Круговорот земной коры

Расхождение материков, окаймляющих Атлантический океан, - это всего лишь часть планетарного процесса, над механизмом которого ученые долго ломали головы. Немало различных гипотез обошло ученый мир, прежде чем была разработана удивительно простая в своей основе единая модель, объясняющая первопричины дрейфа материков и другие явления, формирующие лик Земли. Грубая схема этой модели заключается в следующем. Поверхность нашей планеты составляют мощные пластины или, как их чаще называют, плиты земной коры. Эти плиты, на которых покоятся материки, находятся в постоянном движении, перемещая находящиеся на них материки со скоростью нескольких сантиметров в год.

Чтобы прийти к этому сейчас большинством ученых признанному решению, надо было преодолеть существовавшие десятилетиями и даже веками представления о геологической эволюции Земли. Казалось очевидным, что главной ареной деятельности внутренних сил планеты являются континенты. Это было обусловлено прежде всего незнанием топографии дна Мирового океана. И сейчас еще наши сведения о подводном рельефе, несмотря на огромные успехи океанологии, далеко не полны. Есть даже утверждения, что топография невидимой нам стороны Луны известна лучше, чем дно Мирового океана. Кроме того, ни у кого не вызывала сомнения стабильность по отношению друг к другу континентов. Люди знали о горообразовательных процессах на суше, об огромных вертикальных перемещениях блоков земной коры, но, чтобы материки куда-то миллионы лет плыли - такое большинству авторитетов казалось невероятным.

Происходящие на Земле процессы объясняли сжатием планеты в результате предполагаемого ее остывания, грозящего в конце концов тепловой смертью. Землю сравнивали с яблоком, кожура которого по мере усыхания мякоти морщится. Подобными морщинами на Земле считали горы. Теория охлаждения нашей планеты выглядела необычайно научной и кочевала из одного учебника геологии в другой.

Английский физик Осмонд Фишер отверг эту теорию. В планете Земля он увидел прообраз тепловой машины. Он усмотрел взаимосвязь между перемещениями земной коры, сейсмичностью, вулканизмом, горообразованием и, самое главное, правильно оценил роль в этих процессах океанических горных структур. Но, чтобы эти идеи прочно вошли в сознание ученых, потребовалось семьдесят с лишним лет, в течение которых господствовали теории неподвижности материков.

Открытие радиоактивности в начале XX века должно было заставить по-иному посмотреть на внутреннее строение Земли, поскольку она имеет свой источник тепла и тепловая смерть ей не грозит. Земля, как выяснилось, является живой планетой. Однако и это событие не смогло дать нужного толчка для радикального пересмотра укоренившихся в науке взглядов.

Наиболее ощутимый удар по концепциям фиксистов (так называют ученых, считающих материки неподвижными) нанесла гипотеза немецкого метеоролога Альфреда Вегенера, которого поразило сходство в очертаниях восточных и западных берегов Атлантического океана. Основываясь на этом, а также на общности фауны и строения побережий, окаймляющих океан континентов, Вегенер предположил, что сотни миллионов лет назад существовал на Земле единый суперконтинент, расколовшийся на части, которые постепенно разошлись и пространство между ними заполнила вода, образовав Атлантический океан.

Дрейф континентов Вегенер объяснял действием сил, проявляющихся под материками, а не под дном океана. Перемещение континентов ему виделось подобием движения каких-то твердых масс, вспарывающих, словно воск, дно океана. В таком понимании идеи Вегенера, изложенные в 1912 году, продержались недолго - чуть больше десятка лет. Их ниспровергателями стали геофизики, показавшие, что слагающие океанское дно породы гораздо прочнее горных пород материков. Из этого следовало, что дрейф последних невозможен.

Надо сказать, что вулканизм и землетрясения говорили не в пользу Вегенера, которые согласно его гипотезе не могли проявляться на просторах океанского дна, а должны были действовать только вокруг континентов. К этому следует добавить, что Срединный Атлантический хребет, известный тогда как горное плато, Вегенер считал частью отколовшегося и затонувшего материка.

