Создав Солнечную систему и планеты, мы можем сфокусироваться на нашей родной планете и спросить себя, как же возникла окружающая среда, в которой мы живем. Как и множество других организмов, мы – наземные существа. В какой‑то момент истории Земли нашим очень далеким предкам понадобилась суша и конкретно континенты, чтобы распространиться по всему миру. Континенты с их весьма необычной корой присущи только Земле. Но чтобы понять, как они появились, нам придется совершить путешествие в глубины Земли.
Большую часть информации о планетах, звездах, галактиках и Вселенной дают астрономические наблюдения, физика элементарных частиц, полеты космических аппаратов в пределах Солнечной системы и метеориты. Но чтобы понять что‑либо во внутреннем строении Земли, не говоря уже о строении любой другой планеты, нам нужно «взглянуть» на центр нашей планеты сквозь 6400‑километровую толщу горных пород и металла. Это делает внутренние области Земли еще менее доступными для наблюдения, чем другие галактики, и понимание устройства нашей планеты остается одной из самых важных задач науки.
Большую часть того, что мы знаем о внутренней структуре Земли, нам дала сейсмология – наука о том, как упругие колебания, например звуковые волны, распространяются в недрах Земли. Но мы не можем позволить себе такую роскошь, как проведение сейсмических измерений на других планетах. Пока только на Луне имеется несколько активных сейсмометров, оставленных астронавтами программы «Аполлон», несколько сейсмометров будут доставлены на Марс в рамках будущей миссии InSight. Не густо, но пока это все, что у нас есть. Поэтому нам необходимы другие способы наблюдений. Основной способ – взвесить планету и потом вычислить ее массу. На Земле мы можем с легкостью это сделать, поместив нужный нам объект на весы. Вес объекта – это взаимное притяжение между массой Земли и массой объекта. Таким образом, мы измеряем не только вес объекта, находящегося на Земле, но и вес Земли, находящейся на объекте (если можно так выразиться). Зная также окружность и радиус Земли, которые были впервые рассчитаны древнегреческим философом Эратосфеном, мы можем вычислить массу нашей планеты, а также ее плотность и таким образом произвести приблизительную оценку ее состава. Средняя плотность Земли составляет около 5,5 г/см³, что можно сравнить с плотностью воды (1 г/см³), или камешка, который можно подобрать на дороге (2–3 г/см³), или с большинством металлов, чья плотность составляет около 10 г/см³ (железо – около 8 г/см³, золото – около 20 г/см³). Таким образом, Земля обладает большей плотностью, чем большинство горных пород, но она легче, чем большинство металлов, хотя мы также знаем, что плотность Земли становится выше, чем обычно, в глубине ее недр, где наблюдается экстремальное давление.
Массу других планет можно вычислить путем измерения того, как гравитация планеты влияет на движение проходящего рядом с ней спутника; например, мы можем взвесить Землю, зная орбитальный период Луны (лунный цикл) и расстояние до ее орбиты (с помощью некоторых астрономических измерений: сегодня это в основном метод лазерной локации Луны). Мы также можем узнать чуть больше о внутренних слоях и структуре планеты, наблюдая за осью вращения планеты, которая крутится подобно волчку (это явление называется прецессией). Эта информация может сообщить нам, есть ли в центре планеты плотное ядро. У Земли такое ядро есть, как и у большинства других планет земной группы, за исключением, вероятно, Луны, о чем говорилось в предыдущей главе. Другие измерения со спутников дают более подробные данные, а горные породы, излитые в виде магмы из вулканов, информируют о химическом составе некоторых внутренних областей Земли (подробнее поговорим об этом ниже).
И все же большую часть информации о структуре Земли мы получаем именно с помощью сейсмологии. Для этого необходимо, чтобы мощный источник звука, вроде взрыва, создавал достаточно сильные волны, которые проходят планету насквозь и выходят с другой стороны. Из‑за тектоники плит, про которую мы поговорим совсем скоро, часто происходят сильные землетрясения, которые и служат источником звука. Эти звуковые волны проходят через все более глубокие слои со всевозрастающей (обычно) скоростью звука и доходят до различных сейсмографов на сейсмических станциях по всему миру с разными средними скоростями – в зависимости от того, насколько глубоко они проходили (в более глубоких слоях волны, как правило, движутся быстрее). Эти волны, зарегистрированные на разных сейсмических станциях, затем используются для создания карты, точнее, инфразвуковой картины глубинных слоев Земли.
Благодаря сейсмологии мы смогли узнать о многих слоях, лежащих под поверхностью нашей планеты, но три из них наиболее примечательны: сравнительно тонкая кора, состоящая из легких осадочных горных пород (которые в некоторых частях стали толще с течением времени по мере разрастания материков; более подробно об этом ниже); очень плотная мантия, состоящая из более тяжелых пород и занимающая почти половину радиуса Земли, и, наконец, еще более плотное, в основном состоящее из железа ядро, на долю которого приходится вторая половина радиуса Земли. Но так как мантия «обернута» вокруг ядра, ее объем намного больше объема ядра. Действительно, мантия составляет более 80 % общего объема Земли. (Этот факт определяется простой геометрией: объем шара пропорционален кубу его радиуса, так что если ядро составляет половину радиуса Земли, то, соответственно, это одна восьмая часть ее объема, значит, около семи восьмых объема будет приходиться на мантию.)
