Лет тридцать или сорок тому назад некоторые идеи, высказанные в предыдущей главе, в частности, мысль о том, что в течение протерозоя континенты раскалывались и расходились в стороны или спаивались вместе, многим геологам показались бы просто скандальными. Сегодня такие описания принимаются как должное. В последние годы развитие теории тектоники плит полностью изменило представление геологов о Земле. Прежде чем продолжить наше путешествие по геологической истории, стоит коротко рассмотреть эволюцию самой тектоники плит и наше современное представление о движении континентов по поверхности Земли.
Большинство людей, вдумчиво рассматривавших карту мира, в центре которой обычно располагается Атлантический океан, замечали, что, если его удалить, контуры его береговых линий совпали бы. Несмотря на тот факт, что тысячи людей должны были заметить эту особенность, лишь в начале двадцатого века стали серьезно обдумывать последствия этого наблюдения. Именно тогда Альфред Вегенер, немецкий метеоролог, стал собирать и изучать сведения о флоре и фауне континентов, разделенных Атлантическим океаном. Он также тщательно исследовал все, что было тогда известно об их геологии и палеонтологии, о найденных на них ископаемых остатках организмов. Проанализировав полученные данные, Вегенер пришел к неизбежному выводу, что различные континенты, включая Южную Америку и Африку, в далеком прошлом составляли одно целое. Он открыл, например, что некоторые черты геологического строения Южной Америки, которые резко обрываются береговой линией Атлантического океана, имеют как бы продолжение в Африке, и когда он, вырезав из карты, сдвинул эти континенты навстречу друг другу, как кусочки гигантской головоломки, то геологические особенности этих континентов совпали, как бы продолжив друг друга. Он также обнаружил, что существуют геологические признаки древнего оледенения, охватившего примерно в одно и то же время Австралию, Индию и Южную Африку. Он также обнаружил, что можно совместить эти континенты таким образом, что районы их оледенений образовали бы единую площадь. В 1915 году он опубликовал (в Германии) книгу, озаглавленную «Происхождение континентов и океанов», в которой очень подробно рассмотрел эти доказательства и выдвинул свою теорию «континентального дрейфа». И все же, несмотря на массу собранных геологических данных, Вегенер проглядел многие важные детали и весьма вольно отбирал факты в поддержку своей гипотезы. Частью по этой причине его гипотезу не приняли в то время всерьез. Более того, выдающиеся физики того времени объявили, что внешние части Земли слишком жестки, чтобы позволить континентам дрейфовать подобно кораблям в море. В частности, они указали, что те силы, которые призвал Вегенер, чтобы передвигать континенты, — центробежные силы, возникающие в результате вращения Земли вокруг своей оси, — слишком слабы для такой работы. Идеи Вегенера «пошли ко дну» из-за отсутствия подходящего механизма: было сказано, что без подходящей движущей силы дрейф континентов невозможен.
И все же Вегенер был на правильном пути. Пускай и не совсем так, как он предполагал, но континентальный дрейф оказался реальностью. Как и предполагал Вегенер, Африка и Южная Америка действительно в древности соединялись друг с другом. По крайней мере один раз за всю историю Земли все современные континенты соединялись, образуя один сверхконтинент, который протягивался от полюса до полюса. Континентальный дрейф Вегенера рассматривается в учебниках геологии, его преподают в институтах, он образует фундамент многого из того, что сейчас понято в механизмах работы Земли. Сегодня это называется тектоникой плит.
ФАКТЫ» ДОБЫТЫЕ С ОКЕАНСКОГО ДНА
Возрождение идей Вегенера в виде теории тектоники плит произошло главным образом в результате исследований океанского дна, выполненных в 1950-е и 1960-е годы. Во время и после Второй мировой войны Военно-Морской флот США был очень заинтересован в том, чтобы узнать об океанском дне как можно больше. Геологи и геофизики с готовностью включились в эту работу — одни, возможно, из патриотических побуждений, но многие потому, что увидели в интересе Флота золотую возможность узнать больше об океанском дне. В то время это был передовой край науки, ведь дно океанов было практически неведомой территорией. Даже в более позднее время многие геологи любили говорить, что мы больше знаем об обращенной к нам поверхности Луны, чем о морском дне. Флотское начальство оказалось щедрым, и океанографические исследования быстро расширялись. Результаты их по большей части были засекречены, но сделанные открытия подтолкнули науку о Земле к новому и более качественному пониманию протекающих в Земле процессов.
Одним из поразительных результатов интенсивного исследования дна океанов стали новые знания о его топографии. Конечно, кое-какая информация, собранная за долгую историю морских путешествий, уже имелась. Самые первые измерения производились очень просто — бросали за борт измерительный трос (лот) и отмеряли длину вытравленного троса, но эти данные были ограничены мелководными, прибрежными районами моря, где в основном было сосредоточено мореходство. Появившиеся на кораблях в 20-х годах эхолоты были еще очень несовершенны и широко распространились значительно позже. Именно с их помощью в 1950-е и 1960-е годы была собрана обширная информация об океанском дне. Проведенные тогда измерения позволили определить с высокой точностью продолжительность времени, необходимого для прохождения звукового импульса от корабля до морского дна и обратно. Так как скорость звука в морской воде хорошо известна, то по времени прохождения звукового импульса легко вычислить глубину моря. Вся прелесть эхолота заключается в том, что он может работать непрерывно, день и ночь, независимо от того, что делает корабль. В каждой океанографической экспедиции эхолот работал постоянно; в результате стали проясняться детали строения океанского дна.
Сегодня гораздо легче картировать топографию океанского дна — это можно сделать с помощью спутников, даже не посылая корабли в море. Спутники очень точно измеряют «высоту» морской поверхности. После того как учтено влияние приливов и волн и введены соответствующие поправки в исходные измерения, появляется удивительная картина. Различия в уровне моря от места к месту в точности отображают топографию морского дна. Это объясняется тем, что мелкие вариации земного притяжения, обусловленные рельефом дна, — например, избыточная масса крупного вулкана или, наоборот, дефицит массы из-за наличия глубокого рва — влияют на уровень поверхности моря над ними. Эта сравнительно новая технология позволила обнаружить некоторые особенности дна, которые были неразличимы при исследовании с кораблей.
