5 Тектоника плит: история революции в области наук о Земле

Движение земной коры: обзор тектоники плит

Второй главный принцип геологии (после геологического времени), в котором основной упор сделан на объяснении, как устроена планета, – это тектоника плит. Значение этой объединяющей теории, одного из самых важных научных открытий XX в., нельзя переоценить. Тектонические процессы ответственны за формирование структуры континентальной и океанической коры, разрушение океанских бассейнов и континентов, возникновение поясов гор и образование океанических желобов. Более того, они объясняют, где именно и почему происходит большинство землетрясений, извержений вулканов и образуются рудные тела.

Теперь геологи знают, что движение плит – больших фрагментов литосферы (см. цветную вклейку 5.1) – обусловлено тепловой энергией мантии и коры Земли. В результате вулканической активности срединно-океанических хребтов и рифтов создается новое океаническое дно, а старые плиты разрушаются и уничтожаются вследствие поглощения по мере их погружения под другие плиты. В результате «борьбы» плит за положение на изогнутой поверхности Земли образуются крупные трансформные разломы – сдвиговые разломы (вдоль которых происходит преимущественно горизонтальное скольжение плит) на границе между двумя плитами, – которые простираются на тысячи километров, поскольку земная кора приспосабливается к массивным сдвигам. В среднем скорость движения литосферных плит примерно равна скорости роста ногтей: приблизительно 2 см в год. Но это движение происходит в течение миллионов лет и является причиной столкновения континентов, уменьшения и исчезновения океанов, поднятия горных хребтов, роста новых океанов, формирования и распада суперконтинентов. На нашей планете существует семь крупных литосферных плит площадью более 20 млн км2, десять малых плит площадью от 1 до 20 млн км2 и множество микроплит, площадь которых менее 1 млн км2. Согласно имеющимся данным, общее число плит, которые являются фрагментами земной коры, варьировалось, но сегодня семь крупных плит составляют 78 % поверхности Земли. На эти семь плит и еще 73 плиты меньшего размера приходится более 99 % поверхности Земли. Меньше 1 % земной поверхности состоит из 47 «микроплит», представляющих собой маленькие упругие фрагменты земной коры, которые двигаются независимо от других плит. Литосферные плиты включают океаническую и континентальную части, но ни одна плита не состоит только из континентальной коры.

Как уже отмечалось, плиты приводятся в движение в результате конвекции тепла внутри мантии (см. цветную вклейку 5.2). Земная кора – это относительно тонкий слой, мощность которого больше под континентами (до 100 км) и меньше под океанами. Литосфера состоит из земной коры и твердого верхнего слоя верхней части мантии, под которым находится астеносфера. Эти две оболочки – литосфера и астеносфера – представляют собой важнейшие элементы тектоники плит, поскольку твердые литосферные плиты зависят от пластичной астеносферы, которая нагревается ядром Земли.

До подтверждения теории тектоники плит частоту землетрясений, извержений вулканов и оползней не связывали ни с одним из известных земных процессов. Но после Второй мировой войны геологи нанесли на карту все известные случаи землетрясений в мире поверх участков, в то время считавшихся границами плит. Корреляция была очевидной и поразительной: землетрясения обозначали края плит. С развитием теории тектоники плит ученые осознали, что многие геологические риски напрямую связаны с напряжением на границах плит. Землетрясения порождаются движениями плит, когда происходит разрыв и энергия Земли передается на поверхность. Оползни и обвалы рыхлых осадков происходят в результате сотрясения и связаны с землетрясениями. Геологи выяснили, что вулканы образуются по краям крупных плит в результате «плавления» вещества плиты, когда плита и захваченные океанские воды затягиваются в глубоководные желоба по краям плиты. До подтверждения этой теории местоположение экономически важных залежей руд, имеющих промышленное значение рудных тел, необходимых для добычи минералов, казалось случайным. Однако теория тектоники плит предсказывает, что большинство рудных месторождений находится в зонах высокого давления и температур: вдоль границ взаимодействия плит.

Иными словами, теория тектоники плит произвела революцию в геологии за последние 60 лет. Многие из ныне работающих геологов могут вспомнить, что во времена их учебы в университете профессора геологии даже не преподавали тектонику плит, потому что это была новая теория. А история о том, как происходило преобразование идей от гипотезы дрейфа континентов до основанной на доказательствах объединяющей теории тектоники плит, сама по себе является поучительной.

Подготовка почвы для гипотез дрейфа континентов и тектоники плит

Размышления о форме Земли и происхождении и устойчивости масс суши берут начало в сочинениях досократиков[220]. Среди других концепций эти философы рассматривали также «проблему изменения». Эти идеи стали семенами мыслей, которые тысячелетия спустя привели к появлению гипотезы дрейфа континентов и в конечном итоге теории тектоники плит, когда с наступлением эпохи Великих географических открытий, в период исследования морей и создания карт, первые исследователи и ученые стали изучать очертания континентов и обнаружили, что они являются отражением друг друга. Фламандский картограф Абрахам Ортелий и другие исследователи, включая Фердинанда Магеллана, совершали кругосветные путешествия и продолжали фиксировать эту взаимосвязь[221]. Возникли вопросы о форме континентов и о том, каким образом, возможно, они были собраны вместе. Ортелий создал первый современный атлас мира, Theatrum Orbis Terrarum («Зрелище шара земного»). Например, ученые, изучавшие первые карты Атлантического океана (рис. 5.1), отмечали, что Африка как будто послушно помещается между Северной и Южной Америкой.

Французский зоолог и палеонтолог Жан Батист Ламарк на основе своих исследований ископаемых (см. главу 1) первым сделал вывод, что, вероятно, существует движение континентов. В начале XIX в. Ламарк документально оформил свои размышления о конфигурации массивов суши и океанских бассейнов и в своем труде «Гидрогеология» (Hydrogéologie), опубликованном в 1802 г., предположил, что континенты перемещались по земному шару в западном направлении под действием мировых течений. Он полагал, что распределение ископаемых морских видов выглядит более логичным, если континенты со временем медленно двигались, а океаны неоднократно покрывали участки, которые теперь являются сушей. Тем не менее Ламарк не привел никаких доказательств своей гипотезы движения континентов и не смог найти издателя для «Гидрогеологии», единственной работы (за всю его долгую карьеру), которая посвящена геологии[222]. Так же, как и современные самостоятельно публикующиеся авторы, он решил напечатать книгу сам, но удалось продать всего несколько копий. Книга была предана забвению, и лишь когда исследователи, глубоко интересующиеся историей науки, повторно открыли эту работу, то осознали, насколько она важна[223].

В середине XIX в. представления о природе континентов, похожих на кусочки головоломки, получили дальнейшее развитие в научной литературе. В 1858 г. французский географ Антонио Снайдер-Пеллегрини первым опубликовал две карты: на одной был представлен единый континент, который существовал когда-то в прошлом и состоял из Северной Америки и Африки «до разделения», а на другой карте континенты «после разделения» находились на своих нынешних местах[224]. Свои доводы он подкрепляет тем, что виды растений каменноугольного периода были одинаковыми по обе стороны Атлантики. Но и Снайдер-Пеллегрини не смог предложить приемлемый механизм, объясняющий расхождение континентов. Ученый прибегнул к объяснению из области катастрофизма – будто Всемирный потоп привел к образованию Атлантического океана, – но подобный аргумент был не в почете даже в то время.

Ряд других теорий в XIX в. касались глобальных континентальных процессов, и основное внимание было сосредоточено на представлениях о горообразовании. Существовало несколько теорий. Одни ученые связывали образование гор с расширением Земли, которое, по их мнению, было подобно увеличению воздушного шарика: по мере растяжения поверхности участки поднимались и формировались цепи гор. Другие ученые утверждали, что вся Земля вначале представляла собой расплавленный камень, а затем постепенно остывала, и в результате сжатия земного шара образовывались горы, подобно тому, как сморщивается кожура перезрелого и увядающего яблока. Эта теория известна как теория контракции, согласно которой континенты образовывались по мере опускания океанических бассейнов. Сформировались два лагеря, один в США, а другой – в Европе, которые отстаивали два противоположных варианта теории контракции.

Американский геолог Джеймс Дуайт Дана (см. главу 2) был главным сторонником теории контракции. Согласно его варианту гипотезы, минералы, охлаждавшиеся с разной скоростью, были тем, из чего сформировались массивы суши и океанические бассейны. Химические элементы более тяжелых минералов – железо и магний – сформировали более глубокие океаны, тогда как элементы более легких минералов – кремний, натрий, кальций и калий – сформировали континенты, скользящие выше в коре[225]. Дана утверждал, что после формирования континенты и бассейны океанов зафиксировались неподвижно на своем месте. Этот американский вариант теории контракции также называли теорией перманентности.

