Państwu Profesorom
Danucie i Tadeuszowi Perytom
to wydanie poświęcam

Projekt okładki i stron tytułowych Lidia Michalak

Ilustracja na okładce Kelly Vandellen/Dreamstime

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Koordynator ds. redakcji Renata Ziółkowska

Redakcja i korekta Ryszard Przybył

Produkcja Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN
Michał Latusek

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl.

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2004, 2015, 2021

ISBN 978-83-01-21565-1

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2021r. (Wydanie III)

Warszawa 2021

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Bezpłatny fragment

Przedmowa do wydania trzeciego

CZĘŚĆ I
Ewolucja kontynentów

1. Od Wegenera do tektoniki płyt

LITERATURA POLECANA

2. Od Kenorlandu do Pangei

LITERATURA POLECANA

3. Rozpad Pangei

LITERATURA POLECANA

4. Kontynenty przyszłości

CZĘŚĆ II
Budowa geologiczna kontynentów

1. Afryka

1.1. Główne jednostki geologiczne

1.2. Megakraton afrykański

1.2.1. Cykle geotektoniczne

1.2.2. Kraton zachodnioafrykański

1.2.2.1. Tarcza liberyjska

1.2.2.2. Rów Wolty

1.2.2.3. Synekliza Taudeni

1.2.2.4. Tarcza regibacka

1.2.2.5. Synekliza Tinduf

1.2.3. Orogen transsaharyjski

1.2.3.1. Tarcza Ahaggaru

1.2.3.2. Tarcza Tibesti

1.2.3.3. Tarcza nigeryjska i tarcza dahomejska

1.2.3.4. Synekliza algiersko-libijska

1.2.3.5. Synekliza nigeryjska

1.2.3.6. Synekliza Czadu

1.2.3.7. Rowy (ryfty) Benue i Nigru

1.2.4. Kraton Sahary Wschodniej–Nilu

1.2.4.1. Tarcza Dżabal al-Uwajnat

1.2.4.2. Płyta nubijska

1.2.4.3. Monoklina egipska

1.2.5. Kraton Konga

1.2.5.1. Budowa fundamentu kratonu

1.2.5.1.1. Masywy archaiczne

1.2.5.1.2. Proterozoiczne pasma fałdowe

1.2.5.2. Pokrywa osadowa

1.2.5.2.1. Synekliza Konga

1.2.6. Kraton Kalahari

1.2.6.1. Budowa fundamentu kratonu

1.2.6.2. Pokrywa osadowa

1.2.7. Orogen damarski

1.2.8. Orogen wschodnioafrykański

1.3. Wschodnioafrykański system ryftowy

1.4. Góry Przylądkowe i niecka Karroo

1.4.2. Niecka Karroo

1.5. Atlas

1.5.1. Antyatlas

1.5.2. Strefa środkowa Atlasu

1.5.3. Rif i Atlas Telski

ĆWICZENIA

PYTANIA KONTROLNE

TEST

LITERATURA POLECANA

2. Ameryka Południowa

2.1. Główne jednostki geologiczne

2.2. Kraton południowoamerykański

2.2.1. Prekambryjskie cykle geotektoniczne

2.2.2. Główne jednostki tektoniczne

2.2.2.1. Tarcza gujańska

2.2.2.2. Tarcza środkowobrazylijska

2.2.2.3. Tarcza wschodniobrazylijska

2.2.2.4. Tarcza urugwajska

2.2.2.5. Synekliza Amazonki

2.2.2.6. Synekliza Parnaíba

2.2.2.7. Synekliza São Francisco

2.2.2.8. Synekliza Parany

2.2.2.9. Zapadlisko La Plata–Orinoko

2.3. Platforma patagońska

2.3.1. Masywy paleozoiczne

2.3.1.1. Masyw południowopatagoński

2.3.1.2. Masyw północnopatagoński

2.3.1.3. Falklandy

2.3.2. Pokrywa platformowa

2.3.2.1. Niecka Rio Negro

2.3.2.2. Niecka San Jorge

2.3.2.3. Niecka Santa Cruz

2.4. Andy

2.4.1. Główne fazy ewolucji i podział Andów

2.4.2. Andy Północne

2.4.3. Andy Środkowe

2.4.4. Andy Południowe

2.4.5. Łuk Scotia

ĆWICZENIA

PYTANIA KONTROLNE

TEST

LITERATURA POLECANA

3. Australia, Nowa Zelandia, Nowa Kaledonia i Nowa Gwinea

3.1. Główne jednostki geologiczne Australii

3.2. Kraton australijski

3.2.1. Cykle geotektoniczne

3.2.2. Fundament kratonu

3.2.2.1. Prowincja pilbarsko-yilgarnska

3.2.2.1.1. Tarcza Yilgarn

3.2.2.1.2. Tarcza Pilbara

3.2.2.1.3. Blok Kimberley

3.2.2.2. Prowincja aruncko-gawlerska

3.2.2.2.1. Blok Halls Creek

3.2.2.2.2. Blok Pine Creek

3.2.2.2.3. Blok Tennant Creek

3.2.2.2.4. Blok Tanami

3.2.2.2.5. Blok Arunta

3.2.2.2.6. Blok Mount Isa

3.2.2.2.7. Blok Georgetown

3.2.2.2.8. Blok Hamersley

3.2.2.2.9. Blok Musgrave

3.2.2.2.10. Aulakogen Amadeus

3.2.2.2.11. Blok Gawler

3.2.3. Jednostki pokrywy osadowej

3.2.3.1. Synekliza Perth

3.2.3.2. Synekliza Carnarvon

3.2.3.3. Synekliza Canning

3.2.3.4. Synekliza Józefa Bonapartego

3.2.3.5. Synekliza Officer

3.2.3.6. Synekliza Eucla

3.3. Góry Flindersa i blok Broken Hill

3.3.1. Góry Flindersa

3.3.2. Broken Hill

3.4. Wielkie Góry Wododziałowe

3.4.1. Obszar południowy

3.4.2. Obszar środkowy

3.4.3. Obszar północny

3.5. Platforma paleozoiczna Australii

3.5.1. Wielki Basen Artezyjski

3.5.2. Niecka Murray

3.5.3. Niecka Surat

3.5.4. Niecka tasmańska

3.6. Nowa Zelandia

3.7. Nowa Kaledonia

3.8. Nowa Gwinea

ĆWICZENIA

PYTANIA KONTROLNE

TEST

LITERATURA POLECANA

4. Antarktyda

4.1. Główne jednostki geologiczne

4.2. Kraton antarktyczny

4.2.1. Fundament krystaliczny

4.2.2. Pokrywa osadowa

4.3. Platforma paleozoiczna

4.3.1. Orogen Rossa

4.3.2. Orogen Ellswortha

4.4. Alpidy Półwyspu Antarktycznego

ĆWICZENIA

PYTANIA KONTROLNE

TEST

LITERATURA POLECANA

5. Europa

5.1. Główne jednostki geologiczne

5.2. Kraton wschodnioeuropejski

5.2.1. Prekambryjskie cykle geotektoniczne

5.2.2. Jednostki tektoniczne

5.2.2.1. Tarcza bałtycka

5.2.2.2. Tarcza ukraińska

5.2.2.3. Płyta rosyjska

5.2.2.3.1. Synekliza perybałtycka

5.2.2.3.2. Antekliza białorusko-mazurska

5.2.2.3.3. Antekliza woroneska

5.2.2.3.4. Antekliza wołżańsko-uralska

5.2.2.3.5. Synekliza moskiewska

5.2.2.3.6. Synekliza podlaska

5.2.2.3.7. Aulakogen Prypeci

5.2.2.3.8. Aulakogen dnieprowsko-doniecki

5.2.2.3.9. Zapadlisko nadkaspijskie

5.2.2.3.10. Timan

5.2.2.3.11. Zapadlisko Peczory–Morza Barentsa

5.3. Struktury kaledońskie północnej i północno-zachodniej Europy

5.3.1. Kaledonidy skandynawskie

5.3.2. Kaledonidy Wysp Brytyjskich

5.3.2.1. Terran Hebrydów

5.3.2.2. Terran grampiański

5.3.2.3. Terran Midland Valley

5.3.2.4. Terran Wyżyny Południowoszkockiej

5.3.2.5. Strefa Walii

5.3.3. Geneza europejskich kaledonidów

5.4. Platforma paleozoiczna zachodniej i środkowej Europy

5.4.1. Masywy paleozoiczne

5.4.1.1. Masyw iberyjski

5.4.1.2. Masyw kornwalijski

5.4.1.3. Masyw Armorykański

5.4.1.4. Masyw Centralny

5.4.1.5. Wogezy i Schwarzwald

5.4.1.6. Masyw Czeski

