«Осознание времени». Отрывок из книги

Глава 3. Ритмы Земли (отрывок)

Эфемерная география

Одно из моих ранних воспоминаний школьных лет связано с документальным фильмом об образовании вулканического острова Сюртсей, который начал подниматься над поверхностью Атлантического океана у побережья Исландии в конце 1963 г. На черно-белых кадрах был запечатлен удивительный процесс, как среди вздымающихся в небо клубов пара и пепла рождается новый мир — безжизненная земля из черного вулканического шлака, не обозначенная еще ни на одной карте мира. Первым извержение вулкана заметил капитан корабля, который поначалу принял его за пожар на большом судне. Мой юный впечатлительный ум был взбудоражен этим событием: то, что внутри кажущейся бесстрастной планеты с ее непроницаемым каменным лицом бурлит тайная жизнь, стало для меня настоящим откровением. С 1963 по 1967 г. Сюртсей вырос из подводного хребта с вершиной на 130 м ниже уровня моря в небольшой конический островок высотой более 170 м. На пике извержений площадь острова достигала 2,5 кв. км. Но, едва извержения прекратились, процессы эрозии, вымывания, оседания и опускания почти так же быстро принялись его разрушать. Сегодня остров уменьшился примерно до половины того размера, которого он достиг в 1967 г., и, по оценкам ученых, должен полностью исчезнуть к 2100 г. (или раньше — в зависимости от скорости повышения уровня Мирового океана). Сохранив к средним летам столь же впечатлительный ум, что и в юности, я испытываю не меньшее волнение, наблюдая за тем, как буквально на моих глазах протекает жизненный цикл этого крошечного участка суши — его рождение, молодость, кратковременный расцвет и неотвратимая кончина.

Геттон, Лайель и Дарвин были убеждены, что большинство геологических процессов протекают непостижимо медленно, и эта идея десятилетиями вдалбливалась геологами в сознание общественности. Однако сегодня, благодаря высокоточным методам геохронологических исследований, возможностям спутникового наблюдения, а также ведущемуся на протяжении столетия мониторингу основных показателей жизнедеятельности планеты, таких как температура, осадки, речной сток, поведение ледников, запасы подземных вод, уровень моря, сейсмическая активность, стало очевидно, что многие геологические процессы, некогда казавшиеся недоступными для нашего наблюдения, можно отслеживать в режиме реального времени. Постепенно мы узнаем, что темп жизни нашей планеты вовсе не такой медленный и не такой постоянный, как считалось раньше.

Базальты Земли

Первоначальное прозрение Геттона о бесконечно долгом времени существования Земли по сравнению с человеческой жизнью проистекало из осознания им того, что несогласное взаимоотношение пластов на мысе Сиккар-Пойнт отвечало огромному промежутку времени, требующемуся для формирования горного хребта и его последующего постепенного превращения снова в плоскую равнину. Но какова продолжительность этого промежутка? О том, какие силы стоят за горообразованием, науке стало известно лишь спустя 175 лет после смерти Геттона — примерно во времена появления острова Сюртсей в начале 1960-х гг., когда теория тектоники плит наконец-то объяснила, что происходит в твердой оболочке Земли. Сегодня мы понимаем, что темп горообразования в конечном итоге определяется процессами формирования и разрушения океанической коры.

В отличие от континентальной коры, представляющей собой мешанину из множества блоков пород различных типов, разного возраста и с разной историей, океаническая кора проста и однородна. Она полностью состоит из базальта — черной вулканической породы, из которой был образован остров Сюртсей, и все эти базальты имеют одинаковое происхождение. Они образовались в результате частичного плавления земной мантии под подводными вулканическими рифтами, отмеченными на поверхности океанического дна высокими срединно-океаническими хребтами. Вопреки причудливой фантазии авторов художественной литературы и фильмов, мантия (составляющая более 80% всего объема Земли) представляет собой не котел с расплавленной бурлящей магмой, а твердую породу, которая, впрочем, медленно течет в геологическом масштабе времени. Каждые несколько сотен миллионов лет вещество мантии полностью переворачивается, подобно содержимому гигантской лавовой лампы, через процесс тепловой конвекции: более горячая, плавучая мантийная порода поднимается из глубины к поверхности, а более холодная и плотная порода опускается вниз. Мантийная конвекция является основным механизмом планетарной потери тепла (вопреки ошибочному предположению лорда Кельвина о том, что мантия статична, а Земля остывает на протяжении своей жизни вследствие кондукции). Одним из первых, кто в 1930-е гг. предположил существование конвекции в мантии, был Артур Холмс. Современные эксперименты по моделированию поведения минералов под высоким давлением в мантийных глубинах подтвердили, что конвекция пород в недрах Земли неизбежна.

