Помоги проекту - поделись книгой:
Вот что писали об этом видные сейсмологи Б. Айзеке, Дж. Оливер и Л. Сайке:
"У островных дуг, где холодный экзотический материал погружается в мантию, природа ставит эксперимент, показывающий, как ведут себя нормальные близповерхностные материалы при высоких температурах и давлениях, действующих в астеносфере".
Пространство сейсмотектоники
Когда физика обращалась к странному миру микрокосма, а астрофизики еще оставались в старом, ньютоновском пространстве, надо было обладать яркой нетривиальностью, вплоть до чудачества в глазах даже близких коллег, чтобы подобно Лобачевскому и Риману заговорить о метрике иных, искривленных пространств и подобно Эйнштейну увидеть черты неньютоновской механики и неевклидовых геометрий в реальном мире.
Биологам и геологам, возможно, порой очень не хватает той пространственной раскованности, какую позволили себе физики и математики. Межатомные, межмолекулярные силы, может быть, не просто создают причудливые кристаллы и странной пространственной конфигурации большие молекулы, которые обеспечивают жизненные процессы. Эти силы по-своему перекраивают, перестраивают пространство в своих масштабах. И может быть, на этом фундаментальном допущении будет построена "обобщенная кристаллография", о которой грезил Джон Бернал, наднаука, объединяющая биологию и кристаллографию, наука, которая объяснит наконец геологический феномен возникновения жизни на пустой Земле. Ведь теория вероятностей дает нулевой шанс на случайное создание одной, первой молекулы ДНК, с которой могло бы все начаться. Тогда найдут объяснение и многие другие загадки эволюционного прогресса, которые нельзя объяснить простым действием естественного отбора.
На пространственной ограниченности мы вдруг ловили себя, когда силились понять, откуда по окраине Тихого океана, этой цитадели мобилизма, столько глубоких землетрясений с необычными для всего остального мира типами механизмов. Тип "б1". По меньшей мере наполовину этот тип означает вертикальный сброс, вертикальное движение по вертикальной поверхности разрыва. А ведь в мелких коровых землетрясениях этого типа почти нет! Почему в Тихом океане так, а в фокальной зоне Памиро-Гиндукуша иначе? В диаграмме типов подвижек, идущих в очагах глубоких землетрясений Памира, главное место занимает тип "в", чистый надвиг — тот же, что и в поверхностных землетрясениях. Пока однажды не пришло в голову: все дело в координатах, в системе отсчета. Верхние коровые землетрясения идут вблизи свободной поверхности Земли, они происходят, как говорят физики, в "полупространстве", ограниченном, срезанном сверху земной поверхностью. Вся многолетняя практика географии, а затем и геологии приучила ученых все отсчеты производить от горизонтальной поверхности. Именно относительно этой поверхности все типы геологического движения в очагах землетрясения становятся сбросом, надвигом, сдвигом и т. д. Правильно ли с той же (географической по сути) системой отсчета подходить к глубоким недрам — триста, шестьсот километров от поверхности?
Конечно, в некоторых случаях пространство и там сохраняет черты сходства с нашим, географическим. И там есть верх и низ, поскольку не отменяется сила тяжести. И там есть поверхность равного давления, параллельная дневной поверхности. Но гравитация играет там неизмеримо меньшую роль: ведь и аквалангист не чувствует своего веса в воде, и порой лишь всплывающие пузыри подсказывают ему, где верх, а где низ.
В каком же пространстве идут глубокие землетрясения? Что принять там за поверхность отсчета?
И такая поверхность есть в зонах глубоких землетрясений. Это — сама наклонная плоскость повернувшей в мантию литосферы. Привязавшись к этой плоскости, мы получаем новую "горизонталь", от которой можно по привычной схеме строить все углы. Остается, правда, решить еще, от какого направления на этой плоскости отсчитывать новый азимут. У нас азимут отсчитывался по часовой стрелке от линии перегиба плиты, поворота из горизонтального положения в наклонное, то есть от истинного протяжения в этом месте островной дуги, или (если речь идет о Памиро-Гиндукуше) от самой осевой линии вытянутой с запада-юго-запада на восток-северо-восток полосы эпицентров глубоких землетрясений. Причем за 90 градусов на этом циферблате было принято то направление, откуда плита движется, за 270 — куда она погружается (если считать, что она действительно погружается).
Пришлось вспомнить тригонометрию и выводить формулы пересчета механизмов землетрясений в новое конкретное пространство погруженной плиты, и потом был месяц кропотливого, как сказал бы раньше про кого-нибудь, а на самом деле весьма нудного труда.
Было пересчитано почти полтораста землетрясений. Сто японских глубоких землетрясений и 49 наших, памиро-гиндукушских. Только после этого можно было заняться сравнением и размышлениями.
Бомбы в мантии
Что же увидели мы, когда перед нами развернулось в цифрах черное, относительно холодное (литосферная плита, погруженная в мантию, намного холоднее окружающей среды) пространство литосферы, попавшей в плен к Плутону? Мы увидели, что плиты японских островных дуг сдавлены вдоль оси своего падения на всем своем прослеживаемом по глубоким землетрясениям протяжении. Ибо и в верхних частях погруженной, например, под Японское море плиты, и в нижних, обрывающихся на бездонной глубине где-то уже под уссурийской тайгой, господствовало сжатие, направленное по оси этого падения. Выходило, что японские плиты тонут не совсем охотно, сила подступающей сзади, от центра Тихого океана, литосферы буквально заталкивает плиту, и она движется быстрее, чём это было бы только под действием ее собственного веса.
При пересчете мы увидели, что там, в японских плитах, набор типов геологических подвижек оказался не странным и не обычным, как прежде, а стандартным набором любой альпийской складчатой зоны, и выходило, что эти плиты — что-то вроде тех же Альп или Кавказа, только они "сделаны" из океанической литосферы и повернуты набекрень. Странный тип "б" почти весь перешел в надвиг, то есть в тип "в".
