Тектоника плит – континенты дрейфуют

Перефразируя известное начало «Анны Карениной», можно сказать, что науки в момент удачи и свершения похожи друг на друга, каждая наука несчастлива по-своему. На таком гребне удачи некогда была геофизика, когда ныне хорошо всем известная «теория плит», или «плитотектоника», получила, наконец, признание. Момент редкий и поучительный в развитии науки. Потому что он позволяет на примере этой одной удачи посмотреть: а что, собственно, за ним следует? Как развивается наука от той точки, когда в ней родилось конструктивное новое?

Эта теория, прежде всего, изящна. В этом смысле она вполне удовлетворяет хотя и не совсем научному, но хорошо известному требованию, что предъявляют любой значительной теории. Теория должна быть проста, красива, если хотите. Конечно, нет таких единиц, в которых удалось бы измерить простоту и изящество. Но каждый это изящество ощущает, если оно, разумеется, есть.

Плитотектоника

Плитотектоника — это геометрия сферической поверхности в действии. Жесткие, внутри спокойные тысячекилометровые куски земной оболочки толщиной в сотню километров движутся по вполне определенному закону, который вытекает из элементарных требований геометрии. И это все.

Следствия удивительны. Все процессы, тектонические, геологические, сосредоточиваются на границах плит. Там, где они раздвигаются, через гигантские трещины в земле, их называют срединно-океаническими хребтами, поступает материал, который все время наращивает разъезжающиеся края плит. Там, где плиты сталкиваются или трутся друг о друга, возникают вулканы, происходят сильнейшие землетрясения, сминаются пласты земной коры и вздымаются Гималаи…

Вторая часть теории, собственно тектоника плит (первую часть называют теорией дрейфа континентов), относится к тому, как взаимодействуют сталкивающиеся края. Здесь два основных варианта. Первый — край одной плиты «ныряет» под другую и уходит на глубину под углом в 50—70 градусов. Как правило, «ныряет» та плита, на которой нет материковой нашлепки, состоящей из более легкого материала, который, как понтон, держит край и не дает ему погрузиться. Второй вариант — если обе плиты несут на себе материки, ситуация усложняется. Возникают огромные перемятые складки, вздымаются горы, кусок нырнувшей плиты может оторваться и уйти на глубину…

Таков очень грубый очерк теории плит.

Ничто научное нам не чуждо

Конечно, интерес к плитотектонике был огромен. Еще бы — оказалось, что материки, эти легкие нашлепки на плитах, вместо того, чтобы извечно и незыблемо занимать свое место, движутся! И, разумеется, всем было интересно узнать, куда едет его часть света и с какой скоростью. Движение всегда симпатичней и созвучней человеческой натуре. Правда, в случае плит его скорость не превышает нескольких сантиметров в год, но все же это движение.

Геофизиков тоже страшно интересовали скорости и направления, в которых движутся куски земной тверди. Так вслед за признанием начался бурный и неизбежный для любой науки этап детализации. Куда и с какой скоростью движутся плиты? Сколько их? Где точные границы? Все это предстояло выяснить. Ведь от этого зависело многое: вулканизм, сила и частота землетрясений, образование ценнейших минералов…

Раз основные процессы сосредоточены на границах, надо в точности знать, что там происходит. Кроме того, прокрутив тектонический фильм в обратном направлении, ученые могли бы увидеть, что было с материками и океанами сто — двести миллионов лет назад. А тут в один узел завязывались и проблемы климатологии, древних оледенений, расселение видов животных и растений в разные геологические эпохи… И естественно, интерес ученых оказался намного глубже и долговечнее, чем интерес публики. Со страниц популярных журналов плитотектонику вытеснили иные сенсации. Но во всем мире ведется напряженная и кропотливая научная работа, уточняющая и детализирующая дрейф.

Где они, безвестные, неутомимые собиратели конкретных фактов? Знаменитым становится тот, кто объединяет все собранные крупицы в здание новой теории. Таков был ученый Вегенер. Но ведь без множества фактов, малых и больших, собранных другими, не было бы его теории… Увы, в науке побеждает тот, кто побеждает последним. Счастье ученых, что не пекутся они особенно о том, кто среди них окажется впереди. Прежде всего, они работают. Собирать факты — кропотливая работа, но кто-то ведь должен ее делать. И делают. Сразу же простая изящная схема движения шести первоначальных плит стала обрастать массой подробностей.

