Народження і життя океанів

Час людського життя, як правило, не перевищує століття. Наша планета, як вважають вчені, існує вже близько 4600 мільйонів років. За час свого життя ми в змозі побачити тільки «моментальний» знімок її поверхні, що здається нам непорушною. Однак вивчення залишків стародавніх викопних живих істот і рослин дозволило з’ясувати історію нашої Землі за останні 600 мільйонів років. У кіно можна побачити, як розквітає троянда, коли монтуються воєдино кадри, зняті через багатогодинні інтервали. Так і завдяки даним палеокліматології, геології та геофізики можна побачити, як розсувалися і знову зсувалися гігантські материки, виникали і знову захлопувалися океани.

В останні роки найважливіші дані про рух літосферних плит і пов’язаних з ними материків дало палеомагнітне вивчення стародавніх гірських порід. У чому полягає палеомагнітний метод? Феромагнітні матеріали мають властивість зберігати напрям тієї намагніченості, яку вони придбали в процесі свого утворення. Це намагнічування дуже стійке і може зберігатися десятки і сотні мільйонів років, незважаючи на наступні зміни магнітного поля Землі. Якщо відбити від породи орієнтований зразок і виміряти величину і напрямок його намагніченості, то можна визначити, де знаходився стародавній магнітний полюс Землі, і палеомагнітну широту місця, яка співпадає з палеогеографічною широтою.

А якщо до палеомагнітних даних додати дані палеокліматології і геології, то це дасть можливість встановити взаємне розташування континентів по широті в різні геологічні епохи і оцінити пройдену ними відстань.

При відтворенні картини колишнього розташування континентів в геологічному минулому велику роль відіграють знахідки на континентах залишків давньої океанічної кори, так званих офіолітових комплексів гірських порід, до складу яких входять гіпербазити, габро, базальти і глибоководні кременисті опади, що перекривають їх. Офіолітові комплекси можна знайти практично у всіх складчастих поясах Землі — на Уралі, на Кавказі, в Аппалачських горах США і т. д. По офіолітовим комплексам можна простежити давні межі океанів, зниклих потім при зближенні і зіткненні континентів. Так, наприклад, розташування офіолітових поясів на самому гігантському сучасному континенті – Євразії показує, що він виник в результаті зіткнення і спаювання декількох дрібніших континентів, раніше розділених океанами.

Важливими свідками кордонів стародавніх океанів є і вулканічні ланцюги, в основному андезитового складу. Вони являють собою залишки давніх вулканічних острівних дуг, які, подібно сучасним острівним дугам, розташовувалися, мабуть, у зоні переходу від континенту до океану, там, де відбувалося посування океанічної літосфери під континентальну.

Зібрані разом палеомагнітні, геологічні та палеокліматологічні матеріали дозволили побудувати реконструкції взаємного розташування океанів і континентів в геологічному минулому від 570 мільйонів років до теперішнього часу і скласти карти розташування океанів і континентів для різних відрізків палеозойської і мезозойської ер.

Нові реконструкції показали, що сучасні південні материки Антарктида, Австралія, Африка та Південна Америка протягом усього палеозою були об’єднані в єдиний гігантський надматерик — Гондвану. Ні в одному місці вздовж кордонів цих материків жодного разу не було виявлено палеозойських офіолітових комплексів, а це значить, що ні Індійського, ні Атлантичного океанів тоді ще не було. Крім того, визначення положення палеомагнітних полюсів для цих континентів показує, що в ранньому палеозої вони були жорстко спаяні між собою. Нарешті, давні докембрійські комплекси гірських порід на цих континентах переходять з одного материка на інший, якщо подумки скласти їх разом.

Гондвана була оточена Палео-Азіатським і Палео-Атлантичним океанами. По інший бік цих океанів розташовувалася група північних материків: Північно-Американський, Східно-Європейський і Сибірський, а також мікроконтиненти: Казахстан, Середня Європа та інші. Північно-західна Африка в цей час перебувала на Південному полюсі, і в ній було так само холодно, як зараз в Антарктиді. А ось всі північні материки, навпаки, розташовувалися в екваторіальній зоні, і там панував жаркий тропічний клімат.