Один из основателей и ярых приверженцев плитотектоники — Питер Мольнар (который на вопрос о том, чем он занимается в свободное от работы время, отвечал: "Тектоникой плит" — и который тем не менее был не прочь с азартом сыграть в наш гармский малый футбол) до приезда в Гарм очень много занимался тонущими плитами Тихого океана. Этот молодой американец одним из первых установил, что сдавливание такой плиты по продольной оси, то есть заталкивание ее, — дело вовсе не обязательное. Землетрясения промежуточной глубины (до 300 километров) сплошь да рядом показывают растяжение по оси (например, буквально тонущие, растягивающиеся при этом плиты Центральной и Южной Америки). Он показал и еще одну странную вещь. Некоторые плиты по пути своего падения в мантию то сжаты (плита "заталкивается"), то без всякого перехода как будто растянуты (плита "тонет" сама). "Тонет", "заталкивается" — это условные, конечно, обозначения; что там в самом деле происходит, неизвестно. Самое удивительное, что тонущая плита иногда как бы рвется пополам. В оторванном и далеко ушедшем вниз нижнем обломке плиты продолжаются сильные землетрясения. Причем сжатие в таком обломке, оказывается, идет по типу "заталкивания" — по падению куска плиты.
— Но почему? Ведь ее ничто уже не толкает, — спросил я Питера (дело было у нас на веранде, где мы отпаивали его зеленым чаем после очередного футбола).
— Это. Очень. Трудно, — с удовольствием проговорил Питер простую русскую фразу. — Мы не знаем.
И я подумал, что мы действительно этого не знаем и еще, может быть, долго не узнаем. Но странное и произвольное поведение плит при их погружении вниз (то сжатие по падению, то растяжение) может быть еще одним указанием на то, что сдвиговая маска глубинных землетрясений — это только маска. Она действительно говорит об условиях движения плиты: вот чуть посвободнее — и она как будто растягивается, вот чуть замедлилось погружение — и стрелки сжатия с ходу меняются местами со стрелками растяжения. Но сами землетрясения, непрерывно "стукающие" на всем протяжении плиты, вызваны иной причиной, энергия этих толчков другого происхождения... А сдвиговая маска накладывается, как эффект возбужденной тектоники накладывается на подземные ядерные взрывы. Тогда выходит, что погружающиеся плиты — как бомбы, только вместо взрывчатки они начинены энергией резкого, взрывоподобного разуплотнения (при попадании в менее плотную среду) и не менее резкого схлопывания (взрыва наоборот) при раздавливании плиты в более глубоких и плотных слоях мантии. Но постепенно эта энергия иссякает, плита дробится все более основательно, уравнивается в плотности и температуре с окружающей средой. И тогда она "замолкает", толчки в ней прекращаются (на глубине около 700 километров). Дальше она уже мирно, без толчков усваивается мантией полностью.
Подпорка крыши
Каким же предстало перед нами пространство плиты, круто уходящей вниз, под Крышу мира? Даже чисто формальные таблицы с первого взгляда обнаруживали, что под Памиром идет процесс, прямо противоположный тому, что показали механизмы землетрясений Японии.
Плита (или плиты, если их две) растягивалась по длине. А сжата она была поперек, как лента между рольгангами прокатного стана. Можно было рассуждать так.
1. Допустим, плита тонет от собственного веса, как тонут плиты под Южными Кордильерами. Тонуть может только океаническая плита: она действительно может быть тяжелее астеносферы. Если плита под Памиром — реликт прошлого, значит, она оторвалась от поверхностной литосферы 30 миллионов лет назад (по-видимому, тогда сошлись Индия и Азия). Раз она тонет (а скорость такого погружения плит ученые определяют не менее чем в один сантиметр в год), то ее верхний конец должен отстоять от поверхности Земли не менее чем на 300 километров! А она вся не более 300 километров, и никакого зазора между коровыми землетрясениями и глубокими ученые не усматривают.
2. Допустим, что плита там все-таки сухопутного, континентального происхождения. Подойдя друг к другу 30 миллионов лет назад, Индия и Азия пустили вниз встречные языки континентальной литосферы, затолкнули их на глубину, несмотря на то что литосферная континентальная плита легче мантии. (При таком заталкивании сила сжатия должна быть направлена по ходу движения.) Сейчас это насильственное заталкивание (вещь вообще-то весьма сомнительная) прекратилось. И легкая литосфера, загнанная против силы Архимеда в мантию, пошла назад, вспять. Причем быстрее всего идут назад верхние части плиты, недавно погруженные в мантию, а нижние, уже успевшие частично уплотниться, отстают, отсюда — растягивающее плиту напряжение.
Оба этих варианта не выдержат вдумчивой критики. В первом остается зиять проблема зазора, которого нет между поверхностью и погруженной плитой. Во втором абсолютно нереальным выглядит механизм заталкивания легкой континентальной плиты в тяжелую плотную мантию. К тому же, допустим, континентальная литосфера действительно ушла вниз на 300 километров. Но перед ней должна была идти, погружаясь, все та же древняя океаническая плита. Ничто не мешало ей продолжать опускаться в мантию и проявлять себя по пути глубокими землетрясениями!
И все же в обоих вариантах есть и привлекательные моменты. Из них-то попробуем составить третий, промежуточный вариант.
