Появление рубидий-стронциевого метода было для изотопных геохронологических методов как бы открытием нового измерения. Это было связано с появлением такого тонкого средства, как метод изохрон. Данный метод основывается на следующем. Исследуемый образец делится на несколько проб: если все они покажут одинаковый возраст, то можно с уверенностью принять его за возраст породы. (Для того чтобы получить несколько проб, обычно берут либо различные минералы одного и того же образца, либо разделяют сам образец на несколько частей.) Поскольку эти пробы, конечно же, образовались в одно и то же время, то при корректности метода должны получаться одинаковые возрасты для каждой пробы.
Этот принцип кажется довольно очевидным, однако в случае рубидий-стронциевого метода его использовать невозможно. При определении возраста пород измеряют в них отношение количества подвергающихся распаду родительских элементов к количеству образующихся из них дочерних элементов. В случае калий-аргонового метода можно считать, что весь содержащийся в породе аргон-40 образовался при распаде родительского элемента калия-40. Однако в случае рубидий-стронциевого метода мы уже не имеем права считать, что весь содержащийся в породе стронций-87 образовался при распаде рубидия-87.
Дело в том, что в магме уже содержалось некоторое количество стронция-87 (конечно, аргон-40 тоже содержится в магме, но, являясь газом, он полностью выделяется из магмы при ее изливании на поверхность Земли). Для применения рубидий-стронциевого метода необходимо прежде всего каким-либо способом установить, какая часть стронция-87 исследуемой породы образовалась из рубидия-87.
Для решения этой задачи и применяют метод изохрон. При этом для проб, на которые разделен образец, наряду с отношением количеств стронция-87 и рубидия-87, измеряется отношение количеств изотопов стронций-87 и стронций-86. Затем строится график, на горизонтальной оси которого откладывается первое из этих отношений, а на вертикальной — второе. Прямая линия, соединяющая полученные точки, и называется изохроной. Если использовать законы радиоактивного распада, можно' показать, что наклон этой прямой указывает на возраст пород, но мы здесь не будем углубляться в этот вопрос.
Когда исследуется порода, подвергавшаяся выветриванию, можно предположить, что влияние выветривания для различных проб должно быть различным. Поэтому должен наблюдаться разброс значений возраста проб.
Точки, соответствующие разным пробам, перестанут ложиться на прямую линию, н определить возраст породы станет невозможно. Если обратиться к рис. 15, то в случае а мы можем получить достоверное значение возраста, а в случае б, из-за того, что образец подвергался выветриванию, точки, соответствующие пробам, не ложатся на прямую линию и возраст определить невозможно. (В представленном случае в качестве проб использовались разные минералы, входящие в состав породы: калиевый полевой" шпат, мусковит и биотит.)
Таким образом, если использовать метод нзохрон, гарантируется довольно высокая надежность результата. С тем, что это достоинство, легко согласится каждый, кто имел дело с калий-аргоновым методом. Но в этом методе есть тот большой недостаток, что значение возраста в нем однозначно определяется отношением количеств калия-40 и аргона-40, но при измерении содержания этих элементов могут быть допущены ошибки, к которым приводят калий и аргон, не входившие в состав породы.
Но метод изохрон, хотя он и имеет очень высокую надежность, к сожалению не пригоден для таких пород, как базальты, содержащие мало рубидия. Следовательно, использовать этот метод для определения возраста загадочных пород, собранных в Срединно-Атлантическом хребте, нельзя.
К счастью, во второй половине 60-х годов на сцене появился очень мощный аргон-аргоновый метод. Он является объединением калий-аргонового метода и метода изохрон. Он был разработан профессором Калифорнийского университета Рейнольдсом и его учениками К. Меррихью и Дж. Тернером. Данный метод вполне применим к базальтам, и поэтому можно было быть уверенным в достоверности результатов, которые, казалось бы, вступают в противоречие со здравым смыслом. Случайно получив от профессора А. Мия-сиро, преподающего геологию в Нью-Йоркском университете, загадочные океанические породы из института Ламонта, я немедленно попытался определить их возраст аргон-аргоновым методом. Результат оказался ошеломляющим. Возраст этих пород был равен 170 миллионам лет. Данные очень точно ложились на прямую линию, образующую изохрону. Проверив еще раз все свои действия во время опыта и анализа данных, я не нашел ничего вызывающего хоть малейшее сомнение. Собравшись с духом, я решил опубликовать эти удивительные данные, послав статью в один западноевропейский научный журнал.
Когда статья была напечатана, один видный французский геолог прокомментировал ее следующим образом: «...Хотя описываемый в статье эксперимент не вызывает никаких сомнений, однако нет совершенно никаких гарантий, что этот образец был действительно отобран на поверхности Срединно-Атлантического хребта. В свое время мне (рецензенту) довелось побывать в институте Ламонта. Порядок хранения образцов там был довольно удручающим и падение образцов с одной полки на другую и тому подобные беспорядки были обычным явлением».
Поскольку этот ученый был одним из основателей тектоники плит, его мнение было очень авторитетным.