Близько 480-450 мільйонів років тому північні континенти починають поступово зближуватися, Палео-Атлантичний і Палео-Азаатський океани потроху закриваються, і замість них народжується величезний новий океан Палео-Тетіс. На його північному краю виникають гігантські ланцюги острівних дуг з величезними вогнедишними вулканами. Надалі, в середньому палеозої, в силурі і девоні, починається об’єднання всіх континентів. Океан Палео-Тетіс сильно скорочується, Європа спаюється з Північною Америкою, утворивши новий континент — Евроамерику, де на місці стику континентів виникає складчаста країна.

Це зближення континентів триває і в період раннього карбону. У місцях зіткнень в цей час утворюються герцинські складчасті пояси. На місці помираючого Палео-Тетіса формується новий океан Палео-Тетіс II, що відокремлює Китайський континент від Сибіру і Казахстану. Гігантські льодовики покривають в цей час більшу частину Гондвани. Нарешті, в пізньому палеозої, 290-270 мільйонів років тому, всі материкові брили з’єднуються в один гігантський надматерик — Пангею, який складається з двох частин — Лавразії на півночі і Гондвани на півдні.

Один лише Китайський континент в цей час існує окремо, відокремлюючись від Пангеї невеликим океаном Палео-Тетіс II. У цей період Земля як би ділиться на дві півкулі – континентальну, зайняту Пангеєю, і океанічну, зайняту величезним Палео-Тихим океаном. На східному краю Пангеї розташовувалися протяжні вулканічні пояси, з якими в даний час пов’язані численні родовища кольорових і рідкісних металів. Південний полюс знаходився в Антарктиді, а величезні площі материків Пангеї були покриті льодовиками, що поширювалися на північ до 45 градусів південної широти.

Це воістину гігантське заледеніння закінчується на початку мезозою, в тріасі, приблизно 220-200 мільйонів років тому. В цей же час закривається Палео-Тетіс II, Китайський континент припаюється до Євразії.

Але головна подія, яка відбувається в тріасі, що є з цієї причини поворотним моментом у розвитку літосфери Землі,— це початок розколу надматерика Пангея. Першою почала розколюватися Лавразія в районі Північного Льодовитого та Атлантичного океанів. В результаті цього розколу Північна Америка стала відсуватися від Європи, що призвело до початку утворення Атлантичного океану в тому вигляді, в якому ми його знаємо зараз. Сама Євразія при цьому дещо змістилася на північ у зв’язку з розкриттям океану Тетіс.

В кінці юрської доби (160-140 мільйонів років тому) почала розпадатися і Гондвана, що була досі непорушною твердинею більш ніж 500 мільйонів років. У місцях розколу виникають рифтові зони і серединно-океанічні хребти, що дають початок утворенню Індійського і південної частини Атлантичного океанів. В результаті глибоководного буріння дна Індійського океану в його північно-східній частині між Австралією і Індією була знайдена океанічна кора юрського віку. Лінійні магнітні аномалії юрського віку виявлені в останні роки і в Атлантичному океані.

Розкол Гондвани і переміщення всіх її континентів, крім Антарктиди, на північ – найбільш характерна особливість верхнього мезозою і кайнозою. Швидко росте Атлантичний океан, виникають Лабрадорське море і Біскайська затока.

Індія і Мадагаскар відокремлюються від Африки, частиною якої вони були до верхньої крейди. Сама Індія відправляється в тривалу подорож слідом за Тетісом, щоб в кінці палеогену, близько 26 мільйонів років тому, зіткнутися з Евроазіатським материком. В результаті цього зіткнення виникли найвищі в світі Гімалайські гори. На початку еоцену, близько 55 мільйонів років тому, Австралія відколюється від Антарктиди і починає також рухатися на північ до глибоководних жолобів Індонезії.

У верхній крейді починається повільне вмирання океану Тетіс в результаті зближення Африки і Євразії. На північному краю закритого Тетісу виникає величезний пояс вулканічних острівних дуг, що простягається від Південно-Східної Європи до Гімалаїв і далі по східній околиці Азії. Саме з цим поясом пов’язані відомі в даний час багаті родовища золота, олова, вольфраму і поліметалів.

Нарешті, вже в кайнозойську еру Тетіс закривається майже повністю, Африка невідворотно насувається на Європу, мнучи її південну частину. Так виникає Альпійський складчастий пояс. Тільки вузька смуга Тетіса залишається не закритою до наших днів. Це, як припускають вчені, Середземне і Чорне моря. Але і зараз триває насування Африки, сильні землетруси трясуть Альпійський пояс, тривають виверження вулканів в Італії.

