МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва

Евгений Евгеньевич Милановский, член-корреспондент АН СССР, заведующий кафедрой исторической и региональной геологии геологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Занимается вопросами региональной геотектоники и вулканизма геосинклинальных и рифтовых областей, а также выяснением общих закономерностей геологического развития Земли. Исследователь геологии Кавказа и других горных стран Альпийского пояса, рифтовых зон Восточной Африки и Исландии. Неоднократно публиковался в «Природе».

Идея о возможном расширении, или росте, Земли в геологическом прошлом зародилась уже более ста лет назад, но, как и высказанные несколько позже предположения о периодических пульсациях ее объема, до недавнего времени она не привлекала серьезного внимания. В последние годы, однако, отношение к этим идеям начало существенно изменяться. Нарастающий поток посвященных их обсуждению научных публикаций в советской [Милановский, 1978] и зарубежной печати, а также организация специальных научных совещаний - международного симпозиума «Расширяющаяся Земля» в Сиднее (Австралия) в феврале 1981 г. и конференции «Проблемы расширения и пульсаций Земли» в Москве в ноябре 1981 г. - свидетельствует о возрастании интереса к этим гипотезам как возможному средству разрешения противоречий, с которыми сталкиваются как фиксистские, так и мобилистские концепции тектонического развития Земли.

Еще раз о фиксизме и мобилизме

С фиксистских позиций хорошо описывается историческое развитие континентов, и в особенности их древних, относительно «жестких» ядер - платформ, огромная длительность унаследованного развития обширных поднятий и впадин которых указывает на неразрывную связь их коры с подстилающей мантией по крайней мере до глубин в десятки сотен километров. Однако ортодоксальная фиксистская концепция встречает затруднения, когда пытается объяснить происхождение складчато-покровной структуры бывших геосинклинальных областей, несущей признаки сильного горизонтального сжатия, а также происхождение океанических впадин и особенно внутриокеанических рифтовых хребтов, в которых предполагается горизонтальное расширение и образование коры океанического типа. С позиций фиксизма трудно объяснить и сходство контуров некоторых океанических впадин и рифтовых поясов внутри них.

Современная версия мобилизма - концепция тектоники литосферных плит - считает формирование складчато-покровной структуры геосинклинальных областей следствием их сильного горизонтального сжатия, а явления, происходящие в срединно-океанических рифтовых хребтах, - результатом длительного подъема нагретого мантийного материала в их осевых зонах и связанного с ним раздвигания (спрединга) флангов срединных хребтов и прилегающих частей океанических впадин в разные стороны. Реальность спрединга и его глобальная роль, по крайней мере на протяжении позднего мезозоя и кайнозоя, ныне почти не вызывают сомнений. Разногласия сводятся, в основном, к оценке масштаба, скорости этого процесса и ширины охваченной им зоны океана.

Однако существование и, тем более, огромный масштаб компенсирующего спрединг гипотетического процесса субдукции, в ходе которого при неизменности размеров нашей планеты должны «поглощаться» участки земной коры, равные возникающим в ходе спрединга, пока не подтвердилось ни данными сейсмических исследований, ни материалами глубоководного бурения. Согласно концепции тектоники плит, начиная с середины мезозоя, т.е. за последние 150 млн лет, в зонах субдукции, а также в зонах столкновения(коллизии) литосферных плит должна была «поглотиться» часть земной коры, составляющая около 2/3 всей поверхности Земли. Если же, как предполагают многие сторонники этой концепции, механизм спрединга и субдукции «работал» и раньше, хотя бы в течение всего фанерозоя и позднего протерозоя (т.е. 1,5 млрд лет), то зоны субдукции и коллизии должны были уже несколько раз «поглотить» и пропустить через себя всю ранее существовавшую земную кору. В действительности же большая часть площади континентов обладает древней корой континентального типа, возраст которой превышает 1,5-2 млрд лет.

С большими трудностями концепция тектоники плит сталкивается и при попытках объяснить тектонические и магматические процессы, протекающие во внутренних частях континентов, и в частности в пределах древних платформ. Если бы последние в составе относительно тонких (около 100 км) литосферных плит скользили по астеносферному слою, то каким образом крупные участки платформ площадью в миллионы квадратных километров могли на протяжении сотен миллионов и даже нескольких миллиардов лет сохранять свойственный им характер вертикальных движений? Геофизические данные, полученные в последние годы, показали, что под внутренними стабильными частями континентов астеносфера не имеет сплошного распространения и мощность литосферы здесь составляет не 100-150 км, как это предполагается в модели тектоники плит, а достигает, по крайней мере, 300-500 км. Если эти толстые континентальные глыбы вообще «скользят» по какой-то пластичной зоне, то она расположена значительно глубже, чем принимается в модели тектоники литосферных плит. Данные палеомагнитных исследований, указывающие на то, что в течение мезозоя и кайнозоя, т.е. последних 250 млн лет, расстояние между отдельными континентами существенно изменилось (в основном, увеличилось), показали, вместе с тем, что на протяжении всего раннего протерозоя (2,5-1,5 млрд лет назад) относительное положение платформенных ядер ряда современных континентов оставалось неизменным. При этом материки Гондваны, составляющие более половины общей площади древних платформенных ядер континентов, сохраняли свое взаимное расположение вплоть до начала или даже середины мезозоя.