Эдуард Зюсс и тектоника

Тем временем австрийский геолог Эдуард Зюсс, ведущий последователь европейской школы в теории контракции, был специалистом по географии Альп и применил теорию контракции для объяснения формирования этой горной цепи в своем труде «О строении высокогорных массивов Центральной Европы» (Ueber den Aufbau der mitteleuropäischen Hochgebirge), опубликованном в 1873 г. Работа Джеймса Даны в Америке оказала значительное влияние на Зюсса, и он стал первым, кто использовал термин «тектоника» (от греч. τεϰτονιϰός – строительный) применительно к теории, которая объясняет движения, деформацию и изменение формы крупных блоков земной коры со временем по отношению друг к другу. Зюсс описал, как фрагменты коры «борются» за свое положение, в результате чего происходит сокращение передних сторон блоков при их столкновении друг с другом и растяжение, когда они разделяются. Такие новаторские идеи, изложенные в теории контракции, прямо противоречили теории униформизма, поддерживаемой Лайелем, о медленных и постоянных процессах.

Исходный материал для горных систем должен был откуда-то взяться. Соответственно, теория геосинклиналей, выдвинутая американским геологом Джеймсом Холлом, объединила теорию перманентности Даны с представлениями об осадочных бассейнах. Холл предположил, что большие бассейны, образовавшиеся в местах прогиба коры и наполненные осадками, в конце концов в результате сжатия или скольжения блоков земной коры поднимались, образуя горные цепи. Эти бассейны получили неуклюжие названия: геосинклинали, миогеосинклинали и эугеосинклинали. Тем не менее некоторые из этих слов, подобно устойчивым к выветриванию породам, сохранились в геологической литературе.


Рис. 5.1. Физическая карта Америки, Африки и Атлантического океана, 1849 г., 24 × 28 см, масштаб не указан (Woodbridge, 1838; из коллекции карт Дэвида Рамзи; с любезного разрешения Центра карт Дэвида Рамзи, библиотеки Стэнфордского университета. https://purl.stanford.edu/zh174hj7174)


В теории контракции имелось несколько проблем и несоответствий. Если она была верна, тогда все горы должны были сформироваться в одно время и быть одинакового возраста, а геологи не могли это подтвердить. Более того, температуры внутри Земли должны были бы понижаться, но данные указывали на повышение температуры по мере увеличения глубины – на существование геотермического градиента, порождаемого энергией ядра Земли и распадом радиоактивных элементов. Теория контракции не могла объяснить распределение зон землетрясений и зон, где землетрясений не бывает. Кроме того, ученым давно было известно, что большие массивы гор, благодаря своему гравитационному притяжению, вызывают отклонение свинцового отвеса от его истинной вертикальной оси. Валлийский землемер и географ сэр Джордж Эверест, в честь которого названа гора, провел такое исследование при выполнении геологической съемки для Британской империи в Индии и Гималаях. Расчеты Джорджа Эвереста показали, что отвес отклоняется не настолько далеко, как ожидалось, исходя из массы одноименной горы. Ученый сделал вывод, что гора Эверест, должно быть, имеет меньшую плотность, чем предполагалось, а ее основание находится глубоко в коре, поддерживая ее массу. Но если бы континентальные массы были менее плотными, чем океаническая кора, тогда кора в районе гор не могла бы погружаться и превращаться в океаническую кору, и наоборот. Это был еще один гвоздь в крышку гроба теории контракции.

Эдуард Зюсс стал знаменит благодаря предположению о том, что наблюдаемые сегодня континенты в далеком прошлом, вероятно, были объединены в один континент. Зюсс назвал континент Гондваной в честь пластов осадочных пород верхнего карбона и нижнего мела, расположенных в исторической области Гондвана в Индии. Непрерывная последовательность горных пород включала залежи угля и примечательные растения глоссоптерисы, Glossopteris, – род ископаемых голосеменных, – которые сыграли значительную роль в развитии теории тектоники плит. Глоссоптериды, Glossopteridales, порядок вымерших растений, к которому относятся глоссоптерисы, обнаруживаются в «угольных болотах» с карбона до конца пермского периода (рис. 5.2). Зюсс публиковал полученные данные в своем главном труде «Лик Земли» (Das antlitz der Erde) начиная с 1883 г., последний том вышел в 1909 г.[226], и в том же году был опубликован его перевод на английский язык[227].


Рис. 5.2. Листья ископаемого растения глоссоптерис из пластов пермского периода в Австралии (поле обзора 12,4 см в ширину). (James St. John, 2014)


Глоссоптерисы были распространены не только в горных породах исторической области Гондваны, но и, по меньшей мере, на трех других континентах, помимо Индостанского субконтинента, – в Австралии, Южной Африке и Южной Америке, – как в 1905 г. отметил профессор Кембриджского университета, специалист по палеоботанике Эдвард Александр Ньюэлл Арбер[228]. Полуостров Индостан был частью Гондваны в конце палеозоя и отделился во время распада Пангеи, начавшегося около 130 млн лет назад. Индостанский субконтинент откололся от Гондваны и начал двигаться в сторону Азии со скоростью 20 см в год и, наконец, столкнулся с Евразией, в результате чего возникли Гималаи. Арбер упоминал Гондвану Зюсса на своей карте, изображающей северные и южные виды глоссоптерисов.

Исследование Антарктиды, экспедиция «Терра Нова» и тектоника плит

Исследователи Антарктиды сыграли особенно важную роль в истории открытия полного комплекса глоссоптерисов, подтверждающих существование суперконтинента Пангеи и в конечном итоге дрейфа континентов, а затем и тектоники плит. Пангея («вся земля», от греч. πᾶν – всё и γαῖα – земля) – суперконтинент, существовавший в конце пермского периода. Открытие было сделано на основе данных, полученных во время трагической экспедиции Роберта Фолкона Скотта на корабле «Терра Нова». На обратном пути группы Скотта от Южного полюса в 1912 г. Эдвард Уилсон (группа знала его под именем «дядя Билл», и в дневниках Скотт называет его Биллом), ведущий ученый-геолог в составе экспедиции, обнаружил ископаемые остатки южного вида глоссоптериса рядом с ледником Бирдмора в угольных пластах с прослоями песчаника Бикона (рис. 5.3).


Рис. 5.3. Карта Британской антарктической экспедиции Роберта Фолкона Скотта, главный маршрут к Южному полюсу. Картограф неизвестен, ок. 1930 г., Национальная библиотека Шотландии (оригинал карты в Scott, 1913. P. 418)


Рис. 5.4. Члены экспедиции «Терра Нова» на лыжах тянут санки с провизией на Южном полюсе, январь 1912 г. (Библиотека Конгресса, 1912; фотография Герберта Г. Понтинга)


Несмотря на то что собаки и пони, входившие в снаряжение экспедиции, давно погибли и команде приходилось идти пешком на снегоступах и на лыжах и тащить сани, Уилсон с коллегами собрали 17 кг геологических образцов и ископаемых из формаций (рис. 5.4). Скотт отмечал в своем дневнике:

…Я решил разбить лагерь, чтобы остаток дня посвятить геологическим исследованиям.

Было очень интересно. Мы очутились под отвесными скалами из интенсивно выветривающегося песчаника с ясно проступающими пластами угля. Уилсон своими зоркими глазами разглядел на угле несколько отпечатков растений. Между прочим, он отколол кусок угля с прекрасно вырисованными на нем листьями, а также несколько кусков с отлично сохранившимися отпечатками толстых стеблей, показывающих клеточное строение. В одном месте мы видели слепок маленьких волн в песке. Сегодня добыли кусок известняка с отпечатками. Жаль только, что нельзя себе представить, откуда этот камень. Он, очевидно, редкий, так как подобных образцов мало встречается в морене. Попадается довольно много чистого белого кварца[229][230].

Песчаник Бикона с промежуточными слоями угля и сланца представляет собой почти горизонтально залегающее отложение, которое формировалось как в периоды с сухим, полуаридным климатом, так и во времена с влажными условиями болот. Зерна песка в формации Бикон округлые и имеют морщинистые отметины, указывающие на выветренные отложения дюн. Выветривание, упомянутое в цитате Скотта, – это явление, которое наблюдается при физическом воздействии воды или в результате химических реакций, вызывающих разрушение горных пород.

Скотт и участники его команды, отправившейся к Южному полюсу, в марте 1912 г., вскоре после совершенного ими открытия, скончались от истощения, так как все запасы продовольствия закончились. Из базового лагеря на «Терра Нова» была послана поисково-спасательная партия, но в конце марта ей пришлось вернуться из-за ухудшения погоды. Поисковая группа, которая должна была уже не спасти своих товарищей, а найти погибших, добралась до их лагеря лишь 12 ноября 1912 г. Поисковики обнаружили тела Скотта и его коллег, их дневники и тяжелые геологические образцы, которые Уилсон требовал нести в течение последних 50 дней их путешествия. Несомненно, этот груз с образцами мог замедлить движение исследователей, когда они покинули ледник Бирдмора. Поисковики привезли в Англию дневники, описания, часть снаряжения и геологические образцы.

Среди геологических образцов из последнего лагеря Скотта исследователи нашли множество фрагментов ископаемых глоссоптерисов[231]. Именно эти образцы стали источником важнейших данных о дрейфе континентов и основой представлений о Гондване. Климат и условия осадконакопления комплекса песчаников Бикон значительно отличались от современных условий Антарктиды, что указывало на движение континента. Найденные окаменелости подтверждали наличие в Антарктиде глоссоптерисов, ранее обнаруженных на Индостанском субконтиненте и на континентах – в Австралии, Южной Африке и Южной Америке. Это важнейшее открытие, возможно, стоившее исследователям жизни, обеспечило серьезную дополнительную поддержку идеи о том, что континенты действительно когда-то были соединены. В наши дни материалы экспедиции по-прежнему можно увидеть в Институте Скотта Британского музея.