Но вернемся к информации о топографии морского дна, собранной океанографическими кораблями в 50-х и 60-х годах. Скоро после начала работ стало совершенно ясно, что дно океанов по своему рельефу и другим особенностям отнюдь не так однообразно, как это представлялось. По общему мнению, глубокие моря рассматривались как геологически спокойные, не подверженные изменениям места, где с начала времен слой за слоем откладывались тонкий ил и другие осадки, смываемые с континентов. Лишь немногие исследователи пробовали глубже задуматься над этой картиной, поскольку если бы она была верна, то количество накопившихся в океане осадков было бы огромно. Однако по мере поступления материала об океанском дне стало очевидно, что вместо плоского, лишенного каких-либо особых примет дна глубоких морей, прикрытого покровом осадков, на нем обнаружились огромные хребты, глубокие рвы, крупнейшие вулканы и крутые обрывы. Науке был брошен вызов, необходимо было немедленно разобраться, каким образом могли возникнуть такие особенности морского дна.
Многие из читателей, вероятно, видели популярные карты мира, впервые изданные Национальным географическим обществом, на которых показан рельеф не только суши, но и дна морей и океанов. Хотя они до некоторой степени идеализированы, наиболее бросающейся в глаза особенностью этих карт являются огромные хребты, или поднятия, выступающие над средним уровнем дна. Уже говорилось о том, что если бы из океанов удалить воду, то именно эти черты рельефа Земли были бы в первую очередь заметны при взгляде из космоса. Особенно выделяется на картах горный хребет, протянувшийся по оси Атлантического океана, что частично обусловлено тем, что этот океан обычно расположен на картах в центре. Срединно-Атлантический хребет рассекает океан точно посредине, повторяя все выступы и впадины береговой линии на каждой его стороне, и таким образом грубо рассекая карту на две половины. В среднем он возвышается приблизительно на 2,5 километра над наиболее глубокими частями океана, расположенными к западу и к востоку от него; на большей части его протяжения как раз по осевой линии проходит рифт, то есть ущелье или долина с крутыми склонами. В северной части Атлантического океана. Срединно-Атлантический хребет поднимается над поверхностью океана, образуя остров Исландию.
Хребет, рассекающий Атлантику, является фактически лишь частью более или менее непрерывной системы хребтов, которая протягивается через все океаны. Она окружает антарктический континент, протягивается двумя ветвями в Индийский океан и до Аравийского моря. Она изгибается вдоль берегов восточной части Тихого океана и, кажется, заканчивается тупиком недалеко от нижней Калифорнии в Мексике, но затем небольшой сегмент ее появляется снова у берегов северо-западной части Соединенных Штатов и Британской Колумбии. Каково происхождение этой системы океанических хребтов, являющихся такой заметной особенностью Земли? Почему она не оказалась погребенной под покровом осадков, вынесенных из континентов? И какую связь она имеет с дрейфом континентов и тектоникой плит?
Наблюдение, которое, как считается, породило вспышку интуиции, прояснившей происхождение системы океанических хребтов и в конце концов приведшее к разработке теории тектоники плит, пришло из совершенно неожиданного источника, а именно из исследования магнитных свойств пород океанического дна. В своих попытках узнать как можно больше о морском дне геофизики в числе других показателей измеряли магнитные поля вдоль многочисленных маршрутов экспедиционных кораблей. Было уже известно, что горные породы, содержащие магнитные минералы, могут несколько изменять земное магнитное поле над ними, а на континентах измерения интенсивности магнитного поля проводились с целью поисков полезных ископаемых и для решения задач геологического картирования. Многие промышленные месторождения полезных ископаемых содержат в высоких концентрациях магнитные минералы; их присутствие создает характерные аномалии регионального магнитного поля. Следует отметить, что на континентах структура магнитного поля обычно очень сложна, в соответствии со сложной геологией. В противоположность этому, когда впервые позади океанологических кораблей стали буксировать магнитомеры, было обнаружено, что рисунок магнитных аномалий на дне океанов, отражающий магнитные свойства пород океанского дна, отличается замечательной закономерностью. Это наблюдение впервые было сделано учеными из Института океанографии Скриппса; оно весьма их озадачило. Когда они проводили морскую магнитную съемку в районе северо-западного побережья Соединенных Штатов еще в 1950-е годы, оказалось, что узоры магнитных карт, которые они получили, резко отличались от всего, что они видели на континентах. В конце концов был сделан вывод, что закономерный рисунок локальных магнитных аномалий был, вероятно, каким-то образом связан с довольно правильным рисунком рельефа морского дна в этом районе с характерным чередованием удлиненных параллельных низкогорий и долин. Однако эта гипотеза продержалась очень недолго. Проведенная в 60-х годах воздушная магнитная съемка на территории Атлантического океана как раз к югу от Исландии принесла поразительные, ставшие с тех пор классическими, результаты. В серии параллельных маршрутов, пересекающих ось Срединно-Атлантического хребта, ученые из Геологической обсерватории Ламонта из Колумбийского университета обнаружили, что узоры магнитного поля над морским дном изменяются симметрично относительно осевой линии хребта. Более того, они нашли, что график изменения магнитного поля вдоль маршрута, пересекающего хребет, был на разных маршрутах в основном одинаков. Когда эти данные (то есть местоположения точек замера и измеренные значения интенсивности магнитного поля) были нанесены на карту и проведены изолинии (линии равных значений характеристик магнитного поля), то они образовали полосатый зеброподобный узор на карте интенсивности магнитного поля, напоминающий узор, открытый учеными Института Скриппса в северо-восточной части Тихого океана, но отличающийся от последнего явной симметрией (рис. 5.1). И в этом случае поражал контраст с характером поля над континентами. По мере дальнейшего накопления данных становилось все более ясно, что эта симметрия узора магнитного поля встречается повсюду вдоль системы океанических хребтов.
