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 рассредоточенных континентов», которое оставляет место для интерпретации и его легче применить к докембрийским временам. [4] Чтобы отделить суперконтиненты от других группировок, было предложено ограничение, согласно которому континент должен включать по крайней мере около 75% существовавшей на тот момент континентальной коры, чтобы квалифицироваться как суперконтинент. [5]
Двигаясь под действием тектоники плит , суперконтиненты в геологическом прошлом неоднократно собирались и рассеивались. Согласно современным определениям, суперконтинента сегодня не существует; [1] Ближайшим из них является нынешний афро-евразийский массив суши, который покрывает примерно 57% общей площади суши Земли. Последний период, когда континентальные массивы суши находились рядом друг с другом, был от 336 до 175 миллионов лет назад, образуя суперконтинент Пангея . Положения континентов были точно определены еще в ранней юре , незадолго до распада Пангеи. [6] Предшественница Пангеи, Гондвана , не считается суперконтинентом согласно первому определению, поскольку в то время суши Балтики , Лаврентии и Сибири были отдельными. [7]
Предполагается , что будущий суперконтинент, названный Пангея Проксима , сформируется в течение следующих 250 миллионов лет. [8]
Фанерозойский суперконтинент Пангея начал распадаться 215 млн лет назад , и это дистанцирование продолжается и сегодня. Поскольку Пангея — самый молодой из суперконтинентов Земли, она наиболее известна и понятна. Благодаря популярности Пангеи в классе, ее реконструкция почти так же проста, как соединение нынешних континентов, граничащих с Атлантическим океаном, как кусочки головоломки. [4]
Для периода до Пангеи существуют две контрастирующие модели эволюции суперконтинента в геологическом времени .
Первая модель предполагает, что существовало по крайней мере два отдельных суперконтинента, включающих Ваалбару и Кенорланд , причем Кенорланд включал Суперию и Склавию . Эти части неоархейского возраста откололись примерно в 2480 и 2312 млн лет назад, а некоторые из них позже столкнулись, образовав Нуну (Северная Европа и Северная Америка). Нуна продолжала развиваться в течение мезопротерозоя , в первую очередь за счет боковой аккреции ювенильных дуг, и примерно через 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, чтобы сформировать Гондвану примерно к 608 млн лет назад . Пангея образовалась в результате столкновения Гондваны, Лавразии ( Лаврентии и Балтики ) и Сибири .
Вторая модель (Кенорланд-Арктика) основана как на палеомагнитных , так и на геологических данных и предполагает, что континентальная кора состояла из единого суперконтинента от ~ 2,72 млрд лет до распада в эдиакарский период после ~ 0,573 млрд лет назад . Реконструкция [10] основана на наблюдении, что палеомагнитные полюса сходятся к квазистатическим положениям в течение длительных интервалов между ~ 2,72–2,115 млрд лет назад; 1,35–1,13 млрд лет; и 0,75–0,573 млрд лет с небольшими периферийными изменениями реконструкции. [11] В течение промежуточных периодов полюса соответствуют единой видимой траектории блуждания полюсов.
Хотя это и контрастирует с первой моделью, первая фаза (Протопангея) по существу включает в себя Ваалбару и Кенорланд первой модели. Объяснение длительного существования суперконтинента Протопангея-Палеопангея, по-видимому, заключается в том, что в докембрийские времена преобладала тектоника крышек (сравнимая с тектоникой, действовавшей на Марсе и Венере) . Согласно этой теории, тектоника плит , наблюдаемая на современной Земле, стала доминирующей только во второй половине геологического периода. [11] Этот подход подвергся широкой критике со стороны многих исследователей, поскольку он использует некорректное применение палеомагнитных данных. [12]
Цикл суперконтинентов — это распад одного суперконтинента и развитие другого, происходящее в глобальном масштабе. [4] Циклы суперконтинентов — это не то же самое, что цикл Вильсона , который представляет собой открытие и закрытие отдельного океанического бассейна . Цикл Вильсона редко синхронизируется с циклом суперконтинента. [1] Однако в создании Пангеи и Родинии участвовали как циклы суперконтинентов, так и циклы Вильсона. [6]
Вековые тенденции, такие как карбонатиты , гранулиты , эклогиты и события деформации зеленокаменного пояса , являются возможными индикаторами цикличности докембрийского суперконтинента, хотя решение Протопангеи-Палеопангеи подразумевает, что фанерозойский стиль циклов суперконтинента не действовал в это время. Кроме того, бывают случаи, когда эти вековые тенденции оказывают слабое, неравномерное или отсутствующее влияние на цикл суперконтинента; Светские методы реконструкции суперконтинента дадут результаты, имеющие только одно объяснение, и каждое объяснение тенденции должно соответствовать остальным. [4]
В следующей таблице названы реконструированные древние суперконтиненты с использованием более свободного определения Брэдли 2011 года [7] с приблизительным временным масштабом в миллионы лет назад (млн лет назад).