В 1914 г. британский палеоботаник Альберт Чарлз Сьюард (1863–1941) опубликовал геологический отчет об ископаемых глоссоптерисах, их открытии и значении[232]. Сьюард осознавал последствия находок древних растений: работа Зюсса о Гондване уже была широко известна. Прежде в Антарктиде находили лишь возможные отпечатки ископаемых растений. Например, британский геолог Хартли Феррар собрал несколько образцов в южной части Земли Виктории во время первой экспедиции Скотта 1901–1904 гг., а в 1908 г. члены экспедиции сэра Эрнеста Шеклтона нашли следы плохо сохранившейся древесины. Но ни один образец нельзя было идентифицировать до вида или типа. Австралийская антарктическая экспедиция 1911–1914 гг. под руководством сэра Дугласа Моусона собрала образцы углистых сланцев (горной породы, богатой углеродом) с «отпечатками» растений рядом с ледником Бирдмора, но эти образцы тоже были неидентифицируемы. Сьюард в заключительной части своего отчета отмечал:

Учитывая недавно полученные данные, именно благодаря сравнительным исследованиям южных оконечностей Южной Америки, Южной Африки и Австралии, а также остальной части континента в пределах Южного полярного круга можно ожидать достижений в том, что касается лучшего понимания географических и геологических проблем Антарктиды. Героические усилия полярной экспедиции были не напрасны. Они заложили твердую основу: их успех внушает надежду на будущее и будет служить их последователям стимулом для сбора материала о суперструктуре[233].

Альфред Вегенер был одним из тех, кто принял вызов.

Альфред Вегенер и дрейф континентов

Альфред Вегенер, немецкий метеоролог, климатолог и океанограф, родился 1 ноября 1880 г. Вегенер возродил идею о дрейфе континентов, который он называл «перемещением материков», и утверждал, что все континенты, по-видимому, когда-то были объединены, а потом разошлись и заняли свое нынешнее положение. Исследования Вегенера придали научный характер проверке этих идей; гипотеза, имевшая только костяк, получила детальное наполнение.

В 1905 г. Вегенер получил докторскую степень по астрономии, но он также глубоко интересовался метеорологией и изучением климатических зон. Ученый обратил внимание на то, что горы по обеим сторонам Атлантического океана расположены близко к краям континентов и, по-видимому, имеют сходное происхождение и типы горных пород. Вегенера вдохновляли ранние исследования и карты Александра Дю Тойта, южноафриканского геолога, и труды Ганса Кейделя, директора Геологической службы Аргентины. Вегенер изучил форму континентов и океана и пришел к выводу, что только перемещением материков можно объяснить наличие сходных цепей гор на противоположных сторонах океана. Теория Вегенера показала, почему континенты являются отражением друг друга в том, что касается геологического строения.

6 января 1912 г. Вегенер прочитал лекцию на общем собрании Геологического общества (Geologische Vereinigung) Франкфурта, представив свои первоначальные идеи относительно перемещения материков (позже названного дрейфом континентов) и некоторые предварительные доказательства, включая геофизические данные, информацию о характере оледенения пермского периода и полярных экспедициях. Большинство ученых отнеслись к идеям Вегенера скептически и отвергли их. Но в то время, когда Вегенер читал лекцию во Франкфурте, Скотт и его группа из британской арктической экспедиции приближались к Южному полюсу.

Во время Первой мировой войны Альфред Вегенер служил в германской армии, был дважды ранен и в конце концов отправлен в отставку, когда у него диагностировали сердечное заболевание[234]. В 1914 г., находясь в военном госпитале после ранений, Вегенер начал работу над уточнением своей теории перемещения материков. Почему геологи считали эту теорию спорной? Несомненно, потому, что Вегенер был прежде всего метеорологом и неспециалистом в геологии. Поэтому он решил представить геологические доказательства в поддержку своей теории.

В первом варианте теории Вегенер преимущественно сосредоточился на геофизических доказательствах в пользу перемещения материков. Хотя в своих лекциях он кратко упоминал наличие ископаемых, но не говорил о конкретных видах[235]. Вылечившись после ранений, Вегенер встретился со своим коллегой, Гансом Клоосом, немецким специалистом по структурной геологии, который ознакомил его с геологической литературой и взглядами геологов на мир. В 1915 г. Вегенер опубликовал свой труд «Происхождение континентов и океанов».

Однако геологи опять выступили с критикой теории дрейфа континентов, мотивируя это тем, что Вегенер не представил достаточно убедительных доказательств геологического характера в поддержку своих идей. Несмотря на то что Вегенер использовал в качестве основного источника геологические доказательства Дю Тойта в пользу дрейфа, основанные на сходстве рудных месторождений в Южной Африке и Южной Америке, геологическое сообщество в большинстве своем это не убедило. Теория дрейфа континентов в целом и Вегенер в частности подверглись жесточайшей критике. Особенно высмеивали Вегенера американские геологи[236]. «Настоящие» геологи считали его не только неспециалистом, но и вмешивающимся в чужие дела. Тот факт, что Вегенер был немцем, тоже мог сыграть свою роль во времена, когда были сильны антинемецкие настроения. Кроме того, работы Вегенера какое-то время не переводились на английский язык.

И все же самое большое значение имело то, что Вегенер не смог представить твердое научное объяснение механизма дрейфа континентов. Другие ученые начала XX в., выдвигавшие предположения о том, как могли бы двигаться континенты, оказались не более убедительны[237]. Одна из таких гипотез – гипотеза изостазии – рассматривала вертикальное движение континентальных блоков, которые поднимаются и опускаются, как, например, происходит, когда нижняя сторона ледникового щита тает под собственной тяжестью и земля, покрытая ледником, отвечает поднятием. Но если материки могут двигаться вертикально, возможно, они могут двигаться и горизонтально, как утверждал Вегенер, подобно айсбергам, плывущим в океанских водах.

Альфред Вегенер направил все усилия своего острого ума на сбор данных для доказательства собственной теории перемещения материков. Он использовал геофизические методы наряду со своими знаниями о метеорологии, чтобы попытаться найти доказательства движений континентов на протяжении геологического времени. Для этого Вегенер применял множество самых разнообразных технических приемов, в том числе и методы геодезии (использующие астрономические данные или – на современном этапе – данные спутников глобальной системы позиционирования, GPS) для определения точного положения на земной поверхности[238]. Вегенер воспользовался принципами геодезии для нанесения на карту движения плит, в частности в Гренландии.


Рис. 5.5. Альфред Вегенер (слева) и Расмус Виллумсен на станции Айсмитте. Это их последняя фотография: оба погибли примерно 16 ноября на обратном пути к побережью (Фриц Лёве, Иоганнес Георги, Эрнст Зорге, Альфред Лотар Вегенер, архив Института Альфреда Вегенера, 1930)


Альфред Вегенер был не только метеорологом и климатологом: он был исследователем в эпоху изучения и картографирования Арктики и Антарктики. Он побывал в нескольких экспедициях по Гренландии (рис. 5.5), где представлялось больше возможностей для исследования. Британские и австралийские путешественники в то время заявляли права на земли в Антарктиде, участвуя в гонке к Южному полюсу. Вегенер, исходя из своих расчетов положения магнитных полюсов Земли, координаты которых меняются со временем и позволяют проследить движения массивов суши, считал, что Гренландия движется в западном направлении. Кроме того, Вегенер отслеживал движение Гренландии, исходя из географического положения основанных им станций, координаты которых были определены на основе геодезических данных – результатов наблюдений за Луной и за прохождением различных звезд через меридиан. Сначала местонахождение станций фиксировалось с помощью хронометров, а потом, со временем, точность измерений все больше повышалась за счет использования телеграфа и радиосигналов[239]. Одна из проблем заключалась в том, что местоположение станций, от которых Вегенер получал данные, было определено неточно, и иногда отклонение от их истинного положения составляло несколько километров. В Гренландии Вегенер и его коллеги-ученые также провели множество измерений мощности льда с помощью генерации сейсмических волн и их регистрации с применением сейсмометров.

Сегодня нам известно, что труды Вегенера содержали семена, которые разовьются в теорию тектоники плит. Но при жизни Вегенера его менее реальные идеи позволяли критикам придраться к ним. Например, одна из несостоятельных гипотез, которые поддерживал Вегенер, предполагала, что приливы вызываются притяжением Солнца, а Луна управляет движением континентов. Другая заключалась в том, что движение массивов суши вызвано центробежной силой в результате вращения Земли. В 1925 г. Американская ассоциация геологов-нефтяников зашла настолько далеко, что даже организовала симпозиум, посвященный критике работ Вегенера. К 1929 г. большинство других ученых отвергли вегенеровскую теорию дрейфа континентов и его идеи. Вегенера считали неспециалистом, концепции которого непроверяемы.

