Подводные хребты и рифты, желоба и островные дуги

Возрождению идеи дрейфа континентов способствовали исследования океанического дна, ведущиеся удивительно быстрыми темпами последние три десятилетия. За это время в корне изменились представления о строении дна океанов. Одной из достопримечательностей его строения являются срединные хребты. Такой хребет в Атлантическом океане тянется от Гренландии к югу, как бы повторяя контур материкового берега. Южнее оконечности Африки он поворачивает на восток. Огибая Африку, переходит в Западно-Индийский срединный хребет, идущий на северо-восток, и соединяется с Центрально-Индийским хребтом, имеющим северо-западное простирание. Последний, в свою очередь, переходит в Аравийский и в разлом Красного моря. На юге Центрально-Индийский хребет приобретает субширотное направление и, огибая Австралию, переходит в Тихоокеанский, идущий к берегам Южной Америки.

Эти хребты пологие. Их высота – 2000–3000 м от среднего уровня дна, а ширина поднятия 2000–3000 км. Таким образом, средняя, самая удаленная от берегов часть океана сравнительно мелководна, и наибольших глубин океан достигает в областях между хребтом и континентом. Вдоль средней, наиболее высокой части хребта тянется глубокая долина с крутыми склонами – разлом, получивший название рифта. От этого рифта, перпендикулярно к нему отходят так называемые трансформные разломы, которые могли бы возникнуть, если бы части, образующие стенки рифта, перемещались параллельно хребту с разными скоростями. Такие же рифты имеются и на континентах. Большой Африканский рифт тянется в меридиональном направлении от оз. Чад к Красному морю, которое отделяет Африку от Аравии.

Другой интересной особенностью строения океанов являются глубоководные желоба и сопутствующие им островные дуги.

Глубоководные желоба – это узкие протяженные глубокие впадины океанического дна, расположенные всегда вдоль берегов океана и близко к ним. Им сопутствуют цепочки, как правило, вулканических островов, расположенных параллельно желобу со стороны континента, или горные цепи на берегу континента. Такие структуры особенно развиты вдоль тихоокеанского побережья Азии и Америки. От берегов Аляски желоб тянется вдоль Алеутской островной дуги. Далее идет Курильский желоб с Курильской дугой и Японскими островами. На юго-восток от него отходят Идзу-Бонинский и Марианский желоба с Марианской островной дугой и желоб Кермадек-Тонга уже на широте Австралии.

Вдоль цепочки островов Новая Гвинея, Суматра, Сулавеси, Ява протянулся глубоководный Яванский желоб, а вдоль западного побережья Южной Америки параллельно горным цепям Кордильер тянется Перуанско-Чилийский желоб.

Океанические желоба очень глубоководны. Так, Марианский, Курильский и Яванский достигают глубин от 8 до 11 тыс. м. Нигде в других областях Мирового океана таких глубин нет.

Еще одна особенность желобов и островных дуг: они всегда сейсмически активны – в них очень часты землетрясения и проявления вулканизма. Например, в Японии бывает по нескольку тысяч небольших землетрясений в год и часто происходят катастрофические землетрясения. Это же относится к Чили, Индонезии.

Над желобами всегда бывают большие отрицательные аномалии силы тяжести, а это означает, что земная кора и часть верхней мантии в этих областях не пришли в равновесное состояние и испытывают большие подвижки.

Полосовые магнитные аномалии. Изменение возраста коры

В конце 50-х – начале 60-х годов американскими геофизиками В. Вакье, Р. Мейсоном и А. Раффом при изучении магнитного поля в районе Восточно-тихоокеанского хребта вблизи о. Ванкувер были обнаружены полосовые магнитные аномалии, тянущиеся вдоль хребта по обе его стороны. Протяженность их несколько сот километров, ширина 20–30 км и напряженность магнитного поля приблизительно 160 мА/м. Оказалось, что у последовательных полос обратная полярность. В теории палеомагнетизма известны такие явления, как инверсии магнитного поля, происходящие по неизвестной нам причине с интервалами от десятков до сотен тысяч лет. При инверсиях изменяется полярность магнитного поля Земли. Это установлено по остаточной намагниченности древних горных пород, возраст которых определялся радиоактивным методом. Этим же методом был установлен возраст намагниченных пород, взятых с океанического дна из областей полосовых аномалий. Оказалось, что чем дальше от срединного разлома подводного хребта расположена полоса магнитной аномалии, тем возраст образца старше.

