Природы глобальных трансгрессий моря на континенты
В приведённых выше построениях использовались лишь осреднённые характеристики тектонической активности Земли и не учитывались её периодические колебания. Такие колебания интенсивности конвективного массообмена в мантии и скоростей движения литосферных плит в реальных условиях, безусловно, должны были происходить, например, благодаря нестационарности химико-плотностной конвекции и перестройкам её структур или за счёт влияния процессов коллизии континентов и деструкции литосферных плит на скорость их взаимного перемещения. Например, по данным возрастной идентификации полосчатых магнитных аномалий на океаническом дне, получается, что средняя скорость движения тихоокеанской плиты в позднем мелу почти в полтора раза превышала современную, тогда как в поздней юре и раннем мелу она была близкой к современной.
Восстановить колебания тектонической активности Земли помогают следы трансгрессий и регрессий моря на континенты. В работах Г. Менарда (1966), В. Питмана, Дж. Хейса (1973), О.Г. Сорохтина (1976) и Д. Таркота (1979) показывается, что глобальные трансгрессии моря на континенты и их обратные регрессии могут вызываться пульсациями тектонической активности Земли. При этом, правда, помимо сравнительно медленных изменений положения уровня Мирового океана с периодами порядка сотен миллионов лет выделялись и более короткие эвстатические колебания его уровня, связанные с аккумуляцией или таянием значительных объёмов воды в покровных ледниках, образующихся во время установления на Земле ледниковых периодов.
До становления тектоники литосферных плит природу глобальных трансгрессий и регрессий моря на континентах обычно принято было объяснять вертикальными колебательными движениями самих материковых платформ, якобы периодически испытывавших то опускания, то подъёмы. Традиция такого подхода восходит ещё к временам древних философов Страбона и Аристотеля. В связи с кажущейся очевидностью эта идея принималась за аксиому и часто даже не обсуждалась, войдя почти в чистом виде во многие учебники по геологии и тектонике. Возможность существования крупных вертикальных колебательных движений платформ, приводящих к глобальным трансгрессиям и регрессиям моря, как правило, связывали с периодическими разогревами и охлаждениями вещества верхней мантии под материками (Джоли, 1929; Белоусов, 1966). При этом, правда, сама природа и особенно механизмы циклических перегревов мантии оставались не вполне ясными и не поддавались количественным расчётам.
Совершенно иной подход к объяснению происхождения глобальных трансгрессий моря даёт теория тектоники литосферных плит. Впервые такой подход наметился в работах морских геологов. Так, Г. Менард в 1964 г. высказал идею, что значительные колебания уровня Мирового океана могут происходить за счёт изменений объёма срединно-океанических хребтов. В частности, он показал, что образование современных хребтов могло привести к повышению уровня океана более чем на 300 м.
Как следует из тектоники литосферных плит, толщина литосферы определяется глубиной охлаждения и кристаллизации мантийного вещества и, следовательно, зависит от времени экспозиции горячего вещества мантии на поверхности Земли. В связи с тем, что в рифтовых зонах происходит постепенное раздвижение океанических литосферных плит и непрерывное наращивание их краёв за счёт охлаждения и кристаллизации поднимающегося астеносферного вещества, мощность литосферы под срединноокеаническими хребтами закономерно увеличивается по мере удаления от их гребней. Но кристаллизация силикатов, как известно, сопровождается возрастанием плотности. Поэтому с увеличением мощности океанической литосферы уровень её поверхности понижается по закону корня квадратного от возраста литосферы. Следовательно, чем быстрее происходит раздвижение океанического дна в рифтовых зонах, т.е. чем выше тектоническая активность Земли, тем положе становятся срединно-океанические хребты, соответственно уменьшаются объёмы океанических впадин и тем большие объёмы воды вытесняются из океанических областей на континенты. Отсюда видно, что амплитуда эвстатических колебаний уровня океана, связанных с тектоническими причинами, полностью определяется средней скоростью движения океанических литосферных плит, т.е. тектонической активностью Земли. Возможен и обратный подход: если известны по независимым данным такие эвстатические колебания поверхности Мирового океана, то по ним можно определить и колебания тектонической активности Земли.
