Сэр Гарольд Джеффрис, Земля
Глаза любознательных устремлены сейчас ввысь — в космос, а форма и строение самой Земли в какой-то мере остаются как бы сами собой разумеющимися. Однако полеты искусственных спутников Земли уже показали, как плохо мы еще изучили свою планету; нам необходимо пересмотреть принятые ранее величины, показывающие, насколько земной сфероид сплюснут у полюсов и растянут по экватору. Чем больше появляется гипотез о происхождении лунных кратеров, или о каналах на Марсе, или о том, что скрывает атмосфера Венеры, тем яснее становится, как мало определенного мы знаем о самой Земле и о ее месте в солнечной системе. Конечно, изучая другие небесные тела, можно узнать больше и о нашей планете, но все же нам предстоит сделать еще много открытий и на ней самой. Применение современных научных методов открывает массу новых возможностей, которые со временем сыграют свою роль в астрономии. Ключ к этим современным -исследованиям в значительной степени заключается в океанах, поскольку под ними скрыта большая часть твердой земной поверхности. Новые исследователи XX столетия закончили открытие новых земель лишь на поверхности земного шара и теперь устремились вверх, в космос, и в глубь Земли.
Перед тем как описывать вклад в науку, сделанный экспедицией на «Челленджере», уместно вспомнить, как создавались наши знания о Земле. Это поможет нам понять, почему именно океанографы проводили специальные измерения, касающиеся нашей планеты. Много интересных идей можно обнаружить в древних рукописях, сохранившихся от ранних цивилизаций, но все же подлинный прогресс науки часто определяется практическими требованиями, рожденными общественной жизнью. Океан, то казавшийся свирепым чудовищем, то прекрасным зеркалом в лучах заходящего солнца, издавна должен был дразнить искателей приключений. И вот бесстрашные моряки совершали путешествия, постепенно осознавая, что Земля является шаром, а не плоской поверхностью, какой она кажется, если рассматривать ландшафт вокруг себя с одного и того же пункта наблюдения. Путешественники по суше и океану объединяли свои представления и получали примерную картину протяженностей континентов и океанов, тогда как философы в это время спорили о том, каким образом Земля достигла своего нынешнего облика. Самые ранние предположения, которые можно найти в «Книге Бытия», очень подробны и догматичны, но даже наиболее достоверные современные гипотезы в какой-то мере согласуются с отдельными библейскими текстами, если, конечно, проявить достаточную гибкость в понимании тех или иных слов. С библейских времен понадобилось очень много трудов, чтобы собрать факты, с помощью которых можно отвергнуть или видоизменить картину Земли, созданную разумом или верой.
Появилась необходимость в картах, для того чтобы объяснить людям, как попасть из одного города в другой; особенно они нужны были для армий, которым приходилось маршировать по чужим землям. Это привело к созданию системы измерения расстояний, а поскольку такие заметные объекты, как горы и реки, были не только существенными вехами для путешественников, но и возможными препятствиями для них, в географической науке возникли методы регистрации форм рельефа. В этих ранних географических исследованиях, наверное, было что-то родственное философии, так как две тысячи лет назад Страбон писал: «Польза географии в том, что она предполагает философский ум у того, кто изучает искусство жизни, т. е. счастье».
Географы установили, что рельеф Земли состоит из плоских равнин, горных хребтов, пологих неровных поверхностей, долин с крутыми склонами и ущельями. И материалы, слагающие все эти формы рельефа, часто отличаются от окружающих пород. Во многих местах растительность или слой почвы скрывают породы земной поверхности. Но необходимость в воде и поиски полезных ископаемых научили людей рыть грунт, а при этом было обнаружено, что горные породы часто залегают в виде определенных слоев, и иногда эти слои могут быть изогнуты, образуя холмы пли горы, а иногда падать вниз, скрываясь под другими слоями, или даже могут опрокидываться, как складки ткани. Было очень важно изучить получше характер этих слоев, поскольку металлы, уголь и вода, значение которых с развитием общества все возрастало, обычно встречались в сочетании с определенным типом пород. Появилась новая наука — геология, которая стала сопоставлять имевшиеся наблюдения, создавая общие представления, на основании которых можно было предсказывать, что можно найти в еще не исследованных районах. Подобно другим ученым, геологи прилагали громадные усилия, чтобы решить проблемы, поставленные перед ними природой. Однако есть предел того, что можно узнать при исследовании одной только поверхности Земли, и поэтому прогресс геологической науки был неразрывно связан с добычей рудного сырья, вызванной уже непосредственно экономическими причинами. Но не следует думать, что различные слои пород, лежащие под нами, можно видеть только в искусственных разрезах; природа позаботилась о геологах, открыв им большие обнаженные профили в тех местах, где глубокие речные ущелья прорезают толщу пород мощностью в тысячи метров. Оказалось, что структуры, обнаруженные под рыхлым почвенным покровом при добыче угля и золота, по своему характеру определенным образом соответствуют тем формам, которые наносились на карты при детальных исследованиях пород на земной поверхности.
В последние десятилетия поиски нефти ведутся уже на глубинах около 8 км, но даже эта глубина является лишь тысячной долей расстояния до центра Земли, а породы, обнаруженные на глубине таких скважин, сходны с теми, которые известны на поверхности.
