Пульсирующая Земля: интересные научные факты

Прошлый век открыл, что пульсируют не только наше сердце, наши мышцы или токи нашего мозга — пульсирует вся природа, все мироздание, вся Вселенная. Многие специалисты по биоритмологии склоняются теперь к тому, что пульсацию (иначе ритм или цикличность) следовало бы считать одним из фундаментальных свойств всякой материи; вопрос этот уже обсуждается на философских дискуссиях. И неудивительно: речь ведь идет еще об одном (котором уж по счету) доказательстве удивительного единства мира… С ритмами и циклами мы действительно встречаемся всюду — и на уровне атома, и на уровне Метагалактики.

О пульсирующей Вселенной мы уже рассказывали читателям, об автоколебаниях, обнаруживаемых на всех этажах самоорганизации — от живой клетки и нервного волокна до экологических процессов и галактик,— тоже. Сегодняшняя же наша тема — пульсации Земли, ее жизнь как планеты. Земля развивается и живет, причем, отнюдь не вялой и постепенно замирающей жизнью «остывающего сгустка звездного вещества», как полагали еще сто лет назад даже геологи, а жизнью бурной и интенсивной, со своими ритмами и циклами.

Прежде чем говорить о самих гипотезах, есть смысл сказать несколько слов о двух главных направлениях геологической исторической мысли, о двух тенденциях в объяснении происходящих на нашей планете геологических событий. Эти два направления— фиксизм и мобилизм. Сторонники первого, говоря весьма грубо и упрощенно, считают, что земная кора, некогда образовавшись, в дальнейшем испытывала в основном лишь вертикальные перемещения (геологи называют их поднятиями и опусканиями). Сторонники же второго, как свидетельствует его название, полагают (говоря столь же упрощенно), что основные блоки коры долго двигались и продолжают двигаться в различных направлениях по горизонтали. Особенно подвижна кора океанского дна.

Фиксисты замечательно объясняют историю платформ — древних ядер материков. Разбирая особенности их строения, они усматривают глубочайшие (в прямом смысле слова) и очень долго сохранявшиеся связи земной коры с подстилающей ее мантией. Но попросите их объяснить происхождение складчатых структур или рифтовых хребтов, не допуская при этом горизонтальных движений крупных блоков коры — их сближений или расхождений, и вы рискуете не услышать однозначного и достаточно убедительного ответа.

Однако и у их противников — мобилистов не все выходит гладко. Почему в земной коре возникают складки, объяснить нетрудно. Как и подобает многим складкам в природе, рождаются они благодаря поперечным сжатиям. Как образуются рифтовые хребты — тоже понятно. На многие тысячи километров по океанскому дну тянутся гигантские расщелины — рифты. Вдоль их осей поднимается наверх нагретое вещество мантии. Мантия раздвигает в стороны кромки рифта, и чем энергичнее раздвигает, тем шире и выше океанский рифтовый хребет.

Поднимающееся вещество мантии, приблизившись в осевой зоне рифта к поверхности океанского дна, остывает и превращается в новую кору. За последние 80 миллионов лет, утверждают мобилисты, под дном океанов образовалось так много новой коры, что ее площадь достигла почти двух третей поверхности земного шара. Столько же старой коры должно было поглотиться разверзавшимися безднами. Ничем другим ведь не объяснишь, почему в океане мы не находим коры, которая была бы старше 200 миллионов лет. А ведь это — всего лишь последние 4 процента всей жизни Земли.

Хорошо, но откуда взялись эти бездны и как в них могла исчезнуть поглощенная кора? Очень просто, отвечают мобилисты. Беспрестанно, с разной скоростью и в разных направлениях движутся по пластичному слою (так называемой астеносфере) части земной коры — литосферные плиты. Порой две плиты сталкиваются между собой, и тогда одна из них подползает под другую и с течением времени скрывается под ней навсегда.

