Рождение и жизнь океанов

Время человеческой жизни, как правило, не превышает столетия. Наша планета, как считают ученые, существует уже около 4600 миллионов лет. За время своей жизни мы в состоянии увидеть только «моментальный» снимок ее поверхности, кажущейся нам незыблемой. Однако изучение остатков древних ископаемых живых существ и растений позволило выяснить историю нашей Земли за последние 600 миллионов лет. В кино можно увидеть, как расцветает роза, когда монтируются воедино кадры, снятые через многочасовые интервалы. Так и благодаря данным палеоклиматологии, геологии и геофизики можно увидеть, как раздвигались и вновь сдвигались гигантские материки, возникали и вновь захлопывались океаны.

В последние годы важнейшие данные о движении литосферных плит и связанных с ними материков дало палеомагнитное изучение древних горных пород. В чем заключается палеомагнитный метод? Ферромагнитные материалы обладают свойством сохранять направление той намагниченности, которую они приобрели в процессе своего образования. Это намагничивание очень устойчиво и может сохраняться десятки и сотни миллионов лет, несмотря на последующие изменения магнитного поля Земли. Если отбить от породы ориентированный образец и измерить величину и направление его намагниченности, то можно определить, где находился древний магнитный полюс Земли, и палеомагнитную широту места, которая совпадает с палеогеографической широтой.

А если к палеомагнитным данным добавить данные палеоклиматологии и геологии, то это даст возможность установить взаимное расположение континентов по широте в различные геологические эпохи и оценить пройденное ими расстояние.

При воссоздании картины былого расположения континентов в геологическом прошлом большую роль играют находки на континентах остатков древней океанической коры, так называемых офиолитовых комплексов горных пород, в состав которых входят гипербазиты, габбро, базальты и перекрывающие их глубоководные кремнистые осадки. Офиолитовые комплексы можно найти практически во всех складчатых поясах Земли — на Урале, на Кавказе, в Аппалачских горах США и т. д. По офиолитовым комплексам можно проследить древние границы океанов, исчезнувших затем при сближении и столкновении континентов. Так, например, расположение офиолитовых поясов на самом гигантском современном континенте — Евразии показывает, что он возник в результате столкновения и спаивания нескольких более мелких континентов, ранее разделенных закрывшимися теперь океанами.

Важными свидетелями границ древних океанов являются и вулканические цепи, в основном андезитового состава. Они представляют собой остатки древних вулканических островных дуг, которые, подобно современным островным дугам, располагались, по-видимому, в зоне перехода от континента к океану, там, где происходило пододвигание океанической литосферы под континентальную.

Собранные вместе палеомагнитные, геологические и палеоклиматологические материалы позволили построить реконструкции взаимного расположения океанов и континентов в геологическом прошлом от 570 миллионов лет до настоящего времени и составить карты расположения океанов и континентов для различных отрезков палеозойской и мезозойской эр.

Новые реконструкции показали, что современные южные материки Антарктида, Австралия, Африка и Южная Америка на протяжении всего палеозоя были объединены в единый гигантский сверхматерик — Гондвану. Ни в одном месте вдоль границ этих материков ни разу не было обнаружено палеозойских офиолитовых комплексов, а это значит, что ни Индийского, ни Атлантического океанов тогда еще не было. Кроме того, определение положения палеомагнитных полюсов для этих континентов показывает, что в раннем палеозое они были жестко спаяны между собой. Наконец, древние докембрийские комплексы горных пород на этих континентах переходят с одного материка на другой, если мысленно сложить их вместе.

Гондвана была окружена Палео-Азиатским и Палео-Атлантическим океанами. По другую сторону этих океанов располагалась группа северных материков: Северо-Американский, Восточно-Европейский и Сибирский, а также микроконтиненты: Казахстан, Средняя Европа и другие. Северо-Западная Африка в это время находилась на Южном полюсе, и в ней было так же холодно, как сейчас в Антарктиде. А вот все северные материки, наоборот, располагались в экваториальной зоне, и там царил жаркий тропический климат.