Поверхностные породы разделяются на два больших класса: породы, образованные при отложении ила, песка и остатков растений и животных,— они называются осадочными,— и породы, излившиеся из недр Земли в виде расплавленной лавы,— их справедливо называют изверженными. Эти породы могут изменяться под действием давления или температуры. Это происходит в тех случаях, когда одни слои породы покрываются другими осадками или когда расплавленная изверженная порода прокладывает себе путь через другие слои. Большой класс пород, получившихся при подобных изменениях, называется метаморфическим. Изучение пород на земной поверхности говорит о том, что все осадочные породы, включая метаморфизованный материал, образовались при выветривании первичной суши и переотложении обломочного материала в виде ясно выраженных осадочных слоев в воде. Этими отложениями сложены горные хребты, поднимающиеся высоко над уровнем океана, что несомненно потребовало поднятия прежнего дна на тысячи метров. Некоторые изверженные породы представляют собой расплавленный осадочный материал, но иногда их химический состав является по своему характеру основным, и это, по-видимому, первичные породы, из которых состояла Земля до начала процессов выветривания и до того, как стал изменяться уровень суши по отношению к уровню океана.
Различие между основными и кислыми породами зависит от соотношения кремнезема (чистого кварца в его самой обычной форме) и окислов железа и магния в той смеси, которая образует горную породу. Основные породы (базальт, габбро) содержат меньше половины кварца, а кислые (гранит) имеют в своем составе до двух третей кварца вместе с калием и натрием, которые прибавляются к смеси при включении некоторых осадочных пород. Возможно, как мы увидим дальше, разделение кислых и основных пород началось уже тогда, когда Земля затвердевала, т. е. на самом раннем этапе ее истории. Какова бы ни была причина, верхние слои земной коры обычно слагаются кислыми породами. Непрерывное перемешивание пород продолжается все время в результате процессов выветривания, которые хорошо видны там, где море размывает береговые обрывы, где реки и временные потоки врезаются в склоны гор, а разрушенный материал переносят к своим устьям. Иногда опускание всей береговой линии требует постройки специальных защитных дамб, чтобы сохранить территорию, занятую человеком.
В обнажениях, которые имеются почти в каждом карьере, выемке железнодорожного полотна, а лучше всего в глубоких речных ущельях хорошо видно, как в прошлом один слой осадков ложился на другой и в свою очередь перекрывался последующими слоями.
Тип породы в каждом слое отражает условия окружающей среды, существовавшие в то время, когда шло осадконакопление. Тонкие частицы ила, переносимые большими реками, образуют глины, которые под давлением покрывающих пород превращаются в глинистые сланцы. Сцементированные песчинки, вынесенные из пустынь или получившиеся при выветривании гранитов, образуют песчаники, а многие поколения маленьких морских животных, накапливаясь, образуют различные виды известняка. Для создания каждого слоя осадков нужны миллионы лет, и поэтому здесь не может быть и речи о внезапных изменениях климата или процессов наземной эрозии. В геологии свой масштаб времени, и в нем период человеческой жизни занимает такое же место, какое занимает один день в привычном нам счете времени на годы и десятилетия. Правда, иногда происходят случайные катаклизмы, и они могут оставить нам небольшую маркирующую прослойку в породах, например прослойку пепла от крупного извержения вулкана или прослойку наносов от необычного по своим размерам паводка.
При чтении страниц геологической истории хорошо помогает изучение ископаемых остатков, обнаруженных во многих отложениях. Эволюция моллюсков и растений, остатки которых сохранились до сих пор, прослежена так же, как и развитие человека. В результате долгого и трудоемкого сравнения ископаемых, найденных в различных слоях, и основываясь на предположении, что более древние породы лежат под более молодыми, была создана шкала времени, охватывающая примерно 500 миллионов лет.
На протяжении всего этого времени ветер, дождь, мороз и реки непрерывно разрушали поверхность суши, переотлагая обломочный материал в горизонтально залегающие слои осадков. Осадконакопление обычно происходило в сравнительно мелкой воде. Это можно установить по остаткам животных, сохранившимся в отложениях, и путем сравнения с теми местами, где подобные процессы происходят и в настоящее время. Но мы знаем, что мощность таких осадков часто достигает нескольких тысяч метров. Следовательно, морское дно должно было постепенно опускаться, по мере того, как идет процесс осадконакопления. Если вдоль береговой линии образуется впадина, то реки стремятся стекать в нее и заполнить илистыми наносами.