Вегенер трагически погиб в возрасте пятидесяти лет во время экспедиции в Гренландию в 1930 г., еще до того, как была подтверждена его теория дрейфа континентов. Целью экспедиции было изучение Гренландии и исследование ее ледникового покрова путем вычисления скорости его дрейфа. Потом путешественники нашли могилу Вегенера, обозначенную парой лыж во льду, и определили, что ученый – заядлый курильщик, – вероятно, умер от инфаркта во время поисков продовольствия для своих коллег-исследователей. Скорбящая жена Вегенера решила не переносить захоронение, устроенное подо льдом в его любимой Гренландии, но вместо лыж поставили крест, обозначающий место упокоения ученого.

Если бы Вегенер прожил дольше, вероятно, ему бы удалось доказать свою теорию с появлением новых данных. Но как бы то ни было, его теории, не говоря уже о доказательствах, будут пересмотрены лишь в 1960-х гг. Хотя Вегенер не получил признания со стороны своих коллег при жизни, его труд «Происхождение континентов и океанов» (4-е издание, опубликованное в 1929 г.) тем не менее продемонстрировал стойкую приверженность ученого широкому применению научного метода:

До сих пор еще не все исследователи в полной мере осознали тот факт, что для раскрытия тайны былого облика нашей планеты должны внести вклад все науки о Земле и что истина может быть установлена только путем объединения данных всех отраслей знания… Только путем синтеза всех наук о Земле мы можем отыскать «истину», т. е. восстановить ту картину, которая наилучшим образом представит нам совокупность известных фактов и поэтому сможет претендовать на наибольшую вероятность, но и тогда мы должны постоянно помнить, что каждое новое открытие, к какой бы отрасли науки оно ни принадлежало, может изменить сделанные нами выводы[240][241].

Данные, свидетельствующие о дрейфе континентов

Вегенер, несомненно, был прав в одном: прогресс геологии неразрывно связан с учеными, специализирующимися в различных естественнонаучных дисциплинах. Теорию дрейфа континентов подтверждают пять групп доказательств: останки одних и тех же ископаемых позвоночных, обнаруженные на континентах, которые находятся далеко друг от друга; остатки древних древесных голосеменных растений, глоссоптерид, присутствующие на разных массивах суши; ледниковые борозды и характер распределения ледниковых щитов; горные породы и осадки сходных климатических зон, которые тянутся вдоль разных массивов суши; горные цепи по обе стороны Атлантического океана, которые служат зеркальным отражением друг друга.

Первый комплекс информации, доказывающей дрейф континентов, был получен при изучении видов крупных водоплавающих и сухопутных животных, которые появились в конце палеозоя – начале мезозоя. Некоторые из этих существ в процессе эволюции отделились от своих предков пресмыкающихся, заняли новые экологические ниши и стали выполнять новые функции. Среди представителей этих новых отделившихся ветвей были предки динозавров и млекопитающих. Ископаемые остатки листрозавров (Lystrosaurus), циногнатов (Cynognathus) и мезозавров (Mesosaurus) – обитателей суши и мелководья пресных водоемов – были найдены в Антарктиде, Южной Америке, Африке, Индии и Австралии и стали источником важнейших данных, подтверждающих теорию дрейфа континентов.

Вторая группа данных была получена в результате анализа распространения глоссоптерид, выявленных повсеместно на всех южных континентах. Ископаемые остатки трех видов позвоночных животных и одного вида растения были найдены в горных породах одного возраста на разных континентах, что подтверждало теорию континентального дрейфа.

Листрозавры – род растительноядных животных, который включает преимущественно обитателей суши и несколько водных видов, живших в конце пермского – начале триасового периода (рис. 5.6). Американский палеонтолог и специалист по сравнительной анатомии Эдвард Коуп (1840–1897) дал название этому роду животных в 1870 г.[242]. Хотя листрозавры ходили по суше и не касались туловищем земли, они обладали расставленными в стороны конечностями, что характерно для настоящих рептилий, диапсид[243]. Представители самых крупных видов листрозавров достигали в длину 2,5 м, но большинство были размером чуть меньше метра. Верхняя челюсть листрозавров отличалась наличием только длинных клыков, приспособленных для выкапывания корней, кроме того, животные обладали роговым клювом, предназначенным для срезания растительности. Геологи обнаружили ископаемые остатки листрозавров в Антарктиде, Индии, Южной Африке и несколько образцов в Китае.


Рис. 5.6. Вверху: скелет Lystrosaurus georgi (слегка модифицированный вид скелета, восстановленного Уотсоном; Williston, 1925); внизу: внешний вид листрозавра (рисунок-реконструкция Нобу Тамуры, 2016)


Циногнаты, названные так британским палеонтологом Гарри Сили в 1895 г., жили в конце пермского и в триасовом периоде[244]. Это были древние хищные обитатели суши, приземистые, длиной примерно 1 м, обладавшие сильными челюстями для разрывания мяса (рис. 5.7)[245]. Строение скелета конечностей циногнатов свидетельствует о том, что передние и задние конечности у этих животных были смещены под туловище. Палеонтологи нашли кости циногнатов в Антарктиде, Аргентине, Африке и Китае.


Рис. 5.7. Вверху: скелет циногната (Williston, 1925); внизу: внешний вид циногната (рисунок-реконструкция Нобу Тамуры, 2016)


Мезозавры, название которым дал французский палеонтолог и энтомолог Франсуа Луи Поль Жерве приблизительно в 1864 г., первоначально считались парарептилиями, и лишь потом были классифицированы как рептилии. Эти высокоспециализированные животные обитали в начале пермского периода в пресной воде, обладали мелкими, похожими на иглы, зубами и питались в основном мелкой рыбой и беспозвоночными. Мезозавры достигали примерно 1 м в длину и были похожи на гигантскую ящерицу (рис. 5.8): их хвост был приспособлен для плавания, а лапы, возможно, имели перепонки. В 2012 г. сообщалось о найденных в Бразилии и Уругвае ископаемых останках взрослых мезозавров с эмбрионами внутри. Эти находки свидетельствуют о том, что мезозавры могут быть первыми известными живородящими животными, которые, возможно, выкармливали своих детенышей[246].


Рис. 5.8. Вверху: скелет Mesosaurus tenuidens (Mesosaurus brasiliensis) (Карл Волкман, 2009); внизу: внешний вид мезозавра (рисунок-реконструкция Нобу Тамуры, 2007)


Ни один из представителей вышеперечисленных позвоночных – листрозавров, циногнатов или мезозавров – не смог бы пересечь открытый океан между континентами, если массивы суши находились так же далеко, как в наши дни. Более того, ископаемые находки распределяются по зонам, если континенты собрать воедино в суперконтинент.

В литературе, посвященной тектонике плит и дрейфу континентов, три вида позвоночных и глоссоптерисы часто представлены на иллюстрациях вместе. Первоначальный рисунок был не вполне точен, поскольку область распространения трех видов позвоночных изменилась, когда были найдены новые окаменелости. На уточненной стилизованной карте (см. цветную вклейку 5.3), выполненной на основе работы Колберта, опубликованной в 1973 г.[247], показано зигзагообразное распределение различных ископаемых на Индостанском субконтиненте и крупных южных континентах – в Южной Африке, Австралии, Южной Америке и Антарктиде. Указанные виды позвоночных обитали в пермском и триасовом периоде, и, как показано, их зоны обитания не перекрывались. Тем не менее эти позвоночные и глоссоптерисы являются важнейшими элементами доказательств в пользу дрейфа континентов.

Третья группа данных, использовавшаяся в качестве аргумента в пользу дрейфа континентов, состояла из информации, полученной при изучении древних ледников. Закономерность, создаваемая распределением этих ледников, свидетельствовала в пользу теории, что массивы суши были слиты в единый суперконтинент Гондвана. Вегенер обратил внимание на ледниковую штриховку южных континентов Гондваны. Так, например, ледниковые борозды в Индии указывают на то, что ледниковые щиты двигались от современного побережья вглубь суши на север; штриховки в Южной Америке демонстрируют, что ледники перемещались на запад; борозды в горных породах Южной Африки обозначают движение ледников во всех направлениях; а в Австралии ледниковые борозды показывают, что ледниковые щиты двигались на восток. Если воссоздать единый суперконтинент, то ледниковые штриховки объединяются и образовывают логически связную структуру, в которой массивный ледниковый щит находится в центре участка, который представлял собой современную Антарктиду. Ледниковые щиты и глетчеры скользили с высоких гор, находившихся в то время в Антарктиде, к более низким участкам склонов.

В качестве четвертой группы аргументов в пользу континентального дрейфа Вегенер указывал, что для палеоклимата, как свидетельствуют горные породы, было характерно наличие аридных зон с засушливыми условиями и регионов с влажным климатом и болотами. И конечно, в каждой из этих зон формировались определенные типы горных пород. В аридных зонах в глубине суши появлялись пустыни, что приводило к образованию огромных дюн (в итоге заключенных в горных пластах) наряду с отложениями солей, которые формировались при испарении древних морей, когда климат становился более засушливым. Со временем эти соляные отложения превратились в залежи галита и гипса. В более влажных зонах формировались отложения угля, переслаивающиеся с прибрежными песчаниками и глинами. Вегенер, как климатолог, интересующийся условиями среды в древности, понял, что разные климатические зоны выстраивались в ряд лишь в том случае, когда континенты были соединены.

