История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет - Роберт Хейзен

Скальные породы морского дна также преподнесли сюрпризы тем геологам, которые утверждали, что Срединно-Атлантический хребет представляет собой типичный горный массив, состоящий из уплотнившегося известняка, вроде Скалистых гор в Канаде. В результате обширных работ по исследованию донного грунта вдоль хребта вкупе с исследованием множества островов в Атлантике обнаружился лишь базальт, притом сравнительно позднего происхождения. Оказывается, что вместо относительно мягких осадочных пород, океанское дно почти полностью состоит из вулканического базальта. С востока на запад территория протяженностью более 4000 км представляет собой базальтовое основание.

Более того, тщательное датирование, основанное на учете постоянных периодов полураспада радиоактивных элементов, позволило обнаружить довольно простую закономерность в возрасте подводных пород. Базальт, взятый из рифтовой долины в центре Срединно-Атлантического хребта, новообразованный, его возраст меньше миллиона лет. Чем дальше от рифтовой долины брать образцы, восточнее или западнее, тем они оказываются древнее. Вблизи континентальных окраин возраст базальта составляет уже более 100 млн лет. Почему же породы в центре океана оказываются настолько моложе базальтов возле континентальных окраин? Можно сделать вывод, что Срединно-Атлантический хребет представляет собой ряд вулканов, извергающих все новые порции базальтовой коры. Но откуда взялись гораздо более древние базальты на окраинах океанов?

Ключевые данные о движении тектонических плит были получены с помощью другого инструмента подводных исследований – магнитометра. Подводные лодки времен Второй мировой войны были сделаны из богатых железом сплавов, т. е. обладали магнитными свойствами. Благодаря изобретению магнитометров самолеты-разведчики, охотясь за подводными лодками над океаном, фиксировали магнитные аномалии, вызванные присутствием вражеских субмарин. По окончании войны геофизики усовершенствовали магнитометры, придав им гораздо более высокую чувствительность к малейшим колебанием магнитных полей. Они закрепляли эти приборы позади научно-исследовательского судна так, чтобы они двигались непосредственно у поверхности морского дна.

Целью ученых был донный базальт, который обладает слабым магнитным полем благодаря миниатюрным кристаллам железосодержащего магнетита. Известно, что магнитное поле Земли год за годом слегка изменяется. По мере охлаждения базальтовой магмы кристаллы магнетита застывают, поворачиваясь в сторону магнитного полюса Земли, подобно миниатюрной игле компаса. Таким образом, базальт морского дна сохраняет ориентацию на магнитное поле Земли на момент затвердения породы. Интенсивные исследования в области палеомагнетизма позволяют отследить эти невидимые магнитные силовые поля, зафиксированные в затвердевшем базальте и других породах морского дна. (На суше такие измерения сделать труднее – первоначальные палеомагнитные сигналы сильно «пляшут» из-за происходивших в течение геологической истории складкообразования, наслоения сбросов и других деформаций континентальной коры.)

В начале 1950-х гг. океанографы протягивали магнитометры вблизи морского дна на большие расстояния поперек подводных хребтов. С помощью таких палеомагнитных съемок они надеялись получить более точную картину эволюции магнитного поля Земли. Вместо этого был выявлен причудливый рисунок магнитных полей, поразительно замысловатый, но стабильный. Ближе к рифтовым впадинам как в Атлантике, так и в Тихом океане базальт имел нормальную намагниченность, точно указывая на современный северный магнитный полюс. Но буквально в нескольких километрах на восток или запад от рифтовой долины магнитный сигнал переворачивался на 180°: северный магнитный полюс оказывался почти с противоположной стороны относительно его современного расположения, т. е. там, где предположительно должен был находиться южный полюс, и наоборот. Снова и снова измерения намагниченности производились многие десятки раз в самых разных пересечениях, и всякий раз «застывшее» в горной породе магнитное поле совершало такие скачки.

Дополнительный анализ выявил три важных обстоятельства. Во-первых, противоположно намагниченные породы образуют длинные, узкие полосы, идущие с севера на юг строго параллельно хребтам и в Атлантическом, и в Тихом океанах. Там, где центральная рифтовая долина разорвана и смещена трансформными разломами, то же искривление повторяют магнитные полосы. Во-вторых, рисунок этих магнитных полос симметричен относительно оси хребта: плыви на восток или запад от центра, обнаружится одинаковая последовательность нормально и обратно намагниченных полос соответствующей ширины. И в-третьих, радиометрическое датирование этих базальтов из океанических хребтов по всему миру подтверждает, что каждая смена магнитной полярности происходила повсюду одновременно, в ограниченный и строго определенный промежуток времени. Таким образом, магнитные инверсии отражают своего рода линию жизни океанского дна.

Из этого следует два логичных, хотя и обескураживающих, вывода. Вывод первый: магнитное поле Земли очень вариабельно, оно разворачивается на 180° в среднем каждые полмиллиона лет, и происходило так по крайней мере последние 150 млн лет. Причины этого непостоянства теперь более или менее понятны. Наша планета представляет собой гигантский электромагнит; ее магнитное поле обусловлено вихревыми электрическими токами в конвектирующей, жидкой наружной области ядра. Эти потоки направляются тепловой энергией; плотная раскаленная жидкость внутренней области ядра расширяется и поднимается за ее пределы, а ее замещает более прохладная и тяжелая жидкость, которая поступает сверху. Используя сложное компьютерное моделирование, геофизики показали, что вращение Земли вокруг собственной оси сообщает процессу конвекции сложные, хаотические искажения – движения, в результате которых магнитное поле меняется приблизительно каждые полмиллиона лет. Вращение Земли также вынуждает магнитные полюса постоянно выравниваться относительно оси вращения, но во время нестабильности ядра магнитное поле может значительно колебаться и искажаться примерно в пределах столетия.

Второй вывод заключается в том, что срединные океанские хребты образуют новые базальтовые слои коры – более 3 см в год. Старый базальт раздвигается в стороны, в восточном и западном направлениях от хребта, а их место занимает новая лава. Таким образом, системы горных хребтов на дне океанов представляют собой гигантские «ленты транспортера» движущиеся в противоположных направлениях, которые надстраивают молодое океанское дно. Новое поколение базальта в Срединно-Атлантическом хребте расширяет Атлантический океан, примерно на 5 см ежегодно, в среднем дно океана прирастает на 1,5 км за 30 тыс. лет. Если вернуться на 150 млн лет назад, то выяснится, что Атлантического океана тогда не существовало. В то время Америка, Европа и Африка были единым материком, как и предполагал Альфред Вегенер.

Одна из самых известных публикаций об этом поразительном открытии появилась в 1961 г., в «Вестнике Геологического общества Америки». Британский геофизик Рональд Мейсон и американский специалист по электронике Артур Рафф из Научно-исследовательского института океанографии Скриппса в Калифорнии в результате почти десятилетнего сотрудничества подготовили исчерпывающий обзор магнитных съемок океанского дна у Северо-Западного побережья США. Главным пунктом их публикации была подробная магнитная карта плиты Хуан де Фука, обширного тектонического плато на дне Тихого океана поблизости от берегов Орегона, Вашингтона и Британской Колумбии.

Полностью черно-белая карта Мейсона и Раффа – белые и черные зоны обозначают соответственно породы, намагниченные прямо или обратно, – показывает десятки полос, направленных примерно с севера на юг. Большие блоки океанической коры отличаются единообразием, каждый в сотни километров шириной, с симметричным расположением полос относительно центрального рифта. Однако соседние блоки смещены друг относительно друга по трансформным разломам, словно произведение кубизма. Анализ смещения вдоль одного из таких разломов, называемого Зоной разрывных нарушений Мендосино, обнаруживает заметный боковой сдвиг – около 1100 км. Чтобы так разорвать земную кору, требовались мощные внутренние силы. Обнаружив аналогичные явления у подводных хребтов по всей планете, геологи, геофизики и океанографы начали обрабатывать результаты объединенными усилиями. Сопоставление данных топографии океанского дна, сейсмологии, магнитных аномалий и датирования горных пород позволило сделать общие выводы. По всей планете земная кора создается на дне океана в области хребтов, которые представляют собой динамичные зоны вулканической активности. Темпы расширения морского дна фиксируются через устойчивые симметричные структуры магнитных полос и возраст базальта.