Амплитуду же эвстатических колебаний уровня океана практически для всего фанерозоя можно восстановить по площадям распространения морских отложений на континентах и по анализу сейсмостратиграфических разрезов осадочных толщ на континентальных окраинах океана. Построенная таким путём кривая эвстатических колебаний уровня океана приведена на рис. 115.
При интерпретации кривой эвстатических колебаний уровня океана необходимо иметь в виду, что они происходят по четырём главным причинам. Во-первых, благодаря дегазации мантии масса воды в океанах постепенно увеличивается. За время геологической истории Земли, около 4 млрд лет, таким путём уровень океана в среднем поднялся на 4,5 км. Во-вторых, благодаря эволюционным изменениям тектонической активности Земли. Эти изменения также очень медленные, с характерными периодами колебания уровня океана порядка миллиарда лет (кроме архея, когда период колебаний снижался до 100 млн лет), но их амплитуда значительна и достигала ±1-2 км. Третья причина — это колебания тектонической активности Земли в связи с периодическими перестройками структуры химико-плотностной конвекции в мантии. Соответствующие им колебания уровня океана происходят с характерными периодами около 100 млн лет и амплитудами δh ≈ ±200-400 м. Наконец, наиболее быстрые изменения уровня океана, всего за несколько тысяч лет, происходят по четвёртой причине — благодаря возникновению и таянию покровных ледников на материках, расположенных в приполярных областях Земли. Периоды гляциоэвстатических колебаний океанической поверхности обычно имеют порядок 100 тыс. лет, а их амплитуда достигает ±100-150 м. Кривую 1 эвстатических изменений уровня океана, изображённую на рис. 115, мы осреднили, имея в виду, что показанные на ней резкие регрессивные скачки уровня океана связаны либо с быстрыми гляциоэвстатическими изменениями, либо являются кажущимися, появившимися на кривой из-за пропуска и размыва регрессивных осадочных серий. Результаты пересчёта осреднённой кривой эвстатических колебаний уровня Мирового океана (кривой 2) на среднюю скорость движения океанических литосферных плит приведены на рис. 116, а. Поскольку тепловой поток через океаническое дно пропорционален корню квадратному от средней скорости раздвижения океанических плит, то одновременно можно определить и средние тепловые потоки, пронизывавшие в фанерозое океанические плиты (рис. 116, б).
Как видно из полученных графиков, отдельные пульсации тектонической активности Земли могут достигать 15-20 %. В фанерозое наблюдалось три максимума таких пульсаций: главный из них проявился в ордовике и силуре в эпоху каледонской орогении около 500-400 млн лет назад, когда началось формирование вегенеровской Пангеи. Второй, менее значительный максимум приходится на каменноугольный период — время герцинской орогении и продолжения формирования Пангеи. Эти активные орогенические эпохи в триас-юрское время сменились относительно спокойным и коротким периодом стабильного существования суперконтинента Пангея. Последний, позднемеловой всплеск тектонической активности Земли был связан с распадом Пангеи и закрытием палеоокеана Тетис, на месте которого возник грандиозный Альпийско-Гималайский горный пояс.
Глобальные трансгрессии и регрессии морских бассейнов на континенты могут приводить к существенным перестройкам структуры биотических сообществ. Например, хорошо известна массовая и быстрая гибель многих видов кораллов на океанических островах в начале позднего мела. Но именно в этот период была последняя глобальная трансгрессия, обусловленная увеличением средней скорости нарастания океанической литосферы, которая привела к «перекачиванию» карбонатов из океанов в мелководные, небывало обширные континентальные моря и к отложениям на их дне меловых осадков. Поэтому причиной гибели кораллов и многих видов моллюсков (например, рудист) в середине мелового периода явилось обеднение вод открытого океана карбонатом кальция.
