Журнал «Вокруг Света» №03 за 1984 год

Каменные реки недр

Вслушиваюсь в энергичную речь Ирины Лукашевич, в деловитые реплики Елены Приставакиной и ловлю себя на мысли — как буднично, однако, обо всем говорится. «Скорость потока», «разность уровней» — словно о дежурных замерах где-нибудь на подмосковной речушке. А разговор-то между тем о перемещении вещества в твердой мантии Земли, о вероятности там течений. Тех самых, существование которых в 30-х годах нашего века ученый мир посчитал полнейшим абсурдом и всего лет десять назад согласился признать в качестве... недоказанной гипотезы. Ведь еще никто и никогда не фиксировал таких глобальных подвижек в мантии планеты!

Мозаика аномалий

Сравнительно недавно ложе Атлантического океана рисовалось ученым в виде выглаженной котловины, осложненной разве что Атлантическим валом. Но экспедиции одного из крупнейших геофизиков нашего времени Мориса Юинга доказали: под толщей вод тянется грандиозный хребет с многочисленными кряжами и долинами. С севера на юг простирается бесконечная горная страна. По оси крутого гребня — ущелья (рифты), а по обе стороны — высокие плато и каскады гористых террас.

Поверхность гребня слагали изверженные базальты. Осадочных отложений почти не было. Выходит, Срединно-Атлантический хребет сравнительно молод? М. Юинга удивило и то, что дно Северной Атлантики по сравнению с Центральной существенно приподнято — больше чем на два километра. А часть подводного хребта — остров Исландия — даже выходит на поверхность океана! Почему?!

Теперь мы знаем, что любой предмет у экватора всегда чуть-чуть полегче, чем близ полюса. Гравиметристам известно это «чуть-чуть». Примерно пять галов ( Гравиметристы регистрируют ускорение силы тяжести, поэтому единицей измерения принято считать один сантиметр на секунду в квадрате ). Куда чаще им приходится пользоваться его тысячными долями — миллигалами. И эти микровеличины порой сообщают очень важные сведения о макрофактах земных глубин.

Изумительна человеческая способность находить пути для познания вещей и явлений, недоступных непосредственному восприятию. Умение гравиков «фотографировать» глубинные недра Земли — из того же ряда феноменов.

Практически они как будто только и делают, что в разных местах взвешивают гирьку. Ее вес должен строго соответствовать той широте, где происходит измерение, то есть быть в норме — на гравиметрическом нуле. Но чаще она оказывается тяжелее или легче чем положено. Вот эти-то аномалии — положительные и отрицательные — главная информация, добываемая гравиками. И очень ценная. Плотность горных пород, как известно, не одинакова, и располагаются они на разной глубине, вздымаясь к поверхности или погружаясь. Это и фиксирует гравиметр.

Прежде было известно довольно много небольших районов на суше и на море, где показатели гравитационного поля отклонялись от нормы. Причина «ненормальности» не составляла тайны. Разумеется, изменения в строении земной коры. Теперь же учеными обнаружены крупные регионы разных гравитационных отклонений протяженностью более тысячи километров! Одним из таких обширных полей оказалась почти вся Северная Атлантика. Там, в районе 60° северной широты, существовала положительная аномалия в сорок миллигал.

...Спутник регулярно посылал в Центр управления радиосигналы о высоте своего полета. И странно, не по всей трассе — а то тут то там обнаруживались отклонения в траектории полета. Не будь полной уверенности конструкторов в надежности посланных в космос приборов, самое время заподозрить неладное в работе спутниковых высотомеров. Но приборы были точны...

Высоту на земле всегда определяли от уровня моря. Казалось, нет стабильнее точки отсчета. Хотя колебания не исключались, но они были либо кратко-временны и волнообразны (приливы и отливы), либо совершенно ничтожны — миллиметры в год. И вдруг...

На поверхности океана, как оказалось, постоянно, даже в самую тихую погоду, держатся поднятия и впадины— словно неподвижные волны. Поднятия подобны по высоте холмам средней величины, но в поперечнике достигают 3—5 тысяч километров. Ничуть не уступают им и впадины.

Подобных неровностей в Мировом океане несколько, находятся они на большом расстоянии друг от друга. К югу от полуострова Индостан (близ экватора) — впадина глубиной 112 метров. Неподалеку от Австралии «бугор» около 80 метров. Юго-западнее Калифорнии в Тихом океане еще одна впадина глубиной более пятидесяти метров. Поверхность океана между двумя Америками (в «заколдованном» Бермудском треугольнике) опущена на шестьдесят четыре метра.