5.4.1.7. Góry Kruszcowe

5.4.1.8. Blok dolnośląski

5.4.1.9. Ardeny

5.4.1.10. Reńskie Góry Łupkowe

5.4.1.11. Harz

5.4.1.12. Blok górnośląski

5.4.1.13. Trzon paleozoiczny Gór Świętokrzyskich

5.4.2. Powstanie europejskich waryscydów

5.4.3. Pokrywa platformowa

5.4.3.1. Basen Ebro

5.4.3.2. Basen Duero

5.4.3.3. Basen kantabryjski

5.4.3.4. Basen akwitański

5.4.3.5. Basen paryski

5.4.3.6. Basen londyński

5.4.3.7. Basen turyński

5.4.3.8. Basen duńsko-niemiecko-polski

5.4.4. Kenozoiczne rowy tektoniczne

5.4.4.1. Ryft dolnego Renu

5.4.4.2. Ryft górnego Renu

5.4.4.3. Ryft heski

5.4.4.4. Ryft Bresse

5.4.4.5. Ryft Limagne

5.4.4.6. Ryft Egeru

5.4.5. Główne kompleksy strukturalne pokrywy platformowej

5.5. Platforma scytyjska

5.5.1. Masyw Dobrudży

5.5.2. Płyta mezyjska

5.5.3. Płyta mołdawska

5.5.4. Płyta scytyjska

5.6. Ural

5.6.1. Przeduralski rów przedgórski

5.6.2. Antyklinorium baszkirskie

5.6.3. Strefa zachodniouralska

5.6.4. Antyklinorium środkowouralskie

5.6.5. Synklinorium tagilsko-magnitogorskie

5.6.6. Antyklinorium wschodniouralskie

5.6.7. Synklinorium wschodniouralskie

5.6.8. Strefa zauralska

5.6.9. Synklinorium tiumeńsko-kustanajskie

5.7. Strefa fałdowań alpejskich południowej Europy

5.7.1. Alpidy zachodnie

5.7.1.1. Góry Betyckie

5.7.1.2. Masyw korsykański

5.7.1.3. Pireneje

5.7.2. Alpidy środkowe

5.7.2.1. Alpy

5.7.2.1.1. Alpy Zachodnie

5.7.2.1.2. Alpy Wschodnie

5.7.2.1.3. Góry Jura

5.7.2.3. Apeniny

5.7.2.4. Karpaty

5.7.2.4.1. Karpaty wewnętrzne

5.7.2.4.2. Karpaty zewnętrzne

5.7.2.4.3. Zapadlisko przedkarpackie

5.7.3. Alpidy bałkańskie

5.7.3.1. Dynarydy

5.7.3.2. Albanidy

5.7.3.3. Hellenidy

5.7.3.4. Rodopidy

5.7.4. Kaukaz

5.7.4.1. Wielki Kaukaz

5.7.4.2. Mały Kaukaz

5.7.4.3. Zapadlisko kursko-riońskie

5.7.4.4. Zapadlisko przedkaukaskie

5.8. Svalbard

5.9. Islandia

ĆWICZENIA

PYTANIA KONTROLNE

TEST

LITERATURA POLECANA

6. Azja

6.1. Główne jednostki geologiczne

6.2. Kraton syberyjski

6.2.1. Tarcza anabarska

6.2.2. Tarcza ałdańska

6.2.3. Synekliza tunguska

6.2.4. Synekliza rybińska

6.2.5. Rów wiłujski

6.2.6. Rów przedbajkalski

6.2.7. Zapadlisko Chatangi

6.2.8. Zapadlisko górnoleńskie

6.2.9. Ryft jeziora Bajkał

6.3. Megakraton chiński

6.3.1. Kraton tarymski

6.3.2. Kraton północnochiński

6.3.2.1. Blok wschodni

6.3.2.2. Blok zachodni

6.3.2.3. Orogen północnochiński

6.3.2.4. Synekliza Ordos

6.3.3. Kraton chińsko-koreański

6.3.4. Kraton tybetański

6.3.5. Kraton Jangcy

6.3.6. Kunlun

6.3.7. Qin Ling

6.3.8. Qilian-szan

6.4. Kraton dekański

6.4.1. Megablok tharski

6.4.2. Megablok windhajski

6.4.3. Megablok gondwański

6.4.4. Główne jednostki kratonu dekańskiego

6.4.4.1. Tarcza wschodnioindyjska

6.4.4.2. Synekliza centralna

6.4.4.3. Tarcza Arawalli

6.4.4.4. Zapadliska przedhimalajskie, bengalskie i Indusu

6.5. Kraton arabski

6.5.1. Tarcza arabska

6.5.2. Monoklina arabska

6.6. Strefa fałdowa uralsko-ochocka

6.6.1. Tajmyrydy

6.6.2. Blok kazaski

6.6.3. Tien-Szan

6.6.4. Ałtaj

6.6.5. Sajany

6.6.6. Góry Jabłonowe i Wielki Chingan

6.7. Platforma zachodniosyberyjska

6.8. Platforma turańska

6.9. Strefa fałdowań kimeryjskich

6.9.1. Pasmo wierchojańsko-czukockie

6.9.2. Pasmo Sichote Aliń

6.9.3. Pasmo indochińskie

6.9.4. Pasmo malajsko-transhimalajskie

6.10. Strefa fałdowań alpejskich

6.10.1. Alpidy Azji Mniejszej

6.10.1.1. Pontydy

6.10.1.2. Anatolidy

6.10.1.3. Taurydy

6.10.1.4. Cypr

6.10.2. Iranidy

6.10.3. Kopet-dag

6.10.4. Elburs

6.10.5. Pamir

6.10.6. Hindukusz

6.10.7. Karakorum

6.10.8. Himalaje

6.10.9. Pasmo fałdowe Birmy

6.11. Strefa pacyficzna

6.11.1. Pasmo anadyrsko-koriackie

6.11.2. Pasmo kurylsko-kamczackie

6.11.3. Pasmo sachalińskie

6.11.4. Pasmo japońsko-tajwańskie

6.11.5. Pasmo wschodniofilipińskie

6.11.6. Indonezja

ĆWICZENIA

PYTANIA KONTROLNE

TEST

LITERATURA POLECANA

7. Ameryka Północna

7.1. Główne jednostki geologiczne

7.2. Kraton północnoamerykańsko-grenlandzki (laurentyjski)

7.2.1. Prowincje geotektoniczne podłoża kratonu

7.2.2. Jednostki tektoniczne

7.2.2.1. Tarcza kanadyjska

7.2.2.1.1. Synekliza Zatoki Hudsona

7.2.2.2. Tarcza grenlandzka

7.2.2.3. Płyta centralna

7.2.2.3.1. Antekliza transkontynentalna

7.2.2.3.2. Synekliza Michigan

7.2.2.3.3. Synekliza Illinois

7.2.2.3.4. Synekliza Salina–Forest City

7.2.2.3.5. Synekliza willistońska

7.2.2.3.6. Synekliza pensylwańska

7.2.2.3.7. Synekliza Midland–Delaware

7.2.2.3.8. Antekliza Ozark

7.2.2.3.9. Zrąb Amarillo–Wichita

7.3. Pasmo innuickie (eskimoskie)

7.4. Appalachy

7.5. Pasmo Ouachita

7.6. Platforma paleozoiczna

7.6.1. Płyta nadatlantycka

7.6.2. Basen meksykański

7.7. Kordyliery

7.7.1. Kordyliery Północne

7.7.1.1. Strefa wewnętrzna

7.1.1.2. Strefa zewnętrzna

7.7.2. Kordyliery Środkowe

7.7.3. Kordyliery Południowe

7.8. Kuba

ĆWICZENIA

PYTANIA KONTROLNE

TEST

LITERATURA POLECANA

CZĘŚĆ III
Ku przyszłości

Tabela stratygraficzna

O Autorze

Przedmowa do wydania trzeciego

Od drugiego wydania książki Geologia kontynentów upłynęło 6 lat. Podobnie jak obecne wydanie, była to książka skierowana do szerokiego kręgu studentów wydziałów nauk przyrodniczych, szczególnie do studentów wydziałów geologicznych i geograficznych, na których prezentowane są zagadnienia dotyczące budowy i ewolucji skorupy ziemskiej. Wyczerpanie drugiego wydania książki skłoniło autora i wydawnictwo do przygotowania kolejnego wydania, wzbogaconego i uzupełnionego o nowe dane, wynikające z postępu w rozpoznaniu budowy geologicznej kontynentów. Pierwszymi weryfikatorami tekstów i ilustracji zawartych w niniejszej książce byli studenci i ich sugestie, wraz z sugestiami wykładowców, zostały w tym wydaniu uwzględnione. W wielu miejscach tekst książki został rozszerzony o nowe informacje, czasem takie, które autor uznał za ciekawe dla polskiego Czytelnika. Przybyło też kilkanaście nowych ilustracji, by ułatwić Czytelnikowi lepsze zrozumienie prezentowanych zagadnień.

