Дуг МакДугалл – Зачем нужна геология (страница 22)
Рисунок 11. Основные литосферные плиты. Стрелки показывают относительное движение между ними. В большинстве случае плиты либо расходятся (границы расхождения отмечены океаническими хребтами) или сходятся в зонах субдукции (где один блок коры погружается под другой). В некоторых местах, например, на западе Северной Америки, две плиты просто скользят относительно друг друга по разлому. Также существует множество более мелких плит, но они на карте не показаны.
Некоторые идеи, включенные в тектонику плит, имеют давнюю историю. Многие люди, смотревшие на карту мира, замечали, что Африка и Южная Америка подошли бы друг к другу как кусочки пазла, если бы каким-то образом удалось убрать Атлантический океан. Но это кажется невозможным: как убрать тысячи километров океана? В начале двадцатого века немецкий ученый Альфред Вегенер предположил, что материки могли просто дрейфовать через области, которые сейчас заняты океаном. Он назвал этот процесс «дрейфом материков» и в 1915 году опубликовал книгу с изложением своих идей[32]. Физики высмеяли теорию Вегенера, и она никогда не привлекала особого внимания — в основном потому, что в его представлении о дрейфе континентов имелись определенные изъяны. Однако собранные им геологические свидетельства неоспоримы. Он указал, что в Южной Америке есть геологические объекты, которые резко заканчиваются на побережье и при этом совпадают с аналогичными объектами в Африке. Если бы не океан, они были бы единым целым. Он также показал, что последнее оледенение одновременно затронуло некоторые части Индии, Африки и Южной Америки, и что если бы эти три массива суши были соединены, то такие гляциальные черты мог оставить единый ледяной покров. Хотя большинство ученых не принимало идей Вегенера, его геологические доказательства (и многие аналогичные наблюдения, собранные на протяжении десятков лет) означали, что различные воплощения идеи дрейфа материков появлялись в геологической литературе вплоть до возникновения революционной теории тектонических плит.
Наблюдения, которые в конечном итоге привели к теории плит, были получены в результате изучения дна океана — в основном благодаря исследованиям, финансируемым военно-морским флотом США. После Второй мировой войны, когда дальность действия и глубина перемещения подводных лодок резко возросли, ВМФ стал всерьез интересоваться тонкостями подводной топографии. Геологи, занимающиеся морем, были рады пойти навстречу, поскольку щедрость ВМФ дала им возможность исследовать в значительной степени неизвестные области. Они обнаружили, что морское дно вовсе не похоже на тихое однообразное место, как его себе многие представляли. Новые исследования показали с беспрецедентной детальностью, что дно океана — это место колоссальных гор, огромных разломов, глубоких впадин и активных вулканов. Особенно интригующей была линия гор, которая проходит с севера на юг и делит пополам Атлантический океан, повторяя очертания континентов с обеих сторон. Эту систему назвали Срединно-Атлантическим хребтом; для него характерна центральная долина со скалистыми стенами по обе стороны. Кроме того, оказалось, что Срединно-Атлантический хребет не заканчивается в Атлантике. Он соединяется с аналогичной формацией, которая идет на восток по Индийскому океану, вокруг Австралии, а затем в Тихий океан, где простирается на север до Калифорнии, что делает всю систему непрерывным глобальным элементом рельефа.
Однако океанографы нанесли на карту не только топографические особенности. Они изучили многие другие свойства океанского дна, включая магнитные характеристики. Уже было хорошо известно, что на суше местные горные породы влияют на магнитное поле; например, породы с высоким содержанием железа, как правило, дают сильный магнитный сигнал. Поэтому магниторазведка является важным инструментом для поиска металлических руд. Геофизики также обнаружили, что в толстых последовательностях лавовых потоков
Крупномасштабные магнитные исследования обычно показывают хаотические географические магнитные структуры, поскольку в континентальной коре очень часто соприкасаются весьма разные типы горных пород. Однако первые геомагнитные исследования в океане, проведенные у северо-западного побережья Соединенных Штатов, дали совершенно другие результаты. Они показали, что магнетизм морского дна имеет строго регулярную структуру, когда длинные линейные полосы одинаково намагниченных пород расположены в виде полосатого спектра, как у зебры. Геофизики, выполнявшие эту работу, удивились и озадачились. Они не понимали, как получился такой спектр.
