Помоги проекту - поделись книгой:
ДРЕВНЕЙШИЕ ИСКОПАЕМЫЕ ОСТАТКИ
Самые древние ископаемые остатки живых существ имеют возраст 3,5 миллиарда лет. Они найдены в осадочных породах северо-западной Австралии и представляют собой микроскопические одноклеточные организмы, похожие на бактерий, которые очень напоминают современную группу, известную под названием цианофитов, или сине-зеленых водорослей. Эти остатки имели форму ниточек, образованных цепочкой соприкасающихся друг с другом клеток, как показано на рис. 3.2. Породы, в которых они встречаются, представляют собой тонкослоистые осадки, сложенные главным образом кремнем или кварцитом (тонкозернистый агрегат зерен кварца), который, по-видимому, был отложен в мелководной среде, возможно в лагуне. Несмотря на свою простоту, эти ископаемые обнаруживают значительное разнообразие своей морфологии, что позволяет предположить, что образовались они задолго до отложения этого конкретного осадка.
Рис. 3.2. Зарисовка одного из древнейших окаменевших остатков когда-либо найденных организмов: нитеподобная бактерия из осадочных пород северо-западной Австралии, возраст — 3,5 миллиарда лет. Набросок сделан по фотографиям, полученным с помощью микроскопа. Перерисовано с рисунка 1.5.5 (А), стр. 31, из книги Дж. В. Шопфа «Протерозойская биосфера», под ред. Дж. В. Шопфа и С. Клайна. Изд-во «Кэмбридж Юниверситет Пресс», 1992. Печатается с разрешения.
В архее бактерии неоспоримо господствовали в океане. По существу от их первого появления и до конца архейской эры миллиард лет спустя никакие другие остатки живых существ до нас не дошли. Как нам хорошо известно, бактерии все еще сосуществуют с нами, занимая все вообразимые ниши на нынешней Земле. Они с нами и в наших болезнях, и когда мы здоровы, способствуют всякой заразе и ферментации вина. Трудно представить себе мир без бактерий.
Бактерии — одноклеточные организмы, но их клетки не содержат ядер и многих других внутренних структур, свойственных позднейшим, более развитым формам жизни. В современном мире некоторые бактерии используют солнечную энергию, осуществляя фотосинтез, при этом выделяя кислород. Другие бактерии для своего роста и самовоспроизведения используют совершенно иные виды химических реакций. Когда именно в истории жизни развился фотосинтез — противоречивая и сложная проблема, поскольку именно он явился решающим фактором в эволюции атмосферы от преобладающей углекислоты до чего-то более близкого к нынешнему воздуху, богатому кислородом и пригодному для дыхания.
В породах, появившихся менее, чем через 100 миллионов лет после этих, содержащих первые нитеподобные микроскопические остатки, живых существ, появляются остатки гораздо более крупных организмов, которые легко видеть невооруженным глазом. Они представляют собой своеобразные луковицеобразные структуры, напоминающие очень большие расслоенные кочаны капусты, достигавшие высоты нескольких метров. Но вид их обманчив. Эти объекты, называемые иногда строматолитами, представляли собой не один организм, а скорее колонии бактерий. Они состояли из отдельных клеток цианобактерий, подобных клеткам самых ранних ископаемых бактерий.
Ископаемые строматолиты становятся все более распространенными в более молодых осадочных породах; в конце архея и в течение последующей протерозойской эры они становятся совершенно обычными и весьма заметными. Их своеобразная форма обусловлена тем фактом, что они вырастали слой за слоем в виде бактериальных циновок или пленок, которые захватывали песок и распределяли зернистый материал в своих клейких волоки истых прядях. Несмотря на факт принадлежности к древнейшим из известных ископаемых остатков, строматолиты все еще живут и в наши дни в виде колоний живых организмов, хотя они далеко не так распространены, как в протерозое. Они растут в тропической обстановке на мелководье, что позволяет сделать вывод, что древнейшие строматолиты, которые встречаются в окаменелом виде в архейских породах, росли в прибрежных регионах архейских материков.
Колонии цианобактерий, которые сегодня образуют строматолиты, живут фотосинтезом. Хотя это и не доказывает, что их архейские предки также жили фотосинтезом, это все же указывает на то, что уже приблизительно 3,5 миллиарда лет назад фотосинтез мог установиться на Земле. Тем не менее, непохоже на то, что даже в конце архейской эры земная атмосфера содержала много кислорода. Это положение, как мы увидим в следующей главе, начало меняться уже в начале протерозойской эры.
Глава 4.
ПРОТЕРОЗОЙСКАЯ ЭРА
Как и архей, протерозойская эра длилась почти два миллиарда лет. К ее концу почти девять десятых из 4,5 миллиарда лет истории Земли уже прошли. Хотя о протерозое мы знаем значительно больше, чем об архее, наши данные все еще очень неполны, особенно в отношении начального периода. Однако протерозойские породы распространены сравнительно широко, особенно в сравнении с породами архея. Мы знаем по найденным в ним остаткам, что строматолиты стали очень распространенными, что содержание кислорода в атмосфере увел {шилось и что, как и в наше время, поднимались и затем разрушались горные хребты. Мы даже знаем немного о климате протерозоя. Каковы же источники всей этой информации? Вероятно, настало время рассмотреть некоторые способы, с помощью которых геологи читают записи, имеющиеся в горных породах, пользуясь образцами из протерозоя.
Одним из фундаментальных понятий в науках о Земле является принцип актуализма. Это слово означает то, о чем говорит. В учебниках смысл этого понятия часто передают фразой: «настоящее есть ключ к прошлому». В сущности, в понимании этого принципа геологические науки не стоят особняком. Эта фраза просто подчеркивает тот факт, что геологическими процессами управляют те же самые законы физики и химии, а описывают их те же математические законы и модели, как и все в природе. Если на обнажившейся поверхности песчаника возрастом в 300 миллионов лет мы видим следы ряби, похожие на те, что образуются и в наше время на прибрежном песке, то вполне вероятно, что этот песок был отложен в такой же обстановке. Хотя принцип актуализма может показаться очевидным, в свое время он являлся революционной идеей. Шотландский геолог Хаттон первым применил его систематически в своих исследованиях. Этот принцип имел своих противников, но если его применять, опираясь на здравый смысл и с учетом огромности геологического времени, то он служит геологии хорошо. Даже события, которые с человеческой точки зрения являются редкими или катастрофическими, как, например, наводнения, происходящие раз в столетие, или катастрофическое землетрясение, или даже падение большого метеорита, являются на самом деле закономерно повторяющимися, периодическими или до некоторой степени предсказуемыми на геологической временной шкале. Мы узнали, что древнейшая атмосфера Земли была богата углекислым газом и что даже в конце архея атмосфера содержала очень мало кислорода. Но породы, сохранившиеся от протерозоя, рассказывают нам уже другую историю, и до чего же она увлекательна! Подробно изучая эти породы и в то же время принимая во внимание принцип актуализма, геологи могут реконструировать по крайней мере некоторые этапы развития современной атмосферы.
