Текст книги "Антарктида"

Палеомагнетизм. Возрождение идеи дрейфа

Известно, что железо и никель могут намагничиваться и удерживать это свойство неопределенно долго. Эти металлы получили название ферромагнетиков. Ферромагнетики обладают полярностью. Концы магнитов одинаковых полюсов отталкиваются, различных – притягиваются. Земля – тоже магнит, один из полюсов которого находится вблизи Северного, другой – Южного географических полюсов. На этом основано устройство компаса, стрелка которого всегда указывает направление юг – север.

Постоянный магнит не выдерживает высоких температур. Намагниченное железо, нагретое до 770 °C, теряет свою намагниченность. Никель теряет намагниченность при 358 °C. Температура, при которой магнит теряет свои свойства, называется «точкой Кюри» в честь физика, открывшего это явление. Вследствие того что железное ядро Земли имеет температуру намного выше точки Кюри, Земля не может быть постоянным магнитом, и происхождение ее магнетизма – явление сложное и не объясненное до конца и поныне. Мы– уже сказали, что магнитные полюса Земли не совпадают строго с географическими. Их положение медленно изменяется. Отклонение магнитной стрелки от направления меридиана называется магнитным склонением. Оно для различных меридианов различно. Изменения магнитного склонения имеют короткопериодические вариации и вековой ход, но за короткий интервал наблюдений за магнитным полем Земли нельзя установить, как изменялось магнитное поле Земли и каково оно было в глубокой древности.

Но вот недавно, в 40-х годах нашего столетия, было обнаружено интересное явление. Изверженные вулканические горные породы при остывании, проходя точку Кюри, намагничиваются, причем полярность образовавшегося магнита совпадает с полярностью земного магнетизма и силовые линии магнитного поля этого магнита совпадают с силовыми линиями земного магнитного поля. Таким образом, оказалось, что постоянным магнитом могут быть не только ферромагнетики, но и все изверженные породы, однако эти магниты очень слабые. Выяснилось и другое – изверженные и остывшие породы навсегда сохраняют свой магнетизм, обладают как бы «вмороженным» магнитным полем. Лавы, изверженные и застывшие в наше время, обладают магнитной направленностью, соответствующей направленности современного магнитного поля Земли, от которого они намагнитились. Породы, изверженные и застывшие многие тысячи_и миллионы лет назад, имеют направление намагниченности, соответствующее направлению магнитных силовых линий Земли того времени, т. е. указывают направление на существовавший тогда магнитный полюс. Иными словами, по ним можно установить положение магнитных полюсов Земли в ту далекую эпоху. Отсюда название – палеомагнетизм. Может быть, лучше звучало бы название реликтовый магнетизм. В палеомагнетизме мы видим как бы фотографический отпечаток магнитного поля Земли далеких эпох. Определив направление реликтовых магнитных силовых линий изверженной породы в одном месте, мы получим направление на магнитный полюс того времени. Если мы изучим реликтовое магнитное поле одновозрастных образцов пород в разных местах, то на пересечении направлений их полярности найдем точное положение магнитного полюса Земли того времени. Надо только определить возраст исследованных образцов. Но это мы умеем делать, во-первых, методами палеонтологии, во-вторых, более точно методом радиоактивного анализа.

Результаты изучения пути движения магнитных полюсов Земли методом палеомагнетизма явились главным доказательством дрейфа континентов и возродили, казалось умершую, гипотезу.

Предположим, что конфигурация континентов во все времена была неизменна. Тогда направления реликтовых магнитов одинаковых эпох на всех континентах должны пересечься в точках положения полюса тех эпох. Находя эти положения последовательно для различных эпох, получим путь перемещения магнитного полюса. Однако, когда проделали эту работу, оказалось, что древние положения полюса, полученные по данным палеомагнетизма, для разных континентов различны, т. е. для каждого континента был свой магнитный полюс и блуждал он со временем по-своему.