Все эти данные ограничивают возможность применения гипотез, предполагающих значительные горизонтальные перемещения континентальных блоков главным образом на последних этапах геологической истории Земли.

Итак, одна часть фактов и эмпирических закономерностей истории Земли находит удовлетворительное объяснение с позиций фиксизма, а другая - с позиций мобилизма. Вместе с тем такие важнейшие геологические явления, как планетарные эпохи усиления складчато-покровных деформаций и рифтогенеза, периодические усиления и ослабления глобальных проявлений вулканизма, глубинной магматической деятельности и регионального метаморфизма, планетарные трансгрессии и регрессии, а также связанные с ними циклы горообразования, осадконакопления и т.д. не вытекают непосредственно ни из фиксистской, ни из мобилистской концепций. Они требуют для своего объяснения дополнительных факторов, способных обусловить глобальную периодичность всех этих тектонических, магматических и других сопряженных с ними процессов. Нуждаются в объяснении и многие геологические явления, отражающие эволюцию Земли в ходе ее развития. К их числу следует отнести, в частности, смену главных структурных элементов земной коры; перемещение арены вулканической активности из одних структур в другие; смену типов магматической активности и особенностей химического состава магматических продуктов на протяжении геологической истории; существенное усиление интенсивности вулканизма и расширение площади его проявления в мезо-кайнозое по сравнению с поздним протерозоем; эволюцию типов рудообразования.

Наличие геологических явлений, отражающих периодичность и направленную эволюцию процессов, вещественных комплексов структур, и стремление дать им естественное и непротиворечивое объяснение, заставляет геологов обращаться к различным гипотезам, и в первую очередь к предположениям о возможном расширении или пульсациях Земли в геологическом прошлом.

Гипотеза о расширении Земли

Первые натурфилософские высказывания о росте и дыхании Земли, как своеобразного живого организма, мы находим у Леонардо да Винчи. Идея расширения Земли в качестве допущения, позволяющего объяснить возникновение океанических впадин и сходство конфигурации береговых линий континентов, вероятно, впервые была выдвинута русским ученым-самоучкой Е.В. Быхановым в 1877 г. Спустя 11 лет русский инженер И.О. Ярковский высказал идею о постепенном росте массы и объема Земли, вытекающую из оригинальной трактовки природы гравитации как материального потока, направленного к Земле и другим небесным телам. Таким образом, уже в этих работах определились два направления, по которым в дальнейшем развивались гипотетические представления о расширении или росте Земли: геологическое, в котором идея расширения привлекалась для объяснения закономерностей строения и истории Земли или предполагаемых физико-химических процессов в ее недрах, и физическое (точнее, космологическое), в котором она вытекала из того или иного своеобразного понимания природы тяготения, а позднее - из допущения об изменениях гравитационного поля, и в частности уменьшении со временем гравитационной постоянной. Геологические данные в этом случае служат не основанием гипотезы, а лишь одним из средств ее проверки.

Высказывания основоположников идеи расширения, или роста, Земли остались незамеченными, но в первой половине 30-х годов нашего века идея расширения снова появляется в трудах немецкого геофизика О. Хильгенберга, южноафриканского астронома Дж. К. Холма и советских геологов М.М. Тетяева и В.М. Букановского. На этот раз гипотеза расширения Земли вызвала значительный интерес. В 30-50-х годах предположение о расширении Земли и других небесных тел высказывали П. Дирак, Л. Эдьед, П. Иордан, Д.Д. Иваненко и другие физики, связавшие это явление с гипотетическим процессом изменения гравитационной постоянной, которая, согласно взглядам некоторых физиков-теоретиков, должна уменьшаться пропорционально возрасту Вселенной при ее расширении.

С конца 50-х годов, по мере того как в результате развития геолого-геофизических исследований дна Мирового океана начала вырисовываться мировая система рифтовых хребтов, в пределах которой происходило значительное горизонтальное расширение земной коры, к идее общего расширения Земли почти одновременно пришли десятки геологов в Австралии, Советском Союзе, Западной Европе и США. Эта идея, высказанная первоначально в довольно схематической форме, встретила на первых порах весьма прохладное отношение, но в 60-70-х годах стала постепенно крепнуть, развиваться и приобретать все большее число сторонников, включая ряд крупных ученых, как в нашей стране, так и за рубежом.

Высказываемые в последнее время гипотетические представления о расширении или росте Земли в ходе ее геологической истории довольно существенно различаются как в отношении масштабов, так и причин предполагаемого увеличения размеров нашей планеты. Некоторые исследователи, например известный австралийский геолог С. Кэри, прямо заявляют, что они не знают этих причин и прибегают к гипотезе расширения как к единственному, по их мнению, допущению, позволяющему объяснить, не впадая в противоречия, главные закономерности тектонического строения и развития Земли. Другие авторы склоняются к принятию одной из трех предполагаемых причин увеличения размеров Земли.

Одни из них, вслед за И.О. Ярковским, допускают, что увеличение объема Земли и других небесных тел во времени сопровождалось пропорциональным ростом их массы. Подобные представления, претендующие на пересмотр фундаментальных законов физики, вероятно, имеют право на существование, но пока очень слабо обоснованы. Подчеркнем, что сторонники этих взглядов предполагают значительный рост силы тяжести на протяжении истории Земли, чему, как будто, противоречат геологические данные. Кроме того, они считают, что наряду с Землей в равной мере увеличивали свои размеры и все другие планеты Солнечной системы, а это не подтверждается новейшими данными по изучению планет земной группы.