ЭВОЛЮЦИЯ АТМОСФЕРЫ
Свидетельства об изменяющемся составе атмосферы, содержащиеся в породах протерозоя, позволяют предполагать, что в течение этой эры происходило резкое возрастание концентрации кислорода. Мы знаем, что содержание его в современной атмосфере, поддерживаемое процессом фотосинтеза, протекающим в растениях, равно 21 объемному проценту, и понятно, что колебания уровня его содержания в прошлом были неразрывно связаны с историей жизни на Земле. Ниже мы рассмотрим интересные и неожиданные последствия изменений содержания кислорода в атмосфере — например, в отношении добычи железной руды для наших металлургических заводов. Особенностью некоторых протерозойских осадочных пород, возраст которых превышает приблизительно два миллиарда лет, является то, что они содержат такие минералы, как пирит (называемый иногда «золотом дураков») и уранинит. По своему химическому составу пирит представляет собой сульфид железа, FeS2, а уранинит, как вы можете догадаться, есть минерал урана. В некоторых местах концентрация уранинита в породах протерозоя настолько велика, что его можно добывать в качестве урановой руды. Сами по себе находки этих минералов не являются чем-то выдающимся — их находят также и в породах другого возраста. В особое положение раннепротерозойские пирит и уранинит ставит тот факт, что они встречаются в осадках, которые были первоначально отложены в условиях речных русел и морских пляжей. Тщательное исследование показало, что сами минералы представляют собой угловатые зерна, извлеченные процессом эрозии из какой-то материнской породы и перенесенные к месту их отложения текучей водой. Однако ни уранинит, ни пирит не встречаются в такой обстановке в наше время, поскольку в присутствии кислорода они неустойчивы. За очень короткое время они окисляются и разрушаются. По-видимому, те реки или потоки, в которых эти зерна переносились к месту их отложения, как и современные потоки, находились в контакте с протерозойской атмосферой. Принцип актуализма подсказывает, что атмосфера раннего протерозоя отличалась от современной. Очевидный ответ состоит в том, что атмосфера содержала тогда так мало кислорода, что как уранинит, так и пирит могли сохраниться в виде угловатых зерен, не подвергаясь окислению. Эти минералы больше не встречаются в отложениях водных потоков моложе приблизительно двух миллиардов лет, что указывает на то, что в это время содержание кислорода в атмосфере начало повышаться.
Возможно, хотя и маловероятно, что зерна урана и пирита сохранились, избежав окисления, благодаря какому-то пока еще неизвестному механизму. Но существует еще по крайней мере два указания в протерозойских породах, которые также заставляют нас предположить, что земная атмосфера имела низкое содержание кислорода до эпохи, отстоящей от нас приблизительно на два миллиарда лет. Одно из них связано с добычей железа.
Большая часть мировых запасов железной руды заключена в месторождениях, известных под названием полосчатых железных руд, или сокращенно ПЖД. Эта руда встречается в осадочных породах, но собственно месторождения сложены полосчатыми породами с характерным чередованием тонких слоев, богатых железом, и слоев, богатых кремнием. Богатые железом слои имеют гораздо более темный цвет, чем богатые кремнием, и придают месторождению его чрезвычайно характерный полосатый облик. Большая часть запасов мировых полосчатых железных руд содержится в отложениях раннего протерозоя, возраст их немногим больше 1,8 миллиарда лет.
Понимание значения ПЖД как показателей содержания кислорода в атмосорере требует некоторого представления о химическом поведении железа, которое сильно зависит от количества кислорода в окружающей среде. Металлическое железо, как хорошо знает всякий владелец
автомобиля, очень быстро взаимодействует с кислородом, образуя ржавчину. Но в обычных горных породах земной коры железо в форме металла не встречается. В основном оно существует в виде одного из двух ионов разной валентности (или в двух состояниях окисления); то есть Fe2+ или Fe3+, и в соединении с другими элементами, образуя типичные минералы, встречающиеся в обычных породах. В изверженных породах, большая часть которых является результатом расплавления пород мантии, основная масса железа находится в более низком состоянии окисления, или в виде иона Fe2+. Однако, когда эти породы подвергаются воздействию дождевых вод, некоторая часть этого железа растворяется в воде и, благодаря высокому содержанию кислорода в атмосфере, быстро окисляется до Fe3+. (Однако, когда эти породы подвергаются выветриванию в результате воздействия дождевой воды, часть этого железа растворяется, а высокое содержание кислорода в атмосфере очень быстро вызывает его окисление до Fe3+.) Но Fe3+ является почти нерастворимым в воде, вследствие чего железо очень быстро осаждается в виде тонкозернистого, похожего на ржавчину вещества, оставляющего красноватые пятна на дне ручьев или иных водоемов, где оно собирается. В результате этого все природные воды на сегодняшней Земле содержат очень мало железа в растворенном виде. С другой стороны, если бы содержание кислорода в атмосфере было значительно ниже, то ионы Fe2+ не окислялись бы и те же самые воды могли бы содержать гораздо больше растворенного железа, поскольку Fe2+ гораздо более растворим, чем Fe3+.
Месторождения полосчатых железных руд откладывались в воде, а геологические особенности большинства из них указывают на то, что они образовались в прибрежных водах морей, хотя и на различной глубине. Железо в этих осадках представлено окисленным (трехвалентным) ионом Fe3+, осажденным из толщи воды. Поскольку имеются данные о все еще низком содержании кислорода в атмосфере во время образования этих месторождений, был сделан вывод, что необходимый для этого процесса кислород поступал в результате фотосинтеза, осуществляемого водорослями, жившими на поверхности воды. Но тут возникает важный вопрос, касающийся состава атмосферы, а именно: как переносились эти огромные количества железа к местам их отложения. Как отмечалось выше, в современных условиях очень мало железа, растворенного из горных пород на суше, переносится в океаны в силу того, что оно быстро окисляется и выпадает в осадок в виде окислов железа. То же справедливо и в отношении железа, растворенного из базальтовых пород морского дна циркулирующими водами подводных горячих источников. Это еще раз указывает на то, что в раннем протерозое условия среды очень отличались от современных. Низкое содержанке кислорода в атмосфере делало возможным перенос весьма больших количеств железа в форме иона Fe2+. Когда на пути его перемещения встречались поверхностные зоны морской воды, сравнительно обогащенные кислородом фотосинтезирующими водорослями, оно осаждалось из раствора в виде окиси железа. Тот факт, что большая часть известных полосчатых железосодержащих толщ приурочена к геологическому времени раньше 1,8 миллиарда лет до нашего времени, также говорит о том, что к тому моменту содержание кислорода в воздухе уже возросло до такого уровня, когда большие количества растворенного железа больше не могли переноситься поверхностными водами. Третье указание на содержание кислорода в атмосфере также связано с окислением железа. В геологической летописи толщи и слои осадков, имеющих отчетливо красноватый цвет, обычно песчаников, встречаются довольно
часто. Неудивительно, что геологи часто называют их красно цветными толщами. Их цвет обусловлен присутствием тонкозернистого окисленного железа в форме минерала гематита, который часто обволакивает, а иногда и цементирует кварцевые зерна песчаника. Красноцветные толщи часто разрабатывают с поверхности карьерами для получения строительного камня, что может подтвердить всякий, видевший Красный Форт в Старом Дели или соборы в Чичестере или Карлайле в северо-западной Англии. Красноцветные толщи старше 2,2-2,3 миллиарда лет нам неизвестны, очевидно в силу того, что до этого времени в атмосфере Земли не хватало кислорода для образования гематитового цемента. Еще раз стоит предостеречь, что могли существовать и другие причины этого отсутствия. Например, некоторые геологи указывали, что те типы среды, в которых отлагались красноцветные породы, могли еще не существовать в архее или раннем протерозое. Многие из красноцветных пород сложены осадками не морского происхождения, отложившимися на больших площадях континентов в засушливой обстановке, а небольшие континенты, типичные для самой ранней части геологической истории, были, возможно, неблагоприятны для отложения таких толщ. И тем не менее все же
Таким образом, даже несовершенные записи в геологической летописи протерозоя дают очень важные знания о путях развития земной атмосферы. Они показывают, что около двух миллиардов лет назад произошло отчетливое увеличение содержания кислорода в атмосфере. После этого времени уранинит и пирит уже не могли накапливаться в реках и прибрежных песках морских пляжей в виде угловатых зерен: они окислялись и разрушались. Железо, растворенное как из континентальных, так и из донных пород, быстро окислялось и осаждалось, и его большие количества, необходимые для образования полосчатых железистых толщ, уже не могли переноситься к морю или даже внутри моря. И по той же самой причине гематит получил возможность осаждаться из межгранулярной воды в песчаниках, образуя оболочки зерен и цемент, скрепляющий их, и создавая на протяжении всего оставшегося геологического времени мощные слоистые толщи красноцветных пород. Хотя отдельные геологические факты никогда не могут быть однозначными, их совокупное свидетельство очень убедительно. Подобно детективам геологи собирали кусочки, казалось бы, никак не связанных между собой фактов, которые, взятые в совокупности, показывают, вне всяких сомнений, подробности событий, происшедших более
КЛИМАТ ПРОТЕРОЗОЯ
В геологической летописи протерозоя имеется очень мало фактов, относящихся к его климату. Большая часть нашей информации о климате в последующие периоды геологической истории заключена в ископаемых остатках организмов, так как у нас имеется достаточно хорошее понимание типов среды, в которых процветали многие ископаемые организмы. В этом отношении редкие остатки организмов, живших в протерозое, в основном одноклеточные бактерии, дают мало информации. И тем не менее в некоторых породах протерозоя все же сохранились самые древние свидетельства оледенения, может быть, даже глобального.
