Около тридцати лет назад разгорелся спор между геологами, представителями двух научных школ. Первые утверждали, что континенты на Земле находятся в непрерывном движении, «плавая» по ее поверхности, и приводили ряд убедительных фактов, свидетельствующих в пользу этой гипотезы. Вторые отвергали всякую возможность больших горизонтальных перемещений континентов, считая, что относительные смещения отдельных частей земной поверхности происходят за счет только вертикальных движений, и тоже приводили убедительные доводы в пользу своей гипотезы. Первые принадлежали к школе «мобилистов», сторонников дрейфа континентов, вторые — «фиксистов», сторонников вертикальных движений поверхности Земли. В этом споре победителями стали «мобилисты». На их стороне оказалось большое количество данных, полученных в результате геофизических наблюдений в последние десятилетия. Однако и они не смогли создать до конца стройной теории движения континентов и эволюции Земли. Несколько лет назад с помощью сейсмического просвечивания нашей планеты удалось установить, что плотность недр Земли очень неоднородна. Сразу же появилась новая теория, пытающаяся связать эти неоднородности с движениями континентов. Но и эта теория не способна была ответить на ряд важных научных вопросов, среди которых принципиальными, по-видимому, были следующие: влияют ли континенты на процессы внутри планеты? какова роль вертикальных движений внутри континентов? В статье излагаются взгляды на современное состояние науки о динамике Земли и даются ответы на эти и другие вопросы.
Дрейф континентов
Гипотеза континентального дрейфа утверждает, что относительное положение континентов менялось на протяжении истории Земли. Внимательно рассмотрев очертания береговых линий западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки, невольно удивишься их потрясающему сходству. Еще в 1620 г. великий англичанин Фрэнсис Бэкон объяснял это совпадение возможной связью двух континентов в далеком прошлом. В 1912 г. А. Вегенер изложил наиболее полно гипотезу континентального дрейфа в своей книге «Происхождение океанов и континентов». Будучи метеорологом, он особенно заинтересовался тем, что в определенные прошлые эпохи оледенением были охвачены экваториальные области, в то время как в высоких широтах преобладали тропические условия. Само по себе это наблюдение можно было бы объяснить сдвигом направления оси вращения планеты, происходящим без каких-либо перемещений в ее поверхностных оболочках. Однако Вегенер выдвинул множество качественных аргументов в пользу того, что в прошлом континенты примыкали друг к другу. Помимо сходства береговых очертаний он обнаружил соответствие геологических структур, непрерывность реликтовых горных хребтов и тождественность ископаемых остатков на разных континентах. Вегенер отстаивал идею о существовании единого суперконтинента Пангея, его расколе и последующем дрейфе образовавшихся континентов в разные стороны. Позже А. Дю Тойт (1937) отверг идею единого суперконтинента, предполагая, что первоначально существовали северный континент Лавразия, южный Гондвана и разделяющий их океан Тетис. Согласно П. Хоффману (1991), за всю историю Земли континенты по крайней мере пять раз объединялись в суперконтинент, образуя поочередно Лаурентию (1,9 миллиарда лет назад), безымянный (1,5 миллиарда лет назад), Роднию (1 миллиард лет назад), Гондвану (650 миллионов лет назад) и Пангею (250 миллионов лет назад).
Проводившиеся в середине нашего столетия интенсивные исследования океанического дна привели к открытию глобальной системы подводных гор, так называемых срединно-океанических хребтов. Одновременно была выдвинута важная гипотеза, что в области осей океанических хребтов постоянно происходит формирование новых участков океанического дна, расходящихся в стороны от хребта. Действием этого процесса можно объяснить сходство очертаний континентальных окраин. Действительно, можно предполагать, что между частями расколовшегося континента образуется новый океанический хребет, а океаническое дно, наращиваемое симметрично в обе стороны от него, формирует новый океан. Скорее всего, таким образом возник Атлантический океан, посреди которого теперь расположен рассекающий его на две части срединно-Атлантический хребет.
