Автобиография Земли. 4,6 миллиарда лет захватывающей истории нашей планеты

Большие литосферные плиты на Земле, состоящие из океанической коры или из океанической и континентальной коры, взаимодействуют друг с другом по краям, где они встречаются. В зависимости от тектонических механизмов, существующих в конкретном месте, или создаются новые плиты, а старые разрушаются, или две плиты скользят друг относительно друга.

Один из основных типов границ плит, называемых дивергентными, или конструктивными, границами, или центрами спрединга, наблюдается в месте образования материала новой плиты на дне океана в районах срединно-океанических хребтов (см. главу 5, цветную вклейку 5.1). Большая часть дивергентных границ плит находится в океанах, но иногда они появляются и в континентальной коре, постепенно раскалывая сушу, как в случае Восточно-Африканской рифтовой долины. Остров Исландия расположен на вершине Срединно-Атлантического хребта над мантийным плюмом – локализованной колонной магмы.

Другой основной тип границы литосферных плит – конвергентная граница, на которой материал старой плиты поглощается в глубоководных желобах (см. главу 5, цветная вклейка 5.1), когда одна литосферная плита, сложенная из океанической коры, пододвигается (подныривает) под плиту меньшей плотности, небольшая часть которой сложена из океанической, а бо́льшая часть – из континентальной коры. Примером такого процесса служит Алеутский желоб недалеко от Аляски и зона субдукции Каскадия на Тихоокеанском Северо-Западе. Другой вариант процессов, наблюдаемых на конвергентных границах плит, – горообразование при столкновении двух континентальных блоков, как в случае с Гималаями.

Еще один основной тип границ существует там, где плиты скользят относительно друг друга (см. главу 5, цветная вклейка 5.1), например, разлом Сан-Андреас в Южной Калифорнии, силы консервативны и горные породы не создаются и не разрушаются. Эти границы называют трансформными, или сдвиговыми.

Земные процессы ограничиваются этими тремя типами границ на протяжении огромных, но относительно узких участков поверхности планеты. В отличие от четко выраженных зон взаимодействия плит диффузные границы плит (см. главу 5) могут достигать от нескольких сотен до более тысячи километров в ширину и существуют как у континентальных, так и океанических плит.

Ученые когда-то считали, что возраст океанических бассейнов такой же, как и континентов, но исследования тектоники плит и изучение океанического дна привели к осознанию того факта, что океанические бассейны гораздо моложе континентов. Благодаря количественному определению возраста с использованием изотопного анализа базальта (магматической породы) геологи выяснили, что самое древнее океаническое дно – это дно Средиземного моря, возрастом почти 340 млн лет. На самом деле возраст большинства горных пород океанических бассейнов составляет менее 200 млн лет, поскольку все породы океанического дна старше мелового периода были поглощены и переработаны на конвергентных окраинах плит.

С точки зрения человеческого измерения времени океанические бассейны – старые, но не настолько древние, как породы, из которых сложены континенты и возраст которых, как уже упоминалось, может достигать 4 млрд лет на участках континентального щита с коренной подстилающей породой в Канаде и Гренландии. Но, поскольку участки океанического дна или поглощаются в глубоководных желобах, или разбиваются о края континентов, они не сохраняются так, как континентальные горные породы. Соответственно, новые океанические породы, создаваемые вдоль рифтов, – это самые молодые породы на Земле, которые обозначены красным цветом на цветной вклейке 6.1. Цвет меняется от красного к зеленому, синему и фиолетовому (самые старые океанические породы) – таким образом показан увеличивающийся возраст по мере удаления океанических слоев от осей хребтов.

С преобладающими границами плит связаны разломы – разрывы земной коры, по которым происходит движение (рис. 6.1). Разломы представляют собой важнейшие структуры в истории и нынешнем состоянии Земли. Существует три главных типа разрывов: сбросы, образующиеся в результате действия сил растяжения, взбросы, образующиеся под действием сил сжатия, и сдвиги в результате действия сил, вызывающих горизонтальное скольжение. Когда образуется разрыв из-за нарастания напряжения (деформаций в горных породах, вызванных воздействием различных сил), высвобождается огромное количество энергии, и происходят землетрясения. Не все из них относятся к крупным, о которых сообщается в новостях; по всему миру ежедневно происходит множество менее крупных землетрясений, вызванных смещениями в области разломов. Крылья разлома (края разорванных слоев) часто имеют шероховатую поверхность, поэтому возникает трение, и плиты «застревают» при движении, в результате чего накапливается напряжение до тех пор, пока давление не преодолеет сопротивление породы, вызвав неожиданный разрыв и землетрясение. Землетрясения могут происходить и при движении магмы под вулканами. Человеческая деятельность также может спровоцировать землетрясения, как в случае, когда отработанную (пластовую) воду закачивают назад в землю в процессе добычи природного газа и создают разрыв. Сейсмографы регистрируют частые землетрясения такого типа в Оклахоме и Колорадо.