Считается, что срединно-океанические хребты соответствуют зонам конвективного апвеллинга (восходящего потока мантийного вещества), где земная кора растягивается и делается тоньше над поднимающимся плюмом (мантийным потоком) горячей породы. Как это ни парадоксально, но плавление начинается только тогда, когда порода поднимается вверх и теряет большую часть своего тепла. Что же заставляет твердую мантийную породу плавиться при приближении к поверхности? Вопреки интуитивной логике, это вызвано не поступлением тепла, а снижением давления. В отличие от воды, аномального во всех отношениях вещества, которое, однако, формирует наши представления о фазовых переходах, твердые породы ведут себя так, как и положено нормальному веществу: при плавлении они расширяются, при охлаждении сжимаются. Это означает, что, если порода, находясь на некой глубине в земной мантии, близка к своей температуре плавления и по какой-то причине (например, в результате подъема к поверхности) происходит снижение давления, она переходит в фазу с меньшей плотностью — расплавленную магму. Это явление называется декомпрессионным плавлением и может происходить даже при охлаждении породы, если давление снижается быстрее, чем температура. (Декомпрессионное плавление особенно приводит в недоумение лыжников и фигуристов, поскольку в этих зимних видах спорта поверхность становится скользкой благодаря противоположному поведению воды: лед тает при повышении давления.)

Сегодня, после 4,5 млрд лет охлаждения Земли в процессе мантийной конвекции, поднимающаяся в апвеллинге мантийная порода не несет достаточно тепловой энергии, чтобы подвергнуться полному плавлению. В результате магмы в океанических хребтах содержат только те компоненты мантийной породы, которые плавятся при самых низких температурах. Именно этот процесс частичного, или фракционного, плавления ведет к образованию базальта, имеющего другой состав — больше кремнезема, алюминия и кальция, меньше магния, — чем породившая его мантия.

По мере того как новая порция базальтового расплава поднимается вверх и заполняет центральную осевую зону океанического рифта, предыдущие порции, уже застывшие в твердую породу, смещаются симметрично в стороны в ходе процесса, называемого спредингом (расширением) океанического дна (рис. 7). Только что изверженный базальт более теплый и менее плотный по сравнению с несколько более ранними породами, которые он раздвигает; таким образом, каждая новая генерация базальта постепенно остывает и отодвигается все дальше от места своего рождения в рифте. Это объясняет, почему срединно-океанические хребты вздымаются на дне высокими гребнями подобно свежеиспеченным суфле, только что вынутым из духовки. На самом деле одним из ключевых открытий, приведших к теории тектоники плит, ставшей настоящим озарением в начале 1960-х гг., когда были составлены первые карты океанического дна, стало обнаружение того, что форма поперечного сечения этих подводных хребтов, по сути, представляет собой пару симметричных кривых охлаждения — напоминающих две лыжи, которые положили на полу носок к носку.

Рис. 7. Срединно-океанический хребет, спрединг океанического дна и геомагнитные инверсии

Все на карте

Давайте на минуту остановимся и осмыслим тот невероятный факт, что большая часть поверхности Земли — океаническое дно — не была картографирована вплоть до середины XX в. Даже сегодня топография большей части морского дна известна нам с разрешением около 5 км: батиметрические карты океана в 100 раз более «размытые», чем современные карты поверхности Венеры и Марса¹. Еще более невероятно то, что первые карты двух третей нашей планеты были составлены практически одним человеком, имя которого, однако, неизвестно большинству жителей Земли (в отличие от Америго Веспуччи, в честь которого, несмотря на всю сомнительность его заслуг как первооткрывателя, названы целых два континента). Этим невоспетым героем картографии была Мари Тарп, американский геолог и океанограф. Она получила степень магистра геологии в Мичиганском университете, некоторое время работала на одну из нефтяных компаний, после чего в 1948 г. присоединилась к новому океанографическому проекту под руководством Мориса Юинга в Колумбийском университете². На протяжении нескольких лет чисто мужская команда аспирантов Юинга занималась эхолокацией океанического дна, а Тарп кропотливо преобразовывала линейные графики показаний глубин в трехмерные топографические карты.