В кінці крейдяного періоду відбувається ще одна значна подія: знову відновлюється розколота раніше Лавразія. На цей раз вона спаюється своїми протилежними раніше кінцями — Північна Америка з’єднується з Азією в районі Чукотки та Аляски.

Неухильний рух континентів, народження і вмирання океанів тривають і зараз. Новий океан зароджується в районі Червоного моря, відокремлюючи Африку від Азії, величезна рифтова тріщина розвивається під озером Байкал, як показали нещодавно дослідження, проведені там Інститутом океанології.

Ми бачимо, що рух континентів в кайнозої, загалом, протилежний їхнього руху в середньому і верхньому палеозої,— континенти знову починають збиратися воєдино, на цей раз в Північній півкулі. Ця картина багато в чому нагадує ранній палеозой, коли зближення континентів відбувалося в Південній півкулі, в результаті чого виникла Пангея. Правда, тоді південні континенти були спаяні воєдино в Гондвану, а північні — роз’єднані. Тепер же — навпаки: північні континенти зближені і спаяні в Лавразію, а південні роз’єднані. Зараз, таким чином, ми маємо як би дзеркальне відображення розташування материків в ранньому палеозої.

Зовсім інша картина, як ми бачимо, була в пізньому палеозої, коли існував тільки один гігантський надматерик Пангея і один величезний океан. Можна припустити, що цей процес являє собою один з великих циклів в історії Землі, в результаті яких континенти спаюються разом, а потім знову розходяться, щоб знову з’єднатися, на цей раз вже в іншій півкулі. Тривалість такого циклу, простеженого нами, становить не менше 600 мільйонів років. Якщо це так, то Пангея виникала і знову руйнувалася протягом багатомільйонної історії нашої планети неодноразово. Досить імовірно, що обриси стародавніх Пангей не були схожі на піздньопалеозойську Пангею, однак механізм самого процесу, що приводить до утворення єдиного континентального масиву, залишався тим же.

Існування цих великих циклів в історії Землі є надзвичайно важливим. Вони, мабуть, відображають великі перебудови в русі мас речовини у внутрішніх частинах нашої планети, що відбуваються згідно із загальним механізмом розвитку Землі, який був розроблений в останні роки.

Іншою чудовою особливістю розвитку поверхні Землі, пов’язаної з народженням і загибеллю океанів, є виникнення складчастих поясів, гірських країн і вулканічних ланцюгів, які, як ми бачимо, завжди виникали і виникають при зіткненні материків. Це потребує перегляду всієї історії розвитку складчастих поясів з точки зору взаємодії континентів, виникнення і закриття океанів при горизонтальних рухах літосферних плит.

Значить, можна вважати, що сьогодні всі ми – жителі різних континентів – пасажири на човнах, що рухаються один до одного, щоб через кілька десятків мільйонів років пристати до загальної Пристані – Північної Пангеї.

Нова твердь народжується в океані

Як же утворюються самі океани? Які таємничі процеси, що володіють неймовірною силою, здатні розколювати і розсовувати гігантські континенти, призводять до утворення океанських акваторій з новонародженою літосферою? Звернімося до прихованих під багатокілометровою товщею води ділянках океанського дна, де відбувається невпинне утворення нових частин твердої оболонки нашої Землі, до зон глибоких рифтових тріщин і пов’язаних з ними серединних океанічних хребтів.

Під літосферою зазвичай розуміють верхню кристалічну оболонку нашої планети. Нижня межа літосфери визначається глибиною залягання температури кристалізації базальтів. З нової теорії глобальної тектоніки ми вже знаємо, що молода океанічна літосфера утворюється при розсуванні літосферних плит: у рифтову тріщину впроваджується розплавлена речовина астеносфери, що підстеляє жорстку літосферу, і поступово охолоджується. Оскільки потужність новоствореної літосфери залежить від глибини охолодження, вона буде тим більше, чим більше часу минуло від моменту впровадження. Завдяки такому механізму утворення літосфери її потужність не залишається постійною, а збільшується з віком. Це призводить до того, що “повнота” – потужність твердої верхньої оболонки дна океанів – закономірно збільшується в міру віддалення від гребенів серединно-океанічних хребтів, де вона мінімальна, в бік улоговин з древніми ділянками океанічного дна.