Течение геологического времени приводило к образованию гор, сложенных осадочными породами, которые когда-то несомненно были отложены в виде горизонтальных слоев в мелкой воде. Значит, кроме непрерывного разрушения поверхности суши и последующего отложения обломочного материала в мелководных морях, должен идти обратный процесс, в результате которого материал, заполнивший опускавшиеся бассейны, поднимается и образует новую сушу. При деформации слоев, связанной с горообразованием, возникают ловушки, где скапливается нефть. Образование нефти и ее миграция следуют геологическому циклу эрозии, осадконакопления и поднятия, поскольку нефть образуется из умерших морских животных, находящихся в осадках. С течением времени характер нефти меняется, и она превращается в жидкость, известную нам как «сырая нефть». Когда осадки уплотняются под тяжестью своего веса, капельки нефти выжимаются из них, мигрируя вместе с морской водой, в которой прежде плавали животные. При этом более легкая нефть стремится отделиться от соленой воды и при благоприятных условиях собирается в коллекторах из пористого известняка или песчаника, удерживаясь в таком положении находящейся ниже водой. Часто нефть мигрирует прямо к поверхности и там пропадает из-за окисления. Следовательно, благоприятные геологические условия для образования нефтяной залежи включают наличие непроницаемой породы, которая надежно закрывает пористые коллекторы сверху.
Образованию нефти посвящено много научных исследований, поскольку правильное понимание происходящих при этом процессов помогает найти новые подземные залежи. Интересно отметить, что в сырой нефти обнаружены соединения, которые входили в кровь морских животных. Подобным же образом, изучая ископаемые папоротники и древесные стволы, можно понять, как образовался каменный уголь при разложении растений в пресноводных болотах. Имеются также промежуточные минеральные отложения, образующиеся в смешанных условиях пресных и соленых вод в той зоне эстуариев, которая затрагивается приливами. Это — горючие сланцы (shale-oil), происхождение которых устанавливается по спорам папоротников и другим растительным остаткам, принесенным реками к устью. В горючих сланцах нет жидкой нефти; она содержится там в виде твердого вещества — керогена. Только при нагревании породы кероген превращается в сырую нефть.
Хотя породообразующие процессы имеют очень большое значение для современности и продолжались до этого сотни миллионов лет, они затрагивают только очень тонкую внешнюю оболочку Земли. Это устанавливается по общей мощности осадочных пород, которая измеряется при их послойном изучении, сочетающемся с определением возраста по ископаемым остаткам. Во многих частях земного шара осадочные породы лежат непосредственно на невыветрелых гранитах, и эти последние породы — породы фундамента — часто встречаются при бурении глубоких нефтяных скважин. Осадочные породы, лежащие на фундаменте, напоминают слой почвы в саду, и, подобно ей, они перерабатывались с правильными интервалами. Возможно, при каждой переработке почвы к поверхности выносится некоторое количество подпочвенного материала, пополняющего почвенный слой, но, несмотря на это, полезный слой почвы обычно бывает очень тонким. Выводы о геологической истории Земли основываются на наблюдениях, касавшихся этого очень тонкого поверхностного слоя, а также на физических экспериментах, которые можно поставить для проверки теорий, объясняющих те или иные факты. С помощью этих экспериментов создавались очень правдоподобные модели, но у них всегда был существенный недостаток: огромное различие масштаба времени человеческой и геологической истории. Некоторые эксперименты могут помочь в получении косвенных дан-пых о недрах Земли. Эти геофизические методы позволили проникнуть в глубинные слои Земли, помогали разведчикам находить нефть и другие полезные ископаемые на больших территориях, и это обходилось гораздо дешевле, чем трудоемкое бурение глубоких скважин.
Данные об измерениях плотности глубинных пород можно получить, измеряя локальные изменения силы земного притяжения для ньютонова яблока или любого другого тела определенной массы. Присутствие некоторых пород обнаруживается по изменениям, которые они вызывают в магнитном поле Земли, измеряемом на поверхности. Кроме того, в верхних слоях земной коры существует постоянный восходящий приток тепла. Об этом свидетельствует увеличение температуры при спуске в глубокую шахту. Нарушение этого теплового потока вызывается замещением одних пород другими. Самым мощным геофизическим методом, применяемым для разведки и для получения детальных сведений о внутренних частях Земли, является метод, использующий сейсмические волны. Эти волны исходят из искусственного источника (например, взрыва) или естественных землетрясений и проходят через слои различных пород. Время пробега сейсмических волн — отраженных или преломленных (т. е. изменяющих направление на границах слоев с различными упругими свойствами) — позволяет вычислить глубины соответствующих границ.
Общая схема строения Земли была создана путем сочетания геологических и геофизических наблюдений с теоретическими представлениями. Но до самого последнего времени эта схема основывалась на измерениях, сделанных только на суше. При беглом взгляде на карту мира легко заметить, что около трех четвертей земной поверхности покрыто водой, а при более внимательном изучении окажется, что две трети занято глубокими океанами.
Форма границ материков и океанов была определена уже на начальных стадиях географических исследований, когда все представления об океане ограничивались тем, что он имеет ровную поверхность. Геологи проводили огромную работу для выяснения сложного наслоения пород на материках, и сразу же появились теории, пытавшиеся объяснить причину существования обширных океанских просторов. Первые сведения об океане были собраны не учеными, а мореплавателями и военными моряками, у которых практические интересы явно преобладали над научными, а плавание по океану требовало определенных знаний. Моряку нужно было знать очертания суши, нарисованные географами, но со времени самых первых парусных плаваний он еще больше интересовался глубинами около берега, где мог посадить на мель свой корабль при попытке высадиться на сушу. Глубины измерялись на мелководье, когда корабль входил в порт, и эти измерения наносились на морские карты, показывающие, как изменяются глубины около берега. Моряки Британского военно-морского флота одними из первых начали составлять морские карты, и к концу XVIII столетия на флоте было образовано Гидрографическое управление, которое снабжало практическими сведениями капитанов кораблей, чтобы они могли точно определиться по берегу после тысячемильного перехода в океане. Первые исследователи, такие, как Кук и Флиндерс, отмечали открытые ими земли на морских картах с такими подробностями, которые не требуют до сих пор почти никаких поправок.
