Формирование Моногеи в конце архея
Тот факт, что первое в истории Земли Гуронское почти глобальное оледенение охватило большинство щитов древних континентальных платформ и наблюдалось в раннем протерозое около 2,5-2,3 млрд лет назад, можно истолковать двояко. Во-первых, можно предположить, что суперконтинент Моногея изначально формировался на одном из географических полюсов Земли или же переместился в полярные зоны несколько позже, однако это предположение противоречит законам механики вращающихся тел. Вторым, альтернативным и более вероятным решением проблемы может быть предположение о резком похолодании климата в раннем протерозое при высоком гипсометрическом стоянии суперконтинента, вне зависимости от его широтного положения. При этом из механики устойчивого вращения Земли с асимметричным положением на её поверхности континентов следует, что центр тяжести Моногеи должен был обязательно располагаться на экваторе. Как же в таком случае объяснить возникновение покровного оледенения на поверхности Моногеи, расположенной в экваториально-тропической зоне, даже с учётом в среднем прохладного климата раннего протерозоя? Единственным правдоподобным объяснением может служить только предположение о высокогорной природе оледенения. Косвенным подтверждением является широкое распространение в раннем протерозое конгломератов (типа формации Витватерсранд в Южной Африке), в изобилии отлагавшихся тогда на окраинах многих других древних кратонов.
По этому сценарию возникновение обширных оледенений раннего протерозоя могло происходить и на континентах, расположенных в низких широтах. Связано это с тем, что после жаркого климата в архее, приблизительно 2,4 млрд лет назад, произошло резкое похолодание и за короткое время (около 150 млн лет) средняя температура земной поверхности снизилась приблизительно с +50...+60 до +7...+8 °С (для сравнения: средняя поверхностная температура современной Земли +14,8 °С). Причины такого радикального изменения глобального климата Земли на рубеже архея и протерозоя косвенно также были связаны с процессом выделения земного ядра, но проявились они через особенности развития в это время океанов и атмосферы. Действительно, в архее существовал сильный парниковый эффект, связанный с возникновением плотной углекислотной атмосферы с давлением до 6 бар. В начале раннего протерозоя, после образования серпентинитового слоя океанической коры и развития активных реакций связывания CO2 в карбонатах, земная атмосфера стала существенно азотной с давлением около 1 бара. Соответственно этому уменьшился парниковый эффект и резко снизилась средняя температура земной поверхности.
Таким образом, только сочетание высокого стояния континента с холодным климатом раннего протерозоя могло привести в то время к развитию на обширных просторах Моногеи высокогорного покровного оледенения даже на низких широтах.
Среднюю высоту стояния континентов над поверхностью Мирового океана можно определить по условию изостатического равновесия континентальных литосферных плит с учётом эволюционных изменений высоты стояния уровня океана, если удастся оценить мощность континентальной коры и подкоровой литосферы того времени. Средняя мощность континентальной коры в архее должна была быть не меньше средней мощности коры у современных архейских щитов, т.е. не меньше 40 км. С другой стороны, теоретические оценки, учитывающие перегрев верхней мантии в архее и возможные тепловые потоки через континентальную кору, показывают, что мощность подкоровой литосферы в раннем архее менялась в пределах 15-23 км. В середине архея, во время снижения тектонической активности Земли, она увеличивалась до 46 км, но в позднем архее вновь снизилась до 7-8 км. Высота стояния континентальных щитов над уровнем океанов в течение почти всего архея была близкой к 6,5 км. Этим определяется и высокий базис эрозии практически всех архейских щитов.
В раннем протерозое в связи с остыванием верхней мантии и резким снижением глубинных тепловых потоков мощность подкоровой литосферы стала быстро увеличиваться (рис. 97). Судя по возрастам и глубинам образования алмазов, можно заключить, что во время формирования расплавов алмазоносных пород, около 2 млрд лет назад, толщина континентальной литосферы под архейскими щитами уже достигала 200 км. Это привело к постепенному снижению уровня стояния континентов того времени. Тем не менее средняя высота их поверхности в первой половине раннего протерозоя ещё оставалась достаточно высокой — от 4,5 до 2,5-3 км. В дальнейшем толщина континентальных плит уже менялась мало, а все последующие изменения среднего уровня стояния континентов (по отношению к поверхности океанов) происходили только благодаря изменениям уровня самих океанов.
