Помоги проекту - поделись книгой:
Безусловно, важнейшей частью Земли для живых существ являются кора и все, что находится поверх нее, на ней и внутри нее. Проблемы возникают тогда, когда мантия начинает перемещать кору.
Жюль Верн считал это возможным, а в годы холодной войны США и СССР практически соревновались, кто приникнет дальше вглубь Земли. Найти Священный Грааль означало достичь границы Мохоровичича («Мохо») – поверхности соединения твердой коры и пластичной мантии, существование которой впервые была предсказано хорватским метеорологом и сейсмологом Андрией Мохоровичичем (1857–1936) в 1909 году. На сегодняшний день рекорд по степени приближения к мантии Земли принадлежит СССР: в 1970-1980-х годах советские ученые пробурили скважину глубиной 12 261 м. С тех пор и по сегодняшний день никому не удалось этого превзойти. Русские, возможно, и проиграли космическую гонку, но они, безусловно, выиграли гонку на максимальное проникновение вглубь Земли.[8]
Литосферные плиты
До того, как утвердилась идея тектоники литосферных плит, существовали многочисленные теории о структуре Земли: от гипотезы «сжимающегося яблока» до идеи полой Земли. Данные сейсмологии, результаты исследования палеомагнитного поля[9] Земли, изучения глубоководных желобов и анализы снимков со спутников, все эти сведения, объединенные в единую концепцию, привели нас туда, где мы находимся сейчас – к теории тектоники плит. Но суть в том, что эта теория даже сегодня продолжает развиваться и подвергается атакам.
Альфред Вегенер и дрейф континентов
Альфред Вегенер (1880–1930) – немецкий астроном и климатолог, был первым, кто выдвинул сопряженный набор теорий, объясняющих все данные, свидетельствующие о том, что континенты не всегда находились там, где они находятся сейчас (или по крайней мере находились в 1912 году, когда эта теория была впервые изложена). С начала XIX века, когда наступила эпоха великих открытий, накапливалось все больше и больше сведений об устройстве Земли, а ученые усердно корпели над книгами в библиотеках, тщательно прорабатывая огромную массу информации. Очевидные свидетельства подвижности континентов были получены на основе изучения:
мезозавра – пресноводной рептилии, чей скелет был обнаружен по обеим сторонам Атлантики – если их не выронил пролетавший мимо птеродактиль, то когда-то они должны были быть соседями. Эти виды существовали на Земле в пермский период, то есть между 299 и 251 миллионами лет назад. (В то время, конечно же, не было никаких летающих птеродактилей, так как они появились приблизительно на 50 миллионов лет позже). Аналогичным образом, существование таких рептилий, как листрозавр (Lystrosaurus) и циногнат (Cynognatus), а также таких видов растений, как глоссоптерис (Glossopteris), на всех континентах, усилили позиции идеи континентального дрейфа;
взаимодополняемости контуров континентов – на ранних картах можно видеть то, что хорошо видно на снимках со спутников: Южная Америка и Африка, очевидно, прекрасно стыкуются друг с другом. В 1620 году Фрэнсис Бэкон, создав свой фундаментальный труд «Новый органон», вероятно, стал первым ученым, кто письменно зафиксировал факт корреляции очертаний берегов континентов. В свете наличия в нашем распоряжении снимков со спутников, такое наблюдение сегодня не кажется выдающимся, однако в то время это было подлинным открытием;
климатологии и геологии – совпадение слоев породы по обеим сторонам Атлантики и обнаружение угольных пластов в Антарктиде с очевидностью ставят нас перед дилеммой: либо здесь происходили кардинальные сдвиги в климатических условиях, либо же сами континенты поменяли место своей дислокации.
Необходимость точного описания Вегенером жестких плит, «плавающих на нижележащем слое», столкнулась с двумя проблемами: отсутствием представления о механизме, благодаря которому все это происходило, и убийством эрцгерцога Франца Фердинанда в 1914 году, ставшим толчком к началу Первой мировой войны. Временной фактор отсрочил распространение идеи Вегенера до более поздних десятилетий XX века. Лишь другая война помогла этой теории пробиться к известности.
