Новые исследования в области геофизики и океанографии

 

После второй мировой войны благодаря применению в геофизических исследованиях новых, более тонких методов начался радикальный пересмотр представлений о Земле, приведший в конце концов к фундаментальной перестройке мышления с переходом от фиксистских взглядов к мобилистским. Наиболее заметный толчок дали резко возросшие работы по изучению магнитных свойств горных пород.

Знакомство с магнитными свойствами горных пород восходит к античному времени, однако ничего существенного в этой области не было сделано вплоть до работ Брюнеса в начале XX в. Им и его последователями было установлено, что: а) намагниченность современных лав ориентирована в соответствии с современным магнитным полем Земли; б) лавы третичного возраста намагничены или приблизительно в соответствии с ориентировкой современного магнитного поля, или в обратном направлении; в) намагниченность более древних лав часто ориентирована под большими углами к направлению современного поля³⁷. Примечательно, что этим любопытным и, судя по всему, заслуживающим внимания явлениям так долго не придавали почти никакого значения.

Решительный перелом в исследованиях был связан с созданием британским физиком П. Блэкеттом высокочувствительного магнитометра, который существенно расширил возможности изучения образцов горных пород.

Намагниченность горных пород — это на самом деле магнитизм ископаемого постоянного поля, который может служить чем-то вроде компаса для определения направления этого древнего палеомагнитного поля. Метод исследования основан на допущении, что геомагнитное поле имеет дипольный характер с осевым диполем, расположенным в центре Земли. Ориентированные образцы некоторых типов горных пород дают информацию о направлении поля (указывая направление па полюс) и широте в том случае, если с помощью чувствительного магнитометра определен угол склонения D и угол наклонения I. Широта L вычисляется по простой формуле:

 

tg I = 2tg L *.

 

* В оригинале опечатка, формула там выглядит так: tg I = tg L. — Прим. перев.

 

Для определения пригодны лишь некоторые типы пород. В базальтовых лавах много железа, и они приобретают намагниченность того поля, в котором они охлаждаются и кристаллизуются после излияния на поверхность, проходя через точку Кюри для минералов окислов железа и титана.

В достаточном количестве окись железа содержится также в некоторых осадочных породах, таких, как красноцветные песчаники, которые могут поэтому приобретать заметную намагниченность. До сих пор не вполне ясно, как происходит намагничивание таких песчаников. Зерна минералов окиси железа в какой-то мере, возможно, ведут себя как крошечные магнитики и при осаждении ложатся в направлении магнитного поля. Но намагничивание может происходить и после седиментации во время процесса химического и физического преобразования осадка, известного под названием диагенеза.

Фундаментальное допущение об осевой природе магнитного поля оправдано и с теоретических, и с экспериментальных позиций. Оно согласуется с широко признанной теорией геомагнитного поля, выдвинутой В. М. Эльзассером и сэром Эдвардом Буллардом, согласно которой жидкое, обладающее электропроводностью внешнее ядро Земли действует как самовозбуждающаяся динамо-машина. Хотя в настоящее время магнитная ось на несколько градусов отклоняется от оси вращения (географической оси), но в среднем, за время в несколько тысяч лет, они фактически совпадают. Более того, палеомагнитные определения на образцах лавы за последние приблизительно 10 млн. лет (т. е. за позднетретичное время) показывают, что положение географического Северного полюса статистически не отличается от современного.

К середине 1950-х годов многообещающие результаты были получены группами ученых Кембриджа и Импириал-колледжа в Лондоне. Кембриджская группа, и прежде всего С. К. Ранкорн, К. М. Крир и Э. Ирвинг, изучила образцы европейских пород в широком возрастном диапазоне и смогла показать закономерное изменение со временем положения Северного полюса для допозднетретичного времени начиная с позднего докембрия, когда он находился в районе Гавайских островов. Сопоставимые результаты для других континентов были получены группой Блэкетта в Импириал-колледже.

Так как разница с современным положением была не случайной, а систематической и показывала увеличение угла отклонения полюса со временем, из этих данных следовал вывод о миграции либо полюсов, либо континентов. Достоверность палеомагнитных определений может быть проверена независимо с помощью геологических и палеонтологических данных о палеоклимате. Так, присутствие мощных пластов угля и коралловых известняков в каменноугольных, а эвапоритов и пустынных песчаников в пермских отложениях Европы согласуется с палеомагнитной оценкой широты для этого времени приблизительно между 20° с. ш. и 20° ю. ш. Также и позднепалеозойские ледниковые отложения Австралии согласуются с определенными для нее высокими палеоширотами.

