Подтверждение идеи о спрединге

 

В 1963 г. выпускник Кембриджского университета Фред Вайн воспользовался гипотезой Хесса для объяснения загадочных полосовых магнитных аномалий, вытянутых параллельно хребту Карлсберг в Индийском океане. Такого рода аномалии впервые были выявлены и закартированы в северо-восточной части Тихого океана В. Вакье, А. Раффом и Р. Мейсоном. Там они располагались в виде полос, параллельных гребню Восточно-Тихоокеанского поднятия, и предположительно отражали местонахождение удлиненных тел магнетитсодержащих пород, скорее всего базальтов, которые по характеру намагниченности резко контрастировали с породами, прилегающими к ним с запада и востока.

Хотя однозначная интерпретация этих таинственных полос отсутствовала, тем не менее казалось, что они указывают на чередование блоков пород с высокой и низкой магнитной восприимчивостью. Рафф и Мейсон⁴²скептически относились к разнообразным толкованиям, связывавшим происхождение этих полос с топографическими, петрологическими или термальными вариациями. Аномалии Тихого океана оказались в начале 1960-х годов в центре внимания, собственно, потому, что они давали материал для заключения о гигантских горизонтальных смещениях участков океанического дна по зонам разломов.

Незадолго до появления статьи Раффа и Мейсона была предложена интерпретация магнитных аномалий Красного моря, которые объяснялись явлением остаточной и обратной намагниченности⁴³. Хотя Р. Гирдлер, главный автор этого исследования, был первым, кто рассматривал Красное море как вновь раскрывающийся, зарождающийся океан, определенным образом связанный с рифтовой системой Восточной Африки, Аденского залива и Индийского океана, он не старался привести глобальные инверсии в соответствие со спредингом с целью объяснения рисунка аномалий в океане.

Это принципиальное открытие было сделано независимо Вайном и Лоренсом Морли, работавшими в Геологической службе Канады⁴⁴.

Выпускник Кембриджа, Вайн симпатизировал идее дрейфа. Он присутствовал на лекции Хесса в январе 1962 г., когда тот излагал свою гипотезу. Его исследования получили поддержку со стороны сэра Эдварда Булларда, главы факультета⁴⁵, лишь недавно признавшего идею дрейфа, и непосредственного руководителя Вайна — Драммонда Мэтьюса, который хорошо разбирался в относящихся к этой теме вопросах.

Именно Мэтьюс предложил Вайну детально изучить относительно небольшую площадь в пределах хребта Карлсберг в северо-западной части Индийского океана. Вайн обнаружил, что его модель, рассчитанная на ЭВМ, хорошо согласуется с картиной распределения магнитных аномалий, и это побудило его опубликовать совместно с Мэтьюсом знаменитую статью в журнале «Нэйче»⁴⁶. Базальты, внедряясь по вертикальной плоскости в зону осевого рифта океанических хребтов и остывая ниже точки Кюри, приобретают намагниченность существующего магнитного поля, прямого или обратного. Следующее внедрение заставляет ранее образованные базальты раздвигаться в стороны от гребня хребта. Периодические инверсии магнитного поля вызывают изменение «росписи» базальтов. По словам Вайна и Мэтьюса, гипотеза «находится в согласии или, вернее, является непосредственным следствием современных идей о спрединге и периодических инверсиях магнитного поля Земли. Если главный слой океанической коры формируется у оси океанического хребта за счет восходящих конвективных течений в мантии, то он должен намагничиваться в направлении существующего поля Земли. Из предположения о непостоянстве океанического дна следует, что вся океаническая кора относительно молода, вероятно не древнее 150 млн. лет; она обладает прямой или обратной по отношению к современному полю Земли остаточной термонамагниченностью. Итак, если спрединг действительно имеет место, то перемежающиеся блоки с прямой и обратной намагниченностью должны дрейфовать в сторону от оси хребта».

В рассматриваемой гипотезе таились исключительно многообещающие возможности: фактически в нашем распоряжении оказалась «магнитная запись», с помощью которой можно определить скорость движения ленты океанского конвейера при условии, конечно, создания точной хронологической шкалы магнитных инверсий. Картирование системы магнитных аномалий океанического дна позволило бы реконструировать многие черты новейшей истории океанов.

