Знание-сила, 1999 № 09-10 (867,868)

Шаг вперед – два шага вниз. Путешествие на земной сфере в будущее

До недавнего времени категория «будущее» в геологии применялась исключительно в утилитарных целях. Будущие запасы нефти и газа, землетрясения в будущем. И это понятно – геологические процессы идут медленно, взять те же континеты со скоростями движения – сантиметры в год. Однако интересно, и не только ради праздного любопытства, куда в конце концов «приползут» контитенты в будущем.

Российские ученые Валерий Трубицын и Виталий Рыков впервые в мире создали выверенную математическую модель, которая наглядно показывает, как будет выглядеть Земля через миллиард лет.

Через миллиард с лишним лет все материки Земли будут располагаться вблизи Южного полюса. В таком прогнозе важен не столько сам факт предсказания времени и места возникновения очередного суперконтинента, сколько впервые в мире успешно выполненная наперед модель с реальными цифрами, описывающими состояние Земли.

Для того чтобы получить такую ошеломляющую картину нашего будущего, подтвержденную сложнейшими расчетами, российским ученым, профессору, доктору физико-математических наук, академику РАЕН Валерию Петровичу Трубицыну и кандидату физико-математических наук Виталию Валентиновичу Рыкову потребовалось «всего» пять лет.

Три года назад в статье «Ледоколы земной геологии» мы уже писали о том, что эти ученые замахнулись на провоцирование второй революции в области познания эволюции и внутреннего строения Земли. Второй после теории плитотектоники. Тогда казалось, что, используя идеи Трубицына о кардинальном влиянии движущихся континентов на глобальную тектонику, разработанный Рыковым мощный математический аппарат и данные о глубинном строении Земли, удастся существенно продвинуться вперед к познанию механизмов, происходящих в мантии. Так оно и произошло. Правда, продолжателей, «разжигателей» этой революции в мире, кроме российских ученых, не нашлось, так как европейские и американские ученые пошли по другому, мало эффективному пути. Первыми достигнув и доказав факты, считающиеся до сих пор новаторскими, они не остановились и идут все дальше, по своему пути.

Но перейдем от революционной терминологии к геологической. Факт, что Земля круглая, усваивался и доказывался в свое время с очень большим трудом, следующее «откровение» об оболочках внутри Земли- коре, мантии и ядре было принято совсем легко. Сложнее дело обстояло с движением плит по поверхности Земли. За почти тридцать лет и эти идеи о том, что верхняя твердая земная оболочка (литосфера) разбита на систему плит, были приняты и поняты многими. Но опубликованные в 1994 году работы японских геофизиков прозвучали как гром среди тихой заводи специалистов. Мантия – слой между твердой поверхностью планеты и ее ядром, занимающий больше восьмидесяти процентов объема Земли, предстала в виде сложной и целостной системы горячих (восходящих) и холодных (нисходящих) потоков вещества.

Причем это были не модельные расчеты, а результаты, полученные в ходе просвечивания Земли сейсмическими волнами. Конечно, и в этих моделях были свои недостатки, но картина плавно переходящих друг в друга сфер стала разрушаться.

Однако, зафиксировав такую статичную картину строения Земли, сделав моментальный снимок ее недр, японским ученым, равно как и многим другим, не удалось объяснить механизмы их формирования и развития. И стало понятно, что имеющиеся теории не слишком хорошо уживаются с новыми фактами. В научном мире возникла своеобразная пауза.

Валерий Трубицын и Виталий Рыков не стали строить гипотезы, позволяющие примирить новые факты с уже имеющимися, – они начали разрабатывать с нуля математическую модель, описывающую конвекцию в мантии Земли с учетом влияния на нее океанической литосферы и дрейфующих континентов.

Наглядный результат их сложной и долгой работы до смешного прост – это компьютерная программа, выдающая последовательность разнообразных цветных двумерных картинок, на которых происходит перемещение нескольких модельных континентов и вещества мантии под ними.

Сложнее с «идеологическими» выводами из сделанной работы.

Известно, что с момента рождения на Земле континентов примерно через каждые восемьсот миллионов лет на нашей планете возникали единые суперконтиненты. 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, и считалось, что это результат очень большого числа взаимодействующих хаотических процессов. Российские ученые выяснили, что это «нечто» есть сами континенты. Сами континенты управляют сложной динамикой в недрах Земли, играя «на клавишах» восходящих и нисходящих потоков вещества в мантии. Вновь возникающий мощный нисходящий поток, как воронка, затягивает вещество вглубь Земли и одновременно сбивает в кучу континенты. Но стоит заткнуть эту воронку твердой пробкой из континентов, как примерно через двести миллионов лет мантия под ними нагреется и, 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, на другим месте не начнет действовать воронка нисходящего потока.

Такова схема общепланетарного цикла перемещения вещества и континентов по Трубицыну и Рыкову.

Не будь на Земле больших континентов, земная кора состояла бы из разномасштабных осколков океанической питосферы, хаотично плавающих и поглощаемых мантией.

С другой стороны, движение твердых континентов подчиняется строгим закономерностям, и, однажды возникнув, они неминуемо должны были вновь и вновь образовывать суперконтиненты, чтобы затем расходиться в разные стороны. Эта предначертанность геологической судьбы Земли стала понятна только сейчас, в результате работ Валерия Трубицына и Виталия Рыкова. Количество континентов, их форма менялись в процессе их столкновений, но однажды образовавшись, они не могут изменить свою судьбу, отправившись в бесконечное путешествие по поверхности Земли.

Итак, на примере этой двумерной модели ученым стали понятны самые общие принципы функционирования «динамо- машины» внутри Земли. Однако в первых

ПУТЕШЕСТВИЕ ВГЛУБЬ ЗЕМЛИ

На этих рисунках представлены разрезы современной Земли – на уровне 50, 300,700 и 2800 километров. Цвета синий-зеленый-белый-желтый-серый- красный-фиолетовый-коричневый присвоены веществам со все возрастающей температурой.

Что прежде всего обращает на себя внимание?

Огромные холодные плюмы – скопления вещества на уровне 300 километров под Гренландией, Сибирью и Африкой. Не очень ярко обозначена линия срединно-океанического хребта в Атлантике горячим веществом. Огромные, раскаленные поля в Тихом и Индийском океане. Причем по сравнению с уровнем 50 километров заметно расползание этих полей по площади.

На уровне же 700 километров все несколько успокаивается. Остаются холодные плюмы под Сибирью (вот какой огромный) и Африкой. Причем последняя приобретает еще один. Появляется холодное вещество под Америками, исчезает под Грен ладней. Горячие поля под океанами сходят на нет, превращаясь просто в островки разогретого вещества, а под Индийским океаном вообще появляется холодное вещество. И наконец, картина на границе мантия – ядро (2800 километров) – холодное вещество все больше «завоевывает» площади. Из горячих полей остается только Атлантический и Тихоокеанский.

В БУДУЩЕЕ ЗЕМЛИ

Последовательность цветов – температур на этой серии картинок такая же, как и на левой серии.

А срезы отвечают возрасту – через 30 миллионов лет, 125 миллионов и 1 миллиард 360 миллионов лет.

Будущее на первый взгляд не так уж страшно, как могло показаться. По крайней мере, 125 миллионов лет все материки мало того, что сохранят свои очертания, они еще не сильно переменят местоположение (Атлантика продолжает расширяться). Правда, в этой модели учеными был задан принцип жесткости континентов, который не позволяет им развалиться на маленькие части. Такие расчеты сейчас уже начались, но пока не ясно, разорвется ли Евразия по линии Индия – Байкал, Африка – по линии африканского рифта, 35~й меридиан. Северная и Южная Америка, видимо, не претерпит существенных изменений.

Горячие потоки двигают континенты, сдвигая, сбивая их в единый материк, который потом разваливается на очередные мелкие составляющие.

Предыдущие суперконтиненты возникали: 2,6- 2А миллиарда лет назад – Моногея, 1,8 миллиарда – Мегагея, 1 миллиард – Мезогея, 200 миллинов лет назад – Пангея.

А согласно расчетам российских ученых получается, что новый суперконтинент соберется уже только через 1,3 миллиарда лет. Такое сильное различие в темпах появления может быть объяснено остыванием Земли, а следовательно, и замедлением всех процессов внутри мантии, которые приводят к перемещениям континентов.

Любопытно, что только первый суперконтинент образовался ближе к полюсу Земли, да и то – к Северному. Другие же три возникли на экваторе.

Но для тех, кто доживет до срока в миллиард лет, видимо, не так уж важен будет факт нахождения на Южном полюсе и непривычной смены дня и ночи, моделях не учитывались ни реальные размеры континентов, ни фактическое распределение вещества различного состава и свойств в мантии. Поэтому было опасение, что если добавить в эту идеальную модель современные данные о строении Земли, она перестанет работать. Теперь – в результате трехлетней работы российским ученым удалось соединить в одной модели и теоретические расчеты, и фактические данные, получив результаты, которые вполне соответствуют всей совокупности имеющихся данных о строении и развитии Земли.

Главное действующее лицо в процессах, которые формируют лик Земли – мантия. О ее строении и состоянии ученые узнают по записям эхо от миллионов сейсмических волн.

Зная скорости прохождения сейсмических волн, ученые вычисляют плотность вещества Земли в разных точках, которая в свою очередь зависит от химического состава и температуры.

По мнению Валерия Трубицына, основной вклад в распределение плотностей вносит именно температура, которая и была вычислена для всей мантии Земли. Химический и минералогический состав мантии очень сложен. Но вещество мантии постоянно перемешивается конвекцией. Поэтому в первом приближении мантию можно считать химически однородной и влияние химических неоднородностей на плотность мантии учитывать лишь как поправку. (Заметим, что такой взгляд разделяется далеко не всеми учеными. Некоторые, например, считают, что различия в химическом составе вещества играют более существенную роль в формировании потоков в мантии. Впрочем, такие возражения ничуть не умаляют достоинств модели Трубицына- Рыкова. Дело в том, что на их основе нельзя создать вторую, конкурирующую модель. А то, что уже сделанную модель можно и нужно дополнять, не отрицают и сами ее авторы.)

После анализа скорости сейсмических волн были рассчитаны плотности вещества в мантии и его температуры. К ним добавляют континенты с реальными размерами и мощностями, приправляют первоклассной математикой и физикой, и все – блюдо готово. Оказалось, что большинство наблюдаемых глобальных структур и процессов на Земле можно объяснить на очень простой модели: мантия – очень вязкая горячая жидкость, подобная вару, перемешивающемуся в котле. Ее верхняя затвердевшая тонкая корочка разбита на куски – это плиты океанической литосферы, затягиваемые внутрь мантии в глубоководных впадинах. Большие толстые долгоживущие континенты, подобно айсбергам или ледоколам, плавают на мантии. Океанические плиты, примыкающие к континентам, подобны льдинам, временно примерзающим к ледоколу.

Исследование, проведенное В.Трубицыным и В.Рыковым, пока не удалось даже повторить. Вычисленное с помощью системы уравнений поведение вещества внутри мантии и согласованные с ними движения континентов по сфере на протяжении следующих полутора миллиардов лет произвело большой эффект на многих ученых, в частности на руководителей Геологической службы США. Ученые крупнейших европейских и американских научных центров говорят, что русские ученые сделали то, что в настоя шее время сделать невозможно.

Итак, есть вполне достоверная картина геологического будущего Земли. Что удивляет и поражает в ней уже сейчас?

Во-первых, точность математической модели Трубицына-Рыкова. Если вы помните, в ней изначальными параметрами были распределение температуры по глубине Земли и реальные размеры континентов, м больше нет никаких гипотез, кроме законов переноса энергии, массы и импульса.

Во-вторых, удивляет характер перемещения вещества внутри Земли. До сегодняшнего дня геохимики утверждают, что, судя по анализу пород на поверхности Земли, существуют два резервуара поступления вещества из мантии. Надо также учитывать, что перемешивание внутри мантии происходите очень медленными скоростями. А если это так, то для существования двух несмешивающихся резервуаров нужна двухслойная конвекция. Таким образом, то из одного круговорота, то из другого вещество прорывается наверх.

Однако, по данным сейсмологии, получается, что зоны столкновения литосферных плит уходят глубоко до ядра и ни о каких двух резервуарах речи идти не может. Эти глубинные разломы подобно ножу, разбивающему яйцо, нарушают двухуровневые ячейки конвекции в мантии.

Как согласовать такие разные позиции? Валерий Петрович Трубицын утверждает, что двухслойной конвекция была на начальных стадиях формирования Земли, а потом стала общемантийной. Считалось, что если существовала разогретая мантия (а Земля остыла со времени своего рождения уже примерно на 150 градусов), то и перемешивание вещества в ней происходило интенсивно и не могло быть расслоено. По расчетам Трубицына оказалось, что все наоборот – именно в горячей мантии возникает многоэтажная конвекция, а с понижением температуры мантия становилась более вязкой и в настоящий момент может перемешиваться в основном только как целое. Современного нагрева уже недостаточно для полного поддержания двухъячеистой конвекции. А на полученных учеными картах видно, что в мантии Земли сейчас в основном существует одноячеистая конвекция, перемешивающая вещество до самого ядра. Но и геохимики тоже правы! Дело в том, что сведения о двух резервуарах запечатлены в породах, которые образовались не сегодня, а значит, несут информацию о двухъячеистой конвекции, существовавшей в мантии в прошлые несколько миллиардов лет!

Почему так важен вопрос о конвекции внутри мантии? Потому что следствием той или иной схемы конвекции является перераспределение вещества с теми или иными химическими элементами. Заменив в своей модели однородное вещество жидкостью, состоящей из четырех компонентов: железа, мантийного материала, вещества коры и летучих газов, ученые теперь смогут объяснить перераспределение элементов в истории Земли.

Следующий шаг уже очевиден – более точные расчеты в будущем позволят восстановить, где в мантии возникали магматические потоки, приводящие к формированию месторождений полезных ископаемых.

Правда, по словам Валерия Трубицына, невозможно «развернуть» математические вычисления вспять. Для выяснения месторасположения континентов и потоков вещества в мантии в прошлом, а значит, и районов образования месторождений придется идти методом подбора.

В процессе формирования ядра неясен механизм осаждения железа. Если оно выпадало как снег, постепенно, небольшими порциями, то для этого потребовались бы десятки и сотни миллиардов лет (напомним, что возраст Земли 4,6, а возраст Вселенной 15 мллиардов лет). При этом не смог бы запуститься механизм конвекции вещества – слишком мало при таком процессе выделяется энергии. С другой стороны – конвекция начнется, если выпадение железа в ядро произойдет большими порциями, но непонятен механизм плавления такого огромного количества железа.

Пока не решена одна из важнейших проблем геологии-механизм возникновения первичных континентов и роста и эволюции континентальной литосферы.

Принципиальная схема может выглядеть, по словам Валерия Трубицына, таким образом: наряду с быстрым провалом железа в ядро стало подниматься легкое вещество будущей коры. Подобно пене, оно бурлило в водоворотах магматического океана и слипалось в протоконтиненты. Согласно оценке Трубицына, только когда размер континента становился больше 30 километров, он не утягивался на дно мантии. Достигнув уже тысячи километров в поперечнике, континенты начнут свое неумолимое движение, приводя в движение потоки из самых глубин мантии.

И будут продолжать его и на протяжении следующих полутора миллиардов лет – именно тогда, согласно модели Трубицына-Рыкова, все нынешние континенты Земли соберутся вблизи Южного полюса, образовав очередной суперконтинент. И предсказали его появление и механизм формирования впервые в России.