Изысканные карты с теневой штриховкой рельефа, которые Тарп скрупулезно прорисовывала пером и чернилами, показали, что дно океана, которое раньше считалось плоским и однообразным, в действительности изрезано опоясывающими земной шар грядами подводных хребтов и ужасающими своей глубиной впадинами. К 1953 г. она обратила внимание на то, что эти подводные хребты имеют одинаковое строение — параллельные гребни, между которыми находится осевая долина, и предположила, что это может быть результатом растяжения земной коры. Тарп поделилась с другим членом группы Юинга, Брюсом Хизеном, этой идеей, но тот отверг ее как «девичьи фантазии». Как бы то ни было, благодаря усилиям группы Юинга была составлена серия подробных карт морского дна, которые в итоге заставили геологов радикально пересмотреть свои взгляды на нашу планету. В 1963 г. двое британских геологов в статье в журнале Nature³ впервые выдвинули гипотезу о спрединге океанической коры (использовав историю острова Сюртсей в качестве иллюстрации), заставив Хизена, а позже и остальную часть геологического сообщества признать, что Тарп была права.

Авторы этой статьи, Фредрик Вайн и Драммонд Мэтьюз, сформулировали гипотезу спрединга морского дна, опираясь на геометрический анализ, а не на непосредственные геологические наблюдения (пройдет десятилетие, прежде чем ученые смогут своими глазами увидеть эти подводные хребты или взять пробы слагающих их пород). Имея доступ не только к картам Тарп, но и к магнитным картам океанического дна, составленным ВМС США и Великобритании, Вайн и Мэтьюз обратили внимание на зеркальную симметрию относительно центральных осей хребтов, присущую как рельефу хребтов, так и характеристикам интенсивности магнитного поля. В частности, они обнаружили, что от гребневой зоны хребта по направлению вовне идут параллельные полосы одинаково намагниченных пород (рис. 7), а высота хребта уменьшается с увеличением расстояния от его гребневой зоны, как того и следует ожидать, если представить себе суфле из излитых пород, которое постепенно остывает и сжимается. Симметричный рисунок магнитных полос позволял предположить, что вдоль центральной оси хребта последовательно формируются всё новые генерации океанической коры. Они сначала охлаждаются в степени, достаточной для того, чтобы входящие в их состав железосодержащие минералы выровнялись согласно силовым линиям внешнего магнитного поля, после чего раскалываются пополам и смещаются в стороны, словно по гигантской конвейерной ленте. А поскольку магнитное поле Земли на протяжении планетарной истории не раз претерпевало инверсию, меняя местами северный и южный геомагнитные полюса без определенной системы (что было вторым революционным выводом в этой трехстраничной статье), эти новые фрагменты земной коры приобретали характерную магнитную полосчатость.

К началу 1970-х гг. определение возраста пород с морского дна в пробах, полученных путем глубоководного бурения, а также установление корреляции между магнитограммами океанического дна и магнитными инверсиями в хорошо датированных вулканических толщах на суше позволили разработать новый способ демаркации геологического времени — геомагнитную шкалу, привязанную к биостратиграфической (основанной на ископаемых остатках организмов) и геохронологической (основанной на радиоизотопном анализе) шкалам. Сегодня, благодаря точно известным датам инверсий магнитного поля, возраст пород на морском дне можно определить даже без получения физических образцов — путем простого подсчета того, сколько магнитных полос отделяет их от срединно-океанического хребта.

Между тем составление карты, показывающей возраст пород на дне Мирового океана, выявило еще одну странную закономерность: полосы пород любого данного возраста в Тихом океане оказались значительно шире, чем в Атлантическом. С начала кайнозойской эры 65 млн лет назад (т. е. с момента гибели динозавров) скорость спрединга океанического дна в Атлантике составляла в среднем около 1 см в год, что примерно равняется скорости роста ногтей. Это достаточно быстро — настолько, что в долине Тингведлир в Исландии, одном из немногих мест, где срединно-океанический хребет находится выше уровня моря — и где викинги с 930 г. н. э. проводили ежегодные собрания своего парламента альтинга, — был построен центр для посетителей, ширина которого равна тому расстоянию, на которое разрослась кора со времен древних викингов.