Другие исследователи, вслед за П. Дираком, предполагают, что в ходе развития Вселенной уменьшалась гравитационная постоянная, в связи с чем постепенно уменьшалось давление на вещество нашей планеты и происходило его разуплотнение, приводившее к увеличению земного радиуса. Однако представление об уменьшении гравитационной постоянной во времени пока не доказано и принимается лишь некоторыми физиками-теоретиками. Согласно этому представлению, за время существования Земли ее радиус мог увеличиться лишь на 10-20% (в том числе, за мезозой и кайнозой - менее чем на 1%). Американский физик В. Кануто высказал недавно сомнение в том, что уменьшение гравитационной постоянной должно было сопровождаться увеличением радиуса Земли.

Наконец, если бы расширение Земли было обусловлено только уменьшением гравитационной постоянной, ему следовало быть равномерным и в равной мере проявиться на всех планетах Солнечной системы, чего нет в действительности.

Наконец, можно допустить, что радиус Земли после завершения эпохи аккреции увеличивался и продолжает увеличиваться без сколько-нибудь заметного возрастания ее массы исключительно за счет разуплотнения вещества в результате тех или иных процессов в ее недрах. Ускорение силы тяжести на поверхности Земли в ходе геологического времени должно уменьшаться пропорционально квадрату возрастания ее радиуса. При этом можно предположить, что расширение Земли в ходе геологического времени не было равномерным: оно могло, например, постепенно усиливаться или проявляться отдельными импульсами либо размеры Земли могли периодически подвергаться колебаниям (пульсациям) на фоне преобладающего ее расширения. Этот гибкий вариант гипотезы расширения Земли открывает максимальные возможности для объяснения многих вопросов геологии.

Наиболее перспективным для геологов следствием гипотезы о расширении Земли является возможность объяснить происхождение современных океанических впадин (или, во всяком случае, срединно-океанических рифтовых хребтов) как результат спрединга, не прибегая при этом к гораздо менее обоснованному допущению о компенсирующей его субдукции. Одни исследователи, придерживающиеся идеи расширения Земли, совсем исключают субдукцию, другие, как, например, Дж. Стейнер, допуская ее, отмечают, что максимальная площадь земной коры, «поглощенной» в процессе субдукции в течение мезо-кайнозоя, по крайней мере, на 1/3 должна уступать площади новой коры океанического типа, одновременно возникшей в процессе спрединга. Согласно этой гипотезе, увеличение объема проявлялось не равномерно на всей поверхности планеты, но в связи с ее неоднородностью происходило главным образом в наиболее ослабленных ее зонах - в первую очередь, в линейных подвижных поясах и, возможно, в океанических впадинах.

Доводы в пользу расширения Земли

Признаки вероятного расширения Земли мы находим начиная с самых ранних стадий ее развития. Возможно, оно происходило на протяжении всей ее геологической истории, но, как уже говорилось, скорее всего проявлялось неравномерно и в разные эпохи существования Земли выражалось в несколько различных формах. При этом густота сети линейных структур растяжения со временем уменьшалась, а их размеры увеличивались, что естественно связать с последовательным утолщением литосферы.

Исследования Е.С. Штенгелова (доклад на Московской конференции), проведенные с помощью геофизических, гидрогеологических и геохимических методов в ряде областей Советского Союза, показали, что существуют четко локализованные полосовидные зоны открытой, проницаемой для флюидов, трещиноватости, образующие густую, - преимущественно решеткообразную сеть, которая разбивает земную кору на блоки. Эти зоны затрагивают весь вскрытый бурением геологический разрез, включая самые молодые отложения. Ширина трещиноватых зон варьирует от сотен метров до нескольких километров, а ширина заключенных между ними блоков - от 2-3 до 20-30 км. Для некоторых трещинных зон имеются геодезические данные об их современном расширении. К зонам открытой трещиноватости или их продолжениям в некоторых сейсмоактивных районах (например, в Крыму) приурочены очаги землетрясений, причем во многих случаях отмечается перпендикулярность ориентировки осей растягивающих напряжений в этих очагах к ориентировке трещинных зон.

С гипотезой о расширении Земли, точнее, о ее последовательном разуплотнении, согласуются данные, свидетельствующие об уменьшении силы тяжести в ходе геологического времени. К их числу следует отнести очень глубокий метаморфизм широко распространенных раннеархейских пород гранулитовых поясов. Высокая степень метаморфизма заставляет, опираясь на данные экспериментальных исследований, предполагать, что эти породы образовались на геологически почти невероятных глубинах в 30-40 км (если считать, что давления и температуры в недрах соответствовали современным). Однако, если допустить, как это делают К.А. Шуркин, Ф.П. Митрофанов, Э.Н. Лишневский и другие, что радиус Земли в начале архея (т.е. 3,5 млрд лет назад) был меньше современного, скажем, в 1,5-2 раза, то та же величина литостатического давления могла достигаться на значительно меньшей глубине (7,5-10 и 15-20 км, соответственно). Температура, необходимая для возникновения пород гранулитовой ступени метаморфизма, в начале архея вполне могла существовать на подобной глубине.