Безпосередньо виміряти товщину літосфери в океані дуже важко. Сучасні глибоководні плавучі бурові установки можуть проникнути в океанське дно лише на глибину не більше сотні метрів. Товщина твердої оболонки в наші дні визначена лише в декількох точках сейсмічними дослідженнями і глибинним електромагнітним зондуванням, при якому нижню межу твердої плити встановлюють за різким збільшенням електропровідності. Виявляється, однак, що можна визначити глибину «підошви» літосфери й іншими способами, використовуючи для цього зміни фізичних властивостей при переході від твердої літосфери до рідкої астеносфери.

При застиганні силікатного розплаву, з якого кристалізується базальтова оболонка, його щільність зростає, тому більш важка літосферна плита починає занурюватися в більш легку астеносферу. Чим товстіше літосфера, тим глибше вона занурюється. В результаті цього поверхня океанічної літосфери в міру віддалення від гребеня серединного хребта також закономірно знижується. Така зміна рельєфу від гребеня серединно-океанічного хребта до середнього океанського дна знаходиться в повній відповідності з законом гідростатичної рівноваги. Використовуючи це гідростатичне співвідношення і знаючи щільність астеносфери і океанської води, можна, вимірявши різницю в глибинах дна на хребті і в будь-якій точці океану, визначити в ній потужність літосфери.

Інший спосіб розрахунку потужності літосфери може бути знайдений на основі рішення загального рівняння теплопровідності, з якого випливає, що потужність літосфери зростає з часом. Вік окремих ділянок дна океану може бути визначений різними шляхами: або по потужності і палеонтологічному вивченню опадів, або по так званим лінійним магнітним аномаліям.

Є і ще спосіб розрахунку, який використовує виміряні величини потоку тепла, що йдуть від низу до верху через тонку кристалічну оболонку океанського дна. Вимірявши такий тепловий потік за допомогою спеціальних донних тепломірів, можна обчислити, на якій глибині знаходиться температура, при якій застигають базальти, тобто нижня межа літосфери. Можна визначити потужність літосфери і по аномаліям сили тяжіння та іншими способами.

Всі ці залежності дозволяють за даними про рельєф океанського дна, його вік, а також за тепловими та гравітаційними аномаліями визначати потужність літосферних плит практично у всіх тих місцях океанів, які не ускладнені більш молодими структурами у вигляді вулканічних хребтів, острівних архіпелагів або мікроконтинентів.

Узагальнення таких розрахунків для всіх районів Світового океану дозволило нам побудувати загальну карту потужності океанічних літосферних плит. З цієї карти видно, що потужність океанічної літосфери закономірно збільшується від осьових частин серединно-океанічних хребтів, де вона близька до 10 кілометрів, до глибоководних океанічних котловин, під якими її потужність зростає до 70-80 кілометрів.

Найбільшу потужність має літосфера до найбільш давніх мезозойських районів океанського дна, в північно-західній улоговині Тихого океану, в Беринговому морі, а також під древніми глибоководними улоговинами Атлантичного океану, що протягнулися уздовж його узбережжя по обидві сторони від Серединно-Атлантичного хребта. У цих районах потужність літосфери досягає величин більше 84 кілометрів.

Потовщення твердої оболонки нашої планети зі збільшенням віку відбувається не тільки в океанах, але і на континентах, які набагато давніше. Тут літосфера досягає товщини до 200 кілометрів. Чим могутніше стають материки з плином геологічної історії Землі, тим важче їм рухатися. Цим можна пояснити, чому, як показали палеомагнітні дані, швидкості дрейфу континентів 400-500 млн. років тому були набагато більше, ніж у ближчі до нас інтервали часу.

Звичайно, ця перша карта потужності океанської літосфери повинна бути в майбутньому істотно уточнена і доповнена новими дослідженнями. Проте вже зараз вона може бути корисною для пояснення багатьох геологічних процесів в океані, наприклад процесів вулканізму, а також для тлумачення аномалій геофізичних полів.

