Александр Волков
100 великих тайн Земли
Сдвигаются ли «горячие точки»?
Вся планета неизменно пребывает в движении. Все литосферные плиты, составляющие зримую поверхность Земли, перемещаются в разные стороны. «Горячие точки» считались единственными «твердыми опорами» в этом неустойчивом мире. Однако новые открытия заставляют усомниться в этой догме. Может быть, всю теорию глобальной тектоники плит придется переписывать заново?
«Горячими точками» называют центры вулканической активности, расположенные вдали от краев литосферных плит. Впервые об их существовании заговорил полвека назад Джон Тьюзо Уилсон. Температура участка мантии, расположенного непосредственно под «горячей точкой», заметно выше, чем соседних участков. Раскаленная струя вещества постепенно прорезает литосферную плиту и изливается на поверхность Земли. Образуется вулкан. Ну а поскольку плиты постоянно движутся, эта струя, в конце концов, оказывается в стороне от него. Плита ведь переместилась вперед. Тогда струя прорезает надвинувшуюся на нее часть плиты и снова пробивается наверх. Так появляется новый вулкан, в стороне от первого. Чаще всего подобный вулкан возникает на дне океана, поскольку здесь земная кора заметно тоньше, чем на суше. Однако он выбрасывает такое количество лавы, что вокруг него образуется целый остров. Со временем процессы эрозии разрушают и сам вулкан, и остров из отвердевшей лавы, что возник возле него. Через миллионы лет морская гладь поглощает весь этот истертый ветром и водой клочок суши. Такова, например, и судьба Гавайских островов.
Уже к концу 1970-х годов большинство геологов приняли эту гипотезу. Ведь она могла объяснить многие детали глобальной тектоники плит, остававшиеся еще непонятными. Почему, например, вулканы образуются не только по краям литосферных плит, но и посреди них?
Точное количество «горячих точек» неизвестно, поскольку геофизики пока не научились выявлять небольшие мантийные струи. Поэтому в научной литературе бытуют разные цифры. Однозначно – путем сейсмологических наблюдений – обнаружено примерно полсотни мантийных струй и соответственно «горячих точек». Они располагаются по всему земному шару – от Канарских островов до Йеллоустона, от Азорских островов до островов Галапагос.
Одна из «горячих» точек Земли– Гавайские острова. Вид из космоса
«Горячие точки» очень заинтересовали ученых, занимающихся палеогеографией. По тому, как на протяжении миллионов лет менялось расположение вулканов, вытянувшихся теперь в виде цепочки островов, можно реконструировать скорость движения литосферных плит. Так, в случае с Гавайскими островами она равняется сейчас 8,5 сантиметра в год. Около 400 тысяч лет назад прямо над «горячей точкой» находился остров Гавайи, крупнейший остров архипелага, а 3 миллиона 700 тысяч лет назад над ней располагался остров Оаху.
Сейчас «горячая точка» находится примерно в 35 километрах от острова Гавайи, в районе подводного вулкана Лоихи. Здесь еще нет острова, он только растет, его контуры лишь угадываются под водой. Пока от поверхности моря его отделяет 900 метров. Но, по расчетам геологов, уже через несколько миллионов лет вершина вулканического конуса, образовавшегося здесь, будет возвышаться над океаном на 4000 метров. В общей сложности его высота, если учесть подводную часть, достигнет 10 тысяч метров. Это больше, чем высота Джомолунгмы, величайшей горы нашей планеты, но зато примерно соответствует высоте вулкана Мауна-Кеа, лежащего на острове Гавайи (опять же отсчет надо вести от морского дна). Это полное подобие двух вулканов – реального и пока еще смоделированного, – возможно, когда-нибудь подтвердит гипотезу Уилсона, который предположил, что формирование и рост всех островов, образовавшихся возле одной и той же «горячей точки», протекает всегда по одной и той же схеме, всегда одинаково.
Различный возраст отдельных Гавайских островов проявляется еще и в том, что они пребывают на разных стадиях эрозионного разрушения. Если самый молодой из них – остров Гавайи – в результате регулярных вулканических извержений все еще продолжает расти, то острова, лежащие к северо-западу от него, уже заметно тронуты эрозией и разрушены.
