Новая модель: Гарри Хесс и тектоника плит

Основы новой динамической модели Земли заложил в 1960 году заведующий кафедрой геологии Принстонского университета Гарри Хесс. Маленького роста, с яйцевидной головой и с намеком на усы, под которыми из уголка губ свисала сигарета, - он никак не походил на человека, избранного Вашингтоном для проведения специальной научной программы США. Но этот человек был одержим страстью - узнать сокровенные тайны динамики Земли.

Ученик Венинга-Мейнеса, он много времени посвятил изучению глубоководных впадин. Он был убежден, что именно они играют решающую роль в этой динамике. Не довольствуясь работой только в океанах (что позволило ему стать адмиралом военно-морских сил США), он пытался также установить историю возникновения горного пояса на Антильской дуге. Он был уверен, что обнаружил здесь признаки, позволяющие определить природу мантии, то есть тех пород, которые подстилают континентальную кору, и проникся убеждением, что океаническая кора представляет собой измененную мантию.

Следовательно, рассуждал он, если континентальная кора не претерпевает никаких изменений с момента своего возникновения, то кора океаническая недолговечна. Достигнув океанического дна, магма остывает, и образовавшаяся в результате этого океаническая кора, становясь все более тяжелой, опускается до тех пор, пока не перейдет в первоначальное жидкое состояние.

Хесс был согласен с Хизеном, что рифт представляет собой место образования новой океанической коры, но отвергал гипотезу расширения планеты и считал, что количество океанической коры, опускающейся в мантию в глубоководных желобах, равно количеству магмы, излившейся через рифты.

Он пояснял, что все происходит так, как если бы дно океанов перемещалось в обе стороны от рифта гигантским подвижным "эскалатором", который в рифте поднимается из мантии, а в океаническом желобе опускается в мантию. Время движения "эскалатора" от рифта до желоба по расчетам должно занять от 200 до 300 миллионов лет.

Что касается Атлантического океана, на окраинах которого глубоководных желобов нет, то гипотеза Хесса здесь ничем не отличается от гипотезы Хизена. Этот океан расширяется, удаляя континенты один от другого. Иное дело - Тихий океан. В применении к нему теория Хесса преломляется совершенно иначе, поскольку площадь ложа у этого океана в целом уменьшается. Расположенные по его периферии желоба поглощают блоки океанической коры значительно быстрее, нежели рифт успевает формировать новые.

Модель Хесса дополняла гипотезу дрейфа материков. Дрейф материков несомненно существует, но это пассивный дрейф, то есть такой, когда континент как бы едет на поверхности движущегося "эскалатора".

Дно океана полностью обновляется каждые 300 или 400 миллионов лет. По геологическим меркам это ничтожный отрезок времени. Настанет день, когда глубоководные желоба возникнут на окраинах Атлантического океана и Европа с Америкой снова сблизятся. Материки, вовлекаемые в этот бесконечный хоровод, могут деформироваться, расчленяться или воссоединяться в зависимости от того, куда их занесет "эскалатор", к которому они прикреплены. Но они никогда не исчезают. Они вечны. Горные цепи являются результатом столкновения материков и возникающего отсюда сжатия океанической и континентальной коры, как это случилось с Андами, или двух континентальных блоков, как это случилось с Гималаями или Альпами.

С присущей ему скромностью Хесс говорил о своей гипотезе как об "эссе из области геопоэзии". И надо признать, что она именно так и воспринималась большинством ученых, ибо опрокидывала слишком много установившихся понятий и не опиралась ни на одно из прямых доказательств.

На этот раз убедительное доказательство "тектоники плит" пришло из Кембриджа. Фред Вайн заканчивал докторскую диссертацию о рифте Карлсбергского хребта в Индийском океане. Его особое внимание привлекло распределение магнитных аномалий. Речь идет о незначительных отклонениях в магнитном поле Земли, связанных с тем, что залегающие в ней породы, как мы видели выше, обладают собственной намагниченностью и, следовательно, создают слабый магнитный эффект, который накладывается на главное земное поле точно так же, как поле любого отдельного магнита.

