В геологии суперконтинент — это совокупность большинства или всех континентальных блоков или кратонов Земли , образующих единый большой массив суши. [1] [2] [3] Однако некоторые геологи используют другое определение: «группа ранее разрозненных континентов», которое оставляет простор для интерпретаций и легче применимо к докембрийскому периоду. [4] Чтобы отделить суперконтиненты от других группировок, был предложен предел, при котором континент должен включать не менее 75% континентальной коры, существовавшей на тот момент, чтобы считаться суперконтинентом. [5]
Двигаясь под действием сил тектоники плит , суперконтиненты собирались и расходились много раз в геологическом прошлом. Согласно современным определениям, суперконтинентов сегодня не существует; [1] ближайшим является нынешний Афро-Евразийский массив суши, который покрывает примерно 57% общей площади суши Земли. Последний период, в который континентальные массивы суши находились близко друг к другу, был от 336 до 175 миллионов лет назад, образуя суперконтинент Пангея . Положение континентов было точно определено еще в раннем юрском периоде , незадолго до распада Пангеи. [6] Предшественник Пангеи Гондвана не считается суперконтинентом в соответствии с первым определением, поскольку массивы суши Балтики , Лаврентии и Сибири были в то время разделены. [7]
Предполагается, что будущий суперконтинент, называемый Пангея Проксима , сформируется в течение следующих 250 миллионов лет. [8]
Фанерозойский суперконтинент Пангея начал распадаться 215 млн лет назад , и это отдаление продолжается и сегодня. Поскольку Пангея является самым последним из суперконтинентов Земли, она наиболее известна и понятна. Популярность Пангеи в классе объясняется тем , что ее реконструкция почти так же проста, как сборка нынешних континентов, граничащих с Атлантическим океаном, как кусочков пазла. [4]
Для периода до Пангеи существуют две противоположные модели эволюции суперконтинента на протяжении геологического времени .
Первая модель предполагает, что существовало по крайней мере два отдельных суперконтинента, включающих Ваальбару и Кенорланд , причем Кенорланд включал Суперию и Склавию . Эти части неоархейского возраста откололись ~2480 и 2312 млн лет назад , а их части позже столкнулись, образовав Нуну (Северная Европа и Северная Америка). Нуна продолжала развиваться в течение мезопротерозоя , в основном за счет боковой аккреции ювенильных дуг, и ~1000 млн лет назад Нуна столкнулась с другими массивами суши, образовав Родинию . [4] Между ~825 и 750 млн лет назад Родиния распалась. [9] Однако, прежде чем полностью распасться, некоторые фрагменты Родинии уже объединились, образовав Гондвану ~608 млн лет назад . Пангея образовалась в результате столкновения Гондваны, Лавразии ( Лаурентии и Балтики ) и Сибири .
Вторая модель (Кенорланд-Арктика) основана как на палеомагнитных, так и на геологических свидетельствах и предполагает, что континентальная кора представляла собой единый суперконтинент с ~2,72 млрд лет до распада в эдиакарский период после ~0,573 млрд лет . Реконструкция [10] основана на наблюдении, что палеомагнитные полюса сходятся в квазистатических положениях в течение длительных интервалов между ~2,72–2,115 млрд лет; 1,35–1,13 млрд лет; и 0,75–0,573 млрд лет с небольшими периферийными изменениями в реконструкции. [11] В течение промежуточных периодов полюса соответствуют единому кажущемуся пути полярного блуждания.