Представления о последовательном снижении силы тяжести на протяжении геологической истории, как показал Б.А. Мальков на Московской конференции, могут пролить свет на загадку происхождения алмазоносных кимберлитовых трубок. По экспериментальным данным, заключенные в них алмазы и некоторые их спутники могли возникнуть лишь при температуре и давлении, достигаемых ныне на глубине более 150-200 км, тогда как основная часть вещества кимберлитовых трубок, несомненно, образовалась на гораздо меньшей глубине. Абсолютный возраст алмазов, заключенных в трубках, в тех случаях, когда удается его определить, оказывается гораздо более солидным (архейским), чем возраст самих трубок, большинство которых датируется мезозоем или палеозоем, и лишь древнейшие из них являются позднепротерозойскими. В свете гипотезы о постепенном снижении силы тяжести в ходе развития Земли можно высказать предположение, что в формировании алмазоносных кимберлитовых месторождений было несколько этапов: ранний, когда алмазы могли возникать в самой верхней части мантии на глубине в несколько десятков километров, и поздний, когда они захватывались с этой глубины и поднимались с ультрабазитовым веществом кимберлитовых трубок вплоть до земной поверхности. Наличие некимберлитовых источников алмазов, приуроченных к тектоническим выступам докембрийской верхней мантии Земли, делает эти предположения еще более вероятными [Маракушев, 1982].

Количественные данные, позволяющие судить о большей величине силы тяжести в геологическом прошлом, дает палеонтология. Современные электронно-микроскопические методы исследований эпитеки (наружной части скелета) одиночных кораллов позволяют установить в ней, наряду с годичными циклами нарастания, суточные ритмы ее роста. При этом, если у современных кораллов число суточных ритмов в годичном цикле составляет примерно 365, то у позднекаменноугольных - около 390, а у среднедевонских - около 400. Следовательно, скорость вращения Земли (точнее, количество ее оборотов вокруг оси в течение года) со временем постепенно уменьшалась, что, возможно, связано с последовательным увеличением объема Земли и уменьшением ее средней плотности. Следует оговориться, что эти данные могут свидетельствовать об абсолютном замедлении вращения Земли лишь в том случае, если длительность года не уменьшалась. Если пренебречь влиянием приливного трения, то можно подсчитать, что такое уменьшение скорости вращения Земли могло быть вызвано увеличением земной поверхности с середины девона на 8,5% и с конца карбона - на 7%; радиус же Земли увеличивался соответственно на 4,2% и 3,5%.

Палеонтология дает и косвенные указания на постепенное уменьшение силы тяжести в ходе геологического времени. Вплоть до конца докембрия на Земле существовали лишь бесскелетные, мягкотелые животные с плотностью тела, равной плотности воды, в которой они обитали, находясь как бы в состоянии «невесомости». Лишь на рубеже докембрия и кембрия представители сразу ряда групп беспозвоночных практически одновременно обрели скелетные элементы, причем плотность вещества последних и их относительная роль в общем весе организмов в дальнейшем последовательно возрастали. Животные получили возможность с помощью скелетных конструкций сперва активно перемещаться в водной среде (или успешно противостоять ее движениям), затем ползать и ходить по поверхности суши и наконец смогли летать. Эти шаги в изменении структуры, условий существования и перемещения, которые проходили параллельно разные группы организмов, естественно связать с последовательным снижением силы тяжести, все более облегчавшим возможность их свободного перемещения в водной, наземной и воздушной среде.

Данные палеомагнитных исследований использовались различными авторами как для доказательства довольно значительных измерений радиуса Земли в геологическом прошлом (в основном его постепенного увеличения), так и для отрицания сколько-нибудь заметных его колебаний. Совсем недавно австралийские палеомагнитологи П. Шмидт и Б. Эмблтон выступили с обоснованием представления о том, что еще около 1,6 млрд лет назад (т.е. на рубеже раннего и позднего протерозоя) радиус Земли составлял около 55% от современного и все нынешние массивы с континентальной корой близко примыкали друг к другу, а затем, в интервале 1,6-1,0 млрд лет, началось значительное расширение объема нашей планеты, когда между континентальными глыбами возникли первые участки океанической коры.

Таким образом, накапливается довольно много разнообразных данных, получающих наиболее естественное истолкование с позиций допущения о постепенном увеличении объема и соответственном понижении плотности Земли. Не исключая роли возможного уменьшения величины гравитационной постоянной или ее флуктуаций, как одного из факторов, контролировавших гипотетические изменения объема Земли, планет земного типа, мы предполагаем все же, что главной причиной увеличения (и вообще изменения) объема могли быть процессы, происходившие в недрах планет в ходе их внутреннего развития. Признаки наиболее значительного расширения мы наблюдаем на Земле, продолжающей оставаться «живой» планетой, более слабые - на Марсе и Венере, раньше исчерпавших внутренние источники тектоно-магматической активности, и практически ничтожные - на Меркурии и Луне, эндогенная активность которых прекратилась по крайней мере 3-3,5 млрд лет назад. Все это доказывает, что главную причину расширения планет земной группы нужно искать в эндогенных процессах, ведущих к разуплотнению их вещества. К сожалению, химический состав ядра и нижней части мантии Земли и характер происходящих в них процессов до сих пор еще далеко неясны, так же как и природа значительной части термической энергии Земли. Тем не менее, ряд исследователей, исходя из различных моделей внутреннего строения Земли, приходят в последнее время к представлениям о неизбежности ее большего или меньшего разуплотнения и расширения.

