Тектоніка плит – континенти дрейфують

Перефразовуючи відомий початок «Анни Кареніної», можна сказати, що науки в момент вдачі і звершення схожі одна на одну, кожна наука нещаслива по-своєму. На такому гребені успіху колись була геофізика, коли нині добре всім відома «теорія плит», або «плитотектоніка», отримала, нарешті, визнання. Момент рідкісний і повчальний у розвитку науки. Тому що він дозволяє на прикладі цієї однієї вдачі подивитися: а що, власне, за нею слідує? Як розвивається наука від тієї точки, коли в ній народилося нове конструктивне?

Ця теорія, насамперед, витончена. В цьому сенсі вона цілком задовольняє хоча і не зовсім науковій, але добре відомій вимозі, що пред’являють будь-якій значній теорії. Теорія повинна бути проста, красива, якщо хочете. Звичайно, немає таких одиниць, у яких вдалося б виміряти простоту і витонченість. Але кожен цю витонченість відчуває, якщо вона, звісно, є.

Плитотектоніка

Плитотектоніка — це геометрія сферичної поверхні в дії. Жорсткі, всередині спокійні тисячокілометрові шматки земної оболонки товщиною в сотні кілометрів, рухаються по цілком певним законам, які випливають з елементарних вимог геометрії. І це все.

Слідства дивні. Всі процеси, тектонічні, геологічні, зосереджуються на кордонах плит. Там, де вони розсуваються, через гігантські тріщини в землі, їх називають серединно-океанічними хребтами, надходить матеріал, який весь час нарощує краї плит, що роз’їжджаються. Там, де плити стикаються або труться одна об одну, виникають вулкани, відбуваються сильні землетруси, мнуть пласти земної кори і здіймаються Гімалаї…

Друга частина теорії, власне тектоніка плит (першу частину називають теорією дрейфу континентів), відноситься до того, як взаємодіють краї, що зіштовхуються. Тут два основних варіанти. Перший — край однієї плити «пірнає» під іншу і йде на глибину під кутом 50-70 градусів. Як правило, «пірнає» та плита, на якій немає материкової наліпки, що складається з більш легкого матеріалу, який, як понтон, тримає край і не дає йому зануритися. Другий варіант — якщо обидві плити несуть на собі материки, ситуація ускладнюється. Виникають величезні складки, здіймаються гори, шматок плити, що пірнула може відірватися і піти на глибину…

Такий дуже грубий нарис теорії плит.

Ніщо наукове нам не чуже

Звичайно, інтерес до плитотектоніки був величезний. Ще б — виявилося, що материки, ці легкі наліпки на плитах, замість того, щоб одвічно і непорушно займати своє місце, рухаються! І, зрозуміло, всім було цікаво дізнатися, куди їде його частина світу і з якою швидкістю. Рух завжди симпатичніше людській натурі. Правда, в разі плит його швидкість не перевищує декількох сантиметрів у рік, але все ж це рух.

Геофізиків теж страшенно цікавили швидкості і напрями, в яких рухаються шматки земної тверді. Так слідом за визнанням почався бурхливий і неминучий для будь-якої науки етап деталізації. Куди і з якою швидкістю рухаються плити? Скільки їх? Де точні межі? Все це належало з’ясувати. Адже від цього залежало багато чого: вулканізм, сила і частота землетрусів, утворення цінних мінералів…

Раз основні процеси зосереджені на кордонах, треба чітко знати, що там відбувається. Крім того, прокрутивши тектонічний фільм в зворотному напрямку, вчені могли б побачити, що було з материками і океанами сто — двісті мільйонів років тому. А тут в один вузол зав’язувалися і проблеми кліматології, давніх зледенінь, розселення видів тварин і рослин в різні геологічні епохи… І природно, інтерес вчених виявився набагато глибше і довговічніше, ніж інтерес публіки. Зі сторінок популярних журналів плитотектоніку витіснили інші сенсації. Але в усьому світі ведеться напружена і копітка наукова робота, що уточнює і деталізує дрейф.

Де вони, безвісні, невтомні збирачі конкретних фактів? Знаменитим стає той, хто об’єднує всі зібрані часточки в будівлю нової теорії. Такий був вчений Вегенер. Але ж без безлічі фактів, малих і великих, зібраних іншими, не було б його теорії… На жаль, у науці перемагає той, хто перемагає останнім. Щастя вчених, що не дбають вони особливо про те, хто серед них виявиться попереду. Насамперед, вони працюють. Збирати факти — копітка робота, але хтось повинен її робити. І роблять. Відразу ж проста витончена схема руху шести первинних плит стала обростати масою подробиць.

