книги / udivitelnaya_paleontologiya_istoriya_zemli_i_zhizni_na_ney

ку для изверженной породы можно радиоизотопным методом определить абсолютный возраст (см. главу 1), то возникает возможность нарисовать довольно точную картину расположения континента относительно полюса в различные моменты истории.

Врезультате этих исследований выяснились две вещи. Во-пер- вых, теперь было прямо доказано, что все «Гондванские» материки действительно находились некогда в гораздо более высоких широтах Южного полушария, чем ныне. Во-вторых, общая картина поло- женияполюсоввгеологическомпрошломполучаласькакая-тостран- ная. Данные по каждому отдельному материку «рисуют» вполне согласованную траекторию перемещений полюсов (например, Северный полюс относительно Евразии начиная с карбона двигался из центральной части Тихого океана до своего нынешнего положения по S-образной кривой, проходящей через Берингов пролив), однако траектории, даваемые разными материками, не совпадают между собой – за исключением того, что все они заканчиваются близ современного полюса (рис. 7, а и б). Эта картина казалась совершенно необъяснимой до тех пор, пока С. Ранкорн не догадался (в 1962 году) «сдвинуть» материки в соответствии с полузабытыми уже реконструкциями Вегенера. При таком их положении соответствующие палеомагнитные траектории совместились между собой практически идеально (рис. 7, в).

Тем временем накапливались и новые данные о строении дна океанов. Была детально закартирована глобальная (т. е. охватывающая весь земной шар) система срединно-океанических хребтов и располагающихся в периферических частях океанов глубоководных желобов, с которыми связаны районы активного вулканизма и землетрясений. По гребню срединно-океанического хребта проходит рифт – глубокая продольная трещина, над которой фиксируется постоянный мощный тепловой ток. С глубоководными желобами же связаны сильные отрицательные гравитационные аномалии, означающие, что дефицит массы внутри желобов (которые наполнены водой – веществом менее плотным, чем окружающие их горные породы) не компенсируется избытком массы на их дне. Поскольку желоба не имеют «тяжелого» дна, то оно, в соответствии с изостазией, должно было бы «всплывать», ликвидируя тем самым желоб как таковой; а раз этого в действительности не происходит, то должна существовать некая иная (негравитационная) сила, удерживающая желоб в прогнутом состоянии.

В1962 Г. Хесс суммировал эти данные, сформулировав свою

гипотезу разрастания (спрединга) океанического дна. Он пред-

положил, что в мантии происходит конвекция, т. е. тепловое перемешивание вещества (подробнее об этом чуть дальше). Горячее, час-

41

тично расплавленное мантийное вещество поднимается на поверхность по рифтовым трещинам; оно постоянно раздвигает края рифта и одновременно, застывая, наращивает их изнутри. При этом возникаютмногочисленныемелкофокусныеземлетрясения(сэпицентром на глубине несколько десятков километров). Хесс писал: «Этот процесс несколько отличается от дрейфа материков. Континенты не прокладывают себе путь сквозь океаническое дно под воздействием какой-то неведомой силы, а пассивно плывут в мантийном материале, который поднимается вверх под гребнем хребта и затем распространяется от него в обе стороны». Срединно-океанический хребет, такимобразом,являетсяпросто-напростоместом,гденаповерхность планеты выходит восходящий конвекционный ток, как в кастрюле, в которой варится кисель или жидкая каша; материк же (в рамках такой аналогии) является пенкой на этом киселе.

42

Если на срединно-океанических хребтах постоянно образуется новая океаническая кора, то должно быть и место, где происходит обратныйпроцесс,–ведьсуммарная-топоверхностьпланетынеуве- личивается. Где кора уходит обратно в некогда породившую ее мантию? В глубоководных желобах. Именно продольное давление постоянно расширяющейся океанической коры и является той силой, которая удерживает желоба в прогнутом состоянии и не дает их дну «всплывать». А энергия напряжений, возникающих, когда твердая кора вдвигается в лишь частично расплавленную мантию, выделя-

етсяввиде глубокофокусныхземлетрясений (сэпицентромнаглу-

бине до 600–650 км) и извержений вулканов (рис. 8).

Ввоображенииокеаническоеднопредставляетсягигантскойконвейерной лентой, выходящей на поверхность в рифтовых зонах сре- динно-океанических хребтов и затем скрывающейся в глубоководных желобах. Предположение, что возраст океанической коры долженувеличиватьсяпомереудаленияотрифтаидостигатьмаксимума на окраинах океанов, было блестяще подтверждено открытием на дне океанов так называемых полосовых магнитных аномалий.

Еще в 1906 году Б. Брюн, изучая остаточную намагниченность некоторых лав, установил, что она противоположна по направлению современному геомагнитному полю. Впоследствии было установлено, что такая обратная намагниченность – явление достаточно распространенное; при этом она явно создается не какими-то особыми свойствами самих этих изверженных пород, а обратной полярностью магнитного поля Земли в момент их остывания. Оказалось, что обращения (инверсии) геомагнитного поля, когда Северный и Южный полюса постоянного магнита (коим является Земля) меняются местами, происходят регулярно. В начале 60-х годов в результате определения абсолютного возраста соответствующих лав калий-ар- гоновым методом была разработана шкала инверсий геомагнитного поля, состоящая из чередующихся эпох нормальной (т. е. такой же, как в наши дни) и обратной полярности. Эта шкала стала основой для принципиально нового раздела стратиграфии – магнито-

стратиграфии.

Понятно, что образующиеся в рифтовых зонах породы океанической коры при своем остывании в соответствующие эпохи полярности тоже должны были приобретать, соответственно, нормальную или обратную намагниченность. Как выяснилось, эту намагниченность можно измерять прямо с океанской поверхности, не прибегая канализусамогодонноговещества.В1963-64годахнезависимодруг от друга Л. Морли, Ф. Вейн и Д. Мэтьюз пришли к выводу о том, что при спрединге океанического дна на нем должны образовываться полосы положительных и отрицательных магнитных аномалий,

43

а

параллельные срединно-океаническим хребтам и симметричные относительно них; при этом ширина таких полос должна быть пропорциональнадлительностисоответствующихэпохполярности.Это предположение полностью подтвердилось (рис. 9, а). Тогда же родилась еще одна аналогия: океаническое дно – это магнитофонная лента, на которой записана история магнитного поля Земли.

Некоторое время спустя в результате глубоководных бурений были получены образцы как изверженных пород океанической коры (пригодные для определения их абсолютного возраста), так и лежащих непосредственно на них осадочных слоев с ископаемыми. Картина приобрела завершенность. Возраст океанической коры, например, в Атлантическом океане действительно постепенно «удревняется» – от почти современного у рифта до раннеюрского (170 млн лет) у побережья северной Америки. При этом ни в одном океане не удалось обнаружить коры более древней, чем юрская. Это полностью соответствует предположению, что вся океаническая кора со временем возвращается в мантию путем ее поглощения в глубоководных желобах (рис. 9, б).

Спрединг океанического дна – это один из «китов», на которых стоит господствующая ныне в геологии концепция тектоники литосферныхплит.Измногихееаспектовнасбудетинтересоватьлишь рисуемаяеюкартинаперемещенияивзаиморасположенияконтинентов в различные периоды прошлого, ибо именно эти перемещения в значительной степени определяют характер климата соответствующей эпохи. Глядя на реконструкции (рис. 10), мы видим, что материки могут «слипаться» в обширные континентальные массы (Гондвана, Пангея), которые затем раскалываются на отдельные фрагменты и вновь сталкиваются между собой (Азия и Индостан). Возникает естественныйвопрос:являетсялиэтодвижениебессистемным,«броуновским»,илионоопределяетсянекимизакономерностями?Издесь нам придется вернуться к упомянутому выше процессу мантийной конвекции.

Что такое конвекция вообще? Вот мы поставили на плиту чайник. Через некоторое время придонный слой воды нагревается от конфорки. Поскольку любое вещество при нагревании расширяется,

Рис. 8. Модель конвекции в мантии как механизма континентального дрейфа – а; схематический разрез Земли на основе гипотезы разрастания (спрединга) океанического дна – б; район глубоководного желоба – в: литосферная плита погружается в астеносферу (А), упирается в ее днище (Б и В) и разламывается – отламывается часть (Г). В зоне «трения» плит – мелкофокусные землетрясения(черныекружки), взоне«упора»и «разлома»плиты–

глубокофокусные землетрясения (белые кружки) (по Уеда, 1980)

45

б

Рис. 9. Свидетельства спрединга океанического дна:

а – аномалии величины напряженности магнитного поля в районе Сре- динно-Атлантического хребта; б – карта значений возраста дна Северной Атлантики (цифры – миллионы лет)

(по Монину, 1980)

Л А В Р А З И Я

а

б

в

г

Рис. 10. Положение материков:

а – 180 млн лет назад; б – 135 млн лет назад; в – 65 млн лет назад; г – современное

(по Монину, 1980)

эта придонная вода начинает занимать (при том же весе) несколько больший объем, а потому «всплывает» на поверхность – в соответствии с законом Архимеда. Холодные и, соответственно, «тяжелые» поверхностные слои «тонут», занимая место всплывших у источника тепла. Так образуется круговорот, называемый конвекционным током, который будет работать до тех пор, пока вся вода в сосуде не прогреется до одинаковой температуры.