Сомнения (правда, несколько иного рода), основанные на Личном опыте, приобретенном при сборе образцов в северной части Тихого океана, высказал в довольно откровенной форме и один мой друг, ученый из Великобритании. Действительно, иногда бывает, что в высокоширотных районах, близких к полюсу, поднимают со дна моря породы явно континентального происхождения. Двигающиеся по суше ледники часто «срезают» породы поверхностного слоя, а достигая берега моря, они образуют айсберги, в которые входят и эти захваченные материковые породы. Когда айсберги в конце концов тают, эти породы опускаются на дно.
Однако доктор Фумико Сида из Нью-Йоркского университета, проводивший минералогическое исследование образцов, для которых мною был определен возраст, отверг предположение, что эти загадочные породы могут иметь континентальное происхождение. Согласно данным Сиды, эти несколько метаморфические породы имеют очень типичную, характерную именно для океанических базальтов структуру. Кроме того, результаты их химического анализа также совершенно четко обнаруживают особенности, свойственные океаническим базальтам. Наконец, породы были собраны на сравнительно низких широтах, где их не могли достичь айсберги. И вообще, из окружающих их местоположение районов моря никогда не поднимали пород континентального происхождения.
Учитывая все это, следует, по-видимому, признать, что эти породы имеют океаническое происхождение.
Хотя определенный с помощью аргон-аргонового метода возраст этих пород на первый взгляд является довольно странным с точки зрения тектоники плит, однако если поразмыслить, в этом, может, есть какой-то смысл. Приводимые данные по расширению океанического дна и дрейфу континентов указывают на то, что Америка и Африка стали разделяться и между ними начал образовываться Атлантический океан примерно в середине юрского периода (140—208 миллионов лет назад). А это совпадает с возрастом наших загадочных пород.
Сопоставляя этот возраст и изотопное отношение стронция с результатами исследований минерального состава этих пород, я предположил, что они являются вулканическими и поднялись по разломам, образовавшимся непосредственно перед началом раскрытия Атлантического океана. Эти изверженные породы, образовавшиеся почти одновременно с началом расширения Атлантического океана, оказались потом погребенными под поверхностью Срединно-Атлантического хребта. Впоследствии в результате некоторых перемещений вдоль разрывных нарушений в породах они оказались на поверхности океанического дна, откуда были подняты экспедицией института Ламонта.
Действительно, поблизости от. срединно-океанических хребтов существуют зоны разломов, и загадочные породы были отобраны в одной из них. Если мое предположение об этих породах верно, то в теорию раскрытия океанического дна нужно внести некоторые более или менее локальные поправки. Крупные изменения в тектонике плит, конечно, не обязательны. Недавно, проводя исследования зон разломов в районе Срединно-Атлантического хребта, Е. Бонатти и другие ученые из Колумбийского университета обнаружили там древние мелководные осадочные породы. Бонатти пришел к заключению, что эти породы относятся к эпохе существования мелководного моря в этом районе еще до начала раскрытия Атлантического океана.
Но тогда возникает вопрос: может быть, при образовании новой океанической коры и ее растекании по обе стороны от срединно-океанического хребта часть древних пород, существовавших ранее на этом месте, так и осталась над «отверстием», из которого поднимается мантийное вещество?
Приведем еще один пример, труднообъяснимый в рамках тектоники плит. Начиная с 1975 года согласно проекту ИПОД по всему Мировому океану проводится отбор пород основания (фундамента) океанического дна. Уже получено много интересных результатов, один из которых касается Японских островов,— это открытие древней суши Оясио (по названию, которое дали Курильскому течению японцы.). Обнаруженная осенью 1977 года, во время исследовательского рейса научно-исследовательского судна в рамках этого проекта ИПОД, она была названа так доктором Н. Насу, возглавлявшим научные работы на судне.
Оясио представляет собой довольно крупный массив, расположенный не далее 100 километров от Японского желоба.
Изучение его осадочных пород показало, что в меловом периоде этот массив был, по-видимому, древней сушей, возвышавшейся иад уровнем моря. Впоследствии он начал погружаться и 20—30 миллионов лет назад окончательно скрылся под поверхностью моря.
Согласно тектонике плит, континентальная сторона глубоководного желоба должна быть приподнятой, «задираясь» под давлением прижимающейся к ней вплотную океанической плиты. Поэтому случай с погружением массива суши, расположенного с континентальной стороны желоба, объяснить довольно трудно в рамках тектоники плит.
Еще одним неожиданным фактом было то, что совсем неподалеку от глубоководного желоба обнаружились следы очень молодой (около 22 миллионов лет назад) вулканической деятельности.
Плита, погружающаяся в Японский желоб, проходит под Японскими островами. В результате возникновения трения между погружающейся плитой и окружающим ее мантийным веществом должно выделяться тепло, которое приводит к образованию магмы. Эта магма, поднимаясь, достигает Японских островов и образует наблюдаемые там вулканы (такое объяснение давала тектоника плит вулканической деятельности, проявляющейся в пределах островных дуг).
