Зачем нужна геология - Дуг МакДугалл

Перемещения плит меняли облик планеты на протяжении большей части ее истории. Движущей силой является охлаждение нашей планеты из исходного горячего состояния, особенно охлаждение металлического ядра, при котором тепло передается в вышележащую мантию и способствует медленной крупномасштабной конвекции. Устойчивые потоки горячих пород мантии взаимодействуют с холодной твердой внешней оболочкой — литосферой — и заставляют ее двигаться. Однако литосфера — не единый сплошной слой; она разделена на множество фрагментов — литосферных (тектонических) плит (рисунок 11).

Основные принципы тектоники плит разработали в 1960-е годы, что произвело революцию в геологическом мире. То, что раньше было описательной наукой, превратилось в более предсказательную, в которой было проще связать причины и следствия. Тектоника плит стала моделью для понимания, как функционирует Земля в крупных масштабах. Стало ясно то, что раньше понимали плохо: как устроены горные хребты, почему землетрясения и вулканы сконцентрированы в определенных регионах Земли и как формируются бассейны океанов. Эта теория также заставила геологов мыслить глобально и рассматривать даже локальные особенности в более широком контексте. Хотя океаны и атмосфера не являются непосредственной частью теории литосферных плит, геологи вовлекли в геологическое мышление и их, и их взаимодействие с сушей. Когда взаимосвязь геологических процессов стала очевидной, в знак признания этого нового мышления геологические факультеты университетов по всей планете переименовали в факультеты наук о Земле или наук о Земле и окружающей среде.

Рисунок 11. Основные литосферные плиты. Стрелки показывают относительное движение между ними. В большинстве случае плиты либо расходятся (границы расхождения отмечены океаническими хребтами) или сходятся в зонах субдукции (где один блок коры погружается под другой). В некоторых местах, например, на западе Северной Америки, две плиты просто скользят относительно друг друга по разлому. Также существует множество более мелких плит, но они на карте не показаны.

Некоторые идеи, включенные в тектонику плит, имеют давнюю историю. Многие люди, смотревшие на карту мира, замечали, что Африка и Южная Америка подошли бы друг к другу как кусочки пазла, если бы каким-то образом удалось убрать Атлантический океан. Но это кажется невозможным: как убрать тысячи километров океана? В начале двадцатого века немецкий ученый Альфред Вегенер предположил, что материки могли просто дрейфовать через области, которые сейчас заняты океаном. Он назвал этот процесс «дрейфом материков» и в 1915 году опубликовал книгу с изложением своих идей[32]. Физики высмеяли теорию Вегенера, и она никогда не привлекала особого внимания — в основном потому, что в его представлении о дрейфе континентов имелись определенные изъяны. Однако собранные им геологические свидетельства неоспоримы. Он указал, что в Южной Америке есть геологические объекты, которые резко заканчиваются на побережье и при этом совпадают с аналогичными объектами в Африке. Если бы не океан, они были бы единым целым. Он также показал, что последнее оледенение одновременно затронуло некоторые части Индии, Африки и Южной Америки, и что если бы эти три массива суши были соединены, то такие гляциальные черты мог оставить единый ледяной покров. Хотя большинство ученых не принимало идей Вегенера, его геологические доказательства (и многие аналогичные наблюдения, собранные на протяжении десятков лет) означали, что различные воплощения идеи дрейфа материков появлялись в геологической литературе вплоть до возникновения революционной теории тектонических плит.

Наблюдения, которые в конечном итоге привели к теории плит, были получены в результате изучения дна океана — в основном благодаря исследованиям, финансируемым военно-морским флотом США. После Второй мировой войны, когда дальность действия и глубина перемещения подводных лодок резко возросли, ВМФ стал всерьез интересоваться тонкостями подводной топографии. Геологи, занимающиеся морем, были рады пойти навстречу, поскольку щедрость ВМФ дала им возможность исследовать в значительной степени неизвестные области. Они обнаружили, что морское дно вовсе не похоже на тихое однообразное место, как его себе многие представляли. Новые исследования показали с беспрецедентной детальностью, что дно океана — это место колоссальных гор, огромных разломов, глубоких впадин и активных вулканов. Особенно интригующей была линия гор, которая проходит с севера на юг и делит пополам Атлантический океан, повторяя очертания континентов с обеих сторон. Эту систему назвали Срединно-Атлантическим хребтом; для него характерна центральная долина со скалистыми стенами по обе стороны. Кроме того, оказалось, что Срединно-Атлантический хребет не заканчивается в Атлантике. Он соединяется с аналогичной формацией, которая идет на восток по Индийскому океану, вокруг Австралии, а затем в Тихий океан, где простирается на север до Калифорнии, что делает всю систему непрерывным глобальным элементом рельефа.

Однако океанографы нанесли на карту не только топографические особенности. Они изучили многие другие свойства океанского дна, включая магнитные характеристики. Уже было хорошо известно, что на суше местные горные породы влияют на магнитное поле; например, породы с высоким содержанием железа, как правило, дают сильный магнитный сигнал. Поэтому магниторазведка является важным инструментом для поиска металлических руд. Геофизики также обнаружили, что в толстых последовательностях лавовых потоков ориентация магнитного поля иногда оказывалась обратной. Поскольку магматические породы «вмораживают» при застывании характеристики магнитного поля, эти специалисты пришли к выводу, что в прошлом магнитные полюса планеты менялись местами. Потоки лавы, извергавшиеся в соответствующие промежутки времени, дают противоположный магнитный сигнал.

Крупномасштабные магнитные исследования обычно показывают хаотические географические магнитные структуры, поскольку в континентальной коре очень часто соприкасаются весьма разные типы горных пород. Однако первые геомагнитные исследования в океане, проведенные у северо-западного побережья Соединенных Штатов, дали совершенно другие результаты. Они показали, что магнетизм морского дна имеет строго регулярную структуру, когда длинные линейные полосы одинаково намагниченных пород расположены в виде полосатого спектра, как у зебры. Геофизики, выполнявшие эту работу, удивились и озадачились. Они не понимали, как получился такой спектр.

Однако его происхождение стало понятно, когда собрали дополнительные данные о магнитном поле на морском дне. Особенно важной стала информация, полученная при исследовании системы океанических хребтов в Индийском океане и в Северной Атлантике. Здесь, как и в северо-западной части Тихого океана, магнитные спектры оказались правильными — с линейными полосами одинаково намагниченных пород. Поражало то, что эти полосы шли параллельно хребту и были сходными с обеих сторон — практически зеркальное отражение друг друга (рисунок 12). Это стало моментом истины для геонаук. В 1963 году геологи Фредерик Вайн и Драммонд Мэтьюз из Кембриджского университета в Великобритании опубликовали статью, в которой предложили объяснение таких магнитных спектров: они предположили, что центральная долина в океанических хребтах — на самом деле разлом в земной коре, через который постоянно изливается магма,