Когда изверженные породы охлаждаются из исходного расплавленного состояния, некоторые железосодержащие минералы, образующиеся в них, магнетизируются земным магнитным полем. Это выглядит так, словно сами минералы содержат крохотные магнитные стерженьки — наподобие компасных игл, — и все они ориентируются одинаково под воздействием окружающего магнитного поля Земли. Эта магнитизация является непрерывным во времени процессом; таким образом, график магнитного поля вдоль маршрута, пересекающего хребет, является как бы ископаемой записью изменений магнитного поля во время образования пород разных частей графика. Эта запись оказывается весьма стойкой и сохраняется в течение долгого времени. Геолого-геофизические съемки вдоль маршрутов, ориентированных перпендикулярно простиранию Срединно-Атлантического хребта, показали, что породы, находящиеся точно над осью хребта, сильно намагничены в направлении современного магнитного поля, как и следовало ожидать. Но симметричный зеброобразный узор магнитного поля, по-видимому, указывает, что морское дно намагничено по-разному в разных полосках, параллельных протяжению хребта. Некоторые из этих полос намагничены нормально, подобно полоскам, лежащим на оси хребта: направление их намагниченности соответствует ориентировке современного магнитного поля Земли. Но они чередуются с полосками, намагниченными противоположным образом, как если бы в то время, когда эти полосы возникали, северный и южный полюсы Земли поменялись местами.
Земное магнитное поле имеет строение так называемого диполя, то есть подобно полю, которое получилось бы, если бы в немагнитную Землю вставить гигантский магнитный стержень. В то время, когда проводились первые магнитные съемки морского дна, у большинства ученых не было никаких оснований полагать, что в геологическом прошлом магнитное поле Земли очень отличалось от современного. Однако приблизительно в это же время исследования намагниченности горных пород на континентах обнаружили загадочное явление. Было установлено, что в некоторых районах, в которых накопились мощные толщи базальтовых потоков, большая часть потоков имеет направление намагничивания, соответствующее ориентировке изолиний земного магнитного поля, но в других потоках направление намагничивания оказалось прямо противоположным. Первоначально полагали, что причиной этого явления был какой-то вторичный процесс, но когда аналогичная последовательность лавовых потоков с прямой и обратной намагниченностью была обнаружена в нескольких различных местностях, ученые поняли, что магнитное поле Земли в течение геологического времени неоднократно меняло свою полярность! Это был ошеломляющий вывод. На фоне этого открытия симметричное расположение меняющихся по своей полярности магнитных полос на морском дне приобрело большое значение. Хотя они, возможно, и не восклицали «Эврика!», но несколько исследователей — Лоренс Морли в Канаде, а также Фрэд Вайи и Драммонд Мэтьюз в Соединенном Королевстве — почти одновременно поняли, что магнитные полосы морского дна, колебания направления полярности на 180 градусов и дрейф континентов — все эти явления являются взаимосвязанными. Они неожиданно сообразили, что зеброобразный узор распределения намагниченности горных пород морского дна отражает ту же последовательность смены полярности земного магнитного поля, что и континентальные базальты.
Рис. 5.1. Магнитный узор морского дна южнее Исландии (верхняя схема) напоминает ряд полос зебры и состоит из чередующихся полос нормального (черное) и обращенного (белое) намагничения, располагающихся параллельно простиранию Срединно-Атлантического хребта. Во время своего излияния вдоль хребта и последующего затвердевания базальт намагничивается под воздействием магнитного поля Земли и затем расходится в стороны от разлома, как показано схематически на нижней части рисунка. На карте магнитных свойств морского дна видны только более долгие промежутки времени между обращениями полярности. Предполагаемое положение хребта, пересекающего Исландию, показано более крупным узором на сером фоне. Составлено по рисунку 1 из статьи Дж. Р. Херцлера, Кс. Ле Пишона и Дж. С. Бэррона в журнале «Глубоководные исследования» (Deep Sea Research), том 13, стр. 428 (1966). Использовано с любезного разрешения компании Элснвир Сайенс Лимитед. The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, OXSIGB, U.K.
Эти наблюдения убедили большинство геологов, что раздвиг морского дна в стороны от океанических разломов — это реальность. Новая океаническая кора образуется лавой, непрерывно поступающей с глубины в осевых частях океанических хребтов. Магнитный узор пород морского дна симметричен по обе стороны оси хребта потому, что вновь поступившая порция лавы намагничивается при своем застывании в твердую породу и равномерно расширяется по обе стороны от срединного разлома. Морское дно, таким образом, работает, как гигантский магнитофон, точно записывающий смену направления напряженности земного магнитного поля (рис. 5.1). Поскольку даты различных обращений были известны в результате анализа горных пород на суше, магнитные полосы океанского дна можно было использовать как метки. Скорость возникновения новой порции морского дна можно очень просто рассчитать, измерив расстояние от центра — точнее, оси хребта, где возраст морского дна всегда равен нулю, к полосам, соответствующим различным датированным обращениям поля. Геологи называют эти магнитные полосы магнитными аномалиями и для удобства ссылок на них дали им номера. Для тех, кто с ними работает, эти аномалии стали добрыми друзьями. «Ага, это похоже на Аномалию 29Р!» (буква Р обозначает обращенную, то есть с обратным направлением намагниченности, a N — аномалию с нормальным, соответствующим современному направлению поля).
Хотя скорость образования морского дна и варьируется от места к месту, ее величина, вычисленная по магнитным аномалиям, составляет в основном несколько сантиметров в год. Она примерно соответствует скорости роста ваших ногтей — не так уж быстро, но в то же время заметно, если время от времени будете забывать подстригать их. Континенты, расположенные по разные стороны Атлантического океана, с этой скоростью движутся в разные стороны, отдаляясь друг от друга, что объясняет, почему океаны не заполнены доверху осадками: в геологическом смысле они очень молоды. Хотя несколько сантиметров в год — это действительно очень медленно, весь Атлантический океан при такой скорости мог образоваться за двести миллионов лет, не так уж много по геологическим меркам. На самом деле дно любого из существующих мировых океанов не намного старше. По сравнению с континентами породы океанского дна просто младенцы.
По обе стороны Атлантического океана континенты прочно прикреплены к породам океанского дна. Они расходятся в стороны со скоростью, зависящей от скорости образования новой порции морского дна на оси Срединно-Атлантического хребта. В силу этого механизма возражения физиков против вегенеровского понимания континентального дрейфа оказываются, в сущности, недействительными, поскольку континенты в своем движении не пропахивают себе путь через твердые породы океанского дна; и континенты и океаническая кора движутся вместе, как одно целое, являясь частями одной литосферной плиты (рис. 1.2 и 5.2).