Ростіть, вулкани, великі і маленькі

Якщо з океанів і морів можна було б вилити воду, то очам здивованого спостерігача відкриються такі гірські країни, яких не бачили навіть бувалі альпіністи. При цьому, перш за все, звернуть на себе увагу численні конусоподібні підводні гори, або стоячі окремо один від одного, або утворюючі ланцюжки і хребти, що простягнулися на тисячі кілометрів. Виходячи на поверхню океану, такі гори утворюють архіпелаги вулканічних островів.

Як показали підрахунки, лише в Тихому океані існує більше десяти тисяч підводних гір, що піднімаються над навколишнім дном більш ніж на тисячу метрів. Найбільше такі гори поширені в північно-західній частині Тихого океану. Близько тисячі ста підводних гір виявлено зараз в Атлантичному океані. Більше тисячі підводних гір знайдено в Індійському океані. А скільки ще належить знайти!

Така величезна кількість гір, більша частина яких, як показали геологічні дослідження, має вулканічне походження, на континентах ніде не зустрічається. Це чудова особливість рельєфу океанського дна.

При цьому підводні і надводні вулкани, розташування яких на безкрайніх акваторіях Світового океану на перший погляд здається хаотичним, насправді тягнуться у вигляді ланцюжків або дуг. І приурочені вони до згаданих вище серединних хребтів, або до глибоких тріщин в літосфері, або до систем вулканічних островів в тих зонах, де відбувається посування океанічної літосфери під континенти. У кожному з цих трьох випадків підводні і надводні вулкани істотно відрізняються як за розмірами, так і за складом.

Велику окрему групу підводних гір утворюють вулкани зі зрізаними плоскими вершинами, зануреними у воду, які були названі гійотами на честь французького вченого Гійо. У чому ж причина цих відмінностей?

Щоб відповісти на це питання, подивимося, як утворюються вулкани на дні океану. При застиганні розплаву, що вріс у рифтову тріщину, утворюється нова літосфера з більшою, ніж верхній шар астеносфери, щільністю. В результаті речовина астеносфери виявляється перекритою зверху більш щільною речовиною літосфери. У разі, коли в літосфері виникає тріщина, відбувається витискання легких базальтових рідин з верхніх шарів астеносфери на поверхню океанського дна і утворення вулканів. При цьому висота і склад утворених вулканів залежать, перш за все, від потужності літосфери.

Як показують розрахунки, потужність новоствореної літосфери поблизу від рифтової тріщини в зоні гребеня серединно-океанічного хребта невелика, і глибина джерел базальтового вулканізму становить не більше 15-20 кілометрів. Вулкани в цьому районі представлені так званими толеїтовими і кварц-толеїтовими базальтами, що зароджуються на порівняно невеликій глибині. Це пов’язано з тим, що розвинуті тут тріщини в літосфері розкривають лише самі верхні шари астеносфери і на поверхню дна вичавлюються розплави з самих верхніх шарів.

Висота вулканів, що утворилися поблизу гребеня серединно-океанічного хребта, як правило, не перевищує двох кілометрів. Це підтверджується, наприклад, результатами вивчення підводних гір в Атлантичному океані, де найбільша кількість підводних гір висотою до двох кілометрів (понад 67 відсотків від загального числа гір в океані) розташоване в межах гребеня і схилів Серединно-Атлантичного хребта. Така ж картина спостерігається на серединних хребтах Індійського океану і на Східно-Тихоокеанському серединному підвищенні. Розрахунки підтвердили, що причина утворення таких «маленьких» вулканів в зоні серединних хребтів полягає в малій потужності твердої літосфери. Чим тонше літосфера, тим менше її гідростатичний тиск і тим менше висота виникаючого вулкана.

При переході від серединних хребтів до глибоководних океанічних улоговин, де, як видно з карти потужності літосфери, потужність її збільшується до 50-70 кілометрів, картина різко змінюється. Вижимання базальтових рідин по тріщинах тут відбувається з глибини 50-70 кілометрів, що призводить до утворення вулканів висотою не менше 4-5 кілометрів. Загальна щільність підводних гір тут зростає — поруч з молодими гігантами сусідять більш старі карлики, які приїхали на спині літосферної плити від гребеневої частини хребтів.

Склад молодих гігантів, що утворилися на потужній літосфері глибоководних улоговин, також змінюється. Вони складені базальтами різного складу – від толейтових до лужних. Це пов’язано з тим, що дренувальні тріщини тут проникають глибше, туди, де температура розплавленої астеносфери вище. В результаті підйому магм з різних глибин при різних температурах виливаються лави різного складу. При цьому, як правило, виверження тут починаються бурхливо, під потужним напором магми з великих глибин. Ця магма практично “томпонує” стінки вулканічного каналу-тріщини. І тільки після того як її натиск слабшає, на поверхню починають виливатися низькотемпературні лави з вищих горизонтів, що містять велику кількість лугів. Ці виливи завжди більш мляві. На них зазвичай і закінчується цикл вулканічного виверження. Саме так відбуваються вулканічні виверження на найбільших з океанських вулканів – вулканах Гавайських островів, наприклад вулкані Мауна-Лоа.

Що стосується плосковершиних підводних гір — гійотів, то вони, мабуть, колись були надводними вулканічними островами, але потім, в результаті занурення океанічної літосферної плити при її потовщенні і русі від рифтової зони, пішли під воду. Вершини ж їх виявилися зрізаними ще наземною ерозією.

На відміну від «старих карликів», тобто низькорослих вулканів, що утворилися на тонкій літосфері на серединних хребтах, «молоді гіганти» мають потужні вулканічні коріння. Це тріщини в літосфері, заповнені застиглою виверженою речовиною більшої щільності. Такі вулканічні коріння створюють інтенсивні геофізичні аномалії в полі сили тяжіння, в магнітному полі і т. д.

Такі, що часто розвиваються вздовж ліній великих розломів в океанічній літосфері ланцюжки окремо стоячих підводних гір (таких, наприклад, як Безмісячні підводні гори в Тихому океані вздовж гігантського розлому Меррей) у процесі зростання зливаються своїми вулканічними коріннями і утворюють підводні (Імператорський хребет) або надводні (Гавайський хребет) вулканічні хребти та архіпелаги.

Зовсім інший тип підводних і надводних вулканів так званого андезитового складу розвивається вздовж зон переходу від океану до континенту, де відбувається підсування океанічної літосфери під край континенту. Уздовж всієї цієї лінії, як ми вже бачили в різні епохи, розвиваються потужні ланцюги вулканів на острівних дугах. Такі вулкани утворюють зараз знамените вогняне кільце Тихого океану, що простягнулося уздовж всієї його західної околиці, від вогнедишних гір Камчатки до вулканів Нової Зеландії. З цими вулканічними поясами, як ми вже відзначали, пов’язані багато родовищ кольорових і рідкісних металів.

Океанські підводні і надводні вулкани по мірі руху океанічної літосферної плити все більше опускаються і іноді бувають практично поховані під чохлом пухких опадів. Але буває і так, що високі вулкани впираються в край насуваємої континентальної плити, і в результаті цього, зірвавшись зі свого вулканічного кореня, як би «вдаряються» в край континенту. Приклад тому, зокрема, район півострова Кроноцький на Камчатці.

Отже, ми бачимо, що вся історія розвитку нашої Землі, в усякому разі, історія розвитку її верхньої твердої оболонки, іменованої літосферою, за останні 600 мільйонів років нерозривно пов’язана з виникненням, розвитком і відмиранням океанів.

Саме в океанах народжувалася і народжується нова літосфера, утворюються гігантські вулканічні хребти. При підсуванні океанічної літосфери під континенти виникають вулканічні системи острівних дуг, багаті корисними копалинами. Нарешті, при закритті океанів і зближенні континентів які, невблаганно навалюючись один на інший, мнуть свої краї, утворюються гігантські гірські хребти Гімалаї, Альпи та багато інших.

Такі відкриття принесло людству тільки перше, якщо можна сказати, «поверхневе», вивчення океану. Поверхневе тому, що ми ще не навчилися проникати на велику глибину в надра дна океанів. Ще дуже багато в історії розвитку нашої планети, і зокрема океанів, залишається неясним. Наведені в цій статті схеми виникнення і загибелі океанів, формування їх дна являють собою лише «чергову модель», що відображає наші порівняно бідні знання про вік та глибинну будову дна океанів. До них, безумовно, слід ставитися з обережністю, враховуючи, що тільки багаторічні геофізичні, геологічні та геоморфологічні дослідження можуть підтвердити їх, уточнити, а можливо, в дечому і спростувати.

Автор: А. Городницький.