Пульсуюча Земля: цікаві наукові факти

Минуле століття відкрило, що пульсують не тільки наше серце, наші м’язи або струми нашого мозку – пульсує вся природа, вся світобудова, весь Всесвіт. Багато фахівців з биоритмології схиляються тепер до того, що пульсацію (інакше ритм або циклічність) слід було б вважати одною з фундаментальних властивостей всякої матерії; питання це вже обговорюється на філософських дискусіях. І не дивно: адже йдеться ще про один (який вже за рахунком) доказ дивної єдності світу… З ритмами і циклами ми дійсно зустрічаємося всюди – і на рівні атома, і на рівні Метагалактики.

Про пульсуючий Всесвіт ми вже розповідали читачам, про автоколивання, які виявляються на всіх поверхах самоорганізації – від живої клітини і нервового волокна до екологічних процесів і галактик, – теж. Сьогоднішня ж наша тема – пульсації Землі, її життя як планети. Земля розвивається і живе, причому, аж ніяк не мляво і поступово завмирає життям «остигаючого згустку зоряної речовини», як вважали ще сто років тому навіть геологи, а життям бурхливим та інтенсивним, зі своїми ритмами і циклами.

Перш ніж говорити про самі гіпотези, є сенс сказати кілька слів про два головних напрямки геологічної історичної думки, про дві тенденції в поясненні геологічних подій, що відбуваються на нашій планеті. Ці два напрямки – фіксизм та мобілізм. Прихильники першого, кажучи вельми грубо і спрощено, вважають, що земна кора, колись утворившись, надалі відчувала в основному лише вертикальні переміщення (геологи називають їх підняття і опускання). Прихильники ж другого, як свідчить його назва, думають (кажучи настільки ж спрощено), що основні блоки кори довго рухалися і продовжують рухатися в різних напрямках по горизонталі. Особливо рухається кора океанського дна.

Фіксісти чудово пояснюють історію платформ – древніх ядер материків. Розбираючи особливості їх будови, вони вбачають найглибші (в прямому сенсі слова) і дуже довго збережені зв’язки земної кори з підстильною її мантією. Але попросіть їх пояснити походження складчастих структур або рифових хребтів, не допускаючи при цьому горизонтальних рухів великих блоків кори – їх зближень або розбіжностей, і ви ризикуєте не почути однозначної і досить переконливої відповіді.

Проте і у їх супротивників – мобілістов не все виходить гладко. Чому в земній корі виникають складки, пояснити неважко. Як і личить багатьом складкам в природі, народжуються вони завдяки поперечним стисканням. Як утворюються рифові хребти – теж зрозуміло. На багато тисяч кілометрів по океанському дну тягнуться гігантські ущелини – рифи. Вздовж їх осей піднімається наверх нагріта речовина мантії. Мантія розсовує в сторони кромки рифу, і чим енергійніше розсовує, тим ширше і вище океанський рифовий хребет.

Речовина мантії, котра піднімалася, наблизившись в осьовій зоні рифу до поверхні океанського дна, остигає і перетворюється на нову кору. За останні 80 мільйонів років, стверджують мобілісти, під дном океанів утворилося так багато нової кори, що її площа досягла майже двох третин поверхні земної кулі. Стільки ж старої кори мало поглинутися у безодні. Нічим іншим адже не поясниш, чому в океані ми не знаходимо кори, яка була б старше 200 мільйонів років. А адже це – всього лише останні 4 відсотка всього життя Землі.

Добре, але звідки взялися ці безодні і як в них могла зникнути поглинена кора? Дуже просто, відповідають мобілісти. Безперестанку, з різною швидкістю і в різних напрямках рухаються по пластичному прошарку (так званій астеносфері) частини земної кори – літосферні плити. Часом дві плити зіштовхуються між собою, і тоді одна з них підповзає під іншу і з плином часу ховається під нею назавжди.