Концепция континентального дрейфа завоевала общее признание исследователей Земли лишь в период между 1967 и 1970 годами. До этого изучение твердой Земли велось в основном на континентах, где ярко проявляются вертикальные движения земной коры. Хотя в поддержку новой концепции выдвигались убедительные аргументы, почти все геофизики выступали против нее. Их возражения основывались, по большей части, на представлениях о жесткой мантии Земли — части земных недр, заключенной между корой и ядром, — и отсутствии эффективного механизма движения континентов.
Действительно, было известно, что через мантию могут распространяться поперечные сейсмические волны, и это свидетельствовало о ее твердом состоянии. Поэтому возникал весьма важный вопрос, каким образом твердое вещество мантии может допускать горизонтальное перемещение континентов на многие сотни и тысячи километров. С другой стороны, уже в конце прошлого столетия на основе измерений силы тяжести было высказано соображение, что мантия ведет себя подобно жидкости. Под горными массивами, например, располагаются легкие породы. Дефицит массы «горных корней», — лежащих под горными массивами пород, — примерно равен избытку масс выступающих вверх гор. Это можно объяснить, исходя из принципа гидростатического равновесия, если допустить, что мантия ведет себя как жидкость, на которой горные массивы плавают подобно льдинам на воде.
Как показали исследования высот прибрежных террас в Скандинавии, земная поверхность там все еще продолжает «всплывать» после таяния мощных слоев льда, намерзшего во время последнего ледникового периода. Исходя из скорости этого процесса, было установлено, что коэффициент вязкости материала мантии составляет приблизительно 1020 Па * с (по современным данным, 1021 Па * с). Хотя это значение чрезвычайно велико (коэффициент вязкости воды равен 10-3 Па * с), оно не бесконечно, и, следовательно, в геологических масштабах времени, в течение многих миллионов лет, можно считать, что мантия ведет себя как жидкость.
Позже было установлено, что при температурах, равных заметной доле температуры плавления, активизируются так называемые процессы ползучести, позволяющие мантийным породам перетекать за времена порядка десять тысяч лет. Жесткая литосфера — кора и самая верхняя часть мантии — состоит из пород, температура которых достаточно низка, в силу чего они не могут испытывать течений даже за столь длительные промежутки времени.
Чтобы континенты могли двигаться, на них должны действовать силы. А. Вегенер предполагал, что движения в Земле, ответственные за континентальный дрейф, вызываются или приливными силами, или силами, связанными с вращением Земли. Однако позже английский геофизик сэр Г. Джеффрис показал, что эти силы оказываются недостаточными, и описал полученные результаты в своей книге «Земля: ее происхождение, история и строение». Для приведения в движение континентов необходимо найти какой-то другой механизм. Он должен обладать запасом энергии, достаточным по крайней мере для того, чтобы покрывать расход энергии, непрерывно теряемой при землетрясениях, вулканических извержениях и горообразовании. В качестве такого гипотетического механизма была предложена тепловая конвекция — вертикальные потоки жидкого вещества мантии. Конвекция может возникнуть в жидкости, находящейся в поле силы тяжести, если жидкость нагревается снизу или изнутри и охлаждается сверху. В результате более холодные породы погружаются в глубь мантии, а нагретые поднимаются к поверхности Земли. Согласно одной из концепций, нагрев мантии происходит за счет радиоактивного распада изотопов урана 235U и 238U, тория 232Th и калия 40K.
В 60-х годах концепцию континентального дрейфа дополнительно подтвердили результаты палеомагнит ных исследований. Под действием внешнего магнитного поля Земли породы в момент своего образования приобретают намагниченность, которая сохраняется в дальнейшем. Исследования ее ориентации позволяют определить, как перемещались относительно магнитных полюсов Земли породы за время, прошедшее с момента их образования. Образцы пород из разных частей одного и того же континента, не претерпевших локальных деформаций, указывают примерно одно и то же направление на магнитные полюса Земли. Однако породы Северной Америки и Европы дают различные положения магнитных полюсов. Отсюда делался вывод, что это различие возникло в результате относительного дрейфа двух континентов. Сопоставле ние расположения границ между областями с повышенным и пониженным значениями напряженности магнитного поля по сравнению с ее средним значением и оценка времени, за которое направление геомагнитного поля изменилось на противоположное, позволило количественно определить скорость раздвигания океанического дна.