Однако его происхождение стало понятно, когда собрали дополнительные данные о магнитном поле на морском дне. Особенно важной стала информация, полученная при исследовании системы океанических хребтов в Индийском океане и в Северной Атлантике. Здесь, как и в северо-западной части Тихого океана, магнитные спектры оказались правильными — с линейными полосами одинаково намагниченных пород. Поражало то, что эти полосы шли параллельно хребту и были сходными с обеих сторон — практически зеркальное отражение друг друга (рисунок 12). Это стало моментом истины для геонаук. В 1963 году геологи Фредерик Вайн и Драммонд Мэтьюз из Кембриджского университета в Великобритании опубликовали статью, в которой предложили объяснение таких магнитных спектров: они предположили, что центральная долина в океанических хребтах — на самом деле разлом в земной коре, через который постоянно изливается магма, создавая новое дно океана. Когда свежий, богатый железом базальт на дне кристаллизуется и расходится по обе стороны от хребта, он приобретает магнитную сигнатуру — следы магнитного поля планеты на тот момент. Изменения магнитного поля — особенно периодические смены полярности — впечатываются в породы морского дна и обеспечивают спектр из полосок. Идею, что дно океана расширяется в стороны от океанических хребтов, уже высказывали, но именно геомагнитные данные по-настоящему помогли укрепиться теории «спрединга морского дна[33]» и в конечном итоге привели к теории тектоники плит.
Рисунок 12. Когда в разломах образуется новая океаническая кора, на ней остается магнитная сигнатура окружающего магнитного поля, существовавшего в момент образования; в результате получается симметричный рисунок магнитных полос на обеих сторонах центрального разлома. На этой схеме темные полосы изображают участки дна, где магнитная полярность соответствует нынешней, а белые — участки, созданные во времена обратной полярности. Ширина полос зависит от продолжительности промежутков той или иной полярности.
Одинаковые правильные спектры магнитных полос около хребтов обнаруживаются по всему океаническому дну. Как только это выяснилось, то из объяснения Вайна и Мэтьюза для этих полос ученым стало понятно, что океаническая кора должна быть относительно молодой с геологической точки зрения. Внезапно обрели также смысл наблюдения вроде тех, что делал Альфред Вегенер десятилетиями ранее. Если новое дно формируется вдоль Срединно-Атлантического хребта, то Атлантический океан должен расширяться. Самые молодые породы находятся вдоль хребта, самые старые — по краям океана, рядом с материками. Если запустить часы в обратную сторону, то Атлантика закроется, морское дно снова исчезнет в недрах Земли у центрального хребта, и общие геологические особенности у Африки и Южной Америки, зафиксированные Вегенером, будут образовывать единое непрерывное пространство. Континенты не дрейфовали через Атлантику, как он считал; наоборот, при разделении континентов образовался океанический бассейн.
Но здесь появляется очевидная проблема. Ведь если Земля не увеличивается, то невозможно создавать новые океанические бассейны размером во многие тысячи километров (как Атлантический океан). Единственное решение заключается в том, что где-то на планете такое же количество океанического дна должно исчезнуть. Именно это и происходит в тектонических процессах: по мере того как вдоль океанического хребта создается новое дно океана, такое же количество разрушается в так называемой зоне субдукции, где океаническая кора ныряет вглубь Земли (см. рисунок 13). Часто, но не всегда, зоны субдукции возникают на краю континентов, и морское дно погружается под материк как продолжающаяся плита. Между континентальной и океанической корой есть большая разница в плотности (континентальные породы намного легче), и поэтому таким образом в мантию возвращается только дно океана, а не континентальная кора.
Рисунок 13. Поперечное сечение границы между литосферными плитами, где сталкиваются океаническая и континентальная плиты, как происходит, например, вдоль западного побережья Южной Америки. Стрелки показывают относительное движение плит. Океаническая плита пододвигается под континентальную, высвобождая воду по мере нагрева. В горячей мантии над опускающейся плитой начинается плавление, и на поверхности над зоной субдукции (погружения плиты) появляются вулканы. Материал из верхней части океанической коры может попасть в магму.