|
ГЛАВА 2
Образование нашей планеты: «холодная» и «горячая» гипотезы. Гравитационная дифференциация недр. Происхождение атмосферы и гидросферы
Рассказ о происхождении Земли и Солнечной системы нам придется начать издалека. В 1687 году И. Ньютон вывел закон всемирного тяготения: каждое тело во Вселенной притягивает остальные с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Теоретически закон всемирного тяготения позволяет рассчитать движения любого тела во Вселенной под влиянием тяготения других тел. Но — увы! — только теоретически: уравнения, необходимые для описания движения всего трех изолированных тел под влиянием притяжения друг друга, столь сложны, что их решение не удавалось получить почти три столетия, до 60-х годов XX века. Понятно, что о полном решении для такой системы тел, как Солнечная система, и говорить не приходится. Что же до приближенных расчетов, которыми занимались многие выдающиеся математики и астрономы (Ж. Лагранж, П. Лаплас и другие), то они показывают, что возмущения в орбитах планет носят периодический характер: параметры орбиты меняются в одном направлении, затем в противоположном, и так до бесконечности. В самой по себе определяемой тяготением структуре Солнечной системы вроде бы нет ничего, что мешало бы ей существовать вечно; недаром сам Ньютон вопрос о происхождении Солнечной системы вообще не ставил.
Давайте, однако, задумаемся: если бы причиной движения планет было одно лишь тяготение, то что с ними произошло бы? Правильно, они «упали» бы на Солнце. Но планеты благополучно двигаются по своим орбитам перпендикулярно действующей на них силе тяжести и при этом еще вращаются вокруг собственной оси. Это движение не могло возникнуть — и не возникло! — под влиянием тяготения Солнца. Откуда же оно взялось? Дело в том, что всякое вращающееся тело обладает определенным качеством, которое называется моментом количества движения (МКД). Величина МКД зависит от трех параметров: массы тела, его круговой скорости и расстояния до центра вращения. К XVIII веку было установлено, что МКД не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а может лишь передаваться от тела к телу. Это закон сохранения момента количества движения, принадлежащий к ряду законов сохранения (таких, как законы сохранения вещества, энергии и пр.). А коли так, то любая теория возникновения Вселенной (или Солнечной системы) как минимум не должна ему противоречить.
Итак, все тела, составляющие Солнечную систему, обладают собственным МКД. Создать МКД невозможно — откуда же он взялся? Рассмотрим следующий выход из этого тупика. МКД могут различаться в зависимости от направления вращения: по и против часовой стрелки — положительный и отрицательный МКД. Если телу (или системе тел) сообщить два МКД (равной величины, но разного знака), то оба момента взаимно уничтожатся, и возникнет система, лишенная МКД. Но в таком случае верно и обратное: система, изначально не обладавшая МКД, может разделиться на две: одну с положительным, другую — с равным ему отрицательным МКД. Таким образом, МКД как бы появляется и исчезает без нарушения закона сохранения. Исходя из этого, можно предположить, что Вселенная вначале не обладала МКД, но затем одни ее части получили положительный момент, а другие — одновременно — отрицательный.
Так вот, если посмотреть на Солнечную систему «с высоты» — из некой точки над Северным полюсом Земли (и, соответственно, над плоскостью ее орбиты), то окажется, что Земля, Солнце и большинство иных тел вращаются вокруг своей оси против часовой стрелки; планеты вокруг Солнца и спутники вокруг планет — тоже. Значит, положительные и отрицательные МКД всех тел, составляющих Солнечную систему, отнюдь не уравновешиваются между собой; суммарный МКД этой системы очень велик, и необходимо выяснить его происхождение.
В 1796 году П. Лаплас сформулировал небулярную теорию, согласно которой последовательность событий при образовании Солнечной системы такова. Имеется первичное газопылевое облако (туманность — по латыни «небула»), возникшее в результате концентрации рассеянного межзвездного вещества под действием взаимного притяжения его частиц (в соответствии с законом всемирного тяготения). Небула не является идеальным шаром, и ее края — просто по теории вероятности — находятся на неодинаковом расстоянии от ближайшей небулы (или звезды), а потому притягиваются той с неодинаковой силой (которая, как мы помним, обратно пропорциональна квадрату расстояния). Этой неравновесности достаточно для того, чтобы наша небула получила первичный толчок, который и придаст ей вращательное движение, пусть и чрезвычайно слабое.