Красное море, этот новорожденный океан, как выяснилось, образовывалось в два этапа. Первая стадия расширения со скоростью 1,3 сантиметра в год длилась 30—40 миллионов лет. Затем 4—5 миллионов лет назад начало расширяться дно современного Аденского залива, это расширение продолжается и сегодня со скоростью 0,9 см в год. Ну и что? — спросит читатель. Главное сам факт: новорожденный океан — это да! А детали, подробности — для специалистов. Вот тут и расходятся интересы ученых и тех, кто от этой науки далек. Очень даже интересны как раз эти подробности — ведь на дне Красного моря, там, где пролегает трещина молодого рифта, находятся карманы, насыщенные ценнейшими металлами и минералами. Ведь это будущий Урал, «застигнутый» в момент своего образования. И знать в деталях процесс его рождения крайне важно…

Тектоника плит — прежде всего устранение случайностей на земной поверхности. Откуда взялись острова? Что их породило? Теория должна все объяснять. А что касается Гавайских островов, то до недавнего момента оставалось неясным их происхождение. Как-то не на месте оказывались они в рамках плитотектоники. Но вот и это прояснилось. Все дело в том, так считают некоторые ученые, что на линии их расположения в океане особенно велики скалывающие усилия в земной коре, что возникают от движения тихоокеанских плит. Попросту края двух плит трутся друг о друга, материал плавится, по закону Архимеда нагретые пузыри магмы всплывают вверх и рождают цепь прекрасных островов.

Обнаружили океаническую плиту, вернее ее остатки, и внутри континента, на материке, в самом центре Средней Азии, на том месте, где сейчас вздымаются горы: Памир и хребты Гиндукуша, а некогда плескались волны древнего океана Тетиса. Оторвавшийся и ушедший вглубь кусок океанической плиты — причина глубокофокусных афганских землетрясений. До этой работы она оставалась неясной.

Медленно, но верно за эти годы тектоника плит обрастает, как иглами, фактами, новыми данными, интересными измерениями, которые делают ее все менее уязвимой. Каждый геофизик, занимающийся тектоникой плит, ищет подробности движения коры для своего района. И сейчас, если нанести на глобус все результаты, они покроют его пестрой вереницей чисел, скоростей, стрелками направлений, которые порой еще плохо согласуются друг с другом. Но такова диалектическая природа этапа накопления фактов в науке. Устраненная противоречивость — шажок к новому, лучшему пониманию. Путь этот длинный, нудный, но очень важный, ибо так рождается экспериментальная основа для будущей лучшей теории. Но есть и отрадное на этом долгом пути собирательства фактов. Это возможность заглянуть в наше геологическое прошлое, узнать, где были материки и океаны 50, 100, 200 миллионов лет назад. Возможность построить красивые, всегда нас привлекающие схемы поверхности планеты в древние эпохи.

Вначале была Пангея?

Вначале была Пангея. Она включала в себя всю сушу. Потом двести миллионов лет назад вдруг раскололась огромная материковая льдина, и плавно поплыли ее куски по нашей планете.

Так считали и некоторые считают до сих пор. Но есть и не согласные с таким одноразовым вариантом дрейфа. Почему бы материкам вечно не кружить по планете? Доказательства! Где доказательства? Ведь не найдено ни одного куска породы со дна океана, который был бы старше двухсот миллионов лет. Значит, до того времени материки не двигались — отвечают несогласные.

Сент-Бланкет Хенри, французский ученый, считает, что на возрасте свет клином не сошелся. Ведь есть еще палеомагнитные данные. По ним можно определить, в каком месте находился материк по отношению к магнитному полюсу в ту или другую эпоху. Пангея не первична! Таков вывод ученого.

В начале и середине палеозоя (350—400 миллионов лет назад) континентов было три: Гондвана, Сибирь и третья континентальная масса, состоящая из Южной Америки и Африки. В конце палеозоя (300 миллионов лет назад) первые два континента соединились. Результат — Уральский шов. Недаром сейсмологи еще в пятидесятых годах прошлого века обнаружили под Уральскими горами, на больших глубинах, слабые землетрясения. А глубокие землетрясения — первый признак плитотектонических событий сейчас и в прошлом.

