Роберт Хейзен - История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет
Поток научных публикаций подействовал на общие представления геологии, и к середине 1960-х гг. былая ересь превратилась во всеобщее убеждение: материки движутся. Атлантический океан с каждым годом расширяется вот уже более 100 млн лет.
Дело об исчезающей земной коре
В начале глобальной тектонической революции одно открытие совершалось за другим, сменялись парадигмы и возникали новые, появлялись вопросы, на которые не было ответа. Один такой безответный вопрос выделялся из всех: каким образом каждые 30 тыс. лет в срединных хребтах Атлантики, Тихого и Индийского океанов образуется полоса длиной более 45 тыс. км? Как эта новая кора вписывается в общее дно? Разве что Земля расширяется – а именно так в 1950–1960-е гг. считала небольшая, но влиятельная группа ученых, включая Брюса Хейзена, – ведь должна же куда-то деваться старая кора.
Ответ нашли сейсмологи. Во времена холодной войны 1960-х гг. все внимание сейсмологии сосредоточилось на ядерном оружии (туда же направлялись огромные деньги). После Карибского кризиса Соединенные Штаты и Советский Союз заключили договор об ограничении ядерных испытаний, согласно которому такие испытания можно было проводить только под землей. Контроль за соблюдением договора осуществлялся посредством непрерывного сейсмического мониторинга, в котором были задействованы многочисленные (и весьма дорогостоящие) чувствительные к вибрации приборы, размещенные в разных точках планеты. В результате образовалась целая сеть из 120 сейсмологических станций, Всемирная стандартная сейсмографическая сеть (WWSSN), управляемая центральной вычислительной системой в Голдене, штат Колорадо, где сосредоточилось одно из управлений Геологической службы США. Впервые появилась возможность отслеживать точное место, глубину, магнитуду и распространение слабых землетрясений (и мощных взрывов) по всей планете.
Для исследования строения Земли это было бесценно. С помощью новейших технологий геофизики могли фиксировать тысячи дотоле не выявляемых колебаний Земли и таким образом документировать не распознаваемые прежде признаки землетрясений по всей планете. Ученые обнаружили, что почти все внезапные движения земной коры происходят вдоль узких границ сейсмической активности – в местах, подобных срединно-океанским горным хребтам. Другие землетрясения случаются поблизости от вулканов вдоль континентальных окраин – например, знаменитое «Огненное кольцо» Тихого океана. Сейсмоопасные зоны Тихоокеанского региона, такие как Филиппины, Япония, Аляска, Чили и другие, образуют единую систему.
Давно известно, что сравнительно неглубокие очаги землетрясений (на глубине нескольких километров) зарождаются неподалеку от береговых линий, рядом с глубоководными впадинами океанского дна, тогда как все более и более глубокие очаги, залегающие иногда на глубине более сотен километров, располагаются все дальше и дальше от берега, в глубину континента. Самые глубокие очаги землетрясений обычно появляются между активными вулканами вроде горы Св. Елены и горы Рейнир в штате Вашингтон, т. е. вулканами, расположенными вдали от побережья.
В конце 1960-х гг. новые данные, полученные с помощью Сети WWSSN, позволили уточнить характер связи между глубоководными океаническими впадинами, землетрясениями и вулканами. Характерный рисунок увеличения глубины землетрясений по мере удаления от океана вглубь суши выявил существование громадных плит океанической коры, погружающихся в мантию под континентами в так называемой зоне субдукции. Старая базальтовая кора, более холодная, а потому и более плотная, чем раскаленная мантия, буквально поглощается Землей. Погружающийся базальт цепляет прилегающие участки земной коры, загибая их вниз, в результате чего образуются глубоководные океанские впадины. При образовании каждого квадратного километра новой коры в срединно-океаническом хребте точно такое же количество старой коры исчезает в зоне субдукции, сохраняя баланс.