В то время английские геофизики были уверены, что материки дрейфуют, и находили правдоподобной идею обновления океанического дна. Специалисты по палеомагнетизму сумели их убедить, что направление магнитного поля Земли за протекшие геологические эпохи неоднократно менялось. В продолжение нескольких миллионов лет Южный и Северный полюса согласованно меняли свою полярность. Иначе говоря, стрелка компаса, показывающая сейчас на север, 700 тысяч лет назад, в период последней смены полюсов, показывала бы на юг. А Фред Вайн подтвердил существование на хребтах вулканов, породы которых обладают обратной намагниченностью, то есть направленной противоположно современной.

Он и его коллега Драммонд Мэтьюз делали отсюда вывод, что если обновление океанического дна действительно происходит, то в океанической коре должно наблюдаться чередование участков со следами прямого и обратного направления магнитного поля. В самом деле, вулканическая порода, поступающая сейчас в рифт, намагничивается по направлению современного магнитного поля, но вулканическая порода на обеих лентах движущегося конвейера, выброшенная из земных недр 700 тысяч лет назад, имеет противоположную по знаку намагниченность. Таким образом, океаническое дно должно характеризоваться рядом параллельных и симметричных по отношению к рифту полос, где намагниченность должна последовательно меняться в диаметрально противоположном направлении. Зная время смены знака магнитного поля, можно датировать и сами полосы, если начинать отсчет по обе стороны рифта, то есть в глубь веков. Само собой разумеется, что таким образом высчитывается и скорость образования океанического дна на оси хребта.

Гипотеза давала ключ, которым легко пользоваться. Магнитное поле поддается измерению: для этого за кормой судна буксируется магнитометр. И вот, проложив маршруты над подводными хребтами, ученые получили данные о магнитном поле на огромных пространствах океанического дна. Группа Юинга собрала фантастически огромную коллекцию таких данных.

Экспедиция, проведенная Вайном и Мэтьюзом в 1966 году, дала положительные результаты.

Карта океанического дна постепенно покрывалась новыми обозначениями, которые шли параллельно и симметрично по отношению к рифту, вдоль которого была определена и скорость разрастания площади дна. Она колеблется между 2 и 20 сантиметрами в год, или 20 и 200 километрами в миллион лет. Удалось показать, что возраст, самых древних зон земной океанической коры нигде не превышает - 180 миллионов лет, а это составляет менее одной двадцатой возраста Земли.

И сразу же неисчерпаемым потоком в научные лаборатории: хлынули факты. Ранее "вертикалистски" настроенный, ученый мир отныне что ни день все более и более стал склоняться в сторону дрейфа материков. Этому способствовали исследователи Ламонтского, центра, обращенные в новую веру результатами собственных магнитных измерений по профилям.

И все же модель Хесса не была совершенна - прекрасно позволяя понять, что представляет собой рифт и глубоководный желоб, и определить эволюцию океанической коры на пути от рифта до желоба, она не объясняла причин весьма неравномерного распределения на земной поверхности самих желобов и рифтов. Кроме того, она не позволяла произвести расчет относительного движения различных частей земной поверхности. Итак, необходимо было определить эти перемещения, чтобы связать их с сейсмичностью, причиной которой они являлись. Этим последним штрихом, завершившим причудливое построение всей системы, должна была стать количественная модель так называемой тектоники плит.

Прежде чем изложить эту модель, уместно прибегнуть к аналогии. Если бак с воском подогреть так, чтобы на дне он растопился, а сверху его охладить, например, при помощи вентилятора, то на поверхности образуется пленка твердого воска. Растягивая затвердевший воск к противоположным краям бака, мы заметим, как он разделится на две самостоятельные плитки. По мере их расхождения жидкий воск начнет изнутри подниматься в образовавшуюся щель, выйдет на поверхность, охладится и отвердеет, пристав с одной и с другой стороны к разделенным краям плиток. Между двумя наращенными из твердого материала плитами образуется рифт. Пример как нельзя лучше подходит к Атлантическому океану, площадь которого увеличивается за счет наращивания новых пород, поступающих через расселины рифта. Охлаждаясь, эти породы образуют по обеим сторонам рифта два твердых недеформируемых слоя, мощность которых достигает приблизительно 70 километров.

