Дуг МакДугалл – Зачем нужна геология (страница 23)

Как уже отмечалось, литосферные плиты являются фрагментами твердой внешней оболочки Земли — литосферы. Поначалу этот термин может несколько сбивать с толку, поскольку эта оболочка включает и кору, и верхнюю часть мантии, как показано на рисунках 13 и 14. Литосферу выделяют не по химическому составу или типу пород, а по изменению физических свойств: материал, который лежит ниже, близок к температуре плавления и больше похож на мягкий пластик, чем на твердую породу, в то время как сама литосфера относительно тверда (греческое слово λιθος литос означает «камень»). Напротив, граница между корой и мантией определяется резкой сменой типа горных пород, что является следствием процессов плавления, формирующих кору. Толщина литосферы в среднем составляет 80–110 километров — под континентами она может быть значительно толще, у океанических хребтов — намного тоньше. Фрагменты этой оболочки, образующие литосферные плиты, могут иметь разные формы и размеры; они могут включать континентальную или океаническую кору, а зачастую и оба типа (рисунок 14). На границах между плитами могут располагаться океанические хребты, где создается новая литосфера; зоны субдукции, где плиты сталкиваются, и одна ныряет в мантию под другой; иногда просто разломы, когда две плиты скользят мимо друг друга. Относительное движение плит между собой во всех случаях — сталкиваются они, расходятся или скользят мимо — происходит медленно, обычно по несколько сантиметров в год.

Все это описание происходящего на поверхности Земли выглядит просто и понятно: примерно полтора десятка крупных литосферных плит сталкиваются друг с другом, непрерывно обновляются в зонах вдоль океанических хребтов и снова исчезают в зонах субдукции. Но почему эта идея произвела революцию в геологии? Как удалось понять процессы, ранее не имевшие удовлетворительного объяснения?

Рисунок 14. Схема, показывающая взаимосвязь между мантией, корой и литосферой. Континентальная и океаническая кора составлены из пород разных типов и обладают весьма различной толщиной, как показано на рисунке (реальный пример — восточная окраина Северной Америки). Сравните границу между океаном и континентом с такой же границей на рисунке 13, где океаническая литосфера подныривает под континент.

Для полного ответа на эти вопросы потребовалось бы больше места, чем есть в нашей книге, однако, возможно, будет полезным изучить несколько примеров. Рассмотрим, скажем, землетрясения, которые, естественно, были хорошо известны и изучены задолго до появления теории тектоники плит. Землетрясения происходят, когда горные породы сжимаются до точки разрушения, трескаются и перемещаются вдоль какого-то разлома. Большинство землетрясений происходит относительно близко к поверхности, где породы холодные, хрупкие и подвержены растрескиванию; однако сейсмологи давно знали, что существует несколько мест (например, вдоль западной окраины Тихого океана), где зоны землетрясений уходят на сотни километров вглубь планеты. Как такое может происходить, было неясно: ведь на таких глубинах породы мантии должны быть такими горячими, что при толчках они будут течь, а не разрушаться. Тектоника плит дала ответ: глубокие землетрясения происходят в регионах, где холодная хрупкая океаническая литосферная плита опускается в мантию. Давление на эти огромные плиты колоссально, и при медленных перемещениях они так же медленно и нагреваются, оставаясь достаточно холодными, чтобы разрушаться и вызывать землетрясения на глубине до 600 километров и более. По сути, нанося на карту точные места глубоких землетрясений, можно проследить путь литосферной плиты, погружающейся в мантию.

Рисунок 15. Места землетрясений, которые наблюдались между 1963 и 1998 годами (изображены черными точками). Подавляющее большинство происходило вдоль границ между литосферными плитами, что хорошо заметно при сравнении этой карты с рисунком 11. Обратите внимание, что вдоль океанических хребтов идет узкая полоска землетрясений, в то время как при столкновении плит масштабы сейсмичности гораздо больше. (Любезно предоставлено НАСА; авторы карты — Пол Лоумэн-мл. и Брайан Монтгомери).

Карта мира, где отмечено местоположение землетрясений за 35 лет (рисунок 15), показывает, что они четко обрисовывают границы плит; хотя землетрясения происходят не только на границах, но там их концентрация повышается (сравните рисунки 11 и 15). Вдоль океанических хребтов, где плиты расходятся, зона землетрясений узка и четко очерчена: землетрясения происходят на небольших глубинах в ответ на образование разлома в дне океана. Напротив, в местах столкновения плит зоны землетрясений гораздо шире, поскольку огромные напряжения, возникающие в результате столкновений, распространяются по большой территории, и землетрясения идут по всей погружающейся плите, когда она уходит в мантию. Например, в пределах широкой полосы землетрясений вдоль западного побережья Южной Америки глубины землетрясений неуклонно увеличиваются при движении с запада на восток — в соответствии с тем, как Тихоокеанская плита ныряет под континент.