Итак, к концу 60-х годов в основном сложился теоретический фундамент для понимания явлений и процессов, связанных с континентальным дрейфом. Последней и самой важной гипотезой, выдвинутой американцем Дж. Морганом и французом Кс. Ле Пишоном, была концепция мозаичной структуры поверхностной оболочки Земли, разбитой на жесткие плиты, приводимые в движение мантийной конвекцией. Дрейф континентов стал составной частью так называемой тектоники плит (от латинского tectonicus, что означает науку о форме, орнаменте и сборке при конструировании). Теперь он объясняется движением плит, на которых покоятся континенты.
Тектоника плит
Согласно теории тектоники плит, внешняя оболочка Земли разделена на ряд жестких плит, которые движутся друг относительно друга. Скорости их относительного движения по порядку величины составляют несколько сантиметров в год. Хотя эти скорости представляются незначительными, оказывается, что большую часть всех землетрясений, вулканических извержений и процессов образования гор можно отнести за счет взаимодействия между соседними литосферными плитами на их границах.
Плиты сложены из относительно холодных пород и имеют толщину около 100 километров. Они непрерывно создаются и поглощаются. Вблизи срединно-океанических хребтов, где плиты расходятся в противопо ложные стороны, идет процесс раздвигания океанического дна (спрединга). В промежутках между ними снизу поднимаются горячие мантийные породы, которые охлаждаются, становятся жесткими и формируют новые участки плит. По этой причине срединно-океанические хребты называют также границами наращивания плит.
Площадь поверхности Земли остается практически постоянной, поэтому наряду с созданием плит должны происходить и процессы их уничтожения. Они происходят в районе так называемых океанических желобов. Здесь две смежные плиты сходятся, и одна из них уходит под другую, опускаясь в глубь Земли. Этот процесс называется субдукцией. Поэтому океанические желоба называют также границами уничтожения плит. Литосфера сложена относительно холодными и жесткими породами, благодаря чему плиты могут двигаться по земной поверхности, почти не сминаясь. Твердые породы мантии, находящиеся под литосферой, сильно нагреты и поэтому могут легко деформироваться. Они образуют так называемую астеносферу, по которой литосферные плиты скользят, испытывая относительно малое сопротивление. Двигаясь от зоны наращивания к зоне уничтожения, плиты охлаждаются и утолщаются. Именно здесь, между погружающейся и примыкающей к ней сверху литосферными плитами, располагаются главные разломы земной поверхности. В области этих разломов, в холодных хрупких породах плит, инородных для горячего окружающего вещества мантии, происходит наибольшее количество сильнейших землетрясений планеты.
Вдоль почти всех океанических желобов тянется цепь действующих вулканов; лито-сферный блок опускается под них на глубину около 150 километров. Там его породы плавятся, и расплав, более легкий, чем его окружение, поднимается и лавой изливается на поверхность. Если цепь вулканов лежит на дне океана, образуется островная дуга, типичным примером которой могут служить Алеутские острова в северной части Тихого океана. Если же океанический желоб проходит вблизи континента, вулканы возникают на поверхности суши.
Таким образом, теория тектоники плит принесла новое представление о внешней оболочке Земли как о системе жестких структур, движущихся друг относительно друга. Но она не затрагивает процессов в глубоких недрах Земли и практически игнорирует роль чисто вертикальных движений в эволюции земной поверхности. Не дает она ответа и на ряд принципиальных вопросов, например, почему после своего формирования суперконтинент раскалывается на части, которые, вращаясь, расходятся в разные стороны?