Так, В.Л. Барсуков и В.С. Урусов на Московской конференции показали, что силикатно-окисное вещество мантии с глубиной испытывает серию полиморфных фазовых превращений, обусловливающих, в частности, скачки в скорости продольных и поперечных волн и в плотности вещества на границах зоны, переходной между верхней и нижней мантией. Разогрев недр с ходом времени сдвигает глубину этих границ, причем верхняя и нижняя границы переходной зоны смещаются, вероятно, в разных направлениях. В результате фазовых переходов, а также термического расширения вещества недр, согласно представлениям Барсукова и Урусова, радиус Земли должен увеличиваться со временем по крайней мере на несколько процентов (несколько сотен километров).

В.Н. Ларин, исходя из предложенной им гипотетической модели изначального преимущественно гидридного состава Земли (металлы и кремний плюс водород), полагает, что внутреннее ядро современной Земли состоит из гидридов металлов, внешнее ядро - из металлов с растворенным водородом, нижняя мантия - из металлов и их соединений с кремнием, а верхняя мантия и кора - из силикатов и окислов [Ларин, 1981]. Все главнейшие геологические явления, согласно гипотезе В.Н. Ларина, связаны с дегазацией водорода от ядра планеты, которая сопровождается существенным увеличением объема ядра. Модель В.Н. Ларина предполагает значительно большее расширение планеты в процессе ее развития (в несколько раз по объему) и акселерацию этого явления во времени, согласующуюся с данными об относительно быстром расширении океанических впадин в мезо-кайнозое. Расширение должно протекать циклично, и эпохи расширения должны чередоваться с остановками этого процесса и даже эпохами некоторого сжатия.

Таким образом, вопрос о масштабах и скорости возможного расширения Земли в ходе геологической истории решается разными исследователями неодинаково и в целом остается открытым. Но наиболее вероятным автору этих строк представляется умеренное (по темпу и масштабу) расширение Земли, в результате которого возникла не вся поверхность глубоководных впадин молодых океанов (Атлантического, Индийского, Арктического), а лишь внутриокеанические рифтовые хребты. Сугубо ориентировочно величину предполагаемого увеличения радиуса Земли за последние 3,5 млрд лет, т.е. с начала архея, можно оценить примерно в 50%; за последние 1,5 млрд лет, т.е. с начала позднего протерозоя, - примерно в 30% и за последние 250 млн лет, т.е. с начала мезозоя, - в 5-10% (чему соответствует возрастание поверхности Земли на 10-20%). Три главных этапа предполагаемого расширения Земли показаны на рисунках.

История появления пульсационной гипотезы

Хотя гипотеза расширения Земли облегчает решение ряда трудных проблем геологии, она, как и концепции фиксизма и мобилизма, не в состоянии удовлетворительно объяснить некоторые серьезные вопросы развития нашей планеты. К числу их относятся мощные деформации горизонтального сжатия в земной коре, периодичность и глобальная синхронность таких важнейших геологических явлений, как планетарные эпохи и фазы усиления складчато-покровных деформаций, периодическое усиление и ослабление глобальных проявлений вулканизма, плутонизма и регионального метаморфизма, планетарные трансгрессии и регрессии и т.д. Естественное объяснение всех этих явлений дает пульсационная гипотеза геотектоники.

Идея пульсаций Земли была подготовлена исследованиями ученых, установивших периодичность и планетарный характер проявлений интенсивных тангенциальных деформаций сжатия в земной коре, и прежде всего появившимися в начале 20-х годов работами известного немецкого геолога Г. Штилле о фазах складчатости. В 1925 г. ирландский геофизик Дж. Джоли, развивая мобилистские идеи А. Вегенера, предположил, что горизонтальное перемещение континентальных плит происходит лишь в отдельные эпохи, когда, вследствие накопления тепловой энергии радиоактивного распада в подкоровом субстрате, он начинает плавиться. В такие эпохи «освобождаются» ротационные и приливные силы, которые приводят в движение континентальные плиты. Растягиваясь и дробясь, плиты перемещаются по поверхности Земли и обнажают те участки горячего субстрата, над которыми они ранее располагались. Это приводит к усиленной теплоотдаче Земли в мировое пространство, и континентальные глыбы, обретя новое взаимоположение, постепенно «вмерзают» в охладившийся субстрат, испытывая при этом деформации сжатия. Затем вновь начинается постепенный радиоактивный разогрев субстрата, и «цикл» перемещения континентальных глыб повторяется. Таким образом, Джоли ввел в геологическую науку идею о термических циклах развития Земли, состоящих из фазы разогрева и разуплотнения подкорового субстрата и фазы охлаждения и уплотнения, сопровождающегося сокращением его объема и площади. Взгляды Джоли нашли горячую поддержку у крупнейшего советского геолога А.Д. Архангельского, писавшего в 1929 г. в предисловии к русскому переводу его книги, что «в жизни земной коры красной нитью проходит чередование эпох, в которые эта кора испытывает грандиозное сжатие, с эпохами, в которых ярко проявляются не менее мощные растягивающие усилия» [Джоли, 1929].

