Как сказано выше, в рамках геосинклинальной теории был установлен ряд важных закономерностей строения и развития земной коры. Но объяснить причины проявления этих закономерностей оказалось значительно сложнее. Для этого ученым существенно недоставало надежных фактов, и потому неизбежно приходилось прибегать к различным гипотезам. Гипотезы, задачей которых было объяснение возникновения различных структурных элементов в составе земной коры, закономерностей их развития и эволюции Земли, в целом, получили название геотектонических гипотез. Естественно, что создатели этих гипотез как правило пытались в рамках единой гипотетической модели объяснить как происхождение основных структурных элементов земной коры, так и развитие Земли в целом. На протяжении второй половины XIX в. и особенно ХХ в. были выдвинуты многие десятки геотектонических гипотез, в которых нередко отражались диаметрально противоположные воззрения на причины и направленность тектонических процессов. Многие из них, казалось, безвозвратно отвергались научной общественностью, однако с появлением новых фактов опять возрождались и приобретали новых сторонников, развивавших их далее. В этом разделе мы кратко рассмотрим лишь небольшую часть геотектонических гипотез – те, которые сыграли наиболее важную роль в развитии научной мысли.
Гипотеза контракции (от латинского contractio – сжатие) была выдвинута в 30-х гг XIX в. Эли де Бомоном и почти не подвергалась сомнению вплоть до начала ХХ в. Представление о неуклонном сжатии Земли на протяжении геологической истории логически вытекало из господствовавшей в это время космогонической гипотезы Канта–Лапласа, согласно которой земной шар первоначально находился в расплавленном состоянии и с тех пор постепенно остывает. При этом в начале должна остыть и стать твердой тонкая внешняя оболочка – земная кора (отсюда и происходит сам этот термин). Далее охлаждаются и уменьшаются в объеме внутренние части планеты, а земная кора морщинится подобно кожуре высыхающего яблока. Деформации земной коры должны распределяться не равномерно по всей поверхности Земли, а концентрироваться в зонах, где кора более пластична – и именно здесь образуются складчатые области. Эта простая и логичная модель была, в конечном счете, отвергнута по нескольким причинам. Вначале известный английский физик лорд Кельвин рассчитал, что в результате охлаждения Земли ее объем должен уменьшиться слишком незначительно, и не сможет обеспечить сокращение площади поверхности складчатых областей, достигаемое в результате складчатости. Другие вычисления показали, что одна лишь остаточная тепловая энергия Земли не может обеспечить ход тектонических процессов на протяжении многих миллионов лет – ее ресурсы должны были полностью исчерпаться за тысячелетия. Следовательно, в недрах Земли должен быть собственный внутренний источник энергии – а тогда отнюдь не очевидно, что Земля должна неуклонно охлаждаться. Когда был открыт один из таких возможных внутренних источников энергии – процесс радиоактивного распада, гипотеза контракции большинством геологов была признана несостоятельной.
Гипотеза расширения Земли, напротив, предполагает неуклонное увеличение объема нашей планеты. Такие идеи высказывались еще в конце XVIII в. шотландским геологом Дж. Хеттоном, а затем неоднократно возрождались разными тектонистами (А. Холмс и др.) на протяжении всего ХХ в. Эта гипотеза хорошо объясняет наличие на Земле рифтовых структур, для возникновения которых нужны условия растяжения, а также океанических впадин. Образование последних вполне возможно в результате раскола и удаления друг от друга материков и последовательного заполнения образующихся промежутков веществом, поднимающимся из глубин мантии. По подсчетам, чтобы обеспечить такое расхождение только за счет увеличения объема Земли, ее диаметр с конца палеозоя должен был увеличиться на треть. Что может обеспечить такое расширение? В качестве возможного объяснения выдвигалось предположение, что вещество в ядре Земли находится в особом сверхплотном состоянии. Постепенно оно разуплотняется, и это приводит к увеличению объема планеты. Такое предположение остается чисто гипотетическим и пока не может быть проверено. К тому же, гипотеза расширения Земли сама по себе не может объяснить наличия в земной коре структур, сформировавшихся в условиях сжатия, и потому все равно не может применяться вне сочетания с какими-либо другими гипотезами.