Червоне море, цей новонароджений океан, як з’ясувалося, утворювався в два етапи. Перша стадія розширення зі швидкістю 1,3 сантиметра на рік тривала 30-40 мільйонів років. Потім 4-5 мільйонів років тому почало розширюватися дно сучасної Аденської затоки, це розширення продовжується і сьогодні зі швидкістю 0,9 см в рік. Ну і що? — запитає читач. Головне сам факт: новонароджений океан — це так! А деталі, подробиці — для фахівців. Ось тут і розходяться інтереси науковців і тих, хто від цієї науки далекий. Дуже навіть цікаві якраз ці подробиці — адже на дні Червоного моря, там, де пролягає тріщина молодого рифту, перебувають кишені, насичені цінними металами і мінералами. Адже це майбутній Урал, «захоплений» в момент свого утворення. І знати в деталях процес його народження вкрай важливо…

Тектоніка плит — насамперед усунення випадків на земній поверхні. Звідки взялися острова? Що їх породило? Теорія повинна все пояснювати. А що стосується Гавайських островів, то до недавнього часу залишалося неясним їх походження. Якось не на місці виявлялися вони в рамках плитотектоніки. Але ось і це прояснилося. Вся справа в тому, так вважають деякі вчені, що на лінії їх розташування в океані особливо великі ковзаючі зусилля в земній корі, що виникають від руху тихоокеанських плит. Просто краї двох плит труться один об одний, матеріал плавиться, за законом Архімеда нагріті бульбашки магми спливають вгору і народжують ланцюг прекрасних островів.

Виявили океанічну плиту, вірніше її залишки, і всередині континенту, на материку, в самому центрі Середньої Азії, на тому місці, де зараз здіймаються гори: Памір і хребти Гіндукушу, а колись плескалися хвилі стародавнього океану Тетіса. Відірвався і пішов вглиб шматок океанічної плити — причина глибокофокусних афганських землетрусів. До цієї роботи вона залишалася неясною.

Повільно, але вірно за ці роки тектоніка плит обростає, як голками, фактами, новими даними, цікавими вимірами, які роблять її менш вразливою. Кожен геофізик, що займається тектонікою плит, шукає подробиці руху кори для свого району. І зараз, якщо нанести на глобус всі результати, вони покриють його строкатою вервечкою чисел, швидкостей, стрілками напрямків, які часом ще погано узгоджуються один з одним. Але така діалектична природа етапу накопичення фактів у науці. Усунена суперечність — крок до нового, кращого розуміння. Шлях цей довгий, нудний, але дуже важливий, бо так народжується експериментальна основа для майбутньої кращої теорії. Але є й відрадне на цьому довгому шляху збирання фактів. Це можливість зазирнути в наше геологічне минуле, дізнатися, де були материки і океани 50, 100, 200 мільйонів років тому. Можливість побудувати гарні схеми поверхні планети в давні епохи.

Спочатку була Пангея?

Спочатку була Пангея. Вона включала в себе всю сушу. Потім двісті мільйонів років тому раптом розкололася величезна материкова крижина, і плавно попливли її шматки по нашій планеті.

Так вважали і деякі вважають досі. Але є і не згодні з таким одноразовим варіантом дрейфу. Чому б материкам вічно не кружляти по планеті? Докази! Де докази? Адже не знайдено жодного шматка породи з дна океану, який був би старше двохсот мільйонів років. Отже, до того часу материки не рухалися відповідають незгодні.

Сент-Бланкет Хенрі, французький вчений, вважає, що на віці світ клином не зійшовся. Адже є ще палеомагнітні дані. За ними можна визначити, в якому місці перебував материк по відношенню до магнітного полюса в ту або іншу епоху. Пангея не первинна! Такий висновок вченого.

На початку і середині палеозою (350-400 мільйонів років тому) континентів було три: Гондвана, Сибір і третя континентальна маса, що складається з Південної Америки і Африки. В кінці палеозою (300 мільйонів років тому) перші два континенти з’єдналися. Результат — Уральський шов. Недарма сейсмологи ще в п’ятдесятих роках минулого століття виявили під Уральськими горами, на великих глибинах, слабкі землетруси. А глибокі землетруси — перша ознака плитотектонічних подій зараз і в минулому.

Тільки потім об’єдналося все в одне і виникла Пангея. Вона розпалася, і, розсунувшись, континенти зайняли свої сьогоднішні місця. А ось російський геофізик Б. В. Гусєв вважає, що й раніше, ще в предкембрійський час (600 мільйонів років тому), Російська і Сибірська платформи були одним цілим і розпалися близько 500 мільйонів років тому.

Так що материки, мабуть, все-таки рухалися завжди. Подібно крижинам, вони збиралися в одне материкове поле, розпадалися, кружляючи по планеті, знову збиралися… На жаль, заглянути в те далеке минуле, вглиб, за товсту завісу в 460 мільйонів років, дуже важко. Подібно кому снігу, наростають суперечності. Відомості про стан континентів стають уривчастими і, нарешті, зникають. Буйно розростаються гіпотези, жодна з яких не здатна довести свою правоту.

Завжди залишається головне питання

Оболонка Землі живе, материки повзуть, то зближуючись, то розсуваючись в сторони. Неспокійні кордони плит, що стикаються. Вивергаються вулкани, катастрофічні землетруси великим тремтінням стрясають матінку-планету. Багато у всьому цьому нам зрозуміло. Але, в основному, про те, як влаштований світ. Головне ж питання, саме інтригуюче, — не «як», а «чому» світ влаштований так, а не інакше?

Не уникла цього питання і геофізика. Чому континенти рухаються? Яка сила змушує ковзати товсті шари земної тверді розміром з Європу чи Америку? Неможливість пояснити це була слабким місцем теорії дрейфу багато десятиліть поспіль.

Тепер під впливом фактів і супротивникам довелося допустити, що дрейф — не домисел, а реальність. І тепер вже і тим і іншим залишилося пояснити, чому. Стара гіпотеза — теплова конвекція в мантії. У тих місцях, де розколюються серединно-океанічні хребти, є висхідні потоки гарячої речовини. Вона застигає, досягаючи поверхні, і нарощуючі краї безперервно йдуть в сторони плит. І там, де один край плити пірнає під інший, — низхідний потік, охолоджена поблизу поверхні плита йде на глибину.

Ні, — каже сувора кількісна наука фізика. Така модель не годиться. І з дуже простої причини… Якщо навіть мантія і однорідна (що не так, по всій видимості), треба ще, щоб в’язкість в ній була скрізь постійна. А з глибиною в’язкість змінюється. Та й енергії конвективних процесів недостатньо, щоб рухати материками. У кращому випадку, якщо навіть і є конвективні потоки в глибинах (в нижній мантії), то на поверхні далі невеликих зсувів справа не піде.

Але так легко ніхто в науці не відступає. Якщо не годиться проста схема — ускладнимо її. І неможливе стане можливим. Англійський геофізик Робінсон запропонував шарувато-обмежену модель (не варто докладно тут про неї говорити, достатньо лише того, що на цій моделі конвекція вже може «працювати»). Інші шукають ще більш складні моделі, намагаючись реабілітувати первинну ідею. Але ускладнення без елемента принципово нового — це не завжди ефективний шлях у науці.

Це принципово нове шукають американські вчені Маккензі, Роберт та Вісс. Вони без застережень допускають можливість існування конвекції. Посягають ці вчені на фізику. Адже витончені рівняння конвекції розроблені для цілком певної моделі рідини, простої, однорідної і т. д. Саме ці рівняння і накладають заборону на існування конвекції в мантії. Звичайно, мантію теж можна розглядати як рідину. Але ця рідина може бути далека по своїй поведінці від тієї, що описують рівняння конвекції. Хіба, знаючи поведінку собаки, ми зможемо передбачити, як вчинить кішка в подібній ситуації? Це різні тварини. А в разі земної товщі ми стикаємося з рідиною, для якої ще не створено суворої кількісної теорії її механічної поведінки. Тому треба не ускладнювати моделі, підганяючи їх під існуючі рівняння, а створити нову теорію, яка б описувала цю нову реальність. Така логіка цих вчених. Свою нову теорію вони назвали теорією динамічної рідини.

Не одній конвекцією живий дрейф

Світ клином на тепловій конвекції не зійшовся. І не виключено, що вона була обрана тому, що лежала під рукою, очевидна, зрозуміла. Є й інші гіпотези, які так само, як конвекція, не нові, а відроджені з давніх припущень на «новій землі» плитотектоніки.

Відомий американський вчений. Х. В. Менар знову розглядає стару ідею з красивою назвою «эпейрогенія» — це плавне підняття величезних ділянок земної поверхні. Над центром підняття розколюється земля, біжить тріщина — рифтова долина. В боку зісковзують плити — верхні пласти. І чим швидше піднімається, подібно спині гігантської тварини, эпейрогенія, тим швидше зісковзують плити.

Всяка гіпотеза повинна пояснювати загадки. Одна з таких загадок — підняття дна атолів. Горизонтальний рух плит дна атолу не підніме. А гіпотеза эпейрогенії легко пояснює цю дивину. Бо эпейрогенія — це і є плавне піднімання. Причому у геофізиків з’являється гарне кількісне свідоцтво швидкості руху плит. Адже поміряти підняття дна просто. Якщо дно піднімається швидко, значить, в цьому місці повинні бути і великі горизонтальні швидкості руху плит. І інше пояснює ця гіпотеза. Принципова відмінність в поведінці плит, на яких є континентальні наліпки, від плит, що континентів на собі не несуть.
Але звідки і чому виникають ці підняття? Це слабке місце гіпотези.

Мембранна тектоніка, так назвав свою гіпотезу англійський вчений Тюркотт. На різних широтах поверхня Землі викривлена по-різному. З-за того, що Земля не куля, а еліпс. Оскільки плита повзе по меридіану, у неї автоматично змінюється радіус кривизни. В результаті виникають напруги, як при простому згині пластини матеріалу, які достатні, щоб плита розкололася. Оскільки товщина плит мала в порівнянні з радіусом Землі, то вчений скористався теорією тонких оболонок або мембран. Звідси назва його тектоніки. Океанічні острови і грабенові долини – ось можливі результати таких розколів плит. Хороша ця ідея тим, що дозволяє якось осмислити досі незрозумілий геофізиками, з точки зору питання «чому», характер переходу від океанічної, тонкої кори до товстої земної кори материків.

Край континенту, чому він такий, а не інший? Поки це нерозв’язна проблема. Адже тут, на краю, йдуть дуже активні процеси. Перехідна зона — ключ до замка будь-якої теорії походження плит. Якщо ключ не підходить, замок не годиться…

Чому ковзають континенти?

Спочатку йшлося про витонченість теорій. Мабуть, оригінальність і вишуканість — рідні сестри у науковій творчості. І адже недарма у свій час Чарльз Дарвін самим своїм великим досягненням в житті рахував те, що проявив він, за його думкою, оригінальність в науці. У літературі, живописі ця вимога не викликає сумнівів. Але чим одна творча справа гірше або краще іншої?

І ось, на мій погляд, дві витончені й оригінальні роботи. Одна з них — це робота Євгена Артюшкова, доктора фізико-математичних наук. Вона відповідає на питання, «чому» рухаються плити. Адже ні теорія эпейрогеній, ні тим більше мембранна гіпотеза не відповідають на це питання. Всі схеми, об’єднують і синтезують факти, але не говорять, яка сила переміщує континенти.

Картина, намальована Артюшковим, проста до межі. Крапля олії в супі повинна розтікатися до тих пір, поки її товщина не зменшиться і сили протидії не зрівноважать сили розтікання. Вода в склянці тисне на її стінки, вона теж прагне розтектися. Причина — потенційна енергія і закони гідростатики. Пам’ятайте п’ятий клас школи: рідина тисне на всі боки однаково в кожній точці. Якби земна оболонка, її називають літосферою, була однорідною по товщині, нічого б не відбувалося. Але літосфера змінюється.

В одному місці вона товстіше, в іншому тонше. Потовщення — це і є ті самі краплі олії, що прагнуть розтектися в сторони. Вся літосфера в цілому прагне стати плоскою, тобто придбати мінімум потенційної енергії. А адже це один з основоположних принципів поведінки різних фізичних систем. Ланцюг білкової молекули скручується так, щоб досягти цього мінімуму потенційної енергії, температури в газі вирівнюються і т. д. і т. п.

Неоднорідності товщини самі по собі також зрозумілі. Причина — гравітаційна диференціація речовини в процесі еволюції планети. Головні «подушки» речовини існують під серединно-океанічними хребтами. Енергія, з якою вони прагнуть розтектися, достатня, щоб поплили по шару мастила, астеносфері, що лежить на глибині 100-150 кілометрів. Тиск плити, що розтікається досягає сотень бар.

Земна оболонка сама себе рухає. Такий висновок оригінальної гіпотези. Це прагнення оболонки (літосфери) зрівняти себе, стати однорідною і скрізь однаковою по товщині. Світ речовини прагне до одноманітності, не терпить флуктуацій, викидів. Його мета — «зрівнялівка». Так, принаймні, говорить закон термодинаміки, слідуючи якому літосфера рухає континентами… Треба сказати, що це прагнення здійснюється досить бурхливим способом, супроводжуючись всіма тими катаклізмами, виверженнями і т. д., які неминучі при подібному процесі.

Планетарний генератор

Нафта. Вчені, використовуючи теорію плитотектоніки, запропонували оригінальну теорію її утворення. Нафта і газ — результат сублімації і термолізу біогенних речовин, затягнутих разом з океанічною корою всередину Землі, в тих місцях, де край однієї плити занурюється під іншу. Грубо кажучи, вся накопичена органіка верхнього шару зануреної плити під впливом тиску і температур в глибинах може перетворюватися на нафту і газ. Місця занурення країв — це живий, працюючий сьогодні генератор чорного золота.

Але звідки тоді беруться родовища нафти і газу в передгірних прогинах і крайових частинах платформ, далеко від бурхливої межі зіткнення плит? Вони мігрують, накопичуючись в цих місцях. Міграція відбувається під впливом надлишкового тиску перегрітої пари, що утворюється при звільненні води з речовини океанічної кори, затягнутої вглиб.

За час тектонічного циклу нафтові фракції можуть мігрувати на сотні, а газові — до тисячі кілометрів.

За 10 років роботи такого планетарного генератора могло утворитися, за оцінками вчених, близько 7х1015 тонн нафти, що в тисячу разів перевищує масу всіх геологічних запасів, передбачуваних на сьогодні. Якщо прийняти ккд процесу всього 0,1 відсотка, цього з надлишком достатньо, щоб пояснити всі існуючі родовища. Такий несподіваний, хоча і цілком закономірний вихід конструктивної теорії в практику і геологію родовищ. Важливість цього виходу важко переоцінити.

Несповідимі шляхи науки

Якщо у науки є спадкоємність у розвитку, то яка вона особлива. Все попереднє випливає з цього. Так механіка Ньютона випливає з теорії відносності, як окремий випадок. Така історичність науки. Більш пізня більш загальна теорія включає в себе більш ранню. Не від минулого до майбутнього, а від сьогодні у вчора.

Вибрати зараз серед гіпотез, що пояснюють, чому дрейфують плити, неможливо. Одна гіпотеза краще, інша гірше пов’язує всю сукупність великих і маленьких фактів. Але кожен раз залишається щось непояснене, що вимагає нових припущень і посилань. Вчені збирають матеріал, накопичують все нові і нові факти в надії підтвердити або спростувати близьку серцю гіпотезу. Що ж, це природний шлях, і він теж призводить до успіху.

Але не виключено і інше. Все більше і більше з’являється робіт, присвячених планетології, еволюції планет. І вичерпався потік статей про дрейф… Що це? Втрата інтересу? Ні. Скоріше інше. Можна, до кінця днів підкладати і підкладати видобуті з працею цеглинки під будівлю приватної гіпотези. А можна спробувати зробити крок на наступний етап узагальнення.

Планетологія, саме тут може народитися теорія, з якої дрейф і плитотектоніка будуть витікати у вигляді окремого випадку як властивість поверхні нашої планети. І треба сказати, гіпотеза Артюшкова передбачає таку ще не існуючу теорію. Адже потовщення, нерівності земної оболонки повинні були колись утворитися. Повинно було бути яйце. Потім курка. Як це сталося?

Американський вчений Тозер знайшов дуже просту загальну закономірність для хімічної еволюції планет. Хімічна диференціація речовини починається, якщо радіус планети більше декількох сотень кілометрів. І процеси стають все інтенсивніше із зростанням радіуса. Так у Місяця і тим більше у Землі цей процес розділення речовин далекий від свого завершення. Та літосфері не дожити до «зрівнялівки». Весь час будуть існувати сили, що порушують її рівновагу.

На комп’ютерах вчені розігрують різні варіанти еволюції, змінюючи початкові, граничні умови… Наші космічні апарати досліджують Меркурій, Венеру, Марс, Юпітер… Все більше даних про планети, все легше з безлічі моделей вибрати кілька, а може, одну. І коли буде створена теорія розвитку планет, з неї у застосуванні до Землі отримає обґрунтування теорія плит і дрейфу. Хтось у своїй статті напише в якості одного з наслідків: «Через чотири мільярди років на планеті типу Земля має встановитися відносна рівновага. Характер руху на поверхні…»

Стрибок, досягнення принципово нового, потім осмислення попереднього і новий стрибок, вже в майбутнє… Так розвивається наука.

Автор: Е. Цветков.