Пятая группа данных была получена, когда Вегенер изучил строение гор по обеим сторонам Атлантического океана так же, как это делали геологи раньше. Дю Тойт и другие ученые обратили внимание на сходство пород горных цепей в Южной Америке и Западной Африке – сходство, которое доказывало, с точки зрения Вегенера, что эти горные хребты когда-то были смежными. Тем не менее, несмотря на пять групп данных, подтверждающих вегенеровскую теорию дрейфа континентов, после смерти ученого теория не пользовалась популярностью, и сторонников у нее было немного.

Механизмы дрейфа континентов: первые гипотезы

Артур Холмс (1890–1965), британский геолог, занимавшийся изучением геохронологии и происхождения горных пород, был одним из первых немногих ученых, поддержавших теорию дрейфа континентов Вегенера. В 1920-х гг. исследования внешних слоев твердой Земли, проводившиеся Холмсом, заставили его предположить, что, возможно, существуют медленно движущиеся конвективные ячейки (образование которых вызвано распадом радиоактивных элементов в мантии) и они приводят к дрейфу континентов, в результате чего формируется новое океаническое дно и происходит поглощение старого материала. Холмс изложил свою теорию в знаменитом учебнике, опубликованном в 1944 г., – «Основы физической геологии»[248]. Последняя глава этой книги была целиком посвящена вопросу о конвективных ячейках и дрейфе континентов. Холмс указывал, что его идея спекулятивна; в тот момент у него не имелось данных, подтверждавших теорию, но некоторые отнеслись к нему с уважением, как к мыслителю с широкими взглядами. Подобно теориям Вегенера, идеи Артура Холмса игнорировали более тридцати лет, хотя он преподавал их своим студентам в Эдинбургском университете. В конечном счете предложенный Холмсом механизм оказался очень близок к окончательному варианту теории, объясняющей, как на самом деле происходит движение плит.

Еще одним сторонником дрейфа континентов был Александр Лоджи Дю Тойт, чьи ранние работы оказали значительное влияние на представления Вегенера. В 1937 г. Дю Тойт опубликовал описание геологии по обеим сторонам Атлантического океана в книге «Наши блуждающие континенты» (Our Wandering Continents)[249]. Сторонник Вегенера и его идей, Дю Тойт полагался на корреляционные карты геологического строения Южной Америки и Западной Африки, чтобы продемонстрировать, что эти континенты когда-то были соединены, а затем разошлись далеко, как кусочки разорванного листа газеты. Тем не менее эти данные не оказали влияния на по-прежнему сопротивляющееся геологическое сообщество, и геологи как в Европе, так и в Америке в основном не обратили внимания на открытия южноафриканца Дю Тойта.

На самом деле убедительные доказательства дрейфа континентов будут получены лишь после внедрения новых технологий после Второй мировой войны.

Исследование океанического дна после Второй мировой войны: объединенная теория тектоники плит

До Второй мировой войны рельеф океанического дна, по существу, был неизвестен. Ученые полагали, что оно представляет собой по большей части плоскую, лишенную каких-то особенностей равнину. Геологи не особенно задумывались о том, каков возраст океанического дна или как оно формировалось. Первые геодезисты документально зафиксировали признаки существования океанических хребтов в середине XIX в., когда проводили картографирование Атлантики для прокладки трансатлантических телеграфных кабелей. Они отбирали донные пробы с помощью механического лота Брукса при проведении глубинного зондирования (определения глубины с помощью веревок, опускаемых в океан настолько глубоко, насколько возможно). Первые оценки структуры, которая позже станет известна как срединно-океанический хребет, были выполнены в 1853 г. лейтенантом ВМС США Отуэем Берриманом, который установил местоположение участка хребта к северу от Азорских островов при проведении картографирования океанического дна[250]. Некоторые океанографы трактовали батиметрические данные как указывающие на «телеграфное плато» – приподнятый плоский участок, расположенный посередине Атлантического океана. Но первые измерения глубины были неточны, и вскоре после сбора данных океанографами разгорелись споры о природе плато и даже о том, существует ли оно вообще. Первоначальные теории утверждали, что океаническое дно поднималось, создавая континенты, а континенты опускались, формируя океаны, в соответствии с теорией контракции, но ни одно из этих утверждений не подтверждалось с появлением новой информации о хребтах и рифтах.

В начале войны немецкий флот господствовал в морях в результате разработки усовершенствованных эффективных смертоносных аппаратов: подводных лодок. В связи с необходимостью борьбы с немецкими подводными лодками исследователи усовершенствовали сонары (эхолокационные приборы) для обнаружения подлодок и магнитометры для изучения океанических бассейнов. Принцип действия сонаров заключается в излучении звуковых волн и приеме отраженных сигналов от объектов, находящихся в толще воды (таких как подлодки), и, конечно, от дна океана. Когда ученые впервые применили сонар для исследования океанического дна, выяснилось, что его рельеф включает горные цепи с пиками выше, чем гора Эверест, глубоководные желоба глубиной до 11 000 м и действительно несколько плоских участков, которые называются абиссальными равнинами. Океанографы определяют рельеф дна океана с помощью батиметрии, подобно тому, как географы и геологи изучают рельеф земной поверхности. Океанографы начали создавать батиметрические карты дна всех океанов и обнаружили, что, помимо других зон, посреди Атлантического океана, между Северной и Южной Америкой и Европой и Африкой, с севера на юг протянулись огромные горные цепи.

Некоторые ученые, в том числе Гарри Хэммонд Хесс (1906–1969), профессор петрологии Принстонского университета, и Уильям Морис Эвинг, геофизик из Лихайского университета, а позже профессор Колумбийского университета, применяли дистанционное зондирование для изучения строения и характера океанического дна. До начала Второй мировой войны Хесс поступил на службу в ВМС США и использовал эхолокаторы в Тихом океане для выявления плосковершинных подводных горных структур, которые он назвал гайотами в честь одного из своих профессоров. Хесс полагал, что это были древние вулканы, которые погрузились в океан, и их вершины выровняли волны. Позже Хесс продолжил собирать воедино множество разных групп доказательств в поддержку спрединга морского дна (механизма образования нового океанического дна вдоль срединно-океанических хребтов, которое приводит к тому, что континенты удаляются друг от друга), но сначала было необходимо собрать многочисленные данные о морском дне; более того, в некоторых случаях требовалась разработка новых инструментов для сбора и регистрации информации.

До Второй мировой войны Береговая и геодезическая служба США, а также Принстонский университет поставили перед Уильямом Эвингом и его студентами задачу по развитию новой области науки – геофизики – не только применительно к суше (с использованием динамита для исследований сейсмических преломленных волн), но и к континентальному шельфу и океаническим бассейнам. Эвинг был хорошо к этому подготовлен: он занимался изучением применения дистанционного зондирования для разведки нефти и угля. Однако поскольку оборудования для проведения таких исследований не существовало, большинство инструментов Эвинг сконструировал сам. В 1935 г., используя собственный метод дистанционного зондирования, Эвинг выяснил, что континентальный шельф, включая континентальный склон и подъем, сложен из осадков мощностью 4 000 м. Кроме того, фундамент континента находится под песками, илами и галечниками шельфа и равномерно наклонен вниз к океаническому дну.

Уильям Эвинг был первым директором Геологической обсерватории Ламонта[251], основанной в 1949 г., которая теперь называется Обсерваторией Земли Ламонта – Доэрти. Обсерватория находится в семейном поместье Ламонтов Тори-Клифф в Пэлисейдсе к северу от Нью-Йорка. В настоящее время она обладает самой большой в мире коллекцией образцов океанической коры и океанических осадков, наряду с батиметрическими профилями океана, магниторазведочными данными и профилями и результатами измерений тепловых потоков. Эвинг получил в Колумбийском университете докторскую степень по физике и применял физику для решения проблем, стоящих перед геологией, особенно в том, что касается измерений и регистрации данных об особенностях структур, расположенных под поверхностью или глубоко под землей, недоступных глазу.

Обсерватория Ламонта на тот момент была самым молодым океанографическим исследовательским учреждением в США. Институт океанографии Скриппса был основан в 1903 г. в Ла-Хойе, Калифорния, как Ассоциация морской биологии Сан-Диего. В 1912 г. это учреждение стало частью Калифорнийского университета и сменило название в знак признательности спонсорам, обеспечивавшим бо́льшую часть финансирования. Океанографический институт в Вудс-Хоуле был основан в 1930 г. как летний исследовательский центр, но он превратился в круглогодично функционирующее учреждение, когда из-за грядущей войны возросла потребность в исследовательских проектах, связанных с обороной.

