Шаг вперед — два шага вниз

01 ноября 2010 года, 00:00

Карусель континентов 

Единожды появившись около 3 миллиардов лет назад, континенты начали перемещаться по поверхности Земли, собираясь в суперконтиненты 

1. Триас. Последний суперконтинент Пангея начал расходиться на отдельные континенты
2. Ранний мел. Северная Америка отделилась от Европы, а Южная Америка от Африки
3. Поздний мел. Африка продолжала двигаться к Европе, Северная Америка к Северному полюсу. Из Европы в Гренландию можно было попасть по суше
4. Современная Земля. Континенты продолжают перемещаться относительно друг друга со скоростью несколько сантиметров в год 
5. Земля через 200 миллионов лет
6. Через 300 миллионов лет
7. Через 400 миллионов лет
8. Образование нового суперконтинента произойдет через 700 миллионов лет
9. Томограмма Земли, полученная в результате «просвечивания» планеты сейсмическими волнами после землетрясений, показывает, как распределяется вещество по плотности внутри Земли 

Повторить одно из главных открытий в геологии за последние 100 лет может любой желающий. Для этого всего лишь надо взять любую карту мира (лучше контурную) и ножницы. Вырезав все материки, попробуйте сложить их вместе. Повозившись несколько минут, вы придете к тому же, к чему в свое время пришел немецкий геолог Альфред Вегенер: все континенты можно свести в один большой. Конечно, останутся небольшие зазоры, тем не менее левый западный контур Африки почти точно совпадет с восточным краем Южной Америки и так далее. Так вот, Вегенер в 1912 году предположил, что материки так хорошо «складываются» не случайно — возможно, они когда-то составляли одно целое, а потом разошлись и продолжают дрейфовать. Теория, сегодня всеми принятая, тогда была объявлена чуть ли не бредовой: как это такие огромные куски суши могут перемещаться по земной сфере. Ведь и ребенку ясно, что горы и вулканы образовались на своем месте сотни тысяч лет назад и никуда не двигались.

Томограмма дырявой мантии

Однако плитотектонисты, так позже стали именоваться единомышленники Вегенера, не сдавались. Слишком много белых  пятен было в геологии, слишком мало она объясняла. И вот в 1968 году американский геофизик Джейсон Морган и французский — Ксавье Ле Пишон опубликовали работу, которая легла в основу современных представлений о строении Земли. Ученые выдвинули гипотезу, что континенты тоже не однородны, а состоят из плит, которые движутся под действием конвекционных процессов, протекающих в мантии Земли. В сильно упрощенном виде все выглядит так: горячее ядро нагревает вещество мантии, оно «кипит и бурлит», и по нему, как островки пенки на молоке, перемещаются со скоростью несколько сантиметров в год континенты.

Плитотектоника быстро завоевала ученый мир, однако в советской геологии ее не то чтобы запрещали, но как бы не замечали. Студентов (и автора данной статьи в том числе) продолжали учить, что никакого движения материков не существует, а все эти западные теории антинаучны. Правда, в 1980-е годы плитотектоника действительно переживала не лучшие времена. Данные о процессах, протекающих непосредственно под земной корой (то есть в литосфере и астеносфере), которые собственно отвечают за дрейф плит, практически отсутствовали. Бурение сверхглубокой скважины (12 километров) на Кольском полуострове было прекрасным техническим проектом, однако достичь там мантии не удалось, она оказалась существенно ниже.

На помощь геологам пришли японские геофизики. Ёсио Фукао (Yoshio Fukao) с коллегами опубликовал в 1994 году в журнале национального геологического общества 14 карт, отражающих неоднородность внутреннего строения Земли в гигантском слое: от подошвы земной коры до границы «мантия — ядро». Карты были получены путем «просвечивания» Земли сейсмическими волнами — своеобразная томография планеты. И они показали, что классическая картина переходящих друг в друга сфер «ядро — мантия — кора» не соответствует реальности. Мантию пронизывают, как спицы, гигантские столбы расплавленного вещества (они получили название «плюмы»), «стоящие» на ядре и дотягивающиеся практически до са мой коры. Эти столбы не что иное, как восходящие горячие потоки (они обнаружены под Тихим океаном, Африкой и Срединно-Атлантическим хребтом) и нисходящие холодные (под Азией и Южной Америкой). Все это определенно свидетельствует о том, что между ядром и мантией идет интенсивный обмен веществом. Однако картина, нарисованная японцами, ничего не говорила о механизме, ответственном за дрейф материков. Связь огромных вертикальных перемещений вещества с горизонтальным движением твердых плит была отнюдь не очевидной. 

1. Вниз к ядру медленно опускается холодное вещество
2. С поверхности внешнего ядра через всю мантию поднимаются огромные плюмы, несущие разогретое вещество
3.
Мантия Глубина 30–2890 км. Состав мантии неизвестен. О нем лишь косвенно можно судить, например, по алмазам, в которых обнаружены вкрапления глубинных минералов из нижней мантии
4. Ядро Глубина 5100–6378 км. Твердая часть с температурой в центре 5000 °С

5. Внешнее ядро Глубина 2890—5100 км. Жидкая оболочка из железоникелевого сплава
6. Земная кора Глубина 5–30 км. Бывает двух типов — континентальной и океанической


Когда начали бурить Кольскую сверхглубокую скважину в 1970 году, то рассчитывали дойти до мантии на глубине 12 километров, однако там никакой мантии не оказалось. Впоследствии теоретики отодвинули границу залегания мантии в этом районе до 30 километров

Диагноз на щепках

Доктор физико-математических наук Валерий Трубицын — ученый разносторонний. В первой половине 1970-х годов он напечатал несколько теоретических работ, которые значительно изменили представления физиков о свойствах твердого водорода. Впоследствии выводы Трубицына были полностью подтверждены экспериментально, но тогда они настолько взбудоражили научную общественность, что, по слухам, сам отец водородной бомбы Эдвард Теллер обратился к президенту США с просьбой выделить средства для проверки теории советского ученого. Спустя несколько лет Трубицын теоретически показал, что Юпитер представляет собой газовый шар, на 80% состоящий из водорода, что впоследствии было подтверждено измерениями, проведенными межпланетной станцией «Пионер». Конвекционными процессами внутри Земли Валерий Петрович занялся в середине 1990-х.

Начал с того, что вместе с соавтором Юрием Рыковым написал компьютерную программу для модельной ячейки с восходящим и нисходящим потоками и двумя плавающими по поверхности «щепочками», изображавшими континенты. Несмотря на относительную простоту модели, расчет оказался столь сложным, что западные коллеги до сих пор удивляются, как исследователям удалось провести его на 386-м компьютере. Но в те времена и такая машина была роскошью, поэтому ее от греха пришлось привинтить к столу стальной скобой с амбарным замком.  Результат превзошел все ожидания — даже при таком более чем приближенном моделировании программа выдавала картину, качественно почти полностью совпадающую с той, что была получена японцами, то есть отражающую реальную геологическую ситуацию. Однако самым важным результатом было даже не это — Трубицыну и Рыкову удалось доказать, что континенты, состоящие из относительно тонких литосферных плит (около 100 километров), определяют поведение всей мантии до глубины 2700 километров. Не будь на Земле континентов, не работал бы механизм конвекции, который активно перемешивает вещество внутри нашей планеты.

От Земли твердой к Земле бурлящей

1889 — английский пастор и физик Освальд Фишер изложил в своем труде «Физика земной коры» модель эволюции Земли, во многом схожую с той, которую предлагают плитотектонисты.
1915 — немецкий геофизик Альфред Вегенер опубликовал свою знаменитую гипотезу, согласно которой континенты не стоят на месте, а дрейфуют.
1968 — американский геофизик Джейсон Морган и французский геофизик Ксавье Ле Пишон выделили наиболее крупные литосферные плиты и объяснили механизмы их движения по поверхности земного шара. Плитотектоническая гипотеза стала приобретать вид полноценной теории.
1974 — американский геофизик Адам Дзевонски представил первую трехмерную модель Земли, созданную на основе данных томографии.
1994 — опубликована работа японских геофизиков: 14 карт, демонстрирующих неоднородность внутреннего строения Земли. Господство классической схемы вложенных друг в друга шаровых оболочек закончилось.

Прогноз на два миллиарда

Схематически процесс выглядит так: сначала материки сходятся в суперконтинент, как бы усаживаясь на воронку нисходящего к ядру потока холодного вещества. Когда она оказывается заткнутой твердой пробкой из континентов, на месте нисходящего холодного потока возникает восходящий горячий (весь процесс занимает около 200 миллионов лет). Он в свою очередь разбивает единый суперконтинент и разносит образовавшиеся части в разные стороны, после чего снова теперь уже восходящий поток меняется на нисходящий и континенты начинают собираться. Таким образом, каждые 800 миллионов лет все континенты собираются вместе, чтобы потом рассыпаться по земному шару.  В этой первой модели не учитывались ни реальные размеры континентов, ни данные о распределении вещества в мантии. Потребовалось еще три года напряженной работы (в этот период Трубицын был выбран в члены-корреспонденты РАН), чтобы построить полную модель тектоники литосферных плит для реального земного шара. Она прекрасно (уже не качественно, а количественно) совпадает с японскими данными и с наблюдаемой динамикой плит, в частности, объясняет, почему столбов в реальности не один, а несколько.

Последний научный результат, полученный группой, — прогноз геологического будущего Земли. Через миллиард лет все Северное полушарие покроется водой, а на Северном полюсе начнут извергаться вулканы. Тихий океан исчезнет, а из Америки можно будет попасть в Австралию, не замочив ног. Все континенты соберутся на Южном полюсе. Климат сделается очень сухим, что приведет к вымиранию многих видов растений и животных.

А еще через миллиард лет Земля совсем остынет и станет похожа на современный Марс. Конвекция внутри мантии прекратится, континенты застынут, как вмерзшие в лед корабли. Вся вода уйдет глубоко под поверхность Земли, а на месте океанов и морей возникнет суша. На Земле вырастет несколько гигантских вулканов высотой в десятки километров, которые будут заливать лавой безжизненную поверхность планеты.

Что еще почитать?


1. Superplume Project: Towards a new view of whole Earth dynamics  www.terrapub.co.jp/journals/EPS/ pdf/5101/5101i.pdf

2. Мантийная конвекция и глобальная тектоника Земли www.scgis.ru/russian/cp1251/ dgggms/1-98/mantia01.htm

3. Милановский Е.Е. Альфред Вегенер. М.: Наука, 2000

4. Зоненшайн Л.П. Очерки. Воспоминания . М.: Наука, 1995 

Иллюстрации Эльдара Закирова

Рубрика: Наука
Просмотров: 7866