К возрождению гипотезы Вегенера дали толчок все те же геофизики, которые с 1950 по 1970 год сделали открытия, перевернувшие все представления о земной коре. Самым неожиданным оказалось то, что вместо мощного слоя коры толщиной в тридцать - сорок километров, слагающего континенты, дно океанов формирует, можно сказать, тонкая пленка Скальных пород толщиной не более шести километров. Этот слой залегает на плотном глубинном веществе, называемом мантией Земли. Причем было выяснено, что земная кора под океанами имеет большую плотность, чем под континентами. Ученые пришли к выводу: на нашей планете существуют только два основных типа земной коры - океанический и континентальный. Иными словами, материки не могут стать океанами, и наоборот.

Геомагнитные исследования пролили свет на движение континентов. При стабильном положении материков магнитные полюса должны всегда оставаться на одном и том же месте, но они смещаются. Это было принято за свидетельство дрейфа континентов.

С возрождением идей Вегенера появилась на свет теория расширения Земли. Ее стали сравнивать с футбольным мячом, покрышка которого лопается при чрезмерном накачивании его воздухом. Такими же трещинами являются рифтовые долины, или, как их называют кратко, рифты. Казалось, появилась ясность в механизме формирования срединных хребтов, рифтов и возникновения новой коры вдоль последних за счет поднятия глубинного вещества. Все это согласовывалось с разницей в возрасте океанских и континентальных пород. Первые намного моложе последних, причем породы рифта самые молодые. Одним из важных аргументов в пользу теории расширения Земли являлась симметрия Срединного Атлантического хребта. Действительно, при равно- мерном растяжении океанского дна после раскола суперконтинента возникающее горное сооружение в поперечном сечении должно быть симметричным, подобно вспученности футбольной камеры в трещине покрышки.

Как обычно, с ответами на поставленные вопросы появились новые загадки. Как могло случиться, что за последние двести миллионов лет - этой цифрой исчисляется, судя по породам, максимальный возраст самых древних участков океанского дна - Земля смогла увеличить свою поверхность в два-три раза, тогда как за предыдущие четыре с лишним миллиарда лет существования она должна была оставаться неизменной? Если теория расширения океанского дна достаточно четко объясняла формирование срединных океанических хребтов, то происхождение глубоководных желобов выпадало из ее схемы.

Из создавшегося тупика позволила выйти новая динамическая модель Земли, разработка которой началась примерно в 1960 году, чему способствовало изучение роли глубоководных желобов в планетарных процессах.

Континентальная кора с момента своего возникновения не претерпевает резкого изменения, за исключением процессов выветривания. Что касается океанической коры, то она не постоянна. В зоне рифта эта кора наращивается за счет поднятия глубинного вещества. Одновременно с другого края она убывает, уходя в глубоководные желоба, где растворяется в мантии Земли, как бы восполняя потери глубинного вещества, использованного на наращивании коры в зоне рифта. Получается замкнутый цикл - круговорот земной коры. Такое возможно, если огромные участки земной коры вместе с целыми континентами перемещаются в обе стороны от рифта, оставляя вдоль него вновь образующиеся горы и подминая в районе глубоководных желобов океанское дно. Такой цикл занимает примерно двести - триста миллионов лет.

Согласно этой схеме Атлантический океан расширяется, постоянно отдаляя западные материки от восточных. На окраинах этого океана глубоководных желобов нет, и в нем дрейф континентов происходит так, словно Земля расширяется. Другое дело - Тихий океан. Здесь происходит сближение окружающих его материков. В нем океаническая кора поглощается глубоководными желобами, расположенными по периферии океана. Таким образом, дрейф материков существует, но они перемещаются пассивно, влекомые мощными плитами земной коры, в которые как бы впаяны.

Ученые считают, что придет время (через каких-нибудь несколько сотен миллионов лет, что по геологическим меркам составляет незначительный отрезок) и по окраинам Атлантики возникнут глубоководные желоба. Тогда начнется процесс сближения материков; в конце концов обе Америки, Европа и Африка сомкнутся вновь.