В начале 1950-х гг. несколько исследователей, ассистентов и аспирантов Эвинга в обсерватории Ламонта представили важнейшую информацию о структуре, которую назовут срединно-океаническим хребтом. Одной из них была геолог и картограф Мари Тарп (1920–2006), которую приняли на должность научного ассистента Эвинга. Руководители Тарп отправили ее в лабораторию, поскольку (и это было предсказуемо) не позволяли женщинам участвовать в работе по сбору данных на исследовательских судах. На основе данных, полученных с использованием сонаров и сейсмографов и предоставленных учеными, работавшими на этих судах, Мари Тарп нанесла на карту шесть длинных поперечных трещин, идущих с востока на запад в Северной Атлантике. Тарп поняла, что рифтовая долина – долина с крутыми склонами, образовавшаяся в результате действия сил растяжения, действовавших на кору в продольном направлении, – расположена в центре массивной горной цепи, протянувшейся с севера на юг в середине Северной Атлантики.

Это открытие вызвало споры и сомнения. Мари Тарп вновь нанесла на карту все данные зондирования и получила те же результаты. Вскоре после этого американский геолог Брюс Хизен начал наносить на карту эпицентры землетрясений в Северной Атлантике и обнаружил, что места землетрясений совпадают с выявленной Тарп структурой посреди океана и сосредоточены на рифте. Это открытие означало, что трещина была активна, поскольку землетрясения в районе срединно-океанического хребта сопровождают формирование нового морского дна по мере поднятия магмы. Связь между подводными землетрясениями и срединно-океаническим хребтом в Северной Атлантике, обнаруженная в 1950-х гг., побудила Хизена и Эвинга изучить более точные способы нанесения на карту данных о землетрясениях, а также расширить масштабы исследования и включить в него другие океанические бассейны. Вместе со своими научными ассистентами, в том числе Хизеном, Уильям Эвинг в 1956 г. опубликовал статью, в которой постулировал существование срединно-океанических хребтов и связанных с ними землетрясений во всех океанах. До тех пор хребет был обнаружен только в Северной Атлантике, поэтому другие ученые сразу же отнеслись к идее скептически. Они пытались доказать, что теория неверна, но было подтверждено, что срединно-океанический хребет находится именно там, где предсказывал Хизен. Данные о существовании срединно-океанического хребта с рифтовой долиной посередине в конечном итоге привели к появлению теории спрединга морского дна.

Благодаря изучению океанических бассейнов мира с помощью сонаров Эвинг понял, что срединно-океанические хребты – это не отдельные системы, а почти непрерывная единая подводная горная цепь, общая протяженность которой составляет более 65 000 км. Это, вне всякого сомнения, самая протяженная горная система на Земле. Система срединно-океанических хребтов находится преимущественно под водой, но отдельные вершины поднимаются над уровнем океана в таких местах, как Исландия и Восточная Африка (см. цветную вклейку 5.4)[252]. Она охватывает земной шар, подобно швам на бейсбольном мяче, и крайне важна для понимания тектоники плит.

Эвинг также обнаружил, что рядом со срединно-океаническими хребтами накапливается мало осадков, что свидетельствует об образовании в этих зонах нового океанического дна. Эти факты заставили ученых задуматься о возрасте океанических бассейнов и процессах, происходящих вдоль срединно-океанических хребтов.

К началу 1950-х гг. геологи и другие ученые открыли множество отдельных фрагментов, ведущих к теории тектоники плит. Тем не менее исследования были разрозненными и проводились в разных местах, статьи публиковали разные авторы, работающие в разных институтах в несопоставимых областях геологии и океанографии. Ученые не знали, как соотносятся их результаты, а также что они имеют большое значение для разработки новой теории тектоники плит. Одним из направлений подобных исследований было изучение тепловых потоков от континентов и океанических бассейнов.

Геологи давно признавали, что континенты сложены из более легких, богатых оксидом кремния горных пород, таких как граниты и риолиты, и что в этих породах содержится больше радиоактивных элементов, в результате распада которых происходит выделение более мощных тепловых потоков. Геологи также знали, что океанические бассейны образованы более темной, плотной и небогатой оксидом кремния породой: базальтом. Соответственно, результаты измерений тепловых потоков должны отличаться для массивов с разным составом – Эвинг назовет это «горьким» фактом, который кажется противоречивым, но который необходимо принимать во внимание ради прогресса науки.

Большую часть исследований тепловых потоков выполнил в Институте Скриппса Роджер Ревел (1909–1991) вместе с геофизиком из Кембриджского университета сэром Эдвардом Криспом Буллардом (1907–1980) и студентом Артом Максвеллом. До проведения измерений тепловых потоков в океанах Буллард занимался изучением континентальных тепловых потоков. К изумлению ученых, они обнаружили (как описывается в статье, опубликованной в 1956 г.), что величина теплового потока в океанических бассейнах оказалась такой же, как на массивах суши[253]. Геофизики предполагали, что плотность теплового потока континентов должна быть выше, исходя из типов представленных горных пород (мелкозернистые магматические породы), поэтому они были удивлены результатами. Более высокое по сравнению с ожидаемым значение теплового потока над океанической корой свидетельствует о подъеме горячей астеносферы, поскольку в районе срединно-океанических хребтов происходит выход магмы.

Еще один из студентов Ревелла, Ричард фон Херцен (1930–2006), впоследствии работавший с ЮНЕСКО и Вудсхоулским океанографическим институтом, занимался сравнением результатов исследований тепловых потоков океанического дна, полученных на Восточно-Тихоокеанском поднятии – срединно-океаническом хребте в восточной части Тихого океана. В 1959 г. фон Херцен нанес результаты на карту вместе с данными Булларда, и сравнение послужило подкреплением данных о том, что тепловые потоки на океаническом дне и на суше были практически идентичными[254]. В дальнейшем более поздняя работа фон Херцена 1963 г., в ходе которой было определено, что плотность теплового потока на Восточно-Тихоокеанском поднятии в пять раз превышает значения теплового потока в прилегающих участках океанического дна, дала необходимый ключ к пониманию природы срединно-океанических хребтов, поскольку под хребтом астеносфера поднимается[255].

Первым, кто собрал эти разрозненные факты и предложил модель спрединга морского дна, был Хесс: в 1962 г. он опубликовал статью «История океанических бассейнов»[256], в которой изложил аргументы в пользу спрединга путем создания нового океанического дна в срединно-океанических хребтах[257]. Хесс приписал идею о спрединге морского дна более ранней работе Холмса, а свою работу он назвал «опытом в геопоэзии», чтобы заинтересовать аудиторию, указав на то, что он считал диковинной идеей.

Хесс предположил, что конвективные течения в верхней мантии управляются теплом, выделяющимся в результате радиоактивного распада в земной мантии и ядре, который происходит в горячем веществе глубоко в недрах Земли. Когда магма изливается на поверхности и остывает, она погружается подобно тому, как действует гелевый светильник. Хесс полагал, что эти конвективные ячейки могут быть ответственны за спрединг океанического дна в срединно-океанических хребтах вместе с пассивным движением континентальных частей коры в том же направлении, причем это происходит в рамках циклов, продолжительность которых составляет 200–300 млн лет. Хесс далее рассматривал относительно молодой возраст океанических бассейнов по сравнению с возрастом континентов. Ученый также отмечал, что малое количество осадков в некоторых частях океана связано со спредингом океанического дна из-за разрушения океанической коры в результате процессов, которые впоследствии стали называться тектоническими. Хесс считал, что срединно-океанические хребты представляют собой недолговечные структуры, так же как и дно океана, потому что они тоже могут перерабатываться и разрушаться на протяжении геологического времени. Хесс также обратил внимание на «сбросовые уступы» и сдвиг вдоль разломов океанического дна.

Роберта Дитца (1914–1995), океанографа и геофизика из Института Скриппса, часто упоминают вместе с Хессом, когда речь идет о приведении в систему теории спрединга морского дна. Однако эти двое ученых никогда не публиковались вместе, а заметка Дитца в Nature[258], напечатанная в 1961 г., вышла после появления в 1960 г. препринта статьи Хесса, в которой излагалась его концепция происхождения морского дна. Хесса беспокоило сходство заметки Дитца с его идеей, а также то, что порядок рассмотрения вопросов Дитцем соответствовал структуре статьи самого Хесса[259]. В статье, опубликованной в 1968 г., Дитц признал, что Хесс первым предложил гипотезу и его следует считать человеком, внесшим основной вклад в теорию спрединга морского дна[260].

Тем не менее представления Дитца о зонах разломов, которые перпендикулярны срединно-океаническим хребтам, действительно отличались от точки зрения Хесса: по мнению Дитца, они являлись результатом неравномерной конвекции, тогда как Хесс считал, что зоны разломов не связаны с океаническими хребтами. Со временем выяснилось, что оба были не правы, но об этом мы поговорим позже. Дитц предположил, что вся литосфера, а не только кора, как полагал Хесс, приводится в движение пластичной астеносферой и скользит поверх нее. В конце концов теория спрединга морского дна, предложенная Хессом, была подтверждена и уточнена с помощью исследований Дитца.