Для измерения плотности слоев Земли сейсмологи используют различные виды упругих волн, проходящих через внутреннюю часть планеты. Наиболее быстро движущиеся сейсмические волны – звуковые волны – вызваны сжатием и расширением, которые происходят в любой среде. Причиной появления еще одних быстрых волн является сгибание (деформирование) и разгибание вещества, подобно тому как образуются волны на натягиваемой нитке. Эти волны могут проходить только через твердые тела, так как жидкости не могут «разогнуться» сами по себе, если они были деформированы. Скорость этих двух типов волн может быть использована, чтобы узнать, насколько легко вещество подвергается сжатию под действием сильного давления, и, исходя из этого, уже можно вычислить его плотность. (Есть еще два типа сейсмических волн, которые являются более медленными и передаются только по поверхности Земли. Эти волны вызывают сотрясение грунта и его сдвиги и таким образом приводят к разрушительным последствиям землетрясений.)
Используя эти волны, сейсмологи пришли к выводу, что массивное ядро Земли состоит в основном из жидкости, обладая плотностью, характерной для таких металлов, как железо. В частности, так как чистые «изгибные» волны, которые рождаются от землетрясений по всей планете, не могут пройти через ядро Земли, это означает, что оно жидкое. Тем не менее более детальные исследования показали, что внутри этого жидкого железного ядра находится твердое внутреннее ядро, которое также состоит из железа и, скорее всего, медленно остывает и твердеет – как замерзающее озеро, только перевернутое вверх ногами. На самом деле существуют еще более детальные измерения, которые показывают, что и мантию Земли, и земную кору следует делить на разные слои, но мы не будем на этом останавливаться и двинемся дальше.
Сейсмология позволяет нам взглянуть на структуру Земли с точки зрения физики. Например, мы можем определить плотность слоев или узнать, что одни части мантии Земли могут быть горячее или холоднее, чем другие. Но сейсмология не дает сведений о химических свойствах. Химический состав земных недр в основном определяется путем исследования поверхностных горных и вулканических пород, которые были извержены из недр Земли, а также метеоритов и даже Солнца, которое отражает исходный химический состав всей Солнечной системы. Средний химический состав Земли – это то, что мы могли бы вычислить, если бы все слои планеты были однородно перемешаны. Вероятно, это было бы нечто вроде неизмененных хондритовых метеоритов из Главного пояса астероидов (мы рассматривали их ранее), хотя ученые еще не пришли к согласию, какой точно тип хондритов это был бы. Имея некоторое представление об исходном химическом составе Земли и предполагая, каким образом эта «смесь» разделяется на различные слои, которые либо остаются на плаву, либо проваливаются вниз в зависимости от их плотности, можно дать вполне обоснованную оценку состава основных слоев Земли. Можно сделать вывод, что ядро состоит в основном из железа с некоторым количеством никеля и легких элементов, таких как сера, которые легко растворяются в расплавленном железе и переносятся в ядро. Мантия состоит из минералов, в основном из железа, кремния и кислорода, которые, как вы помните, были созданы во время слияния ядер гелия внутри гигантских звезд (посредством альфа‑процесса). Кора также состоит из минералов, в ней даже больше кремния и кислорода и более широкое сочетание легких металлов (помимо магния и железа), включая кальций, калий, алюминий, натрий и т. д. (Я не буду перечислять названия всех горных пород и минералов, потому что вряд ли сам их все вспомню.) Главной причиной разделения всех этих компонентов из однородной массы стало плавление, и это ведет нас к еще одной истории.
Легко представить себе, что после того столкновения с небесным телом, в результате которого сформировалась Луна, Земля стала в значительной степени расплавленной. Однако наша планета могла быть расплавлена и до этого столкновения, в общем‑то большой разницы здесь нет, если только это не повлияло на сам процесс столкновения. Хотя последующие геологические процессы стерли все следы того расплавленного состояния Земли, есть доказательства того, что оно существовало на Луне, где можно найти остатки раннего океана магмы – океана расплавленных горных пород. Вопрос, был на Земле этот океан магмы или же нет, все еще открыт, но, учитывая драматический характер планетных столкновений и аккреции, магматическое начальное состояние – гипотеза, которая хорошо объясняет то, что произошло потом.
Многие крупные планетезимали, столкнувшиеся с аккрецирующей Землей, могли иметь собственные железные ядра. Возможно, на этих небесных телах было значительное количество свободного железа. Его тяжелые бесформенные сгустки провалились к центру Земли на ранней стадии ее формирования и образовали протоядро до столкновения, в результате которого образовалась Луна и которое способствовало накоплению большего количества железа в ядре при плавлении Земли (снова).
Получившийся в результате океан магмы мог составлять значительную часть всего объема Земли. Остывая и затвердевая, он продолжал разделять компоненты Земли, так как различные элементы смеси расплавленных горных пород, называемой магмой, затвердевают при разной температуре и по мере кристаллизации тонут и разделяются. Любой избыток железа, еще растворенного в магме, остался бы в расплавленном состоянии до конца (как и при формировании планетезималей), и в итоге, когда богатая железом магма стала бы достаточно тяжелой, спустился бы к ядру. Бóльшая часть затвердевшего слоя горных пород составила бы мантию, а более легкие компоненты в конечном итоге всплыли бы к поверхности, образовав тонкую земную кору. Океан магмы также мог разделиться пополам по мере затвердевания: более легкие расплавы остались бы в верхней части, более тяжелые, сжатые до высокой плотности в нижней части океана магмы, опустились бы к основанию мантии. Следы этого «нижнего океана магмы» сохранились до наших дней – сейсмологи до сих пор обнаруживают вкрапления магмы в нижней части мантии.