Материки находятся в постоянном движении, транспортируемые своеобразным конвейером. При этом они Деформируются, расчленяются и сталкиваются по воле круговорота земной коры. Но они вечны и исчезнуть не могут. Существующие на материках горные сооружения рождены в результате столкновения материков и возникающего при этом сжатия континентальной и океанической коры.

Новая модель динамических процессов Земли все же оказалась несовершенной. Она не могла объяснить неравномерность распределения на нашей планете рифтов и глубоководных желобов, а также не позволяла применить математический аппарат для вычисления относительного движения различных частей земной поверхности. А последнее крайне важно для сопоставления этих перемещений с сейсмичностью, следствием которой они являются. Поэтому логическую схему круговорота земной коры надо было выразить в виде количественной модели. И опять начались поиски.

Прежде всего был поставлен лабораторный эксперимент. В большом баке растопили воск и остудили его поверхность. На ней образовалась твердая пленка. Ее стали растягивать к противоположным краям бака. Она разорвалась на две части - плитки. По мере их расхождения жидкий воск из глубины бака стал заполнять щель. Поскольку поверхность бака все время охлаждалась, то поднявшийся снизу расплавленный воск застывал, припаиваясь к краям расходящихся плиток. Между двумя наращиваемыми жидким воском плитками образовалась постоянная трещина - рифт. Эта схема опыта согласуется с процессом, происходящим в Атлантическом океане.

Потом опыт повели по противоположной схеме. Плитки воска начали не разводить, а сближать. При этом они стали наползать друг на друга. Та из них, которая оказывалась снизу, растапливалась и ее масса соединялась с жидким воском. Подобное явление в природе происходит в глубоководном желобе.

В конце концов поверхностный слой твердого воска разделили на несколько произвольных пластинок и стали их перемещать в разных направлениях. При этом площадь какого-то числа пластинок начала уменьшаться, а какого-то - увеличиваться. Это происходило согласно с направлением движения пластинок и имевшей место в опыте сетью "рифтов" и "желобов".

Что касается материков, то их изобразили деревяшками, положенными на дрогнувшиеся под их тяжестью восковые пластинки, которые и транспортировали эти условные материки. Нечто подобное происходит на нашей планете, только плиты реальной земной коры не плоские, как в опытах с воском, а имеют сферическую форму, поскольку Земля - шар.

К удивлению ученых, эксперименты воспроизвели необъяснимый ранее механизм образования перпендикулярных к рифту трансокеанских разломов. Иными словами, при разъединении двух восковых пластинок в них возникают поперечные относительно "рифта" трещины, и участки пластинок смещаются вдоль них. Примерно то же самое происходит на дне океанов. Так, Срединный Атлантический хребет расчленен поперечными разломами, доходящими до берегов континентов, и его участки смещены от продольной оси хребта в направлении этих разломов.

Результаты опытов позволили создать математические методы расчета перемещения плит земной коры, согласованные с сейсмичностью, что открыло путь к прогнозу землетрясений.

Уточненная на основе опытов и математических решений модель динамики земной коры, несмотря на полную очевидность, требовала все-таки фактического подтверждения. Его дали палеомагнитологи.

Под действием магнитного поля Земли вновь образующиеся горные породы намагничиваются и запоминают его направленность. В случае дислокации таких пород благодаря этому можно определить их первоначальное положение, что дает в руки ученых своего рода инструмент для познания динамических процессов в земной коре.

В результате палеомагнитных исследований было выявлено, что магнитное поле Земли неоднократно меняло свою направленность. Сейчас ученые считают, что полярность магнитного поля Земли в среднем менялась в геологической истории нашей планеты через каждые пятнадцать миллионов лет, причем последняя смена полюсов произошла семьсот тысяч лет назад.

Если существует дрейф материков и в рифте происходит наращивание земной коры, то (иначе быть и не может) в результате неоднократной перемены магнитного поля планеты на дне океана по мере удаления в обе стороны от Срединного хребта должны формироваться скальные породы противоположно направленной намагниченности. Такие породы прежде всего нашли на склонах вулканических хребтов. Затем с помощью специальных приборов - буксируемых судном магнитометров - на океанском дне выявили узкие достаточно параллельные и симметричные рифтам полосы, образованные глубинными породами с противоположной намагниченностью. Установив время смены знака магнитного поля Земли, ученые смогли датировать возраст пород по мере их удаления от рифта в разные стороны, т. е. заглянуть в историю формирования и развития океанов.