Називається це субдукцією, буквально: подвигом. Тільки субдукцією і можна компенсувати безперервне розсування (інакше – спрединг) кори в рифових областях. Інакше довелося б визнати, що з утворенням нової кори відповідно збільшується площа земної поверхні… Але якщо, як думають мобілісти, механізм спрединга і субдукції діяв не менше 1,5 мільярда років, то за цей час вся земна кора мала б зникнути в глибинах і бути звідти викинута по декілька раз. Між тим на більшій частині континентів геологи не знаходять настільки юної кори, як в океанах, а в багатьох місцях кора, поза всяким сумнівом, утворилася більш двох і навіть трьох з половиною мільярдів років тому. Та й взагалі дивно виглядає у світлі цих гіпотез наша планета: якийсь вічний механізм самопережовування!

Багато фактів суперечать мобілістській моделі тектоніки плит, яка завоювала в останні роки велику популярність, особливо за кордоном. За твердженням мобілістов, наприклад, товщина літосферних плит, що ковзають разом з древніми платформами по астеносфері, близько 100-150 кілометрів. Але геофізики, «прослуховуючи» Землю сейсмічними хвилями, виявили, що під внутрішніми, древніми частинами континентів астеносфери на цих глибинах немає і літосфера йде у глибину не на 100-150 кілометрів, а на 300-500. Інакше кажучи, поверхня, по якій повинні ковзати материкові брили, дуже нерівна, і подекуди вона знаходиться рази в 3-4 глибше, ніж передбачалося. А це сильно міняє справу.

Дані палеомагнітних вимірювань – теж не всі на стороні мобілістів. Що таке Палеомагнетизм? Уявіть собі лаву, остигаючу після виверження вулкана. У ній утворюються феромагнітні мінерали, які, як намагнічені стрілки компаса, орієнтуються відносно магнітного поля Землі. Протягом сотень мільйонів років вони зберігають свою намагніченість. Приходять геологи і бачать, як було орієнтоване геомагнітне поле в ті часи, коли відбувалося виверження. Таку ж намагніченість зберігають і зернятка залозистого мінералу магнетиту в пісковиках, що випали в осад після того, як бурхлива ріка жбурнула в море уламки гірських порід. Встановивши цю орієнтацію у порід різного віку, взятих в різних місцях, і зіставивши все це з розташуванням магнітних полюсів в той чи інший час, вчені можуть визначити, чи рухалися або не рухалися материки по відношенню до магнітної осі Землі і один до одного.

Таким чином, з’ясовується, що і 2,5 і 1,5 мільярда років тому відносне положення ядер багатьох нинішніх континентів залишалося незмінним, а південні материки, що займали більше половини загальної площі древніх платформ, зберігали своє незмінне взаємне розташування навіть 200 мільйонів років тому. Правда, після цього, починаючи з середини мезозойської ери, відстань між континентами дійсно збільшилася. Але що таке ці 200 мільйонів років порівняно з усією історією Землі! Та й чи субдукціч, або, краще сказати, чи одна субдукція була причиною цього збільшення?

Мобілісти з таким трактуванням палеомагнітних даних, звичайно, не згодні. Ні, кажуть вони, не тільки в останні 200 мільйонів років, але протягом щонайменше 1,5 мільярда, а можливо, і 2,5- 3,5 мільярда років літосферні плити міняли своє положення, подорожуючи за тисячі кілометрів і поступово повертаючись по відношенню до меридіанів. Саме подорожували, а не просто відсувалися один від одного.

Нехай так. Але що змусило материки подорожувати? Ось питання! Хитке їх положення на астеносфері? Субдукції? А від чого то посилювалися, то слабшали поперечні стиснення на Землі, а також розтягування в рифових зонах? Чомусь посилювався, то послаблювався вулканізм? Питань виникає безліч. На частину з них досить вдало і переконливо відповідають нам фіксісти, на частину – мобілісти, а частина залишається без відповіді. І лише «об’єднана» гіпотеза розширення та пульсацій, що вбирає в себе, крім всього іншого, все раціональне, що містять погляди фіксістів і мобілістів, лише вона може дати відповідь на всі питання і примирити всі суперечності.