В XIX столетии военные моряки всех стран занимались построением карт для открытого океана, и ведущая роль в этом деле принадлежала британскому флоту. Введение усовершенствованных хронометров позволило значительно точнее определять положение островов, удаленных от материка. Земля равномерно вращается вокруг своей оси, и расстояние с востока на запад определяется количеством времени, которое проходит, пока два пункта окажутся поочередно под одной и той же звездой. Чтобы измерить расстояние с точностью до 1 мили, необходимо измерять время с точностью до секунд. Поэтому не следует удивляться, что капитан Блай с «Бауити» был так разгневан пренебрежением к его часам1. В последние годы радио очень упростило службу времени и сделало ее более точной. В наши дни определение относительного местоположения на том несколько неправильном шаре, каким является наша Земля, стало настолько важным, что им занимается специальная наука, называемая геодезией.
Геолог, желающий распространить на океан свои представления о горных породах суши, сразу же сталкивается с рядом трудностей. Многое можно узнать, изучая форму профиля дна океана, точно вычерчиваемого эхолотом. Гораздо труднее собрать образцы пород и увидеть, как один слой замещается другим. Мы уже видели, что буровые скважины на материках могут проникать на несколько километров вглубь, и при этом можно получить образцы пород, встречающихся на пройденном пути. Правда, глубина бурения составляет лишь ничтожную долю земного радиуса, но это все же гораздо больше того, что мы можем получить в глубоком океане. Только в самые последние годы наметился прогресс в глубоководных исследованиях, и если раньше мы лишь буквально «царапали» дно океана драгой, то теперь можно проникнуть в него на глубину до 70 футов, правда, если оно сложено довольно рыхлыми осадками2. Разумеется, и такая глубина — фактически тоже лишь царапина на дне океана, но это все же позволило показать, что осадки покрывают большую часть ровного океанического дна. В сочетании с геофизическими измерениями толщины осадочного покрова и данными о современной скорости осадкообразования из мельчайшей взвеси и остатков мертвых животных это указывает на существование океанов в течение сотен миллионов лет.
Косвенные геофизические методы исследования глубинных слоев земной коры применять в океане трудно. Однако в последние десятилетия физики показали, что эти методы могут применяться там, где глубокое бурение оказывается практически непригодным. Быть может, сейчас уже нельзя говорить о невозможности глубокого бурения на дне, скажем, Тихого океана, глубина которого достигает 3 миль, поскольку бурение в прибрежных зонах, где толщина слоя воды около 100 футов, станновится в Америке обычным делом3. Можно не сомневаться, что при соответствующих усилиях бурение станет возможным и в глубоком океане. Но это потребует громадных расходов, а геофизические методы могут применяться и в океане, если произвести лишь сравнительно недорогие видоизменения в технике, уже используемой при исследованиях на суше. Поэтому более дешевые и быстрые геофизические методы исследования являются главным источником наших знаний о больших глубинах. Конечно, так же как и на суше, геофизические методы дают менее определенные сведения о природе слоев земной коры, чем буровые скважины.
О первом геофизическом эксперименте, по всей вероятности, рассказывается в легендарной истории о том, как Ньютону на голову упало яблоко. Созданная Ньютоном теория тяготения непосредственно привела к определению массы Земли. Ньютон установил, что все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Этот закон универсален, и он объясняет, почему Луна притягивается к Земле и обращается вокруг нашей планеты, а не улетает по касательной в пространство. Он объясняет также движение всех других тел солнечной системы. Этот же закон заставил яблоко притягиваться к Земле, пли, иными словами, заставил яблоко иметь вес. Если в формуле притяжения яблока к Земле определить постоянную, то можно вычислить и массу самой Земли. Ньютон сделал очень хорошее предположение о величине этой постоянной, допустив, что плотность слагающих Землю пород увеличивается к ее центру. Но только Кавендиш сумел измерить эту величину, проделав весьма тонкий эксперимент, в котором маленькие золотые шарики притягивались к большим свинцовым шарам. Трудность этого эксперимента состояла в том, что сила притяжения очень незначительна, так как иначе тела стремились бы притягиваться друг к другу, подобно тому как магнит притягивает к себе кусок стали.
Длину окружности Земли можно определить с помощью непосредственных измерений. Для этого не нужно сложной теории, поскольку хотя расстояние измеряется и не шагами с мерной лентой, но в конечном счете оно получается путем почти столь же простой процедуры. А если мы знаем размеры и массу Земли, то можно вычислить среднюю плотность слагающего ее вещества.
Известно, что для пород, встречающихся на поверхности Земли, эта величина в два-три раза превосходит плотность воды. А вычисленное значение средней плотности вещества Земли оказывается значительно больше. Следовательно, внутри Земли должен находиться какой-то очень плотный материал. Дальше мы увидим, как другие измерения, которые могут быть сделаны на земной поверхности, показывают, что высокая средняя плотность вещества Земли определяется концентрацией массы в ядре, где плотность почти такая же, как у железа.
С ньютоновским универсальным законом тяготения связан интересный факт: сила, действующая между двумя телами, не зависит от того, что находится между ними. Следовательно, если масса плотного материала погребена под слоем более легких пород, она все равно должна вызывать у поверхности Земли дополнительное притяжение, которое можно измерить, определяя притяжение массы, подвешенной к пружинным весам. Разумеется, это дополнительное притяжение даже под погребенной горой, сложенной железной рудой, будет очень небольшим, поскольку оно составляет лишь незначительную долю всего притяжения Земли, постоянно действующего на измеряемую массу. Но все же, измеряя силу земного притяжения с точностью до одной десятимиллионной, можно обнаружить местные отклонения — аномалии поля земного притяжения, связанные с различием пород в земной коре. Над океанами место горных пород занимает вода, а она гораздо легче их; поэтому, на первый взгляд, там следует ожидать уменьшения гравитационного притяжения. На самом же деле, как показывают измерения, ускорение силы тяжести над океанами примерно такое же, как и на суше. Следовательно, под океаном должен находиться слой очень плотной породы по сравнению с породами, образующими континенты, и его мощность вполне достаточна для того, чтобы возместить относительно низкую плотность воды.
Гравиметрические наблюдения позволяют вычислить массы вертикальных колонок воды и горных пород, но удовлетворительные результаты получаются лишь благодаря тому, что существует равновесие между чрезвычайно плотными породами океанического дна и легкой водой, с одной стороны, и умеренно плотными породами, слагающими континенты, — с другой; и это равновесие достигается значительно раньше центра Земли. Чтобы показать природу различий между материком и океаном в поверхностной земной оболочке, необходимо обратиться к сейсмическим измерениям. Эксперименты с сейсмическими волнами, глубоко проникающими в земную кору, и были главной целью экспедиции на «Челленджере». Но прежде чем рассказывать о тех методах, с помощью которых сейсмические волны позволяют нам узнавать внутреннее строение Земли, не мешает напомнить, что именно сейсмические волны, возникающие при землетрясениях, раскрывают нам строение глубоких недр, находящихся под земной корой.
Толчок, вызванный землетрясением, часто бывает очень силен, и его можно почувствовать даже на противоположной стороне земного шара. Вступление сейсмических волн регистрируется сейсмическими станциями всего мира, и это позволяет вычислить время пробега волн через слои различной толщины внутри земного шара. Сейсмические станции, расположенные вблизи от эпицентра землетрясения, регистрируют волны, проходящие через земную кору. С увеличением расстояния от толчка сейсмические волны проникают все глубже, а сейсмограф, находящийся на диаметрально противоположной стороне земного шара, зафиксирует волну, прошедшую прямо через центр Земли. Можно вычислить время и место землетрясения по измерениям на соседних сейсмических станциях, и тогда время вступления волн к удаленным станциям может быть использовано для определения скорости прохождения волн через недра Земли. Обнаружено, что скорость распространения волн увеличивается к центру Земли. И это вполне естественно, поскольку внутренние слои выдерживают вес всех лежащих выше пород и, следовательно, подвергаются огромным давлениям. А из лабораторных экспериментов известно, что увеличение давления вызывает увеличение скорости сейсмических (волн. Скорость зависит от упругих свойств и плотности породы, и по данным наблюдений, помня в то же время, что плотность должна соответствовать известным массе и моменту инерции Земли, можно создать правдоподобную модель строения земного шара, в которой породы нормальной плотности окружают более плотное ядро. Такое представление появилось еще в прошлом столетии. Оно отчасти основывалось на том, что метеориты, попадавшие на Землю из космоса, обычно были двух типов и состояли из силикатов и из соединения никеля с железом.
Эти представления подтверждаются наблюдениями за временем вступления волн от землетрясении, которые проходят через ядро, и волн, отраженных на границе оболочки, или мантии, и плотного ядра. Столь же несомненно эти наблюдения подтверждают, что земное ядро является жидким. Известно несколько типов волн, проходящих через слои пород. Самой быстрой из них оказывается продольная волна, или волна сжатия, которая может распространяться в твердой и жидкой среде. Ее иногда называют «ударной» волной («push»), так как она, двигаясь вперед, ударяет и мгновенно сжимает небольшой объем твердого или жидкого вещества, находящегося перед ней. Волны другого типа распространяются медленнее и могут распространяться только в твердой среде, потому что эти волны зависят от жесткости, которой не имеет жидкая среда. Это поперечные, или «вибрирующие», волны («shake»). Когда они проходят через твердую среду, они заставляют частицы ее колебаться под прямым углом к направлению распространения волны. Они могут возникать, например, при колебании верхней части студенистой массы из стороны в сторону. С другой стороны, поперечные колебания не могут вызвать никаких волн в жидкой среде. Поэтому поперечные волны не могут проходить через жидкое ядро. И в противоположность продольным волнам, которые можно проследить от центра землетрясения вокруг всей Земли, они теряются сразу же, как мы попадаем в зону тени жидкого ядра.
Существует много гипотез, объясняющих внутреннее строение Земли и связь ее и других планет с Солнцем.
Некоторые теории лучше других удовлетворяют фактическим данным, но считать какую-либо одну из них более приемлемой пока нет оснований.
Одна школа исследователей считает, что началом образования солнечной системы было вращение массы расплавленного вещества, которая сжималась и вследствие этого вращалась еще быстрее. То же самое происходит с конькобежцем, прижимающим руки и нош к телу для увеличения скорости пируэта. При быстром вращении раскаленная масса уплощается и затем образует диск, похожий на кольца Сатурна. В конце концов этот диск превращается в систему планет, обращающихся вокруг Солнца.
Возможен и другой вариант этого процесса: звезда, проходившая вблизи от вращающегося Солнца, притянула к себе язык его расплавленной массы, который распался затем на отдельные планеты. Земля могла образоваться и иным путем: на первоначально небольшом теле, пролетавшем во вселенной, постепенно нарастало вещество из окружающего пространства. Вид поверхности Луны позволяет предполагать, что она испытала много столкновений с крупными метеоритами, и при каждом столкновении ее размеры несколько увеличивались. То же самое могло происходить и с Землей. Наличие обломков, блуждающих в пространстве и попадающих затем на планеты, можно объяснить тем, что Солнце было когда-то двойной звездой, подобно многим наблюдаемым сейчас звездам. Часто одна звезда из такой пары взрывается, и, это вполне могло случиться с двойником нашего Солнца.
Какой бы из вариантов ни был правильным, вряд ли стоит сомневаться в том, что в начале своей жизни Земля была расплавленной массой. Это само собой разумеется, если она оторвалась от Солнца, но то же самое было и в том случае, если она образовалась путем накопления падающего метеоритного вещества, поскольку при каждом новом столкновении выделялось тепло. Кроме того, большое количество тепла должно было образовываться при дальнейшем развитии Земли, когда составляющие ее части укладывались более плотно в результате гравитационного сжатия. Непосредственным признаком былого расплавленного состояния внешней земной оболочки является слой гранитных пород, который, как мы увидим далее, слагает континенты. Они могли отделиться от пород мантии только одним путем — всплыванием на поверхность расплавленного шара. Жидкое ядро Земли объясняется столь же просто: жидкая расплавленная масса постепенно остывала вглубь, и в этом случае тяжелые железо-никелевые соединения оседали ниже мантии. Факты, касающиеся образования Земли, могут нам дать астрономические исследования и изучение земного ядра, а не земной коры, представляющей для нас непосредственный интерес. Но изучая земную кору, мы сможем пролить свет на некоторые выдвинутые ранее теории, поскольку один из них прямо противоположны другим, а мы имеем слишком мало фактов для проверки их ценности.
Можно сделать много заключений, изучая поверхность суши, но они будут несовершенны из-за того, что будут основываться на фактах, собранных лишь с одной трети видимого внешнего покрова Земли. Кроме того, еще совсем недавно было принято сдвигать все неясные проблемы в неисследованные глубины океанов, где можно было предполагать любые геологические структуры. Было бы полезно установить определенные границы, внутри которых должны располагаться все теории как для всей Земли, так и для ее изученной части.
Как мы уже знаем, участки современной суши, находящиеся на несколько километров выше уровня моря, сложены породами, которые могли быть образованы только под водой. Отсюда возникло представление о том, что океаны и материки могут переходить друг в друга и что сегодняшние, континенты могут в будущем стать океанами. С другой стороны, резкая граница между океанами и континентами предполагает, что континенты почти всегда занимали примерно одно и то же положение, и для многих геологов «постоянство океанских впадин» является аксиомой. Изолированные острова на необъятных просторах глубокого океана обычно сложены основными породами, т. е. не темп же породами, что континенты. Сейсмические волны распространяются в океанах быстрее, чем в породах континента, подтверждая тем самым их различие. Легко представить, как это могло произойти. Первая порода, затвердевшая при остывании Земли, образовала гранитную пленку на жидкой массе. В этой пленке собрались все легкие породы, а затем она, быть может, раскололась на многие куски, которые распределились по поверхности Земли и образовали современные материки. Континенты лежат на слое более тяжелого материала, окружающего весь земной шар и выходящего на поверхность под океанами. Любопытно отметить, что более легкие породы, образующие континенты, не распространились по всей земной поверхности в виде однородного слоя. Вероятно, что можно объяснить тем, что Луна образовалась из верхних слоев расплавленной Земли, которые были оторваны от нее, когда гранит почти затвердел. При этом значительная часть Тихого океана должна была остаться без верхнего гранитного покрова, а существование других океанов может быть связано с последующим разрушением и перераспределением той части гранитного слоя, которая осталась после образования Луны.
Даже тогда, когда Земля затвердела, она продолжала отдавать тепло, путем теплопроводности медленно уходящее к ее поверхности. Достаточно спуститься в угольную шахту, чтобы почувствовать, как по мере спуска постепенно становится теплее. Охлаждение тел почти всегда сопровождается их сжатием, и породы, слагающие Землю, не являются исключением из этого правила. При сжатии объема внутренних слоев с охлаждением наружная земная кора, которая задолго до этого уже достигла устойчивого равновесия с теплом, получаемым от Солнца, стала испытывать большее притяжение и, чтобы приспособиться к уменьшенной внутренней сфере, образовала складки. Точно так же сморщивается кожура яблока, когда его внутренняя часть со временем сжимается. Складки в земной коре являются первой стадией горообразования. За ними в дальнейшем следовали вулканические извержения, скольжение и выжимание слоев пород различной пластичности.
Горы и межгорные долины разрушаются дождем и льдом, и, как это ни парадоксально, ’именно это заставляет их подниматься вследствие локального уменьшения нагрузки на нижележащие породы мантии; по этой причине, например, в настоящее время поднимаются Гималаи. В конечном счете эрозия одерживает победу, и прежняя горная система полностью выравнивается. На этом, однако, история не заканчивается, так как размытый материал образует новые слои, отлагающиеся в мелководных морях, и в свою очередь превращается в новые горные хребты при последующих деформациях, обусловленных сжатием Земли.
Единственное затруднение, касающееся этого вполне вероятного хода геологического развития Земли, возникает при вычислении количественных характеристик складчатости и вероятного общего сжатия Земли. Одним только сжатием нельзя объяснить все горы на нашей планете, и в частности большой подводный хребет, который протягивается с севера на юг через весь Атлантический океан. Нет сомнения, что сжатие Земли может объяснить происхождение большинства форм земной поверхности, по кроме этого должны были происходить и какие-то другие процессы. Сторонники иных теорий горообразования, не связанных со сжатием Земли, имеют в своем распоряжении много убедительных фактов, подтверждающих их правоту. И если разумно подходить к этой проблеме, то следует допустить, что эти теории взаимно не исключают друг друга и современный облик планеты является результатом действия нескольких различных процессов.
Существует много геологических и биологических данных, подтверждающих теорию о том, что континенты Северной и Южной Америки отделились от Европы и Африки. Такой дрейф материков легко допустить, если он происходил в то время, когда материки были пеной, плавающей на жидкой оболочке Земли. Гораздо труднее вообразить движение континентов, уже ставших такими же твердыми, как теперь, а именно об этом свидетельствуют факты, которые должен объяснить этот дрейф. Однако уже общепринято, что слон твердых пород перемещаются вверх и вниз в процессе осадконакопления и горообразования, так что силы неизвестного происхождения, возможно, расталкивают массивы суши. Взаимодействие движущихся континентов друг с другом и со слоями, по которым они скользят, также может быть причиной складчатости и горообразования на суше. При этом вовсе не обязательно, чтобы континенты непрерывно двигались. Изучение геологической истории древних пород показывает, что периоды горообразования были сравнительно короткими и сменялись спокойными периодами, продолжавшимися около ста миллионов лет.
Одной из причин более длительной подвижности земной коры может быть временный разогрев подстилающих ее слоев. Внутри Земли благодаря радиоактивным элементам, входящим в состав пород, происходит непрерывное выделение тепла. Содержание радиоактивных элементов ,в горной породе невелико, но количество тепла, образующееся в общем объеме вещества мантии, достигает огромной величины. Это тепло стремится сохраниться внутри Земли, поскольку породы земной коры отличаются плохой теплопроводностью. При вулканических извержениях горячие расплавленные породы изливаются на поверхность, и вместе с ними уходит часть тепла, но общее количество тепла, потерянное при всех локальных извержениях, слишком незначительно и не может остановить постепенное увеличение температуры на глубине десятков миль от поверхности Земли. Небольшие очаги расплавленных пород, вызывающие извержения вулканов, могут в конце концов очень разрастись, и тогда наступит период излияния больших лавовых потоков, сопровождаемый заметным увеличением подвижности материковых масс. При этом во внутренних слоях Земли уменьшается избыток тепла, и земная кора должна снова оседать. При нагревании, распространяющемся кверху, холодные внешние слон будут растягиваться из-за расширения подстилающих пород. Следы такого растяжения можно найти в рифтовых долинах Африки и в Красном море, а также в разломах, недавно открытых в океанах.
На первый взгляд кажется, что периодическое разогревание пород под земной корой и ее последующая «пульсация» прямо противоположны охлаждению и сжатию Земли, которыми в значительной мере объяснялся процесс складчатости и горообразования. Однако вполне возможно одновременное действие обоих процессов. Земля в целом охлаждалась и сжималась, а ее внешние слон непрерывно поднимались и опускались, словно дышали, с периодом около ста миллионов лет. Если одного только движения материков достаточно для объяснения горообразования, тогда можно допустить, что Земля постоянно разогревается благодаря радиоактивному теплу и только вначале затвердела при быстром охлаждении, связанном с конвективными потоками .в расплавленной Земле. Некоторые геофизики даже считают, что Земля с самого начала была холодной и только теперь постепенно разогревается, но в этом случае трудно понять, каким образом произошло разделение слоев коры, мантии и ядра.
