Изменяется ли радиус Земли
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
Геологи и геофизики ведут сейчас жаркие дискуссии: изменяется ли радиус Земли, пульсирует она или расширяется, и как это сказывается на расположении континентов относительно друг друга, на изменении площади океанов. Пульсационная геотектоническая гипотеза была сформулирована американским геологом В. Бэчером уже давно, в 1933—1940 годах. В это же время появились первые гипотезы о расширении Земли, хотя в форме догадок такие идеи высказывались гораздо раньше, еще в XIX веке. Однако только в последние десятилетия появились достаточно точные данные наблюдений и экспериментов, которые позволяют говорить о возможном физическом механизме и, главное, о масштабах изменения радиуса Земли.
Такие сведения дает, прежде всего, изучение палеомагнетизма горных пород. Как известно, при остывании лав ферромагнитные минералы (гематит, магнетит и другие), образующиеся в них, приобретают намагниченность, ориентированную в направлении силовых линий земного магнитного поля. Такая намагниченность сохраняется в течение сотен миллионов лет. Ориентировка магнитного поля Земли закрепляется надолго и в тех осадочных отложениях (например, зернистых песчаниках), которые образуются из мелких обломков горных пород, перенесенных реками в морской или озерный бассейн. Каждое зерно, если в нем есть намагниченный минерал, ведет себя подобно крошечной магнитной стрелке и ориентируется в образующемся остатке так, как ему «велит» то магнитное поле Земли, которое существовало во время осаждения зерен.
Эта остаточная намагниченность и дает нам возможность определить прежнюю, существовавшую во время образования породы географическую широту и направление меридиана того времени. А по ним легко найти положение прежнего полюса — так называемый виртуальный полюс, определенный по отношению к тому участку земной коры, на котором был взят образец.
Если бы материки были неподвижны относительно друг друга, то виртуальные полюсы пород различного геологического возраста — от кембрийских, образовавшихся в начале палеозойской эры, 600 миллионов лет назад, до принадлежащих к четвертичному периоду, который охватывает последние два миллиона лет, легли бы приблизительно на одну и ту же кривую.
Фактически же ход кривых перемещения виртуального полюса с кембрия до наших дней, построенных по породам, взятым на разных материках, оказывается совершенно различным. Единственное объяснение этого факта состоит в том, что материки перемещались относительно друг друга на тысячи километров и постепенно поворачивались (по отношению к меридианам).
Все построения, основанные на палеомагнитных данных, хорошо согласуются с палеоклиматическими данными: распространением ледниковых отложений — в полярных зонах, пустынных отложений, часто с каменной солью, гипсом и доломитами — в жарких поясах, расположенных на широтах от 10 до 35 градусов. Они отлично согласуются также с реконструкциями, построенными А. Вегенером еще в 1925 году и А. Дю Тойтом в 1937 году на основании совмещения контуров материкового склона ныне разобщенных материков.
Такая согласованность результатов, полученных совершенно различными методами, не оставляет никакого сомнения в том, что происходили перемещения материков именно в тех масштабах, какие предполагаются в теории тектоники литосферных плит. Есть целый ряд обоснованных реконструкций для времени, охватывающего 380 миллионов лет (то есть с девонского периода). Они составлены Э. Ирвингом, Л. П. Зоненшайном и другими.
Для последних восьмидесяти миллионов лет получены еще более детальные реконструкции. Так, например, совмещая контуры полосовых магнитных аномалий, протягивающихся в Атлантическом, Индийском и Тихом океанах, Л. А. Савостин недавно построил серию глобальных реконструкций. Он проследил шаг за шагом разрастание дна океанов и пришел к выводу, что за 80 миллионов лет образовалось 300 миллионов квадратных километров новой океанической коры. Эта площадь равна 59 процентам поверхности земного шара.
Если радиус Земли в это время оставался приблизительно постоянным, то такая же огромная площадь древней океанической коры должна была «спрятаться» под дуги островов и под материковые глыбы в процессе субдукции. Только субдукцией можно объяснить, почему сейчас в океанах мы не находим коры более древней, чем образовавшаяся в юрском периоде (150—200 миллионов лет назад).
Яркое доказательство существования субдукции — исчезновение океана Тетис, имевшего в юрском периоде ширину 5 тысяч километров и полностью перекрытого материковыми глыбами при сближении Индийской платформы с глыбой, охватывающей среднюю и северную часть Азии и Европы. Следы субдукции сейчас усиленно изучаются английскими и французскими геологами в Каракоруме. Здесь обнаружены огромные блоки прежней океанической коры Тетиса, сложенные магматическими породами в виде пластин толщиной 15 километров, протягивающихся на 300 километров в длину. Они были оторваны от дна океана и вздернуты на поверхность при столкновении плит.
