опусканию (рис. а). Этот этап соответствует геосинклинальному режиму, при котором в соответствии с гипотезой В.В. Белоусова происходит закрытие большинства существовавших ранее каналов и образование «сосредоточенной» проницаемости, связанной с отдельными системами глубинных разломов. Диапировые внедрения вызывают дифференциальные вертикальные перемещения отдельных блоков. При этом накопление подкорового тепла и ряд физико-химических процессов обуславливают общий метаморфизм коры, приводящий к ее гранитизации и «облегчению». Поэтому в данных условиях, соответствующих орогеннлошму режиму, восходящие движения преобладают над нисходящими (рис. б).

Рис. . Развитие земной коры по гипотезе В.В. Белоусова.

Режимы: а – геосинклинальный; б – орогенный; в – платформенный.

континентальная кора; формации: 2 – офиолитовая, 3 – нижнетерригенная, 4 – известняковая, 5 – верхнетерригенная, 6 – молассовая; 7 – платформенный чехол; 8 – расплавленный базальт; 9 – астеносфера; 10 – верхние твердые слои верхней мантии; 11 – слой Голицина; 12 – область увеличения объема коры; 13 – эклогиты; 14 – метаморфизм амфиболитовой фации; 15 – магма кислого и среднего состава; 16 – глубинный мантийный астенолит; 17 – вулканы; 18 – тектонические разломы

(из работы В.С. Мильничук, М.С. Арабаджи, 1989)

Остывание внедрившихся масс, сопровождающееся интенсивной денудацией, приводит к стабилизации коры, выравниванию ее рельефа и переходу к платформенному режиму (рис. в). Периодичность этапов складчатости, по мнению В.В. Белоусова, обуславливается прерывистым, периодическим характером выплавления жидких компонентов из мантии. Каждое новое всплывание астенолита приводит к остыванию астеносферы и потере мантией легких составных частей, поэтому с каждым разом выплавление становится более затруднительным и активные режимы сменяются спокойными – платформенными.

В целом гипотеза В.В. Белоусова объясняет многие особенности развития коры (литосферы) в различных геотектонических режимах. Автор признает только вертикальные движения и не допускает возможности крупных горизонтальных перемещений в том числе и блоков литосферы. Надвиги и складкообразование он считает вторичными процессами, связанными с гравитационным соскальзыванием рыхлых осадков со склонов воздымающихся блоков.

К недостаткам гипотезы В.В. Белоусова следует отнести отсутствие объяснения природы и механизма горизонтальных тектонических движений в тех масштабах, в каких они наблюдаются. В этой гипотезе нет корректного объяснения истории образования и геологического развития океанов.