К началу 90-х годов стало ясно, что нужна новая теория, обобщающая тектонику плит и дающая объяснение как новым данным о внутреннем строении Земли, так и процессам, происходящим в ее недрах.
Тектоника плюмов
На протяжении двух десятилетий в геофизике широко обсуждается вопрос: охватывает ли конвекция всю мантию или мантийный материал циркулирует в верхнем и нижнем ее слоях раздельно, никогда не смешиваясь? Большинство исследователей считают, что мантия толщиной около 2900 км разделена на два слоя границей на глубине 660 км, где мантийный материал подвергается фазовым изменениям. Но в то же время они спорят, служит ли эта граница барьером для общемантийной конвекции. Геохимики полагают, что верхняя и нижняя части мантии отличаются по своему химическому составу. Если это так, то обе части должны иметь изолированные конвективные ячейки, и материал погружающейся литосферной плиты остается в верхней мантии. С другой стороны, ряд геофизиков, в основном сейсмологов, считают, что конвекция пронизывает всю мантию. Их уверенность основана на сейсмических данных, показывающих что литосферная плита погружается в глубь мантии, достигая границы ядра.
Глобальные сейсмические исследования начинаются с изучения времен прихода упругих сейсмических волн, которые распространяются от очага землетрясений и пронизывают всю Землю по различным направлениям. Зная время прихода волны и путь, пройденный ею, сейсмологи определяют скорость волны в каждой «точке» мантии (под «точкой» понимается трехмерный блок со сторонами 100-200 км). Этот метод, известный как глобальная сейсмическая томография, похож на компьютерную томографию, используемую в медицине, где рентгеновские лучи, просвечивающие, скажем, голову человека, рисуют картину его мозга.
Японский геофизик Ш. Маруяма в 1994 г. предложил теоретическое объяснение сейсмическим наблюдениям, назвав свою гипотезу тектоникой плюмов (от английского plume — перо, на которое по форме похож мантийный материал). Он считает, что литосферные плиты, погружаясь в глубь Земли, застревают на границе между верхней и нижней мантией. Холодный материал плит копится здесь сотни миллионов лет, пока не прорвет границу. Погружаясь до границы ядра, он охлаждает железо-никелевый расплав, который опускается во внешнее жидкое ядро Земли. Вытесненный им наверх горячий суперплюм вызывает континентальный раскол и дрейф вновь образовавшихся континентов. После этого тектоника плит становится независимой от тектоники плюмов еще на несколько сот миллионов лет, когда процесс повторится. Маруяма считает, что холодные плюмы образуются в нижней мантии достаточно случайно, на ранней стадии континентального дрейфа после раскола суперконтинента. А холодный суперплюм может развиваться под формирующимся суперконтинентом, вроде Лавразии, существовавшей 200 миллионов лет назад.
Тектоника плит описывает процессы, происходящие на глубинах до 1/10 радиуса Земли, в то время как тектоника плюмов охватывает всю мантию, объясняя ее конвекцию, возникновение и раскол континентов, конвективные течения во внешнем ядре. Тектоника плит, таким образом, становится частью тектоники плюмов.
Однако и эта новая теория (скорее, гипотеза), нарисовав интересную картину возможного развития процессов внутри мантии, не дала ответов на вопросы о том, как суперплюмы реально согласуются с горизонтальными движениями континентов или почему суперконтинент, образовавшийся над нисходящим потоком, раскалывается.
Основной недостаток и тектоники плит, приводимых в движение мантийной конвекцией, и тектоники плюмов, ответственных за движения в мантии, заключается в том, что обе теории не принимали во внимание влияние движущихся континентов на мантийные процессы. А роль их в динамике Земли неожиданно оказалась очень большой.
Роль континентов в динамике Земли
Долгое время было распространено мнение, что движение плит определяется главным образом тепловой конвекцией в мантии. При этом считалось, что континенты пассивно дрейфуют под действием вязких течений и их обратное влияние на конвекцию мантии не существенно. Однако, как впервые установлено американским геофизиком М. Гурнисом, континенты могут существенно влиять на структуру мантийной конвекции. Проведенный им численный эксперимент показал, что континенты соединяются в местах нисходящего потока вещества. Мощная континентальная плита перекрывает поток тепла из мантии, ее температура растет, под плитой возникает восходящий поток, и континенты расходятся в разные стороны. Эта модель, будучи двумерной, не могла показать всей сложной картины движения континентов.
И тогда российские ученые В. Трубицын и В. Рыков предприняли попытку создать трехмерные численные модели мантийной конвекции с плавающими континентами. Эта попытка оказалась успешной. В качестве модели Земли была принята коробка с вязкой жидкостью, нагреваемая снизу и изнутри. В такой коробке при достаточном перепаде температуры между дном и поверхностью возникает тепловая конвекция, при которой горячее вещество устремляется вверх, а холодное погружается на дно. Возникают так называемые ячейки Бенара. На поверхность коробки накладывались контуры континенов. Математически задача сводилась к совместному решению уравнений сохранения импульса, энергии и массы, а также уравнений движения твердого тела, описывающих движение континентов. Моделирование показало, что континенты устремляют ся в направлении нисходящего потока, стягиваясь друг к другу. Собранные вместе над нисходящим потоком вещества континенты начинают играть роль крышки, не выпускающей тепло на поверхность. Первоначально холодное, нисходящее вещество начинает нагреваться, становится легче и приблизительно через 100-200 миллионов лет на этом месте образуется восходящий мантийный поток, который и приводит к расколу «суперконтинента». Таким образом, континенты меняют существующую систему конвективных движений и оказывают влияние на потоки вещества вплоть до самого ядра. Образовавшиеся «осколки» расходятся в стороны, чтобы вновь собраться через сотни миллионов лет над другим нисходящим потоком. Хотя модель не учитывала сферичности Земли, что существенно при моделировании континентального дрейфа, она выявила много примеров, наблюдаемых в природе. Так, на на одном из рисунков можно разглядеть прообраз Тихого океана с огромным грибом восходящего мантийного вещества, очень похожим на обнаруженный с помощью глобальной сейсмической томографии.
Численные эксперименты, без которых сегодня практически невозможно описать течение сложных внутримантийных процессов, продемонстрировали весь цикл дрейфа континентов от их сближения и объединения в единый «суперконтинент» до его распада и расхождения континентов. И всему виной оказались сами континенты: именно они перестроили структуру мантийных течений. Так с помощью численного моделирования удалось понять механизм формирования наблюдаемых структур земной поверхности.
Вертикальные движения внутри континентов
Восходящие потоки вещества мантии сильно растягивают континентальную литосферу, но порой не в состоянии разорвать ее. В этом случае над восходящим мантийным плюмом образуются впадины, которые со временем заполняются осадочными породами и образуют так называемые осадочные бассейны — области, где располагаются месторождения полезных ископаемых, в частности нефти и газа.
Наиболее популярная модель образования впадин на поверхности континентов, предложенная в 1978 году английским геофизиком Д. Маккензи, предполагает наличие двух главных фаз процесса. Первая фаза — быстрое растяжение литосферы, приводящее к подъему ее температуры, истончение литосферы и прогибание ее поверхности. Во время второй фазы происходит медленное остывание тонкого участка литосферы, уплотнение вещества и его погружение. Однако эта модель не всегда могла объяснить наблюдаемые явления: характер погружения континентальной поверхности, предсказанный моделью, часто не совпадал с реальностью. Нужна была новая концепция, которая могла бы лучше описывать реальные осадочные бассейны и соответствовать геофизическим наблюдениям.
Региональная сейсмическая томография все чаще и чаще обнаруживает положительные аномалии скоростей поперечных волн на глубинах 70 — 100 километров непосредственно под осадочными бассейнами. Есть там и области повышенной силы тяжести. Эти наблюдения свидетельствуют, что в верхних слоях мантии имеется плотное вещество. Но каким образом оно там образовалось? Ответ дают исследования, недавно проведенные российскими учеными А. Исмаил-заде, Л. Лобковским и Б. Наймарком. Они предложили численную модель развития депрессий на поверхности Земли, которая оказалась применима ко многим регионам Северной Америки и Евразии. В результате растяжения континентальной литосферы, вызванного восходящим плюмом, в верхних частях мантии возникают достаточно крупные линзы базальтовых пород плотностью 3000 кг/м3. При последующем охлаждении эти линзы испытывают фазовый переход, превращаясь в эклогиты — породы с аномально высокой плотностью 3500 кг/м3. Утяжеленные породы погружаются в окружающую их более легкую мантию, вызывая прогибы земной поверхности.
Эта простая модель смогла объяснить аномалии сейсмических волн и гравитационного поля, а также механизм погружения реальных земных структур. Она объединила в себе горизонтальные движения с вертикальными и указала на значимость тех и других.Так происходит наращивание литосферной плиты в области океанического хребта и ее погружение вблизи океанического желоба.
ТЕПЛОВАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ СЛОЯ ЖИДКОСТИ, ПОДОГРЕВАЕМОГО СНИЗУ:ЗАДАЧА РЭЛЕЯ-БЕНАРА
Поведение жидкости в тонком слое, подогретом снизу, носит название задачи Рэлея — Бенара. Она сводится к следующему.
Есть горизонтальный слой жидкости, в котором поддерживается перепад температур за счет нагрева снизу и охлаждения его свободной поверхности сверху. При нагревании жидкость на дне слоя расширяет ся, становится легче и стремится всплыть. Создается потенциально неустойчивая структура, в которой должны возникнуть конвекционные потоки. Однако их появление тормозят силы вязкого сопротивления, и для начала конвекции необходимо создать перепад температур определенной величины.
Тепловую конвекцию в жидком слое начал изучать в 1797 году английский физик Б. Румфорд. В 1900 году французский физик Х. Бенар впервые экспериментально продемонстрировал начало тепловой конвекции в слое расплавленного спермацета — очень вязкого воскоподобного вещества, которое плавится при температуре 53 — 54 градуса. Его слой толщиной около миллиметра был налит на горячую металлическую плиту. Верхняя поверхность жидкости находилась в контакте с воздухом более низкой температуры. Бенар обнаружил, что при увеличении температуры плиты жидкий слой приходит в неустойчивое состояние, его поверхность сначала покрывается сетчатым узором, а затем в нем образуются ячейки. Внутри этих ячеек происходит движение жидкости: ее восходящие потоки располагаются в центре, а нисходящие — на границах.
Бенар выделил две последовательные фазы в развитии ячеистой структуры. В начальной фазе, довольно непродолжительной и нерегулярной, ячейки становятся выпуклыми многоугольниками с числом сторон от четырех до семи. Затем, по мере установления конвекции, возникают устойчивые шестигранные ячейки. Сам Бенар был так увлечен наблюдениями за возникновением стационарной конвекции, что не сильно интересовался теоретическим обоснованием своих наблюдений.
Объяснить их смог лорд Рэлей в 1916 году. Он показал, что возникновение тепловой конвекции зависит от значения безразмерного параметра
где g — ускорение силы тяжести, h — глубина слоя, T — градиент температуры, α, κ и ν — коэффициенты объемного расширения, температуропроводности и кинематической вязкости соответственно. Этот параметр — критерий подобия — впоследствии был назван числом Рэлея. Сегодня он широко используется при описании процессов тепло- и массопереноса, идущих в условиях пониженной силы тяжести, например, на борту космических кораблей.
Следует заметить, что конвективные ячейки в слое мантии имеют не шестигранную, а квадратную форму. Это связано с тем, что расплавленные породы внутренних слоев Земли нагреваются не только снизу, но и изнутри, за счет радиоактивного распада.