Этот тип конвекционного процесса (который мы только что описали)называюттепловойконвекцией.Г.Хесспредполагал,чтоонато и происходит в мантии. Однако в последнее время геофизики отводят главную роль не тепловой, а фазовой конвекции. Дело в том, что существуют и другие (помимо нагрева) способы создать в среде архимедовы силы плавучести, которые породят конвекционный ток. Вспомним описанный в главе 2 процесс гравитационной дифференциации недр. Внутренние слои мантии, потерявшие при контакте с поверхностью ядра часть «ядерного» (богатого железом) вещества, обладаютпониженнойплотностьюиположительнойплавучестью; внешние слои мантии, напротив, уплотнились в результате выплавки из них «легкого», силикатного, вещества земной коры и обладают отрицательнойплавучестью.Поддействиемэтихархимедовыхсил плавучести в мантии и развиваются крайне медленные (порядка нескольких сантиметров в год) конвекционные токи.

Объем вещества, охваченный конвекционным током, называют конвективной ячейкой. Весь объем греющегося чайника представляет собой единую ячейку. Если же мы станем нагревать широкий таз двумя удаленными друг от друга горелками, то у нас возникнут две относительно независимые системы циркуляции воды, взаимодействующие между собой. Ячейки бывают двух типов – открытые и закрытые. По краям открытых ячеек происходит подъем, а в центре – опускание вещества, т. е. в поверхностном слое вещество движется от краев к центру, а в придонном – от центра к краям; в закрытых ячейках, соответственно, все наоборот (рис. 11).

Литосферные плиты с «впаянными» в них континентами оказываются вовлеченными в движение вещества мантии в поверхностном слое конвективных ячеек, перемещаются вместе с ним (мантийнымвеществом)отобластейегоподъемакобластямопускания(срав- ните:вкастрюлескипящиммолоком–ячейкезакрытоготипа–пенка собирается у стенок). В толстостенной сферической оболочке (каковой является мантия планеты) лишь две схемы организации конвекционного процесса могут быть относительно устойчивы. Одной, более простой, будет единственная ячейка, охватывающая собою всю мантию, с одним полюсом подъема вещества и одним же полюсом его опускания. В этом случае континенты собираются

48

в

Рис. 11. Возникновение конвективной ячейки в нагреваемой жидкости – стрелкамиуказанонаправлениетоков(слевавидсбоку,справавидсверху):

а – ячейка закрытого типа; б – ячейка открытого типа; в – двухъячеистая конвекция (две ячейки открытого типа)

воединовокругполюсаопускания,освобождаявокругполюсаподъема «пустое» – океанское – полушарие; такая ситуация существовала, например, во времена Пангеи.

Другая, более сложная, схема действует в наши дни. Это пара открытых ячеек типа «лоскутов теннисного мяча» – очень точное

инаглядное определение. Теннисный мяч состоит из двух половинок, соединенных между собой так, что соединяющий их шов волнообразно изогнут относительно экватора двумя гребнями и двумя ложбинами; лоскуты теннисного мяча (в отличие от детского резинового) вытянуты, и их продольные оси взаимно перпендикулярны (рис. 12). Зону подъема вещества (являющуюся одновременно

играницей между этими ячейками открытого типа – тот самый волнообразно изогнутый «шов») и составляет глобальная система сре- динно-океанических хребтов. Зонами же опускания при такой схеме являются продольные оси ячеек (более или менее перпендикулярные друг другу), вдоль которых должны выстраиваться две цепочки материков. Примерно такая картина и наблюдается на Земле в настоящее время: одну группу материков образуют Африка, Евразия и Австралия, другую – Северная и Южная Америка и Антарктида. (Заметим, что в принципе возможна и такая двухъячеистая конвекция, когда граница между ячейками полностью совпадает с экватором планеты, однако это будет просто частный случай крайне малого искривления «шва».)

При одноячеистой конвекции положение полюсов подъема и опускания вещества всегда будет несколько отличаться от идеального

49

в

Рис. 12. Схема организации конвекционного процесса:

а – теннисный мяч, состоящий из двух лоскутов; б – схема поверхности планеты, имеющей две конвективные ячейки: «шов» – линия подъема мантийного вещества (срединно-океанические хребты), материки выстраиваются вдоль линии опускания мантийноговещества (осикаждого из лоскутов); в– поверхность современной Земли (заштрихован американо-антарктический «лоскут»)

(по Монину, 1980)