История эволюции Земли

Антарктида родилась в общем процессе эволюции и развития Земли, образования и обособления континентов и океанов. История Земли, в которую люди могут заглянуть, насчитывает около 570 млн. лет, т. е. составляет приблизительно восьмую часть ее возраста. Это тот период, когда на Земле уже существовали та или иная форма жизни, те или иные живые организмы, останки которых или слагают целые слои Земли, или попадаются в них и позволяют своим присутствием установить их возраст. Геологи знают и более древние, архейские породы, возраст которых достигает 4,5 млрд. лет, но это так называемые «глухие» слои, не содержащие летописи эволюции Земли.

Горные породы, слагающие земную кору, делятся на магматические, образовавшиеся в результате охлаждения и затвердевания жидкой магмы либо на поверхности Земли, либо в земных недрах, осадочные, накопившиеся в результате химического или механического выпадения осадка из воды или воздуха, жизнедеятельности животных и растительных организмов или переотложения продуктов разрушения других горных пород, и метаморфические, образовавшиеся в процессе существенного изменения осадочных и магматических пород под действием высоких давления и температуры. К первым относятся, например, граниты и базальты, ко вторым – известняки, пески и глины, к третьим – мраморы, сланцы и гнейсы.

В процессе жизни Земли ее поверхность – земная кора – испытывает различные движения: опускания, поднятия, горизонтальные сдвиги. При этом слои, ранее залегавшие горизонтально, часто сминаются в складки. Возникает то сложное строение верхних слоев Земли, которое и наблюдают геологи. Часто горные породы образуют ряд последовательных складок, как бы волн. Вогнутые складки получили название синклиналей, выпуклые – антиклиналей.

Сравнительно узкие и протяженные области Земли, в которых происходили длительное интенсивное прогибание и накопление мощных (до 20 км) толщ осадочных пород, образование складок и разрывов, активная вулканическая деятельность, а позже общее воздымание и горообразование, получили название геосинклиналей, или складчатых геосинклинальных поясов.

Складчатые пояса разделяют обширные (несколько млн. км) области земной коры, отличающиеся более спокойным режимом тектонических движений, называемые кратонами или платформами. В их строении большей частью четко различаются два структурных этажа: фундамент, образованный комплексами пород докембрия или палеозоя, сильно метаморфизованных, смятых в складки и прорванных магматическими породами, и платформенный, или осадочный, чехол, сложенный преимущественно осадочными породами сравнительно небольшой (в среднем 3–4 км) мощности, слабо смятыми в пологие складки.

В пределах платформ выделяются щиты – участки, на которых фундамент платформы обнажается на земной поверхности, и плиты – участки, на которых фундамент закрыт осадочным чехлом.

Кратоны занимают большую часть континентов и дна океанов. В пределах первых они образуют два ряда: северный – включает в себя Северо-Американский, Восточно-Европейский, Сибирский и (условно) Китайско-Корейский кратоны, южный – Южно-Американский, Африкано-Аравийский, Индостанский, Австралийский и Антарктический.

К складчатым геосинклинальным поясам относятся, например, Альпы, Крым, Кавказ, Копетдаг, Памир, Гималаи в Евразии, Анды и Кордильеры в Южной и Северной Америке, Риф и Телль-Атлас в Африке и многие другие горные системы.

Казалось бы, осадочные слои земной коры должны залегать горизонтально и в хронологической последовательности. Однако тектонические движения различных направленности и интенсивности, особенно сильные в геосинклинальных поясах, часто сминают эти горизонтальные слои, нарушают их расположение, порой ставят их вертикально и даже могут запрокинуть так, что более древние породы будут лежать в разрезе выше более молодых (явление шарьяжа).

Возраст пластов определяется по содержащимся в них окаменелым остовам живых организмов. Есть целая наука – палеонтология, изучающая, когда, какие организмы и как долго жили. Этой наукой установлена приблизительная шкала времени различных циклов развития Земли и их последовательности. Нам она понадобится, когда мы будем говорить об образовании и эволюции Антарктиды.

Вся история земной коры делится на зоны, эры, периоды (табл. 1) и эпохи.