Вывод о том, что некоторые типы осадочных пород являются результатом деятельности ледников, основан на принципе актуализма: отложения, связанные с современными ледниками, хорошо изучены и некоторые из их особенностей определяются вполне отчетливо. В древних породах Канады, около озера Гурон, имеющих возраст 2,3 миллиарда лет, встречаются тонкие прослои варвитов — очень мелкозернистых осадков, напоминающие годичные слои осадков, откладывающихся в ледниковых озерах. Типичные современные ленточные глины состоят из чередующихся пар слойков, отражающих годичный цикл, в которых один слоёк соответствует быстрому таянию льда и переносу осадка в летний период, а второй, более тонкозернистый, соответствует более медленному осаждению зимой. Хотя в протерозойских образцах пород затруднительно различить такие детали строения, эти породы почти несомненно представляют собой древние варвиты ледникового происхождения. Эти тонкозернистые слоистые осадки изредка содержат даже большие гальки или валуны — «дропстоуны» (dropstones), являющиеся характерной чертой ледниковой среды, в которой более грубый материал иногда переносится на плавающих льдинах и падает на дно потока вдали от своего источника в очень тонкозернистый в целом осадок. Ледниковые осадки приблизительно такого же возраста, как и найденные в Канаде, были обнаружены и в других частях Северной Америки, а также в Африке, Индии и Европе. Это указывает на глобальный характер оледенения и на то, что в течение определенного периода времени в начале протерозоя (длительность которого неизвестна) Земля была охвачена оледенением.
Хотя существует много районов земной коры, породы которых старше 2,3 миллиарда лет, нигде в них не обнаружены явные признаки более древних периодов оледенения. Это отнюдь не означает, что их нет, ибо наша летопись полна пробелов, и большая часть древних пород претерпела сильный метаморфизм, так что их историю трудно расшифровать. И все же имеющиеся факты позволяют предположить, что это оледенение, случившееся 2,3 миллиарда лет назад, является одним из первых крупных периодов глубокого охлаждения, которым подверглась Земля за свою историю, или по крайней мере после того, как начались первые записи в геологической летописи около 3,9 миллиарда лет назад. (Возможное промерзание океанов насквозь, о котором говорилось в главе 2, являлось событием совершенно иного порядка по своему масштабу, чем обсуждаемые здесь оледенения, и во всяком случае, даже если оно вообще произошло, это случилось задолго до начала геологической летописи, отраженной в горных породах.) Однако после раннепротерозойского оледенения климат, по-видимому, долгое время оставался вполне благоприятным для развития жизни. Нет никаких признаков оледенений и в последующие полтора миллиарда лет или около того. Далее внезапно наша геологическая летопись указывает ряд эпизодов, похожих на оледенения, в период приблизительно от 850 до 600 миллионов лет назад, в конце протерозойской эры. Эти последующие периоды также представляли собой явления глобального характера, поскольку на всех существующих континентах (за исключением, может быть, Антарктиды, большая часть которой в наше время покрыта льдом и недоступна для исследования) имеются признаки оледенения в течение этого периода. Хотя в конце протерозоя расположение континентов на Земле сильно отличалось от современного, широкое распространение следов оледенения указывает на то, что на большей части планеты, даже в низких широтах, царил холод. В конце протерозоя зимние каникулы в районе современного Карибского моря вряд ли доставили бы большое удовольствие.
ЭВОЛЮЦИЯ КОНТИНЕНТОВ
А что собой представляли континенты в протерозое? Выше уже отмечалось, что в начале архея они были небольшими и, вероятно, не очень похожими на современные материки. К концу архея уже существовали континенты большего размера, а к концу протерозоя их размеры и физическая природа были уже очень похожи на современные. От долгого периода протерозойской истории сохранилось много следов континентообразующих событий; они свидетельствуют о том, что происходившие тогда процессы не очень отличались от современных. Одним из наиболее документированных примеров этого может служить область Северной Канады, исследованная Полом Хоффманом из Геологической службы Канады.
Хоффман провел несколько летних полевых сезонов, картируя породы, выходы которых распространены на Северо-западных территориях Канады. На обширной территории, простирающейся от северных берегов материковой части Канады до Большого Невольничьего озера на юге, он распознал и нанес на карту остатки протерозойского цикла эрозии, осадконакопления и горообразования (рис. 4.2). Протерозойские горы уже давно смыты, и современный ландшафт отличается пологим, сглаженным рельефом и однообразием. Но у него своеобразная дикая красота и, что лучше всего для геолога, большая часть его почти лишена растительности, выходы горных пород хорошо обнажены и готовы рассказать свою повесть.
Но как же возможно собрать по кусочкам — обнажениям горных пород — историю, которая произошла здесь более двух миллиардов лет назад? Мы уже мельком взглянули на этот процесс реконструкции истории Земли при обсуждении происхождения атмосферного кислорода, но чтобы подробнее познакомиться с этим предметом, потребовалась бы отдельная книга. Интерпретация геологических данных требует глубокого понимания геологии, а также большого опыта анализа полевых данных. Но некоторые из основных элементов этой работы весьма просты и, в сущности, основаны на обычном здравом смысле. Возьмем, например, время. Более подробно об этом будет говориться в следующей главе, но и так вполне очевидно, что время, особенно в отношении возраста пород и скорости различных геологических процессов, является критическим фактором, определяющим понимание геологической истории определенной территории. По крайней мере относительное время, то есть вопрос о том, является конкретная порода или толща пород более молодой или, наоборот, более древней, чем ее соседи, часто решается очень просто. Например, в последовательности каких-либо осадочных образований более древние образования (слои) обычно располагаются в: нижней части разреза через толщу пород, а самые молодые — в его верхней части. Для других пород ключом к пониманию их относительного возраста являются пересечения пород. Например, если тело изверженной породы или поверхность сброса пересекает толщу другой породы, то они, очевидно, моложе самой толщи. Эти примеры могут показаться очень упрощенными, но применение именно такого подхода часто позволяет определить относительный возраст пород даже в очень сложных ситуациях (рис. 4.1). Только после того, как выполнена эта задача, оказывается возможной реконструкция действительной последовательности геологических событий.
Рис. 4.1. Геологический разрез может содержать огромное количество информация, хотя установление временных соотношений между различными геологическими телами подобно разгадыванию головоломки. Попробуйте-ка решить эту. Фактическая последовательность событий обозначена буквами следующим образом: А — отложение осадков, затем их метаморфизм и складкообразование; В — внедрение гранитной магмы в метаморфизованные осадки; С — образование эрозионной поверхности на элементах А и В путем выветривания на поверхности (это говорит о том, что А и В должны были претерпеть поднятие, поскольку и метаморфизм А и интрузия В произошли в глубинах земной коры); D — F — отложение слоев осадков из какого-то водного бассейна; G — образование разлома со смещением (обратите внимание, что разлом не пересекает элементы моложе F и в настоящее время не является активным); Н — вторая эрозионная поверхность (обратите внимание, что, поскольку элементы D, Е и F, подобно всем осадкам, залегали горизонтально при своем образовании, вся область была наклонена перед тем, как подверглась эрозии. Между F и I мог пройти очень большой промежуток времени); I — К — дальнейшее отложение осадочных толщ; L — внедрение тела изверженных пород вероятно, того, что питало потоки лавы на поверхности, которые в дальнейшем были эродированы; М — современная дневная поверхность, сформированная эрозией.