ТЕКТОНИКА ПЛИТ
Существование узора магнитных аномалий морского дна и понимание описанного выше процесса их образования окончательно решили проблему континентального дрейфа. Этот термин был быстро заменен в равной степени описательным, но более точным выражением «раздвиг морского дна». 1960-е годы были трудным временем для геологов — развитие идей о расширении морского дна и его последствий некоторые называли даже революцией и сравнивали с подъемом в физике, вызванным появлением теории относительности и квантовой механики. Все следствия факта раздвига морского дна были быстро выведены как теоретиками, пытавшимися объяснить этот процесс математически, так и экспериментаторами, которые, используя все более изощренные приборы, проводили измерения с целью проверки математических теорий. Многие еще недавно малопонятные явления вдруг стали казаться совершенно естественными в контексте теории раздвига дна океанов. Вскоре после этого и раздвиг морского дна, и дрейф континентов были вписаны в более широкую и далеко идущую теорию, которая получила название теории тектоники плит.
Что же в сущности представляет собой эта теория плит и почему ей уделяется столько внимания в науке о Земле? На самом простейшем уровне это как бы глобальная рама, или основа, в которой протекают почти все геологические процессы нашего времени, и с помощью которой можно понять большую часть истории Земли. Конечно, есть еще много деталей, которые нельзя объяснить с помощью тектоники плит, но пока неясно, вытекает это из недостатков самой теории или мы просто не до конца понимаем все процессы. Тем не менее в общем и целом теория тектоники плит является очень мощным инструментом, облегчающим наше понимание того, как работает Земля.
Слово «тектоника» происходит от греческого «тектон», означающего «строитель» или «плотник». Плитами в тектонике плит называют куски литосферы, то есть сравнительно жесткой внешней оболочки Земли, которая в среднем простирается на глубину до 100 километров (рис. 1.2), хотя местами бывает толще или тоньше. В настоящее время различают десять плит среднего и большого размера и значительно больше «микроплит» (рис. 5.2). Как отмечалось выше, по поверхности Земли движутся не континенты, а литосферные плиты. Континенты и океаны — это только попутные пассажиры. Плиты могут перемещаться в силу того, что внутренняя часть Земли имеет высокую температуру и может пластически деформироваться и течь. Трудно представить себе, чтобы обычные породы вели себя так пластично, но полезно вспомнить, что другие твердые вещества, которые мы в повседневной жизни считаем хрупкими, также становятся текучими, если их подвергнуть умеренным давлениям в течение длительного промежутка времени, например, лед ледников. Основание плит находится на такой глубине, где породы пребывают практически в диапазоне своей температуры плавления и трение между относительно жесткой литосферой и подстилающей ее мантией почти минимально.
Механизм движения плит, их действительная движущая сила все еще до конца неизвестны. Но это больше не является поводом для осмеяния, как было во времена Вегенера. Мы знаем, что плиты действительно перемещаются; мы можем даже, чтобы доказать этот факт, с помощью спутников достаточно точно измерить, как изменяется расстояние между двумя точками на разных плитах и даже определить скорость перемещения плит.
Мы знаем также, что требующаяся для движения плит энергия исходит в конечном итоге из самой Земли, как вследствие ее продолжающегося охлаждения из первоначального горячего состояния, так и от тепла, создаваемого в результате радиоактивного распада урана и тория, распределенных во всей массе Земли. Это тепло переносится к поверхности путем медленной, происходящей в твердом состоянии конвекции и в конце концов рассеивается в космическом пространстве. Сцепление между горячей, конвектирующей мантией и более холодной жесткой литосферой тоже, вероятно, частично обусловливает движение плит.
Большая часть геологического представления происходит у границ между плитами. Сюда входят вулканизм, землетрясения, горообразование, метаморфизм и даже образование многих типов промышленно важных месторождений полезных ископаемых. Но не все края плит ведут себя одинаково. Рисунок 5.2 показывает, что в одних местах плиты расходятся в стороны, в других они сталкиваются, а в некоторых местах они просто скользят друг мимо друга. Поскольку не существует никакой независимой системы отсчета для изучения движения плит, нам известны только их относительные движения. Можно, конечно, стать на краю какой-нибудь плиты и определить, движется ли соседняя с ней плита в нашу сторону или от нее, но мы никак не можем определить их абсолютные направления движения.
Рис. 5.2. Карта мира, показывающая расположение главных литосферных плит. Каждая плита окружена океаническими хребтами, от осей которых идет растяжение (жирные линии), зонами столкновения и субдукции (зазубренные линии) и/или трансформными разломами (тонкие линии). Названия приведены только для некоторых из самых крупных плит. Стрелки указывают направления относительных движений плит.
Границы плит классифицируются в зависимости от типа относительного движения плит вдоль этих границ. Каждая граница имеет свои особые характеристики. Например, на границах различного типа образуются разные породы. Распознавание их стало особенно важным для ученых, стремящихся заглянуть в прошлое, поскольку древние аналоги современных явлений могут быть определены на основе сохранившихся записей в геологической летописи.
РАСХОДЯЩИЕСЯ ПЛИТЫ
Там, где плиты расходятся друг от друга, в земной коре возникают рифты, то есть глубокие трещины. Базальт, наиболее обычный результат расплавления пород земных глубин, поднимается, чтобы заполнить их; как мы видели, именно таким образом образуется морское дно. Расходящиеся границы плит встречаются большей частью в океанах. Как ни парадоксально это может показаться с первого взгляда, рифты, проявляющиеся в рельефе Земли как долины или впадины, часто находятся как раз в осевой части океанических хребтов, представляющих собой широкие топографические поднятия, как это показано на рис. 5.3. Океанические хребты возникают в результате поднятия вещества мантии и сопутствующих термодинамических процессов. По мере того как вновь образовавшаяся кора отодвигается в стороны от хребта, она охлаждается, сжимается, уплотняется и опускается на меньшую высоту. Глубина океана здесь увеличивается приблизительно в два раза, от 2,5 километра до пяти, считая от осевой линии хребта до более древних частей океанского дна, далеко отстоящих от района раздвига плит.
Большинство современных океанических хребтов фактически зародились как рифты внутри континентов.
Рис. 5.3. Схематический поперечный разрез через среднеокеанский хребет, показывающий рифтовую долину внутри приподнятой центральной части хребта. Черные вертикальные линии обозначают проводники, через которые магма изливается из мантии на морское дно.
