Знание-сила, 1997 № 01 (835)

Ледоколы земной геологии

Это все-таки свершилось! Не часто случается так, чтобы в какой-либо сфере науки при жизни одного поколения ученых происходили сразу две революции. А именно такая картина складывается сейчас в области познания эволюции и внутреннего строения Земли. И если при первой революции обошлось без российских ученых, то вторая, к нашей чести, начинается непосредственно при их живейшем участии.

На каждом очередном этапе развития той или иной науки лидирующее положение и ней завоевывают концептуальные схемы, которые охватывают более широкий, чем прежде, круг фактов и дают им более удовлетворительное объяснение. В истории геологии последнего времени были две эпохальные теории — геосинклинальная и тектоника литосферных плит. В нашей стране их смена происходила весьма драматично, а порой и скандально. Российское научное сообщество не сразу восприняло построения плитотектоники — об этом в нашем журнале очень много писали Л. Л. Зоненшайн, О. Г. Сорохтии, С. А. Ушаков.

Но постепенно плитотектоническая идея овладела массами. Если сравнивать ее с геосинклинальной теорией, которая просуществовала более ста лет, то плитотектоническая парадигма довольно молода, ей всего около тридцати лет. Правда, еще в 1889 году английский пастор и талантливый физик О. Фишер изложил в своем труде «Физика земной коры» очень современную модель развития Земли, схожую во многом с положениями плитотектоники. Следующий шаг был сделан выдающимся немецким геофизиком Альфредом Вегенером, который в 1915 году опубликовал свою знаменитую гипотезу дрейфа континентов. Но только в 1968 году, когда американский геофизик В. Морган и французский геофизик Кс. Ле Пишон выделили наиболее крупные литосферные плиты и объяснили механизмы их движения по поверхности земного шара, плитотектоническая гипотеза стала обретать очертания полноценной теории. С этого момента началось бурное развитие наук о Земле, а вскоре оно стало давать уже и практические результаты. Многочисленные успехи в поиске полезных ископаемых связаны именно с нею.

Плитотектоника принесла с собой новое представление о внешних оболочках планеты: о литосферных плитах, которые — в масштабах миллионов лет — ведут замысловатый хоровод, то объединяясь в один суперконтинент, то разбегаясь в разные стороны. Горизонтальные движения плит — ведущая идея этой теории. Подобно льдинам на реке в весеннюю пору, плиты сталкиваются друг с другом, выдавливают земную твердь в виде горных хребтов и горных систем или продавливаются вглубь, образуя сверхглубокие впадины в океане. Эта могучая деятельность геологической стихии проявляется лишь краткими катастрофическими событиями: землетрясения, вулканы и прочее — мимолетные знаки процессов, длящихся сотни миллионов лет.

Но специалистам она открывается в виде гигантской системы швов между плитами, охватывающей всю планету и создавшей нынешний видимый ее облик. Африка, как считают многие специалисты, остается на своем месте последние двести миллионов лет со времени существования последнего суперконтинента Пангеи. Антарктида отплыла далеко на юг. Австралия — на восток. Атлантический рифт, раздвигающийся со скоростью одни сантиметр в год, отодвигает Северную и Южную Америку на запад, где они наталкиваются на мощное противодействие тихоокеанского разлома, в котором скорость раздвижения достигает восьми сантиметров в год.

Вся эта грандиозная картина тектонических событий, по мнению плитотектолистов, следствие процессов в мантии — в слое между твердой поверхностью планеты и ее ядром, который составляет более восьмидесяти процентов объема Земли. Возникающие в толще мантии горячие зоны выбрасывают к поверхности нагретые подвижные струи вещества, и те движут континентами, своим напором заставляют их смещаться в ту или иную сторону.

Отчасти упрощая, можно было бы сказать, что в этой схеме континенты подобны щепкам в весеннем половодье: куда несет, туда и плывут.

Минувшие десятилетия были щедры па подтверждения этой теории. Однако со временем становилось все более очевидным, что тектоника плит не может претендовать на роль всеобъемлющей, подлинно глобальной модели развития Земли. Академик РАН В. Е. Хайн считает, что тому есть три главные причины.

Первая: эта теория описывает процессы, происходящие лишь в верхних оболочках Земли, — литосфере и астеносфере. Между тем их совокупная толщина составляет лишь одну двадцатую часть среднего радиуса Земли. Воистину справедливо Сравнение литосферных плит со скорлупой кокосового ореха.