Если океан магмы действительно существовал, то затвердел он очень быстро (по крайней мере та часть, которая не ушла в нижнюю часть мантии). Это могло занять от нескольких десятков миллионов до нескольких сотен миллионов лет, по геологическим меркам – весьма быстро. Фактически с этого времени начинается геологическая история Земли, которая запечатлена в горных породах. Считается, что образование Солнечной системы произошло примерно 4,6 млрд лет назад, но эта информация получена по метеоритам, а не по горным породам Земли. Древнейшим породам на Земле всего около 4 млрд лет, вероятно, они сохранились с тех времен, когда океан магмы окончательно затвердел. (В некоторых местах Земли были найдены крошечные кристаллы циркона, которые на несколько сотен миллионов лет старше, но породы, в которых они содержатся, не такие старые.) Таких древних пород сохранилось очень мало, потому что бóльшая часть коры, которая поднялась к поверхности океана магмы, была размыта и «переварена» последующими геологическими процессами. Также возможно, что она была уничтожена астероидами, частые столкновения с которыми продолжались несколько сотен миллионов лет и прекратились около 4 млрд лет назад. Таким образом, 4 млрд лет назад фактически началась геологическая эра, называемая археем, в которой уже существовали современные горные породы и которая занимает огромный отрезок геологического времени (около 2 млрд лет из общих 4,6 млрд). Эра до архея, когда, вероятно, существовал океан магмы, называется катархей или гадей, в честь Гадеса (Аида), древнегреческого бога подземного царства.
После того как океан магмы окончательно остыл, Земля продолжала развиваться и остывать, хотя и более медленно, выделяя тепло в холодный вакуум космоса. Это развитие в значительной степени определялось и определяется мантией Земли. Мантия настолько огромна и малоактивна, что управляет не только процессом остывания планеты, но и ее геологическим развитием. Мантия осталась горячей со своих первых дней (после того, как затвердел океан магмы), но сейчас она представляет собой почти полностью твердое тело, за исключением нескольких небольших, но важных мест. Мантия все еще нагревается энергией, выделяющейся при распаде таких радиоактивных элементов, как уран, торий, а на ранней стадии – неустойчивого изотопа калия. Он быстро распадается, выделяя много тепла (калий распадается на аргон, который составляет важную часть элементного состава атмосферы в наши дни). Как вы помните, более тяжелые радиоактивные элементы уран и торий возникли в результате нейтронного захвата в процессе эволюции красных сверхгигантов. Внутри звезд этот процесс проходил медленно, но, как только произошла вспышка сверхновой, он стал быстрее. В любом случае мантия остается горячей и остывает, отдавая тепло в космос. Более половины ее тепла осталось со времен образования Земли и океана магмы, остальное получено от нагрева радиоактивными элементами.
Однако мантия не остывает как большое горячее статическое каменное тело – она очень медленно движется. Породы мантии, становясь рядом с более холодной поверхностью прохладными и тяжелыми, опускаются, а породы в нижней части мантии вблизи горячего ядра теплее и легче, поэтому они поднимаются. Этот процесс, при котором горячее вещество всплывает вверх, а холодное опускается вниз, называется тепловой (естественной) конвекцией, она широко распространена в природе – в земной мантии и океанах, в атмосферах планет и звезд, в чашке кофе. Конвекция управляет ураганами, грозами и океанскими течениями, она причина появления гранул на Солнце. Чтобы вещество могло двигаться под действием силы тяжести (которая делает горячее вещество легче, а холодное – тяжелее), оно должно обладать текучестью. Хотя мантия является твердой, а не жидкой, в течение очень долгого времени она ведет себя как флюид, подобно тому как перемещаются ледники – медленно, если они не тают, не разваливаются на части и не происходит обламывания льдов.
То, что твердые частицы ведут себя как флюиды, звучит как‑то нелогично, но, как уже говорилось в предисловии, я не пойду по пути наименьшего сопротивления. Вместо того чтобы снисходительно сказать «это слишком сложно», я попытаюсь объяснить, что к чему, простым языком. (Обратите внимание: слово «флюид» часто ошибочно используют как синоним слова «жидкость». Вещества могут быть твердыми, жидкими и газообразными, а также в состоянии плазмы, если их очень сильно разогреть. Но «флюид» не обозначает состояние вещества, это слово говорит о том, какой именно текучестью обладает вещество или как оно деформируется. Сюда также относятся другие способы деформации: упругость, пластичность, хрупкость и т. д. Твердое вещество может действовать как флюид, когда ледники и мантии деформируются, а газ и жидкость могут действовать как упругие вещества, когда через них проходят звуковые волны.)
