Маршия Бьорнеруд - Осознание времени. Прошлое и будущее Земли глазами геолога

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.

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 бóльшую 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.