Фанерозойский эон, отличающийся от предыдущих бурным развитием жизни, делится на три эры: кайнозойскую – новая эра, насчитывающая приблизительно 65 млн. лет, мезозойскую – средняя эра длительностью 165 млн. лет и палеозойскую – самая древняя эра – 340 млн. лет. Слои земной коры, относящиеся к этим эрам, несут в себе самые значительные следы былой жизни. Хотя примитивные формы жизни, по-видимому, начали образовываться уже около 3 млрд. лет назад, древние пласты этого возраста имеют весьма глухие следы жизни или вовсе не имеют их. Они называются докембрийскими, т. е. лежат ниже самого древнего периода фанерозоя – кембрийского. Названия периодов даны либо по содержащимся в них породам (меловой, каменноугольный), либо по характерным местам, где были впервые описаны их разрезы и определена датировка (пермский, девонский, кембрийский, ордовикский).

О механизме эволюции земной коры

Одной из первых научно обоснованных теорий эволюции земной коры была теория катастроф Кювье. Схематично она заключается в том, что в результате какой-либо общеземной или космической катастрофы вымирает существующий вид жизни. Новые формы жизни образуют следующие слои. Катастрофы же вызывают и изменения форм рельефа. Будучи внутренне противоречивой, эта гипотеза не могла просуществовать долго, хотя и объясняла многие явления. На смену ей пришла эволюционная концепция, которой мы придерживаемся и теперь, однако пути эволюции могут быть различными. Одной из эволюционных гипотез была контракционная гипотеза. Эта гипотеза, казалось, неплохо объясняла процесс горообразования, но не могла объяснить разновременность этого процесса и асимметричное расположение материков северного и южного полушарий. Гипотеза состояла в том, что по мере остывания Земли образовывалась твердая внешняя оболочка – земная кора, которая по мере дальнейшего сжатия внутреннего расплавленного вещества растрескивалась и сминалась, как печеное яблоко при остывании. Так в одних местах появились горные области, в других – образовались впадины. Опустившиеся области заполнялись водой и образовывали впоследствии океаны. При таком механизме по мере сжимания Земли горообразовательный процесс должен был идти более или менее равномерно по всей Земле, тогда как мы встречаем и совсем молодые складчатые области, где процесс не завершен и сейчас (Альпы), и совсем древние, даже разрушенные временем (например, Урал и Тиман).

В рамках этой гипотезы невозможно согласовать скорость охлаждения со сжатием. Исходя из коэффициента объемного сжатия, можно подсчитать, что для образования только одной горной цепи длиной несколько тысяч метров Земля должна охладиться на 1000 °C. Тысяча горных цепей или одна горная страна типа Гималаев потребуют охлаждения Земли на 1 млн. градусов. Такой температуры нет и в ядре Земли. Сейчас считают, что температура ядра около 4000–5000 °C.

Позже возникла идея расширяющейся Земли. Причиной могли быть радиоактивный разогрев, общее тепловое расширение вещества Земли и даже уменьшение гравитационной постоянной. Идеей механизма такого расширения, заимствованной из физики и искусственно приспособленной к геологии, была гипотеза П. Дирака об изменениях гравитационной константы.

Любой механизм контракционной гипотезы не может объяснить существенную разновременность процессов горообразования.

Расширение Земли должно вызывать растрескивание коры и образование океанических впадин. Неоднородные конвективные течения магмы, вызванные внутренним разогревом, могли явиться причиной вертикальных движений, подъемов и опусканий целых областей, в результате которых образовались горы. Но и в случае сжимания Земли, и в случае ее расширения должна сохраняться некоторая симметрия континентов и океанов северного и южного полушарий. Основываясь на этом соображении, задолго до открытия Антарктиды люди считали, что должны существовать один или даже несколько южных материков.

Более обоснованной явилась пришедшая на смену концепция холодного происхождения Земли. Разогрев происходит, с одной стороны, от сжатия, с другой – от радиоактивных процессов. Этот механизм может объяснить неравномерность во времени разогрева различных областей. Этот же разогрев может вызывать явления вулканизма и конвективные движения в мантии (так называется оболочка Земли, лежащая под корой и доходящая до глубин 2900 км), которые, в свою очередь, могут вызвать вертикальные движения земной коры. Эти движения и приводят к тому, что современные горные страны, высоко воздымающиеся над уровнем океана, сложены из пород, образовавшихся под водой, т. е. горы эти когда-то были дном моря – областью накопления морских осадков.

Гипотеза континентального дрейфа

Пангея, Гондвана и Лавразия

Если внимательно посмотреть на карту мира, можно заметить сходство контуров западного побережья Африки и восточного Южной Америки. Сдвинув эти континенты, мы получим почти без разрывов единый континент. Это наводит на мысль, что когда-то Африка и Америка составляли единый материк. Изучение окаменелостей древней флоры и фауны, например каменноугольного периода, показывает их идентичность на обоих континентах. По-видимому, прежде они действительно не разделялись. Согласно концепции вертикальных движений область Атлантики, когда-то соединявшая оба континента, опустилась, образовав Атлантический океан. Это породило фантастические легенды об Атлантиде. Почему при погружении должно было возникнуть подобие береговых линий?

В 1912 г. немецкий ученый – геофизик А. Вегенер сформулировал четкую новую гипотезу эволюции Земли. Он считал, что основные движения, формирующие лик Земли, – горизонтальные. Добавив к поступательным горизонтальным перемещениям вращательные,

А. Вегенер нашел сходство очертаний береговых линий и других континентов. Он не ограничился только внешним изучением. Исследовав окаменелости флоры и фауны, а также палеоклимат – периоды оледенения, он окончательно сформулировал свою гипотезу.

В древние времена, примерно 300 млн. лет назад, существовал на Земле единый континент – Пангея и единый океан – Панталасса. С течением времени этот материк начал раскалываться и расползаться. Сначала образовались два новых праконтинента: Гондвана, включающая в себя Африку, Южную Америку, Индию, Австралию и Антарктиду, и Лавразия, состоявшая из Евразии и Северной Америки. В дальнейшем и эти два праматерика раскололись, расползлись и заняли современное положение.

Гипотеза Вегенера получила название концепции дрейфа континентов.

Идея существования праматерика зародилась в умах ученых задолго до появления гипотезы Вегенера: на нее наводили следы одинаковых климата, растительности и ископаемых животных. И название Гондвана возникло давно – его дал Зюсс еще в прошлом веке по названию древнего индийского племени Гондов.

Гипотеза нашла многих сторонников, однако базировалась она на шатком основании – не был предложен возможный механизм движения. Концепция вертикальных движений, вызываемых неравномерным разогревом и охлаждением недр и конвекционной миграцией (течениями) пластической магмы, объясняла значительно больше явлений, и очень быстро (уже к тридцатым годам) концепция континентов умерла, точнее, о ней начали забывать. Оставались некоторые энтузиасты, например профессор С. Кэрри из Тасманского университета, который много сил отдал изучению палеомагнетизма и древних оледенений. Профессор Э. Буллард из Великобритании сделал реконструкцию Гондваны по сечениям изобат на разных уровнях и получил наилучшее совмещение по изобате 1000 м (рис. 1).

Рис. 1. Реконструкция Гондваны (по Л. П. Зонненшайну и А. М. Городницкому

I – контур современных материков; 2 – контур Гондваны

Второй Международный геофизический год вызвал к жизни обширную программу постоянных, продолжающихся до сих пор геолого-геофизических исследований. Изучались магнитное и гравитационное поля Земли, особенно океанов, началось и систематически проводится глубоководное бурение, исследуются морфология и геологическое строение дна океанов, сейсмические явления и вулканизм, строение глубоководных впадин и желобов, островных дуг и вулканов, распределение теплового потока. Систематически всеми геолого-геофизическими методами начали изучать Антарктиду. Накопилось много данных, которые на новой основе возродили концепцию дрейфа континентов.

Палеомагнетизм. Возрождение идеи дрейфа

Известно, что железо и никель могут намагничиваться и удерживать это свойство неопределенно долго. Эти металлы получили название ферромагнетиков. Ферромагнетики обладают полярностью. Концы магнитов одинаковых полюсов отталкиваются, различных – притягиваются. Земля – тоже магнит, один из полюсов которого находится вблизи Северного, другой – Южного географических полюсов. На этом основано устройство компаса, стрелка которого всегда указывает направление юг – север.

Постоянный магнит не выдерживает высоких температур. Намагниченное железо, нагретое до 770 °C, теряет свою намагниченность. Никель теряет намагниченность при 358 °C. Температура, при которой магнит теряет свои свойства, называется «точкой Кюри» в честь физика, открывшего это явление. Вследствие того что железное ядро Земли имеет температуру намного выше точки Кюри, Земля не может быть постоянным магнитом, и происхождение ее магнетизма – явление сложное и не объясненное до конца и поныне. Мы– уже сказали, что магнитные полюса Земли не совпадают строго с географическими. Их положение медленно изменяется. Отклонение магнитной стрелки от направления меридиана называется магнитным склонением. Оно для различных меридианов различно. Изменения магнитного склонения имеют короткопериодические вариации и вековой ход, но за короткий интервал наблюдений за магнитным полем Земли нельзя установить, как изменялось магнитное поле Земли и каково оно было в глубокой древности.

