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

В отсутствие человеческой деятельности главным источником CO 2являются вулканические эксгаляции. Попадая в атмосферу, CO 2соединяется с водяным паром и образует слабую кислоту — углекислоту (H 2CO 3), которая, выпадая в виде осадков, постепенно растворяет горные породы. Многие коровые породы содержат кальций, который затем в растворенном виде переносится реками в Мировой океан. В океане многочисленные морские организмы, от кораллов и морских звезд до одноклеточного зоопланктона, используют этот кальций и бикарбонат (HCO 3 —) для строительства кальцитовых раковин и экзоскелетов (CaCO 3). Весь процесс в упрощенном виде можно описать как последовательность химических реакций:

Ключевым с точки зрения долгосрочного влияния на климат является следующий этап, когда секретирующие кальцит организмы умирают: их минеральные остатки оседают на морское дно и образуют известняк, где атмосферный углекислый газ запирается в твердой форме на десятки миллионов лет.

Это долгосрочная планетарная программа по улавливанию и хранению углерода, одна из наиболее недооцененных экосистемных услуг, интенсифицируется в те периоды, когда для химического выветривания становятся доступными обширные поверхности новых пород, как, например, при образовании горной системы масштаба Гималаев. Таким образом, рост Гималайских гор оказал влияние не только на локальные и региональные погодные условия, но и на климат и даже на топографию в глобальном масштабе, в конечном итоге способствуя наступлению ледникового периода, когда ледники и ледяные шапки изменили рельеф на всей планете.

Еще более тонкая и парадоксальная связь между эрозией и горообразованием проистекает из того, как горная система взаимодействует с нижележащей земной мантией. По мере того как горы образуются в результате столкновения плит и утолщения коры, огромная масса пород, нагроможденных в одном месте, вызывает вытеснение твердого, но относительно пластичного верхнего слоя земной мантии, называемого астеносферой , — как это происходит с водой под тяжело груженным кораблем. Но, когда горы перестают расти (как в случае c молодыми, но уже тектонически неактивными Альпами), эрозия берет верх и постепенно уменьшает вес коры. В результате этого перемещенная верхняя мантия возвращается к своему исходному состоянию, а горы поднимаются вверх подобно кораблю, освобожденному от груза. Это явление, известное как изостатический отскок, также наблюдается в областях, которые прежде были покрыты толстым слоем ледника [42] В Центральной Швеции скорость поднятия в результате послеледникового отскока составляет около 0,6 см в год, что достаточно быстро для того, чтобы поселения, которые во времена викингов были морскими портами, сегодня оказались на берегах внутренних озер. В соседней Финляндии действуют законы, регулирующие права собственности на прибрежные зоны, постепенно выступающие из моря, которые, впрочем, могут потерять актуальность, если повышение уровня моря начнет опережать изостатическое поднятие. . Так эрозия, как это ни поразительно, способствует поднятию гор [43] Champagnac, J., et al., 2009. Erosion-driven uplift of the modern Central Alps. Tectonophysics , 474, 236–249. doi:10.1016/j.tecto.02.024 .

Таким образом, на протяжении всей жизни гор дружный ансамбль танцоров: коровые деформации, климат, эрозия и мантийные дислокации — исполняют неспешный, слаженный танец, в котором каждый участник влияет на движения других. Однако порой их замедленная хореография может прерываться внезапными прыжками и жете. Чарльз Дарвин, переживший мощное землетрясение в Чили во время экспедиции на «Бигле», одним из первых предположил, что эти разрушительные события могут приводить к образованию гор, хотя причина землетрясений — резкие смещения по разломам — в то время была не вполне понятна. Обнаружив пласт «разлагающихся двустворчатых моллюсков», поднятый землетрясением на высоту более 3 м над линией прилива, Дарвин предположил, что старые раковины, найденные им на высотах до 180 м, попали туда точно таким же образом — «в результате последовательных небольших поднятий, подобных тому, какое сопровождало (или вызвало) землетрясение в этом году» [44] Darwin, C., 1839. Voyage of the Beagle , chap. 14 ( Дарвин Ч. Путешествие вокруг света на корабле «Бигль». Глава 14. — М.: Мысль, 1983). . Как всегда, Дарвин оказался прав.

В отличие от большинства геологических процессов, которые трудно изучать из-за очень медленной скорости их протекания, землетрясения происходят быстро, но их очаги возникают на недоступных для наблюдения глубинах. Никто никогда не видел, что происходит на поверхности разлома глубоко в земной коре при землетрясении. Тем не менее проводившиеся на протяжении столетия сейсмологические исследования, объединившие теорию упругих волн, экспериментальную геомеханику и анализ современных и древних зон разломов, позволяют извлекать количественную информацию из неровных линий сейсмограмм, на основе которой можно получить достаточно точную картину происходящего глубоко в коре Земли. Самые мощные землетрясения, называемые мегаземлетрясениями (или землетрясениями мегатолчка ), имеют магнитуду около 9 и происходят в зонах субдукции — именно такие произошли в Индонезии в 2004 г. и в Японии в 2011 г. Такие мегаземлетрясения могут за несколько минут сделать то, что при фоновых скоростях тектонических процессов заняло бы много сотен лет.

Во время землетрясения на Суматре в 2004 г., вызвавшего разрушительное цунами, активизировался участок на стыке плит протяженностью 1100 км [45] Stein, S., and Okal, E., 2005. Speed and size of the Sumatra earthquake. Nature , 434, 581–582. doi:10.1038/434581a . Подводный разрыв распространялся от очага на север в течение 10 адских минут со скоростью более 1,6 км/с, или 6900 км/ч. На всем этом расстоянии Зондская плита (обычно рассматривается как часть Евразийской плиты), на которой находится Индонезия, пододвинулась под соседнюю плиту в западном направлении в среднем на 20 м, на что при нормальной скорости движения плиты потребовалось бы примерно 1000 лет. Сдвигание каждого последующего сегмента границы плиты порождало мощные сейсмические волны — подлинную причину сотрясения поверхности земли, которые распространялись концентрическими кругами, подобно ряби от брошенного в воду камня, со скоростью от 3 до 5 км/с. Измерение этих скоростей представляет не только чисто научный интерес. Несмотря на высокую скорость распространения фронта разрыва и сейсмических волн, электромагнитные волны, передающие цифровую информацию, движутся еще быстрее. В Индонезии, Японии и других сейсмоопасных регионах были созданы системы оповещения о землетрясениях и цунами по мобильным телефонам — в надежде на то, что даже несколько секунд в критических обстоятельствах помогут спасти человеческие жизни.