Рис. 4.2. Пол Хоффман из Геологической службы Канады закартировал протерозойские толщи пород, расположенные вдоль западного края архейского континентального фрагмента в Северной Канаде (верхняя карта). Хотя эти осадочные породы в настоящее время разбиты разломами и метаморфизованы, Хоффман смог реконструировать последовательность образования осадочных толщ (нижняя схема), которая показывает, что осадки сносились с расположенного восточнее континента и накапливались вдоль его края. Затем, позднее, с запада начал появляться вулканический материал, указывающий на приближение (которое в конце концов привело к столкновению) другого континента и/или островной душ. Заимствовано с изменениями из рисунков 10-1 и 10-4 в книге: С. М. Стэнли «Земля и жизнь сквозь время», 2-е изд. Авт. право © 1989, «В. X. Фримэп и Компания».
Но вернемся к протерозойским породам Северной Канады. Хоффман обнаружил, что исследуемый им регион в начале протерозоя представлял собой край континента и являлся источником материала для образования морских осадков, богатых кварцем (рис. 4.2). Кварцевый песок является хорошим признаком существования где-то рядом древнего континента: при выветривании гранита — типичной породы континентальной коры — освобождается масса зерен кварца. Большая часть других минералов гранита либо растворяется, либо превращается во что-то другое, например, в глину. Белые пески тропических островов (большая часть которых представляет собой окаймленные кораллами вулканы, которые отличаются по составу от песков континентов) могут показаться похожими на пески пляжей Калифорнии или Испании, но они состоят не из зерен кварца, а из кусочков кораллов. Богатые кварцем протерозойские песчаники, закартированные Хоффманом, показывают, что источник континентальных осадков находился восточнее, а океан располагался западнее, по крайней мере с точки зрения современной географии. Ориентировка континентов относительно стран света в протерозое могла быть совершенно иной, чем сейчас. Но на самом верху осадочного разреза — следовательно, в более позднее время — появляются слои других осадков, содержащие материал вулканического происхождения. В отличие от кварцевых песков источник материала для вулканических (точнее, вулканогенных) осадков располагался западнее, со стороны моря. Как это могло быть? До появления в науке теории тектоники плит подобные загадки разрешались с помощью предположения, что где-то в море должен был существовать «исчезнувший» материк. Сейчас мы понимаем, что далее в сторону моря от континентального края действительно была суша, но на основании современного знания мы можем предположить, что источником вулканогенных осадков могла быть, вероятно, группа вулканов, весьма похожих на вулканы Алеутских или Марианских островов, которая в результате движения плиты приблизилась к древнему континенту и в конце концов столкнулась с ним. В наше время на Северо-западных территориях отсутствует какой-либо эквивалент протерозойского океана — западный край Северо-Американского континента находится более чем за тысячу километров. Этот пример никоим образом не является уникальным. Столкновения между материковыми массами, при которых образуется скрепляющий их шов в виде горной цепи, а иногда и обратный процесс раскола континента
и отделения его частей привели к современной конфигурации границ суши и моря. Северная Америка, один из крупнейших континентов, является типичным примером; во многих отношениях он напоминает лоскутное одеяло, собранное из обломков совершенно разного происхождения.
Нарисованная выше картина происхождения пород Северо-западных территорий Канады — первые песчаники, образовавшиеся из песков, отложившихся вдоль окраины континента из расположенного восточнее источника, затем вулканические осадки с запада — является очень упрощенной. В действительности эти породы были метаморфизованы, смяты в складки и рассечены многочисленными разломами. Все это чрезвычайно затруднило реконструкцию их первоначального расположения. Складкообразование, разломы и смещение пород вдоль них, да и метаморфизм — все это почти несомненно было следствием движения континентальных и вулканических блоков, которое сопровождалось эпизодом горообразования. Эта территория во всех своих геологических аспектах — тип складчатости, полосы метаморфических пород, протягивающиеся параллельно древним береговым линиям, типы и последовательности (серии) пород — напоминает современные области столкновения тектонических плит и горообразования. Но, как уже отмечалось выше, в наше время на этой территории Канады горные цепи отсутствуют, сейчас это почти плоская страна с сильно сглаженным рельефом. И опять нам напомнили, что по шкале геологического времени Земля — очень динамичное место.
В горных районах эрозия сносит от 1 до 1,5 метра разрушенного материала горных пород каждые тысячу лет. При такой скорости даже Эверест оказался бы смытым до уровня моря за 5-8 миллионов лет. Но, однако, дело обстоит не так просто, поскольку, по мере того как гора размывается эрозией, ее склоны становятся более пологими и вследствие этого скорость эрозии уменьшается. Частью по этой причине гора Эверест и остальные Гималаи будут еще существовать (хотя и станут более пологими) гораздо дольше, чем следует из современной средней скорости эрозии. Но еще большее значение имеет тот факт, что горы немного похожи на корабли, плавающие в океане: если убрать часть груза, корабль несколько всплывет над уровнем моря. Точно так же, по мере того как горные породы разрушаются и их материал уносится эрозией, земная кора чуть-чуть «всплывает» из лежащей ниже мантии. Если эрозия уносит один метр породы, то ответом Земли на уменьшившийся вес коры будет ее поднятие, таким образом, фактическое уменьшение высоты коры составит всего около 20 сантиметров. По этой причине для того, чтобы типичная большая горная страна была смыта до уровня моря, потребовалось бы, вероятно, от 50 до 60 миллионов лет, хотя это и не особенно долгий срок в масштабах геологического времени. Скалистые горы, Альпы или Гималаи — все они в конце концов исчезнут, но все они оставят память о себе и об истории своего образования и разрушения в толщах сохранившихся пород.
Событие, в результате которого возник ныне исчезнувший горный хребет в Северо-западных территориях Канады, произошло около 1,9 миллиарда лет назад. Но это было лишь одно из многих таких столкновений плит. Уже 1,6 миллиарда лет назад, почти в середине протерозойской эры, большая часть плиты, составляющей сейчас Северную Америку, была собрана из более мелких фрагментов в сверхконтинент, который геологи, изучавшие эти породы, назвали Лаврентия. Пол Хоффман написал работу об этом процессе и озаглавил ее «Соединенные плиты Америки». Этот среднепротерозойский сверхконтинент включал также Гренландию, северную часть Британских островов, а также куски Скандинавии и северной России.
В других частях мира происходили сходные события. Большинство современных континентов содержит мелкие фрагменты архейской коры, спаянные с другими архейскими и протерозойскими фрагментами в зонах столкновения плит. Вполне возможно, хотя пока и не доказано, что практически все современные континенты в конце протерозоя соединялись между собой, образуя один поистине гигантский континент. Часть данных о нем связана с поясом метаморфических пород, который протягивается вдоль восточной части Северной Америки от полуострова Лабрадор до Мексиканского залива. Возраст этих пород колеблется между 1,2 и 1,0 миллиардом лет. В совокупности их называют провинцией Грэнвиль (рис. 4.3). Они выходят на поверхность в восточной Канаде и в Аднрондакских горах штата Нью-Йорк, но присутствуют также под покровом осадочных пород на протяжении большей части Восточных Штатов. Породы провинции Грэнвиль являются памятником мощного столкновения между двумя крупными континентами, из которых нынешняя Северная Америка располагалась на западе, а то, что сейчас составляет Южную Америку, — которая сама была соединена с большинством других континентов, — на востоке. Этот брак между Северо-Американским континентом и другим большим континентом длился несколько сот миллионов лет, пока они снова не начали отходить друг от друга около 800 миллионов (0,8 миллиарда) лет назад — все еще в протерозое. Их раздвиг оставил полосу Грэнвильских пород вдоль восточного края Северной Америки. Как мы увидим в главе 8, еще одна полоса континентальной плиты присоединилась к Северной Америке даже еще позднее, в результате процесса, весьма похожего на тот, который образовал провинцию Грэнвиль. Эта полоса называется сейчас Аппалачскими горами. Все эти различные фрагменты коры, которые сейчас составляют Северо-Американский континент, показаны в виде карты на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Обобщенная возрастная карта Северной Америки, составленная на основе многих сотен конкретных определений абсолютного возраста пород, показывает, что континент состоит из нескольких крупных кусков коры и в общем смысле становится все моложе изнутри наружу. Как провинция Грэнвиль, так и Аппалачская провинция хранят в своем геологическом строении эпизоды горообразования гималайского типа, когда крупные континенты, располагавшиеся восточнее, столкнулись с Северной Америкой, чтобы снова отколоться в более позднее время. Большая часть материала, добавленного во время этих столкновений, сохранилась в виде осадочных пород, фрагментов вулканических островных дуг или частей морского дна, которые изначально разделяли сближавшиеся континенты, хотя отдельные части сталкивающихся материков иногда сохранялись после того, как эти материки позднее разделились. Рис. 8.2 показывает, как этот процесс мог действовать при формировании Аппалачских гор. Темно-серого цвета структура в форме конского копыта, простирающаяся через большую часть Озера Верхнего, — это несостоявшийся протерозойский рифт, который обсуждается в тексте.