Около 480—450 миллионов лет назад северные континенты начинают постепенно сближаться, Палео-Атлантический и ПалеоАзиатский океаны понемногу закрываются, и вместо них рождается огромный новый океан Палео-Тетис. На его северном краю возникают гигантские цепи островных дуг с огромными огнедышащими вулканами. В дальнейшем, в среднем палеозое, в силуре и девоне, начинается объединение всех континентов. Океан Палео-Тетис сильно сокращается, Европа спаивается с Северной Америкой, образовав новый континент — Евроамерику, где на месте стыка континентов возникает складчатая страна.

Это сближение континентов продолжается и в период раннего карбона. В местах столкновений в это время образуются герцинские складчатые пояса. На месте умирающего Палео-Тетиса формируется новый океан Палео-Тетис II, отделяющий Китайский континент от Сибири и Казахстана. Гигантские ледники покрывают в это время большую часть Гондваны. Наконец, в позднем палеозое, 290—270 миллионов лет назад, все материковые глыбы соединяются в один гигантский сверхматерик — Пангею, состоящую из двух частей — Лавразии на севере и Гондваны на юге.

Один лишь Китайский континент в это время существует отдельно, отделяясь от Пангеи небольшим океаном Палео-Тетис II. В этот период Земля как бы делится на два полушария — континентальное, занятое Пангеей, и океаническое, занятое огромным Палео-Тихим океаном. На восточном краю Пангеи располагались протяженные вулканические пояса, с которыми в настоящее время связаны многочисленные месторождения цветных и редких металлов. Южный полюс находился в Антарктиде, а огромные площади материков Пангеи были покрыты ледниками, распространявшимися на север до 45 градусов южной широты.

Это поистине гигантское оледенение заканчивается в начале мезозоя, в триасе, примерно 220—200 миллионов лет назад. В это же время закрывается Палео-Тетис II, Китайский континент припаивается к Евразии.

Но главное событие, которое происходит в триасе, являющемся по этой причине поворотным моментом в развитии литосферы Земли,— это начало раскола сверхматерика Пангея. Первой начала раскалываться Лавразия в районе Северного Ледовитого и Атлантического океанов. В результате этого раскола Северная Америка стала отодвигаться от Европы, что привело к началу образования Атлантического океана в том виде, в котором мы его знаем сейчас. Сама Евразия при этом несколько сместилась к северу в связи с раскрытием океана Тетис.

В конце юрской эпохи (160—140 миллионов лет назад) начала распадаться и Гондвана, бывшая доселе незыблемой твердыней более чем 500 миллионов лет. В местах раскола возникают рифтовые зоны и срединно-океанические хребты, дающие начало образованию Индийского и южной части Атлантического океанов. В результате глубоководного бурения дна Индийского океана в его северо-восточной части между Австралией и Индией была найдена океаническая кора юрского возраста. Магнитные линейные аномалии юрского возраста выявлены в последние годы и в Атлантическом океане.

Раскол Гондваны и перемещение всех ее континентов, кроме Антарктиды, к северу — наиболее характерная особенность верхнего мезозоя и кайнозоя. Быстро растет Атлантический океан, возникают Лабрадорское море и Бискайский залив.

Индия и Мадагаскар отделяются от Африки, частью которой они были до верхнего мела. Сама Индия отправляется в длительное путешествие вслед за захлопывающимся Тетисом, чтобы в конце палеогена, около 26 миллионов лет назад, столкнуться с Евроазиатским материком. В результате этого столкновения возникли самые высокие в мире Гималайские горы. В начале эоцена, около 55 миллионов лет назад, Австралия откалывается от Антарктиды и начинает также двигаться на север к глубоководным желобам Индонезии.

В верхнем мелу начинается медленное умирание океана Тетис в результате сближения Африки и Евразии. На северном краю закрывающегося Тетиса возникает огромный пояс вулканических островных дуг, протягивающийся от Юго-Восточной Европы до Гималаев и дальше по восточной окраине Азии. Именно с этим поясом связаны известные в настоящее время богатые месторождения золота, олова, вольфрама и полиметаллов.