Как только небула начинает поворачиваться вокруг своей оси, в ней возникает сила тяжести (как в космическом корабле, который специально «раскручивают» для противодействия невесомости). Под действием силы тяжести небула должна начать сжиматься, т.е. ее радиус уменьшается. А мы с вами помним, что МКД (который есть величина постоянная) зависит от трех параметров: массы тела, радиуса и скорости его вращения; масса — тоже величина неизменная, поэтому уменьшение радиуса может быть компенсировано только увеличением скорости вращения. В результате огромный газовый шар будет вращаться все быстрее и быстрее, работая как центрифуга: под действием центробежной силы его экватор вспухает, придавая шару форму все более сплющенного эллипсоида. Наступает момент, когда все возрастающая центробежная сила на экваторе уравновешивает силу притяжения и от него (экватора) начинает отслаиваться кольцо, а затем, по мере дальнейшего сжатия небулы, еще и еще. Вещество этих вращающихся колец начинает под действием взаимного притяжения его частиц конденсироваться в планеты, от которых, в свою очередь, отрываются их спутники.
Теория Лапласа, согласно которой Земля была изначально холодной, сохраняла популярность на протяжении почти столетия, хотя ей и противоречили некоторые астрономические данные (например, вращение Венеры и Урана в сторону, обратную всем остальным планетам и Солнцу). Однако ближе к концу XIX века, когда было твердо установлено, что температура в недрах нашей планеты чрезвычайно высока (по современным данным, свыше 1000°С), большинство ученых стало разделять мнение об изначально горячей Земле — огненном шаре, постепенно остывающем с поверхности. Поиски источника этого раскаленного вещества вполне естественно было начать с Солнца. В начале ХХ века астрономы Т. Чемберлен и Ф. Мультон выдвинули, а Дж. Джинс математически обосновал планетезимальную теорию происхождения планет Солнечной системы. Суть ее состоит в том, что некогда поблизости от Солнца («поблизости» — это по космическим масштабам) прошла другая звезда. При этом взаимное притяжение вырвало из каждой из них по гигантскому протуберанцу звездного вещества, которые, соединившись, составили «межзвездный мост», распавшийся затем на отдельные «капли» — планетезимали. Остывающие планетезимали и дали начало планетам и их спутникам.
Однако вторая половина ХХ века стала временем возвращения к концепции изначально холодной Земли. Во-первых, нашлись серьезные, чисто астрономические, возражения против планетезимальной теории. Г. Рессел, например, обратил внимание на то простое обстоятельство, что если между Солнцем и проходящей звездой протянется лента из звездного вещества, то ее средняя часть (где притяжение двух светил взаимно уравновешивается) должна будет пребывать в полной неподвижности. И напротив, выяснилось, что некоторые оказавшиеся ошибочными положения Лапласа вполне могут быть откорректированы в рамках дальнейшего развития небулярной теории. В качестве примера можно привести гипотезу О. Ю. Шмидта (в ней газо-пылевое облако захватывается уже существующим на тот момент Солнцем) или более популярную ныне модель К. фон Вайцзеккера (в ней вращающаяся небула представляет собой уже не гомогенный шар, как у Лапласа, а систему разноскоростных вихрей, несколько напоминающую шарикоподшипник). Полагают также, что газ и пыль во вращающейся газо-пылевой туманности ведут себя по-разному: пыль собирается в плоский экваториальный диск, а газ образует почти шарообразное облако, густеющее по направлению к центру туманности. Впоследствии пыль экваториального диска слипается в планеты, а газ под собственной тяжестью разогревается так, что «вспыхивает» в виде Солнца.
Более существенным для победы «холодной» концепции оказалось другое: был найден убедительный и при этом достаточно простой ответ на вопрос — откуда же берется тепло, разогревшее недра изначально холодной Земли до столь высоких температур? Этих источников тепла, как сейчас полагают, два: энергия распада радиоактивных элементов и гравитационная дифференциация недр. С радиоактивностью все достаточно ясно, да и источник это второстепенный — на него приходится, согласно современным оценкам, не более 15% энергии разогрева. Идея же гравитационной дифференциации недр (ее детальную разработку связывают с именем О. Г. Сорохтина) заключается в следующем.
Зная массу и объем Земли (они были рассчитаны еще в XVIII веке), легко определить усредненную плотность земного вещества — 5,5 г/см3. Между тем плотность доступных нам для прямого изучения горных пород вдвое меньше: средняя плотность вещества земной коры составляет 2,8 г/см3. Отсюда ясно, что вещество в глубоких недрах Земли должно иметь плотность много выше средней.
Известно, что почти 9/10 массы Земли приходится на долю всего четырех химических элементов — кислорода (входящего в состав окислов), кремния, алюминия и железа. Поэтому можно с достаточной уверенностью утверждать, что более «легкие» наружные слои планеты состоят преимущественно из соединений кремния (алюмосиликатов), а «тяжелые» внутренние — железа.
