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

Магдугалл Дж. Д.

Не так давно даже геологи не могли понять, почему существуют вулканы в Японии, или почему в центре России тянутся Уральские горы. Теория тектоники плит все это изменила. Неожиданно и геология, подобно большинству других научных дисциплин, нашла опору, благодаря которой многие, казалось бы, разрозненные наблюдения получили свое объяснение. С точки зрения этой теории, земная поверхность состоит из ряда больших жестких плит толщиной около 100 километров, которые медленно движутся относительно друг друга.

В некоторых местах эти плиты раскалываются на части и растут в результате поступления из глубин нового материала вдоль расходящихся границ этого раскола. В других местах эти плиты сталкиваются друг с другом, причем обычно одна из них ныряет под другую и погружается в глубины Земли. В третьих местах гигантские плиты просто скользят своими краями друг по другу, размалывая земную кору в этом процессе, как это происходит вдоль разлома Сан-Андреас

в Калифорнии. Почти вся геологическая активность сосредоточена вдоль границ плит. Если нанести на карту мира эпицентры всех землетрясений, которые произошли за последнее десятилетие, то места их концентрации четко обрисуют очертания всех тектонических плит. Большая часть вулканической активности Земли также приурочена к границам плит.

Тектоническая карта мира с нанесенными границами плит представляет собой гигантскую мозаику, каждый элемент которой — тектоническая плита, правда, в отличие от обычной мозаики, все составляющие ее кусочки движутся, а их очертания — хоть и медленно, но неуклонно — изменяются. Через пятьдесят миллионов лет на такой карте Лос-Анджелес окажется на острове где-то напротив центральной части Британской Колумбии, а Австралия переползет к островам Индонезии. Нью-Йорк окажется дальше от Лондона, чем сейчас, но ближе к Токио, потому что Атлантический океан расширится за счет Тихого.

Вопреки некоторым распространенным мнениям, тектонические плиты не плавают по поверхности лежащего ниже слоя наподобие льда, плывущего по воде. Напротив, они движутся путем своеобразного пластического течения в своем основании. Внутренность Земли является твердой, но также и горячей, что позволяет ей деформироваться и течь. Такое течение заметно только за длительные промежутки времени, подобно движению ледников. В противоположность лежащим ниже слоям Земли, поверхностные плиты являются холодными и довольно жесткими. Их физические свойства отделяют их от лежащей ниже конвектирующей зоны Земли.

Рис. 1.2. Схематический разрез Земли, показывающий ее слоистое строение. Увеличенный фрагмент внешней оболочки Земли показывает, что континенты и океаническая кора различаются по толщине и что и те и другие представляют собой части литосферы — жесткой внешней кожи Земли, которая образует плиты, изучаемые тектоникой плит.

Конвекция во внутренних частях Земли фактически является главным механизмом, посредством которого Земля теряет тепло. Горные породы, образующие оболочку, называемую мантией (рис. 1.2), настолько плохо проводят тепло, что потребовалось бы много миллиардов лет, чтобы одна только теплопроводность могла перенести тепло из глубин Земли к ее поверхности. Тем не менее процесс конвекции в мантии физически перемещает вещество из глубин к поверхности, а уравновешивающий нисходящий поток перемещает более холодное вещество от поверхности вглубь. Вероятно, что эта конвекционная циркуляция, по крайней мере, частично обусловливает движение поверхностных плит.

Хотя внутренность Земли в основном твердая, очень плотная часть земного ядра в самом центре (рис. 1.2), составляющая приблизительно третью часть ее массы, — по-видимому, жидкая. О ядре мы более подробно расскажем ниже, но пока достаточно отметить, что оно состоит в основном из железа и что именно вследствие конвекции его жидкой внешней части Земля имеет магнитное поле. Мы знаем это, хотя никому еще не удалось получить образцы вещества из ядра. Оставив в стороне путешествие к центру Земли, созданное воображением Жюля Верна, следует признать, что никому из людей не удалось еще проникнуть вглубь Земли более, чем на несколько километров, и что даже самые глубокие буровые скважины не достигли еще и 10-километровой глубины. Отметим для контраста, что внешняя граница ядра находится на глубине 2900 км, а радиус ядра от центра его до этой границы составляет приблизительно 6370 километров.

Не имея прямой информации о глубинах Земли, приходится пользоваться данными, которые дают геофизические методы исследования. Несомненно, что самая полезная информация о внутреннем строении Земли получена в результате исследований сейсмических волн, возникающих при землетрясениях и идущих сквозь толщу Земли. Очевидно, что крупные землетрясения освобождают огромные количества энергии, которая распространяется сквозь Землю в виде звуковых (сейсмических) волн.