Человек-лилипут не заметил бы никакого движения, окажись он в качестве наблюдателя в центре восковой пластины, которая I перемещается без всякой деформации. Для того чтобы заметить движение, необходимо дойти до края рифта, и тогда по другую сторону обнаружится отход второй пластины.

Можно представить и другую картину: не удаление плит, а их сближение. В этом случае они наползают одна на другую, и та, что оказывается придавленной, постепенно растапливаясь, возвращается в жидкое состояние. Феномен наползания пластин соответствует глубоководному желобу. Действительно, океаническая плита, погружаясь в глубь Земли, также разогревается и приходит в свое изначальное состояние: она растворяется в мантии.

Таким образом, у нас возникло понятие подвижной, но недеформируемой плиты, которая претерпевает изменения благодаря приросту новой поверхности в рифте или разрушению старой в желобе. Теперь можно усложнить модель и разделить бак не на две пластины, а на пять или шесть частей и даже более. Попытаемся их двигать в разных направлениях. Во всех случаях поверхность бака будет покрыта твердым воском, но этот воск образуется из мозаики плит, часть из которых будет увеличиваться по площади, а другая часть - уменьшаться из-за сети желобов и рифтов, образующихся на границах, плит, которые передвигаются, как сказано, до отношению друг к другу. Конфигурация этих смещений поддается расчету, если измерить относительную скорость плит вдоль некоторого числа границ между ними.

Подобная ситуация создается и на Земле, с той только разницей, что Земля имеет сферическую, а не плоскую, как поверхность воска в баке, форму.

Таким образом, можно высчитать скорость относительного смещения вдоль рифтов и желобов и все это соотнести с сейсмичностью, которую указанные движения порождают. Ибо совершенно очевидно, что в основе сейсмичности лежат трение, расхождение и столкновение между плитами.

Нас могут спросить: а как обстоит дело с материками?

Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно слегка изменить эксперимент и положить в бак деревянные обрубки, заставив их "плавать" в воске. Они будут фиксированы, как бы "приморожены" к прогнутым ими твердым пластинам воска, на которых они передвигаются, но, как показывает опыт, никогда не будут уничтожены, то есть не утонут.

Качественно модель ничем не отличается от "движущегося конвейера" Хесса, она помогает понять, каким образом плита между рифтом и океаническим желобом остается совершенно недеформированной. Поведение пластин из твердого воска, под которыми находится расплавленный, исследовал американский ученый Джим Брюн. Разъединив две пластины, он, к великому удивлению, констатировал, что рифт не сохраняет криволинейной формы по линии их первоначального разъединения. Наоборот, образовывался ряд прямолинейных участков, перпендикулярных по направлению к линии выхода расплавленного воска, то есть отрезки рифта разделялись смещавшими их перпендикулярными отрезками, вдоль которых происходило относительное скольжение пластин.

Итак, Брюн экспериментальным путем воспроизвел тот наблюденный факт, которому не могли найти объяснения: океанические рифты включают ряд зон, перпендикулярных по направлению к линии выхода магмы, которые были названы "трансформными разломами". Все происходит так, как если бы геометрическая ориентировка смещений рифта подгонялась перпендикулярно по направлению к линии выхода магмы. Карты океанического дна испещрены трансформными разломами, идущими перпендикулярно к рифту, напоминая ребра вдоль позвоночного столба.

Теорию тектоники плит должны были еще уточнить и обосновать в Принстоне, Кембридже и Ламонте. Ее геометрическая модель сначала была построена Джейсоном Морганом из Принстона, затем улучшена Дэном Маккензи из Кембриджа и, наконец, распространена на всю земную поверхность Ксавье Ле Пишоном из Ламонта.