Рис. 6.1. Типы разрывов: сброс, взброс и сдвиг. (Видоизмененные рисунки на основе диаграмм из журнала Actualist, 2016)

Конкретные типы разрывов связаны с определенными типами границ литосферных плит (см. цветную вклейку 6.2)[278]. Сбросы встречаются в срединно-океанических хребтах, центрах спрединга и на дивергентных границах, где создаются новые плиты и доминируют силы растяжения. Такое растяжение коры заставляет горные породы с одной стороны разлома двигаться вниз относительно другой стороны. Когда под действием тектонических сил континенты разламываются, распространенной характерной особенностью рельефа становятся рифтовые долины, как Восточно-Африканская рифтовая долина. С другой стороны, взбросы и надвиги (вид взброса с малым углом) сопутствуют конвергентным границам, где действуют силы сжатия. Один из примеров конвергентной границы – участок, где океаническая плита встречается с континентальной, создавая зону субдукции и глубоководные желоба. Где плотность больше, океаническая плита поглощается. Еще один вид конвергентной границы наблюдается там, где столкновение краев континентальных плит приводит к поднятию материала горных пород относительно другой стороны разрыва – созданию гор, таких как Гималаи. Трансформные разломы (сдвиги) встречаются в тех участках, где фрагменты коры горизонтально скользят относительно друг друга, например перпендикулярно срединно-океаническим хребтам или, если это происходит на суше, как в случае разлома Сан-Андреас. В районах трансформных разломов силы консервативны, и кора ни создается, ни разрушается.

Дивергентные границы плит

Некоторые из горных цепей на дне океана достигают в высоту 2500 м от основания. Эти подводные горы (см. главу 5), называемые срединно-океаническими хребтами, или центрами спрединга, встречаются везде, где создается новое океаническое дно, и представляют собой самую обширную горную систему на Земле.

Срединно-океанические хребты и центры спрединга, где создаются и раздвигаются новые океанические плиты, известны как дивергентные границы. В этих местах в результате растяжения материала возникают сбросы (подобно тому, как при попытке разделить печенье оно часто ломается, и середина отпадает). Сбросы создают рифтовые долины и погруженные бассейны, такие как в Восточной Африке, где разломы и связанные с ними рифты постепенно разрывают континент на части.

Центры спрединга различаются по скорости раскрытия. Срединно-океанические хребты в Атлантике расширяются медленнее – в среднем приблизительно на 4 см в год, – чем срединно-океанические хребты в Тихом океане, которые в среднем двигаются со скоростью 9 см в год. Иными словами, Тихий океан уменьшается со скоростью, более чем в два раза превышающей скорость расширения Атлантического океана.

Отличаются не только скорости раскрытия центров спрединга, но и формы хребтов. У быстро разрастающихся хребтов склоны гладкие, тогда как для медленно разрастающихся хребтов характерны неровные склоны. Различия возникают из-за особенностей циркуляции горячих вод внутри хребтов, а также зависят от того, существуют ли под хребтами магматические камеры.

Один из наиболее удивительных и легко поддающихся наблюдению мест срединно-океанических хребтов находится в Исландии: остров представляет собой выход Срединно-Атлантического хребта над поверхностью океана. С одной стороны Северо-Атлантическая плита движется на запад, с другой стороны Евразийская плита движется на восток. Проявлением Срединно-Атлантического хребта на поверхности является рифтовая долина, которая простирается от его центра и расщепляется на две части. На территории Исландии множество вулканов, которые формируются вдоль Срединно-Атлантического хребта, в том числе знаменитый Эйяфьядлайёкюдль, который в 2010 г. нарушил авиасообщение в Северном полушарии, выбрасывая в воздух облака пепла. Вулканы непосредственно связаны с формированием материала новой плиты, а также обеспечивают геотермальными ресурсами и горячими источниками. Они красивы, но опасны. Остров Исландия необычен не только потому, что расположен на вершине Срединно-Атлантического хребта, но и потому, что находится над мантийным плюмом – горячей точкой. Вулканическая активность в Исландии, несомненно, выше из-за сопряжения горячей точки со срединно-океаническим хребтом.

На существование исландского мантийного плюма указывают изменения параметров, которые наблюдаются при использовании методов дистанционного зондирования с помощью сейсмических волн. Величина сейсмических волн под Исландией низкая, что свидетельствует об отличии материалов на глубине по сравнению с большинством участков срединно-океанических хребтов. Геофизики полагают, что плюм зарождается на глубине 2880 км, на границе внешнего ядра и мантии. Недавно полученные данные показывают, что мантийный плюм под Исландией поднимается и по мере взаимодействия материала с более холодной верхней астеносферой разделяется на пальцеобразные ответвления, или «лепестки», расходящиеся от сердцевины. Эти «пальцы» горячей горной породы протягиваются до Норвегии и Шотландии и, возможно, являются причиной поднятия в этих регионах. Ученые продолжают исследовать мантийные плюмы, чтобы ответить на вопрос, являются ли они относительно неподвижными или перемещаются со временем.

Другие риски, связанные с геологическим строением Исландии, возникают из-за Срединно-Атлантического хребта. Каждую неделю сейсмометры регистрируют два десятка землетрясений. Магнитуда большинства землетрясений не превышает трех единиц, но для Южно-Исландской сейсмической зоны характерны более интенсивные землетрясения. Некоторые из них связаны с движением магмы под вулканами, а другие являются результатом расхождения двух тектонических плит. На самом деле Исландия постепенно раскалывается со скоростью 2,5 см в год.