Вторая: движение плит по земной поверхности в этой теории лишь описывается, она не раскрывает механизма и природы сил, вызывающих упорядоченное перемещение плит.

И наконец, в-третьих, из нее не ясно, является ли перемещение литосферных плит процессом, который происходил на нашей планете с самого зарождения континентов.

Единственным ответом на все эти вопросы могла бы стать теория, которая, помимо литосферных плит, описывала бы внутреннее строение Земли и процессы, происходящие в ее глубинах. Своего рода синтетическая теория эволюции Земли. Однако разработка ее связана со множеством сложностей, ибо требует совместного труда не только геологов и геофизиков, но и специалистов из смежных областей — физики, химии, географии, математики. Известна не одна попытка создать подобную теорию. Но лишь в начале девяностых годов стало ясно, что назревает перелом.

Как часто бывает, первые раскаты прозвучали вовсе не из тех мест, откуда их ожидали,— из Японии. В 1994 году там вышел юбилейный, сотый номер журнала Японского Геологического общества. В этом номере, в подборке статей геологов и геофизиков, было заявлено о новой парадигме динамики Земли. Случайно ли, что это произошло именно в Японии? Вовсе нет. Япония, пребывающая в зоне активной сейсмичности, не жалеет средств ни на прикладные, ни на фундаментальные исследования жизни земных глубин. Именно благодаря этому японские геофизики достигли в последнее время блестящих успехов в области сейсмической томографии, на данных которой и основана новая парадигма. Кроме того, на взгляд Виктора Хайна, есть еще одно любопытное обстоятельство: достаточно закономерно, что новые теории рождаются не в тех странах, где получили право на жизнь предыдущие. В Северной Америке и Западной Европе тектоника плит уже пустила глубокие корни, и там, по мнению академика, гораздо труднее пробиться новым идеям.

Главное в работе японских геофизиков — четырнадцать карт, отражающих неоднородность внутреннего строения Земли на глубинах от 78,1 до 2900 километров: от подошвы земной коры до границы «мантия — ядро». Они были получены с помощью сейсмической томографии, то есть многолучевого просвечивания Земли сейсмическими волнами от большого количества землетрясений, которые принимались сетью сейсмических станций. По картам была составлена модель циркуляции вещества в глубине Земли (рисунок 1). После публикации этой схемы стало ясно, что кончилось время, когда нашу планету можно было представлять в виде набора оболочек. Правда, и прежде предъявлялись доказательства того, что в недрах Земли непрерывно работает механизм перемешивания вещества — конвекции, под действием которой и перемещаются плиты. Тем не менее знакомая по учебникам картинка «ядро — мантия — кора» оставалась все равно неизменной. Трудно было предположить, что будут обнаружены гигантские столбы расплавленного вещества, которые пронизывают Землю от ядра до самой поверхности.

Что обращает на себя внимание в картине, нарисованной японцами? Мантия Земли предстала в виде сложной и целостной системы горячих (восходящих) п холодных (нисходящих) потоков вещества. Нисходящие — под Азией и Южной Америкой, восходящие — под Тихим океаном, Африкой и Срединно-Атлантическим хребтом.

Поражают размеры этих структур — они свидетельствуют о том, что обмен вещества между верхней и нижней мантией происходит очень активно и на протяжении очень длительного времени.

А во-вторых, неожиданным кажется то обстоятельство, что Атлантика — зона самого активного раздвижения литосферных плит на Земле (рисунок 2) — контролируется маломощным восходящим потоком. Активное раздвижение и маломощный ноток? А с другой стороны, под Африкой, где обнаружены значительные столбы поднимающегося вещества, нет и намека на растяжение земной коры.

После публикации японских ученых стало понятно, что в геологии началась новая эпоха. И жить в ней сразу стало неуютно. Что от того, что была предложена достаточно детализированная картина внутреннего устройства Земли? Ведь она требует каких-то вразумительных обоснований. Плитотектоника объясняла движение литосферных плит конвективными течениями в мантии, не умея, в сущности, толково их представить. Однако огромные «грибы», обнаруженные японцами, никак не вписываются в эту элегантную схему.

Более того, увлеченные открывшейся нм картиной активной жизни земных недр, японцы на нее перенесли центр своего внимания. Прежде, напомню, континенты оказывались пассивными участниками событий. В японской же схеме получалось, что и дно океанов вместе с грандиозными океаническими хребтами, опоясавшими весь земной шар, не влияют на генеральную линию тектонического развития планеты. Это важно заметить.