Погруженная плита, конечно, может быть только океанической. Но она почему-то не тонет, а даже, видимо, всплывает. Если плиты всплывают, многое объясняется. Например, то, почему азиатский и индийский разорванные вдоль эскалаторы, повернув вниз в разных местах (западный — на юге, восточный — на севере), под районом Памиро-Гиндукуша "встречаются" на глубине, склеиваются боками, превращаясь в единую широкую эскалаторную ленту, единую структуру. Такая "встреча" в глубинах мантии азиатской и индийской лент абсолютно невероятна. Если же представить себе, что лента, изначально единая на глубине, поверху рвется вдоль, причем восточная ее часть перегибается давящей с юга, от Индии, горизонтальной силой на север, многое становится понятным: например; то, почему на западе под прикрытием плиты, всплывающей вверх и на юг, быстро гаснут скорости горизонтальных движений, выявленных геологами, и рядом с великой горной страной существует огромная Таджикская впадина. А на востоке, где сломанная, перегнутая на север часть плиты уже не мешает движению каменных масс с юга, от Индии, происходит как бы прорыв плотины: горизонтальные скорости в литосфере сохраняются очень высокими, и влияние этого движения геологи находят даже за пределами Памира, далеко на севере, в Тянь-Шане. Если бы азиатская плита двигалась здесь под индийскую, картина была бы прямо противоположной.
Да, похоже, что это самая правдоподобная модель... Вот только как может всплывать океаническая плита, если она тяжелее астеносферы?
Мы много и с переменным успехом обсуждали этот вопрос. Сказать, что мы его решили, было бы грубым самообманом. Есть только намеки на выход из сложившихся противоречий и парадоксов.
Первый намек: плита под Памиро-Гиндукушем, несомненно, тяжелее континентальных литосферных плит и Азии и Индии, но тяжелее ли она астеносферы и прочей мантии па всей глубине до 300 километров — еще вопрос. Как раз под Крышей мира геофизики-гравиметристы поместили еще в 30-х годах центр мощной отрицательной аномалии силы тяжести. Обширность и размытость очертаний этой аномалии указывают на то, что ее источник, блок пониженной плотности, лежит именно в мантии. Тогда, в 30-х годах, советские геологи пришли к выводу, что под Памиром находится зона мощного разупрочнения, разуплотнения подкоровых масс с выпучиванием и глубокими землетрясениями, сопровождающими этот процесс.
Откуда же взялись представления о повышенных плотностях мантии под Памиро-Гиндукушем? Оказалось, сейсмические лучи от отдаленных землетрясений, приходя в силу законов преломления в толще планеты к Памиру почти снизу, набирают на последних 300 километрах своего пути некоторую разницу во времени пробега. Через фокальную зону глубоких землетрясений Памиро-Гиндукуша сейсмические лучи проходят на секунду-полторы быстрее. Повышенные скорости обычно свидетельствуют о повышенной плотности вещества. Но всегда ли?
Недавно советские сейсмологи измеряли скорости самых быстрых, продольных сейсмических волн в районе Камчатки. Их интересовало, одинаково ли идет волна через погруженную в мантию плиту "напротык" (слово не я придумал, это принятый термин) и по самой плите, вдоль нее. Оказалось, "напротык", поперек слоев плиты волна идет на 0,3-0,5 километра в секунду быстрее, чем по самой плите. Но почти вертикально приходящие к Памиро-Гиндукушу сейсмические лучи так ведь и идут "напротык" через горизонтальную континентальную литосферу и слои астеносферы (и тогда скорости пониженные) или по самой погруженной почти стоймя плите (и тогда скорости будут повышенные, даже если эта плита несколько менее плотная, чем вмещающая астеносфера). Разница в одну-две секунды пробега набирается очень легко. Наберется и больше, если всплывающая плита, например, внедрена в литосферу Памира (а похоже, именно так и обстоит дело).
Почему прекратила погружаться и начала всплывать последняя океаническая плита древнего океана Тетис? Может быть, когда океан полностью закрылся, мантия стала приспосабливаться к новому положению? Ведь известно, что мантия под океанами и под материками не одна и та же. И как чертик в склянке, затянутой пузырем (вот он только что тонул, а нажали на пленку сверху — пошел всплывать), плита остановилась в своем движении (может быть, успела уже оторваться, уйти километров на пятнадцать вниз) и медленно, торжественно двинулась вверх, поднимая Крышу мира, вмешиваясь в процесс столкновения континентов, смущая геологов и геофизиков.
Уникальный Памирский узел... Впрочем, такой ли уж уникальный? Под Карпатами до сих пор сохраняется узкий язычок глубоких землетрясений. Можно предположить, что и под Кавказом, и под Ираном, и под Гималаями существовали такие погребенные реликтовые плиты, только к настоящему времени они уже "выдохлись", замолчали. А может быть, их остатки и сейчас еще висят в мантии, только обнаружить их трудно: землетрясений в них нет... Недавно американские ученые обнаружили такую "молчащую" крутонаклонную (под 80 градусов) плиту под территорией штата Невада. Она выдала себя тем, что на полторы секунды быстрее пропускала через себя сейсмические волны от южноамериканских землетрясений. Самое странное, что плита, изогнутая дугой, тянется, если нарисовать эту дугу на поверхности Земли, поперек современных очень ярко выраженных меридиональных структур востока США. Похоже, 16 миллионов лет назад на востоке США существовало какое-то море типа Мексиканского залива (где и сейчас есть тянущаяся широтно небольшая островная дуга с наклонно уходящей вниз плитой). Плита под Невадой, по-видимому, тоже не тонет. Она висит и почти не всплывает, в ней самой нет землетрясений. Но наверху, на поверхности Земли, ученые отмечают в Неваде средние и слабые землетрясения, идущие по типу сброса. Причем растяжения в этих землетрясениях направлены так, что заставляют подозревать: плита уже (или еще?) упирается в крышу материка и слабо выгибает ее, начиная (или заканчивая?) вертикальное, сводовое поднятие Невады.