Бросим взгляд на складчатые пояса, образовавшиеся в течение последних 150 миллионов лет и протягивающиеся от Аляски через Скалистые горы, Антильские острова и Кордильеры Южной Америки до Антарктиды и от Новой Зеландии через хребты Новой Гвинеи, цепи островов Индонезии, Гималаи, Гиндукуш, Кавказ, Загрос, Тавр и хребты Балканского полуострова до Альп и горных хребтов Южной Испании и Марокко. Можно убедиться, что в этой зоне происходило интенсивное сжатие с образованием складок, надвигов, поддвигов. Это был грандиозный процесс сокращения поверхности земной коры, особенно ярко проявившийся в Гималаях, Каракоруме и Альпах.
Материковые глыбы, двигаясь на север (Апулийская, Сирийско-Аравийская, Индийская, Австралийская платформы) или на запад (Северо-Американская и Южно-Американская платформы), подобно огромным таранам, были вдавлены в более пластичный материал складчатых поясов. На карте это хорошо видно, так как в промежутках между такими таранами образовались цепи гор и островов, как бы отстававшие в своем движении, прогнутые, подобно фестонам, в противоположную сторону. Это складчатые дуги Южной Греции, острова Крит, южного побережья Ирана, Индонезии, гирлянда Антильских островов, Южных Сандвичевых и Южных Оркнейских островов.
Правильное впечатление о колоссальных масштабах сокращения земной коры в молодых складчатых поясах сложилось уже в XIX веке у Э. Зюсса — автора замечательной книги «Лик Земли». Изучение складчатости в более древних отложениях других областей Земли укрепило его вывод о том, что радиус Земли уменьшается. Идеи Зюсса в период с 1925 по 1955 год развивал Г. Штилле, который говорил о «поединке» между Индо-Африкой и Евразией — двумя гигантами, столкнувшимися друг с другом, и о грандиозном процессе надвигания островных дуг и материков окружающих Тихий океан, на дно этого океана.
Сейчас благодаря изучению остаточной намагниченности горных пород на материках и расшифровке возраста различно намагниченных базальтов дна океана мы в состоянии определить масштабы сокращения земной коры в этих поясах. Они оказываются еще большими, чем думал Зюсс. Как уже говорилось, на пересечении, проходящем через Центральную Азию и Индостан, произошло сближение материковых массивов не менее чем на 5 тысяч километров. На такое же расстояние удалились друг от друга Южная Америка и Африка, причем образование Атлантического океана между ними происходило одновременно с исчезновением океана Тетис.
Как же можно разнообразную картину перемещений глыб земной коры — сокращение поверхности в одних районах, увеличение в других — укладывать в прокрустово ложе упрощенных схем, предполагающих либо только монотонное сжатие, либо монотонное расширение матушки-Земли?
Посмотрим теперь, каковы реальные факты, позволяющие оценить масштабы изменений земного радиуса. По палеомагнитным и палеонтологическим данным можно говорить, применительно к последним 800 миллионам лет, лишь о переменных («пульсационных») изменениях радиуса в пределах нескольких процентов от величины 6370 километров, соответствующей современным размерам.
Палеонтологические и палеомагнитные данные согласуются в общей оценке изменений радиуса Земли. Правдоподобными представляются такие цифры: если современный радиус принять за единицу, то кембрийский радиус = 0,95, меловой = 0,99, палеогеновый = 1,01…
Возрастанию радиуса с конца пермского периода на 5 процентов соответствует увеличение поверхности Земли на величину, равную примерно процентам поверхности океанических впадин, сложенных базальтовой корой. А это значит, что древнюю (домезозойскую) кору океанов в размерах, соответствующих 80 процентам новообразований коры (то есть не менее 240 миллионов квадратных километров), мы все-таки должны «спрятать» под материки и островные дуги с помощью крупномасштабных пододвиганий, то есть субдукции.
Субдукция — это погружение земной коры (главным образом базальтовой, характерной для дна океанов) на большую глубину в связи с общей конвекцией вещества мантии Земли.
При конвекции базальтовый материал океанической коры (вместе с частью накопившихся на нем осадочных пород) погружается до глубины 70—150 километров. Здесь в условиях повышенных давлений и температур из этого материала выплавляются более легкоплавкие магмы, которые вскоре выдавливаются наверх. Лишенный этих магм, переработанный остаточный базальтовый материал приобретает более высокую плотность и увлекается вниз мантийным потоком. Так устраняется главное возражение против субдукции — возражение, состоящее в том, что по закону Архимеда менее плотный базальтовый материал коры не может быть погружен под действием конвекции глубоко в мантию.
