Континенты и плиты коры

В первой главе отмечалось, что континентальная кора Земли гораздо толще, чем океаническая, и отличается от последней по составу. В пятой главе было рассказано, как отдельные континенты медленно увеличивают свои размеры. Наша карта современной поверхности Земли отличается от карт поверхности Земли, существовавшей, скажем, сто миллионов лет назад. Такие большие изменения трудно понять, если не представить себе сначала общую картину строения Земли.

Континенты не остаются на месте, а движутся. Достойно изумления, что впервые предположение о таком движении было выдвинуто около 350 лет назад, и с тех пор выдвигалось еще несколько раз, однако эта идея получила признание ученых только после 1960 г. Большинство людей считало, что жесткость коры исключает движение континентов. Теперь все мы знаем, что это не так. Чтобы понять, что происходит с континентами, давайте рассмотрим некоторые доказательства их движения.

Рис. 16. Континентальные шельфы (показаны черным), если взять их все вместе, увеличивают площадь континентов примерно на 10%. Карта составлена в необычной проекции, чтобы избежать искажений площади континентов и шельфов. Все они показаны почти в одном масштабе (шельфы нанесены по данным Менарда и Смита, 1966).

Доказательства движения континентов. Доказательства того, что по крайней мере некоторые континенты, разобщенные сейчас, раньше соединялись, или того, что они изменили положение, включают следующее:

  1. Контуры некоторых континентов, обращенных друг к другу и разделенных океаном, позволяют предположить, что в прошлом они соединялись, как две части головоломки. Наиболее очевидный пример этого – Южная Америка и Африка. Так как истинной окраиной континента является не современная береговая линия, а скорее внешний край континентального шельфа, проверять соответствие континентов лучше не по обычной карте, а по карте, показывающей шельфы (рис. 16).
  2. На некоторых парах континентов обнаруживается соответствие другого рода – особые типы пород, древние горные пояса, одинаковые ископаемые животные и растения. Все эти совпадения позволяют предполагать, что такие континенты когда-то соединялись.
  3. Ископаемые животные и растения, которые должны были жить в теплом климате, встречаются на некоторых континентах на таких широтах, где современный климат гораздо холоднее.
  4. Убедительные доказательства широкого распространения древних ледников встречаются в породах, возраст которых около 250–300 миллионов лет, в восточной части Южной Америки, в Южной Африке, Индии, Австралии, на таких широтах, где сейчас теплый климат препятствует образованию ледников. Подобные следы древнего оледенения найдены в Антарктиде, где ледники существуют и ныне. Представляется, что все эти континенты были некогда частями одного континента, который распался на куски. Они двигались порознь. Некоторые из них переместились в более теплые климатические пояса, а Антарктида заняла свое исключительное положение на Южном полюсе.
  5. Во многих пластах содержатся свидетельства того, что континенты переместились по отношению к магнитному Северному полюсу. Это положение требует разъяснения.

Магнитные данные. Если мы хотим знать точное направление, мы пользуемся компасом. Стрелка, будучи намагниченной, располагается вдоль линий магнитного поля Земли; она указывает на магнитный Северный полюс. Подобно этому, некоторые горные породы являются естественными компасами. Переносящиеся водным потоком кристаллы магнитных железистых минералов, соответствующие по размеру частицам песка или алеврита, ведут себя подобным же образом. Когда они осаждаются в русле, они ориентируются вдоль линий север–юг, и во многих случаях эта ориентировка сохраняется, даже когда осадок в конце концов становится осадочной породой.

Подобное воздействие претерпевают магнитные железистые минералы в магматических породах, например, в базальтах. Когда магма или лава остывает, она достигает такой температуры, ниже которой эти минералы могут приобрести намагниченность, параллельную магнитному полю Земли. Эта магнитная ориентировка (не имеющая ничего общего с ориентировкой самого кристалла в породе) сохраняет ориентировку магнитного поля, существовавшего тогда, когда остывали породы. Такие железистые минералы представляют собой как бы стрелки компасов, указывающие положение магнитного полюса.