Благодаря всем этим исследованиям появилась возможность создать стройную теорию круговорота земной коры и вычислить скорость расхождения материков, которая в среднем равна от двух до двадцати сантиметров в год. Согласно этой теории поверхность Земли разделена на шесть огромных плит, включающих океанское дно и материки, которые перемещаются относительно друг друга. Там, где плиты расходятся, существует рифт, являющийся источником глубинных пород, образующих новое океанское дно. В местах схождения плит расположены желоба, через которые океанское дно погружается в недра Земли и там плавится, переходя в иное состояние.

Природным примером этого процесса может служить Атлантический океан. По мнению ученых, "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"^*.

^* (Экспедиция "Фамоус", М., Гидрометеоиздат, 1979, с. 60.)

В процессе движения Европа и Африка сталкиваются, в результате сотрясается вся средиземноморская и альпийская зона этих континентов, что проявляется в сильных землетрясениях от Агадира и Лиссабона до Турции и далее, а также в извержениях вулканов Этна, Везувий, Стромболи, Санторин. Встречное движение Европы и Африки равно примерно одному сантиметру в год, что должно привести в конце концов к исчезновению Средиземного моря. Примечательно, что в своем движении Африканская плита совершает поворот, благодаря которому происходит раздвижка берегов Красного моря. Впадина этого моря представляет собой молодой, в геологическом понимании времени, рифт. Динамика последнего, по мнению ученых, указывает на зарождение в зоне Красного моря нового океана.

Для осмысления проблемы геологических последствий перемещения материков необходимо ответить на множество вопросов. Не ясна еще природа землетрясений, хотя в их объяснении с позиций теории движения плит достигнуты немалые успехи. Скрыты от понимания многие процессы горообразования. Немало противоречий и загадок находится в глубоководных желобах. Не найдена пока связь между рудонефтегазообразованием и перемещением плит, а такая связь, скорее всего, существует в природе. Не ясно еще, как движения плит влияют на климат планеты. Здесь тоже много открытых вопросов. Сейчас наметилось массированное наступление ученых на нерешенные проблемы, которое, несомненно, принесет новые открытия.

Интересны пути догадок в науке. Необычная для начала нашего века гипотеза Вегенера продержалась чуть больше десяти лет и была отвергнута как несостоятельная. Прошло время, и основные положения ее подтвердились. Современные материки, как и предполагал Вегенер, некогда составляли единое целое - такой своеобразный суперконтинент, названный Вегенером Пангеей. В это время Атлантический океан, так же как и Индийский, не существовал. Животные свободно переходили из нынешней Африки в Америку. Северная часть суперконтинента, включавшая Северную Америку и Евразию и названная Лавразией, отделялась от южной части суперконтинента м- Гондваны, в которую входили Южная Америка, Африка, Индия, Австралия и Антарктида, вклинившимся между ними океаном Тетис. Следы последнего найдены на современной суше.

Гипотеза Вегенера позволила представить положение нынешних материков до начала их дрейфа и осмыслить с единых позиций происхождение различных горных образований, океанов и современного климата нашей планеты. В этом прежде всего заключалась ее прогрессивная роль в науке.

Существование дрейфа континентов подтверждено целым рядом оригинальных исследований, среди которых наиболее интересные результаты дали астрономические исследования, позволившие непосредственно измерить величины перемещений и оценить их скорости в разные моменты времени.

Службы точного времени всех стран следят по звездам за вращением небосвода, а вернее, нашей планеты, поскольку звездные сутки - основа отсчета нашего времени. Земля вращается неравномерно, и поэтому надо вести наблюдения постоянно, чтобы учитывать эту неравномерность. Сейчас службы времени вооружены атомными часами, позволяющими вносить в показания звездного циферблата точнейшие поправки. Оценивая поправки времени, внесенные в звездный циферблат семнадцатью службами СССР, пятью - Западной Европы, тремя - Северной Америки и четырьмя - Южной, а также двумя Японскими, одной Австралийской и Африканской, советский астроном Н. Павлов обнаружил странное явление.