Называется это субдукцией, буквально: подвигом. Только субдукцией и можно компенсировать непрерывное раздвигание (иначе — спрединг) коры в рифтовых областях. В противном случае пришлось бы признать, что с образованием новой коры соответственно увеличивается площадь земной поверхности… Но если, как думают мобилисты, механизм спрединга и субдукции действовал не менее 1,5 миллиарда лет, то за это время вся земная кора должна была бы исчезнуть в глубинах и быть оттуда исторгнута по нескольку раз. Между тем на большей части континентов геологи не находят столь юной коры, как в океанах, а во многих местах кора, вне всякого сомнения, образовалась более двух и даже трех с половиной миллиардов лет назад. Да и вообще странно выглядит в свете этих гипотез наша планета: какой-то вечный механизм самопережевывания!

Многие факты противоречат мобилистской модели тектоники плит, завоевавшей в последние годы большую популярность, особенно за рубежом. По утверждению мобилистов, например, толщина литосферных плит, скользящих вместе с древними платформами по астеносфере, около 100—150 километров. Но геофизики, «прослушивающие» Землю сейсмическими волнами, обнаружили, что под внутренними, древними частями континентов астеносферы на этих глубинах нет и литосфера уходит в глубину не на 100—150 километров, а на 300—500. Иначе говоря, поверхность, по которой должны скользить материковые глыбы, очень неровная, и кое-где она находится раза в 3—4 глубже, чем предполагалось. А это сильно меняет дело.

Данные палеомагнитных измерений — тоже не все на стороне мобилистов. Что такое палеомагнетизм? Представьте себе лаву, остывающую после извержения вулкана. В ней образуются ферромагнитные минералы, которые, как намагниченные стрелки компаса, ориентируются относительно магнитного поля Земли. На протяжении сотен миллионов лет они сохраняют свою намагниченность. Приходят геологи и видят, как было ориентировано геомагнитное поле в те времена, когда происходило извержение. Такую же намагниченность сохраняют и зернышки железистого минерала магнетита в песчаниках, выпавшие в осадок после того, как бурная река швырнула в море обломки горных пород. Установив эту ориентацию у пород разного возраста, взятых в разных местах, и сопоставив все это с местоположениями магнитных полюсов в то или иное время, ученые могут определить, двигались или не двигались материки по отношению к магнитной оси Земли и друг к другу.

Таким образом, выясняется, что и 2,5 и 1,5 миллиарда лет назад относительное положение ядер многих нынешних континентов оставалось неизменным, а южные материки, занимавшие более половины общей площади древних платформ, сохраняли свое неизменное взаимное расположение даже 200 миллионов лет назад. Правда, после этого, начиная с середины мезозойской эры, расстояние между континентами действительно увеличилось. Но что такое эти 200 миллионов лет по сравнению со всей историей Земли! Да и субдукция ли, или, лучше сказать, одна ли субдукция была причиной этого увеличения?

Мобилисты с такой трактовкой палеомагнитных данных, конечно, не согласны. Нет, говорят они, не только в последние 200 миллионов лет, но на протяжении по меньшей мере 1,5 миллиарда, а возможно, и 2,5— 3,5 миллиарда лет литосферные плиты меняли свое положение, путешествуя за тысячи километров и постепенно поворачиваясь по отношению к меридианам. Именно путешествовали, а не просто отодвигались друг от друга.

Пусть так. Но что заставило материки путешествовать? Вот вопрос! Шаткое их положение на астеносфере? Субдукция? А отчего то усиливались, то ослабевали поперечные сжатия на Земле, а также растяжения в рифтовых зонах? Отчего-то усиливался, то ослаблялся вулканизм? Вопросов возникает великое множество. На часть из них довольно удачно и убедительно отвечают нам фиксисты, на часть — мобилисты, а часть остается без ответа. И лишь «объединенная» гипотеза расширения и пульсаций, вбирающая в себя, помимо всего прочего, все рациональное, что содержат взгляды фиксистов и мобилистов, лишь она притязает дать ответ на все вопросы и примирить все противоречия.

Провозвестником гипотезы расширения и пульсаций можно считать всеведущего Леонардо да Винчи, который в одном из своих трактатов рассуждал о росте и дыхании Земли, рассматривая ее как своеобразный организм. Но это было не строгое научное рассуждение, а некая смесь натурфилософии и поэзии, столь характерная для подобных прозрений, к которым принадлежат и атомы Левкиппа и Демокрита, и «пульсирующая Вселенная» индийского религиозного эпоса «Махабхараты», и многое другое в том же роде. Научные рассуждения начались лет сто назад, когда ученый Е. В. Быхано, попытался объяснить расширением Земли возникновение океанских впадин и совпадение очертаний континентов, а другой, И. О. Ярковский, решил, что гравитация — это материальный поток, направленный из космоса ко всем небесным телам, в том числе и к Земле, отчего этим телам надлежит постепенно увеличиваться в объеме.

В двух этих предположениях мы видим зародыши двух направлений, по которым развивались представления о расширении Земли. Почти полвека эти представления пребывали чуть ли не в разряде курьезов и причуд, пока в 30—40-х годах прошлого столетия их не начали разрабатывать крупные ученые — геологи, геофизики, физики. Но должно было пройти еще три десятка лет, прежде чем у сторонников расширения накопились убедительные данные и к их голосу стали прислушиваться в лагерях ортодоксальных фиксистов и мобилистов.

Возьмем, например, такой факт. Геолог Е. С. Штенгелов установил, что почти вся земная кора, во всяком случае в пределах континентов, покрыта сетью полосовидных трещиноватых зон, проницаемых для жидкостей и газов. Есть полосы узкие, метров в 300 шириной, есть и широкие — километров в пять. Ширина же заключенных между ними монолитных и малопроницаемых блоков — от 2 до 30 километров. Об одних зонах известно, что еще недавно они были меньше, о других — что с ними связаны очаги землетрясений. Во многих зонах обнаружены следы растягивающих напряжений. Откуда взялись эти зоны-полосы? Откуда растягивающие напряжения? Причина может быть одна — расширение Земли.

А вот другой факт. Давно уже геологи пытаются разгадать, что вызвало сильные изменения структуры и состава некоторых очень древних пород, лежащих у самой поверхности Земли. Судя по составу и структуре, они должны были образоваться под высоким давлением. Такое давление существует лишь на глубине 30—50 километров. Как же эти породы поднялись к поверхности из таких глубин? Представить себе это можно, допустив, что 3,5 миллиарда лет назад, когда образовались эти породы, радиус Земли был в 1,5— 2 раза меньше нынешнего, а сила тяжести много больше; в этих условиях давление, необходимое для столь кардинальных перемен в структуре породы, могло существовать на меньших глубинах — от 7 до 15 километров. Оттуда породы в процессе постепенного разуплотнения Земли могли подняться кверху без особых хлопот.

Точно так же разгадывается и давнишняя загадка алмазоносных кимберлитовых трубок. Заключенные в этих трубках алмазы могли возникнуть лишь при такой температуре и при таком давлении, какое в наши дни существует на глубине 150— 200 километров. Основная же часть трубок образовалась явно на меньшей глубине. И возраст трубок оказывается значительно меньше содержащихся в них алмазов. Содержимое старше оболочки — что это значит? Только то, что алмазы рождались на ранних этапах развития Земли, когда ее радиус был много меньше нынешнего, рождались в самой верхней части мантии, на сравнительно небольшой глубине. А спустя сотни миллионов лет их обволокло и увлекло за собой вещество кимберлитовых трубок.

А циклы роста кораллов? Годичные эти циклы, подобно циклам деревьев, видны невооруженным глазом и всем давно известны. Но вот на кораллы взглянули в электронный микроскоп и увидели суточные ритмы роста — по 365 ритмов в каждом годовом цикле. Но что это? У кораллов, которым от роду 300 миллионов лет, число ритмов в годовом цикле возрастает до 390, а у тех, которым 390 миллионов лет, насчитывается уже 400! Не ясно ли из этого, что ежегодное количество оборотов Земли вокруг своей оси постепенно уменьшалось? За 390 миллионов лет Земля потеряла 35 оборотов. Считается, что в этом виноват особый характер гравитационных связей между Землей и Луной. Вполне возможно, но и постепенное увеличение земного радиуса сбрасывать со счетов нельзя. По некоторым подсчетам за последние 400 миллионов лет он увеличился на 4 процента, отчего поверхность земного шара расширилась на 8 процентов, объем вырос еще больше, а средняя плотность, естественно, уменьшилась.

Из-за уменьшения плотности и замедлилось вращение Земли. Палеомагнитные измерения как будто подтверждают это. У австралийских палеомагнитологов П. Шмидта и Б. Эмблтона получилось, например, что 1,5 миллиарда лет назад радиус Земли едва превышал половину сегодняшнего и все континенты близко примыкали друг к другу. Значительное расширение Земли, когда между глыбами континентов возникли крупные участки океанской коры, началось позже.

Признаки расширения обнаруживаются на разных стадиях развития планеты. В одни эпохи оно усиливалось, в другие — ослаблялось. Первый из предполагаемых крупных «натисков» расширения произошел 3,5 миллиарда лет назад, потом 2,5 миллиарда, потом от 1 до 1,5 миллиарда лет назад. Мы живем в новую эпоху усиления, начавшегося «совсем недавно», по-видимому 250 миллионов лет назад.

За 3,5 миллиарда лет радиус Земли увеличился не более чем в полтора-два раза, за 1,5 миллиарда лет — не более чем в полтора раза, а за 250 миллионов лет, с начала мезозойской эры, не более чем на 5— 10 процентов. По правде сказать, и это немало: ведь 10 процентов — это 637 километров, больше чем расстояние от Киева до Львова.

Что же все-таки заставляет Землю хоть медленно, но расширяться? Некоторые ученые, например австралийский геолог С. Кэри, признают, что причины расширения им неизвестны, но каковы бы они ни были, только расширение позволяет, не впадая в противоречия, объяснить все закономерности строения и развития Земли. Кэри и его единомышленники не ломают голову над загадкой расширения, а принимают его как данность, ожидая, пока разгадка придет сама.

Другие вслед за П. Дираком, П. Иорданом, Д. Д. Иваненко и другими физиками допускают, что с течением времени в расширяющейся Вселенной уменьшается так называемая гравитационная постоянная. По этой причине давление на вещество Земли падает, средняя плотность земного шара уменьшается, а объем растет. Но уменьшение гравитационной постоянной — тоже пока гипотеза; многие физики и космологи думают, что ничего подобного не происходит, а если и происходит, то на объеме Земли это не отражается.

Но может быть, причину разуплотнения вещества следует искать не во Вселенной, а в самой Земле — в не прекращающихся ни на миг процессах преобразования вещества планеты и непрерывного смещения границ всех слоев — астеносферы, верхней и нижней мантии и даже ядра? Слои эти в постоянной перестройке: легкие элементы всплывают, тяжелые — тонут, из глубин поднимаются газы, идет образование воды. Вполне возможно, что при таком безостановочном бурлении плотность Земли уменьшается. Ведь это прямо реторта, а не небесное тело! Вот уже более 4 миллиардов лет существует наша планета, а ее тектоническая и магматическая активность все не затихает. Поистине, это самая живая из всех планет земной группы, и неспроста заметное расширение мы находим прежде всего у нее, а не у Марса или у Меркурия.

О расширении говорил и ученый В. Н. Ларин, полагающий, что все геологические явления на Земле, в конечном счете, восходят к процессу дегазации ядра, которое состоит из гидридов металлов и из металлов с растворенным водородом. Водород выходит из ядра, и оно от этого увеличивается в объеме. И весь объем Земли увеличивается. В процессе своего развития Земля, по расчетам Ларина, должна была расшириться в несколько раз. Расширение продолжается и поныне, но, как и прежде, оно протекает циклично: время от времени замедляется и даже чередуется с некоторым сжатием. Вот мы и дошли до пульсаций!

Без пульсаций не обойдешься. В самом деле, чем, кроме пульсаций, объяснить цикличность вулканизма? То вся планета извергает лаву, то вулканы покрываются коркой, умолкают на века, и у их подножий расцветают беспечные города. То же и с океанами: в одни эпохи они наступают на сушу, в другие — отступают. И с накоплением осадков… Да всех циклических явлений и не перечислить!

