7 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Иной, географам на горе,

На карте сдвинет сушь и море…

Сэмюэль Батлер. Гудибрас.

Сам факт существования материков и океанов нуждается в разъяснении. Если Земля вначале была расплавленной массой, окруженной парами, то она могла в конце концов превратиться в гладкий шар, равномерно покрытый водой. Изучение земной коры показало, что на континентах и в океанах она различна по строению, толщине и химическому составу. Нетрудно понять, почему эти различия, однажды возникнув, должны были сохраниться.

Толщина коры мала по сравнению с радиусом Земли. Средняя разница между уровнями континентов и океанского дна еще меньше — всего 5 км. Конечно, между дном самой глубокой океанской впадины и вершиной Эвереста разница около 20 км, однако такие большие отклонения от среднего являются исключениями, и работа геологических процессов активно их снижает. Принципиальное различие в уровнях континентов и дна океанов относится к явлениям другой категории.

Если пустить плавать в корыто с водой куски дерева одного сорта, но различной формы и размеров, то увидим, что большой чурбан, заметно выступающий из воды, затоплен на значительную глубину, а дощечка, почти не видная над поверхностью воды, практически в нее не погружена (рис. 58). Природа явления, благодаря которому легкое вещество, слагающее континенты, держится на более плотном веществе мантии, немногим отличается от плавания. Если бы каждый «кусок» континента мог независимо выбирать свой уровень, можно было бы ожидать, что под горными хребтами кора опустится гораздо глубже, чем под равнинами, а основание тонкой океанической коры окажется намного ближе к поверхности, чем основание континентов. Этот тип равновесия называется изостазией (от греческих слов «изос» — равный и «стазис» — положение).

Принцип изостазии

Принцип изостазии

На проявление изостазии на Земле указывает ряд признаков; например, волны от близких землетрясений, проходящие под горными хребтами, замедляются их корнями. Но более обычным методом исследований являются измерения силы тяжести.

Представим себе, что мы укрепили отвес где-нибудь посредине большой континентальной равнины (рис. 59). Легкие породы коры и залегающее ниже вещество мантии лежат под нами, простираясь во всех направлениях ровными слоями. В этих условиях под воздействием гравитационного притяжения отвес будет висеть прямо, указывая на центр Земли. Представим теперь, что с одной стороны от отвеса мы нагромоздили горный хребет, больше ничего не меняя. Теперь с одной стороны масса больше, чем с другой, поэтому гравитационное притяжение этой массы должно слегка сдвинуть отвес в свою сторону.

Отклонение отвеса

Отклонение отвеса

Когда проводят подобного рода измерения вблизи настоящих гор, то обнаруживают, что эффект их притяжения невелик. Это объясняется тем, что горы имеют корни, уходящие в глубь мантии. Сложены они породами того же типа, что и континентальная кора. Корни вытесняют значительное количество тяжелого вещества, так что по обе стороны от отвеса остается примерно одинаковая суммарная масса.

Районы, в которых соблюдается такое равновесие, называют изостатически уравновешенными. Большая часть Земли, по-видимому, очень близка к условиям равновесия. В других районах равновесие нарушается, т. е. наблюдается аномалия силы тяжести. Измерить смещение вися­чего отвеса трудно; для упрощения картирования гравитационного поля Земли изобретены портативные приборы, названные гравиметрами (рис. 60). По существу это не что иное, как чувствительная пружинка, на конце которой подвешен груз. Когда гравитационное притяжение увеличивается, пружинка растягивается, а когда избыточное притяжение снимается, она вновь сжимается. Фактические колебания притяжения очень невелики, поэтому пружина должна быть очень чувствительна и защищена от колебаний температуры и механических воздействий. Но даже в этом случае при интерпретации показаний возникают проблемы, поскольку приходится сложным образом учитывать рельеф местности, высоту над уровнем моря и отклонения плотности близлежащих пород от нормальной в силу местных особенностей геологического строения.

Портативный гравиметр для измерения силы тяжести

Портативный гравиметр для измерения силы тяжести

Аномалии силы тяжести в неуравновешенных районах могут быть положительными или отрицательными. Районы, в которых притяжение больше нормального, имеют тенденцию к погружению, а районы, где оно меньше,— тенденцию к воздыманию. Существует много причин аномалий. Когда эрозия разрушает горные хребты и породы транспортируются реками в море, опускаясь на его дно, происходит как бы нарушение размещения баланса на судах-континентах, вещество же подкоровых слоев оседает очень медленно, поэтому на достижение нового положения равновесия уходит значительное время. В этих условиях горные хребты имеют постоянную тенденцию к воздыманию, а кора под мелководными морями, в которых происходит отложение вещества, прогибается. Эти разнонаправленные процессы приводят к возникновению напряжений в земной коре.

Но одними лишь изостатическими силами нельзя объяснить смятие, растрескивание и поднятие толщ горных пород. Кора также испытывает воздействие медленных, но мощных движений нижележащей мантии, порожденных в конечном счете внутренним теплом Земли.