Одним из коллег Роберта Дитца в Институте Скриппса был Генри Уильям Менард (1920–1986). Вместе они опубликовали пять статей о тихоокеанском дне и океанических процессах, включая данные о подводных уступах и влиянии мутьевых потоков. В 1955 г. Менард написал статью о крупных зонах разломов, которые, как выяснилось, располагались перпендикулярно к срединно-океаническим хребтам в Тихом океане и были с ними связаны[261]. Менард выявил четыре пояса разломов, параллельных друг другу, протяженность которых достигала 1000 м. Эти результаты также заложили основу для одного из ключевых положений теории тектоники плит, сформулированной позже, в 1960-х гг.

Итак, в начале 1960-х гг. теория спрединга морского дна уже была сформулирована, а всеобъемлющая теория тектоники плит находилась на пути к окончательному оформлению. Последнюю из упомянутых теорий называют самым важным достижением в геологии со времен появления геттоновского униформизма в качестве принципа геологии и публикации Дарвином «Происхождения видов». Все, что теперь требовалось, – это дальнейшее подтверждение. Прошло не так много времени, прежде чем это доказательство появилось, довольно неожиданно, в виде обнаруженных на океаническом дне полос (похожих на полоски у зебры), которые порождены срединно-океаническими хребтами и расположены параллельно их оси.

В 1963 г. Фред Вайн и его научный руководитель профессор Драммонд Мэттьюз, британский геолог из Кембриджа, опубликовали в Nature результаты магнитной съемки, произведенной за год до этого вдоль срединно-океанического хребта в Индийском океане – хребта Карлсберг[262]. Исследование показало наличие области с низким значением магнитного поля, которая расположена в центре, параллельна оси хребта и совпадает с самой глубокой частью рифтовой долины. Когда магма остывает и превращается в горную породу, богатые железом соединения внутри материала выстраиваются в соответствии с полярностью магнитного поля Земли на текущий момент. Результаты магнитной съемки параллельно оси хребта показали наличие чередующихся областей нормальной и обратной полярности, расположенных симметрично по обеим сторонам от оси хребта (рис. 5.9). Закономерность проявляется со временем (рис. 5.9 а), когда магма изливается на поверхность в области срединно-океанического хребта и создает новое дно океана по мере остывания (рис. 5.9 с). Чтобы объяснить полученные результаты, Вайн и Мэттьюз постулировали, что происходили изменения, или инверсии, магнитного поля Земли.


Рис. 5.9. Графическая модель магнитных полос на океанском дне в зоне срединно-океанического хребта (USGS, 1999)


Другой геолог-исследователь, Лоуренс Морли (1920–2013) из Геологической службы Канады, независимо предположил, что полосатый «узор», как свидетельствовали инверсии намагниченности коры морского дна, связан со спредингом и расширением океанических бассейнов в области срединно-океанических хребтов. В качестве основы для своей работы Морли использовал исследование, проведенное двумя океанографами из Института Скриппса, Рональдом Мэйсоном и Артуром Раффом, вдоль американо-мексиканской границы в Тихом океане на хребте Хуан-де-Фука. Графически результаты исследования давали картину расходящихся от хребта узоров в виде полос штрихкода.

В то время Мэйсон был не уверен, какие закономерности проявляются, но Морли изучил данные и на основе их качественной интерпретации в феврале 1961 г. представил в Nature статью о теории запечатления магнитного поля и спрединге морского дна. Морли не мог включить в свою статью магнитную карту из более ранней работы Мэйсона, вышедшей в 1958 г.[263] и уточненной Мэйсоном и Раффом в 1961 г., потому что данные и карта в то время относились к секретной информации. Из-за этого журнал отклонил статью. Более того, Морли провел количественный анализ, но без карты рецензенты не поддержали публикацию. Морли направил статью в другой журнал, но результат был таким же обескураживающим. Тем не менее работа Морли стала первым доказательством теории спрединга морского дна, которое иногда называют гипотезой Вайна—Мэттьюза—Морли – первой научной проверкой спрединга морского дна.

Хотя комплекс полос, свидетельствующих об изменении намагниченности горных пород морского дна, является доказательством спрединга в районе срединно-океанических хребтов и дрейфа континентов, геологи также используют и другие виды информации для подтверждении теории тектоники плит.

Например, те, кто пользуется компасом, вероятно, знают, что существует разница между географическим Северным полюсом – точкой пересечения оси вращения Земли с земной поверхностью, 90° с. ш. – и магнитным северным полюсом – точкой на земной поверхности, где магнитное поле Земли направлено строго под углом 90° к ее поверхности. В результате вращения ядра Земли, состоящего из железа и никеля, магнитное поле нашей планеты меняется со временем; местоположение магнитных полюсов Земли всегда изменялось. И точно так же, как это происходит внутри «полосатых» базальтов океанического дна, в магматических породах «записывается» положение магнитного поля, когда они остывают, а узоры, создаваемые вечно блуждающими магнитными полюсами в течение геологического времени, можно отследить. Тем не менее, когда геологи впервые нанесли на карту изменения магнитных полюсов в Северной Америке и в Евразии[264], они не совпали (рис. 5.10, слева). Получились две разные траектории, что заставило ученых задуматься в недоумении. Но позже, когда ученые приняли во внимание дрейф континентов и положение материков на протяжении миллионов лет, траектории почти чудесным образом совпали (рис. 5.10, справа).


Рис. 5.10. Изменение магнитных полюсов в течение 500 млн лет и дрейф континентов: слева – до учета движения континентов; справа – с учетом дрейфа континентов (APWP, apparent polar wander path – траектория кажущегося движения полюса, КТДП; Ma – млн лет. Рисунок, видоизмененный автором на основе Runcorn, 1959)


В 1965 г. последний кусочек головоломки под названием «дрейф континентов», который приведет к формулировке теории тектоники плит, встал на место, когда Джон Тузо Уилсон (1908–1993), канадский геофизик из Университета Торонто, предложил объяснение существованию крупных разломов океанического дна. Разломы, обсуждавшиеся Менардом, расположены перпендикулярно к срединно-океаническим хребтам; Уилсон назвал их трансформными разломами[265]. Эти разломы пересекают срединно-океанические хребты и магнитные полосы на океаническом дне, поэтому Уилсон предположил, что они, вероятно, сформировались после или одновременно с образованием хребта. До 1961 г. Уилсон скептически относился к теории дрейфа континентов и придерживался мнения, что внешняя оболочка твердой Земли неподвижна. Однако по мере поступления все большего числа данных и доказательств точка зрения Уилсона изменилась, и он стал ведущим сторонником теории тектоники плит и внес в нее весомый вклад. Даже после 1961 г., уже приняв идею о дрейфе континентов, Уилсон все еще не был убежден в том, что движение материков происходило до мезозоя. Вегенер, например, придерживался мнения, что дрейф континентов начался лишь в кайнозое.

Уилсон также известен тем, что он первым использовал термин «плита». Он также понял, что вулканические острова, такие как цепь Гавайские острова – Императорские горы, сформировались, когда океаническая плита, на которой они располагались, проходила над «горячей точкой», поднимающейся из мантии. За два года до выхода статьи о трансформных разломах Уилсон опубликовал исследование, посвященное горячим точкам и происхождению Гавайских островов. Основу его работы составило исследование линейной вулканической цепи с точки зрения геологии океанического дна, геофизики, магнетизма и измерений тепловых потоков. Несколько журналов отказались печатать его статью как слишком спорную, но в конце концов она была опубликована в 1963 г. в Canadian Journal of Physics и стала основополагающим трудом в области тектоники плит[266].

Несмотря на то что название трансформным разломам дал Уилсон, эти структуры и прежде описывали другие геологи. Честь открытия принадлежит новозеландскому геологу Альберту Квеннеллу (1906–1985). В 1956 г. Квеннелл представил доклад на Международной геологической конференции в Мехико, а двумя годами позднее опубликовал результаты[267]. В статье Квеннелл описал раскрытие бассейна Красного моря в результате образования разлома Мертвого моря – крупного континентального сдвига, протянувшегося до северной части Красного моря, – что позже подтвердилось. Соединив Аравийский полуостров с Африкой через Красное море, Квеннелл осознал, что в ходе процесса Аравийский полуостров, вероятно, значительно повернулся влево – против часовой стрелки. Смоделировав дальнейшее вращение полуострова, Квеннелл понял, что он описывает окружность. Это открытие приведет к находке еще одного важного кусочка головоломки под названием «тектоника плит»: существуют не только полюсы, вокруг которых вращается блок – «полюсы вращения», – но для того, чтобы блок двигался таким образом, сам он должен быть неподвижно закреплен.

Джон Уилсон тоже понял, что если океаническое дно разрастается с формированием новых океанических плит в районе срединно-океанических хребтов, то где-то в другом месте на планете другие плиты должны поглощаться и перерабатываться. Уилсон доказывал, что Земля не увеличивается в размерах со временем, следовательно, сохранение массы и площади поверхности должно осуществляться за счет разрушения плит. Этот принцип, согласно которому планета со временем не становится больше или меньше, а сохраняет удивительную «стройность», продолжал оставаться спорным даже с появлением теории тектоники плит. Тем не менее астрофизики продемонстрировали, что диаметр и радиус Земли не изменился статистически значимым образом с того момента, как NASA провело измерения.