С другой стороны, скорость спрединга атлантического дна достаточно мала — настолько, что зеленые морские черепахи (Chelonia mydas), которые обитают в Бразилии и со времен динозавров совершают ежегодное плавание, чтобы отложить яйца на родном острове, представляющем собой поднятую над водой часть Срединно-Атлантического хребта, кажется, не заметили того, что за это время остров стал почти на 1100 км дальше. Черепахам пришлось бы куда сложнее, если бы их гнездовые пляжи находились в Тихом океане, где скорость расширения дна на порядок больше — она составляет почти 10 см в год (чуть медленнее скорости роста волос у человека). Если предположить, что скорость спрединга океанического дна просто отражает темпы мантийной конвекции, то почему под одним океаном конвекционные процессы происходят интенсивнее, чем под другим?

Под тяжестью плит

Замечательные карты Мари Тарп содержат ответ и на загадку о разной скорости движения плит в двух океанах. В частности, они показывают существенные различия между окраинами Тихоокеанского и Атлантического бассейнов: окраины Атлантического океана представлены в основном мелкими континентальными шельфами наподобие того, что мы видим у восточного побережья США, где глубины не превышают 200 м и океаническая кора постепенно переходит в материковую. В противоположность этому, окраины Тихого океана зачастую обрамляются головокружительными безднами, как у западного побережья Южной Америки, где глубины достигают более 8000 м ниже уровня моря. Эти глубоководные желобы отмечают собой зоны субдукции, где старая холодная океаническая кора, подчиняясь тому же инстинкту, что и бразильские морские черепахи, возвращается к месту своего рождения в недрах Земли.

Когда базальтовая океаническая кора достигает возраста примерно в 150 млн лет и удаляется на сотни километров от породившего ее разлома, она становится такой же плотной, как нижележащая мантия, в результате чего начинает погружаться обратно в глубь Земли под определенным углом и при этом тянет за собой остальную часть плиты подобно одеялу, соскальзывающему с края кровати (рис. 8). Сила этого субдукционного «затягивания», вероятнее всего, и определяет более высокую скорость спрединга океанического дна в Тихом океане — его рифтовые разломы просто создают новую кору в том же темпе, в котором происходит поглощение старой океанической коры по краям. В отличие от этого, скорость спрединга атлантического дна предположительно соответствует естественному, величественному и неспешному ритму жизнедеятельности мантии. Таким образом, земная кора является не пассивной «крышкой», а активной системой, где тектонические плиты не просто движутся в ритме, задаваемом конвективными процессами в мантии, но и в некоторых случаях задают собственный ритм, в конечном итоге диктуя и скорость образования гор. Но, для того чтобы образовались горы, сначала должна сформироваться континентальная кора, а это снова возвращает нас к срединно-океаническим хребтам.

Рис. 8. Зоны субдукции и вулканические дуги

Труженица вода

Вайн и Мэтьюз правильно истолковали морфологию океанических хребтов как результат последовательного поступления на поверхность и охлаждения все новых порций базальтового расплава. Но процесс остывания свежего океанического базальта происходит вовсе не так пассивно, как у вынутого из духовки суфле. Вместо этого холодная океаническая вода стремительно проникает внутрь извергнутой породы через трещины и поры, жадно поглощает тепло, а затем под давлением вырывается наружу в виде подводных гейзеров, образующих трубообразные постройки и известных как черные курильщики. По пути вода прихватывает из молодых пород не только джоули, но и растворимые химические элементы, такие как кальций, и оставляет взамен натрий, тем самым уменьшая соленость океана. (Об этом не было известно Джону Джоли, когда тот пытался оценить возраст Земли исходя из солености морской воды. Полученная им цифра в 100 млн лет не была абсолютно бессмысленной — просто она отражала типичное время пребывания натрия в морской воде, а не возраст Земли.) По примерным оценкам, весь объем воды, содержащийся в Мировом океане, проходит таким образом через молодые базальтовые породы срединно-океанических хребтов примерно за 8 млн лет⁴.