К 1966 г. А. Коксом, Р. Доуэлом и Д. Дарлимплем, подробно изучившими реликтовую намагниченность большого числа образцов древних горных пород, их возраст калиево-аргоновым методом и полярность, была установлена шкала последовательности и возраста инверсий магнитного поля Земли.

Таким образом, появилась возможность сравнить изменение возраста дна океана вкрест полосовых аномалий с эпохами инверсий магнитного поля. Получилось прекрасное совпадение, возраст каждой полосы определенной магнитной ориентации соответствовал возрасту магнитной инверсии. Объяснить это можно было только одним, а именно тем, что дно океана раздвигается от срединного разлома хребта в обе стороны, в срединном разломе изливается вещество горячей магмы, остывает и, проходя через точку Кюри, намагничивается с той полярностью, которая существует в это время. Эта часть дна, продолжая двигаться от осевой части хребта, сохраняет реликтовую намагниченность заданной полярности. При следующей инверсии породы, остывшие до точки Кюри, намагничиваются уже с другой полярностью. Возникает следующая полоса магнитной аномалии и т. д. Это объяснение полосовых магнитных аномалий дали Ф. Вайн, Д. Метьюз и Л. Морли.

Теперь можно было сопоставить изменение интенсивности аномалий с эпохами инверсий магнитного поля. Но было сделано больше – Вайном была задана некоторая разумная гипотетическая скорость расползания дна и вычислена кривая изменения интенсивности аномалий со временем. Эта гипотетическая кривая удивительным образом совпала с кривой, составленной по фактическим возрасту и интенсивности намагниченности образцов (рис. 3). Полученное совпадение положило начало теории разрастания дна океанов, по предложению Р. Дитца названной «спредингом» (от английского to spread – раздвигаться, расширяться).

Рис. 3. Сравнение интенсивности наблюденных (1) и вычисленных (2) полосовых магнитных аномалий

В дальнейшем аналогичные работы были проделаны в области хребтов Антарктического, Срединно-Индийского и Рейкьянес у Исландии, и всюду результат один: наблюдались полосовые аномалии, которые прекрасно объяснялись раздвижением океанического дна и магнитными инверсиями.

Хронология инверсий магнитного поля прослежена по палеомагнитным данным на континентальных породах на протяжении около 4 млн. лет, т. е. незначительно выходит из четвертичного периода и неогена и охватывает только восемь магнитных инверсий. Исходя из предположения, что и дальше каждая полоса является результатом инверсий и что дно расширяется с одинаковой скоростью, была выполнена экстраполяция расширения дна на 171 инверсию, что соответствовало 76 млн. лет. Теперь в руках геофизиков появились данные для составления карты возраста дна океанов: по равновозрастным магнитным аномалиям были проведены изохроны. Конечно, этот метод, как и всякий экстраполяционный метод, не был надежен и вызывал сомнения. Однако эти сомнения рассеялись после того, как были выполнены бурение и отбор образцов осадочных пород с морского дна. Эта колоссальная, не уступающая по грандиозности космическим исследованиям, работа была выполнена в рамках проекта глубоководного бурения в период 1968–1980 гг. с борта специального судна «Гломар Челленджер». Для отобранных образцов был определен абсолютный возраст палеонтологическим методом, т. е. по останкам окаменелых флоры и фауны, и радиоактивным, т. е. по соотношению (в процентах) распавшегося и нераспавшегося вещества. Это исследование с учетом временного сдвига осадконакопления полностью подтвердило расчет, сделанный по полосовым аномалиям. Таким образом, там, где не было непосредственных измерений возраста намагниченных пород, экстраполяция была подтверждена вполне надежной интерполяцией.

Итак, гипотеза разрастания дна Мирового океана получила настолько надежные подтверждения, что многие считают ее установленным фактом. Идея постоянного движения дна океана отвечает и на вопрос, почему океан (существующий миллиарды лет) имеет столь тонкий слой осадков (средняя мощность его 200 м), тогда как на континентах в осадочных бассейнах он достигает 20 км.