Только потом объединилось все в одно и возникла Пангея. Она распалась, и, раздвинувшись, континенты заняли свои сегодняшние места. А вот русский геофизик Б. В. Гусев считает, что и раньше, еще в предкембрийское время (600 миллионов лет назад), Русская и Сибирская платформы были одним целым и распались около 500 миллионов лет назад.

Так что материки, видимо, все-таки двигались всегда. Подобно льдинам, они собирались в одно материковое поле, распадались, кружась по планете, снова собирались… К сожалению, заглянуть в то далекое прошлое, вглубь, за толстый занавес в 460 миллионов лет, очень трудно. Подобно кому снега, нарастают противоречия. Сведения о положении континентов становятся отрывочными и, наконец, исчезают. Буйно разрастаются гипотезы, ни одна из которых не способна доказать полностью свою правоту.

Всегда остается главный вопрос

Оболочка Земли живет, материки ползут, то сближаясь, то расходясь в стороны. Неспокойны границы сталкивающихся плит. Извергаются вулканы, катастрофические землетрясения крупной дрожью сотрясают матушку-планету. Многое во всем этом нам понятно. Но, в основном, про то, «как» устроен мир. Главный же вопрос, самый интригующий, — не «как», а «почему» мир устроен так, а не иначе?

Не избежала этого вопроса и геофизика. Почему движутся континенты? Какая сила заставляет скользить толстые пласты земной тверди размером с Европу или Америку? Невозможность объяснить это была слабым местом теории дрейфа много десятилетий подряд.

Теперь под влиянием фактов и противникам пришлось допустить, что дрейф — не домысел, а реальность. И теперь уже и тем и другим осталось объяснить, почему. Старейшая гипотеза — тепловая конвекция в мантии. В тех местах, где раскалываются срединно-океанические хребты, есть восходящие потоки горячего вещества. Оно застывает, достигая поверхности, и наращивает края непрерывно уходящих в стороны плит. И там, где один край плиты ныряет под другой, — нисходящий поток, остывшая вблизи поверхности плита уходит на глубину.

Нет, — говорит строгая количественная наука физика. Такая модель не годится. И по очень простой причине… Если даже мантия и однородна (что не так, по всей видимости), надо еще, чтобы вязкость в ней была везде постоянна. А с глубиной вязкость меняется. Да и энергии конвективных процессов недостаточно, чтобы двигать материками. В лучшем случае, если даже и есть конвективные потоки в глубинах (в нижней мантии), то на поверхности дальше небольших смещений дело не пойдет.

Но так легко никто в науке не отступает. Если не годится простая схема — усложним ее. И невозможное станет возможным. Английский геофизик Робинсон предложил слоисто-ограниченную модель (не стоит подробно здесь о ней говорить, достаточно лишь того, что на этой модели конвекция уже может «работать»). Другие ищут еще более сложные модели, стремясь реабилитировать первичную идею. Но усложнение без элемента принципиально нового — это не всегда эффективный путь в науке.

Это принципиально новое ищут американские ученые Маккензи, Роберте и Висс. Они без оговорок допускают возможность существования конвекции. Посягают эти ученые на физику. Ведь изящные уравнения конвекции разработаны для вполне определенной модели жидкости, простой, однородной и т. д. Именно эти уравнения и накладывают запрет на существование конвекции в мантии. Конечно, мантию тоже можно рассматривать как жидкость. Но эта жидкость может быть далека по своему поведению от той, что описывают уравнения конвекции. Разве, зная поведение собаки, мы сможем предсказать, как поступит кошка в сходной ситуации? Это разные животные. А в случае земной толщи мы сталкиваемся с жидкостью, для которой еще не создано строгой количественной теории ее механического поведения. Поэтому надо не усложнять модели, подгоняя их под существующие уравнения, а создать новую теорию, которая бы описывала эту новую реальность. Такова логика этих ученых. Свою новую теорию они назвали теорией динамической жидкости.

Не одной конвекцией жив дрейф

Свет клином на тепловой конвекции не сошелся. И не исключено, что выбрана она была потому, что лежала под рукой, очевидна, понятна. Есть и другие гипотезы, которые так же, как конвекция, не новы, а возрождены из давних предположений на «новой земле» плитотектоники.

Известный американский ученый. X. В. Менард вновь рассматривает старую идею с красивым названием «эпейрогения» — это плавное поднятие огромных участков земной поверхности. Над центром поднятия раскалывается земля, бежит трещина — рифтовая долина. В стороны соскальзывают плиты — верхние пласты. И чем быстрее поднимается, подобно спине гигантского животного, эпейрогения, тем быстрее соскальзывают плиты.

Всякая гипотеза должна, прежде всего, объяснять загадки. Одна из таких загадок — поднятие дна атоллов. Горизонтальное движение плит дна атолла не поднимет. А гипотеза эпейрогений легко объясняет эту странность. Ибо эпейрогения — это и есть плавное поднятие. Причем у геофизиков появляется хорошее количественное свидетельство скорости движения плит. Ведь померить поднятие дна просто. Если дно поднимается быстро, значит, в этом месте должны быть и большие горизонтальные скорости движения плит. И другое объясняет эта гипотеза. Принципиальное отличие в поведении плит, на которых есть континентальные нашлепки, от плит, что континентов на себе не несут. Но откуда и почему возникают эти поднятия? Это слабое место гипотезы.

Мембранная тектоника, так назвал свою гипотезу английский ученый Тюркотт. На разных широтах поверхность Земли искривлена по-разному. Из-за того, что Земля не шар, а эллипс. Коль скоро плита ползет по меридиану, у нее автоматически меняется радиус кривизны. В результате возникают напряжения, как при простом изгибе пластины материала, которые достаточны, чтобы плита раскололась. Поскольку толщина плит мала по сравнению с радиусом Земли, то ученый воспользовался теорией тонких оболочек или мембран. Отсюда название его тектоники. Океанические острова и грабеновые долины — вот возможные результаты таких расколов плит. Хороша эта идея тем, что позволяет как- то осмыслить до сих пор непонятный геофизикам, с точки зрения вопроса «почему», характер перехода от океанической, тонкой коры к толстой земной коре материков.

Край континента, почему он такой, а не другой? Пока это неразрешимая проблема. Ведь здесь, на краю, идут очень активные процессы. Переходная зона — ключ к замку любой теории происхождения плит. Если ключ не подходит, замок не годится…

Почему скользят континенты?

Вначале говорилось об изяществе теорий. Пожалуй, оригинальность и изящество — родные сестры в научном творчестве. И ведь недаром в свое время Чарльз Дарвин самым своим большим достижением в жизни почитал то, что проявил он, по его мысли, оригинальность в науке. В литературе, живописи это требование как-то не вызывает сомнений. Но чем одно творческое дело хуже или лучше другого?

И вот, на мой взгляд, две изящные и оригинальные работы. Одна из них — это работа Евгения Артюшкова, доктора физико-математических наук. Она отвечает на вопрос, «почему» движутся плиты. Ведь ни теория эпейрогений, ни тем более мембранная гипотеза не отвечают на этот вопрос. Все то схемы, которые объединяют и синтезируют факты, но не говорят, какая сила перемещает континенты.

Картина, нарисованная Артюшковым, проста до предела. Капля масла в супе должна растекаться до тех пор, пока ее толщина не уменьшится и силы противодействия не уравновесят силы растекания. Вода в стакане давит на его стенки, она тоже стремится растечься. Причина — потенциальная, энергия и законы гидростатики. Помните пятый класс школы: жидкость давит во все стороны одинаково в каждой точке. Если бы земная оболочка, ее называют литосферой, была однородной по толщине, ничего бы не происходило. Но литосфера меняется.

В одном месте она толще, в другом тоньше. Утолщения — это и есть те самые капли масла, что стремятся растечься в стороны. Вся литосфера в целом стремится стать плоской, то есть приобрести минимум потенциальной энергии. А ведь это один из основополагающих принципов поведения самых разных физических систем. Цепь белковой молекулы скручивается так, чтобы достичь этого минимума потенциальной энергии, температуры в газе выравниваются и т. д., и т. п.

Неоднородности толщины сами по себе также объяснимы. Причина — гравитационная дифференциация вещества в процессе эволюции планеты. Главные «подушки» вещества существуют под срединно-океаническими хребтами. Энергия, с которой они стремятся растечься, достаточна, чтобы заскользили плиты по слою смазки, астеносфере, лежащей на глубине 100—150 километров. Давление, расталкивающее плиты, достигает сотен бар.