Начальной стадией этого процесса является образование глубокой, с крутыми стенками долины, отличающейся в типичном случае сильным вулканизмом. Таково было происхождение среднеконтинентального рифта, который почти расколол пополам Северную Америку в протерозое; современным примером такого раскола может служить Восточно-Африканская рифтовая долина. По мере продолжения раздвига полная активности континентальная кора, состоящая из пород, менее плотных по сравнению с базальтом, внедрившимся в рифт, в конце концов раскалывается на две части. Между ними вторгается море; таким образом возникает зародыш нового океанического бассейна. Именно так должен был протекать этот процесс, когда около 180 миллионов лет назад начал раскрываться Атлантический океан, отделяя Европу и Африку от Америки. В наше время начальные этапы расщепления континента можно наблюдать в Красном море, где Африка отделяется от Саудовской Аравии вдоль линии, являющейся продолжением системы хребтов Индийского океана. Все океанические бассейны мира возникли в результате рифтообразования; все они вымощены океаническим базальтом. Контраст между плотной корой океанов и более легкой, более плавучей корой континентов является причиной разницы их высот над уровнем моря.
Вдоль океанических хребтов непрерывно возникает новое океанское дно и тут же симметрично отходит в стороны от разлома. В то время как очертания берегов континентов сохраняют свою узнаваемость на протяжении долгих промежутков геологического времени, география океанских бассейнов изменяется гораздо быстрее. Измеренные скорости раздвига около современных океанических хребтов колеблются от одного-двух сантиметров в год до двадцати. Даже если взять нижнюю границу этого интервала, то и в этом случае выходит, что за 100 миллионов лет может образоваться океанский бассейн шириной в 1000 километров.
СТОЛКНОВЕНИЕ ПЛИТ И ЗОНЫ СУБДУКЦИИ
Если постоянно возникает так много нового морского дна, а Земля не расширяется (и существует достаточно доказательств этого), тогда, чтобы компенсировать этот процесс, что-то на глобальной коре должно разрушаться. Именно это происходит на окраинах большей части Тихого океана. Здесь литосферные плиты сближаются, и на их границах одна из сталкивающихся плит погружается под другую и уходит глубоко внутрь Земли. Такие участки столкновения плит называются зонами субдукции (погружения, подныривания одной плиты под другую); на поверхности Земли они отмечаются глубокими океаническими рвами (желобами) и активными вулканами (рис. 5.4). Грандиозные цепи вулканов, образующие так называемое огненное кольцо, протянувшееся вдоль берегов Тихого океана, — Анды, Алеутские острова, а также вулканы Камчатки, Японии и Марианских островов — все они обязаны своим существованием явлению субдукции.
Рис. 5.4. Схематический поперечный разрез зоны субдукции (верхняя часть, не в масштабе) показывает литосферную плиту, опускающуюся в глубины мантии, и активные вулканы над нею. В нижней части рисунка точками изображены положения очагов землетрясений, зафиксированных под желобом Тонга в юго-западной части Тихого океана. В совокупности они отмечают расположение погружающейся плиты до глубины приблизительно 700 километров. Отметки на горизонтальной шкале показывают расстояние от желоба. Составлено с частичным использованием рисунка 4-10 из книги П. Дж. Уилли «Как работает Земля». Изд-во «Джон Уайли и Сыновья», 1976.
Никто не может точно сказать, как именно начинается субдукция, когда две плиты начинают сближаться, но ключом к их взаимодействию является, по-видимому, плотность пород. Плотная океаническая кора может подвергнуться субдукции, исчезнув в глубине Земли почти бесследно, в то время как сравнительно легкие континенты всегда остаются на поверхности. Вот почему дно океанов всегда молодо, а континенты стары: морское дно не только непрерывно образуется в разломах океанических хребтов, но и постоянно уничтожается в зонах субдукции. Как мы уже видели, отдельные части континентов имеют возраст почти четыре миллиарда лет, в то время как самые древние части морского дна не старше 200 миллионов лет. Один из первых пропагандистов идеи континентального дрейфа сравнил континенты с пеной, накапливающейся на поверхности кастрюли с кипящим супом, — живое, хотя не сказать, чтобы очень точное сравнение.
Реальность субдукции подтверждается землетрясениями, которые ее сопровождают. Хотя сейсмичность является характерной особенностью всех типов границ между плитами, только зоны субдукции отличаются глубокими землетрясениями, которые происходят на глубине 600 километров или более. Глубокие землетрясения были известны задолго до того, как тектоника плит приобрела популярность. В 1928 году японский сейсмолог К. Вадати сообщил о землетрясениях, происшедших под Японией на глубине нескольких сот километров. Приблизительно через двадцать лет другой геофизик, Хуго Бениоф, показал, что и в других частях света существуют «большие разломы», отмечающиеся частыми землетрясениями, которые погружаются глубоко в мантию из океанских рвов, как бы продолжая их на глубину. Он описал несколько таких разломов, расположенных как вдоль западного побережья Южной Америки, так и на юго-западе Тихого океана в желобе Тонга. Эти области в то время не были интерпретированы как зоны субдукции и лишь позднее стало ясно, что эти гигантские плоско-наклонные зоны повышенной сейсмичности точно следуют по пути плит, погружающихся внутрь мантии (рис. 5.4). Землетрясения возникают потому, что погружающиеся в горячую мантию части океанических плит остаются сравнительно холодными, в противоположность окружающим их породам мантии, остаются даже на больших глубинах настолько хрупкими, что в них могут возникать трещины, порождающие землетрясения. Некоторые из самых глубоких землетрясений могут также возникать по той причине, что минералы в погружающихся частях плит становятся неустойчивыми в обстановке больших давлений, которым они там подвергаются, и разрушаются внезапно, образуя более плотные минералы, резко изменяя при этом свой объем.