Представьте банку, которая на четверть заполнена разноцветными шариками‑марблами или, если хотите, шариками из подшипников. Если шарики хорошо уложены на самое дно банки и пребывают в состоянии покоя, они выстраиваются в идеальные ряды, плотно прилегая друг к другу. Как правило, каждый шарик лежит в углублении, образованном другими шариками под ним. Это похоже на поведение атомов твердого вещества – атомы также имеют строгую структуру и обычно не двигаются (если оставить их в состоянии покоя). Если начать трясти банку так, чтобы шарики смещались и сталкивались друг с другом, это будет похоже на то, как ведет себя жидкость: атомы движутся, но все еще находятся в контакте друг с другом. Если же мы начнем трясти банку изо всей силы, шарики начнут хаотично подпрыгивать внутри нее и заполнят весь объем: по сути, они ведут себя как газ, атомы которого движутся хаотично, заполняют объем, отражаясь от стенок контейнера и редко встречаясь друг с другом. Но вернемся к находящейся в покое банке с «твердым» слоем шаров. Немного наклоним ее – плотно лежащие шары не сдвинутся с места. Если мы продолжим наклонять банку, то некоторые шары покинут занятые ими углубления и займут другие ниши внизу. Мы увидим медленное движение шариков из одного углубления в другое – так, чтобы слой постепенно перетекал и приспосабливался к наклону, но бóльшую часть времени (т. е. в долгих интервалах между тем, как каждый шарик перемещается на новое место) по‑прежнему оставался «твердым». В настоящих твердых телах двигающиеся атомы покидают свое положение между другими атомами и занимают новое устойчивое положение в атомарной структуре. Горные породы в мантии двигаются в условиях механического напряжения (растяжения и сдавливания) и под действием силы тяжести, перемещающей легкие и тяжелые породы. Но мантия движется невероятно медленно. Прибегнем к такому сравнению: она движется примерно с той же скоростью, с какой растут ногти у вас на руках: вам не слишком‑то хочется рассматривать, как они растут (разве что от скуки), но вы знаете, что они растут.
Пусть это так же скучно, как наблюдать за ростом ногтей, но тем не менее это важно, потому что медленная конвекция твердой земной мантии управляет всеми процессами, происходящими в Земле. Как мы увидим далее, конвекция является причиной движения тектонических плит и, следовательно, причиной землетрясений, вулканов, горообразования и т. д. Конвекция мантии также устанавливает медленный темп остывания нашей планеты, в процессе которого она отдает свое тепло в космос, ведь Земля не может терять тепло быстрее, чем мантия. Конвекция является одним из способов, с помощью которого флюиды избавляются от тепла, поглощая холодное вещество около поверхности и смешивая его с горячим веществом внизу (представьте себе кубики льда, брошенные в горячий чай). Также в результате конвекции горячее вещество из нижних слоев поднимается к более холодной поверхности, где быстрее теряет тепло. Мантия охлаждается именно таким образом: быстрее, чем если бы она представляла собой большой статичный монолит из горных пород, но постепенно из‑за того, что мантия движется очень медленно. Это означает, что мантия перемещает литосферные плиты на протяжении миллиардов лет, и это движение плит необходимо нам, потому что оно поддерживает стабильный климат на Земле и способствует сохранению жизни – но об этом поговорим чуть позже.
Медленное охлаждение мантии не позволяет ядру Земли остывать слишком быстро, и оно по‑прежнему большей частью находится в расплавленном состоянии. Мы уже говорили, что сейсмологи смогли по сейсмическим волнам определить, что основная часть ядра является жидкой, хотя внутри его содержится твердое внутреннее ядро, которое медленно остывает и твердеет. Жидкое внешнее ядро, расположенное вокруг затвердевающего внутреннего, является текучим, а поскольку оно состоит из железа, то может проводить электрический ток. Текучесть внешнего ядра обеспечивается конвекцией, вызванной охлаждением ядра, и вращением Земли. Движение этого электрического проводника в слабом магнитном поле, создаваемом магнитным полем Солнца, создает электрические токи по принципу работы электрогенератора (вращение проволочной катушки в магнитном поле вызывает электрический ток). Затем эти электрические токи генерируют собственное магнитное поле. Все магнитные поля без исключения вызваны движением электрических зарядов либо свободными электронами, текущими в электрических проводниках, например в проводах, или связанными электронами, вращающимися вокруг атомного ядра (благодаря чему магниты прикрепляются к дверце холодильника). Электрические токи и связанное с ними магнитное поле, генерируемое в ядре, стало достаточно сильным и организованным, чтобы поддерживать общее магнитное поле Земли.
Земля обладает чрезвычайно сильным магнитным полем для такой маленькой планеты, гораздо более сильным, чем у других планет земной группы. Поле Земли хорошо структурировано, преимущественно как стержневой магнит с «северным» и «южным» полюсами. У Венеры, мнимого близнеца нашей планеты, своего магнитного поля нет. В коре Луны и Марса встречаются участки намагниченных пород, возможно, у них когда‑то были свои собственные магнитные поля, но сейчас их нет. Меркурий обладает крупным железным ядром, являющимся источником дипольного магнитного поля, похожего на земное, но значительно более слабого. И только газовые гиганты и планеты‑океаны во внешней области Солнечной системы имеют сильные магнитные поля, самым мощным полем обладает – вот сюрприз – Юпитер.
Магнитное поле Земли проходит через верхние слои атмосферы и даже достигает Луны (благодаря солнечному ветру, «обтекающему» поле Земли таким образом, что оно становится похоже на кита с длинным хвостом). Поле защищает нас и нашу атмосферу – о чем пойдет речь в следующей главе – от заряженных частиц солнечного ветра и от солнечных вспышек. Магнитное поле удерживает эти частицы высоко над атмосферой в регионах, называемых радиационными поясами Ван Аллена, которые расположены вокруг Земли. Пояса действуют как «магнитные бутылки»: когда после солнечных вспышек и геомагнитных бурь в них накапливается слишком много заряженных частиц, они «изливают» эти частицы в верхние слои атмосферы вблизи Северного и Южного полюсов, вызывая полярные сияния. Магнитное поле Земли, вопреки тому что утверждается в голливудских фильмах, не защищает нас от незаряженных частиц и излучения, например микроволнового.