Наконец, уже в кайнозойскую эру Тетис закрывается почти полностью, Африка неотвратимо надвигается на Европу, сминая ее южную часть. Так возникает Альпийский складчатый пояс. Только узкая полоса Тетиса остается не закрытой до наших дней. Это, как предполагают ученые, Средиземное и Черное моря. Но и сейчас продолжается надвигание Африки, сильные землетрясения сотрясают еще не заживший шов — Альпийский пояс, продолжаются извержения вулканов в Италии.

В конце мелового периода происходит еще одно значительное событие: снова восстанавливается расколотая ранее Лавразия. На этот раз она спаивается своими противоположными ранее концами — Северная Америка соединяется с Азией в районе Чукотки и Аляски.

Неукротимое движение континентов, рождение и умирание океанов продолжаются и сейчас. Новый океан зарождается в районе Красного моря, отделяя Африку от Азии, огромная рифтовая трещина развивается под озером Байкал, как показали недавно исследования, проведенные там Институтом океанологии.

Мы видим, что движение континентов в кайнозое, в общем, противоположно их движению в среднем и верхнем палеозое,— континенты снова начинают собираться воедино, на этот раз в Северном полушарии. Эта картина во многом напоминает ранний палеозой, когда сближение континентов происходило в Южном полушарии, в результате чего возникла Пангея. Правда, тогда южные континенты были спаяны воедино в Гондвану, а северные — разобщены. Теперь же — наоборот: северные континенты сближены и спаяны в Лавразию, а южные разобщены. Сейчас, таким образом, мы имеем как бы зеркальное отображение расположения материков в раннем палеозое.

Совсем другая картина, как мы видим, была в позднем палеозое, когда существовал только один гигантский сверхматерик Пангея и один огромный океан. Можно предположить, что этот процесс представляет собой один из крупных циклов в истории Земли, в результате которых континенты спаиваются вместе, а затем снова расходятся, чтобы вновь соединиться, на этот раз уже в другом полушарии. Продолжительность такого цикла, прослеженного нами, составляет не менее 600 миллионов лет. Если это так, то Пангея возникала и снова разрушалась на протяжении многомиллионной истории нашей планеты неоднократно. Весьма вероятно, что очертания древних Пангей не были похожи на позднепалеозойскую Пангею, но механизм самого процесса, приводящего к образованию единого континентального массива, оставался тем же.

Существование этих крупных циклов в истории Земли является чрезвычайно важным. Оно, по-видимому, отражает крупные перестройки в движении масс вещества во внутренних частях нашей планеты, происходящие в соответствии с общим механизмом развития Земли, который был разработан в последние годы.

Другой замечательной особенностью развития поверхности Земли, связанной с рождением и гибелью океанов, является возникновение складчатых поясов, горных стран и вулканических цепей, которые, как мы видим, всегда возникали и возникают при столкновении материков. Это требует пересмотра всей истории развития складчатых поясов с точки зрения взаимодействия континентов, возникновения и закрытия океанов при горизонтальных движениях литосферных плит.

Значит, можно считать, что сегодня все мы — жители разных континентов — пассажиры на судах, движущихся друг к другу, чтобы через несколько десятков миллионов лет пристать к общей пристани — Северной Пангее.

Новая твердь рождается в океане

Как же образуются сами океаны? Какие таинственные процессы, обладающие невероятной силой, способные раскалывать и раздвигать гигантские континенты, приводят к образованию океанских акваторий с новорожденной литосферой? Обратимся к скрытым под многокилометровой толщей воды участкам океанского дна, где происходит неустанное образование новых частей твердой оболочки нашей Земли, к зонам глубоких рифтовых трещин и связанных с ними срединных океанических хребтов.

Под литосферой обычно понимают верхнюю кристаллическую оболочку нашей планеты. Нижняя граница литосферы определяется глубиной залегания температуры кристаллизации базальтов. Из новой теории глобальной тектоники мы уже знаем, что молодая океаническая литосфера образуется при раздвижении литосферных плит: в рифтовую трещину внедряется расплавленное вещество астеносферы, подстилающее жесткую литосферу, и постепенно охлаждается. Поскольку мощность новообразованной литосферы зависит от глубины охлаждения, она будет тем больше, чем больше времени прошло от момента внедрения. Благодаря такому механизму образования литосферы ее мощность не остается постоянной, а увеличивается с возрастом. Это приводит к тому, что «полнота» — мощность твердой верхней оболочки дна океанов — закономерно увеличивается по мере удаления от гребней срединно-океанических хребтов, где она минимальна, в сторону котловин с древними участками океанического дна.

Непосредственно измерить толщину литосферы в океане очень трудно. Современные глубоководные плавучие буровые установки могут проникнуть в океанское дно лишь на глубину не более сотни метров. Толщина твердой оболочки в наши дни определена лишь в нескольких точках сейсмическими исследованиями и глубинным электромагнитным зондированием, при котором нижнюю границу твердой плиты устанавливают по резкому увеличению электропроводности. Оказывается, однако, что можно определить глубину «подошвы» литосферы и другими способами, используя для этого изменения физических свойств при переходе от твердой литосферы к жидкой астеносфере.

При застывании силикатного расплава, из которого кристаллизуется базальтовая оболочка, его плотность возрастает, поэтому более тяжелая литосферная плита начинает погружаться в более легкую астеносферу. Чем толще литосфера, тем глубже она погружается. В результате этого поверхность океанической литосферы по мере удаления от гребня срединного хребта также закономерно понижается. Такое изменение рельефа от гребня срединно-океанического хребта к среднему океанскому дну находится в полном соответствии с законом гидростатического равновесия. Используя это гидростатическое соотношение и зная плотность астеносферы и океанской воды, можно, измерив разницу в глубинах дна на хребте и в любой точке океана, определить в ней мощность литосферы.

Другой способ расчета мощности литосферы может быть найден на основе решения общего уравнения теплопроводности, из которого следует, что мощность литосферы возрастает со временем. Возраст отдельных участков дна океана может быть определен различными путями: либо по мощности и палеонтологическому изучению осадков, либо по так называемым линейным магнитным аномалиям.

Есть и еще способ расчета, который использует измеренные величины потока тепла, идущего снизу вверх через тонкую кристаллическую оболочку океанского дна. Измерив такой тепловой поток с помощью специальных донных тепломеров, можно вычислить, на какой глубине находится температура, при которой застывают базальты, то есть нижняя граница литосферы. Можно определить мощность литосферы и по аномалиям силы тяжести и другими способами.

Все эти зависимости позволяют по данным о рельефе океанского дна, его возрасте, а также по тепловым и гравитационным аномалиям определять мощность литосферных плит практически во всех тех местах океанов, которые не осложнены более молодыми структурами в виде вулканических хребтов, островных архипелагов или микроконтинентов.

Обобщение таких расчетов для всех районов Мирового океана позволило нам построить общую карту мощности океанических литосферных плит. Из этой карты видно, что мощность океанической литосферы закономерно увеличивается от осевых частей срединно-океанических хребтов, где она близка к 10 километрам, к глубоководным океаническим котловинам, под которыми ее мощность возрастает до 70—80 километров.

Самую большую мощность имеет литосфера в наиболее древних мезозойских районах океанского дна, в северо-западной котловине Тихого океана, в Беринговом море, а также под древними глубоководными котловинами Атлантического океана, протянувшимися вдоль его побережий по обе стороны от Срединно-Атлантического хребта. В этих районах мощность литосферы достигает величин более 84 километров.

Утолщение твердой оболочки нашей планеты с увеличением возраста происходит не только в океанах, но и на континентах, которые гораздо древнее. Здесь литосфера достигает толщины до 200 километров. Чем мощнее становятся материки с течением геологической истории Земли, тем труднее им двигаться. Этим можно объяснить, почему, как показали палеомагнитные данные, скорости дрейфа континентов 400—500 млн. лет назад были гораздо больше, чем в более близкие к нам интервалы времени.

Конечно, эта первая карта мощности океанской литосферы должна быть в будущем существенно уточнена и дополнена новыми исследованиями. Однако уже сейчас она может быть полезной для объяснения многих геологических процессов в океане, например процессов вулканизма, а также для истолкования аномалий геофизических полей.

Растите, вулканы, большие и маленькие

Если из океанов и морей можно было бы вылить воду, то глазам удивленного наблюдателя откроются такие горные страны, которых не видывали даже видавшие виды альпинисты. При этом, прежде всего, обратят на себя внимание многочисленные конусообразные подводные горы, либо стоящие отдельно друг от друга, либо образующие цепочки и хребты, протянувшиеся на многие тысячи километров. Выходя на поверхность океана, такие горы образуют архипелаги вулканических островов.

Как показали подсчеты, в одном только Тихом океане существует более десяти тысяч подводных гор, возвышающихся над окружающим дном более чем на тысячу метров. Больше всего такие горы распространены в северо-западной части Тихого океана. Около тысячи ста подводных гор обнаружено сейчас в Атлантическом океане. Больше тысячи подводных гор найдено в Индийском океане. А сколько еще предстоит найти!

Такое огромное количество гор, большая часть которых, как показали геологические исследования, имеет вулканическое происхождение, на континентах нигде не встречается. Это замечательная особенность рельефа океанского дна.

При этом подводные и надводные вулканы, расположение которых на безбрежных акваториях Мирового океана на первый взгляд кажется хаотичным, на самом деле тянутся в виде цепочек или дуг. И приурочены они либо к упомянутым выше срединным хребтам, либо к глубоким трещинам в литосфере, либо к системам вулканических островов в тех зонах, где происходит пододвигание океанической литосферы под континенты. В каждом из этих трех случаев подводные и надводные вулканы существенно отличаются как по размерам, так и по составу.

Большую отдельную группу подводных гор образуют вулканы со срезанными плоскими вершинами, погруженными в воду, которые были названы гийотами в честь французского ученого Гийо. В чем же причина этих отличий?

Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим, как образуются вулканы на дне океана. При застывании внедрившегося в рифтовую трещину расплава образуется новая литосфера с большей, чем верхний слой астеносферы, плотностью. В результате вещество астеносферы оказывается перекрытым сверху более плотным веществом литосферы. В случае, когда в литосфере возникает трещина, происходит выжимание легких базальтовых жидкостей из верхних слоев астеносферы на поверхность океанского дна и образование вулканов. При этом высота и состав образующихся вулканов зависят, прежде всего, от мощности литосферы.

Как показывают расчеты, мощность новообразованной литосферы вблизи от рифтовой трещины в зоне гребня срединно-океанического хребта невелика, и глубина источников базальтового вулканизма составляет не более 15—20 километров. Вулканы в этом районе представлены так называемыми толеитовыми и кварц-толеитовыми базальтами, зарождающимися на сравнительно небольшой глубине. Это связано с тем, что развивающиеся здесь трещины в литосфере вскрывают только самые верхние слои астеносферы и на поверхность дна выжимаются расплавы из самых верхних слоев.

Высота вулканов, образовавшихся вблизи гребня срединно-океанического хребта, как правило, не превышает двух километров. Это подтверждается, например, результатами изучения подводных гор в Атлантическом океане, где наибольшее количество подводных гор высотой до двух километров (более 67 процентов от общего числа гор в океане) расположено в пределах гребня и склонов Срединно-Атлантического хребта. Такая же картина наблюдается на срединных хребтах Индийского океана и на Восточно-Тихоокеанском срединном поднятии. Расчеты подтвердили, что причина образования таких «маленьких» вулканов в зоне срединных хребтов состоит в малой мощности твердой литосферы. Чем тоньше литосфера, тем меньше ее гидростатическое давление и тем меньше высота возникающего вулкана.

При переходе от срединных хребтов к глубоководным океаническим котловинам, где, как видно из карты мощности литосферы, мощность ее увеличивается до 50—70 километров, картина резко меняется. Выжимание базальтовых жидкостей по трещинам здесь происходит с глубины 50—70 километров, что приводит к образованию вулканов высотой не менее 4—5 километров. Общая плотность подводных гор здесь возрастает — рядом с молодыми гигантами соседствуют более старые карлики, приехавшие на спине литосферной плиты от гребневой части хребтов.

Состав молодых гигантов, образовавшихся на мощной литосфере глубоководных котловин, также меняется. Они сложены базальтами различного состава — от толейтовых до щелочных. Это связано с тем, что дренирующие трещины здесь проникают глубже, туда, где температура расплавленной астеносферы выше. В результате подъема магм с разных глубин при разных температурах изливаются лавы различного состава. При этом, как правило, извержения здесь начинаются бурно, под мощным напором магмы с больших глубин. Эта магма практически «томпонирует» стенки вулканического канала-трещины. И только после того как ее напор ослабевает, на поверхность начинают изливаться низкотемпературные лавы с высших горизонтов, содержащие большое количество щелочей. Эти излияния всегда более вялые. На них обычно и заканчивается цикл вулканического извержения. Именно так происходят вулканические извержения на крупнейших из океанских вулканов — вулканах Гавайских островов, например вулкане Мауна-Лоа.

Что касается плосковершинных подводных гор — гийотов, то они, по-видимому, когда-то были надводными вулканическими островами, но затем, в результате погружения океанической литосферной плиты при ее утолщении и движении от рифтовой зоны, ушли под воду. Вершины же их оказались срезанными еще наземной эрозией.

В отличие от «старых карликов», т. е. низкорослых вулканов, образовавшихся на тонкой литосфере на срединных хребтах, «молодые гиганты» имеют мощные вулканические корни. Это трещины в литосфере, заполненные застывшим изверженным веществом большей плотности. Такие вулканические корни создают интенсивные геофизические аномалии в поле силы тяжести, в магнитном поле и т. д.

Часто развивающиеся вдоль линий крупных разломов в океанической литосфере цепочки отдельно стоящих подводных гор (таких, например, как Безлунные подводные горы в Тихом океане вдоль гигантского разлома Меррей) в процессе роста сливаются своими вулканическими корнями и образуют подводные (Императорский хребет) или надводные (Гавайский хребет) вулканические хребты и архипелаги.

Совершенно другой тип подводных и надводных вулканов так называемого андезитового состава развивается вдоль зон перехода от океана к континенту, где происходит пододвигание океанической литосферы под край континента. Вдоль всей этой линии, как мы уже видели в разные эпохи, развиваются мощные цепи вулканов на островных дугах. Такие вулканы образуют сейчас знаменитое «огненное» кольцо Тихого океана, протянувшееся вдоль всей его западной окраины, от огнедышащих гор Камчатки до вулканов Новой Зеландии. С этими вулканическими поясами, как мы уже отмечали, связаны многие месторождения цветных и редких металлов.

Океанские подводные и надводные вулканы по мере движения океанической литосферной плиты все больше опускаются и иногда бывают практически погребены под чехлом рыхлых осадков. Но бывает и так, что высокие вулканы упираются в край надвигаемой континентальной плиты, и в результате этого, сорвавшись со своего вулканического корня, как бы «впечатываются» в край континента. Пример тому, в частности, район полуострова Кроноцкий на Камчатке.

Итак, мы видим, что вся история развития нашей Земли, во всяком случае, история развития ее верхней твердой оболочки, именуемой литосферой, за последние 600 миллионов лет неразрывно связана с возникновением, развитием и отмиранием океанов.

Именно в океанах рождалась и рождается новая литосфера, образуются гигантские вулканические хребты. При пододвигании океанической литосферы под континенты возникают вулканические системы островных дуг, богатые полезными ископаемыми. Наконец, при закрытии океанов и сближении континентов которые, неумолимо наваливаясь один на другой, сминают свои края, образуются гигантские горные хребты Гималаи, Альпы и многие другие.

Такие открытия принесло человечеству только первое, если можно сказать, «поверхностное», изучение океана. Поверхностное потому, что мы еще не научились проникать на большую глубину в недра дна океанов. Еще очень многое в истории развития нашей планеты, и в частности океанов, остается неясным. Приведенные в этой статье схемы возникновения и гибели океанов, формирования их дна представляют собой лишь «дежурную модель», отражающую наши сравнительно бедные знания о возрасте и глубинном строении дна океанов. К ним, безусловно, следует относиться с осторожностью, учитывая, что только многолетние геофизические, геологические и геоморфологические исследования могут подтвердить их, уточнить, а, может быть, кое в чем и опровергнуть.

Автор: А. Городницкий.