Podobnie jak w poprzednim wydaniu wszędzie tam, gdzie mowa jest o „platformie prekambryjskiej”, użyto nazwy „kraton” z odpowiednim przymiotnikiem. Jednak Czytelnik powinien zdawać sobie sprawę, że zasięg niemal każdego kratonu kontynentalnego jest większy niż platformy prekambryjskiej, gdyż orogeny są często nasunięte na kraton, jak to jest na przykład w przypadku orogenu skandynawskiego nasuniętego na skraj kratonu wschodnioeuropejskiego, czy Appalachów nasuniętych na skraj kratonu północnoamerykańskiego. Zatem pisząc o kratonach autor, chcąc uniknąć zawiłości terminologicznych, omawia je w granicach, które można wyznaczyć na powierzchni, zdając sobie sprawę z tego, że jest to pewne, ale konieczne uproszczenie. Tam, gdzie jednak jest to możliwe, autor pisze o rzeczywistych granicach kratonów. Zmiany dotyczą też innego nazewnictwa niektórych jednostek, nowych danych o budowie i ewolucji geologicznej poszczególnych kontynentów i ich części. Więcej uwagi poświęcono kształtowaniu się kontynentów w prekambrze, obejmującym przecież niemal 90% czasu geologicznego, i przyczynom ukształtowania się ich obecnej struktury. Ważne zmiany dotyczą budowy geologicznej Islandii, Ameryki Północnej, Afryki i Antarktydy. Wiele nowych informacji odnosi się do budowy geologicznej jednostek geologicznych Europy i Azji. Szczególną uwagę zwrócono na kontynentalne strefy ryftowe i aktywne wybrzeża kontynentów. Nowe ilustracje pozwalają na lepszy wgląd w ewolucję i budowę geologiczną poszczególnych fragmentów różnych kontynentów. Znalazły się też w nowym wydaniu dokładniejsze informacje na temat surowców mineralnych kontynentów. Aktualizacja powoduje, że książka stała się bardziej nowoczesna, odpowiadająca obecnemu stanowi wiedzy o budowie kontynentalnych fragmentów litosfery. W obecnym wydaniu usunięto też drobne nieścisłości, które występowały w dwóch poprzednich wydaniach książki.

Podręcznik ma na celu przedstawienie studentom różnych wydziałów przyrodniczych podstawowych informacji o budowie i ewolucji kontynentów na tle ewolucji całej skorupy ziemskiej. Nie sposób bowiem zrozumieć budowy geologicznej jednego kontynentu bez poznania budowy i ewolucji skorupy ziemskiej jako całości i zasad rządzących tą ewolucją. Podręcznik, nie pretendując do roli monografii, omawiającej wszystkie aspekty geologii regionalnej świata, ma na celu zaprezentowanie tylko podstawowych, zawsze aktualnych informacji. Z pewnością może być wykorzystywany nie tylko przez studentów wydziałów przyrodniczych, ale też przez wszystkich zainteresowanych budową geologiczną naszego globu, w tym pracowników instytutów naukowych, nauczycieli akademickich wydziałów przyrodniczych. Autor cieszyłby się, gdyby po książkę sięgnęli również organizatorzy turystyki, promując wyprawy w ciekawe pod względem geologicznym rejony Ziemi.

Autor starał się, aby treść podręcznika była ciekawa i przystępna, a przede wszystkim – aktualna. Jednak Czytelnik powinien zdawać sobie sprawę z tego, że główne rysy budowy geologicznej kontynentów zostały ustalone stosunkowo dawno. Stąd też w spisie literatury polecanej znalazły się nie tylko pozycje najnowsze, ale i te sprzed dwudziestu, a nawet trzydziestu lat, w których interpretacje geotektoniczne są przestarzałe, ale fakty dotyczące budowy geologicznej – aktualne i prawdziwe.

Jak przystało na tego typu publikacje przeznaczone dla studentów, w podręczniku znajdują się pytania kontrolne i testy mające sprawdzić przyswojoną wiedzę, jak również spis najważniejszej literatury przedmiotu, do której będzie mógł sięgnąć każdy zainteresowany.

Autor zdaje sobie sprawę z trudności, jakie nastręcza właściwa regionalizacja budowy geologicznej różnych fragmentów skorupy ziemskiej, a także z trudności wynikających z odmiennych punktów widzenia na ewolucję tych samych części litosfery, zawartych w pracach różnych geologów. Jednak nie dyskutuje nad zagadnieniami, a stara się ograniczyć jedynie do przedstawienia faktów powszechnie uznanych.

Książka składa się z dwóch głównych części. Część pierwsza dotyczy ewolucji skorupy ziemskiej jako całości i zawiera przegląd teorii geotektonicznych oraz fanerozoiczną ewolucję kontynentów (skorupy kontynentalnej) w nawiązaniu do ewolucji całej skorupy ziemskiej i genezy oceanów. W części drugiej scharakteryzowano budowę geologiczną poszczególnych kontynentów, omawiając najpierw główne rysy ich budowy geologicznej, a później – ich poszczególnych jednostek.

Przedstawiając budowę geologiczną ziemskiej litosfery, autor celowo ograniczył się tu do litosfery kontynentalnej. Biorąc pod uwagę, że budowa geologiczna i historia litosfery oceanicznej jest nie mniej złożona, poświęcił tym zagadnieniom inną pozycję podręcznikową, napisaną wraz z Krzysztofem Szamałkiem – Budowa i surowce mineralne oceanów, wydaną przez WN PWN w 2011 r.

Prezentując budowę geologiczną poszczególnych kontynentów, autor zmuszony był użyć wielu nazw rzadko lub wcale niespotykanych do tej pory przez Czytelnika w literaturze. Dotyczy to szczególnie nazewnictwa formacji, cykli geotektonicznych czy orogenez. Czytelnik, przyzwyczajony do europejskiej terminologii, musi jednak wziąć pod uwagę, że budowy i ewolucji geologicznych wszystkich kontynentów nie sposób wtłoczyć w sztywne ramy schematów stratygraficznych czy tektonicznych sporządzonych na podstawie badań geologicznych na kontynencie europejskim. Autor ma jednak nadzieję, że sposób podejścia do zagadnień budowy geologicznej kontynentów będzie odpowiadał Czytelnikowi, a każdy będzie mógł rozszerzyć swoją wiedzę, sięgając po pozycje cytowane w spisie literatury znajdującym się na końcu każdego rozdziału.

W celu zachowania jednolitości podręcznika obszar Polski potraktowano tylko jako składową część Europy, nie poświęcając jej więcej miejsca niż innym jej obszarom. Autor wychodzi z założenia, że bardziej szczegółowe wiadomości dotyczące budowy geologicznej Polski Czytelnik będzie mógł znaleźć m.in. w jego książce Geologia Polski, której kolejne wydanie ukazało się w 2020 r. Natomiast zainteresowanego bardziej geologią Europy autor pragnie odesłać do książki wydanej przez WN PWN Geologia Europy.

Zamierzeniem autora było też stworzenie możliwości szybkiego wyszukania informacji o budowie geologicznej określonej jednostki geologicznej czy też krainy geograficznej. Służyć temu ma indeks rzeczowy zamieszczony na końcu książki. Znajdująca się również na końcu publikacji tabela stratygraficzna pozwoli na umiejscowienie wielu zdarzeń czy profili opisywanych w każdym rozdziale na skali dziejów Ziemi.

Podręcznik powinien mieć charakter uniwersalny. Stąd też autor nie zamierza odsyłać Czytelnika do innych pozycji w celu objaśnienia użytych w nim terminów, starając się unikać specjalistycznej terminologii, a używając słów zrozumiałych dla wszystkich. Autor ma nadzieję, że zamysł ten się udał.

Autor pragnie podziękować wszystkim, którzy przyczynili się do powstania niniejszego podręcznika, który nie powstałby, gdyby nie życzliwość przyjaciół z Państwowego Instytutu Geologicznego, Uniwersytetu Warszawskiego, a także z Wydawnictwa Naukowego PWN, którzy zachęcali i mobilizowali autora do pracy. Pracy żmudnej, wymagającej systematyczności, ale jednocześnie niezwykle ciekawej i pełnej zaskakujących niespodzianek, pozwalającej na oderwanie się od problemów dnia codziennego. Szczególne wyrazy wdzięczności autor kieruje do Pań dr Marioli Lech-Kancelarczyk i dr Beaty Piekarskiej, bez których starań obecne wydanie nie mogłoby powstać, a także do Pani mgr Jolanty Dziewulskiej, dzięki której mógł przejść przez wszystkie zawiłości literatury anglojęzycznej. Autor pragnie podziękować Pani Edycie Jaśkaczek z Muzeum Geologicznego PIG za pomoc przy pracy nad ostatecznym kształtem książki.

Szczególne podziękowania autor pragnie złożyć Pani Katarzynie Włodarczyk-Gil z Wydawnictwa Naukowego PWN, która jest promotorem obecnego wydania książki Geologia kontynentów, jak i poprzednich wydań książek autora w Wydawnictwie Naukowym PWN SA. Dziękuję też redaktorowi Ryszardowi Przybyłowi za wnikliwą redakcję i korektę, które uchroniły tekst od pierwotnych błędów. Serdeczne podziękowania składam również Pani redaktor Renacie Ziółkowskiej za trud włożony w ostateczną redakcję książki. W konsekwencji jednak to Czytelnicy zweryfikują dokonaną pracę i ocenią przydatność podręcznika.

Autor nie byłby sobą, gdyby nie podkreślił, że co najmniej połowę zasługi w powstaniu również obecnego wydania książki, ma jego Żona Aleksandra. To Ona w trudnym czasie pandemii koronawirusa mobilizowała go do pracy, tworząc właściwą atmosferę i wyręczając w codziennych obowiązkach. Kocham Ją nie tylko za to.