Магнитное поле Земли создается в жидком ядре – эта идея исходила из того, что геомагнитное поле зарождается внутри Земли (это установил в начале XIX в. немецкий математик Карл Фридрих Гаусс), но перемещается гораздо быстрее, чем геологические процессы передвигают вещество в мантии (и чем растут ваши ногти). Геомагнитное поле схоже с полем обычного магнита (минерала магнетита, свойства которого обусловлены его кристаллическим строением), однако его источник – не постоянный магнит, ведь земная мантия и ядро слишком горячи, чтобы превратиться в намагниченные минералы и железо. Магнитное поле Земли от десятилетия к десятилетию и от века к веку смещается (это заметил в конце XVII в. Эдмунд Галлей, чьим именем названа знаменитая комета), а каждые несколько сотен тысяч лет резко меняет направление: происходит инверсия северного магнитного полюса на южный. Такой процесс в недрах Земли должно создавать что‑то большое, подвижное и электропроводящее (о чем догадывался еще Галлей), и единственным претендентом на эту роль является жидкое внешнее железное ядро. Однако лишь в последние 20 лет с помощью компьютеров удалось смоделировать механизм генерации магнитного поля Земли (геодинамо).
Многие детали этой теории все еще вызывают споры. Например, до конца не известно, чтó является источником энергии геодинамо. Тепловая конвекция? (Действительно, на границе ядра и мантии жидкое железо, остывая, становится тяжелее и опускается.) Но железо отлично проводит тепло, конвективные потоки легко смещаются, и тепловая конвекция кажется слишком слабым источником энергии.
По другой теории, конвекция обусловлена различным химическим составом ядра Земли. Считается, что жидкое внешнее ядро состоит из смеси железа, никеля и небольшого количества легких элементов, таких как сера. Когда этот расплав застывает на границе внешнего и внутреннего ядер, легкие элементы растворяются в нем, расплав становится чрезвычайно плавучим и быстро поднимается со дна к верхней части внешнего ядра, создавая конвективное движение и питая геодинамо. Отсутствие магнитного поля у Венеры может быть связано с более высокими температурами на этой планете, горячие мантия и ядро которой не позволяют остыть внутреннему ядру. Это укрепляет предположение, что механизм геодинамо вызывается химической конвекцией, связанной с кристаллизацией внутреннего ядра. В принципе есть и другие потенциальные источники энергии для геодинамо, вопрос, какой из них является главным, нам еще предстоит прояснить.
Но вернемся к поверхности Земли и к вопросу о происхождении земной коры и континентов. Кора планеты обычно формируется из самых легких расплавов, которые остывают, поднявшись на поверхность. Когда на Земле существовал океан магмы, самые легкие вещества именно так образовали тонкую кору. Но, вероятно, от нее мало что сохранилось до наших дней. Расплав, поступающий из мантии (или океана магмы) на поверхность планеты, представляет собой жидкую текучую лаву – базальт. Лучший пример – лава гавайских вулканов, образующих базальт и в наши дни. Гавайские острова сформировались (а некоторые все еще формируются) над необычно горячей областью земной мантии, называемой «горячей точкой». Эту точку, по всей видимости, создает горячий конвективный апвеллинг, он же мантийный плюм, который поднимается по всей площади мантии с нижней ее части, расположенной вблизи горячего железного ядра. В глубине мантии плюм остается твердым, а по мере приближения к поверхности частично плавится (на 10–20 % или больше), поскольку плавление легче происходит при низком давлении. Плавящееся вещество выходит на поверхность планеты уже в виде базальта. Гавайский плюм выбрасывает его так много, что образует огромные вулканические острова (по сути это щитовые вулканы – широкие и с пологими склонами). На других планетах земной группы также есть базальтовая кора, возможно созданная таким же образом, – к примеру, гора Олимп на Марсе выглядит, как гигантский щитовой вулкан.
Вместе с тем огромное количество базальтовой коры Земли образуется без участия наземных вулканов – вдоль длинных поясов подводных горных хребтов, называемых срединно‑океаническими. Они опоясывают Землю, как швы на бейсбольном мяче. Правда, швы это никудышные, именно в этих местах дно разрывается, и из мантии поднимаются потоки базальтовой лавы, застывая и формируя новые участки океанической коры. Этот процесс называется растеканием (спредингом) морского дна, и его открытие привело к появлению революционной теории тектоники литосферных плит.
Растекание морского дна предсказал геофизик Гарри Хесс в начале 1960‑х гг., а вскоре Фредерик Вайн, Драммонд Мэтьюз и Лоуренс Морли открыли это явление. Базальты срединно‑океанических хребтов содержат магнитные минералы. Растекаясь и застывая, они «записывают» направление магнитного поля Земли – как металлическая стружка на листе бумаги показывает линии магнитного поля подложенного магнита. Как мы уже говорили, геомагнитное поле нашей планеты периодически меняет свое направление, и по мере растекания дна эти инверсии фиксируются в базальте как на телеграфной ленте или магнитофонной пленке (не самые популярные в наши дни носители, но ни современные флеш‑накопители, ни компакт‑диски явно не подходят для этой аналогии). Таким образом, параллельно срединно‑океаническим хребтам образуются полосы магнитных аномалий, показывающие, когда геомагнитное поле было направлено вверх или вниз, а это означает, что морское дно двигалось наружу во время «записи» этих событий (следовательно, можно выяснить, как быстро оно перемещалось).