Ученые обнаружили указатели прежнего направления магнитного поля в слоях различного возраста и не поленились измерить их в сотнях точек и в целой серии различных стратиграфических горизонтов (соответствующих серии различных моментов времени в прошлом). Результирующие направления отличаются от тех, которые компас показывает в этих же точках в настоящее время. Подобные направления свидетельствуют, что по крайней мере за последние 200 миллионов лет или около того континенты испытали значительные перемещения не только по отношению к полюсу, но и по отношению друг к другу. Путь, пройденный тем или другим континентом, может быть прослежен,по крайней мере в общих чертах, если не вполне точно.

В ходе исследований ориентировки древнего магнитного поля выявился поразительный факт. Было обнаружено, что во многих слоях Земли, накопившихся за последние несколько миллионов лет (промежуток времени, охваченный исследованиями), намагниченность частиц обратна современной.

Магнитные частицы в породах указывают в сторону не Северного, а Южного полюса. Радиометрические датировки тех же пластов показывают, что обратная ориентировка фиксируется на всем земном шаре в одни и те же промежутки времени. Очевидно, в это время само магнитное поле Земли, контролирующее эту ориентировку, имело обратное направление, и два его полюса менялись местами. Такие «обращения» магнитного поля происходили неоднократно.

Что заставляло магнитное поле изменять направление? Мы пока не знаем, но предполагается, что изменения могли быть вызваны движениями в жидкой части железосодержащего ядра Земли. Во всяком случае, они проявлялись на всей Земле сразу.

Рис. 20. Хронологическая шкала обращений магнитного поля Земли, построенная по данным радиометрических определений возраста пород, для которых измерялось направление намагниченности.

Оказалось возможным построить календарь изменений магнитного поля для всего земного шара. Этот календарь (рис. 20) показывает промежутки времени, в течение которых магнитное поле было нормальным (таким, как в нынешнее время), и промежутки, когда оно было обращенным. Обращения (инверсии) магнитного поля Земли, открытие которых сделало возможным создание указанного календаря, представляют собой явление, совершенно отличное от колебаний ориентировки магнитного поля, измерения которых легли в основу вывода о движении континентов.

Сравнивая магнитный календарь с геохронологической шкалой (табл. 1), можно увидеть, что отрезок времени длиной в 4,5 миллиона лет, который охватывает этот календарь, включает весь голоцен, весь плейстоцен и часть плиоцена. Вооруженные знанием того, что магнитные обращения случаются и запечатлеваются в ориентировке магнитного поля в затвердевших базальтах на континентах, мы можем теперь воспользоваться этим при рассмотрении магнитной ориентировки базальтов на дне океана.

Срединные океанические рифты. Самым замечательным в серии открытий, сделанных после 1950 г. в изучении океана, было признание того, что дно океана не представляет собой плоскую монотонную равнину; формы его так же разнообразны, как и формы поверхности континентов. Среди многих форм есть и глубокий рифт – долина, продолжающаяся почти непрерывно на протяжении более 6000 километров, местами глубиной более 1000 метров, которая делит на две части Атлантический океан (рис. 22) и пересекает Индийский и Тихий океаны.

Рис. 21. Широтный профиль дна средней части Атлантического океана. Виден рифт (в данном месте глубиной около 1800 метров), по которому происходит поднятие базальтовых лав.

Рифт занимает центральную, наиболее приподнятую часть срединного океанического хребта. Это странное соотношение отчетливо видно на рисунке 21. Рифт гораздо глубже глубокой долины, изображенной на этом рисунке, он продолжается под поверхностью на 50–100 километров в глубь Земли, и по всей его длине на поверхность дна океана поступает огромное количество тепла из глубин.