Развитие во время Второй мировой войны устройств, созданных для обнаружения утонувших субмарин, привело к накоплению данных о протяженности океанического дна под Атлантическим океаном. Эти устройства могли обнаружить незначительные вариации в показателях магнитного поля Земли, следы которых сохранились в неизменности в характере расположения металла в породах, обнаруживаемых под Атлантическим океаном. Эти палеомагнитные свидетельства, – открытие которых потребовало бы гораздо большего времени, если бы США не понадобилось заняться поисками затонувших субмарин, – учитывались в процессе картирования среднеатлантической гряды, так как были впервые обнаружены германскими и союзническими подводными лодками. Американский геолог и стал тем человеком, который в 1962 году, наконец-то, как казалось, обнаружил доказательства, которые опровергнут скептиков, сомневающихся в теории Вегенера, доказав, что самые молодые породы на дне Атлантического океана должны находится вблизи его середины, перемещаясь в западном и восточном направлении симметричными полосами вдоль пород того же возраста.
Палеомагнетизм – ключ к принятию теории Вегенера
Так что же это за словосочетание, которое ни один корректор не оставит без внимания? «Древний магнетизм» звучит не очень заманчиво с научной точки зрения. Но оно означает именно, то, что и подразумевает – породы намагничивались в процессе их формирования, происходившего миллионы лет назад, поэтому характер намагничивания свидетельствует об ориентации и силе магнитного поля Земли, существовавшего во время этих событий. Каким образом? Экстракция базальта из астеносферы (верхнего слоя мантии) в кору сопровождается охлаждением породы. При этом ориентация расположения включенных в него частиц, насыщенных железом, должно соответствовать направлению существующего гравитационного поля.
На этом бы история и закончилась, если бы не одна полезная особенность: магнитное поле Земли создается вращением наружного ядра, богатого металлами, в особенности железом и никелем. Согласно динамической теории, именно эти конвекционные токи в наружном ядре и создают это поле. Это поле не постоянно – просто взгляните на онлайн карту OSmap: сбоку вы увидите легенду «истинный север» и «магнитный север». Несмотря на то, что положение полюса на протяжении нашей жизни постоянно смещается, в контексте нашего разговора большее значение имеют более протяженные временные «реверсы». За последние 76 миллионов лет положение полюса «разворачивалось» более 170 раз, это вынуждало стрелки компаса (если бы они тогда существовали) каждый раз указывать на противоположное направление. Будучи зафиксированными в новом базальте, лежащем на дне Атлантического океана, эти реверсы в ориентации частиц железа в базальтовых породах дают ключ к пониманию хода и последовательности событий, происходивших на краю конструктивной плиты.
Вначале была одна плита
Исходное положение теории Вегенера состояло в том, что вначале существовал лишь один суперконтинент. Впоследствии в дискуссиях вокруг его работы появилось название «Пангея» (от греческого «вся суша»). Этот массив суши подразделялся на Лавразию и Гондвану. В результате последующего разрыва Лавразии на отдельные части образовались Северная Америка, Европа и Азия. Из частей разделившейся Гондваны возникли Южная Америка, Африка, Индия, Австралия и Антарктида. Все еще продолжаются многочисленные дебаты относительно того, что могло предшествовать Пангее, а интернет тем временем заполнен анимациями карт, показывающими гипотетическое расположение континентов в будущем.
Земную кору образуют 7 больших плит и ряд плит меньшего размера. Несмотря на то, что имеются четкие различия между плитами океанического и континентального типов, для того чтобы различить их, недостаточно просто отметить, где находятся моря, а где суша.
Причина в том, что большинство плит под водой выходят за пределы видимой береговой линии.
Если Земля не увеличивается в размере, должны существовать места, где кора разрушается, высвобождая пространство для новой создающейся коры. Отталкиваясь от этой простой идеи, мы получаем три классических типа границ плиты:
Северная Америка отдаляется от Европы со скоростью 5 см в год. Причина этого хорошо видна в срединной Атлантике. Хотя восточная тихоокеанская граница протяженней, граница срединной части Атлантической конструктивной плиты является наиболее хорошо изученной. С учетом изгиба океанического дна, выходом и охлаждением магмы, образующей огромные подводные хребты, горы и отдельные острова, картина рельефа представляется вполне очевидной. Подобные относительно высокие скорости передвижения неизбежно приводят к землетрясениям, а временами, и к разрушающей поверхность вулканической деятельности, ассоциированной с этими границами.