Открытие растекания морского дна стало, по мнению большинства геологов, началом революционных открытий в геологии. Идея о том, что поверхность Земли подвижна, обсуждалась с 1920–1930‑х гг. Вначале возникла теория дрейфа материков. Предложенная немецким метеорологом Альфредом Вегенером, эта гипотеза утверждала, что континенты перемещаются подобно айсбергам, пробиваясь сквозь океаническую кору (впоследствии было доказано, что это невозможно). Сформулированная позже теория тектоники плит утверждает, что вся поверхность планеты разделена на гигантские фрагменты‑пазлы, которые находятся в постоянном движении относительно друг друга, а встроенные в эти пазлы континенты лениво движутся вместе с ними. Гигантские куски пазлов называются литосферными плитами, из них выделяют восемь крупных, например Тихоокеанскую плиту (самую большую), и небольшое количество более мелких.
Литосферные плиты, как фрагменты пазла, раскалывают верхний каменистый слой Земли, при этом плиты движутся относительно друг друга. На рисунке изображены основные литосферные плиты, стрелки указывают направления их движения. Взаимные движения плит определяют типы их границ: дивергентные (см. расширяющийся Срединно‑Атлант ический хребет между Евразийской и Северо‑Американской плитами), конвергентные (например, столкновение Индостанской и Евразийской плит, в результате которого сформировались Гималаи) и трансформные (например, разлом Сан‑Андреас на Западном побережье США, между Тихоокеанской и Северо‑Американской плитами). Там, где плиты сходятся в зоны субдукции, происходит погружение более старых и холодных плит в нижележащую мантию, что охлаждает ее. Это одна из форм мантийной конвекции. (Схема предоставлена Полом Весселом из Гавайского университета в Маноа.)
Многие ученые внесли свой вклад в уточнение теории тектоники плит, математическая модель, описывающая их движение, была предложена Дэном Маккензи и Джейсоном Морганом. Однако до сих пор остается загадкой, почему на Земле, в отличие от других планеты земной группы, вообще происходит тектоника плит.
Тектонические плиты – это прочные твердые блоки холодной породы толщиной до 100 км (при этом у них слабые края). Плиты непрерывно скользят (в геологическом масштабе времени; в масштабе времени человека скольжение может принимать форму землетрясений), благодаря чему происходит их движение. Как уже было сказано, там, где происходит растекание морского дна, эти фрагменты пазла раздвигаются. Но если плиты расходятся друг от друга в одной зоне, значит, в другой их противоположные края будут сближаться. Регионы, где это происходит, называются зонами субдукции. В частности, плита, сдвигающаяся от другого блока земной коры, обычно противоположным краем сталкивается с третьей плитой и погружается под нее. Процесс погружения одной плиты под другую называется субдукцией. Эти зоны хорошо прослеживаются в самых глубоких желобах океана, таких как Марианская впадина, где океанское дно проваливается вниз под весом погружающихся плит. Все это движение не случайно: насколько об этом можно судить с поверхности, оно является проявлением конвекции мантии Земли. Литосферная плита опускается, потому что остывает, удаляясь от горячего места растекания морского дна, где была создана. В конце концов она становится холодной и достаточно тяжелой, чтобы погрузиться под медленно двигающуюся мантию, при этом охлаждая ее. Таким образом, субдукция (погружение одних участков земной коры под другие) эквивалентна холодному и тяжелому конвективному даунвеллингу (опусканию слоев вещества).
Геофизики (и я в их числе) полагают, что субдукция – это не только проявление конвекции земной мантии, но и главная движущая сила тектоники плит. Холодная, погружающаяся часть плиты (слэб) остужает мантию благодаря конвекции и в то же время тянет заднюю часть плиты на поверхность. Это подтверждается тем фактом, что плиты с обширными зонами субдукции на краях самые быстрые. Есть целый ряд плит, которые практически не имеют зон субдукции и движутся гораздо медленнее: по всей видимости, их просто толкают погружающиеся плиты. Самая крупная литосферная плита – Тихоокеанская – обладает самым большим количеством зон субдукции и быстро перемещается, примерно на 10 см в год.
Зоны субдукции также являются областями, где происходят наиболее сильные и разрушительные землетрясения. Землетрясения случаются и в районе срединно‑океанических хребтов, но они незначительны. Подводные хребты также производят большую часть лавы, но она жидкая и легко течет. Там, где плиты не расходятся в разные стороны и не сближаются, а «скользят» одна рядом с другой (как, например, в разломе Сан Андреас и Анатолийской зоне разломов), землетрясения происходят значительные, но не разрушительно сильные. Также в этих зонах практически отсутствует вулканизм, так как движение там не связано с поднятием горячей породы мантии к поверхности. Однако погружающаяся плита задевает край верхней плиты и тянет ее вниз, сгибая в форме лука. Когда сила трения между этими плитами уже не может выдержать напряжение, верхняя плита распрямляется обратно вверх, «выстреливает», порождая сильнейшие землетрясения и зачастую цунами.
