Зачем нужна геология - Дуг МакДугалл

а возраст полос определили на основании наземных исследований, где такие периодические изменения магнитного поля зафиксированы для последовательностей хорошо датированных лавовых потоков. Сопоставляя наземные данные и океанические полосы, удалось установить точный возраст почти всех частей океанической коры, что дало геофизикам возможность реконструировать размеры и форму океанов (а также относительное положение континентов) в любой момент времени за последние 200 миллионов лет. В научных музеях популярны анимированные изображения этих процессов.

Однако определить передвижение плит в более ранние эпохи гораздо труднее, хотя и возможно. Если вы понимаете тектонику плит и, в частности, знаете характерные типы горных пород и геологические особенности, возникающие в различных тектонических условиях, то можно сделать разумные предположения о размещении материков в докембрии. В частности, в зонах субдукции образуются длинные линейные горные цепи (например, Анды), а когда в этих зонах сталкиваются два континента, появляются еще более впечатляющие массивы (например, Гималаи). Для таких массивов характерны определенные типы горных пород, и это дает возможность расшифровать происхождение древнейших горных хребтов в терминах перемещения литосферных плит. С помощью таких рассуждений ученые показали, например, что Уральские горы в России появились в результате столкновения между континентами — примерно 300 миллионов лет назад Сибирь столкнулась с Восточной Европой; и что Аппалачи на востоке Соединенных Штатов образовались еще раньше в результате серии столкновений между Северной Америкой, частями Африки и несколькими более мелкими фрагментами континентальной коры.

Но как далеко в прошлое мы можем заглянуть с таким анализом? Когда тектоника плит начала действовать в том виде, в котором мы ее сейчас знаем? Геофизики активно обсуждают эти вопросы, и летом 2006 года Геологическое общество Америки организовало конференцию, посвященную им. Встречу провели в Вайоминге, и дискуссии шли не только в конференц-залах, но и в полевых условиях среди древних скал — там, где большинство геологов предпочитает проверять свои идеи. Консенсуса к концу встречи добиться не удалось, однако общее мнение явно сместилось в сторону более раннего, а не более позднего начала тектоники плит. В последующие годы этот сдвиг продолжился.

Поскольку ключевым элементом перемещений плит является субдукция, то надежные подтверждения древней субдукции были бы четким указанием на тектонику плит. Некоторые геологи утверждали на теоретических основаниях, что субдукция в ее современном виде не могла происходить на гораздо более горячей Земле катархейского и архейского эонов. Конвекция в мантии тогда была мощнее современной, литосферные плиты двигались быстрее, а «теплая» океаническая литосфера, возможно, была слишком плавучей, чтобы легко подныривать. Сторонники этой точки зрения указывают, что в древних породах никогда не обнаруживаются некоторые метаморфические минералы, о которых известно, что они образуются в зонах субдукции.

Когда породы морского дна подныривают при субдукции, на них действует огромное давление, однако сами они остаются относительно холодными — в достаточной степени холодными, чтобы трескаться и вызывать землетрясения на больших глубинах, как мы видели ранее. Это означает, что метаморфизм в зонах субдукции относится к определенному типу, который геологи (вполне естественно) называют низкотемпературным метаморфизмом высоких давлений. Одним из диагностических минералов для метаморфизма такого типа является жадеит (часто используют термин жад[37]). Когда в следующий раз увидите красивое ожерелье из жадеита или темно-зеленую статуэтку из него в музее, — благодарите тектонику плит.

Кроме жада, существуют и другие диагностические минералы для низкотемпературного метаморфизма высоких давлений; ассоциации этих минералов обнаружены по всему миру в местах, где в недавнем геологическом прошлом были зоны субдукции. Как ни странно, практически все появления относятся к породам возрастом менее одного миллиарда лет. Причины непонятны, однако мало кто из ученых считает, что этот момент означает начало тектоники плит. Например, существуют породы архейского возраста, которые по геохимическим и геологическим признакам, по-видимому, были частью дуг вулканических островов — а такая схема связана с субдукцией. Сегодня такие дуги (примерами могут служить Алеутские и Марианские острова) образуются при столкновении двух океанических плит, когда одна уходит под другую. Древние кристаллы циркона также свидетельствуют, что условия низких температур и высокого давления, характерные для зон субдукции, возникали более 4 миллиардов лет назад.

Когда Марк Харрисон, геохимик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, работал с коллегами с кристаллами циркона, выделенными из кварцитов Западной Австралии (самыми старыми цирконами в мире), обнаружилось, что некоторые зерна содержат крошечные включения других минералов. С помощью специально созданных инструментов они смогли проанализировать эти включения (обычно около одной десятитысячной сантиметра в поперечнике) и определить температуру и давление, при которых формировался каждый кристалл. Результаты оказались весьма неожиданными. Некоторые из очень старых цирконов возрастом 4–4,2 миллиарда лет образовались при давлениях, соответствующих глубинам 30–50 километров. Эта глубина не особенно велика (зона субдукции заходит и глубже), однако температура, полученная учеными на основании включений, была намного ниже, чем ожидалось для таких глубин, и соответствовала условиям в зоне субдукции. Кроме того, некоторые минеральные включения содержат воду, так что кажется, что еще четыре миллиарда лет назад во время катархейского эона холодный богатый водой поверхностный материал был затянут вглубь Земли — в зону формирования цирконов. Возможно, этот процесс не был субдукцией в том виде, в котором мы знаем ее сегодня, но это было какое-то аналогичное явление, при котором переплавлялась существующая кора.

В 2009 году группа геофизиков из Массачусетского технологического института (МТИ) и Геологической службы Канады обнаружила дополнительные доказательства, что тектоника плит действовала уже на ранних стадиях истории Земли. С помощью методов дистанционного зондирования они сделали снимок того, что, по-видимому, является частью погрузившегося при субдукции дна океана, лежащего на 110 километров ниже нынешней поверхности — у основания кратона Слейв, фрагмента архейской континентальной коры на севере Канады («кратон» — геологический термин для древних платформ, уцелевших фрагментов старой стабильной континентальной коры). Кратон Слейв включает одни из старейших пород Северной Америки, и исследователи оценивают, что субдукция здесь происходила примерно 3,5 миллиарда лет назад.

Таким образом, кажется вероятным, что какая-то форма тектоники плит действовала на Земле на протяжении большей части ее истории. Сегодня тектоника плит дает представление о работе большинства частей нашей динамичной планеты. Кроме того, что мы лучше понимаем вулканы, землетрясения и топографию Земли, она помогает объяснить самые разные вещи: почему залежи нефти и минералов находятся именно в этих местах, почему в Австралии изобилуют сумчатые млекопитающие и даже, возможно, то, почему некоторые ледниковые периоды в истории Земли произошли именно в это время. Почти все мыслимые геологические явления (и, конечно же, почти все, которые обсуждаются в этой книге) так или иначе связаны с тектоникой плит.

Глава 6

Шаткие основания