Николай Вершинский - Загадки океана
Когда начинается спрединг и края соседних литосферных плит расходятся, в образовавшуюся между ними щель снизу поднимается магма — базальтовый расплав из астеносферы. Вещество астеносферы находится в состоянии, близком к плавлению. Поэтому оно способно течь. Считается, что расплав обладает свойствами ньютоновской жидкости и имеет вязкость порядка 1020 — 1021 пуаз (при ламинарном течении имеет постоянную вязкость, не зависящую от режима течения в области докритических значений числа Рейнольдса). Но не из всей астеносферы, а из ближайшего приповерхностного магматического очага, или камеры. Так называется еще мало изученная горячая ячейка в астеносфере, откуда происходит излияние магмы в рифтовую долину. Не всегда поднимающаяся вверх магма идет на «мирное строительство» новой коры океана. Иногда, и, к сожалению, нередко, она изливается на поверхность Земли. Тогда она грозит бедой всем, кто окажется поблизости. Так, летом 1984 г. в районе порта Рабаула (Новая Гвинея) начались подземные толчки с магнитудой до 5,5 по шкале Рихтера. Магнитудой называется логарифм отношения, в числителе которого стоит максимальное смещение земной поверхности в волне, или максимальная скорость, а в знаменателе — аналогичная величина для землетрясения, магнитуда которого принята за 0. Частота толчков достигала 1400 в месяц! Трясло через каждые полчаса. Ученые связывают это длительное землетрясение с подъемом большого участка земной коры на дне бухты Бланч. За последние 2 года он поднялся примерно на метр. Здесь на дне имеются разломы в коре океана, которые активизировались в последние 10 лет.
Специалисты пришли к выводу, что в этом месте выталкивается на поверхность содержимое магматического очага. Образуется новый вулкан, бурное извержение которого считается вполне реальным. В район развертывающихся событий пришло несколько научно — исследовательских судов. Ученые получили уникальную возможность непосредственно наблюдать процесс образования вулкана.
Но вернемся к процессам в рифтовых долинах. В щель между плитами, образовавшуюся в результате спрединга, сверху низвергается вода. Возникает противоборство огня и воды. Поднявшийся по щели магматический расплав постепенно затвердевает на уровне, соответствующем гидростатическому равновесию. Это означает, что блоки вновь образовавшихся литосферных плит плавают на поверхности астеносферы, как куски льда на поверхности воды.
Одновременно с отвердением идет химическая реакция гидратации (взаимодействие магмы с водой, сопровождающееся образованием гидратных соединений), в результате которой постепенно образуется новая кора океана.
При следующих вспышках тектонической активности вновь образовавшиеся блоки поднимутся выше через верхние края плит, толкая перед собой ранее образованные. Именно поэтому возраст пород дна увеличивается с удалением от оси рифтовой долины. В рифтовых долинах образуется много глубоких трещин. Глубина их достигает 3 км, ширина разная, часто всего несколько миллиметров. Их можно видеть из подводных обитаемых аппаратов. Расчеты показали, что ширины щели всего в 3 мм уже достаточно для циркуляции в ней морской воды. Широкая циркуляция воды по глубоким трещинам приводит к образованию гидротерм.
В трещинах при контакте соленой воды с раскаленным базальтом первоначальный химический состав воды и ее температура изменяются. Вода сильно нагревается и насыщается ионами марганца, железа, кремния, цинка, калия и других элементов. Происходят химические реакции между элементами, содержащимися в соленой воде океана и вымываемыми из слоев базальта. В результате на поверхность дна океана обратно выходят струи гидротерм, значительно отличающиеся по своему химическому составу от обычного состава воды океана. Гидротермы образуются не только в зонах спрединга, но и в зонах трансформных разломов. Так называются места на дне океанов, где края плит скользят друг по другу, не расходясь и не сближаясь, более или менее параллельно. В таких районах также много глубоких трещин, куда проникает вода океана и где, следовательно, может происходить образование гидротерм.
Интенсивность процесса образования новой коры определяется скоростью спрединга (числом сантиметров, на которые расходятся за один год две соседние литосферные плиты). Это очень важный параметр. Скорость считается малой, если она меньше 6 см/год, большой — если больше 6 см/год.