Реликтовые, погруженные в мантию литосферные плиты под Памиром, Карпатами, Невадой наводят на мысль по-новому взглянуть на этапы горообразовательной деятельности по всей Земле. Геологи давно заметили, что все большие горные системы Земли (и нынешние, и давно исчезнувшие) всегда воздвигались на месте геосинклиналей — областей длительного и интенсивного прогибания земной коры. Геосинклинальный этап горообразовательного процесса всегда сопровождался мощным накоплением осадков, чаще всего морских, с мощными внедрениями магматического и вулканического вещества.
Эти окаменевающие потом осадки и внедрения в них возносятся на поднебесные высоты. Поколения геологов пытались выяснить причины именно такой, а не иной последовательности событий. Было придумано много остроумных теорий, ни одна из которых не учитывала, однако, всех деталей удивительного явления. Например, совершенно не ясно, почему все эти геосинклинали и возникшие из них горы всегда были необычайно линейно вытянутыми, узкими и длинными. Сейчас, вероятно, без соединения геосинклинальной теории с новой глобальной тектоникой не обойтись.
И такая видится последовательность. Сначала — классическая геосинклиналь в виде островной дуги с примыкающими к ней с одной стороны глубоководным желобом, а с другой — окраинным морем. Все это в целом под влиянием тонущей здесь окраины плиты опущено, втянуто, как в воронку, в засасывающие плиту глубины; туда же оказываются затянутыми и легкие осадочные породы, что создает здесь гравитационную неустойчивость, возрастающее стремление части вещества вверх. До поры до времени только полоска вулканической суши выдает это скрытое стремление. Но эта полоска — центральная ось будущего общего воздымания. Вот процесс субдукции начинает вырождаться: то ли рифт, порождающий океаническую кору, сблизился с желобом, ее потребляющим, то ли континентальная литосфера, приплыв на мобилиетском "эскалаторе", своим телом закрыла зону субдукции и остановила механизм погружения. Такому вырождению подверглась, по всем данным, зона субдукции у Тихоокеанского побережья Северной Америки близ Невады (рифт слился с фокальной зоной).
И по-видимому, в тонущей плите, лишенной нового подпора сверху, почти сразу происходит раскол. Нижний ее язык от 300 до 700 километров глубиной, продолжая погружение, отрывается и тонет, усваиваемый мантией, а верхний останавливается, а может быть, под влиянием изменившихся внешних условий (например, попав в более плотную подконтинентальную мантию или в восходящую "струю" конвективного мантийного потока) начинает и всплывать. Начинают всплывать и затянутые в мантию против силы тяжести легкие осадки. Американские Кордильеры — это пример перелома в геосинклинальном процессе. По всему фронту Центральной и Южной Америки еще не закончилась субдукция, как уже закончилась она для Северной Америки, но уже силы воздымания начинают одерживать верх. Огромные массы легкого вещества, затянутые "против воли" в мантию, ищут выхода, образуют в коре вытянутые зоны, обогащенные ценными веществами, воздвигают высочайший хребет. Сама же затолкнутая вглубь, под Америку, плита, хотя и продолжает погружаться, готова остановиться. Оттого и механизм глубоких землетрясений там не тот, что, скажем, под Японией, но такой же, как под Памиром!
Давно закончилась субдукция под Памиром и Карпатами, но попятное воздымание затянутого в мантию вещества еще продолжается, сопровождаемое глубокими землетрясениями. А под Гималаями, Альпами этот процесс зашел еще дальше, они переживают последний, уже чисто горообразовательный этап геосинклинального процесса — без глубоких землетрясений.
Энергия, накопленная в прошлом
Об этой гипотезе я читал давно. В журнале "Земля и Вселенная" когда-то рассказывалось о коллективе сейсмологов, собравшихся на совещание в Гарме, в своей обсерватории. Помнится, автор статьи сдержанно, но добросовестно изложил основы построений Виталия Пономарева и, не выказывая никакого к ним отношения, перешел к очередному вопросу, кажется к знаменитому случаю, когда Алексей Николаев во время своего весьма серьезного доклада о сейсмической "мутности" в качестве иллюстрации предложил собравшимся свое очень недурное полотно, выполненное в духе если не абстракционизма, то Чюрлениса. О Николаеве и мутности я расскажу дальше, а досказать наконец все про гипотезу накопленной энергии (независимо от Пономарева похожую идею развивают Кучай из Душанбе и Хлобустов из Ташкента) самое время.
Свой рассказ Виталий всегда начинает с ошеломляющих фактов. Последуем его примеру.
Когда строили туннель под Монбланом и основательно уже углубились, начали происходить странные случаи. Вот отвалили большой кусок породы, везут в вагонетке. И вдруг (иногда еще в вагонетке, иногда уже снаружи, в отвале) бах! Взрыв! Камень — в порошок, разлетается вдребезги.
В шахтах иногда происходят горные удары, которые тоже трудно отличить, с одной стороны, от землетрясений, с другой-от взрывов. Когда добираются до "гипоцентра" горного удара, чтобы выяснить, какие деформации вызвали катастрофу (а горные удары — это именно катастрофы), выяснить часто ничего не удается: горные породы перемолоты в пыль.
Один мой знакомый любил спрашивать: что будет, если... И дальше шло что-нибудь такое, чего быть в природе не может. Но такие мысленные эксперименты очень полезны и часто применяются в науке. Помню, один раз он спросил: "Что ты увидишь, если перед твоими глазами разрежут, как арбуз, пополам земной шар?" Я начал напрягать память и мямлить: вот увижу жидкое ядро, в нем твердое ядрышко... Знакомый пришел в восторг от моей тупости. "А ничего тыне увидишь, — заорал он, — ты ослепнешь сразу. Ведь Земля вся, за исключением верхних нескольких сот километров, раскалена добела, ярче самой яркой электрической лампы!" Тогда я, помню, был сконфужен. Но сейчас, я мог бы задать ему тот же вопрос, и, когда он с удовольствием выпалит свое умозаключение, я имею все основания в тон ему сказать:
— А ничего ты не увидишь и не ослепнешь, ты погибнешь сразу от чудовищного взрыва! Ведь освободится вся затаенная в Земле энергия ее гравитационного сжатия. Миллиарды атмосфер — и все наружу!