Каждый континент имеет «ядро», сложенное очень древними кристаллическими породами. Рельеф ядра в основном изменился под воздействием выветривания, однако деформации, активно проявляющиеся на краях континентов, его не затронули. По всем внешним признакам эти ядра, которые называют щитами, оставались неподвижными если не с сотворения мира, то по крайней мере с докембрия, что с практической точки зрения примерно одно и то же. Но внешность обманчива. Континенты — это плавающие суда, а суда могут перемещаться без ущерба для груза.

Еще в 1620 г. Фрэнсиса Бэкона поразило сходство в очертаниях противоположных берегов Атлантики, но лишь в 1910 г. немецкий метеоролог Альфред Вегенер всерьез выдвинул предположение о том, что когда-то эти материки вместе с Австралией и Антарктидой входили в единый суперконтинент (рис. 61), названный им Пангеей (по-гречески «вся земля»). Предположительно Пангея оставалась единой примерно до начала мезозойской эры, после чего распалась на части, которые постепенно расходились, превратившись в современные континенты. Так родилась гипотеза дрейфа континентов.

Положение континентов в конце мезозойской эры 150 млн. лет тому назад

Положение континентов в конце мезозойской эры 150 млн. лет тому назад

Геологи быстро обнаружили, что подобие ранее соединенных частей Пангеи далеко не ограничивается сходством очертаний их берегов. Целые разрезы горных пород на весьма отдаленных друг от друга континентах оказались совпадающими до удивительных подробностей. Гипотеза была принята ботаниками и зоологами, которые до этого настаивали на существовании затонувших впоследствии «мостов» через океаны, которым можно было объяснить сходства растений и животных.

Меньше энтузиазма проявили геофизики. Они готовы были согласиться с тем, что с точки зрения изостазии континенты можно считать гранитными плотами, плавающими на поверхности более плотного вещества. Но они знали, что хотя это вещество и пластично, оно также очень вязко; силы, достаточные для раздвигания этих плотов, были им неизвестны. Вегенер выдвинул идею «польфлюхта» (бегства от полюсов), но они склонны были считать эту идею проявлением германского мистицизма. И тем не менее геофизики получали данные, объяснить которые можно было лишь с этих позиций. Ключ к загадке лежит в законах земного магнетизма.

Земля является магнитом, но не потому, что постоянными магнитами являются железо и никель в ее ядре. На такой глубине температура слишком высока для существования постоянного магнетизма. Тот факт, что стрелка компаса или подвешенный кусочек магнитного железняка указывает на полюс, был известен с глубокой древности. В конце 16 в. выяснилось, что это лишь приблизительное направление, фактическая же ориентировка стрелки компаса медленно изменяется. Происходит это потому, что магнитное поле Земли меняется довольно сложным образом.

Во-первых, оно состоит из двух частей. Источником одной служит сама Земля, другая же является результатом взаимодействия ионосферы (электрически заряженного верхнего слоя атмосферы, отражающего радиоволны) и потоков электрических зарядов, испускаемых Солнцем. Вспышки на Солнце и солнечные пятна могут нарушать равновесие этого взаимодействия и вызывать магнитные бури, во время которых прерывается радиосвязь и можно наблюдать полярные сияния. Эти бури, однако, очень коротки и имеют меньшее отношение к сейсмологическим проблемам, чем медленные изменения, влияющие на внутреннее поле Земли.

Земное ядро жидкое, и оно хорошо проводит электричество. Жидкость находится в движении, поэтому в ней циркулируют электрические токи. Все эти движения образуют своего рода самовозбуждающееся динамо, генерирующее внутреннее магнитное поле. У этого динамо есть одно важнейшее свойство. Оно неустойчиво. В то время как вращение Земли обеспечивает близость магнитных и географических полюсов, даже малые нарушения внутренних токов могут изменить направление всего внешнего магнитного поля Земли, так что стрелка компаса будет показывать уже не на север, а на юг.

В историческое время неприятности такого рода не происходили, однако для того, чтобы обнаружить в горных породах следы многих изменений магнитного поля, не надо совершать путешествие в отдаленное геологическое прошлое. Наука, изучающая эти явления, называется палеомагнетизмом; она дает нам наиболее убедительные свидетельства реальности дрейфа континентов и существования конвекционных течений в мантии.

Горные породы могут оказаться полезными для палеомаг-нитных исследований во многих отношениях. Когда вещество нагревается более чем до 600 °С, оно теряет магнетизм, если же оно будет вновь охлаждаться в магнитном поле, то намагнитится в соответствии с направлением этого поля. Таким образом, природный магнетизм изверженных и метаморфических пород регистрирует направление магнитного поля Земли во время их остывания. Осадочные породы тоже могут сохранять такую информацию. Плавающие намагниченные частицы ведут себя как крошечные стрелки компаса, так что в спокойных условиях они, оседая на дно, приобретают одинаковую ориентировку, отвечающую направлению поля. В очень мощных слоях иногда можно проследить изменения этого направления со времени отложения наиболее древнего материала до формирования самых молодых осадков. Даже искусственные материалы типа глиняных кирпичей из найденных археологами древних очагов и печей оказываются полезными для изучения палеомагнетизма.

