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

Обнаружение Срединно-Атлантического хребта и открытие похожих вулканических горных массивов в восточной части Тихого и Индийского океанов вновь обратили внимание исследователей на движение материков и заставило заняться этим вопросом более активно. Вряд ли материки движутся беспричинно, как можно было предположить по данным Вегенера, и геологи занялись поисками скрытой силы, столь эффективно меняющей облик планеты.

Открытие следовало за открытием по мере поступления новых данных. В 1956 г. Хейзен вместе с руководителем лаборатории сейсмологом Морисом Юингом отметил поразительную связь между положением центральной рифтовой долины Срединно-Атлантического хребта и умеренными землетрясениями, охватывающими области морского дна протяженностью примерно до 50 тыс. км, по всему земному шару. Рифтовые долины и землетрясения каким-то образом связаны между собой, следовательно, подводные хребты являются подвижными, изменчивыми формами.

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.