Форму стройной теоретической концепции гипотеза пульсаций Земли впервые приобрела в книге В. Бухера «Деформации Земной коры» (1933), идеи которого получили развитие в появившихся в предвоенные годы работах наших крупнейших геологов В.А. Обручева и М.А. Усова. Независимо от Бухера представления о чередовании расширения и сжатия Земли на фоне преобладающего расширения высказали в 1934 г. М.М. Тетяев и В.Н. Букановский.

В послевоенные годы пульсационная гипотеза нередко упоминалась в сводных работах по геотектонике, однако в качестве ее существенного недостатка отмечалось, что отсутствуют надежные доказательства существования фаз глобального расширения. Немалую роль в критике этой гипотезы сыграли попытки ряда видных геологов, в частности Н.С. Шатского, опровергнуть существование фаз складчатости, которое рассматривалось как проявление глубоко ошибочных идей неокатастрофизма в геологии. Лишь некоторые советские геологи, например П.Н. Кропоткин и Н.Е. Мартьянов, выступали как сторонники гипотезы пульсаций.

Но в 70-х годах, в связи с обострением борьбы между фиксистскими и мобилистскими представлениями о происхождении структур эпигеосинклинальных складчатых областей и быстрым развитием исследований рифтовых зон, пульсационная гипотеза начинает приобретать популярность. Анализ быстро накапливающихся разнообразных геологических данных подводит к необходимости объяснить представления о пульсациях Земли разной продолжительности и о ее общем расширении на протяжении весьма длительных отрезков геологической истории или даже всей жизни Земли.

Проявления пульсаций Земли

Как известно, в гипотезе тектоники плит предполагается глобальная компенсация спрединга в океанах и более слабого растяжения в рифтовых зонах континентов различными формами столкновения литосферных плит, и прежде всего субдукцией. Если при этом устанавливается неравномерность проявлений сжатия во времени, то должна иметь место и неравномерность в интенсивности проявлений спрединга, причем «фазы складчатости» должны в то же время являться фазами усиления спрединга и континентального рифтогенеза.

Детальное изучение истории проявления рифтогенеза на континентах и спрединга в океанических рифтовых зонах подтвердило существование глобальной периодичности в проявлениях рифтогенеза, но при этом оказалось, что фазы усиления рифтогенеза вовсе не совпадают с фазами складчатости, а чередуются с ними во времени. Фазам же усиления процессов сжатия в геосинклинальных областях отвечает в рифтовых зонах ослабление или полное прекращение горизонтального расширения, а в некоторых из континентальных рифтовых зон - даже слабые проявления горизонтального сжатия. Все эти явления невозможно объяснить с позиции неизменности радиуса Земли. Наоборот, они требуют допущения о периодических пульсациях объема планеты: расширениях в фазы усиления растяжения и сокращениях в фазы усиления деформаций сжатия.

Рифтовые зоны более благоприятны для проявления глобального растяжения, поскольку именно в них поднимается глубинный мантийный материал, как бы закупоривающий возникающие «зияния» и делающий их малоподатливыми для последующих проявлений сжатия. Напротив, геосинклинальные прогибы с их тенденцией к глубокому погружению и аккумуляции мощных линз слоистого материала оказываются более чувствительными к проявлению глобального сжатия, при котором осуществляется смятие этого материала и его выжимание вверх и в стороны.

Конечно, в каждую фазу сокращения объема Земли деформации сжатия реализуются не во всех геосинклинальных областях и их зонах, а лишь в некоторых из них. Это, очевидно, связано с тем, что лишь часть этих зон в соответствующий момент «созревает» для подобных деформаций, поскольку их фундамент, ранее относительно жесткий и неподатливый, теперь оказывается достаточно глубоко погруженным, прогревается, гранитизируется и приобретает пластичность, необходимую для его раздавливания, выжимания и соответствующего механического воздействия на перекрывающие его мощные слоистые толщи.

Итак, расширение и сжатие Земли не проявляются на ее поверхности равномерно, а осуществляются в отдельных благоприятных для этого зонах, функции которых на разных стадиях истории Земли принадлежали различным структурным элементам. Сторонников пульсационной гипотезы иногда упрекают в игнорировании одновременности проявления на земной поверхности сжатия и растяжения, но этот упрек основан на явном недоразумении. Конечно, на Земле одновременно происходят и сложно сочетаются проявления горизонтального растяжения и сжатия, и речь может идти лишь о глобальном преобладании той или иной тенденции в отдельные эпохи ее истории.

Чередование деформаций растяжения и сжатия представляет лишь одну из форм проявлений пульсаций Земли. Не менее важное значение имеет чередование эпох, характеризуемых интенсивной вулканической деятельностью, с эпохами, отмеченными отсутствием вулканизма или слабыми его проявлениями. И в рифтовых зонах, и в геосинклинальных поясах вулканизм свойственен эпохам или фазам, ознаменованным усилением горизонтального растяжения, и отсутствует в эпохи горизонтального сжатия. Массовые проявления базальтового вулканизма на платформах (трапповые излияния) присущи обширным, обычно длительно развивающимся впадинам в фазы их горизонтального растяжения. Значительная активизация внегеосинклинального континентального вулканизма в мезозое и частично в палеозое, а также одновременные с ним, но гораздо большие по масштабу базальтовые излияния на дне океанов совпадают с эпохой резкого усиления океанического и континентального рифтогенеза, т.е. преобладания горизонтального расширения. Эти факты, скорее всего, говорят о том, что положительные фазы пульсаций Земли могут вызываться разогревом, частичным плавлением и разуплотнением астеносферы Земли, которое приводит к растрескиванию литосферы и излиянию на поверхность огромных масс магматического материала. Отрицательные же фазы, т.е. сокращение радиуса Земли и связанное с ним смятие и коробление литосферы, могут быть вызваны относительным охлаждением, уплотнением и сокращением объема астеносферного слоя.