Однако, несмотря на всю свою элегантность, гипотеза натолкнулась на барьер безразличия и недоверия; ей все еще не хватало фактического обоснования. Мэтьюс и тот поначалу был настроен скептически, и даже у Вайна были сомнения. Он вспоминает разговор во время перерыва у себя на работе в 1963 г.: «Кто-то спросил: «Не знаете, передает ли «Нэйче» поступающие к ним статьи на рецензию, или же они печатают все без разбора?» Я ответил: «Скоро узнаем — я как раз послал им свою статью, и если она пойдет, значит, они печатают все»⁴⁷.

Как бы то ни было, с рецензией или без нее, но «Нэйче» к вящей своей славе статью напечатала. Морли повезло меньше. Аномалии Тихого океана интересовали его с другой точки зрения, чем Вайна; он заботился не столько о проблемах спрединга, сколько об использовании геомагнитных инверсий в целях геохронологии. Приводимый ниже отрывок из его письма, направленного в «Нэйче» в феврале 1963 г., ясно показывает, однако, что он пришел к тем же выводам, что и Вайн:

 

«Если в принципе принять концепцию конвективных мантийных течений, поднимающихся под океаническими хребтами, идущих горизонтально под дном океана и уходящих вниз вблизи океанических желобов, то невозможно уклониться от соображения, что внедряющиеся под океаническими хребтами породы, проходя геотерму, соответствующую точке Кюри, должны намагничиваться в направлении магнитного поля Земли, характерного для этого времени. Если эта порция пород переместится вверх и затем в сторону, освобождая место для нового материала, и если тем временем произойдет инверсия магнитного поля и тот же процесс будет продолжаться, то это, как резонно заключить, вызовет образование системы линейных магнитных аномалий типа наблюдаемых»⁴⁸.

 

Рукопись Морли, отвергнутая «Нэйче», в июне 1963 г. тут же была направлена в «Журнал геофизических исследований», где ее постигла та же участь; рецензент журнала дал ей печально известное теперь заключение: «О подобного рода предметах можно побеседовать за коктейлем, но писать об этом не следовало бы».

Вскоре нашелся журнал, согласившийся опубликовать идеи Морли в форме большой статьи, посвященной палеомагнетизму как методу определения возраста геологических событий⁴⁸. На этом его участие в решении данной проблемы кончилось, и собирать подтверждающий материал выпало на долю Вайна. Последний отдавал себе отчет в том, что без более конкретного фактического обоснования его гипотеза в каком-то смысле ставит проблем больше, чем решает, а корректность исходных положений относительно спрединга, глобальных инверсий магнитной полярности и остаточной намагниченности в 1963 г. все еще оставалась под сомнением. Особенно настоятельно требовалось показать, что аномалии действительно располагаются симметрично по обе стороны хребтов и строго параллельно их гребням.

Кроме Вайна изучением магнитных аномалий океанического дна активно занималась еще одна группа ученых на базе Ламонтской геологической обсерватории⁴⁹ Колумбийского университета, штат Нью-Йорк. Стараниями ее энергичного директора Мориса Юинга она превратилась в послевоенные годы в одну из важнейших научных организаций мира по геологическим и геофизическим океанографическим исследованиям. Главное кредо Ламонтской обсерватории — массовый сбор фактических данных и неприязненное отношение к мобилистским взглядам — отражало позицию ее директора. Из постоянного персонала только Брюс Хизен и Нил Опдайк положительно относились к дрейфу континентов. Хизен открыл глобальную рифтовую систему океанических хребтов и интерпретировал ее с позиций модели расширяющейся Земли, согласно которой континентальные массы расходились при раскрытии Атлантического и Индийского океанов. Что касается Опдайка, который к этому времени решительно утверждался в позиции лидера в вопросах изучения геомагнитных инверсий по керну глубоководных осадков, то он провел несколько лет в качестве аспиранта в лаборатории Ранкорна в городе Ньюкасл-апон-Тайн.

Джим Хейрцлер, Маник Тальвани и Ксавье Ле Пишон изучили обширную площадь океанического дна, установив замечательную симметрию в расположении аномалий в хребте Рейкьянес к югу от Исландии. Однако в статье 1965 г.⁵⁰ они отдают предпочтение фиксистской интерпретации, отвергая гипотезу Вайна — Мэтьюса прежде всего на том основании, что она не объясняла большую разницу в амплитуде аномалий на флангах хребта по сравнению с аномалиями вблизи его оси.

Однако в том же году дело сдвинулось с мертвой точки. Тузо Уилсон, находясь вместе с Хессом в Кембридже, сформулировал свою знаменитую идею о трансформных разломах (см. ниже). Он и Вайн договорились о проведении совместных исследований в хребте Хуан-де-Фука на широте острова Ванкувер, чтобы проверить, соответствует ли рисунок аномалий в этом районе гипотезе Вайна — Мэтьюса, и апробировать тезис о трансформных разломах. Вайн и Уилсон установили, как и предписывалось гипотезой, симметричное расположение аномалий и попытались оценить скорость спрединга с помощью новой хронологической шкалы магнитных инверсий, созданной американскими палеомагнитологами Коксом, Доллом и Далримплом. (Усовершенствованный калий-аргоновый метод определения возраста для лав позволил разработать более точную временную шкалу для последних 3 млн. лет.) Они ввели предположение о неравномерной скорости спрединга, которое, однако, не вполне согласовывалось с внешними особенностями системы аномалий⁵¹. Вайн окончательно поверил в корректность своей гипотезы только в ноябре, когда во время заседания Геологического общества Америки в Канзасе Брент Далримпл сообщил ему о только что открытом событии Джарамилло. По уточненной хронологической шкале получалось, что спрединг в хребте Хуан-де-Фука шел с очень постоянной и гораздо более высокой скоростью.

Несколько месяцев спустя произошла поразительная трансформация взглядов сотрудников Ламонтской группы. Главной причиной послужили результаты изучения магнитных аномалий по необычайно интересному профилю (Элтанин-19) через Тихоокеанско-Антарктический хребет. По словам Уолтера Питмана, в то время еще аспиранта, «это было, как удар молота... Оглядываясь назад, вижу, насколько нам повезло, что мы попали в район, где ничто не препятствовало спредингу. Ни в одном другом месте нам бы не удалось получить такого превосходного профиля. Здесь не было ничего отвлекающего или вводящего в заблуждение. Все сложилось удачно, хотя к тому времени чего только не нагородили по поводу спрединга. Гипотеза Вайна и Мэтьюса казалась мне тогда весьма сомнительной, да и Фред Вайн, по его словам, не был до конца убежден в своей собственной теории, пока не увидел Элтанин-19. Профиль действительно покорял. Он выглядел именно так, как должен был выглядеть профиль, хотя на деле этого никогда не бывает. С другой стороны, кто-то из познакомившихся с ним заметил: «Следующим шагом Вы подтвердите Вайна и Мэтьюса». Именно это замечание заставило меня перечитать Вайна и Мэтьюса. Мы приступили к изучению профиля Элтанин-19 и увидели, что он очень похож на профиль, опубликованный Вайном и Тузо Уилсоном как раз перед тем, как наши данные вышли из компьютера»⁵².

Собственное независимое открытие события Джарамилло окончательно переубедило сотрудников Ламонтской группы. Вайн сообщил им, что в этом их опередил Аллан Кокс со своими коллегами, когда они работали в Ламонтской обсерватории в феврале 1966 г. Он рассказывает об этом так:

 

«Уолт [Питман] и Нил [Опдайк] занимались анализом данных в одной комнате. Когда я вошел туда, Нил, согнувшись над столом, составлял — в буквальном смысле этого слова — график, опубликованный в его статье 1966 г. Я отчетливо помню, что все профили Уолта, профили Элтанин-19, были развешаны на стене напротив, и я рассматривал их один за другим. Нил сказал: «Взгляни, Фред, это фантастика — мы открыли одно событие. Мы назвали его так-то». Я ответил: «Мне неприятно говорить это, Нил, но Кокс, Долл и Далримпл уже открыли событие, назвали его и сообщили о нем». Он онемел. Я добавил: «Ну да, Нил, оно получило название Джарамилло. Кстати, вот оно здесь на профиле Элтанин-19». Оба взглянули на Элтанин и снова на меня. «Бог ты мой!» —только и вымолвили они»⁵³.

Тектоника плит

 

В зачаточном виде идея плитной тектоники была выдвинута канадским геофизиком Тузо Уилсоном в статье, опубликованной в журнале «Нэйче» в 1965 г.⁵⁴ Автор заинтересовался тем обстоятельством, что движения земной коры, маркируемые землетрясениями и вулканизмом, сосредоточены преимущественно в тектонических структурах трех типов — горных системах, включая островные дуги, срединно-океанических хребтах и крупных разломах со значительным горизонтальным смещением. Особенно загадочным казался тот факт, что эти структуры часто резко обрывались по простиранию.

Уилсон предположил, что «подвижные пояса» на самом деле составляют единую систему, разделяющую поверхность Земли на несколько крупных жестких плит. Любой элемент на их видимом окончании может трансформироваться в какой-либо элемент других двух типов. Такое соединение было названо трансформным. Разрывы, у которых перемещение внезапно обрывается или меняет направление, получили наименование трансформных разломов. Уилсон составил упрощенную модель раскрытия Атлантического океана, показывающую процесс развития таких разломов; смещение Срединно-Атлантического хребта не зависит от расстояния, на которое передвинулись континенты, и отражает всего-навсего форму первичного раскола между континентальными блоками.

Если Уилсон первым использовал термин «плита», то всесторонняя разработка теоретического обоснования и дальнейшее развитие идеи принадлежат принстонскому геофизику Джейсону Моргану⁵⁵. (Примерно в это же самое время аналогичные идеи развивал в Кембридже Д. П. Мак-Кензи.)

Идея Моргана заключалась в приложении концепции трансформных разломов к сферической поверхности. Он разбил поверхность Земли на 20 блоков разного размера, разделенных границами трех типов: 1) океаническими поднятиями, в которых формируется новая кора; 2) океаническими желобами, где кора уничтожается; 3) трансформными разломами, в которых не происходит ни образования, ни уничтожения коры. Для того чтобы придать модели математическую строгость, блоки считались абсолютно жесткими. Кора, в особенности океаническая, слишком тонка, чтобы обеспечить требуемую прочность, поэтому блоки, или плиты, брались на глубину приблизительно до 100 км, т. е. до так называемого низкоскоростного слоя мантии, залегающего в кровле менее жесткой астеносферы. Верхняя, 100-километровая относительно жесткая оболочка, названная Морганом тектоносферой, сейчас больше известна как литосфера.

Морган воспользовался теоремой Эйлера, гласящей, что блок на сфере может быть передвинут в любое место этой сферы путем простого поворота вокруг заданной оси. Он смог поддержать вычисления, касающиеся изменения скорости спрединга в разных плитах на примере Атлантического океана. Основываясь на работе Моргана и на собственном богатом опыте изучения спрединга, Ле Пишон⁵⁶ выполнил очень важный анализ, выделив шесть крупных плит (существует дюжина или больше плит меньшего размера, таких, например, как Карибская плита). Термин «дрейф континентов» становился теперь неприемлемым: континенты хотя и движутся, но составляют лишь часть той или иной плиты и наверняка не дрейфуют по океану. Главный принцип тектоники плит состоит в том, что за счет «субдукции» на конвергентных краях плит материал коры должен уничтожаться в количестве, эквивалентном количеству материала коры, образующегося на дивергентных краях.

Концепция тектоники плит выдержала неоднократную проверку со стороны сейсмологии, основанную на определении плоскостей смещения в очагах землетрясений с целью выяснения направления относительного движения смежных плит. Новая программа глубоководного бурения в целом подтвердила также правильность так называемой хейрцлеровской хронологической шкалы, которая использовалась для датировки океанического дна и в основе которой лежало предположение, что гипотеза Вайна и Мэтьюса верна.

Период конца 1960-х — начала 1970-х годов отличался необыкновенным воодушевлением и активностью в мире наук о Земле, так как новые данные и новые интерпретации, базирующиеся на концепции тектоники плит, буквально затопили океанографию и геологию суши. Были предложены новые решения по широкому кругу крупнейших проблем, таких, как горообразование, магматизм, изменение уровня моря, металлогения, биогеография ископаемых организмов. По общему признанию, изменение взгляда на Землю почти до неузнаваемости преобразовало науки о Земле, вдохнув в них новую жизнь⁵⁷.