В момент образования Земли («горячим» или «холодным» способом — для нас сейчас неважно) «тяжелые» и «легкие» элементы и их соединения не могли не быть полностью перемешаны. Однако дальше начинается их гравитационная дифференциация: под действием силы тяжести «тяжелые» соединения (железо) «тонут» — опускаются к центру планеты, а «легкие» (кремний) — «всплывают» к ее поверхности. Давайте теперь рассмотрим этот процесс в мысленно вырезанном вертикальном столбе земного вещества, основание которого — центр планеты, а вершина — ее поверхность. «Тонущее» железо постоянно смещает центр тяжести этого столба к его основанию. При этом потенциальная энергия столба (пропорциональная произведению массы тела на высоту его подъема, что в нашем случае составляет расстояние между центром Земли и центром тяжести столба) постоянно уменьшается. Суммарная же энергия Земли, в соответствии с законами сохранения, неизменна; следовательно, теряющаяся в процессе гравитационной дифференциации потенциальная энергия может преобразовываться лишь в кинетическую энергию молекул, т.е. выделяться в виде тепла.
Расчеты геофизиков показывают, что эта энергия составляет чудовищную величину 4·1030 кал (что эквивалентно триллиону суммарных ядерных боезапасов всех стран мира). Этого вполне достаточно для того, чтобы — даже не прибегая к помощи энергии радиоактивного распада — разогреть недра изначально холодной Земли до расплавленного состояния. Однако, рассчитывая тепловой баланс Земли за всю ее историю, геофизики пришли к выводу, что температура ее недр лишь местами могла доходить до 1600°C, в основном составляя около 1200°C; а это означает, что наша планета, вопреки бытовавшим ранее представлениям, никогда не была полностью расплавленной. Разумеется, планета постоянно теряет тепловую энергию, остывая с поверхности, но этот расход в значительной степени (если не полностью) компенсируется излучением Солнца.
Итак, Земля на протяжении всей своей истории представляет собой твердое тело (более того, в глубинах, при высоких давлениях — очень твердое тело), которое, однако, парадоксальным образом ведет себя при очень больших постоянных нагрузках как чрезвычайно вязкая жидкость. Сама форма планеты — эллипсоид с чуть выпяченным Северным полюсом и чуть вдавленным Южным — идеально соответствует той, что должна принимать жидкость в состоянии равновесия. В толще этой «жидкости» постоянно происходят чрезвычайно медленные, но немыслимо мощные движения колоссальных масс вещества, с которыми связаны вулканизм, горообразование, горизонтальные перемещения континентов и т.д. — их закономерности мы будем обсуждать в следующей главе. Здесь важно запомнить, что источником энергии для всех этих процессов является в конечном счете все та же гравитационная дифференциация вещества в недрах планеты. Соответственно, когда этот процесс завершится полностью, наша планета станет геологически неактивной, «мертвой» — подобно Луне. Согласно расчетам геофизиков, к настоящему моменту уже 85% имеющегося на Земле железа опустилось в ее ядро, а на «оседание» оставшихся 15 % потребуется еще около 1,5 млрд лет.
В результате гравитационной дифференциации недра планеты оказываются разделенными (как молоко в сепараторе) на три основных слоя: «тяжелый», «промежуточный» и «легкий». Внутренний «тяжелый» слой (с плотностью вещества около 8 г/см3) — центральное ядро, состоящее из соединений железа и иных металлов; из 6400 км, составляющих радиус планеты, на ядро приходится 2900 км. Поверхностный «легкий» слой (плотность его вещества около 2,5 г/см3) называется корой. Средняя толщина коры всего-навсего 33 км; она отделена от нижележащих слоев поверхностью Мохоровичича, при переходе через которую скачкообразно увеличивается скорость распространения упругих волн. Между корой и ядром располагается «промежуточный» слой — мантия; ее породы имеют плотность около 3,5 г/см3 и находятся в частично расплавленном состоянии. Верхняя мантия отделена от нижней мантии лежащим в 60–250 км от поверхности расплавленным слоем базальтов — астеносферой; верхняя мантия вместе с корой образует твердую оболочку планеты — литосферу (рис. 4). В астеносфере находятся магматические очаги, питающие вулканы, деятельности которых Земля обязана своей подвижной оболочкой — гидросферой и атмосферой.