Пульсационная гипотеза (В. Бухер, М.А. Усов и др.) является своего рода комбинацией двух предыдущих. Ее сторонники полагали, что в истории нашей планеты чередуются фазы увеличения и сокращения ее объема. При этом в эпохи расширения Земли на ее поверхности проявляются процессы растяжения и образуются связанные с ними геологические структуры. Одновременно активизируется магматическая деятельность. А в фазу уменьшения объема планеты в земной коре возникают напряжения горизонтального сжатия, активизируются процессы складчатости и метаморфизма. Объясняя причины чередования фаз расширения и сжатия, М.А. Усов предполагал, что фаза расширения начинается в результате накопления в глубинах Земли избытка тепловой энергии, что приводит к переходу больших масс мантийного вещества в расплавленное состояние. А смена расширения сжатием наступает в результате выноса этой накопившейся энергии на поверхность в результате магматической деятельности, снижения температур внутри Земли и следующего за этим гравитационного уплотнения вещества ее внутренних областей. Н.Е. Мартьянов высказывал предположение, что чередование фаз расширения и сжатия может быть связано с изменением параметров физических полей в космическом пространстве, что будет влиять на характеристики взаимодействия частиц на внутриатомном уровне. Т.е., периодически расширяясь и сжимаясь, Земля «подстраивается» под изменение физических констант. Основным недостатком пульсационной гипотезы является ее несоответствие современной картине тектонических процессов. В настоящее время в земной коре существуют как зоны растяжения, так и области сжатия. Следовательно, и те, и другие процессы могут идти на планете одновременно, только на разных участках. И нет смысла предполагать необходимость их чередования во времени.
Гипотеза дрейфа материков была изложена в 1912 г немецким геофизиком Альфредом Вегенером в книге «Происхождение материков и океанов». Главным ее отличием от всех выдвигавшихся ранее явилось смелое новаторское предположение, что различные блоки земной коры не занимают извечно одно и то же неизменное положение, а могут перемещаться по поверхности Земли относительно друг друга. Отправной точкой гипотезы явилось замечавшееся многими и ранее удивительное совпадение контуров береговых линий континентов, находящихся на противоположных берегах Атлантического и Индийского океанов. Такое совпадение легко объяснить, предположив, что это осколки единого некогда материка, разошедшиеся в разные стороны. Этот гипотетический континент А. Вегенер назвал «Пангея», что означает «целостная земля». Но кроме сходства очертаний, А. Вегенер привел в доказательство существования Пангеи и другие данные: совпадение геологических разрезов и геологических структур на берегах ныне разобщенных континентов, общность животного и растительного мира этих материков в прошлые геологические эпохи. Палеонтологические данные были использованы А. Вегенером и его последователями для реконструкции истории раскола Пангеи: по ним можно было установить время, когда произошла потеря сухопутной связи между отдельными материками. Удивительно, что эта реконструкция почти полностью совпадает с современными реконструкциями движения литосферных плит, сделанных на основе совершенно других данных.
Использовались также результаты реконструкции климатической зональности прошлых геологических эпох, которая иногда оказывалась очень труднообъяснимой, если не принимать во внимание возможность перемещения континентов. Самым ярким примером такого рода является картина распространения пермо-карбонового оледенения в южном полушарии. Его следы обнаружены в Южной Америке, Африке, Антарктиде, Австралии и даже в Индии, находящейся ныне по другую сторону экватора. При этом, например, в Бразилии установлено, что ледники перемещались со стороны нынешнего Атлантического океана и приносили с собой валуны горных пород, характерных для Южной Африки! Можно еще добавить, что на материках нынешнего северного полушария нигде, за исключением Индии, признаков оледенения этого времени не обнаружено. На арктическом архипелаге Шпицберген вообще росли тропические леса! Удивительная картина, не правда ли? Но все становится на свои места, если мысленно собрать все современные материки в один континент по А. Вегенеру. Тогда все области распространения ледников окажутся компактно размещенными вокруг одного центра, находившегося на юге Африки – т.е., видимо, в той части единого материка, которая тогда и находилась в районе полюса.
Гипотеза дрейфа материков по-новому объясняла и происхождение складчатых областей. Перед фронтом движущегося материка породы верхних слоев земной коры деформируются, сминаются в складки; отдельные блоки смещаются относительно друг друга по разломам, воздымаются и образуют горные сооружения. Это хорошо объясняет появления горных систем вдоль западного побережья Америки и Альпийско-Гималайского пояса между южными материками и Евразией. Но вот образование более древних складчатых областей, образовавшихся до раскола Пангеи, объяснить таким способом невозможно. Если, конечно, не допускать, что сама Пангея, в свою очередь, не сформировалась в результате соединения существовавших ранее материков, чего гипотеза первоначально не предполагала.
Таким образом, гипотеза дрейфа материков давала простые и логичные объяснения многим фактам, не поддававшимся иному истолкованию. Поэтому она была с энтузиазмом встречена частью геологов. Но очень многие авторитетные ученые отнеслись к ней скептически. Некоторым было просто трудно принять казавшуюся сумасбродной идею, что материки, воспринимаемые нами как извечно покоящиеся на своих местах огромные массы кристаллических пород, на самом деле могут перемещаться по поверхности планеты. Чтобы обычное человеческое сознание допустило такую возможность, в нем должен произойти переворот не менее значительный, чем потребовался когда-то для принятия идеи, что Земля (вроде бы, «очевидно» неподвижная) на самом деле движется вокруг Солнца. Взгляды Н. Коперника в свое время еще на протяжении сотни лет пытались опровергать не только невежественные люди, но и самые серьезные ученые. Подобная судьба постигла и идеи А. Вегенера. Противники новой гипотезы стали называться «фиксистами», так как они отстаивали мнение о неизменном нахождении материков и любых других крупных структурных элементов земной коры в одних и тех же изначально фиксированных местах земной поверхности. Те же кто, напротив, доказывал возможность горизонтальных перемещений крупных блоков земной коры, получили название «мобилистов». С тех пор научный спор между «фиксистами» и «мобилистами» определял основное направление развития теоретической мысли в геотектонике на протяжении ХХ века.
Поначалу полное преимущество оказалось за фиксистами. И дело было не только в трудностях восприятия новых взглядов. В самой гипотезе дрейфа континентов быстро обнаружилось одно очень слабое, притом ключевое звено – вопрос о механизме движения. А. Вегенер предполагал, что жесткие глыбы существенно гранитных материков способны передвигаться по более пластичному базальтовому слою. А причиной, вызвавшей раскол Пангеи и расхождение материков, явилось приливное трение Луны. В качестве другой возможной причины предполагалось действие центробежных сил вращения Земли, которое должно способствовать смещению континентальных масс от полюсов к экватору. Однако расчеты показали, что размеры этих сил слишком незначительны. К тому же, перемещение жестких гранитно-метаморфических материков по столь же жесткому базальтовому слою невозможно с физической точки зрения. Поэтому к середине ХХ в. подавляющим большинством геологов гипотеза была отвергнута. Ее активные сторонники сохранялись в основном среди геологов стран южного полушария, которые не могли объяснить многие особенности геологии своих континентов без гипотезы об их былом единстве.
Гипотеза подкоровых течений выдвигалась на протяжении ХХ в. многими геологами в разнообразных вариантах, нередко в комбинациях с другими тектоническими гипотезами. Их авторы считали, что тектонические движения земной коры должны быть отражением процессов, протекающих в глубинных геосферах. А так как вещество в глубинах Земли существует в условиях значительно более высоких температур, можно предполагать его способность к пластическому течению, хотя бы на отдельных участках. Первым автором подобных идей был ирландский геолог Д. Джоли. В 1924 г он высказал мысль, что открытые к тому времени процессы радиоактивного распада являются главным энергетическим источником тектонических движений. Выделяемое в результате радиоактивного распада тепло может накапливаться под континентами (так как более мощная континентальная кора пропускает тепло медленнее, чем океаническая) и расплавлять породы подстилающего их базальтового слоя. В результате континенты оказываются способны «плыть» по размягченному и частично расплавленному базальту. Его оппоненты тут же указали, что данный процесс невозможен, так как температура плавления базальта на несколько сотен градусов выше, чем у гранита, и, следовательно, в случае накопления радиогенного тепла гранитный слой должен плавиться раньше базальтового.
Это учел южноафриканский геолог А. Дю Тойт, бывший в 30-40-е гг ХХ в. самым авторитетным последователем идей А. Вегенера. По его версии, накопление радиогенного тепла под континентами приводит к частичному подплавлению основания гранитного слоя, и это делает возможным движение континента по подстилающему базальту.
Другие авторы предполагали, что к пластическому течению способно вещество всей мантии в целом или значительной ее части. Среди них был А. Холмс, объединивший в 1930-е гг. идею подкоровых течений с гипотезой расширения Земли. Он предположил, что такое расширение реализуется посредством восходящих конвекционных токов разогретого мантийного вещества. Над местами, где восходящий поток расходится в стороны, происходит раскол континента, и отдельные его части начинают уноситься мантийными потоками в разные стороны. А вещество, поднимающееся из глубин мантии, формирует новую кору молодого океана, образовавшегося между континентами. Такой процесс получил название спрединга или разрастания океанического дна. Эта идея А. Холмса вскоре была забыта, но много лет спустя получила новое рождение в трудах его учеников при разработке тектоники литосферных плит.
Ундационная гипотеза была выдвинута голландским тектонистом Р.У. Ван Беммеленом, творчески развивавшим ее на протяжении 30-60-х гг. ХХ века. Ван Беммелен полагал, что основная причина тектонических процессов заключается в стремлении любой природной системы к состоянию энергетического равновесия, которое, однако, никогда окончательно не достигается из-за того, что установление равновесия на одном энергетическом уровне вызывает нарушение равновесных состояний на других уровнях. Идущие на атомно-молекулярном уровне физико-химические процессы становятся причиной восходящих движений вещества в недрах Земли, в результате которых возникают поднятия – ундации. Но образование поднятия означает перераспределение масс, что приводит к нарушению гравитационного равновесия. В результате возникают компенсирующие такое нарушение горизонтальные перемещения, направленные от центральной части поднятия к его периферии. Ундации могут быть различными по масштабам – от локальных, захватывающих небольшие территории (источники которых расположены внутри земной коры), до планетарных, в зоне действия которых могут одновременно оказаться несколько континентов и океанов. Последние, названные Р.У. Ван Беммеленом мегаундациями, имеют источник в самых низах мантии, где в результате физико-химических процессов на ее границе с земным ядром возникают крупные восходящие потоки вещества. Под их воздействием на поверхности Земли образуется обширное куполообразное поднятие. Земная кора на его своде раскалывается, и отдельные ее обломки начинают смещаться к краям, что и может быть причиной движения континентов.
Ундационная гипотеза явилась, пожалуй, наиболее передовой для своего времени попыткой целостного, комплексного объяснения самых разнообразных тектонических процессов. В ней увязывались в единую систему и вертикальные (образование поднятий), и горизонтальные движения земной коры различных масштабов. Некоторые идеи Р.У. Ван Беммелена получили дальнейшее развитие в современных моделях плейт- и плюм-тектоники.