Краткая история планеты Земля. Горы, животные, огонь и лед
Шрифт:
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
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
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.
Глаза 6.
ПРИРОДНЫЕ ЧАСЫ
В предыдущих главах много говорилось о времени. Геология является, в сущности, исторической наукой и поэтому время имеет в ней первостепенное значение. Земля образовалась 4,5 миллиарда лет назад, Атлантический океан начал открываться около 200 миллионов лет назад, динозавры вымерли 66 миллионов лет назад. Все эти утверждения содержат вполне точные даты важных событий в истории Земли. Как можем мы быть уверенными в том, что они верны?
Древние греки и римляне вывели из своих наблюдений над природой, что осадочные породы образовывались в течение долгих промежутков времени. Однако только Джеймс Хаттон, выдающийся шотландский геолог, выдвинувший принцип актуализма, первый в Новое время стал убеждать своих современников, что летопись горных пород уходит поистине в древнейшие времена. Его подход к проблеме геологического времени был прост и классически научен: он наблюдал протекающие вокруг него процессы осадконакопления и понял, что обычно они протекают очень медленно. Из этого он сделал вывод, что мощные выходы недавно затвердевших осадков, которые он наблюдал в крутых обрывах, должны свидетельствовать об очень длительных периодах накопления осадков. Дарвин, который был знаком с идеями Хаттона, также пришел к выводу, что для объяснения процессов биологической эволюции, которые записаны
в ископаемых остатках горных пород, требуется огромное время.
Но ни один из этих ученых, как и никто из их современников, которые были убеждены в огромной древности Земли и медленном темпе геологических изменений, не имели способа точно определить геологическое время. И тем не менее геологами была предложена шкала времени, охватывающая сотни миллионов лет, и числовые оценки, которые были революционными в их время. Многие представители влиятельной элиты того времени получили образование, опирающееся на теологию; такие идеи находились в резкой оппозиции к принятой тогда буквальной интерпретации Библии. Ведь именно из-за враждебного отношения христианской церкви были отброшены идеи древних греков о древности осадочных пород и находящихся в них окаменевших остатках организмов. Более того, подобно гипотезе Вегенера о континентальном дрейфе, представления передовых ученых о настолько древней Земле подвергались нападкам других ученых. Особенным влиянием во второй половине девятнадцатого века пользовался английский физик Лорд Кельвин, который еще в конце этого века доказывал, что Земля не может быть старше сорока миллионов лет, а вероятнее всего имеет возраст не больше двадцати миллионов лет, который он определил на основе своей теории о процессе ее охлаждения. Его доводы, казалось, были правильными, и геологам было трудно в то время противопоставить им какие-либо количественные расчеты, но они противоречили геологическим фактам.
Один из просчетов в аргументации Лорда Кельвина, как мы сейчас знаем, состоит в том, что он не знал того факта, что Земля содержит ряд естественно встречающихся радиоактивных изотопов. Она медленно распадаются, выделяя тепло в этом процессе и эффективно продлевая процесс охлаждения Земли. Но в то время, когда Кельвин делал свои вычисления, радиоактивность была еще неизвестна, поэтому он не мог учесть ее влияние на процесс охлаждения Земли.
Существует забавный рассказ об Эрнесте Резерфорде, одном из пионеров исследования радиоактивности, который имеет отношение к оценке возраста Земли Лордом Кельвином. Однажды Резерфорд читал лекцию о теплоте, выделяющейся в процессе радиоактивного распада. Он нервничал, поскольку Лорд Кельвин, еще имевший мощное влияние в английской науке, находился среди публики. В своей гладкой речи он объявил, что в сущности Лорд Кельвин предвидел открытие радиоактивности, поскольку его расчет возраста Земли был сделан при условии, что результат вычислений мог бы оказаться иным, если бы был найден новый источник внутреннего тепла Земли. Рассказывали, что Лорд Кельвин, которому тогда было восемьдесят лет, клевал носом во время лекции, но проснулся с широкой улыбкой, когда услышал заявление Резерфорда.