Таким образом, новые геофизические материалы вроде бы эффектно подтверждали заключение Вегенера о миграции полюсов, основанное на геологических данных о палеоклимате. Правда, в течение нескольких лет было не ясно, перемещался ли полюс одинаково по отношению к каждому из континентов (миграция полюса), или же для разных континентов характерны разные траектории, что указывало бы на движение континентов относительно друг друга (дрейф континентов). Первые результаты, недвусмысленно указывающие на то, что траектории не для всех континентов совпадают, были получены Ранкорном³⁸ для Европы и Северной Америки. Пути перемещения полюсов, вычисленные для обоих этих континентов, обнаруживали заметную, систематическую разницу: для докембрия и палеозоя Северной Америки путь проходил приблизительно на 30° западнее. После триаса разница исчезала. Ранкорн обратил внимание на то, что аномалию можно устранить, допустив, вслед за Вегенером, прилегание Северной Америки к Европе в результате закрытия Северной Атлантики. Получалось, кроме того, что континенты раздвинулись когда-то в промежутке между триасом и современной эпохой.

Хотя Ранкорн, как и вообще все британские геофизики, воспитывался на убеждении в невозможности дрейфа континентов, он быстро изменил позицию и активно занялся дальнейшей разработкой этой фундаментальной идеи Вегенера. Новые результаты были встречены с изрядной долей скептицизма, но недоверие вскоре рассеялось, во всяком случае в Великобритании, когда Блэкетт с сотрудниками³⁹ собрал данные по всему земному шару и представил их в виде, ясно указывавшем на реальность дрейфа. Особенно убедительными оказались результаты по южным континентам и Индии. При их современном расположении траектории перемещения полюсов выглядели бессмысленными, но все становилось на свои места при реконструкции Гондваны в том виде, как это делал Дю Тойт.

Другая важная задача в области исследования магнитных свойств горных пород касалась так называемых магнитных инверсий. В течение 1950-х годов Дж. Хосперс из Кембриджа, работая с молодыми лавами Исландии, обнаружил большое количество примеров, когда при переходе от пласта к пласту Северный полюс переворачивался в направлении Южного и наоборот. Последовала долгая дискуссия о природе этих изменений: отражают ли они инверсии магнитного поля Земли, или каким-то образом связаны с минералогическими свойствами пород? Тот факт, что автоинверсия в горных породах необычайно трудно поддается экспериментальному воспроизведению, а также то, что направление намагниченности сохраняется в совершенно различных, но близко расположенных породах, свидетельствуют в пользу первого из указанных объяснений.

Убедительное подтверждение принесли выполненные в 1960-x годах определения возраста лав по продуктам радиоактивного распада калия-40. Было обнаружено, что одновозрастные породы в далеко отстоящих друг от друга районах земного шара намагничены в одном и том же направлении. Не считаться с этими результатами было уже не так просто, как с отдельными случайными явлениями. Выяснилось, что последняя инверсия магнитного поля Земли произошла около 1 млн. лет назад, а предшествовавшая ей инверсия отстояла от нее еще на 1,5 млн. лет.

Какое отношение это имеет к дрейфу континентов, оставалось вначале неясно, но ответ вскоре был найден в результате океанографических исследований.

Одна из важных причин, по которой дебаты довоенного времени не привели к определенному решению, заключалась в нашем почти полном неведении о том, что представляет собой дно океана, занимающее вместе с площадью внутренних морей не менее 70% поверхности планеты. Огромные успехи послевоенных геологических и геофизических исследований в океанах явились результатом вложения крупных средств (в значительной мере американцами) и применения новой техники.

Вновь созданное оборудование для акустического зондирования позволило провести гораздо более полное, чем это было возможно раньше, изучение топографии морского дна. Работами 1950-х годов было установлено существование глобальной системы срединно-океанических хребтов, включая Срединно-Атлантический хребет и хуже выраженное в рельефе Восточно-Тихоокеанское поднятие. По относительной высоте эти хребты сопоставимы с высокими горными хребтами на суше, во многих местах они смещены трансформными разломами. В гребневой части Срединно-Атлантического хребта и хребта Карлсберг в Индийском океане была установлена депрессия, протягивающаяся, по-видимому, через Аденский залив в систему Восточно-Африканского рифта. Эта срединная долина трактовалась американским океанографом Б. Хизеном как рифтовая структура растяжения, протянувшаяся через весь Мировой океан на расстояние 35000 миль.

Новые методы отбора керна глубоководных осадков и драгирования пород с обнаженных эскарпов в срединно-океанических хребтах привели к открытию такого важного обстоятельства, как отсутствие в океанах, за исключением нескольких островов Сейшельского архипелага, изверженных пород гранитного ряда. Повсеместно встречались породы основного и ультраосновного состава, иногда метаморфизованные, такие, как базальты, габбро, амфиболиты и серпентиниты. Больше того — несмотря на тщательные исследования, нигде не удалось обнаружить осадочных пород древнее середины мела. Это казалось особенно удивительным, так как, встав на общепринятую точку зрения о древности океанов, следовало бы ожидать, что в них обязательно должны быть места с выходами на поверхность или неглубоким залеганием пород древнее мела.