На практике палеомагнитные исследования наталкиваются на большие трудности, поскольку начальный магнетизм породы мог нарушаться многими способами. Изучение большого числа образцов позволяет все же восстановить историю достаточно надежно. После того, как сделаны предположения об изменениях поля, можно определить ориентацию континента во времена формирования слагающих пород и проследить его блуждания. В деталях есть расхождения с положениями Вегенера, однако сам факт значительных перемещений континентов в целом сейчас является бесспорным.

Магнитные исследования на море менее утомительны по сравнению со сбором образцов строго ориентированной породы и точными лабораторными измерениями, ведущимися на суше. Здесь достаточно буксировать за кораблем магнитометр, ведущий непрерывную запись. Поскольку геологическое строение океанского дна обычно нарушено в меньшей степени, чем строение континентов, отпадает также необходимость в сложном картировании, позволяющем делать предположения о характере нарушения и смятия толщ пород с момента приобретения ими магнитных свойств. Это очень кстати, потому что в морской геологии часто сталкиваются с обескураживающими трудностями. Море покрывает 70 % поверхности Земли. Большая часть наших сведений из геологии относится к остальным 30 %. Какие бы предположения ни выдвигались, ограничиться геологией континента — значит получить искаженную картину. Океанографы осознали необходимость разработки корректирующих методов, и в 50-е годы, особенно во время Международного геофизического года, было совершено много важных океанографических путешествий. Американцы работали как в Атлантике, так и в Тихом океане, русские занимались проблемами Тихого океана и арктических льдов, крупные экспедиции предприняли французы, японцы и датчане. Их огромный вклад в биологию и исследования океанских течений, температуры и солености морской воды сейсмологов не касаются. Их интересует составление подробных топографических карт океанского дна, опробование донных осадочных пород и изменение мощности осадков сейсмическими методами.

Ранее уже было известно, что Атлантика разделена на восточную и западную части высоким подводным хребтом, у которого выходами на поверхность являются Исландия и цепочка более мелких островов: Азоры, Св. Елена и Тристан-да-Кунья. Было известно и то, что такие же хребты пересекают дно других океанов. Новым оказался вывод о том, что эти срединно-океанические хребты связаны между собой и образуют единую разветвленную систему, охватывающую большую часть земного шара.

Были сделаны и другие удивительные открытия. Выяснилось, в частности, что толща осадков на морском дне никогда не бывает очень мощной, и все они имеют небольшой возраст. Самые древние образцы относились к меловому периоду, и их возраст не превышал 135 млн. лет. Объ­ясняя этот факт, американские океанографы Р. С. Дитц и Г. С. Гесс вспомнили ранее выдвигавшееся предположение о том, что морское дно находится в движении. В 1963 г. Ф. Дж. Вайн и Д. Г. Мэтьюз нашли подтверждение этому факту, изучив магнетизм донных пород.

В Северной Атлантике, Антарктике и Индийском океане было обнаружено, что полосы магнитных аномалий параллельны осям океанических хребтов и что их очертания по обе стороны от хребтов дают почти зеркально отображенные картины. Объяснить это было нелегко. Вайн и Мэтьюз предположили, что базальтовая лава, которой сложена большая часть океанского дна, образовалась в вулканах, расположенных вдоль хребтов, а затем была вынесена наружу конвекционными течениями. Остывая, лава намагничивалась полем Земли. Причина одинакового расположения полос по обеим сторонам от хребта заключается в том, что каждый раз, когда менялась полярность магнитного поля Земли, новые потоки лавы намагничивались в противоположном направлении (рис.62).

Магнитная полосчатость на дне океана

Магнитная полосчатость на дне океана

При таком новом взгляде на формирование океанского дна срединные хребты превращаются в гигантский конвейер, выносящий вещество из глубин на поверхность. По рисунку магнитных полос можно судить о скорости расширения морского дна. В большинстве районов эта скорость равна всего нескольким сантиметрам в год, однако в масштабах геологического времени она может приводить к движению континентов и обуславливать появление мощных горизонтальных сил, необходимых для образования гор, смятия и растрескивания земной коры.

Что же происходит с веществом, достигшим окраин океанов? На этот вопрос возможны два ответа. Оно может нагромождаться и формировать горы или же затягиваться в мантию теперь уже опускающимся конвекционным потоком. В любом случае можно ожидать здесь проявления энергичной геологической деятельности; позже мы еще вернемся к этому вопросу. В частности, здесь происходят землетрясения, и нам нужно прежде всего разобраться в том, как сейсмическая активность вписывается в общую схему движений земной коры.