И пожалуй, он будет еще более сконфужен, чем я, ибо этот мой знакомый — сейсмолог и должен был в первую очередь подумать о механике, а не об оптике земных недр.
Все эти примеры и мысленные эксперименты говорят о том, что в недрах нашей планеты хранится огромное количество энергии. Не следует думать, что эта пассивная потенциальная энергия всестороннего давления пробуждается только в редких, исключительных случаях. При разного рода фазовых превращениях вещества (например, при изменении внешнего давления, температуры) масса даже небольшого объема (например, гранитных пород) по-разному воспринимает это изменение. В составе гранита — кварц, полевой шпат, слюда, у них разные коэффициенты расширения, модули упругости и что-то там еще, в результате в принципе не исключено раздробление гранитной глыбы в недрах, без ее извлечения на поверхность.
Где на Земле возможно повышенное выделение такой энергии? Во-первых, в рифтах. Об этом уже говорилось выше. Там эта энергия выделяется в форме тепла и мощных нагнетательных процессов, обеспечивающих плитотектоническим импульсом всю литосферу планеты. Во-вторых, она должна как-то проявлять себя и в горах. Так или иначе, но горы растут, а с их вершин непрерывно смывается, выветривается слой за слоем. Там происходит непрерывный и неравномерный в пространстве процесс подъема к поверхности сжатой чудовищным давлением бомбы земных недр. Куда девается вся эта энергия, по подсчетам, очень большая? Неужели исчезает бесследно? Не она ли ответственна за большую часть трещин и разломов в коре Земли?
Не эта ли энергия хотя бы отчасти ответственна за бесчисленные землетрясения, которые есть во всех горных системах Земли?
Механизм разуплотнения... Сам автор и энтузиаст этой гипотезы Виталий Пономарев, как это часто бывает, склонен расширить рамки ее применения до весьма широких пределов.
— Представь, — говорит он мне, и глаза его зажигаются фанатическим блеском, — гора! С горы эрозия смывает слой.
Весь столб литосферы до самой астеносферы, на которой он "плавает", становится легче. Он поднимается... Ну, возьми двадцатисантиметровой толщины льдину, срежь верхние два сантиметра, на которые она выступает из воды. Льдина поднимется — но не на все два сантиметра, а на одну десятую оставшихся восемнадцати сантиметров — на 1,8 сантиметра. Так? Срезая льдину слой за слоем, ты уменьшаешь ее толщину, а значит, и величину компенсационного всплывания. Процесс затухает.
В Земле — другое дело! Столб литосферы поднимается после снятия нагрузки на некоторую величину, тоже меньшую, чем эта снятая нагрузка. Но сам столб весь, по всей длине, попав в несколько другие условия всестороннего сжатия, слегка расширится, освобождаясь от избыточного давления, разуплотнится, потеряет в удельном весе. А значит, поднимется еще немного — ровно на столько, чтобы достигнуть прежней отметки. Снизу освободившееся пространство заполняется астеносферным веществом, ничем по составу не отличающимся от литосферного, столб возвращается к прежнему состоянию, ну все равно как если бы льдину снизу намораживали ровно на столько, на сколько ты ее срезал.
Ты понимаешь, раз уж есть гора или континент (любая область сноса), то она себя поддержит, подрастая ровно на столько, на сколько съедает ее сверху эрозия!
— Ты же смотри, что дальше получается, — уже не говорит, а кричит Виталий, задыхаясь от непрерывно прикуриваемых сигарет. — Ты слышал, были ядра роста континентов — это когда Земля дифференцировалась, всплывали комочки веществ полегче, возникли первые участки континентальной коры. Возникнув, они превратились в самоподдерживающуюся и даже развивающуюся систему (осадки после эрозии далеко не уносило, откладывало рядом, суша разрасталась и сама становилась областью сноса, а значит, тоже начинала подниматься, разуплотняясь).
— А тот подъем ведь надо компенсировать, понимаешь же ты! — от возбуждения переходя на свой украинский акцент, кричал Виталий мне уже позже в Москве по телефону. — Область разуплотнения становится областью подсоса. Чего? Ясно — астеносферного вещества. В астеносфере возникает течение от океанов к континентам и горным областям. А разве плитотектоника может объяснить, почему течет астеносфера, да плиты еще ж на себе тащит? Конвекция в мантии? Сомнительно...
Так вот, каждая горная область, каждый континент сосут под себя астеносферное вещество. Но таких зон подсоса много. Скажем, Евразия, Америка. Они гребут под себя вещество, а его мало — слой астеносферы тоньше литосферы, по нему плавающей. Откуда гребут? Из-под океанов. А там, где сталкиваются интересы двух зон подсоса, возникает "водораздел", граница, откуда вещество течет, волоча на себе плиты, в обе стороны! Догадываешься? То ж рифты! Оттуда вещество отсасывается на столько, что возникает новое течение компенсаций, новый подсос, на этот раз снизу, из глубин мантии...
Первая реакция всех знакомых на гипотезу Пономарева — оторопелое молчание. Следствий и выводов так много, что сначала кажется: ужели вот он, ответ на все вопросы? Растекается океаническое дно, раздвигаются континенты, а все из-за чего? Все эти оползни, сели, несущие муть и валуны реки, ледники — это не только результат роста гор, но и причина их роста, и причина роста и существования континентов и течений в астеносфере, и даже причина спрединга — растекания океанического дна у далеких рифтов. Географическая тектоника!
Впрочем...