Геофизическое изучение строения океанической коры выполнялось одновременно гравиметрическими и сейсмическими методами. Использование метода преломленных волн позволило определить мощность коры и, косвенным образом, ее плотность. Вскоре после второй мировой войны выяснилось, что океаническая кора принципиально отличается от континентальной. Та и другая подстилаются более плотным материалом, вероятно сходным с ультраосновной изверженной породой — перидотитом; его стали называть не субстратом, а мантией. Для океанической коры имелись серьезные основания принять базальтовый или габбровый состав, мощность же ее оказывалась в три раза меньше средней мощности «гранитной» континентальной коры. Какие-либо указания на погруженные континенты отсутствовали.

К концу 1950-х годов стало очевидно, что пришло время для выдвижения новых идей. Для будущего развития науки о Земле совершенно исключительную роль сыграла идея, выдвинутая геологом Принстонского университета Гарри Хессом (1906— 1969) и названная Р. С. Дитцем гипотезой спрединга⁴⁰.

Хесса отличало редкое в одном лице сочетание блестящего ученого и умелого администратора. Благодаря второму своему качеству он стал в итоге председателем Комитета космических исследований Национальной Академии наук США и в течение некоторого времени был главным неправительственным советником по вопросам научного исследования планет. Широкую известность ему как ученому принесли работы в области петрологии изверженных пород и минералогии со специальным упором на ультраосновные породы. Его работы явились стимулом для постановки геологических исследований в Карибском бассейне и для изучения поля силы тяжести под глубоководными желобами Тихого океана.

Во время войны, будучи капитаном военно-транспортного судна, Хесс проводил систематическое эхолотирование дна Тихого океана, которое привело к открытию удивительных плосковершинных подводных гор, названных им гийотами; он правильно интерпретировал их как глубоко погруженные вулканические острова. Его имя неразрывно связано с Проектом Мохол — программой бурения в океане до мантии; она была отвергнута конгрессом из-за высокой стоимости, но не раньше, чем была установлена осуществимость бурения в глубоких водах. Естественным преемником Проекта Мохол стал амбициозный и плодотворный Проект глубоководного бурения.

Идеи Хесса впервые увидели свет в форме препринта в 1960 г., в печати его статья появилась двумя годами позже⁴¹. Главная заслуга Хесса состоит в том, что он свел воедино несравнимые, казалось бы, факты: очевидную молодость океанического дна; систему циркумтихоокеанских островных дуг и желобов, подчеркнутую многочисленными вулканами и расположением очагов сильных землетрясений, наводящими на мысль о разрывах, погружающихся до больших глубин в сторону от океана; протяженную систему срединно-океанических хребтов с их сейсмичностью, высокими значениями теплового потока, локальным вулканизмом и осевым рифтом, свидетельствующим о растяжении.

Он считал, что океаническое дно образуется в срединно-океанических хребтах, перемещается в результате спрединга по направлению к желобам и там погружается вниз, в мантию. Затем он связал свою модель спрединга с дрейфом континентов, предположив, что континенты также перемещаются в ходе этого процесса, движущей силой которого служат конвективные течения в мантии, — та самая идея, о которой давно уже говорили Холмс и Фишер. По словам Хесса,

 

«фронтальные края континентов испытывают сильную деформацию, наталкиваясь на движущийся вниз поток конвектирующей мантии. Восходящие потоки под континентальными площадями растаскивают расколотые части в стороны с одинаковой скоростью, благодаря чему и образуются в полном смысле слова срединные хребты, например в Атлантическом океане... Чехол океанических осадков и вулканические подводные горы также затягиваются в перемалывающие челюсти нисходящего потока, подвергаются метаморфизму и, в конце концов, вероятно, припаиваются к континентам».

 

В другой цитате говорится о связи с дрейфом:

 

«Срединно-океанические хребты — это, вероятно, следы восходящих ветвей конвективных ячеек, тогда как Циркум-тихоокеанский пояс деформации и вулканизма представляет собой нисходящие ветви. Срединно-Атлантический хребет является срединным, потому что континентальные площади по обеим его сторонам отделяются от него с одинаковой скоростью... Это не вполне соответствует дрейфу континентов. Континенты не вспарывают океаническую-кору наподобие плуга, приводимые в движение неизвестными силами, а пассивно переносятся на веществе мантии которое поступает на поверхность в гребневой части срединно-океанических хребтов и движется по горизонтали в стороны от них».