В противоположность сравнительно спокойным прорывам базальтовой лавы вдоль осей расхождения плит, вулканизм, свойственный зонам субдукции, часто проявляется очень бурно. Хотя эта вулканическая активность Земли и создает потрясающе прекрасные вулканы, как, например, гора Фудзи в Японии, она также вносит свой вклад во множество катастроф, сопровождающих историю Земли. Примерами таких катастроф являются погребение древнего римского города Помпеи под слоем горячего вулканического пепла, выброшенного соседним вулканом Везувий, грандиозное уничтожение всего живого вокруг в результате взрыва вулкана Кракатау в Индонезии в 1883 году и совсем недавно взрыв вулкана Пинатубо на Филиппинских островах в 1991 году. Почему существует вулканизм в зонах субдукции? В главе 2 мы намекнули на возможный ответ: океанические плиты содержат воду. В мощных толщах осадков, накапливающихся на океанском дне, по мере того как оно движется от места своего образования у хребтов к месту своего уничтожения в зонах субдукции, накапливается вода. Кроме того, во время этого долгого путешествия происходит реакция некоторых минералов базальтовой коры с морской водой и образуются другие, водосодержащие минералы. Хотя во время столкновения плит часть этих осадков соскребается с опускающейся плиты и выбрасывается на сушу, другая их часть уносится в мантию на значительные глубины. Во время опускания этих осадков вдоль зоны субдукции большая часть свободной воды, содержащейся в порах между зернами, выжимается увеличившимся давлением и пробивается обратно на поверхность. Но какая-то ее часть остается, как и вода, связанная в структуре минералов коры. В конце концов увеличивающиеся температура и давление изгоняют из пород и эту воду, и она просачивается в мантию в верхней части зоны субдукции. Именно этот процесс вызывает вулканизм. На тех глубинах, где вода изгоняется из пор и из самих минералов, окружающая мантия уже весьма горяча, а добавление воды понижает температуру плавления пород настолько, что это плавление начинается. Этот принцип должен быть знаком жителям северных городов, которые зимой рассыпают на улицах соль, чтобы понизить температуру плавления (таяния) льда.
Во всех субдукционных зонах Земли активный вулканизм неизбежно возникает приблизительно на одной и той же высоте над опускающейся плитой, а именно — около 150 километров. Такова приблизительно глубина, на которой разрушаются водосодержащие минералы,
освобождая воду, которая способствует плавлению. Характерным для этой обстановки типом пород является андезит, получивший свое название, как вы можете догадаться, по названию горной цепи в Южной Америке (Анды), где эта порода весьма распространена. Лабораторные эксперименты показывают, что андезит представляет собой именно ту породу, образование которой следовало бы ожидать, если породы мантии расплавить в присутствии воды, выделившейся из погрузившейся плиты; эта вода объясняет также взрывной, бурный характер вулканизма, свойственного зонам субдукции. По мере приближения магмы к земной поверхности растворенная в ней вода и другие летучие компоненты в ответ на понижение давления быстро расширяются; это расширение часто имеет характер взрыва.
Многие из самых крупных землетрясений происходят вдоль зон субдукции. Это и не удивительно, если подумать, что происходит в этих областях: два гигантских куска земной коры, каждый толщиной около 100 километров, сталкиваются друг с другом, причем одна плита вталкивается под другую. К несчастью, некоторые районы, расположенные вблизи зон субдукции, очень плотно заселены. Мы можем предсказать со стопроцентной уверенностью, что в таких областях мощные разрушительные землетрясения будут продолжаться; вряд ли это будет большим утешением перед перспективой таких катастрофических событий, как землетрясение в Кобэ в Японии, происшедшее в начале 1995 года.
И все же Земля — это динамичная планета; даже зоны субдукции существуют не вечно, по крайней мере с точки зрения геологического времени. В конце концов они перестают действовать, и где-нибудь образуются другие. Какие же события могут остановить процесс субдукции?
Чаще всего это столкновение между континентами после того, как океаническая кора, существовавшая между ними, оказывается израсходованной в процессе субдукции. Вспомним, что очень часто литосферные плиты состоят из континентальной и океанической коры. В то время как сама плита, может быть, и безразлична к природе своих пассажиров, этого нельзя сказать о зоне субдукции. Она просто не в состоянии заглотить континентальную кору с ее низкой плотностью. Поэтому, когда океанический бассейн в конце концов закрывается благодаря субдукции, два обломка континентальной коры просто сталкиваются и припаиваются друг к другу; субдукция прекращается. Упрощенный набросок такого процесса показан на рис. 5.5. Он не так уж прост, как можно подумать по приведенному описанию; в типичном случае столкновение между континентами сопровождается мощным вулканизмом, метаморфизмом и горообразованием и занимает очень много времени.
Пожалуй, самым выдающимся примером такого процесса, взятым из недавнего прошлого, является столкновение между Индией и Азией, более подробно описанное в главе 11, в результате которого возникли Гималаи. Когда-то давным-давно на том месте, где сейчас располагаются Гималаи, существовала зона субдукции, вдоль которой находящаяся южнее плита погружалась на север под Азию, а между Азией и континентом Индии, который располагался южнее, находился обширный океан. Породы Гималаев и Тибетского плато свидетельствуют, что эта ситуация продолжалась очень долгое время, в течение которого много мелких фрагментов плавучей континентальной коры, перемещенных вместе с этой океанической плитой, прибыло с юга к зоне субдукции и приклеилось к южному краю Азии. Но постепенно дно океана было поглощено зоной субдукции, в результате чего Индия притянулась к северу. Между 50 и 60 миллионами лет назад угол этого континента достиг зоны субдукции и стал прижиматься к Азии. Инерция его движения заставила северную часть Индии проскользнуть под южную часть азиатской плиты, образуя участок континентальной коры толщиной в два раза больше, чем где-либо еще в мире. Осадки, смытые с окраин двух сближенных континентов еще до их столкновения, вулканические острова, существовавшие вдоль их краев, и породы самих континентов попали в ловушку гигантского столкновения, были смяты в систему параллельных складок, разбиты на блоки системой разломов и метаморфизованы. В результате образовалась самая высокая горная цепь и самое большое плоскогорье на Земле.
Рис. 5.5. Схематический разрез, показывающий, как процесс субдукции может закрыть океанский бассейн и привести к столкновению континенты, образуя огромные горные системы типа Гималаев.
Обширная горная страна Гималаев все еще считается границей плиты, потому что до сих пор существует относительное движение между Азией и Индией. Эта страна пока поднимается; там довольно часты землетрясения. Действительно, землетрясения, снимающие напряжения, возникающие в земной коре, происходят в наши дни уже вдали от зоны столкновения, особенно в Китае, как результат того факта, что части Азии были сжаты и повернуты к востоку в момент, когда обе плиты устремились друг на друга. Однако в конце концов, когда прекратится относительное движение между двумя ранее отделенными друг от друга континентами, Гималаи будут признаны неактивной шовной зоной, находящейся внутри континента. Но когда это произойдет, кое-чему другому придется отодвинуться, чтобы дать пристанище новой области морского дна, образующейся вдоль океанического хребта, лежащего далеко к югу (рис. 5.2). Проведенные в последние годы исследования морского дна вблизи от Шри-Ланки показывают, что южнее этого острова, возможно, образуется новая зона субдукции, которая разрешит геометрическую головоломку.