Словно пелена спала с глаз, и новая наука о тектонике плит оказалась в центре внимания ученых. Срединно-океанические хребты и зоны субдукции определяют границы примерно дюжины движущихся плит, каждая из которых холодна (по сравнению с нижележащей мантией), хрупка (а потому подвержена растрескиванию при землетрясениях), имеет мощность всего несколько десятков километров, зато протяженность – тысячи километров. Эти жесткие плиты просто скользят по поверхности более горячих и мягких пород мантии. Тихоокеанское огненное кольцо оконтуривает одну такую плиту, Антарктида и окружающие ее моря – другую. Североамериканская и Южноамериканская плиты, простираются на запад от Срединно-Атлантического хребта до Тихоокеанского побережья Америки, в то время как Евроазиатская плита тянется на восток от Срединно-Атлантического хребта до Тихоокеанского побережья Восточной Азии. Африканская плита простирается от Срединно-Атлантического хребта на западе до середины Индийского океана на востоке, проявляя поразительные тектонические свойства: Африканский материк начинает распадаться по образцу формирования рифтовой долины, и линия распада обозначается цепью озер и действующих вулканов, а также высокогорьем, откуда бывают родом бегуны-рекордсмены. Когда-нибудь Африканская плита расколется пополам, а посредине образуется новый океан.
Срединно-океанические хребты порождают новый материал плит, а зоны субдукции поглощают старый, но эта модель осложняется сферической геометрией Эвклида: Земля – шар. Геометрия образования и субдукции тектонических плит в шаре предполагает, что соприкосновение одних плит с другими происходит по зубчатым линиям трансформных разломов – отсюда и сдвинутые границы полос на знаменитой магнитной карте Мейсона – Раффа, отражающей картину хребта Хуан де Фука. Беспокойный разлом Сан-Андреас, причина многих памятных калифорнийских землетрясений, представляет собой еще один такой шов. По мере того, как мощная Северо-Американская плита движется в юго-восточном направлении относительно другой массивной Тихоокеанской плиты, с каждым днем усиливается напряжение вдоль разлома, что приближает жителей Лос-Анджелеса и Сан-Франциско к очередной «большой встряске».
Но довольно о простой геометрии тектоники плит. Какие силы движут этими плитами? Что заставляет двигаться и сталкиваться огромные материки в течение сотен миллионов лет? Объяснение кроется во внутренней тепловой энергии Земли. Ее недра раскалены, а в космосе царит холод. Второе начало термодинамики, отражающее самую суть космоса, гласит, что тепло всегда переходит от более теплого к более холодному объекту – тепловая энергия должна постепенно рассеиваться, находить путь для выхода в окружающее пространство.
Вспомним три известных механизма, обеспечивающих передачу тепловой энергии. Каждый теплый объект передает свое тепло окружающей среде в виде инфракрасного излучения; тепло передается также, хотя и менее эффективно, при непосредственном контакте путем теплопроводности, а также путем конвекции, когда жидкая масса движется между горячими и холодными областями. Земля тоже подчиняется второму началу термодинамики. Но каким образом тепло может передаваться от раскаленного ядра к остывшей коре? Горные породы и магма препятствуют распространению инфракрасного излучения, а вялая проводимость ненамного более эффективна. Остается только конвекция – за счет размягченной патокообразной раскаленной мантии.
Горные породы на поверхности Земли твердые и ломкие, но глубоко в недрах перегретой скороварки, каковой является мантия, они мягкие, как масло. Миллионы лет под давлением и в условиях высоких температур камни плавятся и текут. Более разогретые и мягкие породы постепенно поднимаются к поверхности, а менее разогретые и плотные опускаются в глубину. Громадные конвективные ячейки, диаметром тысячи и глубиной сотни километров, перемешивают мантию планеты величественном круговороте, скрытом от глаз. Скорость такой планетарной перетасовки тоже впечатляет – на полный оборот конвективной ячейки может потребоваться не менее 100 млн лет.
Вначале, возможно, в течение более чем миллиарда лет, конвекция мантии под базальтовой корой могла носить хаотический, бесформенный характер. Местами расплавленный гранит неупорядоченными толчками и всплесками поднимался на поверхность, где накапливался, разрушая более холодный, плотный базальт. Отдельные плотные куски этой остывшей коры медленно опускались во внутренние области в процессе глобального теплообмена[10].
В течение следующего полумиллиарда лет движение мантии стало более упорядоченным. Десятки небольших конвективных ячеек, вспучивая магму и опуская вниз блоки старой коры, образовали несколько крупных циклических потоков глубиной сотни и шириной тысячи километров. Там, где такие потоки поднимались на поверхность вдоль глубоководных хребтов, они образовывали новую базальтовую кору, а старый, остывший базальт погружался в мантию под крутым углом – в зонах тектонического разлома. Так на Земле возобладал новый процесс преобразования – глобальная тектоника. В поперечном сечении наружные турбулентные слои Земли, должно быть, представлялись в виде огромных крутящихся воронок, вращение каждой из которых продолжалось не менее 100 млн лет.