Zdając sobie sprawę z tego, że każdą rzecz można zrobić lepiej, autor zwraca się z prośbą do Czytelników o wszelkie uwagi dotyczące podręcznika, które mogą przyczynić się do jego ulepszenia w przyszłości, w kolejnym wydaniu. Autor prosi też, aby Czytelnik pamiętał, że o ile za wydanie podręcznika w obecnej postaci na podziękowanie zasługuje wiele osób, o tyle uwagi krytyczne dotyczą wyłącznie autora, który przyjmie je z wdzięcznością. Swoje uwagi Czytelnicy mogą przesyłać na adres Wydawnictwa Naukowego PWN bądź wprost do autora na adres internetowy: wlomiz@gmail.com

Włodzimierz Mizerski

Warszawa, lipiec 2020

CZĘŚĆ I

Ewolucja kontynentów

Pozostałe rozdziały dostępne w pełnej wersji e-booka.

1

Od Wegenera do tektoniki płyt

„Patrząc na mapę świata, upewniamy się niezbicie, że Ameryka oderwała się od Starego Świata i że na całej swej długości odpowiada doskonale zachodniej części naszego kontynentu, poprzez wybrzeża, które znajdują się naprzeciwko całej długości Europy i Afryki”. Tak pisał w 1858 r. Holender, Antonio Snider-Pellegrini, w książce La création du monde et ses mystères dévoilés (Stworzenie świata i jego odsłonięte tajemnice – tłum. L. Czechowski). To on przedstawił po raz pierwszy w historii rysunek ukazujący połączone kontynenty (ryc. 1). Ich rozerwanie tłumaczył kataklizmem, który miał się wydarzyć kilka tysięcy lat temu. Jego zdaniem jednością kontynentów najlepiej można wytłumaczyć podobieństwa skał i fauny karbońskiej po obu stronach oceanu. Choćby nie wiem jak naiwne były próby tłumaczenia przyczyn oderwania się od siebie kontynentów, stanowią one niezbity dowód, że idea dryfu kontynentów narodziła się na wiele lat przed Wegenerem. Można się powołać na dzieło Novum Organum Francisa Bacona, angielskiego filozofa z przełomu XVI i XVII w., który zwrócił uwagę na podobieństwo konturów Afryki i Ameryki Południowej. Szesnastowieczny flamandzki geograf i kartograf Abraham Ortelius w dziele „Thesaurus Geographicus” pisał, że Ameryka odsunęła się od Europy i Afryki w wyniku trzęsień ziemi i powodzi. A jednak, mimo prac H.W. Pickeringa z 1907 r., F.B. Taylora z 1910 r. i H. Bakera z 1911 r., to właśnie z osobą Alfreda Lothara Wegenera wiąże się powstanie idei dryfu kontynentów, która w unowocześnionej wersji odrodziła się w uznawanej dzisiaj niemal powszechnie teorii tektoniki płyt.

Ryc. 1. A. Snider-Pellegrini (1859) uważał, że Ocean Atlantycki powstał w wyniku odsunięcia się Ameryki od Afryki i Europy

Do czasów Wegenera w naukach geologicznych panowała hipoteza kontrakcji, stworzona przez Leonce Elie de Beaumonta w 1829 r. i zmodyfikowana później przez Edwarda Suessa i Alberta Heima. W 1942 r. teoria została zmodyfikowana przez austriackiego geologa Leopolda Kobera i w tej wersji znana jest do dzisiaj. Była to pierwsza naukowa hipoteza rozpatrująca deformacje skorupy ziemskiej na tle ewolucji całej planety. Hipoteza ta zakładała, wychodząc z teorii kosmogonicznej sformułowanej przez E. Kanta i P.S. Laplace’a, że Ziemia znajdowała się pierwotnie w stanie rozżarzonym i stygła stopniowo od powierzchni. Utworzona w trakcie zastygania skorupa nie była jednolita, wskutek czego jej poszczególne fragmenty miały różną wytrzymałość na odkształcenia. Utrata ciepła powodowała kurczenie się wnętrza Ziemi, a skorupa musiała dostosować się do zmniejszającej się objętości wnętrza, marszcząc się niczym skórka na powierzchni wyschniętego jabłka. Powstające przy tym w skorupie naprężenia poziome rozładowywały się okresowo, a bloki skorupy zapadały się, powodując zgniatanie położonych między nimi stref osłabień. Dzięki temu powstawały pasma górskie (ryc. 2). Gdy skorupa kurczyła się szybciej niż wnętrze Ziemi, w jej obrębie powstawały struktury będące wynikiem rozciągania (większe wnętrze usiłowało rozepchnąć sztywną skorupę) – rowy, w których gromadziły się grube warstwy osadów. Jak na owe czasy była to teoria nad wyraz spójna, tłumacząca wiele zjawisk tektonicznych zachodzących w obrębie skorupy ziemskiej i na jej powierzchni.

Amerykański astronom William Henry Pickering w 1907 roku wygłosił pogląd, że pierwotnie istniał na Ziemi tylko jeden kontynent, który rozpadł się po oderwaniu się od niej ogromnej bryły materii, z której uformował się Księżyc. Austriacki geolog Edward Suess pod koniec XIX w. postulował istnienie superkontynentu Gondwany oraz dawnego oceanu Tetyda, implikując poziome ruchy kontynentów. Na początku XX w., hipotezę istnienia dawnego superkontynentu i jego rozpadu rozwijali niezależnie od siebie amerykańscy geolodzy Frank Bursley Taylor (1910) oraz Howard Baker (1911).

Ryc. 2. Powstanie łańcuchów górskich według hipotezy kontrakcji. Utrata ciepła przez Ziemię powoduje ochładzanie i kurczenie się jej wnętrza; następstwem tego jest konieczność dostosowania się sztywnej, uprzednio ostygłej skorupy ziemskiej do zmniejszającej się objętości wnętrza Ziemi – jej marszczenie się na podobieństwo pomarszczonej skórki wysychającego jabłka. Systemy zmarszczek – to łańcuchy górskie (wg R. Dadleza i W. Jaroszewskiego 1994)

6 I 1912 r., na zebraniu Niemieckiego Towarzystwa Geologicznego we Frankfurcie nad Menem, Alfred Lothar Wegener wygłosił wykład Die Entstehung der Kontinente (Powstanie kontynentów), w którym po raz pierwszy przedstawił swój punkt widzenia na rolę dryfu kontynentów w ewolucji skorupy ziemskiej. Wystąpienie Wegenera zostało ocenione jako dziwaczne i ekscentryczne, a wśród niemieckich geologów wywołało oburzenie. Prawdą jest, że w trakcie swego wykładu nie przedstawił niczego nowego w kwestii idei wędrówki kontynentów i nie znał nawet prac autorów wypowiadających się wcześniej na ten temat. To nie mogło się udać. Wegener poniósł porażkę. A jednak z tą właśnie datą kojarzy się początek idei mobilizmu w naukach o Ziemi.

Krytyka, z jaką spotkał się Wegener, przyniosła bardzo pozytywne skutki. Książka Die Entstehung der Kontinente und Ozeane (Powstanie kontynentów i oceanów), napisana podczas urlopu zdrowotnego podczas I wojny światowej, kiedy Wegener został ranny, wydana w 1915 r., mimo swej niewielkiej objętości, była poważnym dziełem naukowym, opartym na szczegółowej analizie wielu informacji z różnych dziedzin nauki. Do 1930 r., czyli do tragicznej śmierci Wegenera, w trakcie wyprawy na Grenlandię, książka ta była trzykrotnie aktualizowana i wznawiana. Ta niewielka książka mająca około 150 stron, zburzyła panujący dotąd w naukach geologicznych porządek i zapoczątkowała rewolucję, która została zakończona sformułowaniem teorii tektoniki płyt litosfery – najbardziej prawdopodobnej i kompletnej teorii geotektonicznej ewolucji skorupy ziemskiej. To z niej pochodzi chyba najlepiej znany w geotektonice rysunek ilustrujący ideę dryfu kontynentów.

Wegener przedstawił swą ideę za pomocą trzech map świata (ryc. 3) ilustrujących rozmieszczenie lądów i oceanów w różnych epokach geologicznych. Uważał, opierając się na teorii izostazji, że bloki kontynentalne, zbudowane ze skał lekkich, są zanurzone w gęściejszym podłożu, które jest plastyczne i umożliwia poziome przemieszczanie się bloków kontynentalnych.