Еще одна область, в которой преобладает рифтогенез и растяжение, – это Восточно-Африканская рифтовая долина. В этом регионе срединно-океанический хребет не выходит на сушу, но силы тянут, или отщепляют, Нубийскую (Африканскую) плиту от того участка, который станет новой Сомалийской плитой, когда произойдет разрыв. Долины и хребты, создаваемые в результате сброса, – характерная черта окружающей местности. Погружающиеся части разломов формируют бассейны, где может накапливаться вода, создавая озера, которые появляются и исчезают. Погода и окружающая земля характеризуются быстрыми сменами сухих и влажных периодов, которые влияют на образование озер.

Вдоль некоторых береговых линий, как у восточного побережья Северной Америки, континентальный шельф, состоящий из отложений, в среднем простирается под водой на ширину 65 км и на глубину 60 м. Под отложениями шельфа находятся сбросы, образовавшиеся в результате действия сил растяжения и раскола, которые создали прилегающие океанические бассейны. Эти континентальные окраины считаются пассивными и находятся на тыловом крае континента, отталкиваемого новой корой, которая сформировалась в районе срединно-океанических хребтов. Для выявления таких разломов геофизики и используют методы дистанционного зондирования.

Регион бассейнов и хребтов, протянувшийся через большую часть западных штатов США до северо-запада Мексики, – это еще одна область образования сбросов, связанных с тектоническими движениями. Здесь, в том числе и в зоне активной вулканической горячей точки, в настоящее время расположенной под Йеллоустонским национальным парком, земная кора тонкая и подвергается растяжению. Погружающиеся блоки формируют долины, называемые грабенами, и приподнятые хребты, которые называются горстами. Они направлены с севера на юг, перпендикулярно силам растяжения.

Конвергентные границы плит

Второй тип границ плит – конвергентные границы. С ними связаны взбросы, потому что на этих границах действуют силы сжатия, где две плиты давят друг на друга, пододвигаются одна под другую или сталкиваются друг с другом. В зависимости от типа плит могут происходить разные события. Когда перемалываются два блока океанической коры, формируются островные дуги и желоба, причем острова выстраиваются дугой из-за того, что Земля имеет форму шара[279]. Погружающаяся плита создает «надрез»; чем меньше угол погружения плиты, тем больше изгиб структуры по краю плиты. Примером такого типа границы служит цепь островов Индонезии. Там, где океаническая плита встречается с континентальной, океаническая кора, поскольку она имеет большую плотность, погружается под континентальную кору и создает глубоководный желоб, такой как тот, что находится между Тихоокеанской и Северо-Американской плитами – зона субдукции Каскадия на Тихоокеанском Северо-Западе. Два блока континентальной коры тоже могут сливаться, создавая горные цепи.

Конвергентные силы преобладают в районе Тихого океана, создавая «огненное кольцо» – структуру в форме подковы протяженностью 40 000 км, состоящую из почти непрерывных океанских желобов, появившихся в результате тектонических движений. В этом районе преобладают вулканы, землетрясения и цунами. Тихоокеанская плита, можно сказать, съедается, поскольку погружается под другие плиты по мере сокращения всего океанического бассейна. 452 вулкана, которые расположены в районе «огненного кольца» и возникновение которых непосредственно связано с субдукцией плит, составляют 75 % от общего числа активных вулканов в мире. В этом районе происходит более 90 % всех землетрясений на Земле. Кольцо может расширяться дальше на юг, к Антарктиде, где до недавнего времени потухшие вулканы были погребены под ледниковыми щитами мощностью 2 км. По мере изменения климата и потепления, связанного с увеличением концентрации диоксида углерода, массивные ледниковые щиты в Антарктиде тают. Соответственно, геологи в наши дни впервые стали регистрировать возросшую активность этих вулканов и выявили 91 новый вулкан в одном из наиболее важных вулканических поясов такого типа[280].

Исследования Тихого и других океанов выявили еще одну поразительную структуру: глубоководные желоба, глубина которых составляет от 7000 м до 10 916 м ниже уровня моря в самом глубоком из всех известных мест на Земле – Марианском желобе (Марианской впадине). Для сравнения: высота горы Эверест – 8848 м. В результате плавления материала погружающейся плиты магма «пузырится» и формирует островную дугу к юго-востоку от Гуама. Протяженность Марианской впадины составляет 2500 км (в 5 раз больше Большого каньона), а ширина – 69 км. Это охраняемый заповедник, расположенный в территориальных водах США.