Хотя это и контрастирует с первой моделью, первая фаза (Протопангея) по сути включает Ваальбару и Кенорленд первой модели. Объяснение длительной продолжительности существования суперконтинента Протопангея-Палеопангея, по-видимому, заключается в том, что тектоника крышки (сравнимая с тектоникой, действующей на Марсе и Венере) преобладала в докембрийское время. Согласно этой теории, тектоника плит , наблюдаемая на современной Земле, стала доминирующей только в конце геологического периода. [11] Этот подход широко критиковался многими исследователями, поскольку он использует неправильное применение палеомагнитных данных. [12]
Суперконтинентальный цикл — это распад одного суперконтинента и развитие другого, происходящее в глобальном масштабе. [4] Суперконтинентальные циклы — это не то же самое, что цикл Вильсона , который представляет собой открытие и закрытие отдельного океанического бассейна . Цикл Вильсона редко совпадает по времени с суперконтинентальным циклом. [1] Однако суперконтинентальные циклы и циклы Вильсона были вовлечены в создание Пангеи и Родинии. [6]
Вековые тенденции, такие как карбонатиты , гранулиты , эклогиты и события деформации пояса зеленых камней , являются возможными индикаторами цикличности докембрийского суперконтинента, хотя решение Протопангея–Палеопангея подразумевает, что фанерозойский стиль суперконтинентальных циклов не действовал в эти времена. Кроме того, есть случаи, когда эти вековые тенденции имеют слабый, неравномерный или отсутствующий отпечаток на суперконтинентальном цикле; вековые методы реконструкции суперконтинента дадут результаты, которые имеют только одно объяснение, и каждое объяснение для тенденции должно соответствовать остальным. [4]
В следующей таблице приведены названия древних суперконтинентов, реконструированных с использованием более свободного определения Брэдли 2011 года [7] с приблизительной временной шкалой в миллионы лет назад (млн лет).
Считается, что причины сборки и рассеивания суперконтинентов обусловлены конвекционными процессами в мантии Земли . Примерно на глубине 660 км в мантии происходит разрыв, влияющий на поверхностную кору через процессы, включающие плюмы и суперплюмы (также известные как крупные провинции с низкой скоростью сдвига ). Когда плита субдуцированной коры плотнее окружающей мантии, она погружается в разрыв. Как только плиты накапливаются, они погружаются в нижнюю мантию в том, что известно как «лавина плит». Это смещение в разрыве заставит нижнюю мантию компенсировать и подняться в другом месте. Поднимающаяся мантия может образовать плюм или суперплюм. [1]
Помимо композиционных эффектов в верхней мантии путем пополнения литофильных элементов с большими ионами , вулканизм влияет на движение плит. [1] Плиты будут перемещаться в сторону геоидального минимума, возможно, там, где произошел обвал плиты, и отталкиваться от геоидального максимума, который может быть вызван плюмами или суперплюмами. Это заставляет континенты сталкиваться друг с другом, образуя суперконтиненты, и, очевидно, это был процесс, который заставил раннюю континентальную кору объединиться в Протопангею. [17]
Рассеивание суперконтинентов вызвано накоплением тепла под корой из-за подъема очень больших конвекционных ячеек или плюмов, а массивное выделение тепла привело к окончательному распаду Палеопангеи. [18] Аккреция происходит над геоидальными понижениями, которые могут быть вызваны лавинными плитами или нисходящими ветвями конвекционных ячеек. Доказательства аккреции и рассеивания суперконтинентов видны в геологической летописи горных пород.
Влияние известных вулканических извержений не идет ни в какое сравнение с влиянием базальтовых потоков . Время появления базальтовых потоков совпадает с крупномасштабным континентальным расколом. Однако из-за отсутствия данных о времени, необходимом для образования базальтовых потоков, климатическое воздействие трудно оценить количественно. Время появления одного потока лавы также не определено. Это важные факторы того, как базальтовые потоки повлияли на палеоклимат . [6]
Глобальная палеогеография и взаимодействие плит еще со времен Пангеи сегодня относительно хорошо изучены. Однако доказательства становятся более редкими по мере углубления в геологическую историю. Морские магнитные аномалии, сопоставления пассивных окраин , геологическая интерпретация орогенных поясов , палеомагнетизм, палеобиогеография ископаемых и распределение климатически чувствительных слоев — все это методы получения доказательств местоположения континента и индикаторов окружающей среды на протяжении времени. [4]
