ФАКТЫ» ДОБЫТЫЕ С ОКЕАНСКОГО ДНА

Возрождение идей Вегенера в виде теории тектоники плит произошло главным образом в результате исследований океанского дна, выполненных в 1950‑е и 1960‑е годы. Во время и после Второй мировой войны Военно‑Морской флот США был очень заинтересован в том, чтобы узнать об океанском дне как можно больше. Геологи и геофизики с готовностью включились в эту работу – одни, возможно, из патриотических побуждений, но многие потому, что увидели в интересе Флота золотую возможность узнать больше об океанском дне. В то время это был передовой край науки, ведь дно океанов было практически неведомой территорией. Даже в более позднее время многие геологи любили говорить, что мы больше знаем об обращенной к нам поверхности Луны, чем о морском дне. Флотское начальство оказалось щедрым, и океанографические исследования быстро расширялись. Результаты их по большей части были засекречены, но сделанные открытия подтолкнули науку о Земле к новому и более качественному пониманию протекающих в Земле процессов.

Одним из поразительных результатов интенсивного исследования дна океанов стали новые знания о его топографии. Конечно, кое‑какая информация, собранная за долгую историю морских путешествий, уже имелась. Самые первые измерения производились очень просто – бросали за борт измерительный трос (лот) и отмеряли длину вытравленного троса, но эти данные были ограничены мелководными, прибрежными районами моря, где в основном было сосредоточено мореходство. Появившиеся на кораблях в 20‑х годах эхолоты были еще очень несовершенны и широко распространились значительно позже. Именно с их помощью в 1950‑е и 1960‑е годы была собрана обширная информация об океанском дне. Проведенные тогда измерения позволили определить с высокой точностью продолжительность времени, необходимого для прохождения звукового импульса от корабля до морского дна и обратно. Так как скорость звука в морской воде хорошо известна, то по времени прохождения звукового импульса легко вычислить глубину моря. Вся прелесть эхолота заключается в том, что он может работать непрерывно, день и ночь, независимо от того, что делает корабль. В каждой океанографической экспедиции эхолот работал постоянно; в результате стали проясняться детали строения океанского дна.

Сегодня гораздо легче картировать топографию океанского дна – это можно сделать с помощью спутников, даже не посылая корабли в море. Спутники очень точно измеряют «высоту» морской поверхности. После того как учтено влияние приливов и волн и введены соответствующие поправки в исходные измерения, появляется удивительная картина. Различия в уровне моря от места к месту в точности отображают топографию морского дна. Это объясняется тем, что мелкие вариации земного притяжения, обусловленные рельефом дна, – например, избыточная масса крупного вулкана или, наоборот, дефицит массы из‑за наличия глубокого рва – влияют на уровень поверхности моря над ними. Эта сравнительно новая технология позволила обнаружить некоторые особенности дна, которые были неразличимы при исследовании с кораблей.

Но вернемся к информации о топографии морского дна, собранной океанографическими кораблями в 50‑х и 60‑х годах. Скоро после начала работ стало совершенно ясно, что дно океанов по своему рельефу и другим особенностям отнюдь не так однообразно, как это представлялось. По общему мнению, глубокие моря рассматривались как геологически спокойные, не подверженные изменениям места, где с начала времен слой за слоем откладывались тонкий ил и другие осадки, смываемые с континентов. Лишь немногие исследователи пробовали глубже задуматься над этой картиной, поскольку если бы она была верна, то количество накопившихся в океане осадков было бы огромно. Однако по мере поступления материала об океанском дне стало очевидно, что вместо плоского, лишенного каких‑либо особых примет дна глубоких морей, прикрытого покровом осадков, на нем обнаружились огромные хребты, глубокие рвы, крупнейшие вулканы и крутые обрывы. Науке был брошен вызов, необходимо было немедленно разобраться, каким образом могли возникнуть такие особенности морского дна.

Многие из читателей, вероятно, видели популярные карты мира, впервые изданные Национальным географическим обществом, на которых показан рельеф не только суши, но и дна морей и океанов. Хотя они до некоторой степени идеализированы, наиболее бросающейся в глаза особенностью этих карт являются огромные хребты, или поднятия, выступающие над средним уровнем дна. Уже говорилось о том, что если бы из океанов удалить воду, то именно эти черты рельефа Земли были бы в первую очередь заметны при взгляде из космоса. Особенно выделяется на картах горный хребет, протянувшийся по оси Атлантического океана, что частично обусловлено тем, что этот океан обычно расположен на картах в центре. Срединно‑Атлантический хребет рассекает океан точно посредине, повторяя все выступы и впадины береговой линии на каждой его стороне, и таким образом грубо рассекая карту на две половины. В среднем он возвышается приблизительно на 2,5 километра над наиболее глубокими частями океана, расположенными к западу и к востоку от него; на большей части его протяжения как раз по осевой линии проходит рифт, то есть ущелье или долина с крутыми склонами. В северной части Атлантического океана. Срединно‑Атлантический хребет поднимается над поверхностью океана, образуя остров Исландию.

Хребет, рассекающий Атлантику, является фактически лишь частью более или менее непрерывной системы хребтов, которая протягивается через все океаны. Она окружает антарктический континент, протягивается двумя ветвями в Индийский океан и до Аравийского моря. Она изгибается вдоль берегов восточной части Тихого океана и, кажется, заканчивается тупиком недалеко от нижней Калифорнии в Мексике, но затем небольшой сегмент ее появляется снова у берегов северо‑западной части Соединенных Штатов и Британской Колумбии. Каково происхождение этой системы океанических хребтов, являющихся такой заметной особенностью Земли? Почему она не оказалась погребенной под покровом осадков, вынесенных из континентов? И какую связь она имеет с дрейфом континентов и тектоникой плит?

Наблюдение, которое, как считается, породило вспышку интуиции, прояснившей происхождение системы океанических хребтов и в конце концов приведшее к разработке теории тектоники плит, пришло из совершенно неожиданного источника, а именно из исследования магнитных свойств пород океанического дна. В своих попытках узнать как можно больше о морском дне геофизики в числе других показателей измеряли магнитные поля вдоль многочисленных маршрутов экспедиционных кораблей. Было уже известно, что горные породы, содержащие магнитные минералы, могут несколько изменять земное магнитное поле над ними, а на континентах измерения интенсивности магнитного поля проводились с целью поисков полезных ископаемых и для решения задач геологического картирования. Многие промышленные месторождения полезных ископаемых содержат в высоких концентрациях магнитные минералы; их присутствие создает характерные аномалии регионального магнитного поля. Следует отметить, что на континентах структура магнитного поля обычно очень сложна, в соответствии со сложной геологией. В противоположность этому, когда впервые позади океанологических кораблей стали буксировать магнитомеры, было обнаружено, что рисунок магнитных аномалий на дне океанов, отражающий магнитные свойства пород океанского дна, отличается замечательной закономерностью. Это наблюдение впервые было сделано учеными из Института океанографии Скриппса; оно весьма их озадачило. Когда они проводили морскую магнитную съемку в районе северо‑западного побережья Соединенных Штатов еще в 1950‑е годы, оказалось, что узоры магнитных карт, которые они получили, резко отличались от всего, что они видели на континентах. В конце концов был сделан вывод, что закономерный рисунок локальных магнитных аномалий был, вероятно, каким‑то образом связан с довольно правильным рисунком рельефа морского дна в этом районе с характерным чередованием удлиненных параллельных низкогорий и долин. Однако эта гипотеза продержалась очень недолго. Проведенная в 60‑х годах воздушная магнитная съемка на территории Атлантического океана как раз к югу от Исландии принесла поразительные, ставшие с тех пор классическими, результаты. В серии параллельных маршрутов, пересекающих ось Срединно‑Атлантического хребта, ученые из Геологической обсерватории Ламонта из Колумбийского университета обнаружили, что узоры магнитного поля над морским дном изменяются симметрично относительно осевой линии хребта. Более того, они нашли, что график изменения магнитного поля вдоль маршрута, пересекающего хребет, был на разных маршрутах в основном одинаков. Когда эти данные (то есть местоположения точек замера и измеренные значения интенсивности магнитного поля) были нанесены на карту и проведены изолинии (линии равных значений характеристик магнитного поля), то они образовали полосатый зеброподобный узор на карте интенсивности магнитного поля, напоминающий узор, открытый учеными Института Скриппса в северо‑восточной части Тихого океана, но отличающийся от последнего явной симметрией (рис. 5.1). И в этом случае поражал контраст с характером поля над континентами. По мере дальнейшего накопления данных становилось все более ясно, что эта симметрия узора магнитного поля встречается повсюду вдоль системы океанических хребтов.

Когда изверженные породы охлаждаются из исходного расплавленного состояния, некоторые железосодержащие минералы, образующиеся в них, магнетизируются земным магнитным полем. Это выглядит так, словно сами минералы содержат крохотные магнитные стерженьки – наподобие компасных игл, – и все они ориентируются одинаково под воздействием окружающего магнитного поля Земли. Эта магнитизация является непрерывным во времени процессом; таким образом, график магнитного поля вдоль маршрута, пересекающего хребет, является как бы ископаемой записью изменений магнитного поля во время образования пород разных частей графика. Эта запись оказывается весьма стойкой и сохраняется в течение долгого времени. Геолого‑геофизические съемки вдоль маршрутов, ориентированных перпендикулярно простиранию Срединно‑Атлантического хребта, показали, что породы, находящиеся точно над осью хребта, сильно намагничены в направлении современного магнитного поля, как и следовало ожидать. Но симметричный зеброобразный узор магнитного поля, по‑видимому, указывает, что морское дно намагничено по‑разному в разных полосках, параллельных протяжению хребта. Некоторые из этих полос намагничены нормально, подобно полоскам, лежащим на оси хребта: направление их намагниченности соответствует ориентировке современного магнитного поля Земли. Но они чередуются с полосками, намагниченными противоположным образом, как если бы в то время, когда эти полосы возникали, северный и южный полюсы Земли поменялись местами.

Земное магнитное поле имеет строение так называемого диполя, то есть подобно полю, которое получилось бы, если бы в немагнитную Землю вставить гигантский магнитный стержень. В то время, когда проводились первые магнитные съемки морского дна, у большинства ученых не было никаких оснований полагать, что в геологическом прошлом магнитное поле Земли очень отличалось от современного. Однако приблизительно в это же время исследования намагниченности горных пород на континентах обнаружили загадочное явление. Было установлено, что в некоторых районах, в которых накопились мощные толщи базальтовых потоков, большая часть потоков имеет направление намагничивания, соответствующее ориентировке изолиний земного магнитного поля, но в других потоках направление намагничивания оказалось прямо противоположным. Первоначально полагали, что причиной этого явления был какой‑то вторичный процесс, но когда аналогичная последовательность лавовых потоков с прямой и обратной намагниченностью была обнаружена в нескольких различных местностях, ученые поняли, что магнитное поле Земли в течение геологического времени неоднократно меняло свою полярность! Это был ошеломляющий вывод. На фоне этого открытия симметричное расположение меняющихся по своей полярности магнитных полос на морском дне приобрело большое значение. Хотя они, возможно, и не восклицали «Эврика!», но несколько исследователей – Лоренс Морли в Канаде, а также Фрэд Вайи и Драммонд Мэтьюз в Соединенном Королевстве – почти одновременно поняли, что магнитные полосы морского дна, колебания направления полярности на 180 градусов и дрейф континентов – все эти явления являются взаимосвязанными. Они неожиданно сообразили, что зеброобразный узор распределения намагниченности горных пород морского дна отражает ту же последовательность смены полярности земного магнитного поля, что и континентальные базальты.

^{Рис. 5.1. Магнитный узор морского дна южнее Исландии (верхняя схема) напоминает ряд полос зебры и состоит из чередующихся полос нормального (черное) и обращенного (белое) намагничения, располагающихся параллельно простиранию Срединно‑Атлантического хребта. Во время своего излияния вдоль хребта и последующего затвердевания базальт намагничивается под воздействием магнитного поля Земли и затем расходится в стороны от разлома, как показано схематически на нижней части рисунка. На карте магнитных свойств морского дна видны только более долгие промежутки времени между обращениями полярности. Предполагаемое положение хребта, пересекающего Исландию, показано более крупным узором на сером фоне. Составлено по рисунку 1 из статьи Дж. Р. Херцлера, Кс. Ле Пишона и Дж. С. Бэррона в журнале «Глубоководные исследования» (Deep Sea Research), том 13, стр. 428 (1966). Использовано с любезного разрешения компании Элснвир Сайенс Лимитед. The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, OXSIGB, U.K.}

Эти наблюдения убедили большинство геологов, что раздвиг морского дна в стороны от океанических разломов – это реальность. Новая океаническая кора образуется лавой, непрерывно поступающей с глубины в осевых частях океанических хребтов. Магнитный узор пород морского дна симметричен по обе стороны оси хребта потому, что вновь поступившая порция лавы намагничивается при своем застывании в твердую породу и равномерно расширяется по обе стороны от срединного разлома. Морское дно, таким образом, работает, как гигантский магнитофон, точно записывающий смену направления напряженности земного магнитного поля (рис. 5.1). Поскольку даты различных обращений были известны в результате анализа горных пород на суше, магнитные полосы океанского дна можно было использовать как метки. Скорость возникновения новой порции морского дна можно очень просто рассчитать, измерив расстояние от центра – точнее, оси хребта, где возраст морского дна всегда равен нулю, к полосам, соответствующим различным датированным обращениям поля. Геологи называют эти магнитные полосы магнитными аномалиями и для удобства ссылок на них дали им номера. Для тех, кто с ними работает, эти аномалии стали добрыми друзьями. «Ага, это похоже на Аномалию 29Р!» (буква Р обозначает обращенную, то есть с обратным направлением намагниченности, a N – аномалию с нормальным, соответствующим современному направлению поля).

Хотя скорость образования морского дна и варьируется от места к месту, ее величина, вычисленная по магнитным аномалиям, составляет в основном несколько сантиметров в год. Она примерно соответствует скорости роста ваших ногтей – не так уж быстро, но в то же время заметно, если время от времени будете забывать подстригать их. Континенты, расположенные по разные стороны Атлантического океана, с этой скоростью движутся в разные стороны, отдаляясь друг от друга, что объясняет, почему океаны не заполнены доверху осадками: в геологическом смысле они очень молоды. Хотя несколько сантиметров в год – это действительно очень медленно, весь Атлантический океан при такой скорости мог образоваться за двести миллионов лет, не так уж много по геологическим меркам. На самом деле дно любого из существующих мировых океанов не намного старше. По сравнению с континентами породы океанского дна просто младенцы.

По обе стороны Атлантического океана континенты прочно прикреплены к породам океанского дна. Они расходятся в стороны со скоростью, зависящей от скорости образования новой порции морского дна на оси Срединно‑Атлантического хребта. В силу этого механизма возражения физиков против вегенеровского понимания континентального дрейфа оказываются, в сущности, недействительными, поскольку континенты в своем движении не пропахивают себе путь через твердые породы океанского дна; и континенты и океаническая кора движутся вместе, как одно целое, являясь частями одной литосферной плиты (рис. 1.2 и 5.2).