К числу важных проявлений пульсаций относятся крупнейшие колебания уровня океана. Мировые регрессии связаны с фазами сжатия, сопровождающимися возникновением горных сооружений, возрастанием глубины и емкости впадин морей и океанов, в которых собираются главные массы воды. Напротив, мировые трансгрессии отвечают фазам общего расширения Земли, во время которых сглаживаются основные неровности ее рельефа. Эти фазы знаменуются усилением вулканизма и, соответственно, поступлением из глубин Земли значительных масс ювенильной воды.

Пульсации Земли находят также выражение в сопряженных процессах горообразования и формирования осадочных толщ [Казаринов, 1979]. Эпохи расширения Земли и обширных трансгрессий знаменуются выравниванием рельефа, широким развитием корообразования и химического выветривания. Благодаря сглаживанию неровностей поверхности Земли и смягчающему влиянию трансгрессий, они обычно характеризуются теплым влажным климатом на большей части суши. В подобные эпохи в морях накапливаются карбонатные отложения, железные и марганцевые руды, а на континентальных равнинах формируются угленосные толщи и бокситы. Напротив, эпохам сжатия и регрессий отвечает возрастание геоморфологических контрастов и денудационных процессов, возникновение орографических барьеров, усиливающих климатическую зональность и обусловливающих широкое развитие аридных, а также ледовых обстановок. В данные эпохи формируются соленосные толщи, медистые сланцы и песчаники. Можно предполагать, что и формирование многих эндогенных минеральных месторождений связано с режимом пульсаций Земли и периодическим возрастанием проницаемости верхней мантии и коры для глубинных флюидов.

О продолжительности пульсаций

Какой же может быть длительность отдельных циклов пульсаций Земли? Вероятно, в ее развитии проявляются, накладываясь друг на друга, «пульсы» различного масштаба и длительности. Самыми крупными из них являются такие мегациклы, как протогей (древнее 3,5 млрд лет), дейтерогей (от 3,5 до 1,6 млрд лет), неогей (от 1,6 до 0,2 млрд лет) и постнеогей (последние 200 млн лет). Постнеогей представляет, вероятно, лишь начало мегацикла. Каждый из мегациклов начинается с глобального расширения и вызванной им деструкции, а завершается глобальной консолидацией. Три мегацикла, сопоставимые, вероятно, с земными по своей длительности и значению, но отличные по характеру проявления, намечаются на Марсе и, возможно, на Венере, несколько раньше Земли исчерпавших внутренние источники энергии, и не более двух - на значительно раньше завершивших свое эндогенное развитие Меркурии и Луне.

Наряду с самыми крупными циклами, улавливаются геотектонические циклы продолжительностью в несколько сотен миллионов лет. Кроме того, выявляются циклы эндогенной активности, которые длятся 40-50 млн лет; первая половина их отмечена усилением процессов рифтогенеза и других проявлений расширения, а вторая - сгущением «фаз складчатости». Еще меньшие по продолжительности циклы (несколько миллионов лет) проявляются отдельными пароксизмами сжатия («фазами складчатости») и относительно спокойными периодами, характеризуемыми отдельными «фазами рифтогенеза». По-видимому, существуют пульсации продолжительностью менее миллиона лет, а также еще более кратковременные, вплоть до нескольких лет. Может быть, избыточные напряжения в массивах горных пород, установленные во многих районах Земли, отражают существование относительно короткопериодических пульсаций в рамках плиоцен-четвертичной эпохи растяжения.

Для суждения о реальности подобных весьма непродолжительных периодических колебаний радиуса и (или) фигуры Земли мы пока не располагаем достаточным количеством гравиметрических и астрономических измерений, но и те данные, которые имеются, представляют уникальный интерес. Как сообщил на Московской конференции Ю.Д. Буланже, в гравиметрии давно известны приливные вариации силы тяжести, вызываемые притяжением Луны и Солнца и имеющие периодический характер, но лишь в последнее время обнаружены неприливные изменения, порождаемые причинами, связанными с развитием нашей планеты. Часть из них имеет локальный характер. Но в самые последние годы с появлением высокоточных баллистических гравиметров удалось выявить и глобальные (?) изменения силы тяжести, которые сходным образом проявились в трех далеко отстоящих друг от друга и расположенных в разных тектонических зонах пунктах наблюдений - в Потсдаме, Москве и Новосибирске. Во всех этих пунктах изменения силы тяжести за время с 1975 по 1980 г. составили одну и ту же величину. Ю.Д. Буланже делает вывод, что «глобальные колебания» силы тяжести, вероятно, существуют, но пока все еще недостаточно данных для определения их периода или амплитуды» [Буланже, 1981].

Согласно расчетам Н.Н. Парийского, эти колебания хорошо согласуются с изменением скорости вращения Земли. Одной из вероятных причин колебаний величины силы тяжести, как и изменений скорости вращения Земли, могут быть небольшие изменения радиуса Земли или ее формы. Можно пожелать, чтобы исследования глобальных изменений силы тяжести были в ближайшие годы продолжены и за пределами Евразии, что позволит проверить реальность происходящих в настоящее время изменений объема и фигуры Земли.