Фанерозой (541 млн лет назад) и докембрий ( 4,6 млрд лет назад - 541 млн лет назад ) имели в основном пассивные окраины и обломочные цирконы (и орогенные граниты ), тогда как владение Пангеи содержало мало. [4] Соответствующие края континентов - это места, где образуются пассивные окраины. Края этих континентов могут рифтовать . В этот момент движущей силой становится раздвижение морского дна . Таким образом, пассивные окраины рождаются во время распада суперконтинентов и умирают во время сборки суперконтинентов. Цикл суперконтинента Пангеи является хорошим примером эффективности использования наличия или отсутствия этих образований для регистрации развития, владения и распада суперконтинентов. Наблюдается резкое сокращение пассивных окраин между 500 и 350 млн лет назад во время сборки Пангеи. Существование Пангеи отмечено малым числом пассивных окраин в период от 336 до 275 млн лет назад, а ее распад точно обозначен увеличением числа пассивных окраин. [4]
Орогенические пояса могут формироваться во время сборки континентов и суперконтинентов. Орогенические пояса, присутствующие на континентальных блоках, подразделяются на три различные категории и имеют значение для интерпретации геологических тел. [1] Интеркратонные орогенные пояса характерны для закрытия океанических бассейнов. Явные индикаторы интракратонной активности содержат офиолиты и другие океанические материалы, которые присутствуют в зоне шва. Интракратонные орогенные пояса встречаются как надвиговые пояса и не содержат никакого океанического материала. Однако отсутствие офиолитов не является убедительным доказательством интракратонных поясов, поскольку океанический материал может выдавливаться и размываться во внутрикратонной среде. Третий тип орогенных поясов — это ограниченный орогенный пояс, который представляет собой закрытие небольших бассейнов. Сборка суперконтинента должна была бы показать интракратонные орогенные пояса. [1] Однако интерпретация орогенных поясов может быть затруднена.
Столкновение Гондваны и Лавразии произошло в позднем палеозое. В результате этого столкновения вдоль экватора образовался горный хребет Варискан . [6] Этот горный хребет длиной 6000 км обычно делят на две части: герцинский горный хребет позднего карбона составляет восточную часть, а западная часть — Аппалачи , поднятые в раннем пермском периоде . (Существование плоского возвышенного плато, подобного Тибетскому нагорью , является предметом споров.) Расположение хребта Варискан сделало его влиятельным как в северном, так и в южном полушарии. Высота Аппалачей будет значительно влиять на глобальную циркуляцию атмосферы. [6]
Континенты оказывают сильное влияние на климат планеты, причем суперконтиненты имеют большее, более распространенное влияние. Континенты изменяют глобальные ветровые модели, контролируют пути океанских течений и имеют более высокое альбедо , чем океаны. [1] Ветры перенаправляются горами, а различия в альбедо вызывают сдвиги в прибрежных ветрах. Более высокая высота в континентальных внутренних районах создает более прохладный, сухой климат, явление континентальности . Это наблюдается сегодня в Евразии , и горные породы показывают доказательства континентальности в середине Пангеи. [1]
Термин ледниковая эпоха относится к длительному периоду оледенения на Земле в течение миллионов лет. [19] Ледники оказывают большое влияние на климат, особенно через изменение уровня моря . Изменения положения и высоты континентов, палеошироты и циркуляции океана влияют на ледниковые эпохи. Существует связь между рифтингом и распадом континентов и суперконтинентов и ледниковыми эпохами. [19] Согласно модели для докембрийских серий суперконтинентов, распад Кенорленда и Родинии был связан с палеопротерозойскими и неопротерозойскими ледниковыми эпохами соответственно.
Напротив, теория Протопангеи–Палеопангеи показывает, что эти оледенения коррелировали с периодами низкой континентальной скорости, и делается вывод, что падение тектонической и соответствующей вулканической активности было ответственно за эти интервалы глобальной холодности. [11] Во время накопления суперконтинентов с периодами регионального подъема ледниковые эпохи, по-видимому, были редки, и подтверждающих доказательств было мало. Однако отсутствие доказательств не позволяет сделать вывод о том, что ледниковые эпохи не связаны с коллизионным формированием суперконтинентов. [19] Это может быть просто предубеждением в отношении сохранения .
