Как устроена Земля
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
После очень сильного и, я бы сказал, восторженного увлечения «новой глобальной тектоникой» или «тектоникой плит», когда казалось, что удалось увязать в некую непротиворечивую картину новые сведения по геологии океанов с тем, что нам известно о строении и развитии континентов, сейчас по многим признакам наступил немного иной этап в развитии этой концепции.
Часть сторонников тектоники плит приняла идеи и схемы этой концепции как нечто прочно установленное и заранее заданное и без тени сомнений старается уложить все геологические факты в рамки и правила, выработанные новой глобальной тектоникой. Подчас деформируя эти факты.
У другой части сторонников этих идей — это в основном геофизики — появились некоторая осторожность, сомнения и даже скепсис по отношению к некоторым положениям тектоники плит. Такое отношение порождено, разумеется, некоторыми новыми данными и открытиями в строении глубинных оболочек Земли, а также непрерывно возрастающим объемом наших знаний о строении континентов и океанов.
Какими же были эти новые открытия? Прежде всего, было установлено по записям далеких землетрясений (с континента на континент, например, иранские землетрясения, зарегистрированные сейсмографами в Америке), что мантия под континентами и под океанами существенно различается по своим физическим свойствам — плотности, скорости прохождения сейсмических волн, температуре. Эти различия прослеживаются до очень больших глубин — несколько сотен километров (четыреста наверняка, с этим согласны все геофизики, семьсот — восемьсот «предполагается»). Некоторые ученые считают, что эти различия могут быть обнаружены даже на глубинах в тысячу километров.
Это открытие вносит осложнения в построения, основанные на концепции новой глобальной тектоники. Где в этом случае должна быть расположена поверхность, по которой скользят литосферные плиты? Если это астеносфера, которая располагается на глубине 150—200 километров, то мантия глубже этой поверхности должна каким-то образом изменять свои свойства в зависимости от того, какая литосфера — океаническая или континентальная — в данный момент находится над ней. Легко заметить, что тут происходит смещение причин и следствий, управляющих глобальными процессами развития литосферы. С одной стороны, движение литосферных плит обусловлено процессами в мантии, с другой — свойства мантии определяются тем, какая литосфера находится над ней. Трудно допустить, что многосоткилометровая мантия изменяет свои свойства под влиянием относительно тонкой литосферы, покрывающей ее. Причинная связь здесь скорее другая — свойства литосферы (океаническая она или континентальная) обусловлены тем, какая мантия ее подстилает.
Есть как будто другой выход, чтобы учесть новые сведения и остаться на позициях тектоники плит. Поверхность скольжения можно отнести на гораздо большие глубины. Но тогда мы придем, в конце концов, к тому, что ядро Земли и мантия вращаются друг относительно друга и построения тектоники плит теряют всякий смысл.
Из концепции тектоники плит следует, что в мантии должна происходить конвекция вещества: подъем глубинного материала в срединно-океанических хребтах, опускание в желобах. И эти вертикальные ветви конвективных потоков продолжаются на поверхности Земли горизонтальными ветвями, идущими от хребтов к желобам. Противоположно направленные потоки должны быть в глубоких оболочках Земли. Но существует ли такой замкнутый круг? Это пока никем не доказано, но и не опровергнуто. Кроме того, в глубоководных желобах по схеме тектоники плит должно происходить нагромождение осадочных образований, как бы соскребаемых с погружающейся литосферной плиты.
Глубоководное бурение, которое все шире и все больше проводится в океанах, в том числе и в глубоководных желобах, где ожидали получить прямые данные о погружении плит, пока нигде не обнаружило таких деформаций осадков.
И третье обстоятельство, порождающее сомнения в прочности основных позиций тектоники плит. Это те закономерности строения и развития литосферы, которые установлены континентальной геологией. Вопросы, связанные с этим, всегда были трудными для сторонников новой глобальной тектоники. А между тем эти закономерности не являются просто выдумкой противников новой глобальной тектоники. Если говорить в самом общем виде, то главная закономерность развития континентов — это предопределенность поведения земной коры в различных тектонических зонах, унаследованность, которая связывает последовательные этапы эволюции коры на континентах. Тектонические движения, проявления магматизма, физико-химические изменения пород, то есть все те процессы на поверхности Земли и в земной коре, которые обусловлены глубинными причинами, сменяют друг друга во времени вполне закономерно. И более того, поведение земной коры на каждом этапе обусловлено той историей, которую она прошла на предшествующих стадиях развития.