Любопытная закономерность: вулканы оживают в одни и те же периоды — в эпохи растяжения коры. В эпохи ее сжатия они замирают. У пульсаций океана — тот же ритм. В эпохи сжатия — кора коробится, емкость океанских впадин увеличивается, в них собираются гигантские массы воды. Океаны как бы отступают от суши. В эпоху же расширения неровности сглаживаются, емкость впадин уменьшается, вода растекается по большей поверхности — океан наступает на сушу.

Но ярче всего пульсация Земли проявляется в зонах рифтов — гигантских узких расщелин, где из недр выпирает юная кора, и в зонах геосинклиналей — обширных и вытянутых участков коры, испытывающих, как говорят геологи, длительное глубокое погружение. Приходит время, и в коре начинаются сильные поперечные сжатия. В геосинклинальных областях образуются тогда складчатые структуры, и блоки коры надвигаются друг на друга, как торосы во льдах полярных морей. Через многие тысячи лет сжатия прекращаются, и по всей планете начинают образовываться новые или оживают старые рифты. Это вступили в игру силы противоположного знака — силы растяжения коры. Зоны рифтов более восприимчивы к действию сил растяжения, а зоны геосинклиналей — к действию сил сжатия. Увеличивается объем планеты — растут рифты, уменьшается объем — сужаются геосинклинали.

Циклы образования складок строго чередуются с циклами развития рифтов. Когда складчатость в геосинклиналях усиливается, кора в зонах рифтов почти не расширяется, и наоборот, когда усиливается расширение — ослабляется образование складок.

Иерархия циклов

Все это заметили и осмыслили, конечно, не сразу. Если не считать Леонардо, то к гипотезе пульсаций (или, во всяком случае, к признанию прерывистости во времени и периодичности сжатия в земной коре) в той или иной мере склонялся уже и австрийский геолог 19-го столетия Э. Зюсс, и немецкий геолог X. Штилле с его идеей «мировых фаз складчатости». Но ближе всего подошел к ней в 20-х годах прошлого века ирландский геофизик Дж. Джоли, автор гипотезы термических циклов. Джоли предположил, что с течением времени под корой планеты скапливается избыток тепловой энергии радиоактивного распада, «подкорка» начинает плавиться и плиты коры континентов приходят в движение. Растягиваясь и дробясь, они ползут по поверхности земного шара.

Участки расплава, над которыми они прежде располагались, обнажаются, Земля отдает тепло космосу, и континентальные глыбы, испытывая сжатие, вмерзают в охладившийся расплав. Затем «подкорка» опять нагревается и все начинается сначала.

А можно ли с уверенностью утверждать, что Земля пульсирует? Пожалуй, да. Во всяком случае, идея пульсаций Земли в настоящее время более обоснована, чем идея общего ее расширения. Множество фактов подтверждает пульсацию: ритмичность образования рифтов и складок, ритмичность вулканизма и движения океанских вод… Давно установлена связь между перемежающимися замедлениями и ускорениями вращения Земли (в рамках общего замедления) и вариациями выделяющейся за год суммарной энергии землетрясений, между скоростью скольжения мантии по ядру Земли и вариациями магнитного поля. Теперь в этот клубок связей вплетается пульсация силы тяжести, и все это вместе взятое находит свое объяснение в колебаниях размеров Земли.

Что же порождает их? Что все-таки заставляет сокращаться и увеличиваться земной радиус? Циклы от нескольких миллионов до сотен миллионов лет обязаны своим происхождением, по всей вероятности, неравномерному выделению тепловой энергии, поднимающейся от ядра к поверхности Земли как бы волнами. Но только ли в этом их причина? А что лежит в основе других циклов? Имеют ли отношение к пульсациям Земли колебания гравитационной постоянной в ближайших сферах космоса, как одно время предполагали физики? А пульсации Солнца, которых у него у самого не меньше, чем у Земли? А сложные ритмы всей Солнечной системы? Ведь мы — часть ее…

Окончательных ответов на все подобные вопросы пока нет, но они, бесспорно, будут найдены. И скорее всего тогда, когда человек начнет обживать ближний космос, направит из него на Землю глаза и уши приборов и внимательно понаблюдает за нею.

Автор: Е. Милановский.