При внимательном взгляде на рисунок 15 можно заметить, что существует несколько областей высокой сейсмической активности за пределами границ литосферных плит. Тем не менее во многих случаях они могут быть напрямую связаны с тектоникой плит: например, в западном и центральном Китае многие разломы, вызывающие землетрясения — это результат изменений континентальной коры после столкновения между Индией и остальной частью Азии, которое произошло много миллионов лет назад (подробнее об этом событии позже). В других областях — например, на востоке Соединенных Штатов — прямая связь с тектоникой плит менее очевидна. Похоже, что эти землетрясения происходят вдоль древних зон ослабления земной коры, которые каким-то образом снова стали активными — возможно, отчасти из-за общих напряжений, передаваемых двигающимися и толкающими плитами. В некоторых других случаях — например, вдоль Восточной Африки — сейсмичность сигнализирует о развивающемся разломе в земной коре, который, возможно, через многие миллионы лет расколет материк на части и создаст новый океанский бассейн.

Большинство землетрясений, удаленных от границ плит, происходит на материках, однако на рисунке 15 виден также изолированный кластер в середине Тихого океана — удаленный и от ближайшего океанического хребта, и от зон субдукции. Как вы уже догадались, это Гавайские острова: землетрясения связаны с протекающей здесь вулканической деятельностью. Подъем магмы под вулканом приводит к разрушению окружающих хрупких пород, заставляя их трескаться и порождать множество небольших землетрясений. Но это ставит еще один интересный вопрос, связанный с тектоникой плит: почему Гавайи вообще существуют? Как и землетрясения, основная часть земного вулканизма ограничена границами между литосферными плитами. И тем не менее, Гавайи в центре Тихоокеанской плиты — это массивная вулканическая структура, а если измерять ее высоту от основания на дне океана, то она окажется вдвое выше Эвереста, если измерять его высоту тоже от его основания до вершины^[34].

Канадский геофизик Джон Тузо Уилсон, один из сторонников гипотезы спрединга и тектоники плит, первым понял природу гавайского вулканизма. Когда я был студентом, мне посчастливилось учиться у Уилсона, и этот рослый харизматичный человек быстро и с энтузиазмом рассказывал о тектонике плит. Моя первая встреча с ним произошла на первом году курса физики. Задачи для домашней работы на этом курсе были сложными и многочисленными, однако для облегчения этого бремени у нас проводились семинары, где какой-нибудь аспирант или даже профессор рассматривал вместе с нами эти задания. Однажды к нам пришел Уилсон, который был тогда профессором кафедры физики. «Ваши задания может разобрать кто угодно, — заявил он, — а я хочу рассказать вам о тектонике плит». На целый час мы были зачарованы; хотя нам не помогли с домашним заданием, этот семинар оказался в том году лучшим с большим отрывом. Вскоре после этого я решил изучать геологию.

Уилсон понял, что наземные и подводные вулканы в цепочке Гавайских островов, которая протянулась на две с половиной тысячи километров от «большого острова» Гавайи к северо-западу до самой зоны субдукции, граничащей с Алеутскими островами, постепенно становятся старше при движении на северо-запад. Сейчас активен только остров Гавайи; остальные вулканы в цепочке спят. Уилсон предположил, что все вулканы постепенно формировались, когда двигающаяся Тихоокеанская плита миновала какую-то «горячую точку» в мантии, проходя через неподвижный поток горячего вещества, поднимающегося из глубин Земли^[35]. В настоящий момент эта горячая точка находится под островом Гавайи; по мере того, как Тихоокеанская плита постепенно двигается на северо-запад, сегодняшние действующие вулканы уснут, зато сформируется новый остров. Этот процесс уже начался. Океанографы обнаружили большой действующий подводный вулкан к юго-востоку от острова Гавайи. Его вершина находится примерно на 900 метров ниже уровня воды, и появление нового острова ожидается не ранее, чем через десятки тысяч лет. Формирование такой вулканической цепочки можно сравнить с тем, как кто-то подает дымовые сигналы с помощью костра: каждый клуб дыма поднимается и уносится ветром, и в результате в небе образуется длинная горизонтальная цепочка отдельных дымовых клякс. Физика дымовых сигналов и вулканов совершенно разная, однако этот образ вполне нагляден.