Для того чтобы наклонно погружающаяся в сторону континента плита достигла глубины (как полагают, около 100 километров), необходимой для превращения пород в магму, она должна пройти от глубоководного желоба в сторону континента расстояние в горизонтальном направлении в несколько сот километров. Это как раз соответствует тому месту, где расположены Японские острова. В то же время, поскольку трудно предположить, что на расстоянии всего 100 километров от желоба плита уже погрузилась на глубину, достаточную для образования магмы, то никто, конечно, не мог ожидать здесь какой-либо вулканической деятельности.
Неподалеку от древней суши Оясио пробуренная на океаническом дне скважина вскрыла слой андезитовых конгломератов (то есть конгломератов, галька и обломки которых состоят из андезита.). Источник, из которого поступили эти обломочные породы, достигающие мощности (толщины слоя, пласта) 40 метров, несомненно располагался где-то неподалеку, и, может быть, им была сама древняя суша Оясио. Возраст этих конгломератов, измеренный аргон-аргоновым методом, оказался равным 22 миллионам лет.
Гораздо древнее фундамент, сложенный вулканическими породами мелового возраста, у Тохоку—прибрежного района северо-восточной части Японии, расположенного напротив Оясио.
С другой стороны, возраст вулканических пород Оясио очень хорошо совпадает с периодом бурной вулканической деятельности, проявлявшейся в центральной части Северо-Восточной Японии 17—22 миллиона лет назад (так называемая эпоха «зеленых туфов»).
Увлечение тектоникой плит достигло такого уровня, который приводит к ощущению, что она в 70-х годах почти монопольно захватила всю тематику работ в области наук о Земле. Однако немалое число исследователей начинают постепенно отходить от нее. Основываясь на своем опыте, я могу сказать, что многие факты остаются труднообъяснимыми, если тектонику плит применять механически. С другой стороны, отвергать всю эту теорию полностью, основываясь только на некоторых разрозненных фактах, было бы неверно.
В настоящее время, помимо тектоники плит, нет теории, которая бы одновременно и единообразно объясняла и чрезвычайно закономерный вид магнитных аномалий океанического дна (факт, из которого родилась теория раскрытия океанического дна), и углубление океана по направлению от сре-динно-океанических хребтов к глубоководным желобам, и симметричное увеличение возраста океанического дна в разные стороны от срединно-океанических хребтов. Как бы ловко ни объяснялось каждое явление в отдельности критиками тектоники плит с привлечением многочисленных гипотез, все они имеют малый вес, пока не будет создана другая теория, дающая единое объяснение многим фундаментальным фактам. В то же время вряд ли нужно напоминать, что многие законы могут считаться законами только в определенных рамках их применимости.
Под литосферной плитой, движение которой является основным положением тектоники плит и теории расширения океанического дна, понимается геологическая структура с горизонтальными размерами несколько десятков тысяч километров и толщиной до 100 километров. Движением и взаимодействием подобных плит обычно объясняются геологические явления, имеющие такие же масштабы. В этом и состоит немалая доля привлекательности тектоники плит — в том, что размер плит соответствует масштабам объясняемых явлений. Вспомним, что изучение строения атома стало возможным, только когда стали применять средство, соответствующее по размерам объекту исследования.
При применении же тектоники плит к явлениям очень небольшого масштаба иногда возникают затруднения. Но из того, что тектоника плит не может объяснить явления весьма малого масштаба по сравнению с размерами движущейся плиты, делать вывод о полной непригодности этой теории было бы неверно.
В то же время тектоника плит с самого своего возникновения развивалась на базе преимущественно геофизических данных, главным образом сейсмических. И следует обратить внимание на то, что объекты ее наблюдений (земной магнетизм, сейсмические волны; порождаемые землетрясениями, тепловой поток) относятся к физическим явлениям. В то же время в этой теории почти не использовались геохронологические методы при изучении движения вещества земных недр, что, как подчеркивалось неоднократно в этой книге, является «становым хребтом» развития Земли.
Как мы знаем, из изучение распределения радиоактивных изотопов можно сделать выводы о движении вещества в недрах планеты, об обмене материалом между обособившимися друг от друга мантией и корой. В противоположность геофизическим эти методы могут быть названы геохимическими. И как было показано, при изучении взаимодействия коры и мантии на протяжении столь длительного времени, как вся история Земли, можно ограничиться рассмотрением лишь обычного перемещения (миграций) мантийного вещества к коре.
В связи с этим интересно рассмотреть взаимодействие между мантией и корой с позиции тектоники плит. Согласно этой теории, мантийное вещество, появляясь на поверхности в срединно-океанических хребтах, начинает двигаться в разные стороны от них. Скорость этого движения, как полагают, порядка 1—10 сантиметров в год. Таким образом, через 100—200 миллионов лет возникшая в срединно-океаническом хребте плита должна достичь глубоководного желоба и вновь ' погрузиться в мантию. Таким образом, с точки зрения тектоники плит процесс взаимодействия мантии и коры соответствует полной циркуляции вещества с циклом, не превышающим несколько сот миллионов лет.