Отметим, что собирающийся из кусков Северо-Американский континент так и не пережил протерозойскую эру нетронутым. На рис. 4.3 виден большой шрам континентальной коры в форме конского копыта, протянувшийся дугой через район Великих Озер с двумя ветвями, или руками, направленными на юг, в центр континента. Это рифт, след незавершенного разделения континентов, случившегося между 1,3 и 1,2 миллиарда лет назад. Хотя этот рифт сейчас заполнен более молодыми породами, он четко определяется по типам пород, которые встречаются в нем. Это базальты — характерная особенность тех мест, где кора разрывается и расходится в стороны, и осадки характерного состава, заполняющие рифтовые долины. В некоторых местах, например вокруг озера Верхнего, эти породы выходят на поверхность, в других местах они погребены и отмечаются в керне буровых скважин. Кроме того, поскольку базальтовые породы рифта имеют высокую плотность и высокое содержание железа, их наличие сильно отражается на характере как гравитационного, так и магнитного полей. Поэтому местоположение и границы рифта можно определить по результатам геофизических работ, проведенных на поверхности, — даже в тех местах, которые целиком закрыты позднейшими осадками. Как же мог образоваться этот огромный рифт, протянувшийся почти на 2000 километров в длину и местами более чем на 100 километров в ширину и содержащий огромные объемы базальтовых лав? Почти несомненно, он возник в результате воздействия столба горячего вещества, внедрившегося из мантии и пронзившего континентальную кору Северо-Американского континента. В наше время такие столбы горячего вещества мантии, поднимающиеся со дна океанов, являются причиной мощного вулканизма Гавайских островов и Исландии. Более подробно о них рассказывается в следующей главе. Однако Северная Америка оказалась слишком пластичной, чтобы расколоться под воздействием даже столба раскаленных пород, поднявшегося из мантии, и даже оставшись со шрамом, она все же избежала раскола на части.
ПРОТЕРОЗОЙСКОЕ БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЦАРСТВО
Насколько нам вообще известно, в течение большей части протерозойской эры на фоне образования континентов, их столкновения и раскола на части в биосфере — этом царстве живых существ — произошло удивительно мало изменений. Даже в начале кембрийского периода континент отнюдь не были раем для развития жизни. Хотя уже существовали морские водоросли, а на континентах, возможно, жили даже некоторые примитивные многоклеточные организмы, поверхность суши была почти совсем пустынной и бесплодной по сравнению с нашим временем.
В предыдущей главе мы узнали, что уже в архее существовали одноклеточные организмы, от которых сохранились редкие остатки. По-видимому, это были бактерии и цианофиты (известные также как сине-зеленые водоросли) — клетки, не имеющие ни ядра, ни других важных внутриклеточных структур, свойственных более развитым формам жизни. Их называют
что они являются, по-видимому, самыми характерными ископаемыми остатками протерозоя. Вплоть до середины протерозойской эры прокариоты были, пожалуй, единственными обитателями морей. Но затем случилось нечто удивительное. В настоящее время все согласны с тем, что следующий шаг к развитию сложных организмов, а именно
Удивительно, что даже после появления эукариотных клеток не произошло немедленного взрывного развития многоклеточных животных. На это потребовалось много сотен миллионов лет — гораздо больше, чем прошло от появления на Земле динозавров до наших дней. Несколько ископаемых организмов, являющихся, по-видимому, многоклеточными водорослями, обнаружены в породах возрастом в 1,3 миллиарда лет, но в породах старше 1 миллиарда лет никаких следов многоклеточных животных не найдено. И даже после этого времени дальнейшее развитие было чрезвычайно медленным вплоть до «Кембрийского взрыва», описанного в одной из последующих глав. Почему же для развития на Земле сложных форм жизни потребовалось так много времени? Этот вопрос ставил в тупик даже Дарвина, хотя он не осознавал, насколько в действительности огромен был промежуток времени до кембрия. Он продолжает озадачивать ученых, которые изучают развитие жизни на Земле. Конечно, частично ответить на этот вопрос можно, если вспомнить неполноту ископаемых остатков для докембрийского времени. В то время организмы еще не развили твердых минерализованных частей тела — вроде зубов, щитков, скелетов, которые защищают организм от хищников и довольно хорошо сохраняются в породах. Во всех известных случаях докембрийские организмы не имели твердых частей. В сущности, до самых 1950-х годов палеонтологами не было открыто
Глава 5.
ТАНЕЦ ПЛИТ
Лет тридцать или сорок тому назад некоторые идеи, высказанные в предыдущей главе, в частности, мысль о том, что в течение протерозоя континенты раскалывались и расходились в стороны или спаивались вместе, многим геологам показались бы просто скандальными. Сегодня такие описания принимаются как должное. В последние годы развитие теории тектоники плит полностью изменило представление геологов о Земле. Прежде чем продолжить наше путешествие по геологической истории, стоит коротко рассмотреть эволюцию самой тектоники плит и наше современное представление о движении континентов по поверхности Земли.
Большинство людей, вдумчиво рассматривавших карту мира, в центре которой обычно располагается Атлантический океан, замечали, что, если его удалить, контуры его береговых линий совпали бы. Несмотря на тот факт, что тысячи людей должны были заметить эту особенность, лишь в начале двадцатого века стали серьезно обдумывать последствия этого наблюдения. Именно тогда Альфред Вегенер, немецкий метеоролог, стал собирать и изучать сведения о флоре и фауне континентов, разделенных Атлантическим океаном. Он также тщательно исследовал все, что было тогда известно об их геологии и палеонтологии, о найденных на них ископаемых остатках организмов. Проанализировав полученные данные, Вегенер пришел к неизбежному выводу, что различные континенты, включая Южную Америку и Африку, в далеком прошлом составляли одно целое. Он открыл, например, что некоторые черты геологического строения Южной Америки, которые резко обрываются береговой линией Атлантического океана, имеют как бы продолжение в Африке, и когда он, вырезав из карты, сдвинул эти континенты навстречу друг другу, как кусочки гигантской головоломки, то геологические особенности этих континентов совпали, как бы продолжив друг друга. Он также обнаружил, что существуют геологические признаки древнего оледенения, охватившего примерно в одно и то же время Австралию, Индию и Южную Африку. Он также обнаружил, что можно совместить эти континенты таким образом, что районы их оледенений образовали бы единую площадь. В 1915 году он опубликовал (в Германии) книгу, озаглавленную «Происхождение континентов и океанов», в которой очень подробно рассмотрел эти доказательства и выдвинул свою теорию «континентального дрейфа». И все же, несмотря на массу собранных геологических данных, Вегенер проглядел многие важные детали и весьма вольно отбирал факты в поддержку своей гипотезы. Частью по этой причине его гипотезу не приняли в то время всерьез. Более того, выдающиеся физики того времени объявили, что внешние части Земли слишком жестки, чтобы позволить континентам дрейфовать подобно кораблям в море. В частности, они указали, что те силы, которые призвал Вегенер, чтобы передвигать континенты, — центробежные силы, возникающие в результате вращения Земли вокруг своей оси, — слишком слабы для такой работы. Идеи Вегенера «пошли ко дну» из-за отсутствия подходящего механизма: было сказано, что без подходящей движущей силы дрейф континентов невозможен.