Предположения о том, что находится в Марианской впадине, породили множество сюжетов кинофильмов и книг, а также стали стимулом для настоящих приключений, как в случае с удачным погружением режиссера Джеймса Камерона в мини-подлодке ко дну Марианского желоба в 2012 г. Лишь благодаря использованию подводных аппаратов стало известно, что глубоко в Марианской впадине обитают живые организмы. Конечно, это не легендарный кракен, но ученые обнаружили других животных, например бокоплавов (ракообразных, которые похожи на креветок, но намного больше). Эти существа длиной 17–30 см почти бесцветны из-за отсутствия света и способны выдерживать огромное давление. Океанографы также увидели и собрали образцы нескольких видов морских огурцов, медуз, фораминифер и бактерий. Для существования твердых известковых раковин в Марианской впадине слишком высокое давление, но некоторые фораминиферы используют зерна песка, состоящие из кварца, для строительства защитных структур. Живые организмы обитают и в других глубоководных желобах, а в некоторых их довольно много, потому что источники пищи попадают в желоб, особенно когда он расположен близко к суше, как, например, Новобританский желоб у южного побережья острова Новая Британия к востоку от острова Новая Гвинея в Соломоновом море. Этот желоб отличается не только разнообразием видов живых организмов, но и тем, что его стенки покрыты белыми актиниями (морскими анемонами).

Несмотря на огромную глубину желобов, и их затрагивают результаты человеческой деятельности. Недавние исследования показали, что в организме бокоплавов содержится высокая концентрация пластификаторов и других химических соединений, причем применение некоторых из них запрещено, включая полихлорированные бифенилы (ПХБ)[281]. Эти вещества не встречаются в природе и, несомненно, являются отходами промышленности и другой антропогенной деятельности. В желобах также были найдены радиоактивные соединения. По мере исследования желобов и их роли в химии океана, благодаря таким исследовательским проектам, как «Изучение абиссальных экосистем», который финансируется Национальным фондом науки и Советом по научным исследованиям ЕС, ученые все чаще задаются важнейшим вопросом о том, какое количество материала на дне океанов и в глубоководных желобах перерабатывается микроорганизмами.

Перуанско-Чилийский желоб, протянувшийся вдоль западного побережья Южной Америки в районе Тихоокеанского «огненного кольца», создал самый высокий вулкан в мире, который расположен на границе Чили и Аргентины, – Охос-дель-Саладо высотой 6879 м. Плита Наска, погружаясь под Южно-Американскую плиту, несет с собой холодные океанские воды. На глубине примерно 660 км плита начинает плавиться под воздействием тепла мантии, и образующаяся магма поднимается и извергается в форме вулканов. Взбросы и надвиги, образующиеся на этих конвергентных границах, сопровождаются землетрясениями. На этой конкретной границе геологи действительно фиксировали самые сильные и разрушительные землетрясения в мире. В 1960 г. в Вальдивии в Чили было зарегистрировано землетрясение магнитудой 9,5 (по данным Геологической службы США) – самое сильное за всю историю измерений магнитуды. Это Великое чилийское землетрясение (так его называют) породило серию волн цунами, которые распространялись в Тихом океане со скоростью от 320 до 800 км/час и нанесли ущерб даже в Японии и на Филиппинах. По оценкам чилийского правительства, погибли 6 тысяч человек и 2 миллиона человек остались без крова в результате цунами.

Трансформные границы плит

Последний тип границ плит – это трансформные границы. Они наблюдаются при вертикальном или почти вертикальном разрыве, где плиты двигаются горизонтально относительно друг друга – происходит сдвиговое смещение. В таких разломах не происходит ни формирование, ни разрушение материала новой плиты, и они представляют собой консервативную границу, в отличие от дивергентных и конвергентных границ. Трансформные разломы образуются между плитами и представляют собой механизм, посредством которого движение плиты переносится, например, от края одного типа к другому – как адаптация к давлению.

Несмотря на то что в районе трансформных разломов не создаются новые плиты и не уничтожаются старые, это не означает, что там не происходит сильных землетрясений. Одно из хорошо известных мест, где сдвиг «прорезает» континентальную кору, – разлом Сан-Андреас и связанные с ним разломы. К западу от этой системы разломов находится Тихоокеанская плита, а к востоку – Северо-Американская плита, и Тихоокеанская плита двигается относительно нее к северу. Движение в зоне разлома Сан-Андреас называется правым сдвигом: если наблюдатель стоит на одной стороне зоны разлома, кажется, что противоположная сторона сдвинута вправо от наблюдателя. Направление движения всегда устанавливается относительно наблюдателя. Зона разломов Сан-Андреас протяженностью 1827 км и глубиной 16 км состоит из взаимосвязанных разломов с ответвлениями. Зона разлома Сан-Андреас пересекает регион с полуаридным климатом, и ее можно наблюдать на поверхности. Наряду с трещинами зоны разлома на поверхности наблюдаются продольные долины, заливы, озера, хребты, которые были отделены в результате разрыва, система водосборных бассейнов вдоль разлома, а также родники в тех местах, где разлом нарушает системы подземных вод.

Великое землетрясение в Сан-Франциско 1906 г. – это одно из самых знаменитых и наиболее разрушительных землетрясений в районе разлома Сан-Андреас. По оценкам, в результате землетрясения магнитудой 7,8 погибло семьсот человек, но, скорее всего, эта цифра занижена. Пожары, вспыхнувшие в результате землетрясения, бушевали в Сан-Франциско три дня из-за повреждения газопроводов, уничтожив 500 кварталов. Сдвиговое смещение привело к разрыву коры протяженностью 477 км от Сан-Хуан-Баутиста на северо-востоке до мыса Мендосино, точки тройного сочленения (где сходятся три плиты). Количество трещин в зоне разлома и величина подземных толчков потрясли геологов того времени. Помимо масштабных разрушений в Сан-Франциско, землетрясение вызвало смещение заборов и других сооружений в результате движения плит относительно друг друга, что привело к гибели еще 189 человек.