Но не вся проникающая внутрь вода выходит наружу. Попадая в запутанные лабиринты и образуя химические связи с находящимися в базальтах минералами, часть воды остается запертой в океанической коре на длительный срок. Как выяснилось, эта случайная ловушка для воды является одним из важнейших компонентов тектонической системы Земли. Субдуцирующая океаническая плита, со дней своей молодости насыщенная «спрятавшейся» водой, погружается в мантию и постепенно нагревается. Когда она достигает глубины около 50 км, эта древняя морская вода начинает, наконец, высвобождаться и проникает в окружающую мантию. Мы привыкли представлять круговорот воды в природе как относительно короткий по времени цикл: молекула воды остается в атмосфере в среднем около девяти дней; время пребывания воды даже в самых больших озерах, таких как Верхнее озеро, составляет один-два века; подземные воды в глубоких горизонтах могут находиться там целое тысячелетие. Однако существует и цикл круговорота воды продолжительностью более 100 млн лет, который проходит через верхнюю мантию, и на самом деле такая гидратация мантии является необходимым шагом в «рецепте приготовления» континентальной коры.

В присутствии воды твердая (в ином случае) порода мантийного клина над субдуцирующей плитой начинает плавиться при более низкой температуре, чем обычно, — аналогично тому, как соль снижает температуру таяния льда на тротуаре. Это спровоцированное водой плавление ведет одновременно к разрушению и созиданию: благодаря ему в конечном итоге образуется новая континентальная кора, но это происходит в результате деятельности одних из самых мощных и смертоносных вулканов на нашей планете, которые возникают на верхней плите, прямо над тем местом в зоне субдукции, где погружающаяся плита отдает свои запасы воды. Обычно вулканы образуют дугообразную цепь в форме растянутой буквы C, что отражает кривизну субдукционного желоба на сферической Земле — аналогично тому, как вмятина на мячике для пинг-понга имеет серповидную форму. Если верхняя плита, как и погружающаяся под нее нижняя плита, также представлена базальтовой океанической корой, образующуюся цепочку вулканических островов называют островной дугой. В качестве примера можно привести Японию, Индонезию, Филиппины, Алеутские острова и северную часть Новой Зеландии. Если нижняя плита подползает под континентальную плиту, образующуюся цепочку вулканов называют континентальной дугой. Такими дугами, например, являются Каскадные горы и Анды (рис. 8).

В обоих случаях образованный благодаря воде мантийный расплав должен проложить себе путь через верхнюю плиту на поверхность. Иногда магма не в силах пробить твердую «крышку», поэтому она скапливается под поверхностью и частично расплавляет вышележащую кору. Как и в срединно-океанических хребтах, компоненты с более низкой температурой плавления извлекаются легче всего, что приводит к образованию новых магм, еще более богатых кремнеземом и еще менее похожих по составу на мантию, чем базальты. Многократное повторение циклов такого плавления приводит к постепенной «эволюции» коры, результатом которой является континентальная кора, состоящая преимущественно из легких гранитных пород. Таким образом, современная земная тектоника плит — с ее непрерывным формированием, созреванием и разрушением океанической коры как необходимым условием для генезиса континентальной коры — представляет собой идеальную сансару, круговорот рождения, смерти и реинкарнации.

<...>

¹ Отсутствие детальной информации о топографии морского дна стало очевидно, например, при поиске обломков «Боинга» рейса 370 Malaysian Airlines, потерпевшего крушение где-то над Индийским океаном в марте 2014 г. В 2016 г. международная команда геофизиков провела акустическое зондирование полосы шириной 160 км длиной 2400 км примерно в 1600 км к западу от Австралии, обнаружив многие ранее неизвестные зоны разломов, сбросовые уступы, оползни и вулканические центры, но не нашла никаких следов исчезнувшего самолета. См.: Picard, K., Brooke, B., and Coffin, M., 2017. Geological insights from Malaysia Airlines Flight MH370 search. EOS, Transactions of the American Geophysical Union, 98.

² Замечательную биографию Мари Тарп можно найти в книге: Hali Felt, 2012. Soundings: The Story of the Remarkable Woman who Mapped the Ocean Floor. New York: Henry Holt, 368 pp.

³ Vine, F., and Matthews, D., 1963. Magnetic anomalies over midocean ridges. Nature, 199, 947–950.

⁴ East Pacific Rise Study Group, 1981. Crustal processes of the midocean ridge. Science, 213, 31–40.