В 1960 году с января по май согласно поправкам все станции наблюдений как бы переместились на запад. Так и должно быть, если Земля ускоряет свое вращение. Но интересным было то, что величина перемещения станций оказалась разной, тогда как по отношению к неподвижным звездам она должна была быть для каждой станции одной и той же. Этот факт свидетельствовал о том, что произошло не условное, а реальное перемещение станций относительно друг друга. Последнее возможно только в случае подвижки материков, на которых расположены станции.

За период наблюдений советские станции сдвинулись всего лишь на 1,2 метра, западноевропейские - на 2,4 метра, североамериканские-на 9,5, японские - на 10, австралийская - на 8, африканская - на 5,6, восточные станции Южной Америки - на 12,3, а чилийские - на 16,4 метра. Примечательно, что в мае того же года в Чили разразилось ужасное землетрясение, принесшее колоссальные разрушения и многочисленные человеческие жертвы.

Астрономические таблицы показали, что основное перемещение чилийских станций произошло в течение двух месяцев: февраля и марта. Потом движение приостановилось. После этой заминки накопившаяся энергия в мае выплеснулась катастрофическим толчком, изменившим даже форму береговой линии Чили.

По астрономическим таблицам ученые как бы воочию смогли увидеть перемещение целого континента, которое произошло не плавно, а скачком, сдвинувшим его на десять с лишним метров за какие-то два месяца - в мгновение в геологическом понимании времени.

Итак, достоверно доказано явление перемещен)"." континентов, процессы которого объясняют с позиций новой теории, родившейся на основе воззрений Вегенера и получившей название теории глобальной тектоники литосферных плит. Однако эта теория имеет и слабые положения. Она не может объяснить ряд процессов, происходящих в глубоководных желобах. Не исключено, что и она будет подвергнута ревизии, как, это нередко случается. Но с полной уверенностью можно говорить о том, что глобальная теория литосферных плит совершила переворот в науке. Прежде всего она заставила по-новому посмотреть на Мировой океан, считавшийся долгое время геологическими задворками. На самом же деле все основные процессы формирования лика Земли происходят именно в Мироном океане.

Аккорды этих процессов часто оборачиваются для людей большими бедствиями. Например, время от времени к берегам материков и островов устремляются из океана огромные волны. Могучими валами накатываются они на сушу, сметая все на своем пути. Многим путешественникам приходилось сталкиваться е этим грозным явлением природы во время изучения дальних стран. Среди наших соотечественников одним из первых обратил на него внимание выдающийся исследователь Камчатки академик С. П. Крашенинников. В книге "Описание земли Камчатской" он рассказал о землетрясении, случившемся в 1737 году и сопровождавших его гигантских волнах. Русский офицер Путятин во время стоянки фрегата "Диана" в 1854 году в японском порту Симода оказался свидетелем разрушительного действия пришедших из океана водных валов, уничтоживших прибрежную часть города.

Такое явление природы называют цунами. Немало бедствий принесло оно человечеству. Не обходит цунами своим вниманием берега и поныне. Так в 1952 году цунами, в который уже раз, обрушилось на Камчатку и нанесло ущерб Курильским островам.

Последствия одной катастрофы некогда привелось видеть Ч. Дарвину во время его путешествия на корабле "Бигль". Натуралист рассказал в своей книге, посвященной кругосветному путешествию, о трагедии чилийского городка Талькауано. Вот как это было. После подземного толчка (невольно вспоминается подземный толчок, имевший место в 1960 году) "...милях в трех - четырех показалась огромная волна; в середине бухты она имела гладкие очертания, но на берегу срывала дома и деревья, устремляясь вперед с сокрушительной силой. В глубине бухты она разбилась на ряд страшных белых бурунов... Они надвигались с неимоверной силой... За этой первой волной последовали две другие, которые, отступая, унесли с собой множество плавающих обломков. В одном месте бухты был выброшен далеко на берег и унесен в море корабль, затем снова выброшен и снова унесен... Огромная волна надвигалась, должно быть, медленно, потому что жители Талькауано успели убежать на холмы, расположенные за городом, а несколько моряков направились на лодке в открытое море, надеясь, что в безопасности пройдут над волной, если только достигнут ее прежде, чем она разобьется, - и надежды их действительно оправдались". В Талькауано "мало что можно было различить, кроме сплошной груды кирпичей, черепицы и бревен".