Считается, что причины сборки и рассеивания суперконтинентов обусловлены процессами конвекции в мантии Земли . Примерно на глубине 660 км в мантию возникает разрыв, влияющий на поверхностную кору посредством процессов, включающих плюмы и суперплюмы (так называемые крупные провинции с низкой скоростью сдвига ). Когда плита субдуцированной коры плотнее окружающей мантии, она опускается до разрыва. Как только плиты нарастут, они осядут до нижней мантии , что известно как «лавина плит». Это смещение на разрыве заставит нижнюю мантию компенсировать это и подняться в другом месте. Поднимающаяся мантия может образовывать плюм или суперплюм. [1]
Помимо влияния на состав верхней мантии за счет пополнения литофильных элементов с крупными ионами , вулканизм влияет на движение плит. [1] Плиты будут перемещены в сторону геоидального минимума, возможно, там, где произошла лавина плиты, и оттолкнутся от геоидального максимума, что может быть вызвано плюмами или суперплюмами. Это заставляет континенты сближаться, образуя суперконтиненты, и, очевидно, именно этот процесс привел к объединению ранней континентальной коры в Протопангею. [17]
Распространение суперконтинентов вызвано накоплением тепла под корой из-за подъема очень крупных конвекционных ячеек или шлейфов, а массовое выделение тепла привело к окончательному распаду Палеопангеи. [18] Аккреция происходит над геоидальными понижениями, что может быть вызвано лавинными плитами или нисходящими ветвями конвекционных ячеек. Свидетельства аккреции и рассеивания суперконтинентов можно увидеть в геологической летописи горных пород.
Влияние известных извержений вулканов не сравнится с воздействием паводковых базальтов . Время образования базальтов совпало с крупномасштабным распадом континентов. Однако из-за отсутствия данных о времени, необходимом для образования паводковых базальтов, климатическое воздействие трудно оценить количественно. Время возникновения единственного потока лавы также не установлено. Это важные факторы того, как паводковые базальты повлияли на палеоклимат . [6]
Глобальная палеогеография и взаимодействие плит еще на Пангее сегодня относительно хорошо изучены. Однако в дальнейшем в геологической истории доказательства становятся все более скудными. Морские магнитные аномалии, сопоставление пассивных границ , геологическая интерпретация орогенных поясов , палеомагнетизм, палеобиогеография окаменелостей и распределение климатически чувствительных слоев — все это методы получения доказательств местонахождения континента и индикаторов окружающей среды во времени. [4]
Фанерозой (от 541 млн лет до настоящего времени) и докембрий ( от 4,6 до 541 млн лет назад ) имели в основном пассивные окраины и обломочные цирконы (и орогенные граниты ), тогда как в период существования Пангеи их было мало. [4] Совпадающие края континентов – это места, где формируются пассивные окраины. Края этих континентов могут расколоться . На этом этапе движущей силой становится расширение морского дна . Таким образом, пассивные окраины рождаются во время распада суперконтинентов и умирают во время сборки суперконтинентов. Цикл суперконтинентов Пангеи является хорошим примером эффективности использования присутствия или отсутствия этих объектов для регистрации развития, существования и распада суперконтинентов. Во время сборки Пангеи наблюдается резкое уменьшение пассивных окраин между 500 и 350 млн лет назад . Срок существования Пангеи отмечен небольшим количеством пассивных окраин в период от 336 до 275 млн лет назад, а о ее распаде точно свидетельствует увеличение пассивных окраин. [4]
Орогенные пояса могут образовываться при сборке континентов и суперконтинентов. Орогенические пояса, присутствующие на континентальных блоках, подразделяются на три различные категории и имеют значение для интерпретации геологических тел. [1] Межкратонные складчатые пояса характерны для закрытия океанских котловин. Яркими индикаторами внутрикратонной активности являются офиолиты и другие океанические материалы, присутствующие в шовной зоне. Внутрикратонные орогенные пояса представляют собой надвиговые пояса и не содержат океанического материала. Однако отсутствие офиолитов не является убедительным доказательством существования внутрикратонных поясов, поскольку океанический материал может быть выдавлен и размыт во внутрикратонной среде. Третий вид орогенного пояса — замкнутый орогенный пояс, представляющий собой замыкание мелких котловин. При формировании суперконтинента должны были бы появиться внутрикратонные 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 массив Варискан . [6] Этот горный массив длиной 6000 км обычно называют двумя частями: герцинский горный массив позднего карбона составляет восточную часть, а западную часть — Аппалачи , поднятые в начале перми . (Существование плоского возвышенного плато, такого как Тибетское нагорье, является предметом дискуссий.) Местоположение хребта Варискан оказало влияние как на северное, так и на южное полушария. Высота Аппалачей сильно повлияет на глобальную циркуляцию атмосферы. [6]
Континенты существенно влияют на климат планеты, причем суперконтиненты оказывают большее и более распространенное влияние. Континенты изменяют глобальный характер ветров, контролируют траектории океанских течений и имеют более высокое альбедо , чем океаны. [1] Горы перенаправляют ветры, а различия в альбедо вызывают изменения береговых ветров. Возвышение над уровнем моря во внутренних районах континента приводит к более прохладному и сухому климату — феномену континентальности . Это наблюдается сегодня в Евразии , а находки горных пород свидетельствуют о континентальности в центре Пангеи. [1]
Термин «ледниковая эпоха» относится к длительному периоду оледенения на Земле, продолжавшемуся миллионы лет. [19] Ледники оказывают серьезное воздействие на климат, особенно из-за изменения уровня моря . Изменения положения и высоты материков, палеошироты и циркуляции океана влияют на ледниковые эпохи. Существует связь между рифтингом и распадом континентов и суперконтинентов и ледниковыми эпохами. [19] Согласно модели докембрийской серии суперконтинентов, распад Кенорленда и Родинии был связан с палеопротерозойской и неопротерозойской ледниковыми эпохами соответственно.