Земная оболочка сама себя движет. Таков вывод оригинальной гипотезы. Это стремление оболочки (литосферы) сравнять себя, стать однородной и везде одинаковой по толщине. Мир вещества стремится к однообразию, не терпит флюктуаций, выбросов. Его цель — «уравниловка». Так, во всяком случае, гласит закон термодинамики, следуя которому литосфера движет континентами… Надо сказать, что это стремление осуществляется довольно бурным способом, сопровождаясь всеми теми катаклизмами, извержениями и т. д., которые неизбежны при подобном процессе.

Планетарный генератор

Нефть. Ученые, используя теорию плитотектоники, предложили оригинальную теорию ее образования. Нефть и газ — результат возгонки и термолиза биогенных веществ, затянутых вместе с океанической корой внутрь Земли, в тех местах, где край одной плиты погружается под другую. Грубо говоря, вся накопленная органика верхнего слоя погружающейся плиты под влиянием давлений и температур в глубинах может превращаться в нефть и газ. Места погружения краев — это живой, работающий сегодня генератор черного золота.

Но откуда тогда берутся месторождения нефти и газа в предгорных прогибах и краевых частях платформ, далеко от бурной границы столкновения плит? Они мигрируют, скапливаясь в этих местах. Миграция происходит под влиянием избыточного давления перегретого пара, что образуется при освобождении воды из вещества океанической коры, затянутой вглубь.

За время тектонического цикла нефтяные фракции могут мигрировать на сотни, а газовые — до тысячи километров.

За 10 лет работы такого планетарного генератора могло образоваться, по оценкам ученых, около 7х1015 тонн нефти, что в тысячу раз превышает массу всех геологических запасов, предполагаемых на сегодня. Если принять кпд процесса всего 0,1 процента, этого с избытком достаточно, чтобы объяснить все существующие месторождения. Таков неожиданный, хотя и вполне закономерный выход конструктивной теории в практику и геологию месторождений. Важность этого выхода трудно переоценить.

Пути науки неисповедимы

Если у науки есть преемственность в развитии, то какая-то она особая. Все предыдущее следует из настоящего. Так механика Ньютона вытекает из теории относительности, как частный случай. Такова историчность науки. Более поздняя, более общая теория включает в себя более раннюю. Не от прошлого к будущему, а от сегодня во вчера.

Выбрать сейчас среди гипотез, объясняющих, почему дрейфуют плиты, невозможно. Одна гипотеза лучше, другая хуже увязывает всю совокупность больших и маленьких фактов. Но каждый раз остается что-нибудь необъясненное, требующее новых допущений и посылок. Ученые собирают материал, накапливают все новые и новые факты в надежде подтвердить либо опровергнуть близкую сердцу гипотезу. Что ж, это естественный путь, и он тоже приводит к успеху.

Но не исключено и другое. Все больше и больше появляется работ, посвященных планетологии, эволюции планет. И иссяк поток статей о дрейфе… Что это? Утрата интереса? Нет. Скорее другое. Можно до скончания дней подкладывать и подкладывать добытые с трудом кирпичики под здание частной гипотезы. А можно попытаться шагнуть на следующий этап обобщения.

Планетология, именно здесь может родиться теория, из которой дрейф и плитотектоника будут вытекать в виде частного случая как свойство поверхности нашей планеты. И надо сказать, гипотеза Артюшкова предусматривает такую еще не существующую теорию. Ведь утолщения, неровности земной оболочки должны были некогда образоваться. Должно было быть яйцо. Потом курица. Как это случилось?

Американский ученый Тозер нашел очень простую общую закономерность для химической эволюции планет. Химическая дифференциация вещества начинается, если радиус планеты больше нескольких сотен километров. И процессы становятся все интенсивней с ростом радиуса. Так у Луны и тем более у Земли этот процесс разделения веществ далек от своего завершения. И литосфере не дожить до «уравниловки». Все время будут существовать силы, нарушающие ее равновесие.

На компьютерах ученые разыгрывают самые разные варианты эволюции, меняя начальные, граничные условия… Наши космические аппараты исследуют Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер… Все больше данных о планетах, все легче из множества моделей выбрать несколько, а быть может, одну. И когда будет создана теория развития планет, из нее в применении к Земле получит обоснование теория плит и дрейфа. Некто в своей статье напишет в качестве одного из следствий: «Через четыре миллиарда лет на планете типа Земля должно установиться относительное равновесие. Характер движения на поверхности…»

Прыжок, достижение принципиально нового, потом осмысление предыдущего и новый прыжок, уже в будущее… Так развивается наука.

Автор: Е. Цветков.