Столкновения континента с континентом, подобные тому, что произвели на свет Гималаи, видимо, происходят регулярно на протяжении геологической истории. Хотя созданные ими высокие горы давно разрушились, следы таких событий можно распознать в древних породах по тому факту, что они образуют характерные длинные полосы сильно метаморфизованных пород, имеющих приблизительно одинаковый возраст. Хорошим примером такой области является провинция Грэнвиль в восточной части Северной Америки (рис. 4.3), которая была, без сомнения, в глубокой древности очень похожа на нынешние Гималаи.
РАЗЛОМ САН-АНДРЭАС
Разлом Сан-Андрэас в Калифорнии является, подобно Гималаям и среднеокеанским хребтам, границей плиты. Города Лос-Анджелес и Сан-Диего, лежащие западнее этого разлома, располагаются на Тихоокеанской плите и движутся в том же направлении, что и остров Гавайи, в то время как город Беркли, находящийся к востоку от разлома, движется вместе с Нью-Йорком и Майами на Северо-Американской плите (рис. 5.6). Границы между плитами, которые проходят по разломам, подобным разлому Сан-Андрэас, были названы трансформными разломами; они встречаются главным образом в океанах, соединяя между собой сегменты раздвигающихся хребтов. Именно они являются причиной того, что края плит имеют зигзагообразную форму. Около таких разломов нет ни схождения (сближения), ни расхождения (раздвига) плит; они просто движутся мимо друг друга. Если попробовать изобрести тектонику плит, разбив внешнюю оболочку шара на куски, которые заходили бы друг под друга на одних границах и обновлялись бы на других, то обнаружится, что особые формы, похожие на трансформные разломы, — это просто геометрическая необходимость.
Наиболее знаменитый или, если угодно, печально известный трансформный разлом — это разлом Сан-Андрэас в Калифорнии. Он также соединяет сегменты системы океанических хребтов, но в противоположность большинству трансформных разломов, прорезает часть континента. Эволюция разлома Сан-Андрэас весьма интересна (рис. 5.6). Около 50 или 60 миллионов лет назад существовала зона субдукции, протягивавшаяся вдоль всего Западного берега Северной Америки. Западнее от нее в море находился океанический хребет, вдоль которого в осевом разломе формировалось новое морское дно. Но Северо-Американская плита двигалась на запад быстрее, чем росло новое морское дно, и в конце концов континент просто переехал через океанический хребет. Это впервые случилось около тридцати миллионов лет назад и продолжалось с перерывами до тех пор, пока небольшая плита между хребтом и зоной субдукции не была постепенно попросту съедена. Сохранились кое-какие небольшие обломки ее против берегов Мексики и южнее, а также против штатов Орегон, Вашингтон и Британская Колумбия к северу. Но по мере исчезновения этой плиты появились новые границы между плитами, чтобы облегчить глобальное взаимодействие плит в их движении. В ответ на это литосфера раскололась около края континента. Небольшая часть Северо-Американской плиты прикрепилась к Тихоокеанской плите, и родился разлом Сан-Андрэас.
На мировой карте литосферных плит, как, например, на рис. 5.2, трансформные разломы имеют вид аккуратных тонких линий. В действительности они представляют собой очень сложные границы, особенно когда они располагаются на континентальной коре. Хотя на геологической карте есть только один большой разлом, обозначенный как «разлом Сан-Андрэас», который действительно имеет вид величественного ущелья, особенно сверху, на самом деле литосферные плиты скользят одна вдоль другой на протяжении очень широкой области Калифорнии, отличающейся множеством разломов и признаков деформации. Многие из них ориентированы более или менее параллельно по отношению к самому разлому Сан-Андрэас; большая часть проявлений столь известной сейсмической активности в Калифорнии сосредоточена вдоль этих менее известных разломов.
Рис. 5.6. Эти диаграммы (сверху вниз) показывают, как развивался западный край Северной Америки, постепенно надвигаясь на раздвигающийся среднеокеанический хребет (двойные линии) в Тихом океане. Вплоть до первой половины третичного периода вдоль всего побережья существовала зона субдукции (зубчатые линии), в которой дно Тихого океана подворачивалось под Северную Америку (верхняя схема). В настоящее время (нижняя схема) трансформный разлом — разлом Сан-Андрэас — соединяет сохранившиеся сегменты океанического хребта в Калифорнийском заливе и к западу от Ванкувера в северо-восточной части Тихого океана. Небольшой осколок континента, включающий Баджа (Baja), Калифорния, Лос-Анджелес и побережье Калифорнии к северу от Сан-Франциско, является сейчас частью Тихоокеанской плиты, движущейся на северо-запад относительно остальной части континента. Составлено согласно рис. 16.24 из книги: В. Дж. Скиннер и С. С. Портер «Динамическая Земля». Изд-во «Джон Уайли и Сыновья». Использовано с разрешения.
Итак, суммируя вышеизложенное, отметим, что литосферные плиты придают поверхности Земли мозаичную структуру, имеют края, представляющие собой океанические хребты, от которых расходится морское дно, либо зоны субдукции или трансформные разломы; именно в этих краевых областях сосредоточена большая часть проявлений земного вулканизма, сейсмической активности и метаморфизма. Окружающая всю Землю система океанических хребтов, самые высокие горы Земли и ее самые прекрасные и самые опасные вулканы — все они располагаются на границах литосферных плит.
ГОРЯЧИЕ СТОЛБЫ В МАНТИИ
Из вышесказанного можно было бы сделать вывод, что внутренние части плит являются в геологическом плане спокойными областями земной коры, и по большей части это так и есть. Тем не менее есть и исключения. Например, при взгляде на карту Тихого океана сразу же бросается в глаза, что внутри Тихоокеанской плиты, вдалеке от ее краев, очень много островов. И все они являются вулканами. Многие из них уже неактивны («потухшие вулканы»), а некоторые даже целиком заросли кораллами, но все они образовались в результате вулканизма.