Провісником гіпотези розширення та пульсацій можна вважати всезнаючого Леонардо да Вінчі, який в одному зі своїх трактатів міркував про зростання і дихання Землі, розглядаючи її як своєрідний організм. Але це було не суворе наукове міркування, а якась суміш натурфілософії і поезії, настільки характерна для подібних прозрінь, до яких належать і атоми Левкіппа та Демокріта, і «пульсуючий Всесвіт» індійського релігійного епосу «Махабхарати», і багато іншого в тому ж роді. Наукові міркування почалися років сто тому, коли вчений Е. В. Біхал, спробував пояснити розширенням Землі виникнення океанських западин і збіг обрисів континентів, а другий, І. О. Ярковський, вирішив, що гравітація – це матеріальний потік, спрямований з космосу до всіх небесних тіл, в тому числі і до Землі, через що цим тілам належить поступово збільшуватися в об’ємі.

У двох цих припущеннях ми бачимо зародки двох напрямів, за якими розвивалися уявлення про розширення Землі. Майже півстоліття ці уявлення перебували ледве не в розряді курйозів і примх, поки в 30-40-х роках минулого століття їх не почали розробляти великі вчені – геологи, геофізики, фізики. Але мало пройти ще три десятка років, перш ніж у прихильників розширення накопичилися переконливі дані і до їхнього голосу стали прислухатися в таборах ортодоксальних фіксістів та мобілістів.

Візьмемо, наприклад, такий факт. Геолог Е. С. Штенгелов встановив, що майже вся земна кора, у всякому разі в межах континентів, покрита мережею полосовидних тріщинуватих зон, проникних для рідин і газів. Є смуги вузькі, метрів в 300 шириною, є й широкі – кілометрів на п’ять. Ширина ж укладених між ними монолітних і малопроникних блоків – від 2 до 30 кілометрів. Про одні зони відомо, що ще недавно вони були меншими, про інші – що з ними пов’язані вогнища землетрусів. У багатьох зонах виявлені сліди розтягуючих напружень. Звідки взялися ці зони-смуги? Звідки розтягують напруги? Причина може бути одна – розширення Землі.

А ось інший факт. Давно вже геологи намагаються розгадати, що викликало сильні зміни структури і складу деяких дуже древніх порід, що лежать біля самої поверхні Землі. Судячи по складу і структурі, вони повинні були утворитися під високим тиском. Такий тиск існує лише на глибині 30-50 кілометрів. Як же ці породи піднялися до поверхні з таких глибин? Уявити собі це можна, допустивши, що 3,5 мільярда років тому, коли утворилися ці породи, радіус Землі був в 1,5- 2 рази менше нинішнього, а сила тяжіння багато більше; в цих умовах тиск, необхідний для настільки кардинальних змін у структурі породи, міг існувати на менших глибинах – від 7 до 15 кілометрів. Звідти породи в процесі поступового разуплотнення Землі могли піднятися догори без особливих клопотів.

Точно так же розгадується і давня загадка алмазоносних кімберлітових трубок. Ув’язнені в цих трубках алмази могли виникнути лише при такій температурі і при такому тиску, який в наші дні існує на глибині 150- 200 кілометрів. Основна ж частина трубок утворилася явно на меншій глибині. І вік трубок виявляється значно менше алмазів, що містяться в них. Вміст старше оболонки – що це значить? Тільки те, що алмази народжувалися на ранніх етапах розвитку Землі, коли її радіус був багато менше нинішнього, народжувалися в самій верхній частині мантії, на порівняно невеликій глибині. А опісля сотні мільйонів років їх обволокла і захопила за собою речовина кімберлітових трубок.

А цикли росту коралів? Річні ці цикли, подібно циклам дерев, видно неозброєним оком і всім давно відомі. Але ось на корали глянули в електронний мікроскоп і побачили добові ритми росту – по 365 ритмів в кожному річному циклі. Але що це? У коралів, яким від роду 300 мільйонів років, число ритмів в річному циклі зростає до 390, а у тих, яким 390 мільйонів років, налічується вже 400! Чи не ясно з цього, що щорічна кількість оборотів Землі навколо своєї осі поступово зменшувалася? За 390 мільйонів років Земля втратила 35 оборотів. Вважається, що в цьому винен особливий характер гравітаційних зв’язків між Землею і Місяцем. Цілком можливо, але і поступове збільшення земного радіуса скидати з рахунків не можна. За деякими підрахунками за останні 400 мільйонів років він збільшився на 4 відсотки, від чого поверхня земної кулі розширилася на 8 відсотків, обсяг виріс ще більше, а середня щільність, природно, зменшилася.