Интерес вызывает и форма вулканической цепочки. По ней можно судить о том, как менялось направление движения литосферной плиты. Например, Гавайские острова изогнуты таким образом, что это позволило некоторым ученым предположить: около 43 миллионов лет назад Тихоокеанская плита столкнулась с другой плитой. Однако никаких иных видимых признаков коллизии не удалось выявить. Но, может быть, не стоит «громоздить Пелион на Оссу»? И это не плиту шатало из стороны в сторону, а перемещалась «горячая точка»?
Всякий раз, выполняя подобные расчеты, ученые делают одно принципиально важное допущение: они полагают, что передвигаются только литосферные плиты, в то время как сама мантийная струя остается на одном и том же месте. Но так ли это?
В последние годы поставлена под сомнение даже история возникновения Гавайских островов – парадный пример теории «горячих точек». Американские геофизики Джон Тардуно и Рори Коттрелл предположили, что на самом деле эта «горячая точка» перемещается с весьма внушительной скоростью 3—4 сантиметра в год. Примерно так же быстро движутся и литосферные плиты.
Прежде чем прийти к такому выводу, Тардуно и Коттрелл исследовали магнитные характеристики вулканических пород, выброшенных гавайскими вулканами. Ведь, как мы уже отмечали, некоторые минералы могут указывать, каким было направление магнитного поля Земли в момент их застывания. На экваторе силовые линии магнитного поля располагаются горизонтально, а чем дальше, к северу или югу, – тем заметнее они отклоняются от горизонтали. Это и позволило установить, что 75 миллионов лет назад «горячая точка» Гавайских островов находилась на 35° северной широты (сегодня – на 19°).
Такие же геомагнитные исследования позволили установить, что большая часть «горячих точек» когда-то находилась вовсе не на той широте, что теперь. Вполне может быть, что все эти точки перемещаются по поверхности Земли. Очевидно, мантийные потоки не устремляются ввысь, как стрела, а отклоняются в стороны, покачиваются, как языки пламени на ветру.
Но эта догадка грозит пошатнуть многие устоявшиеся теории. Ведь ученые реконструируют положение континентов в далеком прошлом, исходя из того, что «горячие точки» неизменно находятся на одном и том же месте. Они – точки отсчета, позволяющие восстановить, когда и куда переместилась та или иная плита. Однако если сами эти точки оказываются то здесь, то там, то и все расчеты летят в тартарары. В таком случае ошибочны все наши представления о далеком прошлом Земли. Это касается и истории климата, и перемещений магнитных полюсов, и много другого. Пошатнулось здание геологии, словно и под ним разверзлась твердь земная, прожженная насквозь «горячей точкой» науки…
Стоит добавить, что в общей сложности как минимум 10 % всей поверхности нашей планеты, а по некоторым предположениям, даже 40 % так или иначе подверглись воздействию излившихся на нее мантийных потоков вещества. Геологическая роль их так велика, а их проявления так разнообразны, что некоторые ученые полагают, будто сама гипотеза мантийных струй и «горячих точек» ошибочна, а значит, многие феномены, обязанные им своим происхождением, имеют совсем другую природу. Но справедливы ли сомнения этих скептиков?
Почему Америка до сих пор не утонула?
Итак, мы изучили недра Земли хуже, чем поверхность Марса или Луны. Под нашими ногами простираются сплошные белые пятна. Конечно, основной закон геофизики нам давно известен: более плотные участки земной коры, плавая в слое верхней мантии – астеносфере, глубже погружаются в нее, чем менее плотные, подобно тому как громадные военные корабли глубже оседают в волнах, чем рыбачьи фелюги. Это не что иное, как закон Архимеда, примененный к земной коре. Определенную роль в этом гидростатически равновесном состоянии играет и температура ее нижних слоев. Чем сильнее они разогреты, тем выше континент вздымается над уровнем моря. Однако до сих пор этот показатель почти не использовался для описания рельефа различных районов планеты.
Обычно специалисты, объясняя топографию континентов, учитывают лишь, как движутся литосферные плиты и из каких пород они сложены. Соответственно, чем массивнее «подземная часть» континента, тем выше на его поверхности вздымаются горы. Измерения, проводившиеся в Альпах, подтвердили это. «Корни» альпийских гор уходят в глубь Земли в два раза дальше, чем остов других частей Европы.
Но есть немало примеров, которые не укладываются в эту схему. Скажем, плато Колорадо в США (его преобладающие высоты – от 1800 до 2500 метров) и Великие равнины, простирающиеся к востоку от Скалистых гор, сложены из одних и тех же пород, но перепад высот между ними составляет около полутора тысяч метров.
Тем любопытнее работа, которую опубликовали недавно Деррик Хэстерок и Дэвид Чепмен из университета штата Юта на страницах Journal of Geophysical Research.Ее название – «Континентальная термальная изостазия. – Часть первая: методы и чувствительность». Как правило, научная статья под таким заголовком не избалована вниманием широкой публики. И даже среди геологов немногие зачитываются такого рода теоретическими рассуждениями. Поэтому, чтобы пробудить интерес к своей работе Чепмен и Хэстерок нашли любопытный ход. Они сопроводили сугубо научный материал увлекательным приложением под заголовком «Часть вторая: применительно к Северной Америке», где живописали картину далекого будущего.
Под Колорадо температура недр на глубине 30км составляет около 650°С, в то время как под Великими равнинами– 500°С
Как оказалось, земная кора под Северной Америкой разогрета сильнее, чем ожидали. В принципе, недра Земли напоминают… очень вязкую кашу, которая варится на костре. Тепло, притекающее из глубины планеты, а также выделяющееся при распаде радиоактивных элементов, не дает этому «костру» погаснуть. Благодаря конвективным потокам «варево» постоянно, хоть и очень медленно перемешивается. Этот перенос тепла из недр Земли к поверхности – основной мотор тектоники плит; кроме того, данный процесс еще и определяет облик континентов.
Ученых особенно поразило то, что картина температурных перепадов в недрах Северной Америки точно соответствует рельефу материка. Чем сильнее разогреты породы (прежде всего, за счет распада радиоактивных элементов), тем выше рельеф в этой части Америки. Так, под Колорадо температура недр на глубине 30 километров составляет около 650 °С, в то время как под Великими равнинами – 500 °С. Поэтому плотность пород, слагающих земную кору под Колорадским плато, заметно ниже, «и она, подобно пробке, всплывает», – образно поясняет Хэстерок. Слои земной коры вспучились, образовав на поверхности плоскогорье. «А вот на севере Канады ничего похожего не наблюдается. Возраст земной коры там составляет 3 миллиарда лет, и потому она давно остыла».
В принципе, геологи еще несколько десятилетий назад, изучая процессы, протекающие на дне океанов, осознали, что температура верхних слоев мантии и нижней части земной коры играет важную роль в тектонике.Для литосферных плит, слагающих дно океанов, этот эффект хорошо известен. Ведь по дну тянутся срединно-океанические хребты высотой в несколько тысяч метров. Однако, если обратиться к традиционной схеме тектонических процессов, подобный рельеф никак не мог возникнуть, поскольку при движении плит земная кора растягивается и горы могут образоваться лишь там, где две плиты сталкиваются друг с другом. Так что ученым пришлось искать другое объяснение. И они нашли его, обратив внимание на то, что в районе подводных хребтов к поверхности земли поднимаются потоки раскаленной магмы, создавая новые участки земной коры. Их плотность мала; они вспучиваются, образуя подводные горы.
Однако геология континентов гораздо сложнее, и до сих пор ученые почти не принимали во внимание температурные эффекты, анализируя особенности рельефа.Между тем, как явствует из расчетов Чепмена и Хэстерока, если бы не влияние температуры, то большая часть Северной Америки скрылась бы под водой. Например, Атланта находилась бы на глубине 430 метров, Чикаго – почти в 700 метрах ниже уровня моря, а Лас-Вегас опустился бы даже на глубину 1300 метров. Лишь Скалистые горы, Сьерра-Невада и Каскадные горы на северо-западном побережье США островками выглядывали бы над поверхностью океана.
В своей работе Чепмен и Хэстерок поделили США на «тектонические провинции», то есть районы, лежащие на слоях породы одинаковой толщины и одного и того же состава. «Такой подход позволил исключить влияние этих характеристик земной коры из наших расчетов и оценить, как влияет температура нижележащих слоев породы на высоту той или иной местности», – подчеркивает Чепмен. Очевидно, плавучая сила, удерживающая континенты, лишь на 50 % обусловлена составом пород, слагающих земную кору, и на 50 % – температурой, к такому выводу пришли ученые.