И конечно, ничто загадочное не минует Северную Атлантику — там горб в шестьдесят шесть метров. Он спадает в юго-западном направлении и сходит на нет где-то у 20° северной широты. Какова же природа этих неподвижных «волн»?

...Ночью 21 мая 1960 года в Чили произошло землетрясение невиданной силы. Змеились трещины вдоль и поперек дорог, рушились мосты и дома. Через несколько часов, когда спасатели попытались помочь пострадавшим, заявили о себе новые мощные толчки.

За рубежом первыми о чилийской катастрофе узнали сейсмологи. И почти тут же (бывает же такое!) они стали свидетелями того, как подтвердилось одно из важнейших геофизических открытий — пожалуй, единственное в истории науки, доказательство которого было столь ужасным.

Первый шаг к этому открытию был сделан в Петербурге. Тогдашний директор Главной физической обсерватории академик Борис Борисович Голицын в мае 1914 года сообщил коллегам об исследованиях земного шара с помощью сейсмографов собственной конструкции. К тому времени способность сейсмических волн убыстрять бег в более твердых средах убедила ученых, что чем ниже горные породы залегают, тем они плотнее. Голицын же обнаружил в верхней мантии полосу, где скорость волн, наоборот, уменьшалась по сравнению с вышележащими пластами.

— Там явно разуплотненный, пластичный слой,— убеждал академик.

Странную полосу в верхней мантии обнаружили вторично в 1925 году — по записям одного сильного землетрясения. Потом она опять надолго исчезла из поля зрения наблюдателей. И снова промелькнула разок-другой, доказывая, что она не плод фантазии или ошибки. Потом ею специально занялся известный американский геофизик Бено Гутенберг.

— Да,— сказал он, изучив множество материалов,— пластичный волновод верхней мантии не иллюзия.

Так началась дискуссия, длившаяся более четверти века. Признавать волновод не спешили.

Когда в 1940 году советский геофизик Е. Ф. Саваренский провел эксперимент и установил, что строение верхней мантии в разных районах Земли неодинаково, публикацию об этом большинство сейсмологов предпочло не заметить. Сама идея представлялась им невероятной.

Отношение к ней изменилось лишь тогда, когда стали изучать сейсмические волны при испытаниях атомных устройств (здесь ведь заранее известно и время и место первого толчка). Но решающим аргументом для признания волновода стало все-таки чилийское землетрясение. По количеству выделившейся энергии его можно сравнить лишь с общей мощностью всех землетрясений, происходящих на планете за год. Подобно ярчайшей вспышке, оно хорошо «просветило» Землю насквозь. Тогда-то и удалось по-настоящему «разглядеть» слой с пониженной плотностью.

Он действительно залегал неравномерно. Под океаном — на глубине от 50 до 300 километров. Причем вдоль срединно-океанических хребтов (под самым рифтом) приближался почти к поверхности дна. Под континентами становился все тоньше, а у древних платформ Европы и Северной Америки вообще сходил на нет.

В конце концов сейсмологи согласились, что речь и в самом деле должна идти о размягченном, то есть частично расплавленном, мантийном материале.

Долго не признаваемый слой назвали астеносферой — ослабленной оболочкой.

Геофизики пришли к интересному заключению. Плотность и температура верхней мантии изменяется не только с глубиной, но и в горизонтальных направлениях. А коль так, значит, мантия находится в неустойчивом состоянии. И вопрос уже не в том — в покое она или в движении, а в ином — что это за движение?

Заканчивается рейс океанологического судна. Здесь, на Срединно-Атлантическом хребте, в 400 километрах западнее Азорских островов, бурение во всех точках прошло удачно. Добытые базальтовые керны, которые доктор геолого-минералогических наук Л. В. Дмитриев мог детально изучать, вознаградили за все труды.

Нет сомнений, океанская кора вблизи гребня молодая (по геологическим меркам, разумеется). В рифтовой долине застывшие базальтовые лавы. Но странно, состав их в Центральной Атлантике несколько иной, чем в Северной.

Дмитриев долго размышляет над природой такого удивительного факта. «Не может быть, чтобы менялся состав мантии?» — недоумевал он.

В конце концов пришел вот к чему: по-видимому, выплавка базальтов под Северной Атлантикой происходит на большей глубине, чем под Центральной. Но отчего так?

Цепь рассуждений вполне логично приводит к следующему умозаключению. Если вулканический расплав поднимается с большей глубины, то над этим очагом будет толще литосфера ( Земная кора, спаянная с твердой частью мантии над астеносферой — пластичной оболочкой Земли.).

И коль скоро речь зашла о мощности литосферы в Мировом океане, то самое время вспомнить о научном руководителе Ирины Лукашевич, о докторе физико-математических наук Олеге Георгиевиче Сорохтине, авторе оригинальных формул, которыми устанавливается прямая зависимость между толщиной литосферы, ее возрастом и глубиной океана в том или ином месте. Он первым доказал, что ни одна из этих величин не случайна. Занявшись загадкой североатлантических аномалий, Лукашевич решила прежде всего поразмышлять над формулами.

По модели Сорохтина, толщина литосферы под океанами отнюдь не всюду одинакова. И вот почему. Образование молодой коры начинается с внедрения мантийного вещества в трещину разрыва (в рифте). Астеносфера здесь подходит буквально к самой поверхности дна. Раздвигаются борта разлома. Полурасплавленная магма остужается. Кристаллизуется ее излившаяся базальтовая часть.

Чем дальше от рифта вновь возникшие участки коры, тем глубже охлаждение вещества, заключенного в верхней мантии, но не излившегося на поверхность. Вот когда литосфера становится толще и плотнее. Но от этого она отнюдь не приподнимается. Наоборот, погружается все ниже. Там, где это происходит — на крыльях срединных хребтов,— заметно понижается морское дно.

По своим формулам Сорохтин вычертил кривые рельефов дна Атлантического и Тихого океанов. То есть каким оно (исключая, разумеется, детали) должно быть. И это «должно быть» достаточно точно совпало с реальным положением вещей. Близкими оказались также «математическая» толщина литосферы и определение ее мощности сейсморазведкой.

Сравнительно близкими, не более того,— вот на что обратила внимание Лукашевич. И еще: в формулах Сорохтина поначалу не учитывалось, что у подошвы литосферы вещество трижды переходит из одного состояния в другое — в зависимости от глубины и степени охлаждения. Трижды, и каждый раз скачком — там словно бы нарастают ступени по мере того, как один минерал (плагиоклаз) превращается на ее подошве в другой (шпинель), а этот в третий (гранат).

Программу для ЭВМ написала Елена Приставакина. Машине надлежало определить временные зоны превращения вещества. И вот ее ответ: возраст первой ступени — от нуля до 20 миллионов лет, второй — до 60 и третьей — больше 60 миллионов лет. Причем ступени-ровесники расположены симметрично по обе стороны от оси срединного хребта и на всем протяжении вдоль него у них одинаковые плотность и толщина. Одинаковые!

Оставалось найти причину североатлантических аномалий.

В Институте физики Земли АН СССР по этому поводу имелась собственная точка зрения: под Северной Атлантикой на глубине 400—900 километров возникло уплотнение — под действием высоких давления и температуры произошла частичная перестройка электронных оболочек атомов мантийного вещества.

Но ведь в мантии соседних районов на той же глубине царили, надо думать, не меньшие давление и температура, однако ни уплотнений, ни положительной гравитационной аномалии там почему-то не появлялось!

А вот еще одно суждение о тех океанских загадках, которое высказал Сорохтин. Вкратце суть его концепции, включающей в себя и объяснение ситуации в Северной Атлантике, такова.

Одновременно с образованием Земли в ее недрах началось расслоение вещества по плотности. Ядро Земли медленно росло — на его поверхности первичная смесь вещества (в основном силикатного) освобождалась частично от тяжелой фракции (окиси железа). Даже такой малой потери достаточно, чтобы возникла разность плотности веществ. г более легкое начало подниматься. А восходящий поток в верхней мантии медленно растекался в стороны, растягивая и разрывая местами литосферу, одновременно растаскивая расколотые плиты.

Массы, относительно более богатые окисью железа, опускались вниз, увлекая за собой расколотые и отяжелевшие со временем части океанской литосферы. Так непрекращающаяся плотностная циркуляция вещества — конвекция — стала движущей силой дрейфа литосферных плит и одновременно источником, питающим рост ядра Земли. Процесс продолжается и сегодня.

Северная Атлантика, по мнению Сорохтина, как раз и стала районом восходящего мантийного течения. Этим он объясняет тамошнюю приподнятость в рельефе дна.

Однако часть геофизиков указывала на серьезное противоречие: если согласиться, что под Северной Атлантикой восходящий поток действительно существует, то он будет нести более легкое по сравнению с окружающей мантией вещество. И тем самым создавать здесь поле отрицательного гравитационного отклонения. А поскольку сомневаться в реальности североатлантической положительной аномалии не приходится — факт абсолютно достоверный,— то остается усомниться в справедливости гипотезы.

Тем более что противоречие в ней не единственное.

Сомнения остаются?

Сорохтин считает подобное противоречие кажущимся. Известно, что в показаниях гравиметра отзываются не только изменения в плотности горных пород, но и глубина их залегания. А если в Северной Атлантике дно приподнято, значит, оно существенно ближе к корабельным измерительным приборам, чем, скажем, в Центральной. Отсюда и положительная аномалия.

Но это было лишь предположением. Лукашевич взялась подсчитать, как приподнятость дна в «чистом виде» может влиять на показания гравиметра. Информация о глубинах Атлантики, которую получили непосредственно с судов, позволяла построить усредненный рельеф дна всего региона — более удобный для расчетов.

Толщину и плотность ступеней литосферы Лукашевич вычислила по тем формулам Сорохтина, которые сама же уточнила.

И вот закончена главная часть работы — выяснена «доля» литосферы в тех аномальных 40 миллигалах, что показывал гравиметр в Северной Атлантике. Теперь оставалось решить — как потом говорила Лукашевич — простейшую задачу на вычитание — отнять «долю» литосферы от общего показателя положительной гравитационной аномалии.

И тогда последняя получилась... отрицательной! Каковой ей и полагалось быть над восходящим течением мантийного вещества. («Доля» литосферы оказалась больше 40 миллигал.)

Однако с сорохтинской гипотезой «спорила» еще одна аномалия.

В самом деле, отчего различен состав изверженных базальтов в Северной и Центральной Атлантике?

Сорохтин и здесь не видел ничего загадочного. Причина заключалась опять-таки в мантийных течениях.

Под Северной Атлантикой восходящий поток не может свободно растекаться во все стороны. Под обрамляющими ее континентами пластичный слой выклинивается, и вязкость верхней мантии увеличивается раз в десять. Фундаменты Евразии, Африки, Северной Америки и Гренландии становятся непреодолимым препятствием. Материки, по словам Сорохтина, подобны сидящим на мели гигантским айсбергам.

Мантийный поток вынужден отклоняться на юго-запад. Он направляется вдоль оси срединного хребта — по пути наименьшего сопротивления.

Центр восходящего течения находится примерно в районе Исландии. А так как там хребет наиболее приподнят, то в астеносфере между Северной и Центральной Атлантикой создается перепад уровней в два с половиной километра. На суше подобное порождает бурные горные реки и даже грозные сели. В мантии катастроф не случается — вещество для стремительных потоков слишком вязко.

Но, сползая с такой высоты, астеносферный поток несколько нагревается от трения. Тепло идет на дополнительную «плавку» части мантийного вещества. Ведь оно состоит из множества химических соединений и элементов с разной температурой плавления, однако у некоторых довольно близкой. Поэтому достаточно сравнительно небольшого «лишнего» нагрева, чтобы в астеносферном потоке расплава существенно прибавилось. Под Центральной Атлантикой его становится почти вдвое больше, чем под Северной. И здесь как раз тот случай, когда количество заметно переходит в качество. Раз больше расплава, значит, в нем появились более тугоплавкие соединения, они разбавили базальтовую магму, и в ней уменьшилась концентрация элементов легкоплавких.

Однако позвольте! Вещество астеносферы дополнительно разогревается и при этом преспокойно отправляется в район нисходящего мантийного течения? Как же так! От нагрева всякий материал становится менее плотным. С какой же стати оно станет погружаться в твердую мантию? Уж не вопреки ли законам физики?

Нет, с Лизикой здесь все в порядке. Просто налицо еще один случай кажущегося противоречия. Сорохтин постоянно подчеркивает, говоря о циркуляции вещества в твердой мантии,— имеется в виду не тепловая конвекция, а химико-плотностная. Иными словами, речь идет о перемещении вещества, которое по сравнению с окружающей его средой содержит другое количество тяжелых или легких элементов.

Небольшая разница в температуре вещества и среды не играет в таком случае особой роли. Право же, кусок чугуна не станет легче такого же куска алюминия лишь от того, что окажется чуть горячее последнего. Так и в мантии. Участки, обогащенные тяжелой окисью железа, продолжат свой медленный путь к центру Земли даже тогда, когда находящиеся рядом более легкие массы будут несколько холоднее.

В общем, перемещение вещества в недрах нашей планеты, кажется, и в самом деле наиболее правдоподобное объяснение аномалий Северной Атлантики. Но...

— Доля сомнений все же остается,— задумывается Лукашевич.— Проблема очень сложная. Атлантика не изолирована. А мантийные течения, коль они есть, глобальны. Нужно продолжать работу — изучить все районы крупных гравитационных аномалий Мирового океана.

Окончательный ответ там.

Лев Юдасин