Одним из главных критериев при решении вопроса о возможном расширении Земли в геологическом прошлом должна стать проверка реальности, масштаба и скорости двух главных геодинамических процессов, предполагаемых в концепции тектоники плит, а именно: спрединга (и других явлений горизонтального расширения земной коры)и субдукции (и других видов ее горизонтального сокращения). Если будет доказана реальность первого процесса и фиктивность или относительно меньший масштаб второго, тогда предположение о расширении Земли станет научно доказанной теорией, а гипотеза тектоники плит приобретет соответствующее ей ограниченное значение. (Не исключено, что зоны Беньофа являются своеобразными «рельсами», вдоль которых в фазы общего расширения Земли может происходить растяжение (эдукция), в фазы общего сжатия - субдукция, а кроме того - сопряженные со сжатием или растяжением продольные сдвиговые смещения). Возможно, конечно, что будущие исследования подтвердят реальность некоторых пульсаций объема Земли и периодических изменений ее формы, но покажут, что общего заметного увеличения размеров Земли в мезо-кайнозое не было, и тогда очень резкая активизация океанического и континентального (внегеосинклинального) вулканизма и разрастание океанов в мезо-кайнозое потребуют каких-то иных объяснений. Для более достоверной проверки реальности и оценки масштаба пульсаций Земли, измеряемых миллионами лет, необходима коллективная, проводимая по единой методике работа по хронологической корреляции деформаций сжатия и растяжения в разных зонах Земли, а также других геологических явлений, могущих находиться в причинной связи с пульсациями Земли.

Предварительные итоги

Гипотеза расширения и пульсаций не противопоставляется другим существующим геотектоническим концепциям, а связана с ними и может быть «вписана» в них как важный и необходимый элемент, придающий истории Земли направленность и периодичность. С концепцией фиксизма ее связывает общность понимания глубинного строения и развития континентальных массивов, которые уходят своими корнями глубоко в мантию Земли и приводятся в движение «мотором», расположенным непосредственно под континентальными структурами, возможно, в конечном счете, на границе мантии и ядра. Классическое учение о геосинклинальном процессе целиком укладывается в рамки гипотезы расширения и пульсаций и в наибольшей мере отвечает событиям неогея, т.е. мегаэпохи, начавшейся с сильного расширения Земли в рифее и завершившейся герцинским горообразованием. Наконец, развитие Земли в мезо-кайнозое, в той части, что касается истории океанов, рисуется во многом сходно и с позиций тектоники плит. Гипотезой расширения и пульсации принимается и значительная роль горизонтального сжатия в геосинклинальных поясах в разных его формах, но суммарная относительная роль этих процессов признается меньшей, чем сумма проявлений расширения. Однако в течение каждой фазы общего расширения Земли в основном расширяются рифтовые пояса и вмещающие их океаны, а в течение каждой фазы общего сокращения ее объема в основном сжимаются геосинклинально-орогенические пояса, следовательно происходит относительное горизонтальное перемещение «жестких» массивов, разделяющих подвижные зоны Земли, т. е. осуществляется процесс, постулируемый в модели «тектоники плит», только происходит он медленнее, чем по этой модели, а континентальные «плиты» оказываются гораздо более толстыми и скользят не по астеносфере, а по значительно более глубоким поверхностям, в мантии, и, может быть, даже по ее подошве.

В заключение надо подчеркнуть, что концепция расширения и пульсаций Земли, как и другие теоретические концепции в нынешнюю революционную эпоху развития геотектоники и геологии в целом, представляет собой лишь гипотезу. Все они пока не являются строго обоснованными теориями, и заклинания апологетов той или другой концепции об ее истинности и полной несостоятельности остальных кажутся убедительными только ее приверженцам и не способствуют успешному развитию науки. Если гипотеза расширения и пульсаций Земли и отражает реально происходившие и протекающие в настоящее время процессы - что еще, конечно, требуется убедительно доказать, - то остаются неясными многие важные вопросы: об иерархии этих процессов, о масштабе расширения как за всю историю Земли, так и за мезо-кайнозойскую мегаэпоху ее развития, о глубинных причинах этих процессов и взаимосвязях всех их проявлений, об истории водной массы Мирового океана и т.д. На пути разработки и критической проверки идей о пульсациях и расширении Земли могут быть выяснены многие, пока неясные проблемы строения и эволюции нашей планеты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Буланже Ю.Д. // Земля и Вселенная. 1981. № 4. С. 10.

2. Джоли Дж. История поверхности Земли. М., 1929. С. 192.

3. Казаринов В.П. Пульсации Земли // Бюлл. МОИП, отд. геол. 1979. № 3. С. 74.

4. Ларин В.И. Новая геохимическая модель Земли // Природа. 1981. № 12. С. 5.

5. Маракушев А.А. Происхождение алмазов // Природа. 1982. № 2. С. 46.

6. Милановский Е.Е. Расширение и пульсации Земли - возможный ключ к пониманию ее тектонического развития в фанерозое // Природа. 1978. № 7. С. 22.

Ссылка на статью:

Милановский Е.Е. Расширяющаяся и пульсирующая Земля // Природа. 1982. № 1. С. 46-59.