Помимо Южной Калифорнии, трансформные разломы на континентальных плитах существуют еще в нескольких местах. Разлом Энрикильо-Плантэйн-Гарден представляет собой крупный левый сдвиг в Карибском регионе, расположенный между Северо-Американской и Карибской плитами. По обе стороны этого разлома расположены такие страны, как Ямайка, Гаити и Доминиканская Республика. В Гаити разлом представлен на поверхности в виде долины к югу от Порт-о-Пренса, которая протянулась с востока на запад и видна с воздуха и на спутниковых снимках. Карибская литосферная плита движется на восток, а Северо-Американская – на запад.

В январе 2010 г. в районе разлома Энрикильо-Плантэйн-Гарден произошло землетрясение магнитудой 7,0, в результате которого погибло 316 000 человек и приблизительно столько же было ранено. Множество людей погибло из-за обрушения блочных зданий, даже тех, которые были дополнительно укреплены, особенно в городских районах. Было разрушено более 300 000 зданий, 3 миллиона человек стали бездомными. Дома разваливались на куски – в отличие от деревянных построек, которые при сотрясении земли просто искривляются. Землетрясение уничтожило бо́льшую часть инфраструктуры страны. Гаити – одна из беднейших стран в Западном полушарии, и она оказалась не готова к такой катастрофе. В некоторых источниках указывается, что это землетрясение имело самые серьезные последствия для человечества по сравнению со всеми остальными землетрясениями, зарегистрированными в наши дни[282].

Трансформные разломы больше характерны не для континентальных литосферных плит, а для океанических бассейнов: они «разрезают» океаническое дно перпендикулярно срединно-океаническим хребтам. Эти разломы могут достигать в длину несколько тысяч километров, прорезать долины на дне океана и смещать оси хребтов. Активная часть разлома находится между хребтами, где крылья разлома двигаются в противоположных направлениях, и линия хребта разделяется на части. Направление видимого движения противоположно тому, что характерно для большинства сдвигов, поскольку одновременно с образованием трансформного разлома происходит расширение срединно-океанического хребта. Неактивная часть разлома (неактивная зона разрыва) отдаляется от срединно-океанического хребта в связи с формированием нового океанического дна, где оба крыла разлома двигаются вместе, хотя следы разлома все еще можно увидеть и на самом деле может сформироваться каньон. Чем дальше от оси хребта, чем больше остывает и погружается материал плиты.

Геологи и физики утверждают, что трансформные разломы обеспечивают приспособление коры для уменьшения напряжения, связанного с шарообразной формой Земли. В районе срединно-океанических хребтов осуществляется не только движение вдоль трансформного разлома, но и одновременное разрастание хребта. Поэтому видимое движение по трансформному разлому в промежутке между хребтами имеет противоположную направленность по сравнению с кажущейся. Кажется, будто хребет смещен влево, но активный сегмент разлома между осями хребта на самом деле будет сдвинут вправо.

Горячие точки и зоны диффузных границ

Помимо трех основных типов границ, в теории тектоники плит существует еще несколько элементов: горячие точки, диффузные границы, а также неизвестные и спекулятивные границы. Горячие точки возникают там, где магма из мантии поднимается в виде мантийного плюма, создавая вулканы и другие структуры. Ярким примером служит цепь Императорских подводных гор, которая включает Гавайские острова и Гавайский хребет. Тихоокеанская плита двигается на северо-запад со скоростью примерно 7 см в год, а горячая точка была относительно стабильна в течение прошедших 47 млн лет. Вулканы – это проявление горячей точки на поверхности; более старые расположены к северо-западу, что показывает траекторию движения плиты над мантийным плюмом. Со временем эти вулканы погружаются под воду и оказываются оторваны от горячей точки, их вершины срезают волны, создавая подводные горы и гайоты. Самые молодые острова, такие как остров Гавайи («Большой остров»), расположены к юго-востоку, и в настоящее время к этому главному острову архипелага добавляется новый участок суши вулканического происхождения. В Императорской цепи островов и гайотов имеется поворот на 60°, который связан как с изменением положения горячей точки 47 млн лет назад, так и с траекторией движения Тихоокеанской плиты[283]. Местоположение Гавайских островов, от старых островов с потухшими вулканами на северо-западе архипелага до острова Гавайи с активными вулканами на юго-востоке, соответствует направлению движения Тихоокеанской плиты над горячей точкой, которая перемещалась.

Другая известная горячая точка, расположенная под внутренней частью плиты, – Йеллоустонская горячая точка под Северо-Американской плитой. Эта структура выражена на поверхности в виде ряда кальдер (впадин, образовавшихся в результате провала вершин вулканов), которые начинаются к юго-западу от равнины реки Снейк и сливаются с ней и заканчиваются одним из самых знаменитых супервулканов мира: кальдерой Йеллоустон. След горячей точки зафиксирован на протяжении 800 км: самая старая кальдера Макдермит находится на юго-западе, ее возраст составляет 16,5 млн лет. Кальдера Йеллоустон – это самое недавнее проявление горячей точки: геологи оценивают ее возраст в 2,1 млн лет. Северо-Американская плита двигается на юго-запад над мантийным плюмом, или горячей точкой, со скоростью 1–2 см в год. Геологи сообщают, что осадки и потоки более молодой лавы скрывают более старые кальдеры, но путь горячей точки все равно видим и служит одним из лучших примеров наземного вулканизма на внутренней части литосферных плит, который усиливается со временем. Ученые могут выявить мантийный плюм, и в частности его проявление в виде кальдеры Йеллоустон, по изменениям гравитационного поля Земли. В результате деятельности горячей точки появилась возвышенность размером 500 м на 400 км – плато Йеллоустон, на котором величина теплового потока в 30 раз выше по сравнению с остальными частями континента. Геологи также регистрируют геохимические изменения в геотермальных источниках Йеллоустона и его системе циркуляции водных растворов – самой обширной гидротермальной системе в мире.

Ландшафт в этой области искажен, и с земли трудно увидеть кальдеру Йеллоустон и близлежащие кальдеры, потому что в ходе серии крупных извержений вулканы исторгли все свое содержимое, и в результате провала их вершин образовались кальдеры. Кальдера Йеллоустон охватывает огромную территорию площадью 3884 км². Под кратером находятся две магматические камеры, верхняя из которых заполнена кварцем и занимает меньший объем – 10 200 км³. Ниже расположена и соединена с этой камерой вторая камера, более крупная, объем которой составляет 46 000 км³ (согласно последним оценкам на основе сейсмических данных)[284]. Содержимое второй камеры состоит из более плотных и темных минералов – железа и магния, – и геологи считают, что эта структура находится у основания нижней части земной коры над верхней мантией. Внутри магматических камер горные породы находятся в вязком полутвердом состоянии, лишь часть представлена жидкой магмой. Под этими двумя магматическими камерами находится горячая точка, достигающая в глубину до 660 км до переходной зоны между мантией и ядром.

Супервулканами называют те вулканы, объем продуктов извержения которых превышает 1000 км³. Кальдера Айленд-Парк, примыкающая к Йеллоустону, 2,1 млн лет назад во время суперизвержения изрыгала пепел, обломки и горные породы, объем которых составил примерно 2450 км³, в 2500 раз больше количества материала, поступившего на поверхность в результате извержения Сент-Хеленс в штате Вашингтон в 1980 г., считающегося самым разрушительным извержением вулкана в документированной истории США. Суперизвержение Айленд-Парк привело к выбросу пепла, который остыл, затвердел и спрессовался в вулканическую горную породу – туф, который покрывает бо́льшую часть западных горных штатов. В результате этого извержения образовался туф Хаклберри-Ридж. Другое суперизвержение, произошедшее 1,3 млн лет назад, привело к образованию туфа Лава-Крик и отложению 1000 км³ извергнутого материала, который покрыл бо́льшую часть территории внутренних и горных штатов до современной реки Миссисипи. Третье гигантское извержение – извержение Йеллоустона, произошедшее 1,3 млн лет назад, – сформировало туф Меза-Фолс, объемом 280 км³. Геологи могут определить, какое количество материала было выброшено конкретным вулканом, изучая мощность и протяженность слоев вулканического пепла и других отложений. Со временем они сокращаются в объеме и превращаются в вулканические породы.

Йеллоустонская горячая точка и ее кальдеры представляют единое целое и оказывали значительное влияние на геологию и рельеф большой территории на западе США. Это связано не только с выбросами пепла и извержениями массивных потоков лавы, но и с влиянием горячей точки на другие тектонические структуры и проявлением этого тектонического напряжения на поверхности. Судя по долине реки Снейк и куполовидному поднятию Йеллоустона, с деятельностью горячей точки связаны силы растяжения, создавшие Провинцию бассейнов и хребтов в Неваде. Например, источник платобазальтов плато реки Колумбия, вероятно, тот же, что и у кальдеры Йеллоустон – мантийный плюм. Моделирование показывает, что начальное положение горячей точки совпадало с океанической плитой Хуан-де-Фука, погружающейся рифтовой зоной, которая в настоящее время находится у северо-западного побережья Тихого океана[285]. Поток в верхней мантии движется на восток, в направлении, противоположном движению Северо-Американской плиты. Мантийный плюм сформировался и поднялся за плитой Хуан-де-Фука, и плита закрыла его от потока в верхней мантии. 12 млн лет назад условия изменились, когда погружающаяся плита перестала защищать плюм, и поток в верхней мантии стал увлекать его к востоку. На этом пути плюм оказался под континентом, где и находится сейчас в относительно стабильном положении (если оценивать с точки зрения геологии) и где в результате его деятельности появились самые величественные виды в мире наряду с потенциально самыми большими рисками.

Кроме Йеллоустона, в США есть еще два супервулкана: кальдера Лонг-Вэлли в Калифорнии и кальдера Вальес в Нью-Мексико. Несмотря на то что последнее суперизвержение было 640 тыс. лет назад, Йеллоустон далек от состояния покоя. Не так давно, 70 тыс. лет назад, из этой кальдеры вылились потоки лавы, сформировавшие плато Питчстоун в юго-западной части Йеллоустонского национального парка. Еще одна серия невзрывных излияний лавы из кальдеры произошла примерно 160 тыс. лет назад. Происходили и менее крупные извержения с небольшими взрывами, включая извержение, случившееся 174 тыс. лет назад, в результате которого сформировался западный выступ озера Йеллоустон.

Помимо лавовых потоков и небольших извержений вулкана, в этом районе происходит 1000–3000 землетрясений в год, преимущественно с относительно низкой магнитудой – меньше 4, – но они все же достаточно сильны, чтобы большинство людей ощутили подземные толчки. В результате сильного землетрясения магнитудой 7,5, произошедшего в 1959 г. на западе парка рядом с озером Хебген, погибло 28 человек, в основном из-за вызванного землетрясением оползня, а ущерб составил 11 млн долларов. Землетрясения в Йеллоустонском парке являются по большей части результатом движения магмы в недрах Земли и частичной разрядки тектонических напряжений вдоль связанных разломов.

Если бы началось суперизвержение кальдеры Йеллоустон, были бы выброшены огромные облака горячего пепла, газа, расплавленной горной породы и другого материала. Один лишь пепел покрыл бы бо́льшую часть континентальной территории США, причем толщина его слоя составила бы более 1 м в окружающей зоне площадью 130 км² и от 3 до 40 мм за пределами окружности радиусом 800 км. Пепел достиг бы Нью-Йорка, Далласа, Торонто, Лос-Анджелеса и Чикаго[286]. Выпадение 1 мм пепла может оказать влияние на аэропорты и полеты, став причиной их остановки и закрытия, нанести ущерб транспортным средствам и домам, привести к уничтожению урожая и загрязнению источников водоснабжения. Это было бы разрушительное событие. Зона поражения вокруг Йеллоустона простиралась бы на сотни километров: ее размер зависит от формирования зонтичных облаков, которые, как было показано при других суперизвержениях, уносят материал в верхние слои атмосферы.

Зонтичные облака меньше зависят от погодных условий и силы ветра, поскольку создают структуру, больше похожую по строению на бычий глаз. Менее интенсивные извержения порождают веерообразное распределение пепла и частиц, их колонна ниже и больше зависит от преобладающих ветров. Выбросы диоксида серы и частиц при суперизвержении приведут к похолоданию за счет блокирования поступления солнечного света, в результате наступит вулканическая зима. Модели показывают, что температура океанской воды понизится на 3 °C, и это окажет негативное влияние на обитающие в океане живые организмы и океанические течения. Эффект от извержения может сказываться на протяжении десятилетий.

Геологи полагают, что вероятность подобного массивного суперизвержения мала и оно вряд ли произойдет в ближайшие 10 тыс. лет. Но в распоряжении ученых слишком мало данных для того, чтобы вычислить период повторения извержений, исходя из прошлых событий, а информация о других суперизвержениях тоже встречается редко. Проблема заключается в том, что базовые условия в основном неизвестны. Не было ни одного извержения супервулкана со времен извержения вулкана в районе озера Таупо на Северном острове Новой Зеландии, которое произошло 26,5 тыс. лет назад. Кроме того, магматические камеры Йеллоустона имеют почти кристаллическую структуру, а горные породы внутри расплавлены лишь частично, поэтому вероятность массивного извержения довольно низкая.

Гораздо выше вероятность менее интенсивных извержений с гидротермальными взрывами и излиянием лавы. Вулканологи ведут мониторинг Йеллоустона и окружающего района в рамках исследований, проводимых вулканологической обсерваторией Йеллоустона. Этот консорциум организаций, возглавляемый Геологической службой США, включает Службу национальных парков, Университет Юты, геологические службы штатов Вайоминг, Монтана и Айдахо, а также UNAVCO – сообщество ученых и специалистов-геодезистов, занимающихся изучением Земли с использованием различных методов дистанционного зондирования, которое финансируется Национальным научным фондом. Уже тридцать лет ученые, занятые в этом проекте, оценивают силу землетрясений, изменения высот земной поверхности и гидрохимический состав с использованием ряда станций и датчиков. И хотя Йеллоустон был и остается активным на протяжении 140 лет мониторинга, тем не менее он относительно стабилен.

Диффузные границы

Диффузные границы – это сейсмически активные участки большой протяженности, от сотен до тысяч километров шириной, которые при этом расположены относительно далеко от краев литосферных плит. Это могут быть участки как океанической, так и континентальной коры, и на их долю приходится 15 % земной поверхности. Они двигаются и меняются медленнее, чем традиционные границы плит, – максимум на 1,5 см в год. Напряжение в этих регионах в 100 раз меньше, чем в более узких границах плит, но в 10 000 раз больше, чем в стабильных частях плит (кратонах)[287].

Как уже отмечалось, одним из примеров диффузной границы служит Провинция бассейнов и хребтов, которая охватывает бо́льшую часть западных территорий Северо-Американского континента, включая Неваду, части Айдахо, Орегона и Юты, юг Аризоны, а также южную и центральную части Нью-Мексико, простирается до Техаса и за границы Соединенных Штатов до Мексики. Этот регион представляет собой отдельную физико-географическую провинцию (участки, объединенные по сходным особенностям рельефа), которая ограничена на юго-востоке плато Колорадо, на северо-востоке – Скалистыми горами, на севере – плато Колумбия, а на западе – Каскадными горами и горным хребтом Сьерра-Невада. Кора здесь растянута на огромном участке шириной несколько тысяч километров, поэтому тектонические силы действуют в разном направлении, хотя с этим регионом не связаны специфические границы плит. Результаты недавно проведенных исследований указывают на наличие жидкого углерода глубоко в мантии, что вызывает истончение коры на этом участке.

В этой сейсмически активной зоне преобладают силы растяжения, приведшие к возникновению направленных с севера на юг впадин (грабенов) и хребтов (горстов). Сбросы образуют погруженные бассейны – плоские впадины, – ограниченные по обеим сторонам хребтами, поднимающимися на высоту до 3048 м. На самом деле этот регион оказался растянут настолько, что его первоначальная ширина увеличилась вдвое. Кора здесь тоньше, чем в остальных частях континента: мощность коры на востоке провинции составляет примерно 30–35 км и 45 км по мере продвижения к западу. Если неумолимые силы разрыва продолжат действовать, в далеком будущем этот участок будет оторван от остальной части Северо-Американской плиты.

Провинция бассейнов и хребтов состоит из северного региона, который называется Большой Бассейн, и южного региона, включающего пустыню Сонора, впадину Салтона, Мексиканское нагорье и район Сакраменто. В южном регионе зоны бассейнов и рек высоты ниже, чем в северном. Особый интерес представляет Большой Бассейн. Здесь на площади примерно 517 988 км² все атмосферные осадки поступают во внутренний бассейн (Гидрографический Большой Бассейн), и ни одна капля воды не достигает океана. Эта сухая и, казалось бы, голая земля обеспечивала племена коренных американцев на протяжении тысячелетий. Здесь же находится Долина Смерти – самое низкое место на Северо-Американском континенте: глубина впадины Бэдуотер составляет 86 м ниже уровня моря.

Неизвестные и спекулятивные границы

Землетрясения, как уже отмечалось, обозначают границы и помогают геологам определить, где находятся края плит. Тем не менее иногда землетрясения происходят далеко от видимых границ, или пограничных зон плит, в середине массивов суши и континентов. Такие землетрясения называют внутриплитовыми. Одно из таких мест – район разлома Нью-Мадрид на северо-востоке штата Миссури.

В 1811 и 1812 гг. три крупных землетрясения, магнитуда которых, по оценкам, составила от 7,3 до 7,5 и которые сопровождались сотнями афтершоков, сотрясали местность; толчки доходили до гребней Аппалачей, сложенных из относительно мягких осадочных пород. Эти нетипичные землетрясения в Миссури были такой силы, что даже в Бостоне звонили колокола. Люди сообщали о том, что река Миссисипи «повернула вспять», и хотя течение реки на самом деле не изменилось, такое впечатление создавалось из-за волн, двигавшихся то вперед, то назад (такие волны называются «сейши») в результате сотрясения и оседания окружающей земли. В пяти окружающих штатах появились «кипящие пески» (выбросы на поверхность разжиженных песков), а некоторые участки земли были настолько разрушены подземными толчками, что фермеры не могли обрабатывать пахотный слой. Землетрясение уничтожило дома в двух небольших городках неподалеку от эпицентра, и разрушения были бы еще больше, но в те времена численность населения в этом регионе была низкой. Дома были повреждены даже в Сент-Луисе, находящемся далеко от эпицентра землетрясения.

Разлом Нью-Мадрид и связанные с ним землетрясения, возможно, являются плодом исчезнувшего рифта Рилфут, но он находится далеко от каких-либо границ плит. Согласно другим предположениям, этот участок представляет собой шарнирную линию между континентом и мягкими осадками прибрежной равнины Мексиканского залива и отложениями реки Миссисипи. К северо-востоку от разлома Нью-Мадрид находится сейсмическая зона долины Уобаш, связанная с разломом Коттедж-Гроув.

Землетрясения – всего лишь одна из угроз, связанных с границами плит и действием тектонических сил. Эти процессы происходят независимо от присутствия человека, но последствия гораздо более важны из-за распределения населения. Социально-экономические факторы влияют на то, какие масштабы примет катастрофа, как в случае с Гаити, страной, которая считалась самой бедной в Западном полушарии, когда произошло землетрясение. Еще один фактор, сыгравший роль, – отсутствие информированности о землетрясении и неготовность к нему. Не существовало никаких строительных норм и правил на такой случай, поэтому многие не пережили землетрясения. Больше трети населения страны пострадало от землетрясения и продолжает страдать от его последствий до сих пор.