Дело осталось за малым – за научным прогнозом. Чепмен и Хэстерок обратились к справочным данным – положению крупнейших городов Америки над уровнем моря – и вычли из этих цифр влияние температуры, предположив, что всюду под Северной Америкой земная кора остыла точно так же, как и на севере Канады. Сразу же географическая карта этой части мира стала выглядеть совершенно иначе. На месте третьего по величине континента Земли отныне пролегала лишь узкая полоска суши, покрытая горами, и несколько небольших островов, омываемых водами Тихого и Атлантического океанов. Где-то на дне – тайной двух океанов – упокоились Нью-Йорк (434 метра ниже уровня моря) и Новый Орлеан (– 730 метров), Бостон (– 555 метров) и Лос-Анджелес (– 1145 метров), или что там от них осталось.
Особый случай представляет северо-западное побережье США. Здесь под континентальную Северо-Американскую плиту «подныривает» плита Хуан-де-Фука. Последняя давно мешает притоку тепла из недр к поверхности Земли, а потому земная кора здесь очень охлаждена. Так что эта часть США непременно поднимется над уровнем моря, когда температура недр на всей территории страны выравняется. Если сейчас Сиэтл лежит на уровне моря, то после мысленного эксперимента, который проделали над ним ученые, он оказался в горах – на высоте 1800 метров.
Подводим итоги: Америка до сих пор не утонула! Обетованная земля, воспарившая на гребне незримого огня…
Если же без шуток, то геологи из Юты сделали важный шаг на пути к созданию целостной картины динамических процессов, протекающих в недрах нашей планеты. Можно лишь сожалеть, что результаты, полученные ими для Северной Америки, невозможно применить к другим континентам, ведь геология каждого из них уникальна, и всякий раз ученым придется заново описывать процессы, происходящие в недрах Земли, и измерять температуру слоев, лежащих на границе мантии и земной коры.
Как возникает магнитное поле Земли?
Если бы у Земли не было магнитного поля, то и сама она, и мир живых организмов, населяющих ее, выглядели бы совсем иначе. Магнитосфера, словно громадный защитный экран, оберегает планету от космического излучения, которое беспрерывно обрушивается на нее. О мощности потока заряженных частиц, исходящего не только от Солнца, но и от других небесных тел, можно судить по тому, как деформировано магнитное поле Земли. Например, под напором солнечного ветра силовые линии поля с той его стороны, что обращена к Солнцу, прижаты к Земле, а с противоположной стороны развеваются, словно кометный хвост. Как показывают наблюдения, магнитосфера простирается на 70—80 тысяч километров в сторону Солнца и на многие миллионы километров в противоположном от него направлении.
Надежнее всего этот экран выполняет свои функции там, где он менее всего деформирован, где он располагается параллельно поверхности Земли или слегка наклонен к ней: в районе экватора или в умеренных широтах. А вот ближе к полюсам в нем обнаруживаются изъяны. Космическое излучение проникает к поверхности Земли и, сталкиваясь в ионосфере с заряженными частицами (ионами) воздушной оболочки, порождает красочный эффект – сполохи полярного сияния. Если бы этого экрана не было, космическая радиация беспрерывно бы проникала к поверхности планеты и вызывала мутации генетического наследия живых организмов. Лабораторные эксперименты показывают также, что отсутствие земного магнетизма отрицательно сказывается на формировании и росте живых тканей.
Загадки магнитного поля Земли тесно связаны с его происхождением. Наша планета вовсе не напоминает собой стержневой магнит. Ее магнитное поле устроено гораздо сложнее. Есть разные теории, объясняющие, почему Земля обладает этим полем. Ведь для того, чтобы оно существовало, необходимо, чтобы было выполнено одно из двух условий: либо внутри планеты располагается громадный «магнит» – некое намагниченное тело (долгое время ученые так и считали), либо там протекает электрический ток.
В последнее время наиболее популярна теория земной «динамо-машины». Еще в середине 1940-х годов ее предложил советский физик Я.И. Френкель. На 90 с лишним процентов магнитное поле Земли генерируется за счет работы этой «динамо-машины». Оставшуюся его часть создают намагниченные минералы, содержащиеся в земной коре.
Компьютерная модель магнитного поля Земли
Как же возникает магнитное поле Земли? На расстоянии примерно 2900 километров от ее поверхности начинается земное ядро – та область планеты, до которой никогда не удастся добраться исследователям. Ядро состоит из двух частей: твердого внутреннего ядра, спрессованного под давлением 2 миллиона атмосфер и содержащего в основном железо, а также расплавленной внешней части, которая ведет себя очень хаотично. Этот расплав железа и никеля постоянно пребывает в движении. Магнитное поле и создается за счет конвективных потоков во внешнем ядре. Эти потоки поддерживаются благодаря заметному перепаду температур между твердым внутренним ядром и мантией Земли.