А еще в зонах субдукции активно извергаются вулканы, несмотря на то что эти зоны находятся там, где происходит погружение холодных плит. Что же заставляет расплавленные горные породы подниматься к поверхности, создавая вулканы? Образование вулканов в этих областях – ключ к пониманию того, откуда вообще берется бóльшая часть континентальной коры. В самом деле, на других известных нам планетах нет тектоники плит и континентальной коры.
Процесс плавления в зонах субдукции сложнее, чем в срединно‑океанических хребтах или таких горячих точках, как Гавайи. Ни в одном из этих случаев плавление не вызвано тем, что порода становится горячее (что мы обычно представляем себе, когда думаем о плавлении льда или воска). На срединно‑океанических хребтах и в горячих точках породы мантии Земли плавятся, потому что поднимаются к зонам более низкого давления, которое облегчает процесс плавления. В зонах субдукции плавление облегчает вода. Литосферные плиты, входящие в зону субдукции, как правило, находились под водой от десятков до нескольких сотен миллионов лет. Извергающаяся в районе срединно‑океанических хребтов лава вступает в реакцию с водой и создает гидратированные минералы (породы, содержащие воду или водород), такие как амфиболы и серпентин. Осадочные отложения, смываемые с континентов (которые, как принято считать, тогда еще не образовались) и опускающиеся на дно океана, также вбирают воду (и углерод, что мы обсудим позже). Когда плита достигает зоны субдукции, значительная часть ее тонкой коры содержит гидратированные минералы и большинство их погружаются в зону субдукции вместе с остальной частью плиты, хотя многие осадочные отложения откалываются и скапливаются на поверхности. Когда эти минералы погрузятся примерно на 100 км в глубь мантии, температура и давление становятся слишком высокими, чтобы они могли остаться гидратированными, поэтому минералы испускают воду – в сущности, она просто выпаривается и просачивается из верхней части погружающейся плиты или слэба в более горячую мантийную породу, которая становится гидратированной. Гидратированные мантийные горные породы плавятся легче, чем сухие, так как водород ослабляет минеральные связи, и поэтому даже при «скромных» температурах рядом с холодным погружающимся слэбом увлажненная мантия становится достаточно горячей, чтобы расплавиться. Это не совсем горячий мантийный расплав, тем не менее он поднимается к поверхности и похож на жидкую базальтовую лаву, хотя и холоднее, чем гавайские лавы. Достигнув поверхностных слоев земной коры, он будет плавить части, которые легко поддаются плавлению, т. е. могут быть расплавлены путем «прохладного мокрого» плавления. Такие легко плавящиеся горные породы, как правило, богаты диоксидом кремния (кремнекислородными молекулами или силикатами). Они плавятся и отделяются от остальной части коры. Наиболее богатой кремнием магмой является гранит – типичный продукт такого «холодного» плавления.
Первое субдукционное плавление на ранней Земле могло создать лишь немного гранита из существовавшей тогда тонкой океанической коры. Даже плавление современной океанической коры не дает большого количества гранита или похожих на него горных пород. Образующиеся при этом островодужные системы вулканов вблизи океанских хребтов, например на Антильских и Алеутских островах, могут иметь много первоначальной базальтовой магмы, перетекшей из земной мантии. (Термин «островодужные» используется потому, что зоны субдукции имеют форму сегментов круга.) Но так как все больше гранитной породы появлялось путем непрерывной плавки и переплавки коры, а также потому, что гранит слишком легок, чтобы погружаться в мантию, он накапливался возле зон субдукции, как плавающие игрушки собираются возле слива ванны. Постепенно гранитная порода собиралась в груды земной коры, которая становилась все толще и в конечном итоге образовывала континентальную кору. Кроме того, субдукционные процессы под континентами вызывают движение расплавов мантии к толще земной коры, где происходит еще большее плавление и отделение богатых диоксидом кремния пород, из‑за чего образуется еще больше гранита. Хотя породы, богатые диоксидом кремния, плавятся легко, они очень толстые и вязкие, хотя и менее плотные, и потому их перемещение затруднено. Также они держатся за свои газовые пузырьки (образованные в основном из воды, которая способствовала плавлению мантии), отделившиеся от магмы при подъеме к зонам низкого давления (похожий процесс происходит, когда вы открываете бутылку газировки). Поэтому обычно созданные из такой магмы вулканы (чаще всего это вулканы континентальных дуг) выше и круче, так как толстой и вязкой магмы накапливается больше, прежде чем она растечется. Кроме того, они создают гораздо большее давление газа перед извержением, отчего извержения этих вулканов особенно сильные. Хотите верьте, хотите нет, но именно благодаря процессу «мокрого плавления» в зонах субдукции появились континенты нашей планеты.
В общей сложности для формирования континентов Земли потребовалось около 2 млрд лет. В это время медленно отделялись от мантии и плавились силикатные и гранитные породы. Периодически континенты собирались в гигантские пласты толстой коры, потом эти суперконтиненты из‑за движения литосферных плит распадались на фрагменты размером с обычные континенты, а через несколько сотен миллионов лет вновь объединялись. Цикл образования и распада суперконтинента называется циклом Уилсона (в честь канадского геолога Тузо Уилсона). Последним суперконтинентом была Пангея, которая начала распадаться около 200 млн лет назад, о чем можно судить по разлому в Атлантическом океане вдоль Срединно‑Атлантического хребта (центра растекания морского дна). Это объясняет, почему очертания восточного побережья Северной и Южной Америки совпадают с западными побережьями Евразии и Африки.