Но как возможна вулканическая активность в таком удалении от границ плит? Гавайские острова являются в этом отношении поучительным примером. Подобно многим другим островным группам в океанах они расположены цепочкой. В сущности, если обозначить на карте и подводные вулканы, то получится очень длинная и действительно впечатляющая цепь, простирающаяся от собственно Гавайских островов до Алеутского рва (рис. 5.7). В 1840-х годах американский геолог Джеймс Дэли заметил, что различные острова этой группы, видимо, прошли сходный путь геологической эволюции, но все более эродируются и поэтому, вероятно, чем восточнее, тем старше. Затем в 1963 году, в самом начале эпохи разработки тектоники плит, канадский геофизик Тьюзо Уилсон понял, что это закономерное увеличение возраста островов могло получиться при условии, что они возникали в поверхностной литосферной плите, перемещавшейся над неподвижным вулканическим источником, находящимся под нею. Уилсон предположил, что длинная цепь вулканов, протянувшаяся на северо-запад от острова Гавайи, представляет собой проявление на поверхности какой-то древней и глубоко укорененной локальной структуры в мантии.
Рис. 5.7. Цепь островов и подводных погасших вулканов простирается на запад от Гавайских островов в направлении к Алеутскому желобу. Определение абсолютного возраста пород из этих вулканов показало, что в направлении от ныне активных вулканов Гавайских островов на запад и северо-запад их возраст увеличивается (цифры на карте обозначают возраст в миллионах лет). Резкий изгиб цепи отражает изменение направления движения Тихоокеанской плиты около 45 миллионов лет назад.
Хотя эта идея и не была сразу воспринята геологами и геофизиками, сейчас она составляет главную опору тектоники плит. Ее подтверждает также тот важный факт, что датировка лавы из разных островов Гавайской (и других аналогичных ей) островной цепи показала, что их возраст увеличивается при движении от ныне активного вулкана именно так, как предполагал Дэли (рис. 5.7). Большинство вулканов, расположенных во внутренних частях плит, образовалось, как сейчас считается, в результате деятельности мантийных столбов — неподвижных источников вулканического материала, которые поднимаются из глубин мантии. Их современные проявления, такие как остров Гавайи, называются «горячими точками». Большинство крупных и активных вулканов, расположенных внутри океанических плит, сопровождаются образованным горячей точкой «хвостом», или цепью еще более древних потухших вулканов, которые как бы маркируют или провешивают путь поверхностной литосферной плиты над глубоко сидящим мантийным столбом. Эти столбы, по-видимому, возникают на больших глубинах, возможно даже на границе между ядром и мантией, и многие из них очень долго сохраняют свою активность. Самые древние вулканы в цепи Гавайских островов, образующие «хвост», связанный с конкретной горячей точкой, имеют возраст, приближающийся к восьмидесяти миллионам лет. Острова Таити и остров Пасхи в Тихом океане, острова Реюньон и Маврикий в Индийском океане и вообще большая часть островов во всех океанах Земли обязаны своим существованием мантийным столбам.
КАК ДАВНО РАБОТАЕТ ТЕКТОНИКА ПЛИТ?
Помимо того что многие из океанических вулканических островов являются очень приятным местом для посещения, эти острова и сопровождающие их «хвосты», образованные горячими точками, особенно полезны для геологов, поскольку они фиксируют места расположения плиты во время ее прохождения над неподвижным источником лавы. Поэтому они позволяют как бы прокрутить назад запись процесса расширения морского дна и реконструировать географию континентов и океанских бассейнов в далеком прошлом. Поскольку плиты обладают жесткостью, положение Тихоокеанской плиты, скажем, пятьдесят миллионов лет назад можно определить, передвигая ее так, чтобы вулканы, которым пятьдесят миллионов лет, оказались на месте расположения ныне действующего вулкана, например, сегодняшнего острова Гавайи.
Однако поскольку океанские бассейны являются на самом деле довольно эфемерными образованиями на геологической временной шкале, реконструирование географии мира путем прослеживания движения плит через горячие точки возможно только для последних пяти процентов геологического времени. Те же трудности возникают при попытке проследить историю расширения дна океана, используя аномалии магнитного поля, обусловленные сменой полярности магнитного поля Земли. Как можем мы получить информацию о движении плит в более ранние времена? О процессах, происходивших более 200 миллионов лет назад, единственные указания мы получаем только на континентах, но и их трудно найти и интерпретировать. Например, магнитные свойства континентальных пород можно иногда использовать для определения их положения относительно магнитного полюса во время их образования, но это можно сделать только в том случае, если породы имеют сегодня в точности ту же ориентировку, что и в то время, когда они приобрели свои магнитные свойства. Если они были смяты в складки или наклонились, то их интерпретация становится гораздо более трудной, если вообще возможной. Более того, поскольку континенты на протяжении своей геологической истории путешествовали по всему земному шару, то для очень древних пород оказывается невозможно даже определить, в северном или южном полушарии произошло их намагничивание.
Иногда информацию о положении плит дают ископаемые остатки организмов. Аргументы Вегенера в пользу дрейфа континентов опирались частично на свидетельство ископаемых остатков, показывавших, что некоторые материки, отделенные сейчас друг от друга широкими пространствами океана, когда-то соединялись друг с другом. Иногда они могут даже указывать на географическую широту места своего образования или по крайней мере их можно использовать для различения тропических типов среды их обитания от полярных. Однако ископаемые остатки организмов характеризуют лишь сравнительно поздние этапы геологической истории и бесполезны для этой цели в докембрии. Для протерозойской и архейской эр относительное положение плит и даже, в некоторых случаях, состав плит почти неизвестны. И в самом деле, еще недавно велись горячие споры о том, действовала ли вообще тектоника плит в столь отдаленном прошлом. И тем не менее, как было отмечено в главе 4, имеются многочисленные свидетельства о существовании континентальных швов в докембрии; эти швы должны отмечать места расположения древних зон субдукции, в которых древние континенты или их фрагменты сталкивались друг с другом при закрытии океанских бассейнов. Характер пород в этих зонах в общем похож на тот, что наблюдается в более поздних примерах. Убедительным признаком во многих таких шовных зонах является наличие небольших осколков океанского дна, выброшенных на материк во время столкновения плит, — ясное указание на то, что они образовались в районе сближения и столкновения плит в области субдукции морского дна. Таким образом, хотя и существует еще некоторое количество скептиков, большинство геологов убеждено, что тектоника плит действовала приблизительно так же, как и в наше время, миллиарды лет и даже, вероятно, с самого начала истории Земли.