Исландия демонстрирует классические признаки геологических форм, возникших на границах конструктивной плиты: высокие вершины вулканов, поднявшиеся над поверхностью воды и превратившиеся из подводных гор в острова. Самым последним из недавно возникших островов был остров Сертси, вблизи южного побережья. В период между 1963 и 1968 годами подводная гора постепенно смещалась и продолжала извергаться до того момента, пока в конце концов воды океана не расступились и не образовался новый вулканический остров. Это не означает, что вулканическая активность сместилась в акваторию моря, поскольку с тех пор землетрясения и мощные извержения вулканов происходили часто. Самыми известными были извержения вулкана Гекла (1970 и 1980 гг.), извержение 1996 года под ледяной шапкой Ватнайекюдль (вулкан Гримсвотн), и извержение 2010 года вулкана Эйяфьоль, которое, как предполагалось, может быть предвестником нового извержения Геклы.
Субдукция или поддвиг – это название процесса, а образующиеся формы рельефа – его результат. Там, где континентальный шельф встречается с океанической плитой, не может быть двух победителей. Континентальный шельф отличается меньшей плотностью, чем океаническая плита, поэтому именно вторая форма поддвигается под первую. Так же, как и в случае столкновения легкого «Феррари» с танком «Чифтен», результат хорошо известен. В процессе поддвигания под континентальный шельф океаническая плита разламывается и изгибается, а мы уже наблюдаем побочный продукт этого процесса – мелководные землетрясения.[10]
Эти землетрясения могут быть причиной разрушительных цунами, чье воздействие стало слишком очевидным после разрушения индонезийского города Банда-Ачех в 2004 году. В результате цунами 1964 года в Анкоридже (Аляска) погибло около 131 человека, между тем в то время цунами воспринималось больше как природное чудо, навсегда запечатленное в восточной посуде.
Глубокое внедрение плиты в астеносферу приводит к образованию трещин на океаническом дне. Подобно гонке за достижение поверхности Мохоровичича, продолжается непрерывная гонка за тем, чтобы увидеть и вернуться из глубин какой-либо из этих трещин. Самым глубоким местом в этом плане является Бездна Челленджера (Challenger Deep). Она находится в Марианской впадине у побережья Филиппин на глубине 11 033 м ниже уровня моря. Эти данные кажутся особенно впечатляющими, если вспомнить, что высота Джомолунгмы (Эвереста) составляет всего 8848 м над уровнем моря.
Будучи изогнутой и нагретой в процессе продвижения, субдуктированная или поддвинутая плита расплавляется, образуя плутоны или магматические образования. Эти образования ведут себя подобно восковым шаровидным частицам в массиве лавы, поднимаясь вверх через кору, особенно там, где образовались разломы и трещины.
В конечном итоге из этих плутонов образуются подводные горы у побережий континентальной плиты или целый архипелаг из островов, такой как Японский.
Последняя форма рельефа, образуемая границами деструктивной плиты, которую нужно отметить – это складчатые горы. Величайшая гряда этого типа, протянулась от Канады до Тьерра дель Фуэго и дальше к Антарктиде. Хотя эта гряда и не является совсем непрерывной, она демонстрирует то воздействие, которое субдукция может оказывать на поверхность коры. Анды по-видимому представляют собой самую значительную складчатую горную гряду на Земном шаре, достигая высоты в 6962 м выше уровня моря (Аконкагуа), и растянувшись в длину на 7000 км. Если вы хотите произвести впечатление на ваших друзей, можете сказать им, что самая отдаленная точка на земной коре от ее центра – это гора Чимборасо на эквадорском участке Анд (6384 км).
Время от времени участки коры с интенсивной складчатостью и разломами, образующая складчатые горы, может позволить плутонам подняться вверх и обозначить гряду вулканическими пиками. Примечательные вулканы в пределах складчатых гор включают гору Сент-Хеленс в Каскадных горах в Северной Америке и Котопахи в Эквадоре. Тот, кто достаточно стар, чтобы помнить извержение горы Сент-Хеленс 1980 года, знаком с буйством вулканов этого типа – характерным свойством границ деструктивной плиты, которые будут рассмотрены далее.