Восстановить колебания тектонической активности Земли помогают следы трансгрессий и регрессий моря на континенты. В работах Г. Менарда (1966), В. Питмана, Дж. Хейса (1973), О.Г. Сорохтина (1976) и Д. Таркота (1979) показывается, что глобальные трансгрессии моря на континенты и их обратные регрессии могут вызываться пульсациями тектонической активности Земли. При этом, правда, помимо сравнительно медленных изменений положения уровня Мирового океана с периодами порядка сотен миллионов лет выделялись и более короткие эвстатические колебания его уровня, связанные с аккумуляцией или таянием значительных объёмов воды в покровных ледниках, образующихся во время установления на Земле ледниковых периодов.
До становления тектоники литосферных плит природу глобальных трансгрессий и регрессий моря на континентах обычно принято было объяснять вертикальными колебательными движениями самих материковых платформ, якобы периодически испытывавших то опускания, то подъёмы. Традиция такого подхода восходит ещё к временам древних философов Страбона и Аристотеля. В связи с кажущейся очевидностью эта идея принималась за аксиому и часто даже не обсуждалась, войдя почти в чистом виде во многие учебники по геологии и тектонике. Возможность существования крупных вертикальных колебательных движений платформ, приводящих к глобальным трансгрессиям и регрессиям моря, как правило, связывали с периодическими разогревами и охлаждениями вещества верхней мантии под материками (Джоли, 1929; Белоусов, 1966). При этом, правда, сама природа и особенно механизмы циклических перегревов мантии оставались не вполне ясными и не поддавались количественным расчётам.
Совершенно иной подход к объяснению происхождения глобальных трансгрессий моря даёт теория тектоники литосферных плит. Впервые такой подход наметился в работах морских геологов. Так, Г. Менард в 1964 г. высказал идею, что значительные колебания уровня Мирового океана могут происходить за счёт изменений объёма срединно-океанических хребтов. В частности, он показал, что образование современных хребтов могло привести к повышению уровня океана более чем на 300 м.
Как следует из тектоники литосферных плит, толщина литосферы определяется глубиной охлаждения и кристаллизации мантийного вещества и, следовательно, зависит от времени экспозиции горячего вещества мантии на поверхности Земли. В связи с тем, что в рифтовых зонах происходит постепенное раздвижение океанических литосферных плит и непрерывное наращивание их краёв за счёт охлаждения и кристаллизации поднимающегося астеносферного вещества, мощность литосферы под срединноокеаническими хребтами закономерно увеличивается по мере удаления от их гребней. Но кристаллизация силикатов, как известно, сопровождается возрастанием плотности. Поэтому с увеличением мощности океанической литосферы уровень её поверхности понижается по закону корня квадратного от возраста литосферы. Следовательно, чем быстрее происходит раздвижение океанического дна в рифтовых зонах, т.е. чем выше тектоническая активность Земли, тем положе становятся срединно-океанические хребты, соответственно уменьшаются объёмы океанических впадин и тем большие объёмы воды вытесняются из океанических областей на континенты. Отсюда видно, что амплитуда эвстатических колебаний уровня океана, связанных с тектоническими причинами, полностью определяется средней скоростью движения океанических литосферных плит, т.е. тектонической активностью Земли. Возможен и обратный подход: если известны по независимым данным такие эвстатические колебания поверхности Мирового океана, то по ним можно определить и колебания тектонической активности Земли.
Амплитуду же эвстатических колебаний уровня океана практически для всего фанерозоя можно восстановить по площадям распространения морских отложений на континентах и по анализу сейсмостратиграфических разрезов осадочных толщ на континентальных окраинах океана. Построенная таким путём кривая эвстатических колебаний уровня океана приведена на рис. 115.
Рисунок 115. Эвстатические колебания уровня Мирового океана в фанерозое:
1 — по работе (Vail et al., 1976); 2 — осреднённая (огибающая) кривая; 3 — кривая эволюционного изменения уровня океана δh ; 4 — кривая эволюционного увеличения глубины океана, отсчитываемой от среднего уровня стояния гребней срединно-океанических хребтов hok; 5 — периоды оледенений.