Положение японских ученых осложнялось еще и тем, что объяснение «нового» внутреннего строения Земли должно соответствовать не только ее современному состоянию, но и древней геологической истории. Судя по всему, мы сейчас наблюдаем результат процессов, которые начались в недрах планеты как минимум миллиард лет назад! Состыковке полученных и уже известных данных японцы посвятили несколько статей в журнале. И не преуспели.

Проделав сложнейшую работу, японцы дали фактический материал большой важности. Но не нашли достойного ответа на вопрос: как огромные вертикальные перемещения вещества согласуются с горизонтальными движениями твердых плит? А без этого невозможно отсчитать время обратно и сказать, почему за последние несколько сот миллионов лет континенты объединялись, образуя суперконтиненты (например Гондвану или Пангею) а потом распадались и какие процессы в то время происходили в недрах планеты.

Картина интересная, но статичная и вызывающая многочисленные вопросы. Получалось, что несмотря на громкие слова «парадигма» и «новая теория», японским ученым все-таки не хватило той малости, что делает из гипотезы теорию.

Чувствуя в этой ситуации некую неопределенность, незавершенность сюжета, на Пятой плитотектонической конференции имени Л. П. Зоненшайна я попытался поговорить с приехавшими на нее японскими геологами. Однако выяснилось, что мои собеседники хоть и слышали об этих работах, но комментариев не имеют.

Но мне повезло. Продолжение интересующей меня темы нашлось совершенно случайно, при чтении книги очерков уже нокойного Л. П. Зоненшайна и воспоминаний о нем. За два дня до своей последней операции Лев Павлович писал М. П. Кузьмину: «Но главное, почему я пищу,— как мы можем развивать хоть что-то подобное созданию общей теории у иас в стране. Монин+Сорохтии — прекрасные теоретики, но все упирается у них в рост ядра, то есть не процессы в ядре, не высвобождение оттуда энергии и вещества, а скорее наоборот, это у них главное. Есть еще работы Трубицина и Жаркова... Они будут докладываться в Звенигороде, постарайся послушать, особенно Трубицина, может быть, что-нибудь хорошее и есть (может, повторюсь, но главное при оценке должно быть, насколько построения комплексны, охватывают если не все, то многие источники данных). Буду надеяться, что что- нибудь и есть».

Талантливый ученый оказался прав: у профессора, доктора физико-математических наук Валерия Петровича Трубицина есть нечто «хорошее» и даже более — революционное. Вместе с замечательным математиком, кандидатом физико-математических наук Виталием Валентиновичем Рыковым они сделали то, что пока еще не удалось никому другому в мире,— создали стройную и красивую математическую модель, объясняющую очень многие вопросы глобальной геологии и в том числе названные выше.

«Нам, после численных экспериментов, стали ясны механизмы глобальных процессов в недрах Земли»,— слова Валерия Петровича, которые я услышал от его знакомых незадолго до нашей первой встречи. Что я подумал, вы, наверное, догадались. Но уже с самого начала разговора планка достижений была поднята еще выше.

— Работа Валерия Петровича, в которой рассчитывались свойства замороженного водорода при его переходе в металл, была признана лучшей в области физики и семидесятом году. После нее «отец водородной бомбы» Теллер обратился к президенту США Никсону с просьбой выделить сто миллионов долларов для того, чтобы проверить теорию советского ученого. И через два года американцы поставили эксперимент, в котором подтвердили данные Трубицина.

1. Модель конвекции в современной Земле

— Основываясь на исследовании свойств твердого водорода, В. П. Трубнцин вместе с В. Н. Жарковым рассчитали, что Юпитер и другие планеты-гиганты Солнечной системы являются газожидкими телами, а не твердыми ледяными, как считалось раньше. Американские станции «Пионер» подтвердили эти данные, и они уже при жизни Валерия Петровича вошли в школьные учебники.

— В дальнейшем было обнаружено, что оболочка Юпитера вращается быстрее, чем его центральная часть, — из-за действия мощной конвекции в недрах планеты. Понятие «конвекция» здесь ключевое. Исследование этого процесса на Юпитере побудило Валерия Петровича обратить внимание на проблемы тектонической истории Земли.