В позднем ордовике (~458,4 млн лет назад) особая конфигурация Гондваны могла позволить оледенению и высокому уровню CO2 произойти одновременно. [20] Однако некоторые геологи не согласны и считают, что в это время имело место повышение температуры. На это повышение могло сильно повлиять движение Гондваны через Южный полюс, что могло предотвратить длительное накопление снега. Хотя позднеордовикские температуры на Южном полюсе могли достичь точки замерзания, в раннем силуре (~443,8 млн лет назад) и в течение позднего миссисипского периода (~330,9 млн лет назад) не было ледяных щитов. [6] Можно согласиться с теорией о том, что континентальный снег может возникнуть, когда край континента находится вблизи полюса. Поэтому Гондвана, хотя и расположена по касательной к Южному полюсу, могла испытать оледенение вдоль своих побережий. [20]
Хотя интенсивность осадков во время муссонных циркуляций трудно предсказать, есть доказательства наличия большого орографического барьера внутри Пангеи в позднем палеозое (~251,9 млн лет назад). Возможность простирания Аппалачей-Герцинских гор с юго-запада на северо-восток делает муссонные циркуляции региона потенциально связанными с современными муссонными циркуляциями, окружающими Тибетское нагорье, которые, как известно, положительно влияют на величину муссонных периодов в Евразии. Поэтому в некоторой степени ожидается, что более низкий рельеф в других регионах суперконтинента во время юрского периода будет отрицательно влиять на изменения осадков. Распад суперконтинентов мог повлиять на местные осадки. [21] Когда любой суперконтинент распадается, будет происходить увеличение стока осадков по поверхности континентальных массивов суши, увеличивая выветривание силиката и потребление CO 2 . [9]
Несмотря на то, что в архейскую солнечную радиацию сократилось на 30 процентов, а на границе кембрия и докембрия — на 6 процентов, Земля пережила только три ледниковых периода в течение докембрия. [6] Ошибочные выводы более вероятны, когда модели ограничиваются одной климатической конфигурацией (обычно современной). [22]
Холодные зимы в континентальных внутренних районах обусловлены соотношением скоростей радиационного охлаждения (больше) и переноса тепла от континентальных краев. Чтобы повысить зимние температуры в континентальных внутренних районах, скорость переноса тепла должна увеличиться и стать больше скорости радиационного охлаждения. Согласно климатическим моделям, изменения в содержании CO 2 в атмосфере и переносе тепла океаном сравнительно неэффективны. [22]
Модели CO 2 предполагают, что значения были низкими в позднекайнозойские и каменноугольно-пермские оледенения. Хотя ранние палеозойские значения намного больше (более чем на 10 процентов выше, чем сегодня). Это может быть связано с высокими скоростями расширения морского дна после распада докембрийских суперконтинентов и отсутствием наземных растений как поглотителей углерода . [20]
В конце пермского периода ожидается, что сезонные температуры Пангеи резко менялись. Летние субтропические температуры были теплее, чем сегодня, на целых 6–10 градусов, а средние широты зимой были ниже −30 градусов по Цельсию. Эти сезонные изменения в пределах суперконтинента были обусловлены большими размерами Пангеи. И, как и сегодня, прибрежные регионы испытали гораздо меньше колебаний. [6]
В юрский период летние температуры не поднимались выше нуля градусов по Цельсию вдоль северного края Лавразии, которая была самой северной частью Пангеи (самой южной частью Пангеи была Гондвана). Ледяные сплавы, полученные из России, являются индикаторами этой северной границы. Считается, что юрский период был примерно на 10 градусов по Цельсию теплее вдоль 90 градусов восточной палеодолготы по сравнению с нынешней температурой сегодняшней центральной Евразии. [22]
Многие исследования циклов Миланковича в течение суперконтинентальных периодов были сосредоточены на середине мелового периода. Современные амплитуды циклов Миланковича над современной Евразией могут быть отражены как в южном, так и в северном полушариях суперконтинента Пангея. Моделирование климата показывает, что летние колебания варьировались в пределах 14–16 градусов по Цельсию на Пангее, что аналогично или немного выше летних температур Евразии в плейстоцене. Ожидается, что циклы Миланковича с наибольшей амплитудой были в средних и высоких широтах во время триаса и юры. [22]