Рис. 22. Рифт, разделяющий на две части дно Атлантического океана. Он разбит на отдельные фрагменты, смещенные влево или вправо по поперечным линиям, представляющим собой разломы, которые продолжаются в глубь земной коры. Продолжение рифта за пределами Атлантического океана смотри на рисунке 25.

Под тонким покровом рыхлых осадков, выстилающих большую часть дна глубоководных областей океана, по обеим сторонам рифта ложе океана сложено базальтами. Когда исследовательские корабли, оборудованные магнитометрами, начали производить измерения магнитной полярности базальтов, слагающих дно океана на глубине несколько километров, курсируя в западном и восточном направлениях поперек зоны рифта на сотни километров, магнитометрическая съемка дала поразительные результаты. Оказалось, что на дне выявляются чередующиеся полосы, или зоны нормальной (северной) и обращенной (южной) намагниченности. Эти полосы параллельны рифту, причем на различных сторонах рифта они представляют зеркальное отображение (рис. 23). Последовательность узких и широких полос совпадает с верхней частью календаря изменений магнитного поля Земли, изображенного на рисунке 20. Основываясь на этом совпадении, возраст каждой полосы можно считать таким же, как возраст соответствующего подразделения указанного календаря. Самые молодые полосы базальта залегают непосредственно вблизи рифта, к ним примыкают более древние. С удалением от рифта вправо и влево мы встречаем все более и более древние полосы.

Рис. 23. Схема, показывающая полосчатое строение базальтов, образующихся в зоне срединно-океанического рифта при затвердевании поднимающейся магмы (показанной широкой стрелкой). Базальт постоянно перемещается вправо и влево от зоны рифта (показано тонкими стрелками) по мере наращивания Дна океана. Каждая полоска сохраняет направление магнитной полярности, приобретенное ею при затвердевании. Штриховкой показаны полосы с нормальной намагниченностью, светлые полосы имеют обращенную намагниченность.

Эта поразительная закономерность может обозначать лишь одно обстоятельство. Очевидно, происходит непрерывное образование новой земной коры в результате затвердевания лавы, поднимающейся из глубин в зоне рифта. Кора должна перемещаться из области рифта в противоположных направлениях, часть к западу, а часть к востоку, как два конвейера, движущиеся наружу от общей оси (рис. 24). Вновь образующаяся лава сохраняет нормальную или обращенную полярность, которая запечатлевается в ней в результате воздействия магнитного поля Земли в момент остывания. Каждый раз, когда поле Земли меняет ориентировку на обратную, начинается новая зона. Происходит это потому, что зоны выделяются не по составу лавы (которая, постоянно поднимаясь и застывая, всегда имеет одинаковый состав), но исключительно по полярности зерен магнитных минералов, содержащихся в ней. Другими словами, без магнитометрической съемки мы не могли бы выделить этих полос.

Рис. 24. Серия из четырех конвейеров, движущихся во взаимно противоположных направлениях. Сравните рис. 23.

Какова же скорость этого необычайного процесса? Современная скорость рассчитывается по шкале магнитных обращений (рис. 20), и оказалось, что кора в западной части Атлантического океана движется сейчас на северо-запад со скоростью 1–2 сантиметра в год.

Если мы примем скорость постоянной и равной 1,5 см/год, то одно только перемещение этой части должно было расширить Атлантический океан за последние 100 миллионов лет на 1500 километров. Движение восточной окраины рифта на восток должно было еще больше увеличить ширину Атлантики. Действительно, имеются доказательства того, что 150–200 миллионов лет назад (то есть в позднетриасовое, или раннеюрское, время) Атлантический океан не существовал, а восточный берег Северной Америки, имел жесткое соединение с северо-западной Африкой.

Однако кора в области Атлантики движется сравнительно медленно. Расчеты с помощью шкалы обращений магнитного поля Земли показывают, что в Индийском океане скорость движения достигает 3 см/год, а в некоторых частях Тихого – 6 см/год и более. Ширина черных полос на рисунке 25 показывает площади новообразованной коры вдоль срединно-океанических рифтов за последние 10 миллионов лет. По ним можно судить об относительной скорости движения в различных океанах.

Посмотрев еще раз на рисунок 22, мы увидим множество линий, направленных с востока на запад, по которым Атлантический рифт подвергся смещению. Эти отчетливые, глубоко проникающие разрывы вызваны напряжениями, возникающими в коре под действием противоположно направленных движений. Они представляют собой одну из разновидностей геологических образований, называемых разломами. Трение при движении блоков коры по разломам является причиной многочисленных землетрясений.

Система желобов и горных цепей. Таким образом, ясно, что части земной коры движутся. Движутся не только сами континенты, но и целые плиты земной коры толщиной от 50 до 100 километров, на «спине» которых плавают континенты. Можно сравнить плиту коры, несущую на себе частично погруженный в нее континент, с широкой глыбой льда, в которую вмерзло бревно и которая плавает в озере вместе с другими льдинами.

Ширина черных полос показывает ширину зон земной коры, образовавшихся за последние 10 миллионов лет. Общая площадь этих зон составляет 5% площади поверхности Земли. За это время такие же по площади участки коры подверглись разрушению, погрузившись в недра Земли (в областях, показанных штриховкой). Проекция карты выбрана таким образом, чтобы сохранить масштаб по возможности одинаковым.

Но куда движутся континенты? Если материал коры создается одна полоса за другой, в области срединно-океанических рифтов, то что-то, видимо, должно происходить с корой, чтобы размеры ее не увеличивались и соответствовали размерам Земли. Где-то она должна разрушаться с такой же скоростью, с какой она создается.

Рис. 25. Главные плиты коры движутся, как показано стрелками, удаляясь от рифтовых зон (черные полосы), в которых происходит поднятие лавы, и по направлению к зонам (заштрихованные полосы), где происходит медленное погружение корового вещества в глубь тела Земли.

Участки ее разрушения не трудно найти. Вокруг всего земного шара прослеживается система узких длинных полос, показанных штриховкой на рисунке 25. Они тянутся от Антарктиды к мысу Горн, вдоль западных окраин обеих Америк, через Алеутские острова, Японию, Филиппины, Новую Гвинею и Новую Зеландию. Ветвь, отходящая от этой системы, тянется на запад, через Индонезию, Гималаи, Иран, Турцию и область Средиземноморья.

Эта огромная система состоит из трех элементов: 1) глубоководные желобы на дне океана, достигающие 11 километров глубины – величина, превосходящая высоту самых высоких гор; 2) дугообразные ряды вулканических островов, подобные ожерелью; 3) длинные цепи высочайших гор Земли. Цепь, которую образуют все три элемента, представляет собой зону нестабильности. Нестабильность указанной зоны убедительно доказывает тот факт, что почти все самые сильные и самые глубокие землетрясения происходят в данной зоне. Наиболее значительными землетрясениями последнего времени были землетрясения в Чили, Калифорнии, Аляске, Иране и Турции.

Рис. 26. Схема, показывающая образование и разрушение земной коры и столкновения плит коры. Видны участки четырех плит (А, Б, В, Г); стрелками показано направление их движения. Океанический рифт (Р) осложнен разломами. В краевой части плиты А на модели прорезано отверстие, через которое видно, что в передней части плита Б погружается под плиту А, а в задней части соотношение обратное. В другом случае столкновения плита В погружается под плиту Г.
Столкновение плит сопровождается землетрясениями и горообразованием. Масштаб схемы не выдержан. Длина соответствующего ей участка земной коры может достигать 5000 км. Континенты на схеме не показаны.(Р.Ф. Флинт излагает тектоническую теорию плит. Эта теория пользуется большим распространением, но не является единственной. – Прим. ред.)

В целом эта гигантская цепь дополняет собой океанический рифт огромной протяженности. С обеих сторон к ней движутся плиты коры. Они изгибаются вниз и поглощаются Землей и в глубине переплавляются (рис. 26), подобно восковой свече, которую держат горизонтально и медленно вводят в горячее пламя. Разрушение в результате плавления на одном конце происходит с такой же скоростью, с какой образуется кора на другом конце. Поэтому общая площадь коры остается постоянной. Процессы образования коры приурочены к океаническим рифтам, а процессы ее разрушения – к системе желобов и гор. На обширных площадях между этими зонами процессы происходят не так активно и состоят главным образом в эродировании пород, накоплении осадков и постепенном поднятии или прогибании земной коры.

Геометрия плит коры. Мы сравнивали плиты коры, часть из которых показана на рисунке 25, с отдельными частями головоломки. Сравнение не слишком близкое, так как части головоломки сохраняют свои контуры, а плиты коры надстраиваются с «хвостовой стороны» и разрушаются путем расплавления с переднего края. Поэтому их форма не остается постоянной. Некоторые из них сейчас, возможно, представляют лишь осколки существовавших ранее, а другие (как, например, Евразия) могут состоять из нескольких более древних плит, спаянных воедино. Аналогия с конвейерной лентой хотя и полезная, но тоже не очень близкая, поскольку плиты поворачиваются. Например, различная ширина черных полос на, рисунке 25 показывает, что в течение последних 10 миллионов лет Тихоокеанская плита повернулась по часовой стрелке. В этом отношении плиты в большей степени напоминают огромные льдины, которые движутся по течению в озере, постоянно соприкасаясь и сталкиваясь друг с другом, и медленно поворачиваясь, и даже тая по краям, и снова замерзая. Очень вероятно, что цепи высочайших гор Земли являются результатами столкновений между плитами коры. Например, система Альп, обнаруживающая признаки сильного изгибания, смятия и выжимания пластов, некогда горизонтальных, могла быть образована при столкновении движущейся к северу Африканской плиты с Евразийской. Таким же образом Гималаи могли образоваться при столкновении Индийской плиты с Евразийской. Гималаи все еще активны, поднимаясь со скоростью около 30 сантиметров в столетие. Слои осадочных пород, типичных для многих континентальных шельфов (рис. 16), не могли бы выдержать, окажись они зажатыми между двумя огромными массами, каждая толщиной в десятки километров, сближающимися хотя и медленно, но с огромной инерцией. Маленькая лодка, зажатая между двумя тяжело груженными баржами, скорее всего будет раздавлена до неузнаваемости, хотя бы баржи и двигались со скоростью менее 6–8 километров в час.

Когда мы говорим о баржах, плавающих в воде, мы должны помнить, что мы описываем не континенты, свободно плавающие и движущиеся в базальтах. Мы говорим о толстых плитах базальта, которые движутся в каком-то еще более тяжелом веществе, залегающем ниже, и несут на себе континенты. Поэтому по линии желобов и хребтов сталкиваются не только континенты, но и целые толстые плиты коры с покровом глубоководных осадков, описанных в пятой главе. Некоторые горы (как, например, Альпы) включают большие массивы метаморфических пород, химический состав которых указывает на принадлежность их к глубоководным океаническим отложениям, подвергшимся сжатию. Эти осадки были слишком легкими, чтобы погружаться, и вероятно, нагромождались вдоль желоба, по мере того как базальтовая плита, подстилавшая их, погружалась в глубины Земли. Подобно пене, плавающей на поверхности воды, эти отложения продолжали плавать и в результате подверглись такому интенсивному сжатию, что были превращены в метаморфические породы.

С помощью магнитных данных, которые мы описали раньше и которые показывают положение магнитных полюсов в прошлом, мы можем проследить, возвращаясь в прошлое время, вероятное положение континентов до 100 миллионов лет назад, то есть до мелового времени. Тогда континенты находились ближе друг к другу, чем сейчас, и Атлантический океан был гораздо уже. Попытки проследить движение дальше в глубь времен (до ранней юры или еще более раннего времени) дали нам гораздо менее четкие результаты. Одна из карт мира, восстанавливающая ситуацию, которая могла бы быть 200 миллионов лет назад (рис. 27), показывает современные континенты объединенными в единый «мировой континент», который затем распался на куски, как подтаявший весной лед на озере. На рисунке показаны предполагаемые пути движения отдельных кусков, по которым они достигли своего современного положения.

Рис. 27. Карта, иллюстрирующая пока еще не доказанное положение о том, что около 200 миллионов лет назад (в начале юрского периода) на Земле существовал; огромный единый континентальный массив, который затем распался на плиты. Последние перемещались в направлениях, указанных стрелками, и создали существующие ныне континенты. Подбор соответствующих друг другу фрагментов проводился с помощью ЭВМ.

Какой бы интересной и многообещающей ни была эта карта, нужно отдавать себе отчет в том, что она пока целиком принадлежит к области теоретических построений. Однако сами плиты, возможно, гораздо старше 200 миллионов лет. Действительно, они могли впервые образоваться уже 2,5 миллиарда лет назад. Если это так, то период их существования охватывал больше половины всей истории Земли.

Что заставляет их двигаться? Читатель не может представить себе этот подвижный ряд рифтов, желобов, движущихся плит коры и горных цепей, не задаваясь вопросом, что же заставляет их двигаться? Каков механизм этого движения и откуда берутся огромные запасы энергии, управляющие им? Имея представление о системе в целом, мы не знаем, что заставляет ее работать. Несомненно, энергия ее имеет своим источником внутреннее тепло, которое поступает на поверхность интенсивнее всего в области океанических рифтов. Представляется вероятным, что большая часть этого тепла создается радиоактивным распадом во внешней части тела Земли.

Но если даже внутреннее тепло действительно дает необходимую энергию, каким образом эта энергия приводит в движение плиты коры? Было предложено несколько объяснений. Одно объяснение, получившее широкую поддержку, – это механизм конвекции, процесс, который можно наблюдать в кастрюле с очень густым супом, нагретым до кипения. Нагреваясь у дна кастрюли, жидкость медленно поднимается, образуя беспорядочно размещенные вертикальные токи или ячейки. Достигая поверхности, она охлаждается, растекается и опускается в других местах, освобождая место для поднимающихся более горячих масс.

Предполагается, что конвекция происходит в мантии Земли. В простейшем виде эта идея заключается в следующем: медленно поднимаясь в области океанических рифтов, тяжелое вещество, обладающее свойствами жидкости, достигает коры и растекается под ней. Удаляясь от рифтов, оно увлекает с собой расположенные выше плиты коры. Области под желобами и горными цепями соответствуют опускающимся звеньям конвекционной системы. Текучее вещество мантии, несколько охлажденное, опускается, уравновешивая восходящий поток нагретого вещества в области рифтов.

Представление об этом механизме является чисто гипотетическим и вызывает серьезные возражения. Предлагались и другие, менее простые объяснения. Но нам придется подождать, пока возникнет более совершенная идея, которая удовлетворит большинство ученых.

Теперь, когда мы представили себе движение плит коры, мы видим более ясно, каким образом гранитные породы континентов отделяются от более тяжелых базальтовых пород. Плиты коры, состоящие из базальтов с включенными в них более легкими материковыми породами, опускаются по системам желобов. Погрузившись на достаточно большую глубину, они частично расплавляются, образуя более легкую магму, чем чисто базальтовая. Эта магма, естественно, стремится двигаться к поверхности, и образовавшиеся породы в конце концов подвергаются химической сортировке процессами выветривания. Таким образом, движение плит способствует тому, что с течением времени континентальная кора делается легче и приближается по своему составу к гранитам.

Предыдущая | Оглавление | Следующая