Для образования наших континентов были необходимы два условия: тектоника плит и вода в состоянии жидкости – много воды, чтобы минералы морского дна могли гидратироваться (присоединять молекулы воды). Оба этих условия являются уникальными для Земли, и, вероятно, одно не может существовать без другого. И тектоника плит, и вода в фазе жидкости (как мы увидим в следующих главах), вероятно, необходимы для того, чтобы стабилизировать климат на Земле на долгий геологический период времени. Это, в свою очередь, будет поддерживать температуры на поверхности планеты достаточно ровными, чтобы вода могла существовать в жидком виде. Точно так же вода (или, по крайней мере, прохладный климат), вероятно, была нужна для тектоники плит. Похоже, тектоника плит, вода и умеренный климат нуждаются друг в друге и являются взаимозависимыми.
Насколько необходима вода или прохладный климат для тектоники плит? Ученые об этом до сих пор спорят. Например, скользкие отложения и гидратированные расплавы в зонах субдукции могут сохранять субдукцию гладкой и текучей. Но более прохладный климат Земли также помогает сохранять края литосферных плит мягкими, гибкими и скользкими. Трудно представить, что вода увлажняет границы плит по всей их 100‑километровой толщине, вряд ли она может достигнуть зон с таким высоким давлением. Что‑то еще должно делать плиты скользкими на таких глубинах. Горные породы, возникающие вблизи «быстро» деформирующихся границ плит, часто имеют необычные свойства, например минералы или минеральные зерна чрезвычайно малого размера (такие породы называются меланитами). Возможно, именно эти крошечные зерна, разрушаясь при трении, делают горные породы мягче и облегчают скольжение границ плит. Тем не менее минеральные зерна, находясь в состоянии покоя, также имеют тенденцию к медленному росту (по аналогии с пузырьками, возникающими в пене). Это помогает восстанавливать и укреплять горные породы, а такое восстановление происходит быстрее при высоких температурах. Возможно, прохладная поверхность Земли не только делает возможным существование океанов, но и предотвращает восстановление поврежденных границ литосферных плит. На Венере, поверхность которой намного более горячая, восстановление будет проходить быстрее, а повреждения будут слабее, поэтому границы плит вряд ли сохранились бы. Возможно, это объясняет, почему на планете – сестре Земли, похоже, нет тектоники плит. Но если говорить начистоту, гипотеза «разрушения и восстановления», объясняющая природу тектоники плит, является предметом исследований автора этой книги и потому не лишена доли предвзятости.
Если тектоника плит, океаны и умеренный климат зависят друг от друга, возникает вопрос, подобный загадке о курице и яйце: что же появилось раньше? Это «вопрос на миллион» в науках о Земле, не дешевый, конечно, вопрос, но и не такой дорогой, как Большой взрыв, который можно оценить в триллионы долларов. Чтобы ответить на него, мы должны знать, когда – если даже не знаем как – возникла тектоника плит и океаны. Есть привлекательные, но далекие от окончательных предположения, которые могут дать ответ на этот вопрос.
В последнее десятилетие мы стали свидетелями открытия очень древних крошечных минералов циркона (тип кристалла) возрастом 4,4 млрд лет, собранных в основном лишь в австралийской местности Джек Хиллс. Эти кристаллы, по всей видимости, образовались в гранитах. Поскольку большинство гранитов образуются за счет плавления гидратированных горных пород, само их наличие означает, что вода и процессы субдукции (и, следовательно, что‑то вроде тектоники плит) уже существовали в то давнее время. Мы не знаем, что появилось раньше, возможно, они появились одновременно. Возможно, если бы они не появились одновременно, то не появились бы вообще никогда. Тем не менее есть вероятность, хотя и весьма низкая, что граниты формировались другими способами. Можно неоднократно переплавлять горные породы, например беспрестанно изливая на нее горячую лаву гавайского типа. Вопрос, что появилось раньше, тектоника плит или вода, все еще открыт. Тем не менее мы рассмотрим его в следующих главах.
Рассматривая образование континентов, на которых мы с вами живем, нам пришлось заглянуть внутрь Земли и понять, как она движется. При этом мы обнаружили еще две большие странности Земли в дополнение к нашей странной Луне. Во‑первых, вероятно, все планеты земной группы имеют мантии, поддерживающие тепловую конвекцию, но только на Земле она проявляется в виде тектоники плит, которая вызывает разрушительные землетрясения и извержения вулканов, выносит мантийные горные породы (магму) на поверхность и уносит обратно в мантию поверхностный материал, например воду и (мы еще поговорим об этом) углекислый газ. Насколько нам известно, на других планетах земной группы обмен идет односторонний, они просто извергают магму на поверхность с помощью вулканов. Во‑вторых, у Земли есть сильное магнитное поле, которого нет ни у одной другой планеты земной группы, по крайней мере такого же, как у нас (спорное исключение – Меркурий). Наше магнитное поле проходит через верхние слои атмосферы, но, что удивительно, создается в естественном «генераторе» из жидкого железа, находящегося в центре нашей планеты. По внутренней структуре и составу Земля и Венера не слишком отличаются. Даже размеры этих двух планет почти одинаковы. Однако условия на Земле и Венере – их орбитальное расположение относительно Солнца или, возможно, тот факт, что одна из планет‑сестер испытала столкновение с объектом, в результате которого образовалась Луна, а другая нет, – складывались совершенно по‑разному. Только на Земле появились магнитное поле, тектоника плит, вода в фазе жидкости и жизнь.