Их можно записать с помощью чувствительных приборов (сейсмографов) в очень удаленных частях земной поверхности, подобно тому как, ударив молотком по концу стола, мы можем почувствовать вибрации на другом конце. Размах и ширина колебаний, которые чертит перо сейсмографа на движущейся бумаге (или луч света на движущейся фотопленке), являются реакцией прибора на колебания земной коры. Подробности интерпретации записей сейсмических колебаний довольно сложны, и мы не будем их здесь рассматривать. Тем не менее, конечным результатом многолетней работы по записи и интерпретации сигналов от землетрясений на разбросанных по всей поверхности Земли сейсмических станциях является определение

средней скорости прохождения сейсмических волн через различные части Земли. Поскольку скорость прохождения сейсмических волн прямо связана с плотностью различных сред, через которые они проходят, геофизики смогли рассчитать плотности различных частей Земли и на их основе сделать выводы о минеральном составе этих частей. Эти данные показали, что Земля имеет слоистое строение (рис. 1.2) и что главные оболочки Земли имеют различные плотности и химический состав. Хотя на рис. 1.2 приведена упрощенная картина строения Земли, видно, что химический состав главных оболочек различен. Это крайне важно для познания ранней истории нашей планеты, поскольку большинство ученых считает, что эти ныне разделенные компоненты в первоначальный период формирования Земли были перемешаны в более или менее однородную массу. Насколько можно судить по имеющимся данным, другие подобные Земле планеты (Меркурий, Венера и Марс) так же, как и Луна, подверглись глобальной химической дифференциации. В большей части этой книги рассматриваются процессы, происходящие на поверхности или внутри земной коры, то есть самой верхней из твердых оболочек Земли. Достаточно беглого взгляда на рис. 1.1, чтобы увидеть, что объем земной коры совершенно незначителен по сравнению с другими оболочками планеты. Это только тонкая кожица на поверхности Земли толщиной всего 5-6 километров под океанами и от 30 до 40 километров на континентах. Если бы Землю можно было пропорционально сжать до размеров яблока, то самые толстые части земной коры едва достигли бы в этом масштабе толщины кожицы. Но все равно именно кора содержит месторождения минералов, именно на ней возникла жизнь и именно на ней мы живем. Это наиболее известная нам часть планеты, поскольку ее можно изучать, анализировать и измерять. Она возникла за долгий геологический период в результате плавления внутренних частей Земли и переноса кипящих жидкостей к поверхности.

Граница между земной корой и лежащей ниже оболочкой — мантией — отмечается резким возрастанием скорости сейсмических волн, отражающим переход к более плотным породам глубин Земли. Породы мантии богаче железом и магнием по сравнению с корой и беднее более легкими элементами, такими как алюминий. Это установлено как на основании сейсмических исследований, так и по реальным образцам пород. Но как же можно получить образцы пород из мантии, если даже самые глубокие буровые скважины не проникают сквозь всю земную кору? Оказалось, что природа нам помогла — есть несколько мест на Земле, где вулканические лавы, образовавшиеся в мантии, захватили с собой обломки таких пород и вынесли их на поверхность. Благодаря этому в числе прочего мы (по крайней мере некоторые из нас) можем носить украшения из бриллиантов. Бриллианты — это одна из форм углерода, являющегося также главной составной частью каменного угля — не очень популярного материала для украшений. Тем не менее при высоких давлениях, существующих в мантии, обычный каменный уголь превращается в алмазы, из которых изготавливают и бриллианты. Необходимое для этого давление начинается на глубинах порядка 200 километров; алмазы Южной Африки, да и других месторождений, были вынесены на поверхность вулканическими магмами, которые образовались по меньшей мере на такой глубине. Конечно, тот факт, что алмазы находят в горных породах, происходящих из мантии, отнюдь не означает, что внутренность Земли состоит из алмазов, — сами алмазы в породах, происходящих из мантии, встречаются редко, но именно твердые обломки пород, в которых изредка находят алмазы, дают нам ключи к выяснению состава мантии.

Рис. 1.2 показывает, что тектонические плиты, слагающие земную поверхность, включают как кору, так и материал мантии. Их основание не отмечено сменой типов пород, скорее, оно представляет собой физическую границу, ниже которой скорость сейсмических волн резко снижается. Считается, что эта граница соответствует той глубине, на которой породы мантии ближе всего к своей точке плавления и, в силу возросшей температуры и высокого давления, ведут себя пластически, позволяя верхней жесткой плите медленно перемещаться по нижней конвектирующей мантии. Жесткая внешняя часть Земли, состоящая из плит, изучаемых тектоникой плит, получила в науке название «литосфера» — от греческого слова «литое», означающего камень или горную породу.

Масса мантии составляет около двух третей всей массы Земли. Эта оболочка Земли подразделяется на основании некоторых тонкостей распределения скоростей сейсмических волн на две части — внутреннюю и внешнюю. Внутри нее располагается ядро Земли, которое включает остающуюся треть общей массы Земли и состоит, как уже указывалось, в основном из железа. На границе между ядром и мантией отмечается резкий скачок скорости распространения сейсмических волн, отражающей смену вещественного состава от пород мантии к металлу ядра. Некоторые типы волн не распространяются через жидкие среды. Установлено, что они не проходят через внешнюю часть ядра, указывая тем самым на его жидкое состояние. Однако внутренняя часть ядра является твердой.