— Виталий, а как же зона субдукции, заталкивания океанической плиты на стыке континента и океана? Поворачивая вниз по периметру всего океана, литосфера образует прочные завесы, перекрывающие хилые твои течения по астеносфере и, значит, прекращающие весь процесс. А процесс-то не прекращается! И потом, как ты объяснишь, что есть области (тот же Памир, Гималаи), где скорость роста гор на порядок больше, чем скорость их эрозии? К тому же раз плитотектоника остается, значит, и мобилистский механизм роста гор на стыке плит остается тоже... Зачем тогда твой механизм разуплотнения?
Минуту Виталий молчит, ожесточенно затягиваясь сигаретой на другом конце провода, и признается, что "над этим еще надо подумать".
Короче говоря, немало трудностей у гипотезы разуплотнения: слишком уж четко и ясно прослеживается во всем сейсмическом режиме, в механизмах землетрясений тектоническая, геологическая подоплека, направленность всего движения. Но какое-то место в будущей модели сейсмического очага этот дополнительный источник энергии может обрести. Сейчас некоторые сейсмологи (например, наш, гармский, Б. Г. Рулев) разрабатывают сложные (двойные, тройные) модели очага. И уже ясно: чтобы пришел в действие обычный сдвиговый механизм сильного землетрясения (со смещением по большой плоскости), к этому смещению плоскость должна быть подготовлена в предыдущих фазах.
Совсем другую роль несдвиговая компонента может сыграть в глубоких землетрясениях.
Плита, медленно всплывающая под Крышей мира, попадает каждым своим погонным километром в условия все меньшего давления окружающей среды. И по всей длине она разуплотняется, растрескивается, как это нередко бывает с керном пород из глубокой скважины.
Интересно, что распухание плиты, как и керна, идет во все стороны скорее всего одинаково. Но если по наименьшему расстоянию, то есть по толщине, это распухание может идти и без растрескивания, то по длине плиты напряжения от этого неравномерного, усиливающегося кверху распухания, разуплотнения достигают критических величин, приводящих к разрушению — землетрясению (так и керн пород из глубокой скважины разуплотняется во все стороны, а растрескивается только по длине). Становится понятным распределение напряжений в механизме глубоких памирских землетрясений. Если для поверхностных землетрясений сжатие как бы главная ось, а ось растяжения — это скорее ось наименьшего сжатия, то во всплывающей плите главная сила — растяжение. И про ось сжатия глубокого землетрясения в этом случае можно сказать: "ось наименьшего растяжения". Но и это наименьшее растяжение для погруженной плиты фиктивно. Просто в эту сторону плита растягивается без толчков-землетрясений.
Да, непросто распутать Памирский узел... Пусть читатель не думает, что автор самонадеянно взялся разрубить его. Над его распутыванием будут биться еще поколения геологов и геофизиков. Но может быть, читателю теперь будет яснее, как это делалось и делается.
К новому геопрогнозу
Землетрясения и вулканы
Повсюду, где земля непрерывно колебалась в течение нескольких месяцев, как это было на Ямайке в 1663 году, в Лиссабоне в 1755 году, в Пьемонте в 1808 году, население ожидало увидеть появление нового вулкана. Забывают, что очаги, или центры, землетрясений следует искать далеко от поверхности земли… что самые сильные катастрофы происходили не у подножия действующих вулканов, а в горных цепях, сложенных самыми разнообразными породами.
К миру наклонно тонущих плоскостей трудно привыкнуть. Это странный мир нынешних наук о Земле. И только сейчас ученые решаются робко ступить в это наклонное пространство, пространство, которое набекрень.
В самом конце 1974 года к нам в Гарм прислали только что выпущенный сборник статей наших коллег — камчатских сейсмологов. И мы не без удовлетворения заметили, что не одиноки в попытках освоить это пространство. П. И. Токарев раскладывает его на планшете, делит специально придуманными "параллелями и меридианами". И наносит на этот планшет точки — землетрясения. Их много, очень много, и Токарев упрощает картину, наносит на план в изолиниях сейсмическую активность. Активность падает с глубиной, но падает неравномерно и примерно так. До глубины 80-120 километров — быстрое падение. Потом сейсмическая активность, примерно постоянна до глубины 160 километров. Потом снова резкое падение. На этом падении очень своеобразно повела себя изолиния 0,17 (в условных единицах активности). Эта изолиния вытянулась почти прямо вдоль всей карты наклонной плиты. И самое удивительное: именно на эту линию спустились вертикали, проведенные исследователем от каждого камчатского вулкана вниз через мантию, к наклонной плоскости тонущей плиты.
...Ученые давно и много спорят о том, как связаны между собой вулканическая и сейсмическая стихия Земли. С одной стороны, если нанести вулканы мира на карту, они всегда окажутся там, где землетрясений много. Значит, связь есть. С другой — вулканы будто избегают районов самых сокрушительных землетрясений, а сильные землетрясения как в пространстве, так и во времени будто стремятся "обойти" вулканы и вулканические извержения.
И вот работа Токарева, его выход в непривычное пространство набекрень пролили новый свет на этот парадокс. Да, вулканы связаны с тектоникой и землетрясениями. Вокруг Тихого океана они всегда располагаются на определенном расстоянии от глубоководного желоба, отмечающего поворот литосферы вниз (на Камчатке--на расстоянии 125 километров). Дуга вулканов параллельна дуге желоба. И как выясняется, самые мелкие детали извивов этой дуги привязаны к сейсмической активности в недрах тонущей плиты. В одном месте на планшете наклонной фокальной поверхности есть резкое местное аномальное падение активности, и именно в этом месте несколько вулканов как бы отрываются от дуги и отступают назад, располагаясь уже не узкой ниточкой, а этаким "мысом".
Итак, связь есть, но связь обратная: вулканы располагаются над тем местом, где сейсмическая активность резко падает. Что-то такое происходит в наклонной плите, что большую часть выделяемой в пути энергии она на глубине 160 километров перераспределяет из сейсмической формы в вулканическую.