О новой тектонике плит

Все ранее описанные явления привели к возрождению идеи дрейфа континентов, но на новой, весьма убедительной основе. Строение внешнего слоя Земли представляется следующим образом: верхний слой коры состоит из твердых кристаллических пород, в большинстве своем покрытых осадочным чехлом. По мере углубления в Земле повышается температура. На глубине около 70 км температура достигает 1000–1200 °C – величины, при которой начинается плавление кристаллических пород. При этой температуре, получившей название температуры точки Солидуса, происходит частичное плавление вещества, а полное его плавление – в интервале температур, соответствующих глубинам между 70 и 260 км, где твердая земная кора переходит в пластическое вещество верхней мантии.

Эти переходы четко отражаются в изменении скорости распространения поперечных сейсмических волн, которая быстро возрастает от 3,6 до 4,6 км/с на глубине приблизительно 30 км, получившей название границы Мохоровичича, далее медленно растет примерно до 4,8 км/с на глубине около 70 км, затем резко падает до 4,2 км/с. Здесь начинается плавление. Это и есть точка Солидуса.

Кровля размягченного плавлением слоя мантии получила название астеносферы. Слои, лежащие выше и состоящие из твердого кристаллического вещества, называют литосферой. Таким образом, создается возможность скольжения твердой литосферы по размягченной поверхности астеносферы.

Литосфера представляется не цельной сферической оболочкой, подобной яичной скорлупе, а состоящей из некоторого числа плит, находящихся в непрерывном движении и несущих на себе материки. В такой схеме можно представить себе три основных типа движения. Первый тип – плиты раздвигаются. Такое движение называется дивергенцией. Второй тип – плиты движутся навстречу друг другу и сталкиваются, т. е. происходит конвергенция, при этом одна плита может поддвигаться под другую. Это явление называется субдукцией. Наконец, третий тип – плиты скользят параллельно друг другу. Каждый тип движения характеризуется специфическими явлениями. Все типы движения взаимно связаны и происходят одновременно.

Областью расхождения плит являются срединно-океанические хребты. Однако между расходящимися плитами не может образовываться пустота. Она заполняется нижележащей расплавленной магмой, которая, выходя на поверхность океана, застывает, образуя новые части океанического дна. Больше того, внутренние процессы в мантии, ее конвективные течения, по-видимому, являются тем механизмом, который заставляет раздвигаться океанические плиты. Так происходят нарастание дна океана и раздвижение плит. Доказательства этого – систематическое старение дна океана по мере удаления от срединного хребта, наличие реликтовых намагниченных пород и их старение по тому же закону. Плиты раздвигаются, скользя по астеносфере. При этом может перемещаться и сам срединный хребет, который не всегда имеет симметричное нарастание вновь образовавшейся коры. Отсутствие симметрии приводит к двум явлениям: образованию трансформных разломов, столь характерных для срединных хребтов, и общему перемещению хребта вместе с нарастающей корой. Очевидно, что, нарастая и раздвигаясь, плита приходит во взаимодействие с другими плитами. Это взаимодействие может иметь характер столкновения или проскальзывания.

Второй тип взаимодействия плит (столкновение, или конвергенция) также может иметь различный характер. Мы уже упоминали о возможности перемещения самого океанического хребта вследствие несимметричного разрастания дна и, в конечном итоге, поддвигания хребта при столкновении под другую плиту. Такой случай, по-видимому, имел место при столкновении древней океанической Тихоокеанской плиты Феникс с Южно-Американской, которое привело к образованию береговой горной цепи Анд.

Другое дело, когда просто сталкиваются движущиеся континентальная и океаническая плиты. В этом случае происходит нечто, совсем не похожее на предыдущий случай. Двигающаяся, или разрастающаяся, океаническая плита, встречая континентальную плиту, погружается под нее, образуя по фронту континента глубокий желоб, через который и происходит субдукция. В то же время из недр мантии поднимается выжимаемая плитой магма и отрывает краевую часть континента, расшатанную уже при поддвигании плиты. Эта краевая часть под давлением той же, поступающей из недр магмы отходит от континента, образуя островные дуги и между ними и материком – окраинные моря. За довольно молодое происхождение окраинных морей, островных дуг и континентальных желобов говорят мелководность этих морей, тонкий осадочный слой на их дне и большие отрицательные гравитационные аномалии над желобами. Будь эти образования древними, большой вынос осадков с континента давно бы заполнил эти моря или во всяком случае создал бы мощный слой осадков, а постоянно стремящаяся к равновесию земная кора выравняла бы отрицательные аномалии перемещением в область малых давлений более плотных масс. Характерным примером такого поддвигания является тихоокеанское побережье Азии с системой глубоководных впадин, желобов и островных дуг.

Подтверждением описанной схемы погружения океанической плиты под континент является распределение очагов землетрясений и теплового потока.

В распределении сейсмически активных областей видна определенная закономерность. Очаги землетрясений размещаются узкими полосами под островными дугами вдоль активных побережий; таковы западные побережья обеих Америк, срединно-океанические хребты, некоторые внутриконтинентальные горные области: Гималаи, Кавказ – Карпаты – Альпы, Скалистые горы Северной Америки. В других областях Земли очагов землетрясений практически нет.

Глубокофокусные землетрясения, лежащие на глубинах более 100 км, почти всегда приурочены к глубоководным желобам. Здесь же очень велика и сейсмическая активность на малых глубинах. Кстати, мелкофокусные землетрясения – наиболее разрушительны. Очаги землетрясений располагаются на наклоненной в сторону континента плоскости, получившей название зона Заварицкого – Беньофа до глубин 500–600 км. Это свидетельствует о том, что погружающаяся океаническая плита, по границам которой происходят землетрясения, остужает окружающую мантию до твердого состояния, при котором только и возможно накопление и мгновенное высвобождение энергии. По расчетам Мак-Кензи холодная плита толщиной 100 км при погружении в мантию со скоростью нескольких сантиметров в год может оставаться холодной до глубин 600–700 км.

Сила тяжести, направленная в сторону погружения тяжелой океанической плиты, и сила давления разрастающегося океанического дна под напором изливающейся магмы в срединном океаническом хребте – главные движущие силы при погружении плиты.

С линиями островных дуг совпадает и распределение вулканов. Однако вулканы в основном находятся на континентальной стороне островных дуг, тогда как подавляющее большинство очагов землетрясений – на океанической. Соответственно и тепловой поток имеет низкое значение с океанической стороны островной дуги и высокое – с континентальной. Над желобом он всегда низок. Отсутствие вулканов и низкий тепловой поток со стороны желоба и океанической стороны островной дуги, а также размещение мелкофокусных землетрясений с той же океанической стороны хорошо согласуются с идеей поддвигания холодной океанической плиты и опять же подтверждает концепцию тектоники плит. Однако с этих позиций пока необъясним факт высокого теплового потока и размещения вулканов со стороны континента.

Теория прямого столкновения континентальных плит разработана менее других теорий. В этом случае будут иметь место дробление пород, сминание их в складки, образование гор. По-видимому, в зоне прямого столкновения образовались Гималаи, Альпы, Кавказ.

Третий тип взаимодействия плит – это параллельное проскальзывание, при котором образуются трансформные разломы. Типичный пример такого движения – разлом Сан-Андреас в Калифорнии.

Экстраполируя разрастание дна океана в далекое прошлое, можно представить себе ряд циклов развития океана и орогенеза. Приняты три типа развития океанов: тихоокеанский, атлантический и средиземноморский. Тихоокеанский тип характеризуется наличием субдукции и образованием береговых горных цепей. Вследствие раздвижения континентов происходят постепенное закрытие Пра-Атлантического океана и образование праматерика Пангеи. В последующем Пангея раскололась, и начался новый цикл развития океана – атлантический. Для этого цикла характерно раздвижение дна океана от Атлантического срединного океанического хребта без субдукции. При этом нарастающие Атлантические плиты раздвигают окружающие их континенты и ведут к сокращению области Тихого океана, дно которого погружается под континенты.

При этих типах раздвижения океана происходит разрастание дна в области срединных хребтов.

При средиземноморском типе развития хребты отсутствуют, разрастания дна океана не происходит, но имеются границы поддвигания. Этот тип (если он существует), по-видимому, является переходным.

О механизме движения плит

В качестве механизма движения плит с самого рождения новой плитовой тектоники принималась конвекция в мантии. По мере возникновения трудностей в этом объяснении находились новые аргументы, позволяющие возродить казалось бы уже отвергнутый механизм. Первое сомнение – возможна ли конвекция в такой плотной и вязкой массе, как мантия Земли. На этот вопрос был дан положительный ответ в результате применения закона конвекции Рэлея. Согласно этому закону тепловая конвекция начинается тогда, когда безразмерная функция

R = abgh4/rn·1000,

где а – коэффициент теплового расширения; b – температурный градиент, т. е. скорость увеличения температуры с глубиной; g – ускорение свободного падения; r – температуропроводность; n – вязкость; h – толщина слоя жидкости.

Для слоя всей мантии Земли R· 106, что на три порядка больше критической величины, т. е. мантия способна к конвекции.

Учет твердого ядра усложнил задачу. Однако для такого случая теория Рэлея была развита С. Чандрасекаром, показавшим, что для этих условий общая конвекция через всю Землю заменяется ячейками конвекции. Возражение, основанное на том, что конвекция будет идти лишь в тонком слое астеносферы, а это сведет ячейки к конвективным ячейкам с размерами, равными толщине астеносферы, т. е. примерно к 100 км, кажется, снимается японскими физиками X. Такеути и М. Сакатой, построившими модель конвекции в среде с увеличивающейся с глубиной вязкостью. По их модели конвекционный поток не однороден, а ускоряется в верхних, менее вязких слоях и идет очень медленно на глубине, охватывая всю мантию. Мантийная конвекция пока принимается в качестве механизма движения плит.

Общая картина современного положения плит и скоростей их движения

В результате анализа обширных материалов, собранных при океанологических исследованиях в основном за последние 30 лет, можно построить общую схему размещения плит на земном шаре и скоростей их движения (рис. 4). Большие скорости имеют плиты, которые испытывают поддвигание под соседние плиты на значительном протяжении своих границ. Это плиты Тихоокеанская, Кокос, Наска, Филиппинская и Индийско-Австралийская. Скорость их движения 6–9 см/год. Отсюда можно заключить, что скорость не зависит от площади плиты, но зависит от отношения длины границы субдукции к периметру плиты. Это свидетельствует о том, что главной движущей силой плит является затягивание их в области субдукции. Наблюдается корреляция между площадью континентальной части плиты и скоростью движения. Плиты, несущие континенты, имеют скорость порядка 2 см/год, тогда как чисто океанические, но не испытывающие субдукции, – 4 см/год.

Рис. 4. Литосферные плиты и направление их движения:

а – дивергентная граница; б – конвергентная граница; в – характер границы не установлен; г – трансформный разлом; д – направление движения плит

Плиты: I – Филиппинская, II – Индийско-Австралийская, III – Тихоокеанская, IV – Кокос, V – Северо-Американская; VI – Наска, VII – Карибская, VIII – Южно-Американская, IX – Евразийская, X – Анатолийская, XI – Аравийская, XII – Африканская, XIII – Сомалийская, XVI – Антарктическая; поднятия: XV – Австрало-Антарктическое, XVI – Тихоокеанское; желоба: / – Алеутский, 2– Курило-Камчатский, 3 – Японский, 4 – Марианский, 5 – Яванский, 6 – Тонго, 7 – Перуано-Чилийский; хребты: 8 – Рейкьянес, 9 – Срединно-Атлантический, 10 – Аравийско-Индийский (Карлсберг), // – Центрально-Индийский, 12 – Африкано-Антарктический и Западно-Индийский

Новые технические средства высокоточной геодезии позволяют непосредственно измерить скорость и направление движения плит земной коры, если таковые существуют. Такими средствами являются интерферометры с большой базой – два или больше далеко разнесенных на земной поверхности радиотелескопа, принимающих излучение от одного и того же квазара. Разница во времени поступления сигнала на каждый телескоп позволяет с точностью до единиц сантиметров получить расстояние между телескопами. Измерения, произведенные через несколько лет, дают направление и скорость перемещения мест установки телескопов. Второй способ основан на измерении расстояния между станциями с помощью отражения лазерного сигнала от геодезического искусственного спутника Земли. В результате таких измерений, ведущихся уже более 10 лет, установлено, что Евразийская и Северо-Американская плиты медленно расходятся со скоростью 1,5 см/год. Тихоокеанская плита удаляется от Северо-Американской со скоростью 4 см/год, а Индийско-Австралийская, надвигается на Тихоокеанскую плиту со скоростью 7 см/год. Вдоль разлома Сан-Андреас в Калифорнии плиты смещаются с относительной скоростью 7 см/год. Промежуток времени этих наблюдений еще слишком мал, чтобы убедительно доказать монотонность таких перемещений, а стало быть, и реальность континентального дрейфа. Проблема будет решена в результате накопления наблюдательных данных.

Реконструкция Гондваны и место в ней Антарктиды

Теперь, когда описаны явления, приведшие к возникновению и развитию теории тектоники плит, расчету направлений и скоростей их движения, настало время сделать общий обзор эволюции лика Земли и обособления интересующего нас континента – Антарктиды.

200 млн. лет назад в конце триасового периода существовали единый материк Пангея и единый океан Панталасса – предок современного Тихого океана. С западной стороны праокеан имел глубоко вдающийся в округлые формы праматерика залив, названный морем Тетис. Это зародыш Средиземного моря.

Вероятно, в это время существовали две основные литосферные плиты: материковая и океаническая.

Под влиянием мантийных процессов, скорее всего конвекции в мантии, в наиболее слабых местах литосферы стали образовываться трещины, ограничивающие литосферные плиты, и началось раздвижение этих плит. Главный разлом отделил северную часть Пангеи от южной. В этот период образовались два праматерика: Лавразия – северный материк и Гондвана – южный. Море Тетис углубилось и из залива превратилось в открытое внутреннее море. Плита Лавразия начала поступательное движение на север и вращательное по часовой стрелке, а Гондвана – делиться на Афро-Американскую и Австрало-Антарктическую части. Возникли срединно-океанические хребты, по которым происходило раздвижение плит. К концу триаса вполне оформились три праконтинента – Гондвана распалась на два. До конца юры, т. е. ко времени, отстоящему от нас на 140 млн. лет, полностью раскрылось Средиземное море, а от Австрало-Антарктической плиты отделилась Индийско-Австралийская, которая под влиянием активного расширения океана начала быстро перемещаться на север. Между Африканской и Южно-Американской плитами окончательно оформился разлом, и начал развиваться Атлантический океан (см. рис. 4). Ко времени мелового периода (65 млн. лет) окончательно оформился Атлантический океан, активно расширяющийся в обе стороны от срединного Атлантического хребта. Средиземное море закрылось со стороны древнего Те-тиса на востоке и открылось на западе, соединившись с Атлантикой. Начался распад Лавразии.

За последние 65 млн. лет лик Земли принял современный вид. В этот период Южная Америка окончательно отошла от Антарктиды, сохранив след былого соединения: островную и мелководную дугу Скоша и вытянутые друг к другу, как бы только что разорванные, утоняющиеся к месту разрыва Антарктический полуостров и мыс Горн. Индийско-Австралийская плита столкнулась с Евразийской и в месте столкновения образовала горную страну – Гималаи. Австралия отошла в северные широты, оставив в одиночестве покрытый вечным льдом континент – Антарктиду.

Но природа сохранила на всех этих, когда-то соединенных континентах (Антарктиде, Австралии, Африке, Южной Америке, Индии) следы их былого единства – контуры древнего оледенения и схожие, переходящие с континента на континент геологические формации.

Некоторые сомнения

Мы нарисовали стройную картину эволюции Земли так, как она представляется сейчас многим геологам и геофизикам. Мы постарались дать основные доказательства такой эволюции. Но как бы ни казались все существующие доказательства убедительными, они не могут быть исчерпывающими. Остается много необъяснимых явлений и даже противоречий. Не разработан достаточно надежно механизм движения плит. Кажется натянутым объяснение образования внутриконтинентальных гор и характера расположения в этих областях осадочных пород. Наконец, неясно, почему в древнюю эпоху праокеана и праматерика дробление плит было меньшим, чем в более поздние эпохи, хотя тогда Земля была моложе и процессы шли активнее.

Существует другая теория исторического развития Земли, в основном объясняющая все вертикальными движениями. Она имеет не меньшее право на существование, не менее логична, но и не менее противоречива. Мы полагаем, что следующий этап развития науки об эволюции Земли – это синтез обеих концепций. Здесь мы изложили одну, более молодую, более принятую сейчас и уже более аргументированную.

РАЗМЫШЛЕНИЯ У КАРТЫ АНТАРКТИДЫ