Напротив, теория Протопангеи-Палеопангеи показывает, что эти оледенения коррелировали с периодами низкой скорости движения континентов, и делается вывод, что за эти интервалы глобальной холодности было ответственно падение тектонической и соответствующей вулканической активности. [11] Во время накопления суперконтинентов во времена регионального поднятия ледниковые эпохи кажутся редкими, и этому мало подтверждающих доказательств. Однако отсутствие доказательств не позволяет сделать вывод о том, что ледниковые эпохи не связаны с коллизионным собранием суперконтинентов. [19] Это может быть просто предвзятостью в отношении сохранения .
В позднем ордовике (~ 458,4 млн лет назад) особая конфигурация Гондваны могла привести к одновременному оледенению и высоким уровням CO 2 . [20] Однако некоторые геологи не согласны и полагают, что в это время произошло повышение температуры. На это увеличение, возможно, сильно повлияло движение Гондваны через Южный полюс, что могло предотвратить длительное накопление снега. Хотя температуры в позднем ордовике на Южном полюсе, возможно, достигали нуля, ледниковых щитов не было в период с раннего силура (~ 443,8 млн лет назад) до позднего Миссисипи (~ 330,9 млн лет назад). [6] Можно согласиться с теорией, согласно которой континентальный снег может образовываться, когда край континента находится вблизи полюса. Таким образом, Гондвана, хотя и расположена по касательной к Южному полюсу, возможно, испытала оледенение вдоль своего побережья. [20]
Хотя скорость осадков во время муссонной циркуляции трудно предсказать, есть свидетельства существования 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 низкая топография в других регионах суперконтинента в юрский период отрицательно повлияет на изменения осадков. Распад суперконтинентов мог повлиять на местные осадки. [21] Когда какой-либо суперконтинент распадается, будет увеличиваться сток осадков по поверхности континентальных массивов, увеличивая выветривание силикатов и потребление CO 2 . [9]
Несмотря на то, что во время архея солнечная радиация сократилась на 30 процентов, а граница кембрия и докембрия — на 6 процентов, Земля пережила всего три ледниковых периода за весь докембрий. [6] Ошибочные выводы с большей вероятностью будут сделаны, когда модели ограничены одной климатической конфигурацией (которая обычно является современной). [22]
Холодные зимы во внутренних районах континентов обусловлены соотношением скоростей радиационного охлаждения (большего) и переноса тепла от окраин континентов. Чтобы повысить зимние температуры внутри континентов, скорость переноса тепла должна увеличиться и превысить скорость радиационного охлаждения. С помощью климатических моделей изменения содержания CO 2 в атмосфере и перенос тепла океаном не являются сравнительно эффективными. [22]
Модели CO 2 предполагают, что значения были низкими в позднекайнозойском и каменноугольно-пермском оледенениях. Хотя раннепалеозойские значения гораздо больше (более чем на 10 процентов выше современных). Это может быть связано с высокими скоростями расширения морского дна после распада докембрийских суперконтинентов и отсутствием наземных растений в качестве поглотителей углерода . [20]
Ожидается, что в конце перми сезонные температуры в Пангее сильно различались. Субтропические летние температуры были теплее современных на целых 6–10 градусов, а в средних широтах зимой были ниже -30 градусов по Цельсию. На эти сезонные изменения внутри суперконтинента повлияли большие размеры Пангеи. И, как и сегодня, прибрежные регионы испытали гораздо меньше изменений. [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). Прикрепленные льдом камни , доставленные из России, являются индикаторами этой северной границы. Считается, что юрский период был примерно на 10 градусов теплее вдоль 90 градусов восточной палеодолготы по сравнению с нынешней температурой сегодняшней центральной Евразии. [22]
Многие исследования циклов Миланковича в периоды времени суперконтинента были сосредоточены на середине мелового периода. Современные амплитуды циклов Миланковича над современной Евразией могут отражаться как в южном, так и в северном полушариях суперконтинента Пангея. Моделирование климата показывает, что летние колебания на Пангее варьировались в пределах 14–16 градусов по Цельсию, что аналогично или немного выше летних температур Евразии в плейстоцене. Ожидается, что циклы Миланковича с наибольшей амплитудой наблюдались в средних и высоких широтах в триасовый и юрский период. [22]