К сожалению, все палеомагнитные данные, относящиеся к докембрию и, в частности, к раннему протерозою, пока ещё мало надёжны, а их привязка к возрастным горизонтам оставляет желать много лучшего. Поэтому для реконструкции положения докембрийских суперконтинентов и в их пределах отдельных континентальных массивов и материков мы принципиально не пользовались палеомагнитными данными, считая, что они могли исказить такие реконструкции до неузнаваемости. Все же реконструкции мы строили только по геологическим и палеоклиматическим данным, совмещая друг с другом одновозрастные и однотипные геологические структуры, формации и климатические провинции. При этом использовались геологические данные, приводимые в специальной литературе по геологии раннего докембрия (Докембрий континентов, 1976, 1977; Кратц и др., 1981; Конди, 1983; Борукаев, 1985; Хаин, Божко, 1988).
В частности, для проведения реконструкции Моногеи мы воспользовались данными о распространении тиллитов и тиллоидов на раннепротерозойских континентах (Чумаков, 1978). При этом был использован критерий компактного расположения известных местонахождений раннепротерозойских тиллитов с учётом возможной унаследованности расположения континентов на поверхности Земли в последующие геологические эпохи. В такой реконструкции «центр тяжести» географических положений выявленных тиллитов и тиллоидов приблизительно определяет собой и центр тяжести самого суперконтинента. Кроме того, учитывалось распространение и простирание поясов кеноранской и одновозрастной ей орогений (~2,6 млрд лет назад), а также то, что в раннем протерозое восточная часть Южной Америки (Бразильский кратон) ещё составляла единое целое с Центральной и, возможно, Южной Африкой, но была отделена от западной части Южно-Американской (Амазонской) платформы. Кроме того, Западная Африка тогда скорее всего, ещё примыкала к Гвианскому щиту Южной Америки. По-видимому, на рубеже архея и протерозоя и другие древние платформы были разбиты на части, а их фрагменты — архейские щиты — могли занимать тогда иное расположение, чем теперь. Однако сейчас нет достоверных геологических данных о возможных смещениях других щитов в конце архея. Поэтому на построенной нами реконструкции Моногеи (рис. 98) другие платформы условно показаны в современных конфигурациях с такими же, как и в настоящее время, взаимными расположениями входящих в них архейских щитов.
По этому сценарию возникновение обширных оледенений раннего протерозоя могло происходить и на континентах, расположенных в низких широтах. Связано это с тем, что после жаркого климата в архее, приблизительно 2,4 млрд лет назад, произошло резкое похолодание и за короткое время (около 150 млн лет) средняя температура земной поверхности снизилась приблизительно с +50...+60 до +7...+8 °С (для сравнения: средняя поверхностная температура современной Земли +14,8 °С). Причины такого радикального изменения глобального климата Земли на рубеже архея и протерозоя косвенно также были связаны с процессом выделения земного ядра, но проявились они через особенности развития в это время океанов и атмосферы. Действительно, в архее существовал сильный парниковый эффект, связанный с возникновением плотной углекислотной атмосферы с давлением до 6 бар. В начале раннего протерозоя, после образования серпентинитового слоя океанической коры и развития активных реакций связывания CO2 в карбонатах, земная атмосфера стала существенно азотной с давлением около 1 бара. Соответственно этому уменьшился парниковый эффект и резко снизилась средняя температура земной поверхности.
Таким образом, только сочетание высокого стояния континента с холодным климатом раннего протерозоя могло привести в то время к развитию на обширных просторах Моногеи высокогорного покровного оледенения даже на низких широтах.
Среднюю высоту стояния континентов над поверхностью Мирового океана можно определить по условию изостатического равновесия континентальных литосферных плит с учётом эволюционных изменений высоты стояния уровня океана, если удастся оценить мощность континентальной коры и подкоровой литосферы того времени. Средняя мощность континентальной коры в архее должна была быть не меньше средней мощности коры у современных архейских щитов, т.е. не меньше 40 км. С другой стороны, теоретические оценки, учитывающие перегрев верхней мантии в архее и возможные тепловые потоки через континентальную кору, показывают, что мощность подкоровой литосферы в раннем архее менялась в пределах 15-23 км. В середине архея, во время снижения тектонической активности Земли, она увеличивалась до 46 км, но в позднем архее вновь снизилась до 7-8 км. Высота стояния континентальных щитов над уровнем океанов в течение почти всего архея была близкой к 6,5 км. Этим определяется и высокий базис эрозии практически всех архейских щитов.
В раннем протерозое в связи с остыванием верхней мантии и резким снижением глубинных тепловых потоков мощность подкоровой литосферы стала быстро увеличиваться (рис. 97). Судя по возрастам и глубинам образования алмазов, можно заключить, что во время формирования расплавов алмазоносных пород, около 2 млрд лет назад, толщина континентальной литосферы под архейскими щитами уже достигала 200 км. Это привело к постепенному снижению уровня стояния континентов того времени. Тем не менее средняя высота их поверхности в первой половине раннего протерозоя ещё оставалась достаточно высокой — от 4,5 до 2,5-3 км. В дальнейшем толщина континентальных плит уже менялась мало, а все последующие изменения среднего уровня стояния континентов (по отношению к поверхности океанов) происходили только благодаря изменениям уровня самих океанов.
Рисунок 97. Эволюция строения континентальных плит:
I — континентальная кора; II — континентальная литосфера; III — подлитосферная (горячая) мантия; IV — коровая астеносфера (нижняя кора); 1 — поверхность континентов; 2 — подошва континентальной коры (граница Мохоровичича); 3 — подошва континентальной литосферы; 4 — кровля коровой астеносферы.
К сожалению, все палеомагнитные данные, относящиеся к докембрию и, в частности, к раннему протерозою, пока ещё мало надёжны, а их привязка к возрастным горизонтам оставляет желать много лучшего. Поэтому для реконструкции положения докембрийских суперконтинентов и в их пределах отдельных континентальных массивов и материков мы принципиально не пользовались палеомагнитными данными, считая, что они могли исказить такие реконструкции до неузнаваемости. Все же реконструкции мы строили только по геологическим и палеоклиматическим данным, совмещая друг с другом одновозрастные и однотипные геологические структуры, формации и климатические провинции. При этом использовались геологические данные, приводимые в специальной литературе по геологии раннего докембрия (Докембрий континентов, 1976, 1977; Кратц и др., 1981; Конди, 1983; Борукаев, 1985; Хаин, Божко, 1988).
В частности, для проведения реконструкции Моногеи мы воспользовались данными о распространении тиллитов и тиллоидов на раннепротерозойских континентах (Чумаков, 1978). При этом был использован критерий компактного расположения известных местонахождений раннепротерозойских тиллитов с учётом возможной унаследованности расположения континентов на поверхности Земли в последующие геологические эпохи. В такой реконструкции «центр тяжести» географических положений выявленных тиллитов и тиллоидов приблизительно определяет собой и центр тяжести самого суперконтинента. Кроме того, учитывалось распространение и простирание поясов кеноранской и одновозрастной ей орогений (~2,6 млрд лет назад), а также то, что в раннем протерозое восточная часть Южной Америки (Бразильский кратон) ещё составляла единое целое с Центральной и, возможно, Южной Африкой, но была отделена от западной части Южно-Американской (Амазонской) платформы. Кроме того, Западная Африка тогда скорее всего, ещё примыкала к Гвианскому щиту Южной Америки. По-видимому, на рубеже архея и протерозоя и другие древние платформы были разбиты на части, а их фрагменты — архейские щиты — могли занимать тогда иное расположение, чем теперь. Однако сейчас нет достоверных геологических данных о возможных смещениях других щитов в конце архея. Поэтому на построенной нами реконструкции Моногеи (рис. 98) другие платформы условно показаны в современных конфигурациях с такими же, как и в настоящее время, взаимными расположениями входящих в них архейских щитов.
Рисунок 98. Реконструкция Моногеи на время около 2,5-2,4 млрд лет назад в проекции Ламберта:
1 — тиллиты и тиллоиды; 2 — консолидированная континентальная кора; стрелками на Канадском щите показаны выявленные направления ледниковой штриховки; белым цветом — область покровного оледенения. Ав — Австралия; САм и ЮАм — Северная и Южная Америка; Ан — Антарктида; ЗАф — Западная Африка; Аф — Африка; Ев — Европа; Ин — Индия; К — Северный и Южный Китай; Сб — Сибирь.