Тектоника плит и химический состав атмосферы (в частности, парниковые газы ) являются двумя наиболее преобладающими факторами, присутствующими в геологической шкале времени. Континентальный дрейф влияет как на холодные, так и на теплые климатические эпизоды. Атмосферная циркуляция и климат сильно зависят от расположения и формирования континентов и суперконтинентов. Таким образом, континентальный дрейф влияет на глобальную температуру. [6]
Уровень кислорода в архее был незначительным, а сегодня он составляет примерно 21 процент. Считается, что содержание кислорода на Земле увеличивалось поэтапно: шесть или семь этапов, которые очень тесно связаны с развитием суперконтинентов Земли. [23]
Процесс увеличения содержания кислорода в атмосфере Земли, как предполагается, начался с столкновения континентов с континентами огромных массивов суши, образующих суперконтиненты, и, следовательно, возможно, горные хребты суперконтинентов (супергоры). Эти супергоры размывались, и огромное количество питательных веществ, включая железо и фосфор , смывалось в океаны, как это происходит сегодня. Океаны тогда были бы богаты питательными веществами, необходимыми для фотосинтезирующих организмов, которые затем могли бы дышать огромным количеством кислорода. Существует очевидная прямая связь между орогенезом и содержанием кислорода в атмосфере. Также имеются доказательства увеличения седиментации, совпадающей по времени с этими массовыми событиями оксигенации, что означает, что органический углерод и пирит в эти времена, скорее всего, были погребены под осадком и, следовательно, не могли реагировать со свободным кислородом. Это поддерживало увеличение содержания кислорода в атмосфере. [23]
В 2,65 млрд лет назад наблюдалось увеличение фракционирования изотопов молибдена . Это было временно, но подтверждает увеличение содержания кислорода в атмосфере, поскольку изотопам молибдена для фракционирования требуется свободный кислород. Между 2,45 и 2,32 млрд лет назад произошел второй период оксигенации, который был назван «великим событием оксигенации». Доказательства, подтверждающие это событие, включают появление красных отложений 2,3 млрд лет назад (что означает, что Fe 3+ производилось и стало важным компонентом почв).
Третья стадия оксигенации примерно 1,8 млрд лет назад отмечена исчезновением железных образований. Исследования изотопов неодима показывают, что железные образования обычно происходят из континентальных источников, а это означает, что растворенное Fe и Fe 2+ должны были быть перенесены во время континентальной эрозии. Повышение уровня кислорода в атмосфере препятствует переносу Fe, поэтому отсутствие железных образований могло быть результатом увеличения кислорода. Четвертое событие оксигенации, примерно 0,6 млрд лет назад, основано на смоделированных скоростях изотопов серы из морских карбонат-ассоциированных сульфатов . Увеличение (почти удвоенная концентрация) изотопов серы, которое предполагается этими моделями, потребовало бы увеличения содержания кислорода в глубоких океанах.
Между 650 и 550 млн лет назад было три повышения уровня кислорода в океане, этот период является пятой стадией оксигенации. Одной из причин, указывающих на то, что этот период является событием оксигенации, является увеличение редокс -чувствительного молибдена в черных сланцах . Шестое событие произошло между 360 и 260 млн лет назад и было идентифицировано моделями, предполагающими сдвиги в балансе 34S в сульфатах и 13C в карбонатах , которые находились под сильным влиянием увеличения атмосферного кислорода. [23] [24]
Граниты и детритовые цирконы имеют заметно схожие и эпизодические проявления в летописи горных пород. Их колебания коррелируют с докембрийскими суперконтинентальными циклами. U–Pb-даты цирконов из орогенных гранитов являются одними из самых надежных детерминант старения.
Существуют некоторые проблемы с опорой на цирконы из гранита, такие как отсутствие равномерно распределенных по всему миру данных и потеря гранитных цирконов из-за осадочного покрытия или плутонического потребления. Там, где гранитные цирконы менее адекватны, появляются детритовые цирконы из песчаников и восполняют пробелы. Эти детритовые цирконы берутся из песков крупных современных рек и их водосборных бассейнов . [4] Океанические магнитные аномалии и палеомагнитные данные являются основными ресурсами, используемыми для реконструкции местоположений континентов и суперконтинентов примерно до 150 млн лет назад. [6]