Тектоника плит и химический состав атмосферы (особенно парниковых газов ) являются двумя наиболее преобладающими факторами, присутствующими в геологической временной шкале. Дрейф континентов влияет как на холодные, так и на теплые климатические периоды. На атмосферную циркуляцию и климат большое влияние оказывают расположение и формирование континентов и суперконтинентов. Следовательно, дрейф континентов влияет на среднюю глобальную температуру. [6]
Уровень кислорода в архее был незначительным, а сегодня он составляет примерно 21 процент. Считается, что содержание кислорода на Земле повышалось поэтапно: шесть или семь шагов, которые очень тесно связаны с развитием суперконтинентов Земли. [23]
Предполагается, что процесс увеличения содержания кислорода в атмосфере Земли начался со столкновения континентов с континентами огромных массивов суши, образующих суперконтиненты и, следовательно, возможно, горные хребты суперконтинентов (супергоры). Эти супергоры подверглись бы эрозии, и огромное количество питательных веществ, включая железо и фосфор , смылось бы в океаны, как это происходит сегодня. Тогда океаны будут богаты питательными веществами, необходимыми для фотосинтезирующих организмов, которые смогут вдыхать большие количества кислорода. Существует очевидная прямая связь между орогенезом и содержанием кислорода в атмосфере. Существуют также свидетельства увеличения седиментации одновременно с этими событиями массового насыщения кислородом, а это означает, что органический углерод и пирит в это время с большей вероятностью были погребены под осадками и, следовательно, не могли вступать в реакцию со свободным кислородом. Это способствовало увеличению содержания кислорода в атмосфере. [23]
При 2,65 млрд лет назад произошло 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». Доказательствами, подтверждающими это событие, являются появление красных отложений 2,3 млрд лет назад (это означает, что Fe 3+ вырабатывался и стал важным компонентом почв).
На третью стадию оксигенации примерно 1,8 млрд лет указывает исчезновение железистых образований. Изотопные исследования неодима показывают, что железные образования обычно происходят из континентальных источников, а это означает, что растворенные Fe и Fe 2+ должны были переноситься во время континентальной эрозии. Увеличение содержания кислорода в атмосфере препятствует транспорту железа, поэтому отсутствие железистых образований могло быть результатом увеличения кислорода. Четвертое событие оксигенации, примерно 0,6 млрд лет, основано на смоделированных уровнях содержания изотопов серы в морских сульфатах , связанных с карбонатами . Увеличение (почти удвоенная концентрация) изотопов серы, предполагаемое этими моделями, потребует увеличения содержания кислорода в глубинах океана.
Между 650 и 550 млн лет назад произошло 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 содержания окислительно -восстановительного молибдена в черных сланцах . Шестое событие произошло между 360 и 260 млн лет назад и было идентифицировано с помощью моделей, предполагающих сдвиги баланса 34 S в сульфатах и 13 C в карбонатах , на которые сильно повлияло увеличение содержания кислорода в атмосфере. [23] [24]
Граниты и обломочные цирконы в летописи горных пород встречаются особенно похоже и эпизодически. Их колебания коррелируют с циклами докембрийского суперконтинента. U -Pb даты циркона из орогенных гранитов являются одними из наиболее надежных определителей старения.
Существуют некоторые проблемы с использованием цирконов из гранитных источников, такие как отсутствие единых глобальных данных и потеря гранитных цирконов из-за осадочного покрытия или плутонического потребления. Там, где гранитных цирконов недостаточно, появляются обломочные цирконы из песчаников и восполняют пробелы. Эти обломочные цирконы добываются из песков крупных современных рек и их водосборных бассейнов. [4] Океанические магнитные аномалии и палеомагнитные данные являются основными ресурсами, используемыми для реконструкции местоположения континентов и суперконтинентов примерно до 150 млн лет назад. [6]