Однако крупные глыбы материковой коры, имеющей гранитный слой, действительно, не засасываются глубоко вниз в тех зонах, где сталкиваются континенты, а раскалываются на отдельные блоки, чешуи, частично нагроможденные друг на друга подобно ледяным торосам и вдавливаются всей своей массой в пластичный материал смятых геосинклиналей.
О сокращении радиуса Земли в эпоху образования очень интенсивной складчатости альпийского цикла и поднятия горных хребтов и плоскогорий можно судить по напряженному состоянию земной коры и по изменению скорости ее вращения.
Подсчеты, выполненные учеными показали, что приливы в океанах и в твердом теле Земли должны были бы давать замедление вращения Земли на 3,2 миллисекунды в столетие. Между тем по астрономическим наблюдениям замедление вращения Земли составляет только 1,6 миллисекунды за сто лет. Следовательно, существует собственное изменение скорости вращения, противоположное приливному эффекту по своему знаку. Это указывает на сокращение радиуса Земли, равное приблизительно 0,5 миллиметра в год. Если сокращение радиуса в таком темпе продолжалось в течение последних десяти миллионов лет, то суммарный эффект должен был составить 5 километров, или 0,08 процента радиуса Земли.
При сокращении радиуса Земли в ее коре должны возникать сжимающие напряжения. Этот эффект, по-видимому, и дает единственное разумное объяснение тем сжимающим напряжениям, которые обнаружены в крепких скальных породах — гранитах, песчаниках — во многих шахтах, рудниках, туннелях и других подземных выработках. Такие напряжения приносят много неприятностей горнякам. Они вызывают горные удары — внезапные обрушения стенок выработки, взрывные выбросы горных пород и т. п.
Изучение механизма землетрясений показало, что сейсмические толчки сопровождаются взбросами, надвигами земной коры, а это может быть связано только с ее сжатием. Измерения в шахтах и туннелях и исследования механизма землетрясений свидетельствуют о том, что сжатие преобладает сейчас в земной коре не только в молодых складчатых поясах (Альпы, Кавказ, Япония и другие районы), но и на платформах и даже вблизи современных рифтовых зон. Сжатие зарегистрировано, например, в Исландии по обе стороны от ее центрального грабена, который составляет продолжение системы рифтов Срединно-Атлантического хребта, и на слюдяных рудниках реки Мамы в 200 километрах от Байкальской рифтовой зоны. Растяжение же охватывает сейчас, по-видимому, только узкие зоны самих рифтов.
Все эти факты позволяют думать, что изменения радиуса Земли, имеющие переменный характер (которые и предполагал В. А. Обручев в своей пульсационной геотектонической гипотезе), действительно имеют место и играют существенную роль в процессах горообразования. Хотя их суммарный эффект, накапливающийся за десятки миллионов лет, вероятно, не приводит к отклонению радиуса Земли от средней величины более чем на 5 процентов, попеременное сжатие и расширение Земли должно стимулировать перемещения масс в мантии Земли и способствовать возникновению подкоровых течений.
Если при попеременном сжатии и расширении в одних зонах накапливаются деформации, свидетельствующие о сокращении поверхности Земли, а в других видны следы ее увеличения (образование рифтов, грабенов), то ясно, что глыбы земной коры, расположенные между теми и другими, должны перемещаться в горизонтальном направлении от зон растяжения к зонам сжатия. Таким образом, в принципе вполне возможен синтез пульсационной гипотезы с современной теорией перемещения плит.
В самое последнее время в результате чрезвычайно точных гравиметрических измерений, выполненных в обсерваториях Севра (близ Парижа), Потсдама обнаружились удивительные факты, которые могут дать толчок к коренному пересмотру причин конвекции в мантии и движения литосферных плит. Как показали исследования, ускорение силы тяжести испытывает заметные изменения во времени. Эти изменения обнаруживают связь с изменениями скорости вращения Земли вокруг своей оси. Уже давно была известна связь попеременных замедлений и ускорений вращения Земли с вариациями выделяющейся за год суммарной энергии землетрясений, скоростью проскальзывания мантии (то есть земной оболочки до глубины 2900 километров) по магнитному ядру Земли, а также с вариациями колебаний полюса. Выявляется как бы узел, в котором тесно связаны эти явления. Они имеют прямое отношение к современным тектоническим процессам (сейсмичность), горизонтальным перемещениям масс в глубине Земли (проскальзывание оболочки по ядру) и к вариациям размеров Земли.
Однако это — тема для другой статьи. Исследования еще только начинаются. Пока можно лишь отметить, что в свете новой теории, которая недавно предложена В. Кануто, наиболее вероятной причиной этих вариаций представляются флуктуации величины гравитационной постоянной в ближайших частях космоса.
Автор: П. Кропоткин.