Медленно расширяющиеся хребты составляют половину всей системы срединно — океанических хребтов. В них гидротермальная деятельность не столь интенсивна, как в быстро расширяющихся. Но они считаются перспективными в смысле поиска полезных ископаемых (полиметаллических руд). Предельной еще недавно считалась скорость 15 см/год. А теперь появилось сообщение об обнаружении сверхскоростного спрединга. Он открыт в южной части Восточно-Тихоокеанского поднятия (Галапагосский хребет). Здесь скорость раздвижения плит достигает 16 см/год. Считается, что это — самая высокая скорость спрединга на Земле.
Суммарная скорость расхождения двух плит не означает, что скорости обеих плит равны. Например, в районе Фамоус (Атлантика) суммарная скорость равна 2,4 см/год, но скорость с восточной стороны выше, чем с западной.
Скорость 3 см/год соответствует скорости около одного микрометра в секунду (10-7 см/с). Примерно с такой скоростью растут некоторые деревья, движутся ледники и частицы при броуновском движении. Скорости такого порядка измеряются с помощью лазерных допплеровских анемометров (ЛДА). Именно с помощью этих интересных приборов были измерены и скорости движения литосферных плит.
Вспомним принцип эффекта Допплера: спектр сигнала, отраженного от движущегося предмета, отличается от спектра первоначального сигнала. Например, тон звукового сигнала электрички, проходящей без остановки мимо платформы, на которой вы стоите, заметно изменяется на слух в процессе ее движения. Когда она быстро подходит, частота звука ее сигнала заметно нарастает — звук становится более высоким, а когда она миновала платформу и удаляется от вас, звук не только делается более тихим, но и понижается его частота — звук становится басовитым. Происходит это потому, что при приближении поезда скорость самого источника, т. е. гудка, складывается со скоростью распространения звука в воздухе. В результате каждую секунду в ухо попадает большее число звуковых волн. Неподвижный наблюдатель слышит повышение тона гудка. При удалении поезда все происходит наоборот — в единицу времени попадает меньшее число звуковых волн, что соответствует кажущемуся уменьшению высоты тона гудка для неподвижного наблюдателя.
При изучении движения литосферных плит пользуются не акустическими сигналами, а электромагнитным излучением от лазеров. Первоначально были созданы стационарные, т. е. неподвижные, установки. Они позволили измерить скорость передвижения отдельных горных вершин. Подобные измерения производятся, например, в Гималаях.
А теперь сделан удачный опыт измерения скорости перемещения литосферных плит, находящихся на поверхности Земли, с помощью спутников.
Для этой цели английские ученые создали космическую систему из одиннадцати искусственных спутников, находящихся на разных высотах: от 1 до 6 тыс. км. На спутниках смонтированы зеркала, отражающие импульсы лучей лазеров, посылаемых с поверхности Земли. Отсчет времени с момента посылки лучей до момента их возврата позволяет с необходимой точностью измерять движения плит, образующих земную кору. Еще никто не измерил скорость перемещения плит на дне океана в зоне рифтов или в зоне сейсмических поясов.
Ученые опускают туда донные сейсмографы — особые магнитофоны, способные улавливать очень низкие частоты. Они часто регистрируют там микроземлетрясения, о которых на поверхности никто и не догадывается. Донные сейсмографы — очень чувствительные приборы. Они записывают шорохи и шумы, возникающие при самых малых подвижках плит, вблизи которых они установлены на дне. Развивается новая область сейсмологии, которая должна помочь людям своевременно получить информацию о надвигающемся землетрясении.
Рифтовые зоны относятся к числу наиболее изученных районов срединных хребтов. Они — в центре внимания ученых разных специальностей. Как устроен гигантский механизм, заставляющий плиты перемещаться? По этому поводу высказано много различных гипотез и сделано большое количество экспериментов, но число вопросов не уменьшилось. Например: почему в низкоспрединговых хребтах наблюдается боковое поднятие сбросовых ступеней по краям рифта? Почему их нет там, где происходит быстрый спрединг?
Что такое су. бдукция и что она может? Если две литосферные плиты движутся навстречу друг другу, т. е. сходятся, то настает момент, когда они сталкиваются. Развивается процесс поддвига и погружения одной из плит под другую. Такой процесс называется субдукцией. Зоны, где она происходит, интересны с точки зрения поиска полезных ископаемых.