Через зменшення щільності і сповільнилося обертання Землі. Палеомагнітні виміри нібито підтверджують це. У австралійських палеомагнітологів П. Шмідта і Б. Емблтона вийшло, наприклад, що 1,5 мільярда років тому радіус Землі ледь перевищував половину сьогоднішнього і всі континенти близько примикали один до одного. Значне розширення Землі, коли між брилами континентів виникли великі ділянки океанської кори, почалося пізніше.

Ознаки розширення виявляються на різних стадіях розвитку планети. В одні епохи воно посилювалося, в інші – послаблювалося. Перший з передбачуваних великих «натисків» розширення стався 3,5 мільярда років тому, потім 2,5 мільярда, потім від 1 до 1,5 мільярда років тому. Ми живемо в нову епоху посилення, розпочатого «зовсім недавно», мабуть 250 мільйонів років тому.

За 3,5 мільярда років радіус Землі збільшився не більше ніж в півтора-два рази, за 1,5 мільярда років – не більш ніж у півтора рази, а за 250 мільйонів років, з початку мезозойської ери, не більше ніж на 5-10 відсотків. По правді сказати, і це немало: адже 10 відсотків – це 637 кілометрів, більше ніж відстань від Києва до Львова.

Що ж все-таки змушує Землю хоч повільно, але розширюватися? Деякі вчені, наприклад австралійський геолог С. Кері, визнають, що причини розширення їм невідомі, але які б вони не були, тільки розширення дозволяє, не впадаючи в протиріччя, пояснити всі закономірності будови і розвитку Землі. Кері та його однодумці не ламають голову над загадкою розширення, а приймають його як даність, очікуючи, поки розгадка прийде сама.

Інші слідом за П. Діраком, П. Йорданом, Д. Д. Іваненко та іншими фізиками допускають, що з плином часу в розширенні Всесвіту зменшується так звана гравітаційна постійна. З цієї причини тиск на речовину Землі падає, середня щільність земної кулі зменшується, а обсяг зростає. Але зменшення гравітаційної постійної – теж поки гіпотеза; багато фізиків і космологів думають, що нічого подібного не відбувається, а якщо і відбувається, то на обсязі Землі це не відбивається.

Але може бути, причину разуплотнення речовини слід шукати не у Всесвіті, а в самій Землі – в процесах перетворення речовини планети, що не припиняються ні на мить і безперервного зміщення кордонів всіх верств – астеносфери, верхньої та нижньої мантії і навіть ядра? Шари ці в постійній перебудові: легкі елементи спливають, важкі – тонуть, з глибин піднімаються гази, йде утворення води. Цілком можливо, що при такому невпинному бурлінні щільність Землі зменшується. Адже це прямо реторта, а не небесне тіло! Ось вже більше 4 мільярдів років існує наша планета, а її тектонічна і магматична активність все не затихає. Воістину, це сама жива з усіх планет земної групи, і непросто помітне розширення ми знаходимо перш за все у неї, а не у Марса або в Меркурія.

Про розширення говорив і вчений В. Н. Ларін, який вважає, що всі геологічні явища на Землі, в кінцевому рахунку, сходять до процесу дегазації ядра, яке складається з гідридів металів і з металів з розчиненим воднем. Водень виходить з ядра, і воно від цього збільшується в об’ємі. І весь обсяг Землі збільшується. В процесі свого розвитку Земля, за розрахунками Ларіна, повинна була розширитися в кілька разів. Розширення продовжується і понині, але, як і раніше, воно протікає циклічно: час від часу сповільнюється і навіть чергується з деяким стисненням. Ось ми і дійшли до пульсацій!

Без пульсацій не обійдешся. Справді, чим, крім пульсацій, пояснити циклічність вулканізму? Те вся планета вивергає лаву, то вулкани покриваються кіркою, замовкають на століття, і у їх підстав розквітають безтурботні міста. Те ж і з океанами: в одні епохи вони наступають на сушу, в інші – відступають. І з накопиченням опадів… Та всіх циклічних явищ і не перерахувати!