Жителям городка катастрофа представлялась божьей карой. Они не могли даже предполагать, что это явление представляет собой следствие природного процесса перемещения литосферных плит, опасности которого становится возможным предвидеть благодаря успехам науки.

Примерно в девяноста пяти процентах случаев причиной цунами являются сильные подводные землетрясения. Огромные волны могут также возникать под действием извержений подводных вулканов и в результате обвалов склонов дна. Перечисленные факторы вызывают колебания всей толщи океана, которые распространяются в воде в виде одиночных или группы волн. Примечательно, что цунами преимущественно происходят в Тихом океане, поскольку на него приходится подавляющая часть возникающих на нашей планете землетрясений.

Над удаленным от суши глубоководным очагом землетрясения волны имеют небольшую высоту, как правило, меньше метра, при длине в несколько сотен километров. По мере удаления от очага их высота растет. В 1946 году на Гавайи обрушилась почти одиннадцатиметровая волна, преодолевшая перед этим около четырех тысяч километров. Разрушительные волны особенно велики у берегов Японии, Чили, Перу. Их высота достигает там тридцати и более метров.

Опасный враг надвигается на сушу с огромной скоростью. Так, в северной части Тихого океана вдали от материков она составляет от четырехсот до восьмисот километров в час, в зависимости от нахождения эпицентра и профиля дна на пути волны. При подходе к берегу скорость волны падает до ста и меньше километров в час.

Примечательно, что в середине прошлого века по скорости цунами пытались определять глубины океана и получали неплохие совпадения с результатами непосредственных измерений. Исследователи тогда заметили, что на глубине в двадцать - тридцать метров скорость распространения волн составляла около двадцати метров в секунду, на глубине тысяча метров - сто метров в секунду, а на глубине четыре тысячи метров - двести метров в секунду. Отсюда нетрудно сделать обратный пересчет, если знать скорость распространения волны в океане. Здесь, конечно, немало условностей, но для середины прошлого века, когда океанография находилась в зачаточной стадии, результат, несомненно, замечательный.

Во время подводных землетрясений наряду с длинными океанскими волнами - собственно цунами - возникают сейсмические волны в земной коре и акустические в воде. Последние называют ударными. Они распространяются со скоростью, близкой к скорости звука. Эти волны воспринимаются судами как толчки по корпусу и килю. Кажется, что корабль наскочил на мель. Бывало, такие "мели" наносили на карты. По единогласному свидетельству мореплавателей моретрясения сопровождаются громоподобным глухим шумом. Еще быстрее акустических распространяются бегущие в земных породах сейсмические волны, словно стремясь первыми поведать о надвигающейся опасности.

В 1968 году были обнаружены очень быстрые колебания в радиоотражающем слое ионосферы. Ученые предположили, что они вызваны акустическими волнами в атмосфере, порожденными вертикальными перемещениями поверхности нашей планеты под действием происходящих в этот момент землетрясений. Эти предположения подтвердились. Действительно, расходящиеся от эпицентра землетрясения сейсмические волны вызывают предвещающие приближение цунами колебания в атмосфере, достигающие самых верхних ее слоев. Это явление, несомненно, будет поставлено на службу человеку и использовано в качестве "барометра", предсказывающего нашествие на сушу посланцев недр океана - грандиозных волн. Сейчас же пока используются другие методы. Для этого разработаны донные регистраторы цунами, на основе которых строятся автоматизированные системы оповещения, позволяющие предупреждать жителей побережий о приближении грозных волн буквально через несколько секунд после их зарождения в океане.