И все же Вегенер был на правильном пути. Пускай и не совсем так, как он предполагал, но континентальный дрейф оказался реальностью. Как и предполагал Вегенер, Африка и Южная Америка действительно в древности соединялись друг с другом. По крайней мере один раз за всю историю Земли все современные континенты соединялись, образуя один сверхконтинент, который протягивался от полюса до полюса. Континентальный дрейф Вегенера рассматривается в учебниках геологии, его преподают в институтах, он образует фундамент многого из того, что сейчас понято в механизмах работы Земли. Сегодня это называется тектоникой плит.
ФАКТЫ» ДОБЫТЫЕ С ОКЕАНСКОГО ДНА
Возрождение идей Вегенера в виде теории тектоники плит произошло главным образом в результате исследований океанского дна, выполненных в 1950-е и 1960-е годы. Во время и после Второй мировой войны Военно-Морской флот США был очень заинтересован в том, чтобы узнать об океанском дне как можно больше. Геологи и геофизики с готовностью включились в эту работу — одни, возможно, из патриотических побуждений, но многие потому, что увидели в интересе Флота золотую возможность узнать больше об океанском дне. В то время это был передовой край науки, ведь дно океанов было практически неведомой территорией. Даже в более позднее время многие геологи любили говорить, что мы больше знаем об обращенной к нам поверхности Луны, чем о морском дне. Флотское начальство оказалось щедрым, и океанографические исследования быстро расширялись. Результаты их по большей части были засекречены, но сделанные открытия подтолкнули науку о Земле к новому и более качественному пониманию протекающих в Земле процессов.
Одним из поразительных результатов интенсивного исследования дна океанов стали новые знания о его топографии. Конечно, кое-какая информация, собранная за долгую историю морских путешествий, уже имелась. Самые первые измерения производились очень просто — бросали за борт измерительный трос (лот) и отмеряли длину вытравленного троса, но эти данные были ограничены мелководными, прибрежными районами моря, где в основном было сосредоточено мореходство. Появившиеся на кораблях в 20-х годах эхолоты были еще очень несовершенны и широко распространились значительно позже. Именно с их помощью в 1950-е и 1960-е годы была собрана обширная информация об океанском дне. Проведенные тогда измерения позволили определить с высокой точностью продолжительность времени, необходимого для прохождения звукового импульса от корабля до морского дна и обратно. Так как скорость звука в морской воде хорошо известна, то по времени прохождения звукового импульса легко вычислить глубину моря. Вся прелесть эхолота заключается в том, что он может работать непрерывно, день и ночь, независимо от того, что делает корабль. В каждой океанографической экспедиции эхолот работал постоянно; в результате стали проясняться детали строения океанского дна.
Сегодня гораздо легче картировать топографию океанского дна — это можно сделать с помощью спутников, даже не посылая корабли в море. Спутники очень точно измеряют «высоту» морской поверхности. После того как учтено влияние приливов и волн и введены соответствующие поправки в исходные измерения, появляется удивительная картина. Различия в уровне моря от места к месту в точности отображают топографию морского дна. Это объясняется тем, что мелкие вариации земного притяжения, обусловленные рельефом дна, — например, избыточная масса крупного вулкана или, наоборот, дефицит массы из-за наличия глубокого рва — влияют на уровень поверхности моря над ними. Эта сравнительно новая технология позволила обнаружить некоторые особенности дна, которые были неразличимы при исследовании с кораблей.
Но вернемся к информации о топографии морского дна, собранной океанографическими кораблями в 50-х и 60-х годах. Скоро после начала работ стало совершенно ясно, что дно океанов по своему рельефу и другим особенностям отнюдь не так однообразно, как это представлялось. По общему мнению, глубокие моря рассматривались как геологически спокойные, не подверженные изменениям места, где с начала времен слой за слоем откладывались тонкий ил и другие осадки, смываемые с континентов. Лишь немногие исследователи пробовали глубже задуматься над этой картиной, поскольку если бы она была верна, то количество накопившихся в океане осадков было бы огромно. Однако по мере поступления материала об океанском дне стало очевидно, что вместо плоского, лишенного каких-либо особых примет дна глубоких морей, прикрытого покровом осадков, на нем обнаружились огромные хребты, глубокие рвы, крупнейшие вулканы и крутые обрывы. Науке был брошен вызов, необходимо было немедленно разобраться, каким образом могли возникнуть такие особенности морского дна.
Многие из читателей, вероятно, видели популярные карты мира, впервые изданные Национальным географическим обществом, на которых показан рельеф не только суши, но и дна морей и океанов. Хотя они до некоторой степени идеализированы, наиболее бросающейся в глаза особенностью этих карт являются огромные хребты, или поднятия, выступающие над средним уровнем дна. Уже говорилось о том, что если бы из океанов удалить воду, то именно эти черты рельефа Земли были бы в первую очередь заметны при взгляде из космоса. Особенно выделяется на картах горный хребет, протянувшийся по оси Атлантического океана, что частично обусловлено тем, что этот океан обычно расположен на картах в центре. Срединно-Атлантический хребет рассекает океан точно посредине, повторяя все выступы и впадины береговой линии на каждой его стороне, и таким образом грубо рассекая карту на две половины. В среднем он возвышается приблизительно на 2,5 километра над наиболее глубокими частями океана, расположенными к западу и к востоку от него; на большей части его протяжения как раз по осевой линии проходит рифт, то есть ущелье или долина с крутыми склонами. В северной части Атлантического океана. Срединно-Атлантический хребет поднимается над поверхностью океана, образуя остров Исландию.
Хребет, рассекающий Атлантику, является фактически лишь частью более или менее непрерывной системы хребтов, которая протягивается через все океаны. Она окружает антарктический континент, протягивается двумя ветвями в Индийский океан и до Аравийского моря. Она изгибается вдоль берегов восточной части Тихого океана и, кажется, заканчивается тупиком недалеко от нижней Калифорнии в Мексике, но затем небольшой сегмент ее появляется снова у берегов северо-западной части Соединенных Штатов и Британской Колумбии. Каково происхождение этой системы океанических хребтов, являющихся такой заметной особенностью Земли? Почему она не оказалась погребенной под покровом осадков, вынесенных из континентов? И какую связь она имеет с дрейфом континентов и тектоникой плит?
Наблюдение, которое, как считается, породило вспышку интуиции, прояснившей происхождение системы океанических хребтов и в конце концов приведшее к разработке теории тектоники плит, пришло из совершенно неожиданного источника, а именно из исследования магнитных свойств пород океанического дна. В своих попытках узнать как можно больше о морском дне геофизики в числе других показателей измеряли магнитные поля вдоль многочисленных маршрутов экспедиционных кораблей. Было уже известно, что горные породы, содержащие магнитные минералы, могут несколько изменять земное магнитное поле над ними, а на континентах измерения интенсивности магнитного поля проводились с целью поисков полезных ископаемых и для решения задач геологического картирования. Многие промышленные месторождения полезных ископаемых содержат в высоких концентрациях магнитные минералы; их присутствие создает характерные аномалии регионального магнитного поля. Следует отметить, что на континентах структура магнитного поля обычно очень сложна, в соответствии со сложной геологией. В противоположность этому, когда впервые позади океанологических кораблей стали буксировать магнитомеры, было обнаружено, что рисунок магнитных аномалий на дне океанов, отражающий магнитные свойства пород океанского дна, отличается замечательной закономерностью. Это наблюдение впервые было сделано учеными из Института океанографии Скриппса; оно весьма их озадачило. Когда они проводили морскую магнитную съемку в районе северо-западного побережья Соединенных Штатов еще в 1950-е годы, оказалось, что узоры магнитных карт, которые они получили, резко отличались от всего, что они видели на континентах. В конце концов был сделан вывод, что закономерный рисунок локальных магнитных аномалий был, вероятно, каким-то образом связан с довольно правильным рисунком рельефа морского дна в этом районе с характерным чередованием удлиненных параллельных низкогорий и долин. Однако эта гипотеза продержалась очень недолго. Проведенная в 60-х годах воздушная магнитная съемка на территории Атлантического океана как раз к югу от Исландии принесла поразительные, ставшие с тех пор классическими, результаты. В серии параллельных маршрутов, пересекающих ось Срединно-Атлантического хребта, ученые из Геологической обсерватории Ламонта из Колумбийского университета обнаружили, что узоры магнитного поля над морским дном изменяются симметрично относительно осевой линии хребта. Более того, они нашли, что график изменения магнитного поля вдоль маршрута, пересекающего хребет, был на разных маршрутах в основном одинаков. Когда эти данные (то есть местоположения точек замера и измеренные значения интенсивности магнитного поля) были нанесены на карту и проведены изолинии (линии равных значений характеристик магнитного поля), то они образовали полосатый зеброподобный узор на карте интенсивности магнитного поля, напоминающий узор, открытый учеными Института Скриппса в северо-восточной части Тихого океана, но отличающийся от последнего явной симметрией (рис. 5.1). И в этом случае поражал контраст с характером поля над континентами. По мере дальнейшего накопления данных становилось все более ясно, что эта симметрия узора магнитного поля встречается
Когда изверженные породы охлаждаются из исходного расплавленного состояния, некоторые железосодержащие минералы, образующиеся в них, магнетизируются земным магнитным полем. Это выглядит так, словно сами минералы содержат крохотные магнитные стерженьки — наподобие компасных игл, — и все они ориентируются одинаково под воздействием окружающего магнитного поля Земли. Эта магнитизация является непрерывным во времени процессом; таким образом, график магнитного поля вдоль маршрута, пересекающего хребет, является как бы ископаемой записью изменений магнитного поля во время образования пород разных частей графика. Эта запись оказывается весьма стойкой и сохраняется в течение долгого времени. Геолого-геофизические съемки вдоль маршрутов, ориентированных перпендикулярно простиранию Срединно-Атлантического хребта, показали, что породы, находящиеся точно над осью хребта, сильно намагничены в направлении современного магнитного поля, как и следовало ожидать. Но симметричный зеброобразный узор магнитного поля, по-видимому, указывает, что морское дно намагничено по-разному в разных полосках, параллельных протяжению хребта. Некоторые из этих полос намагничены нормально, подобно полоскам, лежащим на оси хребта: направление их намагниченности соответствует ориентировке современного магнитного поля Земли. Но они чередуются с полосками, намагниченными противоположным образом, как если бы в то время, когда эти полосы возникали, северный и южный полюсы Земли поменялись местами.