Существует еще один путь формирования очертаний земли деструктивными границами. Так, например, Гималаи возникли в результате столкновения массивной Евразийской и Индо-Австралийской плит. Возникновение гор можно, конечно, объяснять тем фактом, что ни та, ни другая кора не были менее плотными по сравнению с другой. В итоге, произошло лобовое столкновение, когда обе плиты смялись. Несколько меньшая по размеру Индо-Австралийская плита формирует корень горы, которая, как предполагается, углубляется в мантию настолько же, насколько гора возвышается над уровнем моря. Это чрезвычайно активная зона, где множество землетрясений служат бесчисленными примерами активности коры, которые могут изучать в равной мере и студенты, и их преподаватели. Предполагается, что гора Джомолунгма (Эверест) растет со скоростью в 2,5 см в год, хотя по данных других исследователей здесь наблюдается стагнация роста.
После драматических событий, связанных с конструктивными и деструктивными путями создания новых форм рельефа, приятно перейти к скромному трансформному разлому. Здесь нет грандиозных форм рельефа, а вулканическая активность проявляется очень редко. И, конечно, большая новость для этих регионов – не низкого уровня рифт и не изгиб ландшафта, а землетрясения. Безусловно, самая хорошо изученная и зафиксированная кинокамерой область трансформного разлома находится в Калифорнии. Печально известный разлом Сан Андреас – лишь один из многих, которые маркируют границу между Северо-Американской и Тихоокеанской плитами. Часть Калифорнии, расположенная южнее Сан Франциско, фактически находится не на Северо-Американской плите. Обе плиты перемещаются локально в одном и том же направлении, но с разными скоростями: Тихоокеанская плита движется в северо-западном направлении со средней скоростью в 6 см в год, а Северо-Американская плита движется в этом же направлении, но со скоростью всего около 1 см в год. Таким образом, на поверхности продолжается дистанцирование плит относительно друг друга со скоростью более 4 см в год.
Землетрясения
Сначала попытаемся выделить самые крупные по количеству жертв землетрясения в истории человечества.
Вспомним первый закон термодинамики: «энергия не может быть ни создана, ни уничтожена». В этом законе и кроется ключ к природе землетрясений – это высвобождение накопившейся в земле упругой энергии. Конвекционные токи, возбуждающие астеносферу, передают свою кинетическую энергию вышележащей коре, наподобие того, как вращающиеся шины приводят в движение аттракционы в виде лодок-качелей. Но кора обладает массой и инерцией, из-за которых между плитами происходит трение. Поскольку кинетическая энергия из астеносферы должна куда-то выделяться, она накапливается в коре в виде упругой энергии. Возможно, для вас это большой концептуальный скачок, однако, чтобы понять суть, вы можете вспомнить те запускаемые с помощью резинки аэропланы, с которыми играли в детстве.
В конечном итоге, тормозящий эффект преодолевается накопленной энергией и начинается просто движение. Сейсмические волны рассеиваются из своего фокуса во все стороны, и становятся осязаемыми прежде всего в эпицентре на поверхности. Большая часть энергии высвобождается именно здесь, но, несомненно, уровень разрушений сильно зависит от того, застроена ли эта территория или нет, и если да, то насколько хорошо люди, живущие здесь, подготовлены к таким событиям.
Землетрясения выделяют энергию в форме двух типов волн: первичных (P) и вторичных (S). Это продольные и поперечные волны, которые распространяются с различной скоростью и при прохождении через границу Мохоровичича ведут себя по-разному. Сейсмографы измеряют оба типа волн, и на основе разницы во времени их прихода можно вычислить, как далеко сейсмограф находиться от их центра. Все, что вам требуется, это данные с трех сейсмографов, находящихся в любых точках мира, и тогда вы сможете определить эпицентр любого землетрясения, поскольку обнаружится только один единственный пункт, где волны, исходящие от землетрясений, будут перекрываться.
Но это только часть теории сейсмических волн. Эти волны являются источником поверхностных волн, и именно последние наносят самый большой ущерб зданиям, дорогам и объектам жизнеобеспечения.
Поверхностные волны получили название «волны Лява» (по имени английского математика Огастеса Эдварда Хаф Лава, 1863–1940) и «волны Рэлея» (по имени физика Джона Уильяма Стретта Рэлея, 1842–1919) и именно эти волны являются непосредственной причиной колебания земли – будь то вверх и вниз, или из стороны в сторону.
Наряду с оползнями, цунами являются самыми значительными вторичными природными убийцами, вызванными землетрясениями. Они могут начаться в результате подводного землетрясения, подводного извержения вулкана, подводного оползня или оползня, направляющегося в воду. Между тем, цунами, вызванные оползнями в воду, или оползнями под водой, пугают не многих – пока.
Еще в 1964 году землетрясение в Анкоридже привело к гибели примерно 131 человек, 106 из них погибли в результате пяти цунами. Эти цунами продолжают числиться как самые катастрофические по количеству вызванных ими смертей за всю историю материковой части США, но могут случиться и другие цунами. В зависимости от того, на чьи взгляды вы полагаетесь, можно считать, что возможны разрушительные цунами, с эпицентром на Канарских островах, которые только и ждут момента, чтобы нанести удар по восточному побережью США.
Существуют опасность двух мегакатастроф, угрожающих США больше, чем другие: извержение Йеллоустоунского супервулкана и потенциальный коллапс Кумбре-Вьеха. Кумбре-Вьеха – одна из частей вулканической гряды, формирующей земную массу на острове Пальма (Канарские острова). В 1999 году было высказано предположение, что будущее извержение на восточном склоне вулкана может привести к сползанию оползня в море, и тогда зародится огромное цунами. Это цунами, вызванное сползанием в море 500 км3 обломочного материала, могло бы устремиться через Атлантику и достичь восточного побережья США за 6 часов. Предполагается, что в этом месте пришедшая волна может достигать 30–60 метров в высоту, и будет способна проникнуть на 25 км вглубь суши.
Некоторые группы исследователей соглашаются с этим гипотетическим сценарием, другие – нет. Основной пункт разногласий между учеными заключается в том, что, хотя, по общему мнению, Кумбре-Вьеха находиться в состоянии подвижности, амплитуда движений относительно невелика, поэтому она не сможет привести к событию, характеризующемуся высокой магнитудой и низкой частотой.
Ужасающая перспектива, увидеть, как ваш дом засасывается в грунт, возможно не представлялась вам очень ярко в ваших юношеских снах, но если бы вы жили в Кобе (Япония) или в Сан-Франциско, все могло быть иначе. Когда землетрясение достигает мягкого грунта, например, мелиорированных земель в районе порта Кобе или в заливе Сан-Франциско, оно начинает трясти землю – представьте себе, что вы трясете миску, наполненную сахаром, чтобы выровнять его поверхность. К несчастью, любое массивное сооружение, находящееся на земле, может уйти под землю. Так же просто, и так же смертельно. Если вы добавите к этому вытесненные подземные воды, способные самортизировать оседающее здание, то поймете, что у вас есть рецепт против этой напасти.
Возможно, вы знакомы с историями о собаках, крысах и змеях, которые были способны чувствовать приближение землетрясения до того, как происходили предварительные сейсмические толчки. Но неужели это все, что у нас есть, для того чтобы помочь себе? В любом случае вопрос остается: на самом ли деле животные это чувствуют? Если использовать целый набор чувствительных лазерных уровней, большое число сейсмометров, регистрирующих колебания грунта, или детекторы газа, каждый сможет увидеть ранние признаки землетрясения – но к тому времени может оказаться слишком поздно. Что касается животных, то сейчас существует мнение, что на их поведение влияют выделения газов, таких как радон, которые до начала землетрясения были заперты в глубине.
Из двух шкал, используемых для измерения и сопоставления силы землетрясения, именно шкала Рихтера остается самой распространенной, с которой знакомо большинство людей.
В 1935 году, во время работы в Калифорнийском технологическом институте сейсмологи Чарльз Рихтер и Бено Гутенберг (чьим именем названа граница между ядром и мантией Земли – поверхность Гутенберга) разработали то, что получило известность как шкала Рихтера, которая устанавливалась на основе измерения действительного смещения земной коры, определяемого по сейсмометрам. Эта шкала логарифмическая и, следовательно, нарастающие числа на шкале показывают увеличение в геометрической прогрессии, а не в арифметической.
В шкале Рихтера нет верхнего предела, однако за все время было отмечено только 4 землетрясения, чья магнитуда была зарегистрирована (или установлена иным методом), как равная или превышающая 9 баллов:
Установлено, что удар метеорита, в результате которого образовался кратер Чиксулуб на полуострове Юкатан в Мексике оценивался бы в 13,0 баллов, если бы шкала Рихтера существовала 65 миллионов лет назад. Несмотря на то, что эта шкала продолжает оставаться самой упоминаемой в средствах массовой информации, современные сейсмологи предпочитают Шкалу сейсмического момента. Разработанная в 1970-х годах, она использует чисто физические параметры величины перемещения плиты, для того чтобы поместить землетрясение в шкалу, аналогичную шкале Рихтера.
В то время как по шкале Рихтера измеряется магнитуда землетрясения, шкала Меркалли (также называемая Модифицированной шкалой Меркалли) основывается на измерении интенсивности движения земной коры. Предложенная в 1902 году, шкала разбита на 12 пунктов от I до XII и использует римские цифры, чтобы отличать ее от шкалы Рихтера. Из-за изначальной субъективности этой шкалы, она была значительно модифицирована. По иронии судьбы, Чарльз Рихтер был одним из последних, кто вносил в нее изменения, способствуя созданию Модифицированной шкалы Меркалли, которая остается актуальной и сегодня.
Вулканы
Без сомнений, самым впечатляющим тектоническим явлением, захватывающим наше воображение, – будь то в описании ада Данте, или в описании извержения Везувия Плинием, – являются вулканы, таящие в себе особое очарование.
Существует пять разных типов вулканов.
Трещина – это не классический симметричный конус, а огромные расщелины в коре, через которые извергается лава. Несмотря на низкий рейтинг популярности, из всех вулканов именно эти являются единственными крупными источниками выбросов, повлиявших на изменение климата и приведших к широкомасштабным изменениям ландшафта. Траппы плато Декан в центральной Индии дают представление о том, каких масштабов может достигать воздействие таких вулканов. В этом регионе множественные слои базальта общей толщиной в 2 км покрывают поверхность территории в 500 000 км2.
Щит (основной) – с низкими краями. Широкие щитовые вулканы возникают в результате стремительного стекания с вершин вниз относительно чистого базальта, находящегося в процессе охлаждения. Такие вулканы типичны для краевых частей конструктивных плит и горячих точек. Поэтому Гавайские острова и, до некоторой степени, Исландия покрыты такими формами земного рельефа.
Купол – отличается крутыми склонами, как, например, гора Мон-Пеле на Мартинике. Это «классический» тип вулканов, такие вулканы возникают главным образом на границах деструктивных плит. Очень вязкая, так содержит большое количество кремния, смешанного с базальтом, лава этих вулканов успевает затвердеть до того, как сбежит вниз по склону на большое расстояние. Вдобавок к этому, такие вулканы, как правило, извергаются спонтанно и неистово, так как вязкая лава, сдерживает содержащийся в ней пар и газ лишь до того момента, когда это становится уже невозможным. Так же, как и в случае с шампанским, когда давление поднимается до предельного уровня, пробка выскакивает.
Сложный вулкан (также называется «стратовулканом») – в итоге ряда последовательных извержений, вулканы образуют слои лавы, перемежающиеся со слоями пепла или золы. В результате формируется сложное образование, состоящее из слоев твердой лавы и слоев менее консолидированного пепла, полученных в результате мощных извержений.
Кальдера – вулкан с озером посредине. Если извержение достаточно мощное, чтобы образовать полость в магме, участок грунта обрушится вниз, заполняя эту пустоту. В итоге, на вершине вулкана образуется углубление, которое впоследствии заполняется водой, становясь озером. В то время, как такие вулканы довольно типичны для Африки и Северной Америки, самым знаменитым примером такого типа вулканов является Санторини на одном из островов Эгейского моря. Здесь море прорвалось сквозь стены кальдеры и образовало довольно впечатляющее кольцо из небольших островов.
И то, и другое представляет собой расплавленную породу, но если магма – это расплавленная порода, находящаяся под поверхностью Земли, то лава – это та же магма, но достигшая поверхности Земли.
Каждый вулкан уникален, но когда он извергается, то выделяет материалы четырех типов:
Поделиться книгой: