Дрейф материков
Мысль о дрейфе материков возникла в значительной степени в связи с явной замечательной согласованностью очертаний современных береговых линий противостоящих материков — Южной Америки и Африки [36]. Было сочтено, что оба материка первоначально, примерно 150—200 млн. лет назад, составляли единый протоконтинент; время отрыва приближенно определялось по возрасту общей ископаемой фауны на обоих берегах. После открытия Срединноатлантического хребта оказались возможными и другие географические сопоставления. Выяснилось, что центральный хребет удивительно точно располагается на половине расстояния между границами шельфов подводной окраины материков. Буллард и др. [8] нашли, что согласованность очертаний материков вдоль Атлантики по изобате 500 фатомов (900 м) столь хороша, что не может быть случайной. Эти данные подкрепляются и геологическими наблюдениями. Установлено, что линии контакта между породами, возраст которых равен 2·109 лет и 0,6·109 лет и которые обнаружены на побережьях Африки и Южной Америки, тоже превосходно согласуются в указанном смысле [16].
Вайн и Мэтьюз [34] показали, что полосы магнитных аномалий в Атлантике симметричны относительно срединного хребта. Кроме того, расстояния от оси любого срединного хребта до аномальных зон превосходно согласуются [34] с эпохами изменения знака земного магнитного поля [9], причем «скорость», выведенная из соотношения между расстоянием и временем, оказывается постоянной. К сожалению, хронология изменений знака намагничивания пород распространяется лишь на интервал 4·106 лет. Для этого интервала получены значения скоростей около 1 см/год для Атлантики и более 4 см/год для других океанов. Таким образом, установить временную шкалу для магнитных аномалий можно лишь в их центральной (относительно оси хребта) зоне шириной 100—350 км. Изменение знака намагничивания полосчатых аномалий установлено и далеко за пределами, допускаемыми разработанной хронологической шкалой, и пока они могут быть использованы лишь для маркировки времени.
Если ложе океана разрастается от океанических хребтов, то механизм землетрясений, которые возникают на разломах, пересекающих хребет, должен соответствовать трансформному, а не обычному сдвигу [37]. Сайкс [31], определяя механизм таких землетрясений по методу Байерли [см. 30], показал, что если смещения параллельны основному простиранию, выраженному в рельефе, то их знак соответствует смещению при трансформном сдвиге и противоположен смещению при обычном сдвиге.
Оливер и Айзекс [29] показали, что глубоководные желоба представляют собой зоны, где поверхность океанического ложа, создаваемого у срединного хребта, подвергается разрушению. Там пластины поверхностного материала толщиной, вероятно, 50—100 км вдавливаются в мантию. Таким образом, глубокофокусные землетрясения, которые обычно приурочены к глубоководным желобам, возможно, вызваны термическими напряжениями, возникающими при погружении холодного поверхностного вещества в нагретую мантию. Ниже глубины 600—700 км (для наиболее быстро движущихся блоков) это вещество, по-видимому, уже приближается к состоянию температурного равновесия с окружающей средой [14]. Глубина глубоких очагов хорошо коррелируется со скоростью погружения пластин в различных географических регионах [17].
Палеомагнитные измерения остаточного магнитного поля в осадочных породах позволяют определить направление магнитного поля древних пород. Сопоставление одновозрастных пород, залегающих на разных материках, указывает на различное положение магнитного полюса. Различающиеся положения можно совместить, исходя из представления о дрейфе континентов и блуждании полюса. Эта методика основана на нескольких допущениях:
- 1) ненарушенное залегание образцов породы;
- 2) дппольный характер магнитного поля Земли;
- 3) совпадение магнитных полюсов с полюсами вращения Земли;
- 4) отсутствие разброса имеющихся данных.
Результаты применения этой методики свидетельствуют о том, что данные для пород, возраст которых не превышает 1,5·108 лет, указывают на дрейф материков с сохранением соответствия их очертаний [10].
Наконец, работы Мак-Кензи и Паркера [26], Ле Пишона [24] и Моргана [27] показали, что области океанического ложа, находящиеся между хребтами и желобами, перемещаются как более или менее жесткие пластины. Эти поверхностные пластины ограничены в местах их образования центральными зонами срединных хребтов, в местах их погружения — глубоководными желобами, а там, где они не создаются и не разрушаются,— трансформными разломами. Края пластин очерчиваются линиями эпицентров землетрясений [5], которые возникают в тех участках, где пластины смещаются относительно друг друга. Там, где ложе создается, землетрясения порождены растяжением, там, где оно погружается,— сжатием, а вдоль трансформных разломов — подвижками по простиранию.
Максвелл (Trans. Am. Geophys. Union, 50, 113, 1969) сообщил о результатах осуществления Программы отбора кернов при бурении глубокого океанического дна. Оказалось, что в Южной Атлантике возраст самых глубоких осадочных отложений ложа океана пропорционален их расстоянию от срединного хребта. Данные относятся к осадкам с возрастом до 90 млн. лет. Таким образом, интервал датируемых событий был расширен в 20 раз, причем оказалось, что разрастание ложа происходило непрерывно со скоростью около 2 см/год в течение по крайней мере последних 90 млн. лет и, вероятно, начиная с раздробления первичного протоконтинента Гондваны.
Течения в мантии
Выше были рассмотрены процессы, связанные с крупномасштабными движениями вещества у поверхности Земли. Вещество поступает из глубины по рифтам и уходит вглубь у глубоководных желобов, но пока мы описывали лишь перемещения поверхностного или близповерхностного вещества и не пытались охарактеризовать кинематику процесса в целом. Необходимо рассмотреть и обратный путь перетекающего вещества, имея в виду условия непрерывности и принцип сохранения материи.
Нам неизвестно реологическое состояние мантии. Прежде считали, что вязкость нижней мантии глубже примерно 1000 км имеет порядок 1026 ед. СГС. Это значение достаточно велико, чтобы предотвратить крупномасштабные перемещения вещества в этой области [28, 25]. Недавно было показано, что возможно иное объяснение, основанное на перенормировке гармоники второго порядка гравитационного поля по данным о возмущениях орбит спутников [12]. Таким образом, в настоящее время мы не можем сказать, происходят ли существенные перемещения вещества в нижней мантии.
Вывод об очень высокой вязкости нижней мантии основан на принятом значении гармоники второго порядка гравитационного поля. Это значение таково, что, пользуясь им и исходя из динамики вращающегося жидкого тела, не удается объяснить сплюснутость Земли у полюсов. Большое значение члена второго порядка в разложении гравитационного поля по сферическим гармоникам всегда затрудняло применение теории конвективных течений в мантии, так как этот член должен быть создан некоторым процессом, симметричным относительно оси вращения Земли. Для гармоник остальных порядков это условие не обязательно, и в принципе они могут быть созданы благодаря неустойчивости движения, как будет показано ниже. Мак-Кензи [25] рассмотрел возможность того, что неравновесная величина сжатия Земли может быть создана полоидальными течениями, пронизывающими всю мантию. Такие течения вызываются несовпадением изотерм с эквипотенциальными поверхностями поля тяготения. Согласно теореме фон Цей-пеля, при таком несовпадении во вращающемся жидком теле должны появиться течепия. Мак-Кензи пришел к выводу, что подобных течений недостаточно, чтобы объяснить избыточную сплюснутость у полюсов, и предпочел остановиться на гипотезе, объясняющей ее высокой вязкостью в глубоких недрах Земли.
Однако если посмотреть, как возмущения гравитационного поля разлагаются в ряд по сферическим функциям, то роль второй гармоники предстает в новом свете. Анализ показывает, что соответствующие коэффициенты, в том числе и члена второго порядка, изменяются как 1/n2, где n — порядок гармоники [2]. Это наводит на мысль (хотя и не доказывает), что процесс, вызывающий возмущения гармоник более высоких порядков, затрагивает и вторую гармонику гравитационного поля.
Слой пониженных скоростей сейсмических волн (волновод), по-видимому, существует повсюду на Земле, но на разной глубине от поверхности. Под более или менее стабильными областями, в том числе щитами, он находится на глубине около 115 км [2]; под активными областями, включая горные области и океаны, он располагается на меньших глубинах [6, 23]. Кроме того, скорости в волноводе, очевидно, характеризуются значительными боковыми вариациями. В некоторых частях света снижение скоростей в волноводе может быть обусловлено частичным плавлением вещества. Увеличение степени плавления будет вызывать некоторое уменьшение вязкости в соответствующей области. Андерсон [3] установил, что в области, примерно соответствующей слою пониженных скоростей, существует связь между вязкостью и удельным коэффициентом затухания сейсмических волн 1/Q. Классические измерения вязкости, использующие упругую отдачу массива суши после удаления нагрузки, давившей на его поверхность, могут фактически отражать вязкость слоя пониженной вязкости. Если слой пониженных скоростей обладает и пониженной вязкостью, то описанные выше пластины литосферы смогут перемещаться по слою пониженных скоростей и пониженной вязкости, как по смазке. Таким образом, слой пониженных скоростей может отделять область сильных перемещений вблизи поверхности от глубинных областей, где перемещения, вероятно, значительно слабее.
Автор показал [19, 20], что существенная неоднородность мантии, создаваемая фазовыми переходами, может препятствовать вертикальному перемещению вещества через границу фаз, если переход достаточно резок. Кроме границ слоя пониженных скоростей, резкие границы обнаружены в верхней мантии на глубинах около 360 и 600 км [18]. Эти границы, которые, видимо, хорошо согласуются с фазовыми переходами к более плотным модификациям магнезиальных силикатов [4], изучены еще недостаточно. Пока еще не установлено, насколько они резки, хотя предварительные разрезы, построенные для соответствующих зон, очевидно, не указывают на такую резкость перехода, которая исключала бы вертикальные перемещения вещества.
По мнению Андерсона [4], на глубинах более 600 км отношение железо/магний возрастает по сравнению с соответствующим отношением в вышележащих областях. Этот вывод в значительной мере зависит от уравнения состояния, которое выводится из соотношения между скоростью волн и плотностью, полученного в условиях лабораторных давлений, и из результатов опытов с ударными волнами. Лабораторные данные нельзя точно экстраполировать для давлений, соответствующих глубине 600 км и более; обработка же данных об ударных волнах связана со столь серьезной неопределенностью [22], что в настоящее время их нельзя использовать. Если допустить, что нижняя мантия богаче железом, чем верхняя, то вертикальный перенос вещества через соответствующую границу окажется невозможным, поскольку конвекция — это процесс, по своей сути происходящий в однородной среде; связанное с конвекцией перемешивание разрушило бы расслоенность по химическому составу.
Масштаб движений в мантии
Пока мы располагаем лишь чрезвычайно ограниченными данными как подтверждающими, так и опровергающими возможность перемещений вещества, охватывающих всю мантию. Этот вопрос возникает в связи с тем, что в некоторых теориях конвективных процессов горизонтальный масштаб перемещений вещества существенно зависит от вертикальных размеров области, вовлеченной в конвекцию. Если представить, что пластина литосферы служит верхней частью крупномасштабной конвективной ячейки, в которой нагретое вещество поднимается у гребня океанических хребтов, а холодное погружается у глубоководных желобов, то расстояние между желобами и хребтами должно определять вертикальный размер области циркуляции. Это расстояние по порядку величины соответствует скорее глубине земного ядра, а не глубине, скажем, самой глубокой зоны фазового перехода в верхней мантии (600 км). Таким образом, решающим условием для принятия указанной точки зрения является отсутствие преград для циркуляции во всей мантии независимо от того, чем обусловлены эти преграды: расслаиванием вещества по химическому составу или фазовыми переходами с узкой зоной перехода. Ферхуген [33] показал, что с очень большой долей вероятности можно утверждать, что преобладающая часть полиморфных фазовых переходов, возможных для силикатов, не создает непроницаемых преград для вертикальной конвекции.
Механизм перемещений
Можно ли построить модель механизма, который обеспечивал бы крупные горизонтальные перемещения вещества у поверхности Земли и вместе с тем согласовывался бы с имеющимися данными, а также учитывал возможные факторы, препятствующие такому перемещению. Было предложено три модели, рассматривавшиеся в свете гипотезы дрейфа континентов:
- 1) модель жидкого слоя, разогреваемого снизу (первоначально изучена Рэлеем);
- 2) модель жидкой среды, разогреваемой изнутри;
- 3) модель жидкой среды в условиях горизонтального температурного градиента.
В соответствии с первой моделью (результаты ее изучения подытожены в работе Кнопова [19]) существует предел устойчивости. Циркуляция вещества возникает лишь после того, как вертикальный температурный градиент превысит определенное критическое значение. Вблизи предела устойчивости ячейки конвекции имеют призматическую форму и в плане представляют собой правильные многоугольники. Горизонтальный размер ячейки конвекции примерно в два-три раза больше вертикального. Если сверхадиабатический температурный градиент значительно выше критического значения, то течение становится нерегулярным. Поскольку, однако, отношение вязкости к теплопроводности велико, отношения горизонтальных размеров ячеек к вертикальным, вероятно, сохраняются примерно такими же в некотором статистическом смысле.
Модель жидкой среды, разогреваемой изнутри [32], в некоторых отношениях сходна с первой моделью. Она тоже имеет предел устойчивости, но критическая величина вертикального температурного градиента для нее иная. Отношения горизонтальных и вертикальных размеров ячеек, видимо, имеют тот же порядок, как в первой модели.
В отличие от двух предыдущих моделей в условиях горизонтального температурного градиента [1] жидкость всегда неустойчива. И в данном случае горизонтальный размер ячеек имеет такой же порядок, как и толщина жидкого слоя, если температура на его поверхности распределена согласно дельта-функции (Кнопов и Смит, неопубликованная работа). К сожалению, при расчете этой модели не рассматривалась нелинейная задача о переносе тепла. Впрочем, эта нелинейность пе учитывалась и в расчетах других моделей.
Мы не будем касаться вопроса о возможной нерегулярности структуры конвективных течений в мантии, хотя он один может поставить под сомнение применимость описанных моделей. Так, расстояние от Восточнотихоокеанского поднятия до Японского желоба, видимо, значительно больше размера ячейки, допустимого в описанных моделях, даже если считать, что конвекция распространяется на всю мантию. Кроме того, нам не известен механизм, который правдоподобно объяснил бы миграцию зон образования и погружения океанического дна — срединных хребтов и желобов. Такую миграцию необходимо допустить, чтобы объяснить существование нескольких зон образования ложа океана, не разделенных зонами его погружения. Примером подобной ситуации могут служить срединный хребет Южной Атлантики, Восточно-Африканский рифт и Срединноиндийский хребет, схематически .изображенные на фиг. 1. Между этими тремя зонами созидания нет ни одного глубоководного желоба. Фактически эти три рифтовые зоны могут одновременно служить источниками разрастания океанического дна лишь в том случае, если расстояние между ними непрерывно возрастает. И действительно, площадь всех четырех примыкающих к этим трем рифтам областей океанического дна должна увеличиваться, поскольку глубоководные желоба, находящиеся у их внешних границ — Чилийский и Тонга — ориентированы таким образом, что обеспечивают погружение в мантию только ложа Тихого океана1. Следовательно, эти два желоба должны мигрировать в сторону Восточнотихоокеанского поднятия несмотря на разрастание, направленное от этого поднятия — ведь площадь Тихого океана будет уменьшаться, чтобы скомпенсировать разрастание ложа четырех других областей.
Последний вопрос, относящийся к проблеме конвекции в масштабах всей мантии, связан с тем, что в этом случае постоянная времени при становлении стационарной конвекции оказывается чрезвычайно большой. Если исходить из скорости разрастания океанического ложа, равной нескольким сантиметрам в год, то время, необходимое для становления стационарной конвекции, составит около 1 млрд. лет [21] или еще больше, если вязкость на больших глубинах велика. Эта оценка примерно соответствует времени, которое затратит частица, совершая один полный цикл в правильной конвективной ячейке. Такой период слишком велик по сравнению с временем, прошедшим от предполагаемого раскола протоконтинента в южном полушарии, так что едва ли такая модель может соответствовать действительности.
Поэтому весьма маловероятно, что модель конвекции, охватывающей всю мантию, пригодна для Земли. Рассмотренные выше факторы возможной слоистости мантии по химическому составу, неподходящего горизонтального масштаба и особенно неподходящего временного масштаба заставляют считать такую модель неприемлемой. Ограничив же конвективную циркуляцию верхней мантией, мы лишь усугубляем трудности, связанные с проблемой неподходящего горизонтального масштаба.
Эпизодические перемещения
Мы располагаем и геофизическими данными, подкрепляющими гипотезу нестационарной конвекции в мантии. Ряд наблюдений указывает, что процесс разрастания океанического дна имеет эпизодический характер. Дж. и М. Юинги [11] показали, что во всех океанах мощность осадков резко изменяется на расстоянии нескольких сотен километров от оси срединного хребта. Следовательно, если разрастание дна происходило непрерывно с постоянной скоростью, то несколько миллионов лет назад произошло резкое изменение в темпе накопления осадков. С другой стороны, можно предположить, что части дна, более удаленные от срединного хребта, в течение некоторого времени почти не перемещались относительно хребта. По мнению Дж. и М. Юингов, второе предположение более правдоподобно и современный этап разрастания дна начался около 10 млн. лет назад. Ему предшествовал период покоя, когда относительных перемещений ложа не происходило. Предыдущий этап разрастания мог закончиться около 40 млн. лет назад. Возможно, что Атлантический океан возник и разросся до современного вида в результате ряда таких эпизодов, последний из которых закончился около 1 млн. лет назад, и лишь совсем недавно океан вновь стал расширяться. Современный этап разрастания, по-видимому, начался примерно одновременно во всех океанах.
Громме и др. [15] считают, что в древние эпохи дрейф континентов происходил в течение весьма коротких интервалов времени. Координаты палеомагнитных полюсов для пород, находящихся на разных континентах, обнаруживают соответствие в течение длительных периодов. Громме и соавторы пришли к выводу, что в ходе геологической истории разрастание ложа океана происходило в течение нескольких эпизодов и что время, приходящееся на эти «спазмы» крупномасштабных горизонтальных движений, вероятно, мало по сравнению со временем, когда поверхность Земли пребывала в стационарном состоянии.
Если мы примем, что перемещения в мантии имеют эпизодический характер, то для такого преходящего процесса нужен несколько иной механизм циркуляции. Весьма вероятно, что накопление статических напряжений во время спокойного периода длится до тех пор, пока они не превысят некоторый критический предел. Тогда происходит разрыв, и две соседние пластины начинают двигаться в противоположных направлениях. Связанный с этим импульс, вероятно, перемещает их на известное расстояние; в конце концов они останавливаются под действием сил вязкого торможения, и начинается новый спокойный период. Если исходить из такой модели, то весьма вероятно, что материал, заполняющий зазор между расходящимися пластинами, должен иметь местное происхождение. Одна из возможностей состоит в том, что этот материал поступает из слоя пониженных скоростей.
Причину неустойчивости следует искать в процессах, протекающих во время спокойного периода. В настоящее время мы можем предложить лишь умозрительные гипотезы для объяснения причины механических напряжений, приводящих к разрастанию океанического дна. Однако термическая природа этих процессов несомненна. Коль скоро блоки земной поверхности начинают перемещаться, они занимают некоторое новое положение, которое, надо полагать, соответствует меньшему уровню энергии. Затем система стабилизируется, и вновь начинают накапливаться статические напряжения, подобно какому-то гигантскому релаксирующему осциллятору. Григгс [13] предложил модель, которая несколько похожа на описанную выше, однако она связана с конвекцией, охватывающей всю мантию. Представляется полезным пересмотреть эту идею в свете новых данных о разрастании океанического дна.
Примечания
1. Имеется в виду ориентировка наклонных зон глубокофокусных землетрясении, якобы отмечающих кровлю сползающих в мантию пластин литосферы. Автор упускает из виду желоб у Зондского архипелага, но эта ошибка не оказывает существенного влияния на его доводы.