В этой упрощенной модели поверхность Земли была разбита на шесть огромных плит, включающих океаническую и материковую части. Эти плиты перемещаются по отношению одна к другой. Там, где они расходятся, находится рифт, вдоль которого образуется новое океаническое дно. Когда две плиты сходятся, между ними возникает желоб, через который океаническое дно погружается в недра Земли и там, расплавившись, переходит в новое состояние. Зная благодаря магнитным аномалиям отправную скорость движения плит вдоль рифтов, можно вывести скорость их сближения вдоль желобов.

Простым примером этого служит Атлантический океан. Он увеличивается вследствие движения трех плит. На юге Африканская плита, куда входят Африканский континент и океанический бассейн, прилегающий к рифту, расходится с южной частью Американской плиты. На севере Европейская плита, куда, разумеется, входит также прилегающий океанический бассейн, расходится с северной частью Американской плиты. Но эти движения не являются абсолютно согласованными. Направление движения Африканской плиты несколько смещено к северу, а Европейской - к югу.

Удаляясь в своем движении от Американских плит, Европа и Африка приходят в столкновение между собой, сотрясая всю средиземноморскую и альпийскую зону. Отсюда землетрясения в Средиземноморье, начиная от Агадира и Лиссабона и кончая Турцией. Отсюда извержения таких вулканов, как Этна, Везувий и Стромболи в Италии и Санторин в Греции.

Можно высчитать, что в настоящее время скорость встречного движения плит равняется примерно одному сантиметру в год. В процессе такого сближения последние малые океанические бассейны Средиземноморья должны неизбежно исчезнуть. А от моря Тетис, покрывавшего эту зону 200 миллионов лет назад, сохранились только остатки вулканических пород в альпийской горной гряде, которая указывает на место его исчезновения.

Теперь, когда количественная модель была получена, оставалось вписать в нее всю совокупность геологических и геофизических данных, накопленных почти за два столетия. На это ученые и направили все свои усилия. Недостаточно было знать, каковы направление и скорость движения различных плит на поверхности Земли, требовалось раскрыть геологические последствия этих перемещений. Уже намечены многочисленные пути новых исследований: начинается работа по предсказанию землетрясений в глобальном масштабе; формирование горных цепей, еще плохо понимаемое в деталях, в этом контексте наконец легко разгадывается. Вероятно, существует тесная связь между образованием рудных залежей, а также нефти и газа и передвижениями плит. Эти передвижения на поверхности Земли решительным образом влияют на ее климат.

К несчастью, рифтовая долина находится под водой на глубине 3000 метров! Та научная аппаратура, которой мы располагаем, дает о ней весьма неясное представление.

Чтобы распутать клубок сложных явлений, происходящих в слоях, не превышающих по мощности нескольких километров, надо овладеть новой техникой, которая позволила бы просматривать участки размером от одного до десятка метров, в то время как до сих пор наблюдение было возможно только на пространстве не менее одного километра.

Пограничная зона между двумя расходящимися в разные стороны плитами находится где-то во впадине шириной до 30 километров. Этот район, если изучать его с поверхности океана, кажется хаотичным. Он, безусловно, очень плотно насыщен как тектоническими структурами (сдвиги и сбросы), так и вулканами. Обычно полагают, что в местах извержения лавы мощность плиты составляет всего лишь 3 или 4 километра и что плита здесь глубоко рассечена трещинами. Но никому неизвестно, как располагаются эти трещины и какова ширина зоны, в которой происходит извержение лавы. Мы почти ничего не знаем и о сложных процессах, приводящих к кристаллизации вулканических пород, которые затем образуют кору.

Круг возникших проблем определил программу экспедиции "FAMOUS": добыть необходимые данные для истолкования процессов, происходящих в рифтовой зоне, подробно изучив их с помощью надводных судов, погружаемой под воду новейшей исследовательской аппаратуры, а также обитаемых подводных аппаратов.

Словом, речь шла о том, чтобы, преодолев препятствия, которые ставит человеку океан, применить для изучения его дна те методы наблюдения, которые стали классическими на материке.

Лишь так можно надеяться основательно изучить природу и структуру того рифта, который делает нашу Землю живой планетой.