Ryc. 3. Rozmieszczenie kontynentów w różnych epokach geologicznych według A. Wegenera (1915). Obszary zakropkowane to płytkie morza

Dokumentując swą naukową hipotezę, Wegener powołał się m.in. na podobieństwo struktur geologicznych po obu stronach Atlantyku, na identyczność śladów zlodowaceń permsko-karbońskich w południowej Afryce i Brazylii, na wspólne zespoły fauny i flory na kontynentach znajdujących się dzisiaj daleko od siebie. Wcześniej podobieństwo to było tłumaczone hipotezą pomostów lądowych, które w różnym czasie miały łączyć kontynenty, ułatwiając migrację flory i fauny, by później zniknąć pod wodami oceanu. Badanie klimatów w dziejach Ziemi, prowadzone wspólnie z teściem, Vladimirem Köppenem, przywiodło Wegenera do wniosku, że niezależnie od dryfu kontynentów położenie biegunów geograficznych w przeszłości zmieniało się. W kolejnych wydaniach swej książki Wegener wykorzystał również pomiary geodezyjne, wskazując, że Grenlandia porusza się, a Paryż i Waszyngton odsuwają się od siebie. Przyczyn dryfu kontynentów upatrywał Wegener w siłach wywołanych rotacją Ziemi wokół własnej osi, które powodowały przemieszczanie się kontynentów od biegunów ku równikowi (Polflucht), oraz hamującym działaniem tarda pływowego, wywołującym dryf kontynentów ku zachodowi (Westdrift). Dryf kontynentów powodował powstawanie łańcuchów górskich. Dryf zachodni przyczynił się do sfałdowania łańcucha Kordylierów i Andów na przedpolu przesuwającego się ku zachodowi bloku Ameryki. Udeczka od biegunów doprowadziła do kolizji Europy i Afryki.

Hipoteza Wegenera od razu zyskała sobie wielu zwolenników, którzy dostarczali nowych dowodów przemawiających za jej słusznością. Amerykański geolog Hendrik Albertus Brouwer w 1916 r. znalazł w teorii dryfu wyjaśnienie genezy wysp Indonezji. Od szwajcarskiego geologa Émile Arganda natomiast pochodzi, oparta na teorii dryfu, interpretacja powstania Himalajów i europejskich alpidów (ryc. 4). W 1927 r. południowoafrykański geolog Alexander du Toit stwierdził wyraźne podobieństwo starszych formacji Ameryki Południowej i Afryki (ryc. 5). Do zwolenników Wegenera należeli tak wybitni geolodzy, jak Robert Staub, brytyjski geolog i geofizyk Artur Holmes, a także znany norweski badacz polarny, Fridtiof Nansen. Słowa É. Arganda: „Elegancja, z jaką teoria dryftu tłumaczy te ważne fakty, które nie były znane, kiedy teoria powstawała, jest na pewno ważnym świadectwem na jej korzyść” (tłum. L. Czechowski) najlepiej chyba oddają możliwość i łatwość interpretacji faktów z punktu widzenia idei dryfu kontynentów.

Ryc. 4. Powstanie Dynarydów i Karpat w wyniku zderzenia się Afryki z kontynentem europejskim i Himalajów w wyniku zderzenia się Dekanu z Azją, 1 – płyta dekańska, 2 – płyta eurazjatycka, strzałki pokazują kierunek ruchu poszczególnych fragmentów skorupy (wg É. Arganda 1924)

Ryc. 5. Rozmieszczenie archaicznych jąder kratonów Afryki i Ameryki Południowej (ciemnoszare) jest argumentem potwierdzającym słuszność idei dryfu kontynentów. Strzałki przedstawiają kierunki ruchu lądolodów permokarbońskich

Oponentów było jednak równie wielu. Należeli do nich przede wszystkim wybitni geofizycy ówczesnych lat. Przełomowym momentem dla hipotezy dryfu stało się sympozjum w Nowym Jorku, zwołane w 1926 r. przez Amerykańskie Stowarzyszenie Geologów Naftowych, na którym hipotezę poddano bardzo ostrej krytyce. Znany amerykański astronom i geofizyk Harold Jeffreys udowodnił, że siły, uważane przez Wegenera za zdolne do wprowadzenia kontynentów w ruch, wynoszące około 10–6 siły grawitacji, są kilka rzędów słabsze od tych, które są niezbędne, aby pokonać opór simy. Jeffreys uważał, że hipoteza dryfu niczego nie wyjaśnia, tylko wprowadza nowe komplikacje. Jego autorytet wystarczył do zdyskredytowania idei dryfu w oczach większości geofizyków.

Wegener nie mógł się już jednak zdecydowanie przeciwstawić oponentom. W listopadzie 1930 r. zginął podczas wyprawy na Grenlandię. Po jego śmierci nasiliły się ataki na hipotezę dryfu kontynentów, a do końca lat 30. została ona niemal całkowicie odrzucona i zapomniana. Nie wspominano o niej nawet na wykładach uniwersyteckich. Triumf odnieśli zwolennicy permanencji kontynentów i oceanów.

Dla wielu geologów, szczególnie pracujących na kontynentach półkuli południowej, było jednak jasne, że z geologicznego punktu widzenia idea dryfu kontynentów jest słuszna. Należało znaleźć tylko „motor” poruszający kontynenty. Niemiecki geodeta i geofizyk Friedrich Robert Helmert próbował tłumaczyć dryf kontynentów trójosiowością elipsoidy ziemskiej. Alexander du Toit i Reginald Aldworth Daly (kanadyjsko-amerykański petrograf i geolog) wysunęli przypuszczenie, że zerodowany z kontynentów materiał, gromadząc się w rowach oceanicznych, wgniatał dno oceanu i zwiększał jego nachylenie, a dryf kontynentów to wynik ich ześlizgiwania się w stronę rowu.

Mechanizm dryfu kontynentów próbowano rozwiązać za pomocą prądów konwekcyjnych. Konwekcji początkowo nie wiązano z dryfem. Możliwość istnienia konwekcji jako pierwszy badał brytyjski uczony, William A. Hopkins, jeszcze w 1839 r., podkreślając rolę, jaką mogłaby ona odgrywać w procesie stygnięcia wnętrza Ziemi.

Badacz Alp Otto Ampfer w 1906 r. wypowiadał się o przestrzennie ograniczonych przepływach podskorupowych. Na konwekcję, jako podstawową przyczynę procesów geodynamicznych, wskazał amerykański uczony, Artur Holmes – po raz pierwszy w 1931 r., a następnie w 1945 r. Istnieniem prądów konwekcyjnych wyjaśniał on dryf kontynentów, procesy orogeniczne, powstawanie łuków wysp, dolin ryftowych, rozmieszczenie wulkanów i stref sejsmicznych (ryc. 6). Zaletą modelu Holmesa było przeniesienie powierzchni, po której odbywał się ruch poziomy, z granicy sial/sima w głąb płaszcza, w strefę wyższych temperatur. Wyobrażenia Holmesa były bliskie poglądom współczesnym. Brak mu było jednak dowodów, że tak jest w rzeczywistości.

Przyczyn powstania prądów konwekcyjnych upatrywano w procesach rozpadu pierwiastków promieniotwórczych. Koncentracje tych pierwiastków, nierównomierne ich rozłożenie w głębi Ziemi, powodują zróżnicowane temperatury jej wnętrza. W półplastycznej materii powstają zatem prądy konwekcyjne, dążące do wyrównania tych różnic. Robert Schwinner, profesor geologii na uniwersytecie w Grazu, w 1936 r. stwierdził, że prądy konwekcyjne działają do głębokości około 400 km. Ponieważ skorupa kontynentów jest bogatsza w pierwiastki promieniotwórcze, w ich podłożu podnoszą się podgrzane masy, tzw. antycyklony, powodując rozciąganie skorupy i wulkanizm. Pod skorupą prądy rozprzestrzeniają się poziomo i oddziałują na skorupę siłą tarcia, wywołując jej ruchy poziome oraz naprężenia ściskające (kompresję) i rozciągające (tensję). Prądy kierują się następnie ku chłodniejszym powierzchniom den oceanicznych, gdzie materia ochładza się i tworzy prąd zstępujący, tzw. cyklon, wsysający w głąb wąskie partie skorupy. Prądy konwekcyjne tworzą zatem systemy wielkich, zamkniętych komór, powodując przepływ ciepła i materii w obrębie płaszcza i skorupy ziemskiej.

Ryc. 6. Powstawanie oceanów w wyniku działalności prądów konwekcyjnych w płaszczu Ziemi (wg A. Holmesa 1931)

Na mechanizmie prądów konwekcyjnych oparta też była teoria oscylacji, sformułowana w 1930 r. przez niemieckiego geologa Edwarda Harmanna. Teoria ta, stojąca na gruncie permanencji, zasługuje na uwagę z tego powodu, że łączy procesy zachodzące pod skorupą ziemską z procesami tektonicznymi na jej powierzchni. W myśl tej teorii pierwotną przyczyną powstawania gór są siły wywołane przyciąganiem Księżyca i zmianami osi obrotu Ziemi. Działanie tych sił prowadzi do naruszenia równowagi w rozmieszczeniu mas pod skorupą ziemską, co wywołuje prądy podskorupowe. Prądy te powodują powstawanie na powierzchni Ziemi wielkich nabrzmień – geotumorów, rozdzielonych geodepresjami. Ześlizgiwanie się osadów z geotumorów do geodepresji powoduje ich fałdowanie. Teoria oscylacji stała się obiektem krytyki, gdyż mechanizm powstawania geotumorów i geodepresji był niejasny i pozostawiał wiele do życzenia z punktu widzenia mechaniki skał.