При интерпретации кривой эвстатических колебаний уровня океана необходимо иметь в виду, что они происходят по четырём главным причинам. Во-первых, благодаря дегазации мантии масса воды в океанах постепенно увеличивается. За время геологической истории Земли, около 4 млрд лет, таким путём уровень океана в среднем поднялся на 4,5 км. Во-вторых, благодаря эволюционным изменениям тектонической активности Земли. Эти изменения также очень медленные, с характерными периодами колебания уровня океана порядка миллиарда лет (кроме архея, когда период колебаний снижался до 100 млн лет), но их амплитуда значительна и достигала ±1-2 км. Третья причина — это колебания тектонической активности Земли в связи с периодическими перестройками структуры химико-плотностной конвекции в мантии. Соответствующие им колебания уровня океана происходят с характерными периодами около 100 млн лет и амплитудами δh ≈ ±200-400 м. Наконец, наиболее быстрые изменения уровня океана, всего за несколько тысяч лет, происходят по четвёртой причине — благодаря возникновению и таянию покровных ледников на материках, расположенных в приполярных областях Земли. Периоды гляциоэвстатических колебаний океанической поверхности обычно имеют порядок 100 тыс. лет, а их амплитуда достигает ±100-150 м. Кривую 1 эвстатических изменений уровня океана, изображённую на рис. 115, мы осреднили, имея в виду, что показанные на ней резкие регрессивные скачки уровня океана связаны либо с быстрыми гляциоэвстатическими изменениями, либо являются кажущимися, появившимися на кривой из-за пропуска и размыва регрессивных осадочных серий. Результаты пересчёта осреднённой кривой эвстатических колебаний уровня Мирового океана (кривой 2) на среднюю скорость движения океанических литосферных плит приведены на рис. 116, а. Поскольку тепловой поток через океаническое дно пропорционален корню квадратному от средней скорости раздвижения океанических плит, то одновременно можно определить и средние тепловые потоки, пронизывавшие в фанерозое океанические плиты (рис. 116, б).
Рисунок 116. Тектоническая активность фанерозоя (Сорохтин, Ушаков, 1991):
а — в пересчёте на среднюю скорость движения литосферных плит; б — в пересчёте на средние тепловые потоки через океаническое дно; штрихпунктирные линии — эволюционные изменения, соответственно скоростей движения океанических плит и тепловых потоков через океаническое дно.
Как видно из полученных графиков, отдельные пульсации тектонической активности Земли могут достигать 15-20 %. В фанерозое наблюдалось три максимума таких пульсаций: главный из них проявился в ордовике и силуре в эпоху каледонской орогении около 500-400 млн лет назад, когда началось формирование вегенеровской Пангеи. Второй, менее значительный максимум приходится на каменноугольный период — время герцинской орогении и продолжения формирования Пангеи. Эти активные орогенические эпохи в триас-юрское время сменились относительно спокойным и коротким периодом стабильного существования суперконтинента Пангея. Последний, позднемеловой всплеск тектонической активности Земли был связан с распадом Пангеи и закрытием палеоокеана Тетис, на месте которого возник грандиозный Альпийско-Гималайский горный пояс.
Глобальные трансгрессии и регрессии морских бассейнов на континенты могут приводить к существенным перестройкам структуры биотических сообществ. Например, хорошо известна массовая и быстрая гибель многих видов кораллов на океанических островах в начале позднего мела. Но именно в этот период была последняя глобальная трансгрессия, обусловленная увеличением средней скорости нарастания океанической литосферы, которая привела к «перекачиванию» карбонатов из океанов в мелководные, небывало обширные континентальные моря и к отложениям на их дне меловых осадков. Поэтому причиной гибели кораллов и многих видов моллюсков (например, рудист) в середине мелового периода явилось обеднение вод открытого океана карбонатом кальция.