Краткая история планеты Земля. Горы, животные, огонь и лед

Магдугалл Дж. Д.

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.