 Рис. 4. Структура недр планеты (со схематическим вулканом)
Согласно современным представлениям, атмосфера и гидросфера возникли в результате дегазации магмы, выплавляющейся при вулканических процессах из верхней мантии и создающей земную кору. Атмосфера и гидросфера состоят из легких летучих веществ (соединений водорода, углерода и азота), содержание которых на Земле в целом очень мало — примерно в миллион раз меньше, чем в космосе. Причина такого дефицита состоит в том, что эти летучие вещества были «вымыты» еще из протопланетного облака солнечным ветром (т.е. потоками солнечной плазмы) и давлением света. В момент образования Земли из протопланетного облака все элементы ее будущей атмосферы и гидросферы находились в связанном виде, в составе твердых веществ: вода — в гидроокислах, азот — в нитридах (и, возможно, в нитратах), кислород — в окислах металлов, углерод — в графите, карбидах и карбонатах.
Современные вулканические газы примерно на 75 % состоят из паров воды и на 15 % — из углекислого газа, а остаток приходится на метан, аммиак, соединения серы (H2S и SO2) и «кислые дымы» (HCl, HF, HBr, HI), а также инертные газы; свободный кислород полностью отсутствует. Изучение содержимого газовых пузырьков в древнейших (катархейских) кварцитах Алданского щита показало, что качественный состав этих газов полностью соответствует тому, что перечислено выше. Поскольку эта первичная атмосфера была еще очень тонкой, температура на поверхности Земли равнялась температуре лучистого равновесия, получающейся при выравнивании потока солнечного тепла, поглощаемого поверхностью, с потоком тепла, излучаемым ею; для планеты с параметрами Земли температура лучистого равновесия равна примерно 15°C.
В итоге почти весь водяной пар из состава вулканических газов должен был конденсироваться, формируя гидросферу. В этот первичный океан переходили, растворяясь в воде, и другие компоненты вулканических газов — бoльшая часть углекислого газа, «кислые дымы», окиси серы и часть аммиака. В результате первичная атмосфера (содержащая — в равновесии с океаном — водяные пары, CO2, CO, CH4, NH3, H2S, инертные газы и являющаяся восстановительной) оставалась тонкой и температура на поверхности планеты не отклонялась сколь-нибудь заметно от точки лучистого равновесия, оставаясь в пределах существования жидкой воды. Это и предопределило одно из главных отличий Земли от других планет Солнечной системы — постоянное наличие на ней гидросферы.
Как же изменялся объем гидросферы на протяжении ее истории? В расплавленном базальте (в астеносфере) при температуре 1000°С и давлении 5–10 тыс. атмосфер растворено до 7–8 % H2O: именно столько воды, как установлено вулканологами, дегазируется при излиянии лав. Бoльшая часть этой воды (имеющей, таким образом, мантийное происхождение) пополняла собою гидросферу, но часть ее поглощалась обратно породами океанической коры (этот процесс называется серпентинизацией). Расчеты геофизиков показывают, что в катархее и архее воды в океанских впадинах было мало и она еще не прикрывала срединно-океанические хребты. В океаническую кору вода поступала не из океанов, а снизу — непосредственно из мантии. В начале протерозоя уровень океанов достиг вершин срединно-океанических хребтов, но на протяжении всего раннего протерозоя практически весь объем поступавшей в океаны воды поглощался породами океанической коры. К началу среднего протерозоя процессы серпентинизации закончились и океаническая кора обрела современный состав. С этого времени объем океанов вновь начал нарастать. Это будет продолжаться (с постепенным замедлением), пока на Земле не прекратятся вулканические процессы.
Если спросить человека: «Отчего море соленое?», он почти наверняка ответит: «Оттого же, отчего солоны бессточные озера (вроде озера Эльтон, снабжающего нас поваренной солью): впадающие в море реки несут некоторое количество солей, потом вода испаряется, а соль остается». Ответ этот неверен: соленость океана имеет совершенно иную природу, чем соленость внутриконтинентальных конечных водоемов стока. Дело в том, что вода первичного океана имела различные примеси. Одним источником этих примесей были водорастворимые атмосферные газы, другим — горные породы, из которых в результате эрозии (как на суше, так и на морском дне) вымываются различные вещества. «Кислые дымы», растворяясь в воде, давали галогеновые кислоты, которые тут же реагировали с силикатами (основным компонентом горных пород) и извлекали из них эквивалентное количество металлов (прежде всего щелочных и щелочноземельных — Na, Mg, Ca, Sr, K, Li). При этом, во-первых, вода из кислой становилась практически нейтральной, а во-вторых, соли извлеченных из силикатов элементов переходили в раствор; таким образом, вода океана с самого начала была соленой. Концентрация катионов в морской воде совпадает с распространенностью этих металлов в породах земной коры, а вот содержание основных анионов (Cl–, Br–, SO4–, HCO3–) в морской воде намного выше того их количества, которое может быть извлечено из горных пород. Поэтому геохимики полагают, что все анионы морской воды возникли из продуктов дегазации мантии, а все катионы — из разрушенных горных пород.