Результат сложной и долгой работы физика Трубицина и математика Рыкова до смешного прост — это компьютерная программа, выдающая последовательность разнообразных цветных картинок. Программа, которая сделала революцию в науках о внутреннем строении Земли. Как было можно ее запустить на 386-м компьютере, знают лишь сами ученые. Скажу только, что никто в мире не берется решать подобные математические задачи на куда более мощных машинах. Проблема заключается в том, что лучшие умы геологии, физики, математики пока не могут описать в формулах конвекцию в мантии Земли с учетом влияния на нее континентальных и океанических плит. Та самая задача о взаимоотношениях вертикальных потоков вещества и горизонтального движения плит, о которой упоминалось выше.

Начав в своей модели со случайных размеров континентов и ячеек конвекции, Трубицин и Рыков смогли не только объяснить происхождение многих структур Земли, но и выявить более общие закономерности. А принимая их в расчет, можно попытаться по-иному описать историю развития Земли. С момента рождения континентов на нашей планете периодически возникали единые суперконтиненты (рисунки 3, 4, S, б): Моногея — 2,6 — 2,4 миллиарда лет назад; Мегагея — 1,8 миллиарда лет; Мезогея — 1 миллиард лет; Пангея — 200 миллионов лет назад.

2. Карта литосферных плит

3—6. Реконструкции суперконтинентов: Моногея, Мегагея, Мезогея, Пангея

Примерно через каждые восемьсот миллионов лет все континенты собираются вместе, образуя суперконтиненты, чтобы потом рассыпаться по земному шару. И раньше было ясно, что конвекционные потоки в мантии перемещают континентальные плиты по земному шару, но механизм, который заставляет их собираться с такой периодичностью, оставался загадкой. Российские ученые выяснили, что это нечто — сами континенты. Сами континенты управляют сложной динамикой в недрах Земли, играя «на клавишах» восходящих и нисходящих потоков вещества. Вновь возникший мощный нисходящий поток, как воронка, затягивает вещество в глубь Земли, а одновременно стягивает друг к другу, сбивает «в кучу» континенты. Но стоит заткнуть воронку твердой пробкой из континентов, как примерно через двести миллионов лет вместо нисходящего холодного потока здесь возникает поток восходящий и горячий. Он в свою очередь разбивает единый суперконтинент и разносит образовавшиеся его части в разные стороны, пока вновь — через сотни миллионов лет — не начнет действовать воронка нисходящего потока. Такова схема общепланетарного цикла по Трубицину и Рыкову.

А как согласуется их модель с современными наблюдениями? Возьмем для примера лишь несколько самых острых проблем.

Одна из них — Тихий океан. Огромные потоки базальтов поднимаются под ним из мантии, образуя Тихоокеанский хребет. При этом мощный застывший поток в виде океанических литосферных плит устремляется к Азиатскому континенту и погружается под него, а другая часть — движется к Америке. Этот регион сильно выбивается из общей тектонической картины, и чтобы объяснить его странности, было даже высказано предположение, что сюда давным- давно упал небольшой астероид.

Трубицин считает: тихоокеанское образование столь велико, что сами его масштабы свидетельствуют — оно сформировалось очень давно, около полутора миллиардов лет назад. Поток вещества из недр планеты был тогда настолько мощным, что даже при раскалывании очередного суперконтинента в каком-то другом месте расходящиеся материки не смогли перекрыть это тихоокеанское поднятие. А в будущем? А будущее Тихого океана связано с Атлантикой.

7. Будущий суперконтинент, который образуется, но мнению японских ученых, через 250 миллионов лет.

Это кажется странным, потому что Атлантика, точнее Срединно-Атлантический хребет, практически всем отличается от Тихоокеанского хребта. Различия в рельефе, длины хребтов, их симметрия — все разное. Атлантический хребет раздвигается со скоростью в восемь раз меньшей (один сантиметр в год), чем Тихоокеанский. Да и, по данным японских ученых, восходящий поток вещества (который и вызывает раздвижение дна) под Атлантикой узкий, а под Тихим океаном грибообразный и больший по своим размерам. Почему картина именно такая? Это случайность или закономерность? По мнению Трубицина, только принимая в расчет активную роль континентов, можно доказать, что наблюдаемая картина закономерна и даже более — что судьба Тихого неразрывно связана с Атлантическим хребтом.

Срединио-Атлантический хребет образовался на месте восходящего потока, который двести миллионов лет назад раздробил последний по времени суперконтинент Пангею и разнес в стороны существующие ныне континенты. С каждым следующим миллионом лет восходящий поток под Атлантикой будет все больше и больше, пока не достигнет таких размеров, что заставит континенты — Африканский и Евразийский на востоке и Американские на запале — частично перекрыть Тихий океан. Именно на азиатской окраине нынешнего Тихого океана возможно через шестьсот миллионов лет образование нового суперконтииента (рисунок 7).

Оказывается, данные Трубицина, Рыкова и плитотектоники хорошо уживаются вместе. Но...

Глобальный процесс подъема и опускания вещества в мантии в своем частном проявлении приводит к перемещению плит, так сказали бы плитотектонисты, ставя во главу угла процесс. Одна ко, на взгляд российских ученых, это не так. Именно континенты, перемещаясь по планете, вспарывают ее недра до самого ядра. Именно они управляют процессами возникновения или затухания потоков из самых глубин мантии. Не будь на Земле континентов, не было бы того целостного и упорядоченно действующего механизма, который наблюдается на самом деле.

С другой стороны, движение континентальных плит строго закономерно, и, однажды возникнув, они неминуемо должны были вновь и вновь образовывать суперконтиненты, чтобы затем расходиться в разные стороны. Эта предначертанность геологической истории Земли стала понятна только сейчас в результате работы Валерия Трубицина и Виталия Рыкова. Количество континентов, их форма и размеры могли быть различными, но однажды образовавшись, они тем самым предопределили дальнейшую тектоническую судьбу планеты.

Конечно, еще должно пройти время до создания моделей, в которых реальные материки двигаются по сфере, но уже сейчас ясно, что работа, выполненная впервые в мире российскими учеными,— начало революции в наших представлениях о динамике развития Земли. Лед тронулся, и наши соотечественники были тому причиной. •

На этой странице и следующем развороте представлены результаты последовательного выполнения компьютерной программы российских ученых. Взяв для начала ячейки Бенара, возникающие при нагревании вязкого вещества, в которых существуют восходящие потоки — красный цвет и нисходящие — синий цвет, они наложили на них две «щепочки») — условно континенты.

Ученые исходили из того, что существуют три уравнения, описывающих процесс тепловой конвекции, а перемещение континентов подчиняется уравнениям движения твердого тела Эйлера. Итого получилась система из шести уравнений, результат решения которых не зависит ни от каких гипотез. Как вы видите, континенты то сближаются, то расходятся. Но самое интересное и важное то, что происходит под ними. Материки меняют всю существовавшую систему конвекции и начинают влиять на потоки вещества вплоть до самого ядра. (Ученые в этой модели растянули всю мантию и не учитывали ее неоднородность.) И даже несмотря на такие грубые допущения, модель на разных своих стадиях совпадает с наблюдаемой картиной. Например, последний кадр — это практически реальный разрез через Тихий океан с огромным грибом восходящего красного вещества, который очень похож на тот, который получили японцы. По его краям отчетливо видны две синие зоны, в которых под разными углами вещество затягивается в глубь Земли. Самое удивительное, что именно под такими углами эти зоны и существуют в природе, и пока никто не смог объяснить, почему под Евразией (она слева) наклон зоны субдукции восемьдесят градусов, а под Америкой почти горизонтальный. Никто, кроме Трубицина и Рыкова.

Однако совпадение результатов программы с реальной геологической ситуацией — лишь первый итог. Самое потрясающее, что впервые удалось доказать влияние континентов на всю мантию Земли вплоть до ядра. Эти по земным масштабам достаточно скромные образования осуществляют как бы некий цикл, часть из которого здесь представлена. Сначала они сходятся, как бы усаживаясь на поток холодного вещества и — в конце концов — «накрывают» его. Затем срабатывает своеобразный эффект «клапана»: ранее холодное нисходящее вещество начинает нагреваться, становится легче и в результате на его месте возникает горячий восходящий поток, который и раскалывает своего «прародителя».

Любопытно, что ученые доказали для Земли своеобразный закон неизбежности. Его можно сформулировать так: при условиях, которые существовали на Земле после ее образования, взаиморасположение структур Атлантического и Тихого океанов должно быть именно таким, как на современной Земле. Размер и число континентов, конечно, могли быть другими, но ситуация, когда при движении континента у него сзади «Атлантический океан» (который гонит его прочь от себя), а спереди — «Тихий океан» (чьи зоны субдукции его притягивают), уже закономерна.