Теории дрейфа континентов совершенно противоположна теория Дж. Т. Вильсона, которую можно назвать теорией расширения фиксированного положения континентов. Самые древние части материков сложены, как показывает подробное изучение, осадками, отлагавшимися под водой, с примесью вулканических пород, так же как и молодые геологические образования. Кроме того, самые молодые породы обычно встречаются по периферии материков. Это может быть обусловлено постепенным образованием материка при вулканических излияниях из земных глубин. После выветривания первичного вулканического вещества образуются осадочные породы, которые в свою очередь изменяются и сминаются в складки при последующих вулканических процессах. Так постепенно образуется материк, поскольку вся масса обломочного материала, вынесенного реками, будет отлагаться на мелководьях вблизи суши. Материк будет так же подвергаться складко- и горообразованию, как и перманентные материки в других теориях. Существует различие между вулканическими извержениями на суше и в океанах, и можно, следовательно, предполагать, что разница между этими частями земной коры существовала всегда. Если теория Вильсона о постепенном расширении материков верна, то трудно не допустить существования особого рода первичной земной коры, давшей начало кислым породам континентов. Быть может, в начальной стадии охлаждения Земли фактически уже существовало некоторое разделение первоначальной пены, плавающей по жидкой оболочке, причем эта пена могла быть более распространена на материках, образованных вулканической деятельностью, чем на той части земной коры, которая находилась под океанами.
Оценки возраста Земли колеблются от нескольких тысячелетий по Библии до верхнего предела в 6 миллиардов лет, вычисленного по общему количеству радиоактивного урана, которое могло существовать в первичной расплавленной Земле. В прошлом столетии Кельвин предложил цифру в несколько сот миллионов лет, основываясь на скорости потери тепла охлаждающейся Землей. Он, к сожалению, не знал о радиоактивном тепле, и современные подсчеты по скорости охлаждения дают цифру 4,5—6 миллиардов лет. Шкала геологического времени, которая основывается на прослеживании осадочных пород в смысле относительного положения слоев и содержащихся в них ископаемых остатков, на измерении мощностей слоев и определении скорости осадконакопления, охватывает около 1,5 миллиарда лет, хотя ясные данные сохранились лишь для последних 500 миллионов лет.
По осадкам, отлагающимся на дне глубокого океана, можно составить шкалу времени, которая позволит измерить возраст океанов. Такой метод определения возраста имеет громадное значение в связи с различными теориями, упоминавшимися в этой главе. Выветривание поверхности суши продолжается свыше миллиарда лет, и продукты разрушения примерно такого возраста можно встретить на континентах. Сомневаться в возрасте этих пород нет оснований, поскольку он определен по относительному содержанию радиоактивных элементов, количество которых изменяется с постоянной скоростью с того времени, как затвердела содержавшая их порода. Большинство осадков, выносимых с суши, никогда пе достигает глубокого океана и осаждается на мелководьях, а если поверхность этих мелководий постепенно опускается, то накапливается огромное количество отложенного материала. Благодаря этому процессу образовались мощные толщи известняков, в которых часто |встречается нефть; аналогичный процесс продолжается в настоящее время в Персидском заливе и Ираке, где большая река Карун выносит размытую почву из Ирана в верховья залива, а Тигр и Евфрат отлагают переносимый ими из северных гор материал на плоских равнинах между Багдадом в Басрой. Возможно, с этими отложениями связано происхождение мировых запасов нефти, а движения массивов суши определяют ее миграцию к коллекторам пористых пород, из которых их добывают. Знание этих процессов очень важно для экономики поисков нефти. Если три могущественные силы — интересы нефтяников, военно-морская гидрография и океанографические исследования — идут общими путями, то легко понять, почему современные морские экспедиции все еще совершают кругосветные плавания по океанам земного шара.
Примечания
1. История капитана Блая и мятежа на бриге «Баунти» (1789 г.) очень популярна в западной литературе. Это одна из романтических страниц истории парусного флота и плаваний в неисследованных Южных морях. Причиной мятежа на «Баунти» послужила жестокая расправа капитана Блая с его помощником, небрежно обращавшимся с судовым хронометром. Мятежники высадили капитана Блая с его сторонниками на шлюпку, а сами отправились на поиски необитаемого острова. Они высадились на затерянном в просторах Тихого океана острове Питкэрн и затопили «Баунти». Команда «Баунти» и их потомки прожили на острове Питкэрн в условиях полной изоляции от внешнего мира почти сто лет.
2. Длина колонок рыхлых донных осадков, полученных советскими исследователями в экспедиции на «Витязе» в Охотском и Беринговом морях, достигает 34,5 м. Это максимальная длина колонок, полученных грунтовыми трубками. Длина колонок, получаемых в открытом океане, значительно меньше и не превышает 12 м, так как плотность океанских донных отложений значительно выше, чем в краевых морях.
3. В марте 1961 г. американские исследователи пробурили первую скважину на больших глубинах Тихого океана. Скважина была пробурена со специального судна, удерживавшегося неподвижно в одной и той же точке с помощью нескольких двигателей, с определением точного местоположения относительно четырех заякоренных буев. Скважина пробурена на глубине океана 3512 м в районе острова Гвадалупе, в точке с координатами 28°58' с. ш. и 117°28' з. д. Скважина прошла сквозь осадочный покров мощностью 167 м и вошла на 13 м в слой базальта миоценового возраста.