Внутренняя часть ядра вращается быстрее внешней и играет роль ротора – вращающейся части электрогенератора, в то время как внешняя – роль статора (его неподвижной части). В расплавленном веществе внешнего ядра возбуждается электрический ток, который, в свою очередь, порождает мощное магнитное поле. Это и есть принцип динамо-машины. Иными словами, земное ядро представляет собой громадный электромагнит. Силовые линии созданного им магнитного поля начинаются в районе одного полюса Земли и заканчиваются в районе другого полюса. Форма и интенсивность этих линий варьируются.
Зародилось же магнитное поле Земли, как полагают ученые, еще в ту пору, когда только шло формирование планеты. Возможно, решающую роль сыграло Солнце. Оно запустило эту природную «динамо-машину», которая продолжает свою работу и теперь.
Ядро окружено мантией. Ее нижние слои находятся под большим давлением и разогреты до очень высоких температур. На границе, разделяющей мантию и ядро, протекают интенсивные процессы теплообмена. Перенос тепла играет ключевую роль. К более холодной мантии притекает тепло из раскаленного ядра Земли, и это сказывается на конвективных потоках в самом ядре, меняет их.
В зонах субдукции, например, участки морского дна опускаются в глубь Земли, почти достигая границы, разделяющей мантию и ядро. Эти куски литосферных плит, «отправленные» на переплавку в недра планеты, заметно холоднее той части мантии, где оказались. Они охлаждают окружающие их области мантии, и сюда начинает перетекать тепло со стороны ядра Земли. Процесс этот очень длительный. Расчеты показывают, что порой лишь по прошествии сотен миллионов лет температура охлажденных областей мантии выравнивается.
В свою очередь, раскаленное вещество, поднимаясь в виде громадных струй от границы, разделяющей мантию и ядро, достигает поверхности планеты. Этот круговорот вещества, эти сложные процессы перетекания вверх-вниз, на «лифте Земли» то раскаленного, то очень холодного вещества, несомненно, влияют на работу природной «динамо-машины». Рано или поздно она сбивается с привычного ритма, и тогда создаваемое ею магнитное поле начинает меняться. Компьютерные модели показывают, что время от времени все может кончиться сменой магнитных полюсов.
В этой смене полюсов нет ничего необычного. В истории нашей планеты такое происходило часто. Однако были эпохи, когда смена полюсов прекращалась. Например, в меловом периоде они не менялись местами на протяжении почти 40 миллионов лет.
Пытаясь объяснить этот феномен, французские исследователи во главе с Франсуа Петрели обратили внимание на положение континентов относительно экватора. Оказалось, чем больше континентов лежит в одном из полушарий Земли, тем чаще ее магнитное поле меняет свое направление. Если же, наоборот, континенты располагаются симметрично относительно экватора, то на протяжении многих миллионов лет магнитное поле остается стабильным.
Так, может быть, положение континентов влияет на конвективные потоки во внешней части ядра? В таком случае это влияние осуществляется через зоны субдукции. Когда почти все континенты находятся в одном из полушарий, там будет и больше зон субдукции. Массивная, холодная кора будет всё опускаться к границе, разделяющей мантию и ядро, и скапливаться там. Образовавшиеся заторы, несомненно, нарушат тепловой обмен между мантией и ядром. Компьютерная модель показывает, что конвективные потоки во внешнем ядре из-за этого тоже смещаются. Теперь уже и они асимметричны относительно экватора. Очевидно, при таком их расположении земную «динамо-машину» легче вывести из равновесия. Она, словно человек, вставший на одну ногу и готовый потерять равновесие от легкого толчка. Вот и магнитное поле внезапно «переворачивается».
Итак, весьма вероятно, что на смену магнитных полюсов влияют тектонические процессы, протекающие на нашей планете, и, прежде всего, движение континентов. Прояснить это могут дальнейшие палеомагнитные исследования, В любом случае ученые обнаруживают все больше фактов, которые свидетельствуют о том, что между движением литосферных плит на поверхности Земли и «динамо-машиной», создающей магнитное поле Земли и расположенной в самом центре планеты, есть определенная связь.