Детали этого процесса еще не ясны. Как эта энергия передается вверх, к вулкану, тоже еще не известно. Сам вулканический очаг, нащупываемый сейсмологами по затуханию в нем поперечных сейсмических волн, располагается гораздо выше, уже в коре. Под ним на глубине 30-100 километров расположен гораздо более обширный магматический очаг (его, кажется, нащупали С, А. Федотов и О. В. Потапова с помощью сейсмических методов). Видимо, и это не самый нижний этаж сложного аппарата вулкана, ибо еще ниже на той же вертикали находятся найденные Токаревым области утечки сейсмической энергии из тонущей плиты.
Пока не ясно, что за энергия перекачивается из сейсмической формы в вулканическую. Может быть, именно на глубине 160 километров тонущая плита попадает в такие условия все возрастающего давления и температуры, что самые верхние слои тонущей твердой литосферы начинают плавиться, течь, с одной стороны, смягчая жесткость плиты (и оттого на этой глубине меньше землетрясений), с другой — поставляя расплав, магму для огненной фабрики вулканизма...
Металлы и мобилизм
Геологи, занятые поисками полезных ископаемых, традиционно отмежевывались от страстей, вот уже полвека потрясающих тектоническую науку. Было в этом, возможно, нечто рациональное: от геологов-практиков требовали разведанных запасов, а не блестящих теоретических построений. Запасы же разведывались неплохо и по региональным закономерностям, и по аналогии (без выяснения истинного смысла аналогии).
Примерно так до сих пор иногда поступают синоптики, от которых требуется перспективный прогноз. Они выискивают среди прошлых лет такой год, в котором последовательность погод больше всего походила на погоду нынешнего года. Это сходство экстраполируется и на будущие месяцы, при этом истинный смысл той, а не другой последовательности не выявляется, не анализируется.
Но как и в метеорологии, такому прогнозу без теории приходит конец и в геологии. Теории нет еще и сейчас. Это не значит, что ее и не будет. Ростки нового пробиваются наружу медленно. Но принципиальный ответ на некоторые основные вопросы в повестке дня.
Например, такой вопрос: что нас ждет на дне океана? Новые Клондайки или... ничего? Здесь необходимы пояснения. Океан сулит, конечно, немало богатств. В его воде растворены все нужные человеку вещества, только научись добывать их. Кое-какие из этих веществ осаждаются на дне океана в виде железомарганцевых конкреций. Добыча этих конкреций сулит многие выгоды экономике. Но речь все-таки о другом. Есть ли в океанической коре огромных абиссальных равнин океанов крупные эндогенные (глубинного происхождения) месторождения руд металлов? А других веществ? И здесь при ответе на этот вопрос, при ответе, который сам по себе является важнейшим для нас перспективным прогнозом, все зависит от того, на какой точке зрения стоит геолог-"полезник", мобилист он или фиксист. Фиксист, по идее, должен дать весьма положительный ответ: ведь для него кора океанов та же материковая кора, ну, может быть, слегка переработанная, и почему бы в ней не быть таким же месторождениям полезных ископаемых, как и на суше? Но удивительное дело: даже те геологи, которые на словах все еще фиксисты, сейчас уже не будут так уверенно прогнозировать. Слишком уж убедительны последние данные морской геофизики о молодости океанического дна, о простоте и незамысловатости строения океанической коры, простоте, не оставляющей места для такой вершины геологического развития, как богатое месторождение полезных ископаемых.
Да, похоже, что при ответе на главный вопрос новая геология должна разочаровать нас: все богатейшие месторождения мира сосредоточены на суше, а также в шельфовых и окраинных морях. Дерзкая вылазка человека на просторы подлинно океанских глубин (шельф геологически — это тот же материк) очень мало прибавит к тому, что мы имеем. Значит, еще более бережливыми и рачительными должны мы стать уже сейчас...
Значит ли это, что новая глобальная тектоника только отнимает у нас надежды, ничего практически не давая взамен? Нет! Похоже, что, ограничив область нашей экспансии, она зато дает гораздо более точные указания, где искать на оставшихся пространствах, на суше и шельфе.
Уже давно геологи заметили, что месторождения руд металлов по берегам Великого океана расположены узкими полосами параллельно берегам, причем эти полосы расположены как бы рядами, "кольцами", и в каждом следующем кольце встречаются другие руды металлов. В целом для обрамления Тихого океана от берега в глубь континента характерна такая последовательность руд: ближе всего к океану — железо, ртуть, медь (иногда с золотом и молибденом), дальше — свинец, — цинк, серебро и, наконец, олово, опять-таки с молибденом.
Представим себе транспортер, движущийся издалека и долго, на ленте которого насыпана тонким слоем металлическая пыль. Там, где транспортеру надо заворачивать вниз, в недра механизма, приводящего его в движение, стоит щетка, снимающая пыль (чтобы она не попала в движущиеся шестерни). Ясно, что, чем дольше движется транспортер, тем богаче будет "месторождение" металлической пыли, скопившейся у щетки, даже если на самом транспортере этой пыли будет совсем мало.
Примерно так действуют зоны пододвигания транспортеров — океанических плит под окраины Тихого океана. Как бы мало ни несло на себе океаническое дно конкреций с высоким содержанием металла, после того как оно завернуло в глубину и стало медленно наклонно погружаться под материк, на определенной глубине те или иные вещества будут или расплавлены, или растворены окружающей мантией. Ну, а поскольку над зонами погружения плит всегда есть восходящие потоки, выносящие частично погрузившиеся вещества к очагам вулканов, то в некоторые из этих потоков вовлекаются и руды, соскребаемые с ленты океанического дна.