Земное магнитное поле имеет строение так называемого диполя, то есть подобно полю, которое получилось бы, если бы в немагнитную Землю вставить гигантский магнитный стержень. В то время, когда проводились первые магнитные съемки морского дна, у большинства ученых не было никаких оснований полагать, что в геологическом прошлом магнитное поле Земли очень отличалось от современного. Однако приблизительно в это же время исследования намагниченности горных пород на континентах обнаружили загадочное явление. Было установлено, что в некоторых районах, в которых накопились мощные толщи базальтовых потоков, большая часть потоков имеет направление намагничивания, соответствующее ориентировке изолиний земного магнитного поля, но в других потоках направление намагничивания оказалось прямо противоположным. Первоначально полагали, что причиной этого явления был какой-то вторичный процесс, но когда аналогичная последовательность лавовых потоков с прямой и обратной намагниченностью была обнаружена в нескольких различных местностях, ученые поняли, что
Рис. 5.1. Магнитный узор морского дна южнее Исландии (верхняя схема) напоминает ряд полос зебры и состоит из чередующихся полос нормального (черное) и обращенного (белое) намагничения, располагающихся параллельно простиранию Срединно-Атлантического хребта. Во время своего излияния вдоль хребта и последующего затвердевания базальт намагничивается под воздействием магнитного поля Земли и затем расходится в стороны от разлома, как показано схематически на нижней части рисунка. На карте магнитных свойств морского дна видны только более долгие промежутки времени между обращениями полярности. Предполагаемое положение хребта, пересекающего Исландию, показано более крупным узором на сером фоне. Составлено по рисунку 1 из статьи Дж. Р. Херцлера, Кс. Ле Пишона и Дж. С. Бэррона в журнале «Глубоководные исследования» (Deep Sea Research), том 13, стр. 428 (1966). Использовано с любезного разрешения компании Элснвир Сайенс Лимитед. The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, OXSIGB, U.K.
Эти наблюдения убедили большинство геологов, что раздвиг морского дна в стороны от океанических разломов — это реальность. Новая океаническая кора образуется лавой, непрерывно поступающей с глубины в осевых частях океанических хребтов. Магнитный узор пород морского дна симметричен по обе стороны оси хребта потому, что вновь поступившая порция лавы намагничивается при своем застывании в твердую породу и равномерно расширяется по обе стороны от срединного разлома. Морское дно, таким образом, работает, как гигантский магнитофон, точно записывающий смену направления напряженности земного магнитного поля (рис. 5.1). Поскольку даты различных обращений были известны в результате анализа горных пород на суше, магнитные полосы океанского дна можно было использовать как метки. Скорость возникновения новой порции морского дна можно очень просто рассчитать, измерив расстояние от центра — точнее, оси хребта, где возраст морского дна всегда равен нулю, к полосам, соответствующим различным датированным обращениям поля. Геологи называют эти магнитные полосы магнитными аномалиями и для удобства ссылок на них дали им номера. Для тех, кто с ними работает, эти аномалии стали добрыми друзьями. «Ага, это похоже на Аномалию 29Р!» (буква Р обозначает обращенную, то есть с обратным направлением намагниченности, a N — аномалию с нормальным, соответствующим современному направлению поля).
Хотя скорость образования морского дна и варьируется от места к месту, ее величина, вычисленная по магнитным аномалиям, составляет в основном несколько сантиметров в год. Она примерно соответствует скорости роста ваших ногтей — не так уж быстро, но в то же время заметно, если время от времени будете забывать подстригать их. Континенты, расположенные по разные стороны Атлантического океана, с этой скоростью движутся в разные стороны, отдаляясь друг от друга, что объясняет, почему океаны не заполнены доверху осадками: в геологическом смысле они очень молоды. Хотя несколько сантиметров в год — это действительно очень медленно, весь Атлантический океан при такой скорости мог образоваться за двести миллионов лет, не так уж много по геологическим меркам. На самом деле дно любого из существующих мировых океанов не намного старше. По сравнению с континентами породы океанского дна просто младенцы.
По обе стороны Атлантического океана континенты прочно прикреплены к породам океанского дна. Они расходятся в стороны со скоростью, зависящей от скорости образования новой порции морского дна на оси Срединно-Атлантического хребта. В силу этого механизма возражения физиков против вегенеровского понимания континентального дрейфа оказываются, в сущности, недействительными, поскольку континенты в своем движении не пропахивают себе путь через твердые породы океанского дна; и континенты и океаническая кора движутся вместе, как одно целое, являясь частями одной литосферной плиты (рис. 1.2 и 5.2).
ТЕКТОНИКА ПЛИТ
Существование узора магнитных аномалий морского дна и понимание описанного выше процесса их образования окончательно решили проблему континентального дрейфа. Этот термин был быстро заменен в равной степени описательным, но более точным выражением «раздвиг морского дна». 1960-е годы были трудным временем для геологов — развитие идей о расширении морского дна и его последствий некоторые называли даже революцией и сравнивали с подъемом в физике, вызванным появлением теории относительности и квантовой механики. Все следствия факта раздвига морского дна были быстро выведены как теоретиками, пытавшимися объяснить этот процесс математически, так и экспериментаторами, которые, используя все более изощренные приборы, проводили измерения с целью проверки математических теорий. Многие еще недавно малопонятные явления вдруг стали казаться совершенно естественными в контексте теории раздвига дна океанов. Вскоре после этого и раздвиг морского дна, и дрейф континентов были вписаны в более широкую и далеко идущую теорию, которая получила название теории тектоники плит.
Что же в сущности представляет собой эта теория плит и почему ей уделяется столько внимания в науке о Земле? На самом простейшем уровне это как бы глобальная рама, или основа, в которой протекают почти все геологические процессы нашего времени, и с помощью которой можно понять большую часть истории Земли. Конечно, есть еще много деталей, которые нельзя объяснить с помощью тектоники плит, но пока неясно, вытекает это из недостатков самой теории или мы просто не до конца понимаем все процессы. Тем не менее в общем и целом теория тектоники плит является очень мощным инструментом, облегчающим наше понимание того, как работает Земля.
Слово «тектоника» происходит от греческого «тектон», означающего «строитель» или «плотник». Плитами в тектонике плит называют куски литосферы, то есть сравнительно жесткой внешней оболочки Земли, которая в среднем простирается на глубину до 100 километров (рис. 1.2), хотя местами бывает толще или тоньше. В настоящее время различают десять плит среднего и большого размера и значительно больше «микроплит» (рис. 5.2). Как отмечалось выше, по поверхности Земли движутся не континенты, а литосферные плиты. Континенты и океаны — это только попутные пассажиры. Плиты могут перемещаться в силу того, что внутренняя часть Земли имеет высокую температуру и может пластически деформироваться и течь. Трудно представить себе, чтобы обычные породы вели себя так пластично, но полезно вспомнить, что другие твердые вещества, которые мы в повседневной жизни считаем хрупкими, также становятся текучими, если их подвергнуть умеренным давлениям в течение длительного промежутка времени, например, лед ледников. Основание плит находится на такой глубине, где породы пребывают практически в диапазоне своей температуры плавления и трение между относительно жесткой литосферой и подстилающей ее мантией почти минимально.
Механизм движения плит, их действительная движущая сила все еще до конца неизвестны. Но это больше не является поводом для осмеяния, как было во времена Вегенера. Мы знаем, что плиты действительно перемещаются; мы можем даже, чтобы доказать этот факт, с помощью спутников достаточно точно измерить, как изменяется расстояние между двумя точками на разных плитах и даже определить скорость перемещения плит.
Мы знаем также, что требующаяся для движения плит энергия исходит в конечном итоге из самой Земли, как вследствие ее продолжающегося охлаждения из первоначального горячего состояния, так и от тепла, создаваемого в результате радиоактивного распада урана и тория, распределенных во всей массе Земли. Это тепло переносится к поверхности путем медленной, происходящей в твердом состоянии конвекции и в конце концов рассеивается в космическом пространстве. Сцепление между горячей, конвектирующей мантией и более холодной жесткой литосферой тоже, вероятно, частично обусловливает движение плит.
Большая часть геологического представления происходит у границ между плитами. Сюда входят вулканизм, землетрясения, горообразование, метаморфизм и даже образование многих типов промышленно важных месторождений полезных ископаемых. Но не все края плит ведут себя одинаково. Рисунок 5.2 показывает, что в одних местах плиты расходятся в стороны, в других они сталкиваются, а в некоторых местах они просто скользят друг мимо друга. Поскольку не существует никакой независимой системы отсчета для изучения движения плит, нам известны только их относительные движения. Можно, конечно, стать на краю какой-нибудь плиты и определить, движется ли соседняя с ней плита в нашу сторону или от нее, но мы никак не можем определить их абсолютные направления движения.
Рис. 5.2. Карта мира, показывающая расположение главных литосферных плит. Каждая плита окружена океаническими хребтами, от осей которых идет растяжение (жирные линии), зонами столкновения и субдукции (зазубренные линии) и/или трансформными разломами (тонкие линии). Названия приведены только для некоторых из самых крупных плит. Стрелки указывают направления относительных движений плит.
Границы плит классифицируются в зависимости от типа относительного движения плит вдоль этих границ. Каждая граница имеет свои особые характеристики. Например, на границах различного типа образуются разные породы. Распознавание их стало особенно важным для ученых, стремящихся заглянуть в прошлое, поскольку древние аналоги современных явлений могут быть определены на основе сохранившихся записей в геологической летописи.
РАСХОДЯЩИЕСЯ ПЛИТЫ
Там, где плиты расходятся друг от друга, в земной коре возникают рифты, то есть глубокие трещины. Базальт, наиболее обычный результат расплавления пород земных глубин, поднимается, чтобы заполнить их; как мы видели, именно таким образом образуется морское дно. Расходящиеся границы плит встречаются большей частью в океанах. Как ни парадоксально это может показаться с первого взгляда, рифты, проявляющиеся в рельефе Земли как долины или впадины, часто находятся как раз в осевой части океанических хребтов, представляющих собой широкие топографические поднятия, как это показано на рис. 5.3. Океанические хребты возникают в результате поднятия вещества мантии и сопутствующих термодинамических процессов. По мере того как вновь образовавшаяся кора отодвигается в стороны от хребта, она охлаждается, сжимается, уплотняется и опускается на меньшую высоту. Глубина океана здесь увеличивается приблизительно в два раза, от 2,5 километра до пяти, считая от осевой линии хребта до более древних частей океанского дна, далеко отстоящих от района раздвига плит.
Большинство современных океанических хребтов фактически зародились как рифты внутри континентов.
Рис. 5.3. Схематический поперечный разрез через среднеокеанский хребет, показывающий рифтовую долину внутри приподнятой центральной части хребта. Черные вертикальные линии обозначают проводники, через которые магма изливается из мантии на морское дно.
Начальной стадией этого процесса является образование глубокой, с крутыми стенками долины, отличающейся в типичном случае сильным вулканизмом. Таково было происхождение среднеконтинентального рифта, который почти расколол пополам Северную Америку в протерозое; современным примером такого раскола может служить Восточно-Африканская рифтовая долина. По мере продолжения раздвига полная активности континентальная кора, состоящая из пород, менее плотных по сравнению с базальтом, внедрившимся в рифт, в конце концов раскалывается на две части. Между ними вторгается море; таким образом возникает зародыш нового океанического бассейна. Именно так должен был протекать этот процесс, когда около 180 миллионов лет назад начал раскрываться Атлантический океан, отделяя Европу и Африку от Америки. В наше время начальные этапы расщепления континента можно наблюдать в Красном море, где Африка отделяется от Саудовской Аравии вдоль линии, являющейся продолжением системы хребтов Индийского океана. Все океанические бассейны мира возникли в результате рифтообразования; все они вымощены океаническим базальтом. Контраст между плотной корой океанов и более легкой, более плавучей корой континентов является причиной разницы их высот над уровнем моря.
Вдоль океанических хребтов непрерывно возникает новое океанское дно и тут же симметрично отходит в стороны от разлома. В то время как очертания берегов континентов сохраняют свою узнаваемость на протяжении долгих промежутков геологического времени, география океанских бассейнов изменяется гораздо быстрее. Измеренные скорости раздвига около современных океанических хребтов колеблются от одного-двух сантиметров в год до двадцати. Даже если взять нижнюю границу этого интервала, то и в этом случае выходит, что за 100 миллионов лет может образоваться океанский бассейн шириной в 1000 километров.
СТОЛКНОВЕНИЕ ПЛИТ И ЗОНЫ СУБДУКЦИИ
Если постоянно возникает так много нового морского дна, а Земля не расширяется (и существует достаточно доказательств этого), тогда, чтобы компенсировать этот процесс, что-то на глобальной коре должно разрушаться. Именно это происходит на окраинах большей части Тихого океана. Здесь литосферные плиты сближаются, и на их границах одна из сталкивающихся плит погружается под другую и уходит глубоко внутрь Земли. Такие участки столкновения плит называются зонами субдукции (погружения, подныривания одной плиты под другую); на поверхности Земли они отмечаются глубокими океаническими рвами (желобами) и активными вулканами (рис. 5.4). Грандиозные цепи вулканов, образующие так называемое огненное кольцо, протянувшееся вдоль берегов Тихого океана, — Анды, Алеутские острова, а также вулканы Камчатки, Японии и Марианских островов — все они обязаны своим существованием явлению субдукции.
Рис. 5.4. Схематический поперечный разрез зоны субдукции (верхняя часть, не в масштабе) показывает литосферную плиту, опускающуюся в глубины мантии, и активные вулканы над нею. В нижней части рисунка точками изображены положения очагов землетрясений, зафиксированных под желобом Тонга в юго-западной части Тихого океана. В совокупности они отмечают расположение погружающейся плиты до глубины приблизительно 700 километров. Отметки на горизонтальной шкале показывают расстояние от желоба. Составлено с частичным использованием рисунка 4-10 из книги П. Дж. Уилли «Как работает Земля». Изд-во «Джон Уайли и Сыновья», 1976.
Поделиться книгой: