Як влаштована Земля
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Після дуже сильного і, я б сказав, надзвичайного захоплення «новою глобальною тектонікою» або «тектонікою плит», коли здавалося, що вдалося пов’язати в якусь несуперечливу картину нові відомості з геології океанів з тим, що нам відомо про будову і розвиток континентів, зараз за багатьма ознаками настав трохи інший етап у розвитку цієї концепції.
Частина прихильників тектоніки плит прийняла ідеї і схеми цієї концепції як щось міцно встановлене і заздалегідь задане і без тіні сумнівів намагається укласти всі геологічні факти в рамки і правила, вироблені новою глобальною тектонікою. Часом деформуючи ці факти.
В іншої частини прихильників цих ідей – це в основному геофізики – з’явилися деяка обережність, сумніви і навіть скепсис по відношенню до деяких положень тектоніки плит. Таке ставлення породжене, зрозуміло, деякими новими даними і відкриттями в будові глибинних оболонок Землі, а також безперервно зростаючим обсягом наших знань про будову континентів і океанів.
Якими ж були ці нові відкриття? Перш за все було встановлено за записами далеких землетрусів (з континенту на континент, наприклад, іранські землетруси, зареєстровані сейсмографами в Америці), що мантія під континентами і під океанами істотно різниться за своїми фізичними властивостями — щільністю, швидкістю проходження сейсмічних хвиль, температурою. Ці відмінності простежуються до дуже великих глибин – кілька сотень кілометрів (чотириста напевно, з цим згодні всі геофізики, сімсот — вісімсот «передбачається»). Деякі вчені вважають, що ці відмінності можуть бути виявлені навіть на глибинах в тисячу кілометрів.
Це відкриття вносить ускладнення в побудови, засновані на концепції нової глобальної тектоніки. Де в цьому випадку повинна бути розташована поверхня, по якій ковзають літосферні плити? Якщо це астеносфера, яка розташовується на глибині 150-200 кілометрів, то мантія глибше цієї поверхні повинна якимось чином змінювати свої властивості в залежності від того, яка літосфера – океанічна або континентальна — в даний момент знаходиться над нею. Легко помітити, що тут відбувається зміщення причин і наслідків, керуючих глобальними процесами розвитку літосфери. З одного боку, рух літосферних плит обумовлено процесами в мантії, з іншого — властивості мантії визначаються тим, яка літосфера знаходиться над нею. Важко припустити, що багатосоткілометрова мантія змінює свої властивості під впливом відносно тонкої літосфери, що покриває її. Причинний зв’язок тут скоріше інший – властивості літосфери (океанічна вона або континентальна) обумовлені тим, яка мантія її підстилає.
Є ніби інший вихід, щоб врахувати нові відомості і залишитися на позиціях тектоніки плит. Поверхню ковзання можна віднести на набагато більші глибини. Але тоді ми прийдемо, врешті-решт, до того, що ядро Землі і мантія обертаються один щодо одного і побудови тектоніки плит втрачають всякий сенс.
З концепції тектоніки плит випливає, що в мантії повинна відбуватися конвекція речовини: підйом глибинного матеріалу в серединно-океанічних хребтах, опускання в жолобах. І ці вертикальні гілки конвективних потоків продовжуються на поверхні Землі горизонтальними гілками, що йдуть від хребтів до жолобів. Протилежно спрямовані потоки повинні бути в глибоких оболонках Землі. Але чи існує таке замкнуте коло? Це поки ніким не доведено, але і не спростовано. Крім того, в глибоководних жолобах за схемою тектоніки плит має відбуватися нагромадження осадових утворень, що як би зіскрібають з занурюваної літосферної плити.
Глибоководне буріння, яке все ширше і все більше проводиться в океанах, в тому числі і в глибоководних жолобах, де очікували отримати прямі дані про занурення плит, поки ніде не виявило таких деформацій опадів.
І третя обставина, що породжує сумніви в міцності основних позицій тектоніки плит. Це ті закономірності будови і розвитку літосфери, які встановлені континентальною геологією. Питання, пов’язані з цим, завжди були важкими для прихильників нової глобальної тектоніки. А тим часом ці закономірності не є просто вигадкою противників нової глобальної тектоніки. Якщо говорити в найзагальніший вигляд, то головна закономірність розвитку континентів – це зумовленість поведінки земної кори в різних тектонічних зонах, успадкованість, яка пов’язує послідовні етапи еволюції кори на континентах. Тектонічні рухи, прояви магматизму, фізико-хімічні зміни порід, тобто всі ті процеси на поверхні Землі і в земній корі, які обумовлені глибинними причинами, змінюють один одного в часі цілком закономірно. І більш того, поведінка земної кори на кожному етапі обумовлена тією історією, яку вона пройшла на попередніх стадіях розвитку.
Встановлено закономірний ряд і закономірна зміна станів земної кори: від активного, збудженого — до стійкого. Переходи від одного стану до іншого відбуваються за певними правилами і як би підпорядковані якомусь порядку. У цій з’ясованій вченими схемі розвитку кори є свої нормальні, природні переходи від одного стану до іншого, а є «заборонені», які в природі не можуть здійснитися.
Ділянки або блоки земної кори, що пройшли через активний тектонічний розвиток, що супроводжується інтенсивними рухами, деформаціями порід, бурхливим магматизмом (так званий геосинклінальний цикл), стають після цього відносно жорсткими, земна кора в них потовщується і втрачає свою рухливість. Розвиток стає більш спокійним, іншими словами, настає платформна стадія. Після цього можливий новий імпульс активності, і він вже виразиться в інших процесах, ніж під час геосинклінальної стадії,— може початися горотворення або утворення глибоких розколів, рифтів. Причому ті неоднорідності, які були створені на більш ранніх стадіях розвитку кори, проявлять себе і на наступних етапах — напрямок зростаючих молодих гірських хребтів найчастіше зумовлено орієнтуванням прогинів, підняттів і розломів більш ранніх стадій активного розвитку. Ніщо не зникає безслідно, і земна кора континентів як би володіє «пам’яттю» про ті події, які з нею відбувалися раніше.
Один приклад. У багатьох випадках молоді гірничоскладчасті пояси перетинаються стародавніми поперечними структурами. Середземноморський рухливий пояс півдня Європи, що простягається майже широтно від Піренейського півострова до Ірану, перетинається древніми поперечними підняттями — Транскавказським, Урало-Оманським, які мають дуже велику протяжність і захоплюють не тільки молодий рухливий пояс, але і сусідні з ним стабільні області — платформи. Ці поперечні структури йдуть майже точно по меридіанах, а їх історія йде в глибоку давнину.
Але якщо середземноморський альпійський пояс вважати швом між двома плитами, що зіткнулися порівняно недавно, як це приймається в тектоніці плит, то як пояснити, що ці стародавні меридіональні підняття перетинають шов і тривають по обидві сторони від нього? Більше того. До передбачуваного зіткнення плит на місці гірничоскладчатого пояса існував океан Тетіс, і плити були далеко відсунуті один від одного. Так говорить нова глобальна тектоніка. Але меридіональні підняття і в цей час видно в закономірному розташуванні підняттів і прогинів на краях нібито розсунутих плит. Яким же чином ця мозаїка так вдало і точно зібралася в таку правильну картину при зіткненні плит?
Чи не вірніше вважати, що ці меридіональні структури-давнє «волокно», що сформувалося на самих ранніх стадіях еволюції кори і «просвічує» на всіх наступних стадіях розвитку крізь більш молоді утворення.
Іноді кажуть, що меридіональні структури – це «рейки», по яких рухалися плити. Але в будь-яких схемах, які пропонуються для цього регіону, рух плит не відбувається строго по меридіану, а зазвичай по якійсь кривій. Значить «рейки» мали раніше вигини і повороти, а потім випросталися і тепер простягаються строго меридіонально?! На це питання прихильники нової глобальної тектоніки не дають відповіді.
Нарешті, останнє. Як відомо, важливі критерії надійності теоретичних побудов – практика і прогноз. Спробуємо з цієї точки зору поглянути на тектоніку плит. Який внесок вона внесла у вирішення хоча б двох практичних завдань, які зобов’язана вирішувати наука про Землю?
Це – закономірності розміщення рудних родовищ і прогноз сейсмічної небезпеки. У вирішення першого завдання внесок тектоніки плит, на думку багатьох відомих металогеністов, поки непомітний, хоча спроби пов’язати ці явища відомі. Рудні металогенічні пояси виявляються не пов’язаними з межами плит (справжніми або минулими), а підкоряються якимось зовсім іншим закономірностям. Як зрозуміти, з точки зору тектоніки плит, такий металогенічний пояс, як Індонезійський, де кілька епох рудоутворень – протягом палеозою, мезозою і кайнозою — дають родовища різних руд практично уздовж одного і того ж протяжного глибинного розлому земної кори? Швидше тут грають роль успадкованість і стійкі зв’язки великих структур земної кори з підкоровими процесами, ніж складна «гра» плит.
У завдання прогнозу місця і сили землетрусів концепція тектоніки плит поки теж не внесла помітного внеску, хоча межі літосферних плит, як відомо, встановлюються, перш за все, по вогнищах землетрусів. Однак як бути з землетрусами, які відбуваються всередині плит? Сучасні методи прогнозу сейсмічної небезпеки за геологічними даними засновані на поняттях рухливості або стабільності різних блоків земної кори. Ці поняття вироблені традиційними геологічними методами. І треба сказати, що карти, створені в самий останній час, служать досить надійним інструментом прогнозу, хоча вони і далекі від досконалості,— трапляються і «пропуски мети», і «помилкові тривоги». Але не через те, що в них не використані ідеї тектоніки плит, а тому, що не завжди хороші вихідні геологічні дані, та й сама методика прогнозу повинна бути вдосконалена.
Все сказане, звичайно, не означає, що противники тектоніки плит на все мають ясні відповіді, все можуть пояснити. Прихильники традиційних теорій, яких іноді називають «фіксістами», чітко усвідомлюють, що в багатьох випадках ще немає достатніх фактів, багато геофізичних результатів можуть бути інтерпретовані по-різному.
Цікаво відзначити, що початковий імпульс активного розвитку земної кори і в концепції тектоніки плит, і в концепціях її супротивників подібний. Це підйом до поверхні розігрітої речовини з глибин мантії. Іноді ця речовина піднімається у високі горизонти земної кори і навіть виливається на поверхню, даючи великі покриви базальтових лав. Але за концепціями мобілізму цей матеріал, що піднявся з великих глибин розштовхує краї щілини, в яку він проривається, розсовує плити літосфери і приводить в рух конвеєр літосферних плит. За традиційними уявленнями такого горизонтального руху всієї літосфери в цілому не відбувається. Земна кора прогрівається, в ній починаються складні фізико-хімічні перетворення речовини, виникає гравітаційна нестійкість, яка і викликає процеси підняття і прогинання земної кори. Відбуваються і горизонтальні переміщення речовини, але значно меншого масштабу і значення, ніж вважають прихильники тектоніки плит.
Горизонтально переміщається не літосфера в цілому (100-150 кілометрів по товщині), а окремі шари речовини всередині неї на різних рівнях. Процес тектонічного розвитку, очевидно, в тому і полягає, що відбувається подолання цього нестійкого стану.
Але треба повторити: далеко не все ясно і зрозуміло в складному процесі глибинних перетворень речовини. Однак під час кожної чергової дискусії «мобілістів» і «фіксістів» спадає на думку, що вони найбільше нагадують дві футбольні команди, які грають на одному полі, одним м’ячем, але кожна — за своїми правилами.
Для створення загальної теорії розвитку Землі важливий не тільки погляд з океану на континент, але і з континенту на океан. Нова міжнародна десятирічна програма співпраці геологів і геофізиків «Літосфера» передбачає приділити значно більшу увагу вивченню континентів. Океан, зрозуміло, не буде при цьому забутий і залишений.
Таким чином, причини внутрішнього розвитку Землі слід шукати, швидше за все, не в безладному русі плит, а в закономірній еволюції кори, що проходить різні стадії розвитку під впливом внутрішнього глибинного тепла. У літосфері Землі на різних за глибиною рівнях виникають стани нестійкої рівноваги, коли більш легка і пластична речовина виявляється під більш щільною і жорсткою.
Будь-яке порушення цієї рівноваги – неоднорідність навантаження, нерівномірний прогрів і т.д.— призводить до переміщень речовини всередині літосфери. Вона прагне до більш стійкого стану: легке — вгору, важке — вниз. А на поверхні Землі це виражається в підняттях і прогинах, зростанні гір, утворенні складок. Земна куля за цією схемою працює як теплова машина – періодично теплова енергія надр перетворюється в механічну.
Автор: В. Н. Шолпо, кандидат геолого-мінералогічних наук.