Рис. 2. Пути блуждания магнитного полюса:

а – относительно современного положения материков; б – относительно материков, соединенных в Лавразии; 1 – кембрий; 2 – силур; 2 – силур – девон; 3 – поздний карбон; 4 – Пермь; 5 —триас; 5 – ранний триас; 5" – поздний триас; 6 – юра; 7 – мел

На рис. 2 показаны пути блуждания полюса, полученные по данным палеомагнетизма для Европы и Северной Америки. Здесь хорошо видно, что чем дальше мы уходим в прошлое, тем больше расходятся точки северного магнитного полюса, восстановленные по реликтовому магнетизму для Америки и Европы (рис. 2, а). Почему же для каждого континента свой магнитный полюс? Или изменяется направление реликтового магнитного поля? И то и другое кажется противоестественным. Не проще ли предположить, что повернулись или передвинулись на другое место сами материки.

Можно заняться такой игрой: вырезать из картона фигурки материков, к ним жестко прикрепить линию блуждания полюсов и начать передвигать материки так, чтобы они соединились в один материк. И произойдет удивительное – для кембрийского периода полюса совпадут. Совмещая магнитные полюса разных континентов для разных периодов, получим расположения материков, соответствующие этим периодам (рис. 2, б). Так идея дрейфа континентов получила новый импульс для своего развития. Доказательство казалось убедительным, и число сторонников так называемого мобилизма начало быстро возрастать.

Следы оледенения. Схожие геологические формации

Время от времени на Земле наступают периоды оледенения. Мы не знаем точно причин возникновения этого явления, но следы ледниковых периодов весьма четко запечатлены на Земле в виде характерных ледниковых борозд, указывающих на движение ледника, ледниковой морены – скоплений обломочных горных пород, приносимых ледником, ледниковых долин и других специфических форм рельефа. Последнее оледенение в северном полушарии, захватившее значительную часть Евразии, закончилось около 10 млн. лет назад. А 300 млн. лет назад в южном полушарии оно захватило колоссальные пространства в Америке, Африке,

Индии, Австралии и Антарктиде. Если эти материки соединить по подобию береговых линий и направлению реликтового магнитного поля, т. е. реконструировать Гондвану, то и области оледенения соединятся в единую область в южной части этого праконтинента.

Еще одно доказательство этой гипотезы получили геологи в результате исследования большого числа образцов древних горных пород с разных континентов радиоактивным методом. Это уже точный физический метод. Было установлено, что одинаковые древние до-докембрийские породы, т. е. имеющие возраст порядка 600 млн. лет, имеются на всех континентах Гондваны, причем их дислокация отвечает ее реконструкции. Так, кембрийские породы южной оконечности Америки переходят в аналогичные породы Антарктического полуострова Антарктиды. Они же в Восточной Антарктиде переходят в породы Африки, Австралии и Новой Зеландии.

Подводные хребты и рифты, желоба и островные дуги

Возрождению идеи дрейфа континентов способствовали исследования океанического дна, ведущиеся удивительно быстрыми темпами последние три десятилетия. За это время в корне изменились представления о строении дна океанов. Одной из достопримечательностей его строения являются срединные хребты. Такой хребет в Атлантическом океане тянется от Гренландии к югу, как бы повторяя контур материкового берега. Южнее оконечности Африки он поворачивает на восток. Огибая Африку, переходит в Западно-Индийский срединный хребет, идущий на северо-восток, и соединяется с Центрально-Индийским хребтом, имеющим северо-западное простирание. Последний, в свою очередь, переходит в Аравийский и в разлом Красного моря. На юге Центрально-Индийский хребет приобретает субширотное направление и, огибая Австралию, переходит в Тихоокеанский, идущий к берегам Южной Америки.