Главным фактором, определяющим кислотность морской воды, является содержание в ней углекислого газа (CO2 — водорастворим, сейчас в океанах его растворено 140 трлн. т — против 2,6 трлн. т, содержащихся в атмосфере). В океанах существует динамическое равновесие между нерастворимым карбонатом кальция CaCO3 и растворимым бикарбонатом Ca(HCO3)2: при недостатке CO2 «лишний» бикарбонат превращается в карбонат и выпадает в осадок, а при избытке CO2 карбонат превращается в бикарбонат и переходит в раствор. Карбонатно-бикарбонатный буфер возник в океане на самом начальном этапе его существования, и с тех пор он поддерживает кислотность океанской воды на стабильном уровне.
Что касается атмосферы, то ее состав стал меняться в протерозое, когда фотосинтезирующие организмы начали вырабатывать (в качестве побочного продукта своей жизнедеятельности) свободный кислород; сейчас считается твердо установленным, что весь свободный кислород планеты имеет биогенное происхождение. Кислород, в отличие от углекислого газа, плохо растворим в воде (соотношение между атмосферным и растворенным в воде CO2 составляет, как мы видели, 1:60, а для O2 оно составляет 130:1), и потому почти весь прирост кислорода идет в атмосферу. Там он окисляет CO и CH4 до CO2, H2S — до S и SO2, а NH3 — до N2; самородная сера, естественно, выпадает на поверхность, углекислый газ и сернистый ангидрид растворяются в океане, и в итоге в атмосфере остаются только химически инертный азот (78%) и кислород (21 %). Атмосфера из восстановительной становится современной, окислительной; впрочем, подробнее историю кислорода на Земле мы обсудим позднее, там, где речь пойдет о ранней эволюции живых существ (глава 5).
Помимо кислорода и азота, в атмосфере содержится небольшое количество так называемых парниковых газов — углекислый газ, водяной пар и метан. Составляя ничтожную долю атмосферы (менее 1 %), они, тем не менее, оказывают важное влияние на глобальный климат. Все дело в особых свойствах этих газов: будучи сравнительно прозрачными для коротковолнового излучения, поступающего от Солнца, они в то же время непрозрачны для длинноволнового — излучаемого Землею в космос. По этой причине вариации в количестве атмосферного CO2 могут вызывать существенные изменения теплового баланса планеты: с ростом концентрации этого газа атмосфера по своим свойствам все более приближается к стеклянной крыше парника, которая обеспечивает нагрев оранжерейного воздуха путем «улавливания» лучистой энергии, — парниковый эффект.
ГЛАВА 3
Эволюция земной коры. Дрейф континентов и спрединг океанического дна. Мантийная конвекция
Горные породы, формирующие кору Земли, как мы помним, бывают изверженные — первичные, образовавшиеся при охлаждении и затвердевании магмы, и осадочные — вторичные, образовавшиеся в результате эрозии и накопления осадков на дне водоемов. Осадочные породы почти полностью покрывают поверхность суши, формируя (в числе прочего) значительную часть высочайших горных систем. Это означает, что порода, из которой слагаются ныне вершины Альп или Гималаев, когда-то формировалась под водой, ниже уровня моря. Поразительно, не так ли? Хотя любой геолог считает это обстоятельство совершенно тривиальным.
В 1852 году Л. Эли де Бомон предложил для объяснения орогенеза (процесса горообразования) контракционную теорию (от латинского contractio — сжатие); она основывалась на предположении об изначально горячей Земле. Итак, имеется огненный шар из раскаленного газа, который, остывая с поверхности, начинает покрываться твердой коркой. Объем любого остывающего тела уменьшается, и остывающая корка «садится», растрескиваясь подобно такыру.[7] Возникшие трещины — самые глубокие части на поверхности планеты, и потому именно в них происходит самое интенсивное осадконакопление. Тем временем внутренние части шара тоже остывают и весь он постепенно уменьшается в объеме; при этом потрескавшаяся «кожура» начинает собираться в складки и заполненные осадками трещины выпирают наружу, образуя горные хребты.
Контракционная теория имела множество уязвимых мест. Подсчеты показывали, что для предполагаемых ею изменений объема планеты необходимо изменение температуры на несколько тысяч градусов, что уже само по себе маловероятно. А поскольку различные горные системы образовывались в разное время, то получается, что происходило несколько последовательных падений температуры — на несколько тысяч градусов каждое; исходная же температура получалась просто невообразимой. А между тем на Земле в это время существовала жизнь — соответствующие осадочные породы содержат ископаемых. Как такое может быть?
Но ничего лучшего в распоряжении геологов не было до 1912 года, когда А. Вегенер предложил свою теорию дрейфа континентов (т.е. их горизонтальных перемещений), объяснявшую с единых позиций целый ряд явлений, в том числе процесс орогенеза. Отправным пунктом в построениях Вегенера было удивительное сходство береговых линий континентов по разные стороны Атлантического океана (рис. 5, а), на которое обращали внимание многие естествоиспытатели еще с XVII века (Ф. Бэкон). Вегенер не довольствовался совмещением контуров всех приатлантических и — в несколько меньшей степени — прииндоокеанских континентов (подобно кусочкам мозаики, формирующим единое панно). Он показал практически полную идентичность позднепалеозойских и раннемезозойских геологических разрезов Африки и Южной Америки, находящихся ныне по разные стороны Южной Атлантики, и очень высокое единство позднепалеозойской флоры и фауны всех разделенных теперь океанами материков Южного полушария и Индии. Это привело его к выводу о том, что в конце палеозоя все материки были собраны в единый протоконтинент — Пангею, состоящий из двух блоков: северного, Лавразии (Северная Америка и Евразия без Индостана), и южного, Гондваны (Южная Америка, Африка, Индостан, Австралия и Антарктида), разделенных морем Тетис. Пангея была окружена единственным же — огромным — океаном; таких океанов, как Атлантический и Индийский, в то время еще не существовало.
Доказательством того, что в прошлом материки располагались на земном шаре иначе, Вегенер вполне справедливо считал данные о климате разных частей Гондваны. С одной стороны, в Трансантарктических горах, у самого Южного полюса, экспедицией Р. Скотта были найдены позднепалеозойские ископаемые деревья, принадлежащие к глоссоптериевой флоре (см. главу 9) — той же самой, что и на прочих Гондванских материках. С другой стороны, в это же время в Индии, Бразилии, Экваториальной Африке и Австралии образовывались ледниковые отложения — тиллиты, основу которых составляет галька со специфической окатанностью и штриховкой (рис. 5, б). Эти факты можно согласовать, только если допустить, что некогда Южная Америка, Африка, Австралия и Индия располагались гораздо ближе к Южному полюсу, а Антарктида, напротив, существенно дальше от него, чем в наши дни. Попытки решить проблему, перемещая по глобусу сам Южный полюс при неизменном, нынешнем, положении материков ничего не дают. (При желании можете сами поскладывать эту мозаику.)
 Рис. 5. Истоки возникновения теории дрейфа континентов: а — совмещение береговых линий приатлантических материков; б — следы пермо-карбонового оледенения на современных континентах (по Монину, 1980, и Вегенеру, 1925)
Надо заметить, что былое территориальное единство континентов Южного полушария допускалось многими геологами, однако все они, в том числе Э. Зюсс, предложивший термин «Гондвана» (от названия древнеиндийского племени гондов), считали нынешнее положение материков неизменным и предполагали, что между ними существовали некие сухопутные соединения, впоследствии погрузившиеся в океан. Вегенер же, вместо того чтобы «строить» такие «сухопутные мосты», предположил, что материки перемещаются по поверхности планеты: Южная Америка отодвигается от Африки, Индостан приблизился к Евразии и столкнулся с ней…
Ко времени исследований Вегенера уже стало ясно, что существование погрузившихся в океан «сухопутных мостов» невозможно, т. к. континентальная кора принципиально отлична по своему строению от коры на дне океанов. В геофизике уже тогда был разработан и широко применялся метод измерения гравитационных аномалий (ГА). Всем известная величина ускорения свободного падения g = 9,8 м/с2, характеризующая силу земного притяжения, в действительности есть величина усредненная. Вблизи больших масс сила притяжения (в соответствии с законом всемирного тяготения) будет больше. Поэтому на тех участках Земли, где плотность слагающих ее горных пород выше средней, величина g будет несколько больше 9,8 м/с2, а там, где эта плотность ниже средней (дефицит массы), — наоборот. Эти отклонения и называют, соответственно, положительными и отрицательными гравитационными аномалиями. Начав измерения еще в 50-х годах XIX века, ученые не без удивления обнаружили, что вблизи больших гор отсутствуют положительные ГА: эффект притяжения самих горных массивов полностью компенсируется дефицитом массы под ними; вообще под районами с высоким рельефом повсеместно залегают скопления вещества относительно малой плотности. И наоборот, в океанах, где следовало бы ожидать крупных отрицательных ГА (ведь плотность воды, заполняющей впадины океанов, в 2,5–3 раза ниже плотности горных пород, залегающих на таком же уровне на материках), ничего подобного не наблюдается; следовательно, океанское дно должно в основном состоять из пород существенно более плотных, чем те, что слагают материки.
Из всего этого был сделан совершенно правильный вывод о том, что породы коры легче пород мантии и «плавают» в ней подобно айсбергам (или как металлические пластины в ванне со ртутью). Плавающий айсберг, в соответствии с законом Архимеда, должен быть глубоко (на 5/6 своего объема) погружен в воду; чем выше его надводная часть, тем больше должна быть подводная (рис. 6). На дне океанов слой коры очень тонок, тогда как материки сформированы во много раз более толстой и более легкой корой (в 50-е годы ХХ века это было подтверждено прямыми измерениями — средняя толщина континентальной и океанической коры составляет 36 и 7,5 км, соответственно); максимальной же толщины кора достигает под горными системами («У гор глубокие корни»). Это явление было названо изостатическим равновесием, или просто изостазией — взаимное уравновешивание по закону Архимеда, когда вес погруженного тела (коры) равен весу вытесненной им жидкости (мантийного вещества). Необходимо помнить, что «жидкость», в которую погружена кора, обладает столь большой вязкостью, что при относительно быстрых (сотни — первые тысячи лет) нагрузках ведет себя как твердое тело.
 а)  б) Рис. 6. Изостазия: а — соотношение в различиях между величиной надводных и подводных частей двух айсбергов (a:b); б — структура континентальной и океанической коры (по Уеда, 1980)
Итак, Вегенер фактически объединил концепцию изостазии (этот термин был введен Даттоном в 1892 году, но сама концепция гораздо старше) с данными по геологии и палеоклиматологии южных материков и создал в итоге свою теорию дрейфа континентов. Согласно ей изостатические «айсберги»-материки медленно дрейфуют в чрезвычайно вязком мантийном веществе. Праматерик Гондвана, первоначально располагавшийся в высоких широтах Южного полушария, раскололся на фрагменты, часть из которых затем переместилась еще дальше к Южному полюсу (Антарктида), а остальные, напротив, приблизились к экватору (Южная Америка, Африка, Австралия) или даже пересекли его и оказались в Северном полушарии (Индия). Когда материки сталкиваются между собой, кора сминается в складки, образуя горы; если продолжать аналогию с плавучими льдами, то орогенез соответствует процессу образования торосов.
Теория дрейфа континентов быстро завоевала популярность, которая, однако, оказалась недолгой. Ни Вегенеру, ни его сторонникам не удалось найти сил, заставляющих материк продвигаться вперед, преодолевая колоссальное сопротивление мантийного вещества. Попытки объяснить это движение кориолисовыми силами (инерционные силы, возникающие на поверхности вращающегося тела, вектор которых направлен против направления вращения) и тяготением Луны были тут же отвергнуты геофизиками как несерьезные. Несколько десятилетий к концепции горизонтальных перемещений континентов относились как к изящной фантазии, но в начале 60-х годов она получила подтверждение с совершенно неожиданной стороны — из области палеомагнитных исследований.
Если нагреть постоянный магнит выше определенной температуры, называемой точкой Кюри, то он теряет свои магнитные свойства, но затем, при охлаждении, вновь восстанавливает их. При прохождении точки Кюри застывающая изверженная горная порода, которая содержит ферромагнитные минералы (соединения железа и никеля), намагничиваются и ориентируются в соответствии с существующим в это время магнитным полем; это явление называется остаточной намагниченностью. Иными словами, содержащая соединения железа (или иных ферромагнетиков) горная порода в известном смысле представляет собой стрелку компаса, указывающую направление на магнитный полюс Земли в момент застывания породы. Если же у нас есть более одной такой «стрелки», то пересечение указываемых ими направлений даст нам и точное положение полюса в соответствующую эпоху, и, с другой стороны, географическую широту района образования каждой из наших «стрелок»-пород (направление линий намагниченности породы относительно земной поверхности меняется от 90° на полюсе до 0° на экваторе). А поскольку 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.
В результате этих исследований выяснились две вещи. Во-первых, теперь было прямо доказано, что все «Гондванские» материки действительно находились некогда в гораздо более высоких широтах Южного полушария, чем ныне. Во-вторых, общая картина положения полюсов в геологическом прошлом получалась какая-то странная. 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.
 Рис. 7. Траектории движения полюса относительно континентов при их современном расположении: а — Северного относительно Европы и Северной Америки; б — Южного относительно Африки и Южной Америки; в — те же траектории. но при совмещении приатлантических частей континентов в соответствии с реконструкциями Вегенера (по Монину, 1980)
В 1962 Г. Хесс суммировал эти данные, сформулировав свою гипотезу разрастания (спрединга) океанического дна. Он предположил, что в мантии происходит конвекция, т.е. тепловое перемешивание вещества (подробнее об этом чуть дальше). Горячее, частично расплавленное мантийное вещество поднимается на поверхность по рифтовым трещинам; оно постоянно раздвигает края рифта и одновременно, застывая, наращивает их изнутри. При этом возникают многочисленные мелкофокусные землетрясения (с эпицентром 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, таким образом, является просто-напросто местом, где на поверхность 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.
Если на срединно-океанических хребтах постоянно образуется новая океаническая кора, то должно быть и место, где происходит обратный процесс, — ведь суммарная-то поверхность планеты не увеличивается. 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, выделяется в виде глубокофокусных землетрясений (с эпицентром на глубине до 600–650 км) и извержений вулканов (рис. 8).
В воображении океаническое дно представляется гигантской конвейерной лентой, выходящей на поверхность в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов и затем скрывающейся в глубоководных желобах. Предположение, что возраст океанической коры должен увеличиваться по мере удаления от рифта и достигать максимума 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-аргоновым 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 — магнитостратиграфии.
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 к анализу самого донного вещества. В 1963–64 годах независимо друг 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, параллельные срединно-океаническим хребтам и симметричные относительно них; при этом ширина таких полос должна быть пропорциональна длительности соответствующих эпох полярности. 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 литосферных плит. Из многих ее аспектов нас будет интересовать лишь рисуемая ею картина перемещения и взаиморасположения континентов 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 естественный вопрос: является ли это движение бессистемным, «броуновским», или оно определяется некими закономерностями? И здесь нам придется вернуться к упомянутому выше процессу мантийной конвекции.
   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 (черные кружки), в зоне «упора» и «разлома» плиты — глубокофокусные землетрясения (белые кружки) (по Уеда, 1980)   Рис. 9. Свидетельства спрединга океанического дна: а — аномалии величины напряженности магнитного поля в районе Срединно-Атлантического хребта; б — карта значений возраста дна Северной Атлантики (цифры — миллионы лет) (по Монину, 1980)  Рис. 10. Положение материков: а — 180 млн лет назад; б — 135 млн лет назад; в — 65 млн лет назад; г — современное (по Монину, 1980)
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, 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) называют тепловой конвекцией. Г. Хесс предполагал, что она-то 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, обладают пониженной плотностью и положительной плавучестью; внешние слои мантии, напротив, уплотнились в результате выплавки из них «легкого», силикатного, вещества земной коры и обладают отрицательной плавучестью. Под действием этих архимедовых сил 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 (мантийным веществом) от областей его подъема к областям опускания (сравните: в кастрюле с кипящим молоком — ячейке закрытого типа — 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 воедино вокруг полюса опускания, освобождая вокруг полюса подъема «пустое» океанское — полушарие; такая ситуация существовала, например, во времена Пангеи.
 Рис. 11. Возникновение конвективной ячейки в нагреваемой жидкости — стрелками указано направление токов (слева вид сбоку, справа вид сверху): а — ячейка закрытого типа; б — ячейка открытого типа; в — двухъячеистая конвекция (две ячейки открытого типа)
Другая, более сложная, схема действует в наши дни. Это пара открытых ячеек типа «лоскутов теннисного мяча» — очень точное и наглядное 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 и границей между этими ячейками открытого типа — тот самый волнообразно изогнутый «шов») и составляет глобальная система срединно-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».)
  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 мантийного вещества (оси каждого из лоскутов); в — поверхность современной Земли (заштрихован американо-антарктический «лоскут») (по Монину, 1980)
При одноячеистой конвекции положение полюсов подъема и опускания вещества всегда будет несколько отличаться от идеального (точно по диаметру планеты); там, где соединяющие их «меридианы» будут самыми длинными, образуется застойная область, в которой вещество не теряет железа и потому постепенно оказывается тяжелее окружающей его среды. Через некоторое время оно «проваливается» вглубь мантии, создавая второй полюс опускания и превращая конвекцию в двухъячеистую. Двухъячеистая конвекция постепенно ослабляется и затем переходит в одноячеистую (одна из ячеек как бы «съедает» другую), и конвекционный цикл начинается заново. Таким образом, взаиморасположение континентов определяется фазой конвекционного цикла в мантии — и наоборот: фаза конвекционного цикла, имевшая место в некую геологическую эпоху, может быть определена исходя из взаиморасположения континентов, реконструированного палеомагнитными, палеоклиматологическими и другими методами. Понятно, что все эти изменения весьма существенно влияют на климат соответствующей эпохи, а через него — на функционирование ее биосферы.
Примечания:
7
Такыры — возникающие в зоне пустынь гладкие и ровные глинистые поверхности, похожие на мостовые: они разбиты трещинами на отдельные плитки (часто правильные шестиугольники) площадью около 1 м2.
Источник: libma.ru.
Рейтинг публикации:
|