Но вот недавно, в 40-х годах нашего столетия, было обнаружено интересное явление. Изверженные вулканические горные породы при остывании, проходя точку Кюри, намагничиваются, причем полярность образовавшегося магнита совпадает с полярностью земного магнетизма и силовые линии магнитного поля этого магнита совпадают с силовыми линиями земного магнитного поля. Таким образом, оказалось, что постоянным магнитом могут быть не только ферромагнетики, но и все изверженные породы, однако эти магниты очень слабые. Выяснилось и другое – изверженные и остывшие породы навсегда сохраняют свой магнетизм, обладают как бы «вмороженным» магнитным полем. Лавы, изверженные и застывшие в наше время, обладают магнитной направленностью, соответствующей направленности современного магнитного поля Земли, от которого они намагнитились. Породы, изверженные и застывшие многие тысячи_и миллионы лет назад, имеют направление намагниченности, соответствующее направлению магнитных силовых линий Земли того времени, т. е. указывают направление на существовавший тогда магнитный полюс. Иными словами, по ним можно установить положение магнитных полюсов Земли в ту далекую эпоху. Отсюда название – палеомагнетизм. Может быть, лучше звучало бы название реликтовый магнетизм. В палеомагнетизме мы видим как бы фотографический отпечаток магнитного поля Земли далеких эпох. Определив направление реликтовых магнитных силовых линий изверженной породы в одном месте, мы получим направление на магнитный полюс того времени. Если мы изучим реликтовое магнитное поле одновозрастных образцов пород в разных местах, то на пересечении направлений их полярности найдем точное положение магнитного полюса Земли того времени. Надо только определить возраст исследованных образцов. Но это мы умеем делать, во-первых, методами палеонтологии, во-вторых, более точно методом радиоактивного анализа.

Результаты изучения пути движения магнитных полюсов Земли методом палеомагнетизма явились главным доказательством дрейфа континентов и возродили, казалось умершую, гипотезу.

Предположим, что конфигурация континентов во все времена была неизменна. Тогда направления реликтовых магнитов одинаковых эпох на всех континентах должны пересечься в точках положения полюса тех эпох. Находя эти положения последовательно для различных эпох, получим путь перемещения магнитного полюса. Однако, когда проделали эту работу, оказалось, что древние положения полюса, полученные по данным палеомагнетизма, для разных континентов различны, т. е. для каждого континента был свой магнитный полюс и блуждал он со временем по-своему.

Рис. 2. Пути блуждания магнитного полюса:

а – относительно современного положения материков; б – относительно материков, соединенных в Лавразии; 1 – кембрий; 2 – силур; 2 – силур – девон; 3 – поздний карбон; 4 – Пермь; 5 —триас; 5 – ранний триас; 5" – поздний триас; 6 – юра; 7 – мел

На рис. 2 показаны пути блуждания полюса, полученные по данным палеомагнетизма для Европы и Северной Америки. Здесь хорошо видно, что чем дальше мы уходим в прошлое, тем больше расходятся точки северного магнитного полюса, восстановленные по реликтовому магнетизму для Америки и Европы (рис. 2, а). Почему же для каждого континента свой магнитный полюс? Или изменяется направление реликтового магнитного поля? И то и другое кажется противоестественным. Не проще ли предположить, что повернулись или передвинулись на другое место сами материки.

Можно заняться такой игрой: вырезать из картона фигурки материков, к ним жестко прикрепить линию блуждания полюсов и начать передвигать материки так, чтобы они соединились в один материк. И произойдет удивительное – для кембрийского периода полюса совпадут. Совмещая магнитные полюса разных континентов для разных периодов, получим расположения материков, соответствующие этим периодам (рис. 2, б). Так идея дрейфа континентов получила новый импульс для своего развития. Доказательство казалось убедительным, и число сторонников так называемого мобилизма начало быстро возрастать.

Следы оледенения. Схожие геологические формации

Время от времени на Земле наступают периоды оледенения. Мы не знаем точно причин возникновения этого явления, но следы ледниковых периодов весьма четко запечатлены на Земле в виде характерных ледниковых борозд, указывающих на движение ледника, ледниковой морены – скоплений обломочных горных пород, приносимых ледником, ледниковых долин и других специфических форм рельефа. Последнее оледенение в северном полушарии, захватившее значительную часть Евразии, закончилось около 10 млн. лет назад. А 300 млн. лет назад в южном полушарии оно захватило колоссальные пространства в Америке, Африке,

Индии, Австралии и Антарктиде. Если эти материки соединить по подобию береговых линий и направлению реликтового магнитного поля, т. е. реконструировать Гондвану, то и области оледенения соединятся в единую область в южной части этого праконтинента.