Цікава закономірність: вулкани оживають в одні й ті ж періоди – в епохи розтягування кори. В епохи її стиснення вони завмирають. У пульсацій океану – той же ритм. В епохи стиснення – кора жолобиться, ємність океанських западин збільшується, в них збираються гігантські маси води. Океани як би відступають від суші. В епоху ж розширення нерівності згладжуються, ємність западин зменшується, вода розтікається по більшій поверхні – океан наступає на сушу.

Але найяскравіше пульсація Землі проявляється в зонах ріфтів – гігантських вузьких ущелин, де з надр випирає юна кора, і в зонах геосинкліналей – обширних і витягнутих ділянок кори, що зазнають, як кажуть геологи, тривале глибоке занурення. Приходить час, і в корі починаються сильні поперечні стиснення. В геосинклінальних областях утворюються тоді складчасті структури, і блоки кори рухаються один на одного, як тороси в льодах полярних морях. Через багато тисяч років стиснення припиняються, і по всій планеті починають утворюватися нові або оживають старі рифти. Це вступили в гру сили протилежного знака – сили розтягування кори. Зони рифтів більш сприйнятливі до дії сил розтягу, а зони геосинкліналей – до дії сил стиснення. Збільшується обсяг планети – ростуть рифти, зменшується обсяг – звужуються геосинклиналії.

Цикли утворення складок строго чергуються з циклами розвитку ріфтів. Коли складчастість в геосинкліналях посилюється, кора в зонах ріфтів майже не розширюється, і навпаки, коли посилюється розширення – послаблюється утворення складок.

Ієрархія циклів

Все це помітили і осмислили, звичайно, не відразу. Якщо не вважати Леонардо, то до гіпотези пульсацій (або, у всякому разі, до визнання уривчастості в часі та періодичності стиснення в земній корі) тією чи іншою мірою схилявся вже і австрійський геолог 19-го сторіччя Е. Зюсс, і німецький геолог X . Штілле з його ідеєю «світових фаз складчастості». Але найближче підійшов до неї в 20-х роках минулого століття ірландський геофізик Дж. Джолі, автор гіпотези термічних циклів. Джолі припустив, що з часом під корою планети накопичується надлишок теплової енергії радіоактивного розпаду, «підкірка» починає плавитися і плити кори континентів приходять в рух. Розтягуючись і дроблячись, вони повзуть по поверхні земної кулі.

Ділянки розплаву, над якими вони раніше розташовувалися, оголюються, Земля віддає тепло космосу, і континентальні брили, випробовуючи стиск, вмерзають в охолоджений розплав. Потім «підкірка» знову нагрівається і все починається спочатку.

А чи можна з впевненістю стверджувати, що Земля пульсує? Мабуть, так. У всякому разі, ідея пульсацій Землі в даний час більш обгрунтована, ніж ідея загального її розширення. Безліч фактів підтверджує пульсацію: ритмічність утворення ріфтів і складок, ритмічність вулканізму і руху океанських вод… Давно встановлено зв’язок між перемежованими уповільненнями і прискореннями обертання Землі (в рамках загального уповільнення) і варіаціями сумарної енергії землетрусів, що виділяються за рік, між швидкістю ковзання мантії по ядру Землі і варіаціями магнітного поля. Тепер в цей клубок зв’язків вплітається пульсація сили тяжіння, і все це разом взяте знаходить своє пояснення в коливаннях розмірів Землі.

Що ж породжує їх? Що все-таки змушує скорочуватися і збільшуватися земний радіус? Цикли від декількох мільйонів до сотень мільйонів років зобов’язані своїм походженням, по всій ймовірності, нерівномірному виділенню теплової енергії, що піднімається від ядра до поверхні Землі як би хвилями. Але чи тільки в цьому їх причина? А що лежить в основі інших циклів? Чи мають відношення до пульсацій Землі коливання гравітаційної постійної в найближчих сферах космосу, як один час припускали фізики? А пульсації Сонця, яких у нього у самого не менше, аніж у Землі? А складні ритми всієї Сонячної системи? Адже ми – частина її…

Остаточних відповідей на всі подібні питання поки немає, але вони, безперечно, будуть знайдені. І швидше за все тоді, коли людина почне обживати ближній космос, направить з нього на Землю очі і вуха приладів і уважно спостерігатиме за нею.

Автор: Е. Мілановський.