Установлен закономерный ряд и закономерная смена состояний земной коры: от активного, возбужденного — к устойчивому. Переходы от одного состояния к другому происходят по определенным правилам и как бы подчинены некоему порядку. В этой выясненной учеными схеме развития коры есть свои нормальные, естественные переходы от одного состояния к другому, а есть «запрещенные», которые в природе не могут осуществиться.
Участки или блоки земной коры, прошедшие через активное тектоническое развитие, сопровождающееся интенсивными движениями, деформациями пород, бурным магматизмом (так называемый геосинклинальный цикл), становятся после этого относительно жесткими, земная кора в них утолщается и теряет свою подвижность. Развитие становится более спокойным, иными словами, наступает платформенная стадия. После этого возможен новый импульс активности, и он уже выразится в иных процессах, чем во время геосинклинальной стадии,— может начаться горообразование или образование глубоких расколов, рифтов. Причем те неоднородности, которые были созданы на более ранних стадиях развития коры, проявят себя и на последующих этапах — направление растущих молодых горных хребтов чаще всего предопределено ориентировкой прогибов, поднятий и разломов более ранних стадий активного развития. Ничто не исчезает бесследно, и земная кора континентов как бы обладает «памятью» о тех событиях, которые с ней происходили раньше.
Один пример. Во многих случаях молодые горноскладчатые пояса пересекаются древними поперечными структурами. Средиземноморский подвижный пояс юга Европы, протягивающийся почти широтно от Пиренейского полуострова до Ирана, пересекается древними поперечными поднятиями — Транскавказским, Урало-Оманским, которые имеют очень большую протяженность и захватывают не только молодой подвижный пояс, но и соседние с ним стабильные области — платформы. Эти поперечные структуры идут почти точно по меридианам, а их история уходит в глубокую древность.
Но если Средиземноморский альпийский пояс считать швом между двумя столкнувшимися сравнительно недавно плитами, как это принимается в тектонике плит, то как объяснить, что эти древние меридиональные поднятия пересекают шов и продолжаются по обе стороны от него? Более того. До предполагаемого столкновения плит на месте горноскладчатого пояса существовал океан Тетис, и плиты были далеко отодвинуты друг от друга. Так говорит новая глобальная тектоника. Но меридиональные поднятия и в это время видны в закономерном расположении поднятий и прогибов на краях якобы раздвинутых плит. Каким же образом эта мозаика так удачно и точно собралась в такую правильную картину при столкновении плит?
Не вернее ли считать, что эти меридиональные структуры — древнее «волокно», сформировавшееся на самых ранних стадиях эволюции коры и «просвечивающее» на всех последующих стадиях развития сквозь более молодые образования.
Иногда говорят, что меридиональные структуры — это «рельсы», по которым двигались плиты. Но в любых схемах, которые предлагаются для этого региона, движение плит не происходит строго по меридиану, а обычно по какой-то кривой. Значит, «рельсы» имели раньше изгибы и повороты, а потом выпрямились и теперь протягиваются строго меридионально?! На этот вопрос сторонники новой глобальной тектоники не дают ответа.
Наконец, последнее. Как известно, важные критерии надежности теоретических построений — практика и прогноз. Попробуем с этой точки зрения взглянуть на тектонику плит. Какой вклад она внесла в решение хотя бы двух практических задач, которые обязана решать наука о Земле?
Это — закономерности размещения рудных месторождений и прогноз сейсмической опасности. В решение первой задачи вклад тектоники плит, по мнению многих известных металлогенистов, пока незаметен, хотя попытки связать эти явления известны. Рудные металлогенические пояса оказываются не связанными с границами плит (настоящими или прошлыми), а подчиняются каким-то совсем иным закономерностям. Как понять, с точки зрения тектоники плит, такой металлогенический пояс, как Индонезийский, где несколько эпох рудообразований — в течение палеозоя, мезозоя и кайнозоя — дают месторождения различных руд практически вдоль одного и того же протяженного глубинного разлома земной коры? Скорее здесь играют роль унаследованность и устойчивые связи крупных структур земной коры с подкоровыми процессами, чем сложная «игра» плит.