Эти хребты пологие. Их высота – 2000–3000 м от среднего уровня дна, а ширина поднятия 2000–3000 км. Таким образом, средняя, самая удаленная от берегов часть океана сравнительно мелководна, и наибольших глубин океан достигает в областях между хребтом и континентом. Вдоль средней, наиболее высокой части хребта тянется глубокая долина с крутыми склонами – разлом, получивший название рифта. От этого рифта, перпендикулярно к нему отходят так называемые трансформные разломы, которые могли бы возникнуть, если бы части, образующие стенки рифта, перемещались параллельно хребту с разными скоростями. Такие же рифты имеются и на континентах. Большой Африканский рифт тянется в меридиональном направлении от оз. Чад к Красному морю, которое отделяет Африку от Аравии.

Другой интересной особенностью строения океанов являются глубоководные желоба и сопутствующие им островные дуги.

Глубоководные желоба – это узкие протяженные глубокие впадины океанического дна, расположенные всегда вдоль берегов океана и близко к ним. Им сопутствуют цепочки, как правило, вулканических островов, расположенных параллельно желобу со стороны континента, или горные цепи на берегу континента. Такие структуры особенно развиты вдоль тихоокеанского побережья Азии и Америки. От берегов Аляски желоб тянется вдоль Алеутской островной дуги. Далее идет Курильский желоб с Курильской дугой и Японскими островами. На юго-восток от него отходят Идзу-Бонинский и Марианский желоба с Марианской островной дугой и желоб Кермадек-Тонга уже на широте Австралии.

Вдоль цепочки островов Новая Гвинея, Суматра, Сулавеси, Ява протянулся глубоководный Яванский желоб, а вдоль западного побережья Южной Америки параллельно горным цепям Кордильер тянется Перуанско-Чилийский желоб.

Океанические желоба очень глубоководны. Так, Марианский, Курильский и Яванский достигают глубин от 8 до 11 тыс. м. Нигде в других областях Мирового океана таких глубин нет.

Еще одна особенность желобов и островных дуг: они всегда сейсмически активны – в них очень часты землетрясения и проявления вулканизма. Например, в Японии бывает по нескольку тысяч небольших землетрясений в год и часто происходят катастрофические землетрясения. Это же относится к Чили, Индонезии.

Над желобами всегда бывают большие отрицательные аномалии силы тяжести, а это означает, что земная кора и часть верхней мантии в этих областях не пришли в равновесное состояние и испытывают большие подвижки.

Полосовые магнитные аномалии. Изменение возраста коры

В конце 50-х – начале 60-х годов американскими геофизиками В. Вакье, Р. Мейсоном и А. Раффом при изучении магнитного поля в районе Восточно-тихоокеанского хребта вблизи о. Ванкувер были обнаружены полосовые магнитные аномалии, тянущиеся вдоль хребта по обе его стороны. Протяженность их несколько сот километров, ширина 20–30 км и напряженность магнитного поля приблизительно 160 мА/м. Оказалось, что у последовательных полос обратная полярность. В теории палеомагнетизма известны такие явления, как инверсии магнитного поля, происходящие по неизвестной нам причине с интервалами от десятков до сотен тысяч лет. При инверсиях изменяется полярность магнитного поля Земли. Это установлено по остаточной намагниченности древних горных пород, возраст которых определялся радиоактивным методом. Этим же методом был установлен возраст намагниченных пород, взятых с океанического дна из областей полосовых аномалий. Оказалось, что чем дальше от срединного разлома подводного хребта расположена полоса магнитной аномалии, тем возраст образца старше.

К 1966 г. А. Коксом, Р. Доуэлом и Д. Дарлимплем, подробно изучившими реликтовую намагниченность большого числа образцов древних горных пород, их возраст калиево-аргоновым методом и полярность, была установлена шкала последовательности и возраста инверсий магнитного поля Земли.

Таким образом, появилась возможность сравнить изменение возраста дна океана вкрест полосовых аномалий с эпохами инверсий магнитного поля. Получилось прекрасное совпадение, возраст каждой полосы определенной магнитной ориентации соответствовал возрасту магнитной инверсии. Объяснить это можно было только одним, а именно тем, что дно океана раздвигается от срединного разлома хребта в обе стороны, в срединном разломе изливается вещество горячей магмы, остывает и, проходя через точку Кюри, намагничивается с той полярностью, которая существует в это время. Эта часть дна, продолжая двигаться от осевой части хребта, сохраняет реликтовую намагниченность заданной полярности. При следующей инверсии породы, остывшие до точки Кюри, намагничиваются уже с другой полярностью. Возникает следующая полоса магнитной аномалии и т. д. Это объяснение полосовых магнитных аномалий дали Ф. Вайн, Д. Метьюз и Л. Морли.

Теперь можно было сопоставить изменение интенсивности аномалий с эпохами инверсий магнитного поля. Но было сделано больше – Вайном была задана некоторая разумная гипотетическая скорость расползания дна и вычислена кривая изменения интенсивности аномалий со временем. Эта гипотетическая кривая удивительным образом совпала с кривой, составленной по фактическим возрасту и интенсивности намагниченности образцов (рис. 3). Полученное совпадение положило начало теории разрастания дна океанов, по предложению Р. Дитца названной «спредингом» (от английского to spread – раздвигаться, расширяться).

Рис. 3. Сравнение интенсивности наблюденных (1) и вычисленных (2) полосовых магнитных аномалий

В дальнейшем аналогичные работы были проделаны в области хребтов Антарктического, Срединно-Индийского и Рейкьянес у Исландии, и всюду результат один: наблюдались полосовые аномалии, которые прекрасно объяснялись раздвижением океанического дна и магнитными инверсиями.

Хронология инверсий магнитного поля прослежена по палеомагнитным данным на континентальных породах на протяжении около 4 млн. лет, т. е. незначительно выходит из четвертичного периода и неогена и охватывает только восемь магнитных инверсий. Исходя из предположения, что и дальше каждая полоса является результатом инверсий и что дно расширяется с одинаковой скоростью, была выполнена экстраполяция расширения дна на 171 инверсию, что соответствовало 76 млн. лет. Теперь в руках геофизиков появились данные для составления карты возраста дна океанов: по равновозрастным магнитным аномалиям были проведены изохроны. Конечно, этот метод, как и всякий экстраполяционный метод, не был надежен и вызывал сомнения. Однако эти сомнения рассеялись после того, как были выполнены бурение и отбор образцов осадочных пород с морского дна. Эта колоссальная, не уступающая по грандиозности космическим исследованиям, работа была выполнена в рамках проекта глубоководного бурения в период 1968–1980 гг. с борта специального судна «Гломар Челленджер». Для отобранных образцов был определен абсолютный возраст палеонтологическим методом, т. е. по останкам окаменелых флоры и фауны, и радиоактивным, т. е. по соотношению (в процентах) распавшегося и нераспавшегося вещества. Это исследование с учетом временного сдвига осадконакопления полностью подтвердило расчет, сделанный по полосовым аномалиям. Таким образом, там, где не было непосредственных измерений возраста намагниченных пород, экстраполяция была подтверждена вполне надежной интерполяцией.

Итак, гипотеза разрастания дна Мирового океана получила настолько надежные подтверждения, что многие считают ее установленным фактом. Идея постоянного движения дна океана отвечает и на вопрос, почему океан (существующий миллиарды лет) имеет столь тонкий слой осадков (средняя мощность его 200 м), тогда как на континентах в осадочных бассейнах он достигает 20 км.

О новой тектонике плит

Все ранее описанные явления привели к возрождению идеи дрейфа континентов, но на новой, весьма убедительной основе. Строение внешнего слоя Земли представляется следующим образом: верхний слой коры состоит из твердых кристаллических пород, в большинстве своем покрытых осадочным чехлом. По мере углубления в Земле повышается температура. На глубине около 70 км температура достигает 1000–1200 °C – величины, при которой начинается плавление кристаллических пород. При этой температуре, получившей название температуры точки Солидуса, происходит частичное плавление вещества, а полное его плавление – в интервале температур, соответствующих глубинам между 70 и 260 км, где твердая земная кора переходит в пластическое вещество верхней мантии.

Эти переходы четко отражаются в изменении скорости распространения поперечных сейсмических волн, которая быстро возрастает от 3,6 до 4,6 км/с на глубине приблизительно 30 км, получившей название границы Мохоровичича, далее медленно растет примерно до 4,8 км/с на глубине около 70 км, затем резко падает до 4,2 км/с. Здесь начинается плавление. Это и есть точка Солидуса.

Кровля размягченного плавлением слоя мантии получила название астеносферы. Слои, лежащие выше и состоящие из твердого кристаллического вещества, называют литосферой. Таким образом, создается возможность скольжения твердой литосферы по размягченной поверхности астеносферы.

Литосфера представляется не цельной сферической оболочкой, подобной яичной скорлупе, а состоящей из некоторого числа плит, находящихся в непрерывном движении и несущих на себе материки. В такой схеме можно представить себе три основных типа движения. Первый тип – плиты раздвигаются. Такое движение называется дивергенцией. Второй тип – плиты движутся навстречу друг другу и сталкиваются, т. е. происходит конвергенция, при этом одна плита может поддвигаться под другую. Это явление называется субдукцией. Наконец, третий тип – плиты скользят параллельно друг другу. Каждый тип движения характеризуется специфическими явлениями. Все типы движения взаимно связаны и происходят одновременно.

Областью расхождения плит являются срединно-океанические хребты. Однако между расходящимися плитами не может образовываться пустота. Она заполняется нижележащей расплавленной магмой, которая, выходя на поверхность океана, застывает, образуя новые части океанического дна. Больше того, внутренние процессы в мантии, ее конвективные течения, по-видимому, являются тем механизмом, который заставляет раздвигаться океанические плиты. Так происходят нарастание дна океана и раздвижение плит. Доказательства этого – систематическое старение дна океана по мере удаления от срединного хребта, наличие реликтовых намагниченных пород и их старение по тому же закону. Плиты раздвигаются, скользя по астеносфере. При этом может перемещаться и сам срединный хребет, который не всегда имеет симметричное нарастание вновь образовавшейся коры. Отсутствие симметрии приводит к двум явлениям: образованию трансформных разломов, столь характерных для срединных хребтов, и общему перемещению хребта вместе с нарастающей корой. Очевидно, что, нарастая и раздвигаясь, плита приходит во взаимодействие с другими плитами. Это взаимодействие может иметь характер столкновения или проскальзывания.

Второй тип взаимодействия плит (столкновение, или конвергенция) также может иметь различный характер. Мы уже упоминали о возможности перемещения самого океанического хребта вследствие несимметричного разрастания дна и, в конечном итоге, поддвигания хребта при столкновении под другую плиту. Такой случай, по-видимому, имел место при столкновении древней океанической Тихоокеанской плиты Феникс с Южно-Американской, которое привело к образованию береговой горной цепи Анд.

Другое дело, когда просто сталкиваются движущиеся континентальная и океаническая плиты. В этом случае происходит нечто, совсем не похожее на предыдущий случай. Двигающаяся, или разрастающаяся, океаническая плита, встречая континентальную плиту, погружается под нее, образуя по фронту континента глубокий желоб, через который и происходит субдукция. В то же время из недр мантии поднимается выжимаемая плитой магма и отрывает краевую часть континента, расшатанную уже при поддвигании плиты. Эта краевая часть под давлением той же, поступающей из недр магмы отходит от континента, образуя островные дуги и между ними и материком – окраинные моря. За довольно молодое происхождение окраинных морей, островных дуг и континентальных желобов говорят мелководность этих морей, тонкий осадочный слой на их дне и большие отрицательные гравитационные аномалии над желобами. Будь эти образования древними, большой вынос осадков с континента давно бы заполнил эти моря или во всяком случае создал бы мощный слой осадков, а постоянно стремящаяся к равновесию земная кора выравняла бы отрицательные аномалии перемещением в область малых давлений более плотных масс. Характерным примером такого поддвигания является тихоокеанское побережье Азии с системой глубоководных впадин, желобов и островных дуг.

Подтверждением описанной схемы погружения океанической плиты под континент является распределение очагов землетрясений и теплового потока.

В распределении сейсмически активных областей видна определенная закономерность. Очаги землетрясений размещаются узкими полосами под островными дугами вдоль активных побережий; таковы западные побережья обеих Америк, срединно-океанические хребты, некоторые внутриконтинентальные горные области: Гималаи, Кавказ – Карпаты – Альпы, Скалистые горы Северной Америки. В других областях Земли очагов землетрясений практически нет.

Глубокофокусные землетрясения, лежащие на глубинах более 100 км, почти всегда приурочены к глубоководным желобам. Здесь же очень велика и сейсмическая активность на малых глубинах. Кстати, мелкофокусные землетрясения – наиболее разрушительны. Очаги землетрясений располагаются на наклоненной в сторону континента плоскости, получившей название зона Заварицкого – Беньофа до глубин 500–600 км. Это свидетельствует о том, что погружающаяся океаническая плита, по границам которой происходят землетрясения, остужает окружающую мантию до твердого состояния, при котором только и возможно накопление и мгновенное высвобождение энергии. По расчетам Мак-Кензи холодная плита толщиной 100 км при погружении в мантию со скоростью нескольких сантиметров в год может оставаться холодной до глубин 600–700 км.

Сила тяжести, направленная в сторону погружения тяжелой океанической плиты, и сила давления разрастающегося океанического дна под напором изливающейся магмы в срединном океаническом хребте – главные движущие силы при погружении плиты.

С линиями островных дуг совпадает и распределение вулканов. Однако вулканы в основном находятся на континентальной стороне островных дуг, тогда как подавляющее большинство очагов землетрясений – на океанической. Соответственно и тепловой поток имеет низкое значение с океанической стороны островной дуги и высокое – с континентальной. Над желобом он всегда низок. Отсутствие вулканов и низкий тепловой поток со стороны желоба и океанической стороны островной дуги, а также размещение мелкофокусных землетрясений с той же океанической стороны хорошо согласуются с идеей поддвигания холодной океанической плиты и опять же подтверждает концепцию тектоники плит. Однако с этих позиций пока необъясним факт высокого теплового потока и размещения вулканов со стороны континента.

Теория прямого столкновения континентальных плит разработана менее других теорий. В этом случае будут иметь место дробление пород, сминание их в складки, образование гор. По-видимому, в зоне прямого столкновения образовались Гималаи, Альпы, Кавказ.

Третий тип взаимодействия плит – это параллельное проскальзывание, при котором образуются трансформные разломы. Типичный пример такого движения – разлом Сан-Андреас в Калифорнии.

Экстраполируя разрастание дна океана в далекое прошлое, можно представить себе ряд циклов развития океана и орогенеза. Приняты три типа развития океанов: тихоокеанский, атлантический и средиземноморский. Тихоокеанский тип характеризуется наличием субдукции и образованием береговых горных цепей. Вследствие раздвижения континентов происходят постепенное закрытие Пра-Атлантического океана и образование праматерика Пангеи. В последующем Пангея раскололась, и начался новый цикл развития океана – атлантический. Для этого цикла характерно раздвижение дна океана от Атлантического срединного океанического хребта без субдукции. При этом нарастающие Атлантические плиты раздвигают окружающие их континенты и ведут к сокращению области Тихого океана, дно которого погружается под континенты.

При этих типах раздвижения океана происходит разрастание дна в области срединных хребтов.

При средиземноморском типе развития хребты отсутствуют, разрастания дна океана не происходит, но имеются границы поддвигания. Этот тип (если он существует), по-видимому, является переходным.