Teoria oscylacji była punktem wyjścia dla teorii undacji, przedstawionej po raz pierwszy przez holenderskiego geofizyka Reinouta Willema van Bemmelena w 1933 r. i modyfikowanej aż do lat 70. ubiegłego wieku. Teoria ta bazowała na badaniach geologa amerykańskiego, Baileya Willisa, dotyczących podskorupowej dyferencjacji magmy, na teorii dyferencjacji magmy norweskiego geochemika Victora Moritza Goldschmidta, a także na wynikach badań geofizycznych. Powstawanie geotumorów tłumaczył van Bemmelen przyczynami wewnętrznymi – gromadzeniem się lekkich, kwaśnych produktów magmowych pochodzących z dyferencjacji materii pod skorupą ziemską. Znajdujące się między nimi geodepresje porównać można z geosynklinami, a fałdowanie nagromadzonych w nich osadów miało mieć również genezę grawitacyjną (ryc. 7). Van Bemmelen był początkowo zwolennikiem permanencji kontynentów i oceanów. Z czasem jednak dokonał modyfikacji swej teorii, by znalazły się w niej również podstawowe założenia mobilizmu.

Ryc. 7. Kolejne stadia (a–e) deformacji skorupy ziemskiej według teorii undacji R.W. van Bemmelena (1933): 1 – kontynenty, 2 – sima, 3 – kwaśne produkty dyferencjacji płaszcza Ziemi tworzące undacje, 4 – masywy międzygórskie powstałe w wyniku fałdowania osadów zsuwających się z undacji (wg M. Książkiewicza 1968 – zmieniona)

W latach 30. ubiegłego wieku amerykański geolog, Amadeus William Grabau, a także niemiecko-amerykański geolog i paleontolog Walter Hermann Bücher, na podstawie regularnego pojawiania się w dziejach Ziemi transgresji i regresji, sformułowali teorię pulsacji, nawiązującą do wcześniejszej hipotezy cyklów termicznych irlandzkiego geologa Johna Joly’ego. Swą nazwę teoria zawdzięcza temu, że jej twórcy uważali, iż Ziemia podlega cyklicznemu kurczeniu i rozszerzaniu, a okres takich zmian wynosi od 20 do 30 mln lat. Grabau sądził, że transgresje i regresje morskie następują na skutek deformacji skorupy ziemskiej spowodowanej zmianami prędkości ruchu wirowego Ziemi. Następcy Grabau’a przyczyn pulsacji Ziemi dopatrywali się w zmianach zachodzących w jej płaszczu.

W tym samym czasie szwajcarski geolog Albert Heim zaprezentował teorię rotacji. Według niej, sity przyciągania Księżyca i Słońca, a być może i innych ciał niebieskich znajdujących się w ziemskim polu grawitacyjnym, są przyczyną wiekowych zmian ruchu wirowego (rotacji) Ziemi. Jeśli prędkość ta rośnie, Ziemia staje się bardziej spłaszczona, a lekka skorupa kontynentalna w wyniku działania sity odśrodkowej spychana jest ku równikowi; dzięki temu w strefie równikowej następuje kompresja i fałdowanie. Kiedy prędkość ruchu wirowego słabnie, następuje rozerwanie bloku kontynentalnego w strefie równikowej, co powoduje powstawanie geosynklin.

Zarówno teoria pulsacji, jak i teoria rotacji, które można zaliczyć do teorii planetarnych, nie mają dzisiaj zwolenników i traktowane są wyłącznie jako teorie historyczne.

W latach 30. ubiegłego wieku pojawiła się również koncepcja będąca przeciwieństwem teorii kontrakcji – teoria ekspansji. Jej inspiracją był dryf kontynentów i próba wyjaśnienia ich oddalania się od siebie. Wysunęło ją niezależnie od siebie kilku autorów, ale w sposób najpełniejszy opracował ją w 1933 r. niemiecki naukowiec Otto Christoph Hilgenberg. Jednak jej dynamiczny rozwój datuje się od chwili odkrycia spreadingu przez Saumela Warrena Carey’a. Skoro w strefach ryftowych powstaje ogromna ilość nowej skorupy ziemskiej, to jej przyrost musi być rekompensowany, albo na drodze pochłaniania na podobną skalę skorupy w innych miejscach poprzez przyrost objętości Ziemi i zwiększanie promienia i powierzchni naszej planety. Teoria zakłada, że Ziemia była kiedyś znacznie mniejsza i pokryta całkowicie skorupą kontynentalną. Pod koniec paleozoiku promień ziemski miał być niemal o połowę krótszy od współczesnego. Wskutek „puchnięcia” wnętrza Ziemi skorupa kontynentalna rozerwała się, a poszczególne fragmenty oddaliły się od siebie niczym skrawki papieru przyklejone do nadmuchiwanego balonu (ryc. 8), a między nimi zaczęły formować się oceany.

Ryc. 8. W teorii tektoniki płyt kontynenty „rozjeżdżają” się po powierzchni globu wskutek działalności prądów konwekcyjnych w płaszczu Ziemi (po lewej). W teorii ekspansji Ziemi (po prawej) w wyniku zwiększania się jej objętości

Przez długi czas teoria ekspansji nie znajdowała zwolenników i dopiero w latach 70. XX w. okazano nią zainteresowanie. O teorii tej będzie jeszcze mowa na końcu rozdziału.

Holenderski geofizyk Felix Andries Vening-Meinesz w 1948 r. wypowiedział pogląd, że w pierwotnej Ziemi, jeszcze niezróżnicowanej na powłoki, istniał najprostszy system, prądów konwekcyjnych, który wywoływał dyferencjację materii i skupienie jej najlżejszych składników w jednej sialicznej masie. Kiedy jądro Ziemi przybrało większe rozmiary, system, komór stał się bardziej złożony. Nad gałęziami wstępującymi następowało rozrywanie pierwotnego kontynentu, a gałęzie prądów zstępujących wciągały skorupę w głąb. Autor koncepcji uważał, że potwierdzeniem istnienia prądów zstępujących są ujemne anomalie grawimetryczne i obniżone wartości strumienia cieplnego w strefach rowów oceanicznych. Vening-Meinesz był zdania, że prądy konwekcyjne przemieszczają się z prędkością kilku centymetrów rocznie. Zstępujące gałęzie prądów, spotykając się ze sobą, powodują uginanie skorupy i powstawanie geosynkliny (ryc. 9). Dalsze uginanie skorupy powoduje stopniowe zbliżanie się do siebie krawędzi geosynkliny i w konsekwencji – fałdowanie zgromadzonych w niej osadów. Pogrążanie skorupy prowadzi z kolei do jej przetopienia, procesów magmowych i metamorficznych. Kiedy prądy przestają działać, następuje izostatyczne dźwignięcie górotworu. Zatem koncepcja Vening-Meinesza rozpatrywała powstawanie łańcuchów górskich wcale nie z mobilistycznych pozycji.

Ryc. 9. Historyczny już dzisiaj termin, geosynklina wprowadził do nauki w 1873 r. amerykański geolog i mineralog James Dwight Dana (l813–l895). Geosynkliną nazwał on podłużne zagłębienie, w którym gromadziła się seria osadów o grubości kilkunastu kilometrów występująca w Appalachach. Osady w Appalachach są przeważnie płytkowodne, dlatego J. Dana przyjął, że dno geosynkliny musiało się obniżać w trakcie sedymentacji. Geosynklina składać się miała z części płytszej (miogeosynklina) i głębszej (eugeosynklina), gdzie na dno morskie wylewały się lawy bazaltowe (u góry). Obecnie terminy te próbuje się zastąpić pojęciami miogeoklina i eugeoklina, które rozwijają się albo na obniżającym się szelfie kontynentalnym lub w strefie kolizji, płyt litosfery (u dołu).

W 1951 r. niemiecki geolog Ernst Krauss stwierdził, że istnieją dwa systemy prądów konwekcyjnych, położone jeden nad drugim. Głębszy z nich, tzw. batyreon, ma dominujący kierunek przepływu z zachodu na wschód i jest odpowiedzialny za powstawanie łuków wyspowych i łańcuchów górskich. Drugi system prądów, tzw. hyporeon, działający w dolnej części skorupy, steruje bezpośrednio procesami tektonicznymi w skorupie.

W latach 50. XX w. rozpoczęły się badania dna oceanicznego na wielką skalę. Sondowania Atlantyku doprowadziły w 1953 r. do odkrycia przez amerykańskich geologów i oceanologów Marie Tharp i Bruce Heezena doliny ryftowej biegnącej w osi Grzbietu Śródatlantyckiego. Kiedy stwierdzono, że struktury te występują powszechnie we wszystkich oceanach Ziemi, Heezen i Carey doszli do wniosku, że świadczy to o rozszerzaniu się (ekspansji) globu. Ryfty miałyby być pęknięciami skorupy ziemskiej powstałymi wskutek puchnięcia wnętrza Ziemi.

Badania sejsmiczności w strefie łuków wyspowych i rowów oceanicznych pozwoliły stwierdzić, że ogniska trzęsień ziemi grupują się wzdłuż strefy nachylonej i zanurzającej się pod kontynent, sięgając nawet do głębokości około 700 km. Od nazwiska jej odkrywcy nazwano ją w 1954 r. strefą Benioffa.

Badania strumienia cieplnego wykazały, że ryfty oceaniczne są miejscem wzmożonego dopływu ciepła z głębi Ziemi, rowy oceaniczne zaś charakteryzują się obniżonymi wartościami strumienia cieplnego i ujemnymi anomaliami grawimetrycznymi, świadczącymi o deficycie mas. W latach 50. ubiegłego wieku sprecyzowano też ostatecznie pojęcie astenosfery, jako strefy bardziej plastycznej i podatnej na odkształcenia niż leżąca nad nią sztywna litosfera. Stwierdzono też, że skorupa oceaniczna różni się zdecydowanie od skorupy kontynentalnej.

Ryc. 10. Kiedy wyznaczono położenie biegunów magnetycznych Ziemi w różnych okresach geologicznych, zakładając, że pozycja kontynentów była stała w czasach geologicznych, okazało się, że położenie bieguna jest nie tylko inne dla każdego kontynentu, ale i poszczególnych kontynentów w różnych okresach. Wykreślone przy tym założeniu linie „wędrówki” bieguna nie pokrywają się ze sobą. Stąd już był tylko krok do wniosku, że to nie bieguny przemieszczają się po powierzchni kuli ziemskiej w czasie, lecz to kontynenty poruszają się względem stabilnego bieguna (wg A.H. Cooka 1973 – uproszczona)

Tym, co w latach 50. XX w. przyniosło zdecydowany zwrot w podejściu do hipotezy dryfu kontynentów, były badania paleomagnetyczne. Prowadziły je zespoły kierowane przez dwóch konkurujących ze sobą brytyjskich uczonych – Patricka Blacketta i Keitha Runcorna. Badania te doprowadziły początkowo do stwierdzenia, że bieguny magnetyczne zajmowały w przeszłości inne położenie niż dzisiaj. Runcorn zinterpretował ten fakt w 1955 r. w następujących słowach: „Wędrówka biegunów została wykazana z dużym prawdopodobieństwem i nie ma potrzeby uciekać się do znacznych przemieszczeń kontynentów, aby wyjaśnić uzyskane do tej pory rezultaty paleomagnetyczne”. Innego zdania był Blackett, który uważał, że to kontynenty przemieszczały się, a bieguny pozostawały nieruchome. Kiedy wyznaczono krzywe „wędrówki” biegunów dla różnych kontynentów (ryc. 10), okazało się, że rację miał P. Blackett. Stało się jasne, że bez poziomych ruchów skorupy ziemskiej nie sposób wyjaśnić jej ewolucji. Jednak ciągle otwarty pozostawał mechanizm tych ruchów.

W 1961 r. amerykański geolog morski i geofizyk Robert Dietz, a w rok później zasłużony dla oceanografii odkrywca gujotów, Amerykanin Harry Hess, przedstawili niezależnie od siebie teorię rozprzestrzeniania się (ekspansji) dna oceanicznego (ryc. 11). Według nich ryfty są wynikiem działania wstępującego prądu konwekcyjnego w płaszczu Ziemi. Podnosząca się z dolnego płaszcza materia rozchodziła się na boki od ryftu, unosząc na sobie kontynenty. Ciągle dostarczana materia płaszcza wciskała się w szczeliny między odsuwającymi się od siebie fragmentami skorupy, tworząc nowe fragmenty skorupy oceanicznej. Nad zstępującymi gałęziami prądów konwekcyjnych następowało pogrążanie się skorupy oceanicznej w płaszcz Ziemi. Dzięki temu dno oceaniczne powinno się nieustannie odnawiać. Teoria ta zgadzała się ze wszystkimi znanymi wówczas faktami z zakresu geologii czy geofizyki.

Ryc. 11. „Narodziny” i „śmierć” oceanów w teorii ekspansji dna oceanicznego R. Dietza (1961) i H. Hessa (1961)

Potwierdzeniem słuszności teorii ekspansji dna oceanicznego było odkrycie w 1961 r. u wybrzeży Kalifornii, a w rok później i w innych oceanach Ziemi, pasowych anomalii magnetycznych. Interpretację tych anomalii przedstawili w 1963 r. dwaj brytyjscy geolodzy i geofizycy Frederick Vine i Drummond Matthews z Cambridge, łącząc je z inwersjami pola magnetycznego w czasie rozrostu dna oceanicznego.

W 1965 r. kanadyjski geofizyk John Tuzo Wilson wprowadził pojęcie uskoku transformacyjnego. Dalsze prace amerykańskiego geofizyka Williama Jasona Morgana, francuskiego geofizyka Xawiera Le Pichona, brytyjskiego geofizyka Dana Petera MacKenziego, amerykańskiego geofizyka Roberta Ladislava Parkera, amerykańskich sejsmologów Jacka Obviera, Bryana Isacksa i Lynn Ray Sykesa doprowadziły do ukształtowania się pod koniec lat 60. XX w. teorii tektoniki płyt.

Podstawowe założenia teorii tektoniki płyt można zamknąć w trzech punktach:

• litosfera Ziemi jest podzielona na poruszające się względem siebie sztywne płyty (ryc. 12);

• granicami płyt są strefy rozrostu (na ogół ryfty oceaniczne), strefy subdukcji, zarówno czynne, jak i kopalne, oraz uskoki transformacyjne;

• rozsuwanie się płyt odbywa się w strefach rozrostu, zbliżanie płyt do siebie – w strefach subdukcji, wzdłuż uskoków transformacyjnych zaś następuje równolegle przesuwanie się płyt względem siebie.

Teoria tektoniki płyt bardzo logicznie tłumaczy wszystkie procesy diastroficzne, magmowe i metamorficzne zachodzące w obrębie skorupy ziemskiej. Trzęsienia ziemi związane są z granicami płyt litosfery, łańcuchy górskie powstają w wyniku zderzania się bloków kontynentalnych i w wyniku procesów zachodzących w strefach subdukcji. Metamorfizm skał jest związany z pogrążaniem się ich w głębokie części litosfery i górny płaszcz w strefach subdukcji. Magmatyzm w pasmach górskich wiąże się z wytapianiem się magmy z podsuwającej się litosfery oceanicznej i jej przedzieraniem się ku powierzchni górnej płyty. Słowem, tektonika płyt łączy w logiczny sposób ze sobą wszystkie procesy kształtujące oblicze naszej planety.

Ryc. 12. Płyty litosfery: A – arabska, B – Bismarck, C – Cocos, E – egejska, F – filipińska, Fi – Fidżi, G – Gorda (Juan de Fuca), I – irańska, K – karaibska, S – Salomona, T – turecka

Teoria tektoniki płyt jest obecnie najbardziej znaną teorią geotektoniczną i ma najwięcej zwolenników. Jednak ma również słabe punkty, które są powodem jej krytyki i poszukiwania nowych rozwiązań. Do najsłabszych punktów teorii tektoniki płyt należą:

• niemożność jednoznacznego udowodnienia istnienia konwekcji w płaszczu Ziemi; jedynym, pośrednim dowodem działania konwekcji jest ruch płyt litosfery;

• interpretacja pasowych anomalii magnetycznych nie jest jednoznaczna, a proces identyfikacji anomalii jest z natury rzeczy subiektywny;

• brak bezpośrednich dowodów na subdukcję w strefach rowów oceanicznych.

Aby wytłumaczyć odstępstwa w strukturze litosfery, których nie da się wyjaśnić klasyczną tektoniką płyt, a co jest przedmiotem krytyki jej przeciwników, powstają modyfikacje tej teorii. Przyjmuje się na przykład, że doliny ryftowe nie muszą tworzyć się wyłącznie nad wstępującym prądem konwekcyjnym, lecz mogą powstawać też w pewnych miejscach nad poziomo poruszającymi się pod litosferą prądami konwekcyjnymi. Magma, wydostająca się na powierzchnię w dolinach ryftowych, tylko pozornie wędruje w obie strony od osi doliny. Porusza się aktywnie tylko płyta, w kierunku przemieszczania się prądu konwekcyjnego, po drugiej stronie ryftu zaś następuje bierne przyrastanie skorupy. Przyjmuje się tym samym, że doliny ryftowe mogą być strukturami mobilnymi, zdolnymi do przemieszczania się w poziomie w trakcie rozrostu dna oceanicznego.

Dalszy postęp w badaniach orogenów uświadomił, że ich genezy nie można wyjaśnić wyłącznie za pomocą prostych modeli subdukcji. Stąd też w 1980 r. Peter J. Coney, David L. Jones i James W.H. Monger przedstawili, rozwiniętą później przez Elisabet Schermer, Johna Keppie i Davida Dalmeyera, koncepcję terranów, czyli elementów strukturalnych litosfery oceanicznej lub kontynentalnej, które zostają włączone w skład orogenu w wyniku kolizji i przesuwane są wzdłuż krawędzi kontynentu na znaczne nawet odległości. Z terranów składają się zarówno Kordyliery (ryc. 13), jak i europejskie hercynidy. Koncepcja terranów jest ważnym uzupełnieniem teorii tektoniki płyt.

Coney przedstawił tylko koncepcję tzw. terranów tektonostratygraficznych, która uwzględniała odszczepianie się w obrębie orogenu przesuwczego różnych bloków litosfery. Dalsze badania pokazały, że zdefiniowane w ten sposób terrany obejmują zarówno przesunięte o kilkadziesiąt kilometrów bloki skorupy kontynentalnej, jak i wielkie tzw. terrany złożone, będące krótkotrwałymi agregatami kilku podróżujących wspólnie przez tysiące kilometrów terranów zbudowanych zarówno ze skorupy kontynentalnej, jak i oceanicznej (np. płaskowyże oceaniczne, luki wysp wulkanicznych, fragmenty grzbietów śródoceanicznych itp.). Okazało się, że w skorupie ziemskiej występuje wielkie spektrum nieciągłości tektonicznych: od niewielkich uskoków po potężne systemy przesuwcze, transportujące różnorodne bloki litosfery o wymiarach setek i tysięcy kilometrów.

W konsekwencji zainteresowania się problematyką terranów, kilku polskich naukowców zaproponowało styl budowy terranowej dla podłoża platformy paleozoicznej na obszarze naszego kraju. Według E. Stupnickiej (2002) w podłożu tej platformy wyróżnić można aż 17 terranów kadomskich, wczesno- i młodokaledońskich, z których część kontaktuje bezpośrednio z kratonem wschodnioeuropejskim; ich rozpoznanie jest trudne z uwagi na grubą pokrywę osadów permomezozoicznych oraz dewońskich i karbońskich. A. Żelaźniewicz natomiast przedstawił obszar Polski na zewnątrz kratonu wschodnioeuropejskiego jako mozaikę kilku terranów, które oderwały się od Gondwany i dokowały ostatecznie do kratonu na początku karbonu (ryc. 14). Na tych terranach niezgodnie leżą utwory jej pokrywy permsko-mezozoicznej.

Ryc. 13. Główne terrany Kordylierów Ameryki Północnej (wg R. Dadleza 1988)

Mimo, wydawałoby się, jednoznacznych dowodów na wielkoskalowe, poziome ruchy fragmentów litosfery, pewna część uczonych jest ciągle przekonana o słuszności idei permanencji kontynentów i oceanów. Jednym z nich był wybitny rosyjski geotektonik, Władimir W. Bielousow, który jest twórcą teorii radiomigracyjnej. Teoria ta zakłada jedynie ruchy pionowe skorupy ziemskiej i podtrzymuje koncepcję geosynklin. Według Bielousowa źródłem energii są pierwiastki radioaktywne, których rozpad generuje ciepło ogrzewające dolny płaszcz. Stamtąd wznosi się w górę gorąca materia i dociera do astenosfery. Procesy tektoniczne są wynikiem oddziaływania litosfery i astenosfery oraz zależą od przenikalności i temperatury litosfery. Według tej teorii skorupa oceaniczna powstaje w następstwie „oceanizacji” skorupy kontynentalnej, wskutek przenikania w skorupę z astenosfery magmy bazaltowej. Dzięki temu gęstość skorupy rośnie, ulega ona obniżaniu, przekształcając się w dno oceanów.

W latach 70. ubiegłego wieku odżyła teoria ekspansji Ziemi, głównie w pracach australijskiego geologa Samuela Warrena Careya i brytyjskiego geologa Hugha Owena, pretendując do miana kompleksowej teorii geotektonicznej. Zwolenników tej teorii można znaleźć również w Polsce wśród znanych geologów. W myśl tej teorii rozszerzanie Ziemi miało rozpocząć się na początku mezozoiku i następowało z prędkością 6–13 mm rocznie (ryc. 15). Rozszerzanie się wnętrza spowodowało rozerwanie pierwotnej skorupy i powstanie stref rozrostu między nowo utworzonymi blokami kontynentalnymi. W teorii tej nie ma miejsca na subdukcję, a procesy orogeniczne tłumaczone są jako efekt diapiryzmu płaszcza. Zgniatanie i fałdowanie osadów miałoby zachodzić między blokami skorupy kontynentalnej w trakcie ich ruchów rotacyjnych lub niewielkich przesunięć poziomych związanych z dostosowywaniem się skorupy do zmiennego promienia Ziemi.

Ryc. 14. Szkic ilustrujący przypuszczalne, wzajemne położenie terranów pochodzenia gondwańskiego na początku karbonu, przed ostateczną kolizją z Baltiką (kratonem wschodnioeuropejskim)

Ryc. 15. Od początku fanerozoiku promień Ziemi powiększył się niemal dwukrotnie (wg S. Cwojdzińskiego 2004)

Założeniem teorii ekspansji Ziemi jest bardzo duży wzrost objętości globu ziemskiego podczas ostatnich 200 mln lat. Najdobitniejszym przejawem rozszerzania się Ziemi w tym okresie jest, zdaniem zwolenników teorii, rozrost den oceanicznych. Wszystkie oceany mają miody, mezozoiczno-kenozoiczny wiek. Procesowi ekspansji ma towarzyszyć wzrost objętości hydrosfery w wyniku degazacji materii płaszcza Ziemi wydobywającej się z ryftów oceanicznych. Jego przyczyny fizyczne są jednak dotąd nieznane, a zdaniem zwolenników teorii znajdują się w płaszczu Ziemi.

Idea ekspansji Ziemi oparta jest m.in. na dowodach, takich jak jednakowy wiek den wszystkich oceanów, rozrastanie się den Pacyfiku równocześnie z rozszerzaniem się Atlantyku i Oceanu Indyjskiego.

Faktem jest, że teoria ekspansji dobrze tłumaczy powstanie kontynentów i oceanów, ale stoi w sprzeczności z danymi paleomagnetycznymi, według których promień Ziemi w ciągu ostatnich 400 mln lat nie zmienił się więcej niż o 1%. Dryf bloków litosfery zachodził także przed 200 mln lat, a wielkich nasunięć (chociażby nasunięcia płaszczowin Karpat na przedpole na odległość kilkudziesięciu kilometrów) nie sposób wyjaśnić, uwzględniając tensyjny reżim panujący w litosferze w trakcie rozciągania. Stąd też teoria ekspansji Ziemi przez wielu geotektoników jest traktowana jako egzotyczna i mało prawdopodobna.

Kończąc to krótkie omówienie teorii geotektonicznych, wypada stwierdzić, że nie może być trudności w racjonalnym wyborze alternatywy: zaakceptować lub odrzucić tę teorię geotektoniczną, która wymaga zanegowania wyników całych dziedzin geologii i geofizyki. Dlatego też idea dryfu kontynentów, odrodzona we współczesnych teoriach geotektonicznych, na stale zagościła we współczesnych poglądach na ewolucję skorupy ziemskiej. Jednak właściwe wydaje się zacytowanie na końcu fragmentu książki H.H.F. Umbgrowe’a Tętno Ziemi: „Nasze poglądy powinny być stale poddawane rewizji i korygowane, ale czasami nowe aspekty rzucają tak zaskakująco inne światło na istniejące problemy, że efekt można porównać do rewolucji. Wszystko, co do tej pory było nietykalne, rozpada się w gruzy, nic prawie nie ostaje się nietknięte” (tłum. W. Studencki).

LITERATURA POLECANA

Van Andel, T.H. (1997) Nowe spojrzenie na starą planetę. Zmienne oblicze Ziemi. Warszawa: WN PWN.

Cwojdziński, S. (2015) Dzieło Alfreda Wegenera a teoria ekspansji Ziemi. Przegląd Geologiczny 63 (11).

Czechowski, L. (1994) Tektonika płyt i konwekcja w płaszczu Ziemi. Warszawa: PWN.

Dadlez, R., Jaroszewski, W. (1994) Tektonika. Warszawa: PWN.

Duell, I.I. (1989) Wędrujące kontynenty – fantazja czy rzeczywistość? Warszawa: Książka i Wiedza.

Jurewicz, E. (2015) Od dryfu kontynentów Alfreda Wegenera do tektoniki płyt. Przegląd Geologiczny 63 (11).

Lewandowski, M. (2015) Paleomagnetyzm a odrodzenie teorii Wegenera. Przegląd Geologiczny 63 (11).

Mizerski, W. (2018) Geologia dynamiczna. Warszawa: WN PWN.

Mizerski, W., Sylwestrzak, H. (2002) Słownik geologiczny. Warszawa: WN PWN.

O Autorze

Dr hab. Włodzimierz Mizerski jest emerytowanym profesorem Państwowego Instytutu Geologicznego, wieloletnim pracownikiem Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Łódzkiego i Akademii im. A. Gieysztora w Pułtusku. Jest autorem około 1000 publikacji, na które składają się artykuły i monografie naukowe, wielokrotnie wznawiane podręczniki akademickie, książki oraz liczne artykuły popularnonaukowe i hasła encyklopedyczne. Był społecznym doradcą ministra środowiska, wieloletnim wiceprzewodniczącym Polskiego Towarzystwa Geologicznego, a w ostatnich 20 latach kierownikiem Muzeum Geologicznego Państwowego Instytutu Geologicznego.