В 1968 г. Уилсон опубликовал еще одну статью, подробно изложив свои представления о том, как происходят повторяющиеся тектонические события, которые приводят к формированию различных особенностей рельефа и типов горных пород, в зависимости от того, в какой фазе находится регион[268]. Этот процесс повторяющегося раскрытия и закрытия океанических бассейнов на протяжении геологической летописи был назван циклом Уилсона (Вилсона) в честь ученого. Последовательность событий происходит в рамках цикла в течение примерно 500 млн лет.

В 1965 г. Эдвард Крисп Буллард из Кембриджского университета вместе со своими аспирантами Джеймсом Эвереттом и Аланом Смитом вернулся к рассмотрению проблемы соответствия континентов друг другу – с чего начинал Вегенер, – но с новой парадигмой и новыми методами, и написал знаменитую статью «Соответствие континентов вокруг Атлантики» (The Fit of the Continents around the Atlantic)[269]. Ученые воспользовались первыми компьютерными моделями, чтобы совместить края воссозданного мира, в котором все континенты опять были соединены – так, как было, когда на Земле последний раз существовала Пангея. Авторы статьи утверждали, что береговые линии континентов не обеспечивали наилучшего соответствия, поскольку небольшой подъем или понижение уровня моря значительно влияли на местоположение береговой линии. Ученые выяснили, что идеальное совпадение между континентами наблюдается на глубине 500 морских саженей (900 м) вдоль континентального шельфа. Континентальный шельф является «настоящим краем континента», а другие факторы, такие как речная эрозия, оказывают гораздо меньшее влияние ниже уровня моря. На самом деле Альфред Вегенер при проведении своего анализа сопоставлял береговые линии и заметил, что континентальный шельф может дать лучшее совпадение в некоторых участках, но Вегенер не пошел по этому пути размышлений.

Важнейшим элементом в работе Булларда было использование теоремы Эйлера – математической формулы, описывающей перемещение шара или приблизительное положение, в котором он окажется, если его повернуть, исходя из начального положения и угла поворота (подъема или понижения поверхности). Благодаря работе Квеннелла Буллард понял, что, поскольку континентальные блоки при движении описывают окружность, теорему Эйлера можно применить к рассматриваемой проблеме – воссозданию объединения континентов – и моментально преодолеть препятствия. Теорему можно применить, потому что Земля – это шар, а не плоская поверхность. Вкратце, Буллард установил, что вращение вокруг оси шара объясняет, каким образом неподвижная плита движется по поверхности шара[270]. Всякое вращательное движение имеет ось. Буллард и его коллеги оценивали степень соответствия континентов, получаемого при использовании теоремы Эйлера, потому что, если объединение южных материков происходило довольно легко, то северные было гораздо труднее совместить в результате сложного движения плит в Северном полушарии. Ученые использовали подгонку методом наименьших квадратов, а анализ проводили на первых компьютерах соавторы статьи – Эверетт и Смит. Эти первые компьютеры оказались незаменимы для анализа. Для некоторых участков не удавалось найти оптимального решения, в том числе для зоны у юго-западной Ирландии и фрагментов срединно-океанического хребта, наряду с Исландией и Фарерскими островами.

В 1970-х гг. произошло объединение данных и информации, полученных в прежние десятилетия, в разумную теорию. Тем не менее скептики считали, что предложенный механизм нереален; этих ученых называли «фиксистами». В другом лагере были «мобилисты», сторонники теории дрейфа континентов. Подобно тому как это происходило с другими теориями во времена их появления, различные точки зрения привели к серьезным обсуждениям, спорам и, временами, язвительности. До 1970 г. к мобилистам относились с издевкой, после 1970 г., когда в большом количестве стали поступать данные и отчеты, приверженность фиксизму стала считаться устаревшей. Факультеты колледжей и университетов приобретали и теряли свою репутацию в зависимости от того, какую сторону в споре поддерживал их профессорско-преподавательский состав[271]. Ученые тоже приобретали и теряли репутацию, в соответствии с тем, какую точку зрения в этом споре они принимали. Некоторые геологи беспокоились о том, что принятие теории тектоники плит будет означать «конец» геологии, поскольку эта идея угрожает существующему положению вещей. Конечно, оказалось все наоборот: теория открыла новые перспективы для исследований. Уильям Эвинг, великий путешественник и исследователь океанического дна, сам до 1970-х гг. придерживался идей фиксизма, но в конце концов принял появление и развитие теории тектоники плит, для которой его исследование заложило основу.

Научно-исследовательская работа Булларда и его коллег обеспечила связь между гипотезой дрейфа континентов и теорией тектоники плит, а позднее она приобрела планетарный масштаб. Исследования, позволяющие более полно понять во всех деталях теорию тектоники плит, продолжаются и по сей день. В 1990-х гг. геофизик Сэйя Уеда (1929–1923), профессор Токайского университета, в своей работе пролил свет на роль глубоководных желобов, считавшихся пассивными структурами, в которых просто встречаются две плиты без активной динамики самого желоба. Другие японские исследователи, в частности Акихо Мийясиро (1920–2008), петролог, специалист по метаморфическим породам из Университета штата Нью-Йорк в Олбани, выяснил, как формируются различные типы метаморфических пород в разной тектонической обстановке, связанной с зонами субдукции (местами, где одна плита пододвигается под другую и погружается в мантию, в результате чего часть материала плиты перерабатывается и уничтожается, что часто приводит к закрытию океанических бассейнов) и островными дугами (длинными цепями вулканических островов, появляющихся в результате поднятия магмы вдоль конвергентных границ плит). В 2000 г. Ричард Гордон (р. 1953), геофизик из Университета Райса, описал зоны диффузных границ плит[272]. Эти зоны отличаются от более привычных границ плит по ширине, степени напряжения и скорости движения в год. Примером диффузной зоны плиты служит Провинция бассейнов и хребтов на западе США.

Геологи установили существование цикла Уилсона в докембрийских горных породах периода гренвиллского горообразования, доказав, что тектонические движения плит происходили еще до мезозойской эры. Этот цикл представляет собой кульминацию глобальной тектоники плит и служит иллюстрацией того, как границы разных плит соединяются, как сталкиваются континенты, как раскрываются бассейны океанов и как в желобах одна плита пододвигается под другую с погружением материала в мантию.

Цикл Уилсона состоит из двух фаз: раскрытия и закрытия (сокращения) океанического бассейна. Во время фазы раскрытия в середине континента, где кора растянута, появляется горячая точка, которая начинает раскалывать массив суши с созданием рифта (пример – Восточно-Африканская рифтовая долина). Уилсон назвал эту стадию эмбриональной. За этой стадией следует раскрытие бассейна, как в случае с Красным морем. Затем происходит полное развитие океана на стадии зрелости, как видно на примере бассейна Атлантического океана. В какой-то момент начинают действовать обратно направленные силы, поскольку расширение не может происходить постоянно из-за фиксированного размера Земли, и начинается фаза сокращения. Зона субдукции формируется в любом месте океанического бассейна, но самым простым примером будет зона субдукции вдоль одного из краев континента. В районе глубоководного желоба одна океаническая плита пододвигается под другую, погружаясь в мантию, и бассейн уменьшается в размерах, как в случае Тихого океана. На заключительных этапах цикла Уилсона продолжается закрытие океанического бассейна с сокращением и поднятием, как в случае Средиземного моря. Во время конечной фазы цикла в начале столкновения блоков могут формироваться горы: зоны субдукции в этом случае действуют как переход для скольжения материала по краю другой плиты. По мере плавления материала погружающейся плиты появляются вулканы. Образование метаморфических пород обычно также связано с этой стадией. Финальная стадия – это реликтовый рубец от столкновения континентов, как можно видеть вдоль тектонического шва (сутуры) Инда-Цангпо в Гималаях, формировавшихся при столкновении Индостанского субконтинента с Евразией, которое началось 50 млн лет назад.

Исследования, проведенные в 1970-х гг. Сэйей Уедой и Дональдом Форсайтом из Лабораторий Ламонта-Доэрти, продемонстрировали более точные детали тектоники плит с точки зрения двух новых представлений: о давлении хребта и тяге погружающейся части плиты (эта часть называется слэбом)[273]. Давление хребта создается в срединно-океанических хребтах в качестве силы, которая отодвигает вновь сформированную океаническую кору от хребта. Многие годы считалось, что глубоководные желоба являются пассивными структурами, которые просто поглощают и перерабатывают кору, погружающуюся в них, но исследования показали, что они играют более активную роль: тянут океаническую кору из зон субдукции – это называется тягой слэба. И давление хребта, и тяга слэба, по-видимому, являются важнейшими движущими механизмами спрединга морского дна под действием сил гравитации, помимо образования коры в районах срединно-океанических хребтов.

Прямые доказательства движения литосферных плит будут получены лишь в 1990-х гг. с внедрением GPS, точность данных которого по иронии судьбы зависит от геодезии. Именно такой вид доказательств стремился получить Вегенер. К концу XX в. вегенеровские теории были доказаны: континенты действительно дрейфуют, и основой дрейфа является механизм конвективных течений глубоко в астеносфере. Если Земля – это песня, то тектоника плит – ее самая изящная мелодия.

Загрузка...