В задачу прогноза места и силы землетрясений концепция тектоники плит пока тоже не внесла заметного вклада, хотя границы литосферных плит, как известно, устанавливаются, прежде всего, по очагам землетрясений. Однако как быть с землетрясениями, которые происходят внутри плит? Современные методы прогноза сейсмической опасности по геологическим данным основаны на понятиях подвижности или стабильности различных блоков земной коры. Эти понятия выработаны традиционными геологическими методами. И надо сказать, что карты, созданные в самое последнее время, служат достаточно надежным инструментом прогноза, хотя они и далеки от совершенства,— случаются и «пропуски цели», и «ложные тревоги». Но не из-за того, что в них не использованы идеи тектоники плит, а потому, что не всегда хороши исходные геологические данные, да и сама методика прогноза должна быть усовершенствована.
Все сказанное, конечно, не означает, что противники тектоники плит на все имеют ясные ответы, все могут объяснить. Сторонники традиционных теорий, которых иногда называют «фиксистами», отчетливо осознают, что во многих случаях еще нет достаточных фактов, многие геофизические результаты могут быть интерпретированы по-разному.
Интересно отметить, что начальный импульс активного развития земной коры и в концепции тектоники плит, и в концепциях ее противников сходен. Это подъем к поверхности разогретого вещества из глубин мантии. Иногда это вещество поднимается в высокие горизонты земной коры и даже изливается на поверхность, давая обширные покровы базальтовых лав. Но по концепциям мобилизма этот поднявшийся с больших глубин материал расталкивает края щели, в которую он прорывается, раздвигает плиты литосферы и приводит в движение конвейер литосферных плит. По традиционным представлениям такого горизонтального движения всей литосферы в целом не происходит. Земная кора прогревается, в ней начинаются сложные физико-химические превращения вещества, возникает гравитационная неустойчивость, которая и вызывает процессы поднятия и прогибания земной коры. Происходят и горизонтальные перемещения вещества, но значительно меньшего масштаба и значения, чем считают сторонники тектоники плит.
Горизонтально перемещается не литосфера в целом (100—150 километров по толщине), а отдельные слои вещества внутри нее на разных уровнях. Процесс тектонического развития, очевидно, в том и состоит, что происходит преодоление этого неустойчивого состояния.
Но надо повторить: далеко не все ясно и понятно в сложном процессе глубинных преобразований вещества. Однако во время каждой очередной дискуссии «мобилистов» и «фиксистов» приходит в голову, что они больше всего напоминают две футбольные команды, которые играют на одном поле, одним мячом, но каждая — по своим правилам.
Для создания общей теории развития Земли важен не только взгляд с океана на континент, но и с континента на океан. Новая международная десятилетняя программа сотрудничества геологов и геофизиков «Литосфера» предусматривает уделить значительно большее внимание изучению континентов. Океан, разумеется, не будет при этом забыт и оставлен.
Таким образом, причины внутреннего развития Земли следует искать, скорее всего, не в беспорядочном движении плит, а в закономерной эволюции коры, проходящей различные стадии развития под влиянием внутреннего глубинного тепла. В литосфере Земли на разных по глубине уровнях возникают состояния неустойчивого равновесия, когда более легкое и пластичное вещество оказывается под более плотным и жестким.
Любое нарушение этого равновесия — неоднородность нагрузки, неравномерный прогрев и т. д.— приводит к перемещениям вещества внутри литосферы. Оно стремится к более устойчивому состоянию: легкое — вверх, тяжелое — вниз. А на поверхности Земли это выражается в поднятиях и прогибах, росте гор, образовании складок. Земной шар по этой схеме работает как тепловая машина — периодически тепловая энергия недр превращается в механическую.
Автор: В. Н. Шолпо, кандидат геолого-минералогических наук.