Американский геолог Р. Силлитое заметил, что в Северной и Южной Америке последовательность месторождений руд металлов от берега в глубь континента связана очень простой зависимостью с тем, на какой глубине в данном поясе тянется пододвинутая под континент плита. Каждая следующая группа металлов "снимается" с более глубокого участка конвейера, вот и все. Впрочем, не все, и там есть свои сложности. Геолог заметил: в некоторые эпохи с "конвейера" поступало много руд, в другие — меньше, и это, очевидно, связано с тем, сколько полезных веществ выпало (с помощью бактерий или самостоятельно) на движущееся дно океана.
Так или иначе, но геологи уже пробуют направлять поиск новых месторождений, руководствуясь новым прогностическим признаком. Силлитое проследил очень похожие последовательности месторождений везде, где происходит или происходила субдукция — пододвигание океанического дна. Медно-порфировые руды очень схожего генезиса есть в Румынии, Ираке, Пакистане, в Кордильерах, на Тайване и на Новой Гвинее. Силлитое предсказал открытие таких же комплексов руд в Турции, на островах Фиджи и на Окинаве (прогноз подтвердился почти сразу). Дальше в прогнозе перечисляется еще целый ряд стран, где пока больших запасов не обнаружено, но они должны быть, — это острова Индонезии и Филиппин, Алеутские, Камчатка, Новые Гебриды, Бирма, Таиланд, Греция, Афганистан, Марокко, Алжир.
Это все ныне действующие или недавно действовавшие зоны пододвигания. Но Силлитое берется (может быть, и преждевременно) решать и обратную задачу. Кое-где (на Урале, в Казахстане, Узбекистане) есть те же последовательности месторождений полезных ископаемых очень древнего происхождения. И ученый смело предполагает, что и там когда-то давно действовал тот же механизм пододвигания плит, причем можно прикинуть, в какую сторону это пододвигание шло и под каким углом...
Так гипотеза мобилизма, еще недавно бывшая просто красивой теоретической игрушкой, начинает свою будничную трудовую жизнь, пытаясь сделать свой вклад в проблему геолотического прогноза.
Релятивистская геомеханика
Как оценить, как осознать все значение происходящей на наших глазах революции в науках о твердой Земле? Переход от прежнего, торжественно фиксированного в целом пространства геологии ко всеобщему пространственно-временному бурлению не оставляет нетронутым ни одного раздела наук о Земле. Известный геолог Р. У. ван Бемеллен в 1965 году говорил о "релятивистском подходе к описанию и объяснению структурной эволюции". Это, конечно, метафора, ибо "релятивистский подход" в физике, откуда заимствован термин, — это неньютоновский, эйнштейновский подход к странности мира субсветовых скоростей, взаимного перехода вещества и энергии, искривленного пространства-времени.
Но это не случайная метафора, ибо новизна подхода, трещина, расколовшая геологию на "классическую" и "новую", не имеет других аналогов, кроме водораздела между доэйнштейновской и современной физикой.
Уже давно геологи заметили, что характер деятельности вулканов и состав извергаемых из них продуктов закономерно меняются от чисто базальтовых щелочных излияний центральноокеанических вулканов к андезитовым (менее щелочным) лаве и пеплам вулканов островных дуг и почти кислым, с высоким содержанием кремнезема выделениям уже на континентах. Логически все это очень стройно увязывалось с теорией разрастания континентов за счет причленения полуокеанических окраинных прогибов — геосинклиналей, которыми можно попросту считать окраинные моря, ограниченные островными дугами. Старая мудрая теория геосинклиналей! Она охлично показывала, как вокруг древних, еще архейских ядер континентов через стадии прогибания, накопления осадков и последующего воздымания в виде горных цепей этих окаменевших осадков, а затем выравнивания, "пенепленизации" бывших геосинклиналей нарастали, как годовые кольца на стволе дерева, все новые участки материковой, кислой (гранитной) коры. Континент издревле вел наступление на сушу, и в глубинах континентов геологи часто находят структуры, напоминающие очертаниями и излияниями древних вулканов нынешние островные дуги.
И (удивительна логика научного процесса) мобилизм, бывший как будто в состоянии войны с ортодоксальной геосинклинальной теорией, выйдя на новый уровень "плейттектоникс" — тектоники плит, неожиданно чудесным образом раскрыл объятия для "мудрости предков".
Геология обрела пространство. И сразу же появились признаки решения древних и важных вопросов вулканологии. Например, того же вопроса о закономерном изменении состава магм по мере отступления вулканов от океана, а заодно и вопроса о глубине питающих вулканы каналов. Да и сама геосинклинальная теория, которая хорошо показывала, похоже, только теперь начинает объяснять, становясь в ясные причинно-следственные взаимоотношения с премудростью многих других теорий, гипотез и просто фактов, которые существовали прежде как-то сами по себе.
Ну а землетрясения, какое место они занимают в этих событиях? Связаны ли они с технологией Подземного химического завода? Да, связаны. Какое-то место и им отведено на всех ступенях этого сложного процесса. Японский ученый А. Сугимура построил два ряда цифр. В одном были значения некоего коэффициента, выражающего "толеитовость" вулканических продуктов — величину, прямо пропорциональную "алюмосиликатности", то есть океаничности, и обратную "калийности", то есть континентальности вулканизма. И в ряд с этими цифрами, возраставшими по мере перехода от континентальных сейсмовулканических зон к океаническим, встала точно так же возраставшая сейсмическая активность в недрах соответствующей зоны. Вот эти зоны, в порядке возрастания сейсмичности (и толеитового коэффициента, который для краткости не привожу): 1) Алеутские острова и Аляска (0,05); 2) остров Тайвань и Западная Япония (0,05); 3) Индонезия (0,06); 4) Центральная Америка (0,09); 5) Марианские острова и Восточная Япония (0,09); 6) Курильские острова, полуостров Камчатка (0,17); 7) Тонга (0,19)[5].
Поделиться книгой: