Происхождение Земли

На первый взгляд получается противоречие с геохимическим подходом, рассматривающим одностороннее движение вещества из мантии в кору. Как же разрешить это противоречие?
Пока это никому не удается. Однако мне представляется, что это расхождение лишь кажется на первый взгляд противоречием, оно связано с рассмотрение событий разного временного масштаба, которое проводится при геохимическом и геофизическом подходах. Установленное геофизическими методами движение плит охватывает промежуток времени самое большее в несколько сот миллионов лет. При использовании геохимических методов, основанных на изучении изотопов с периодами полураспада, превышающими миллиарды лет, исследуется поведение объектов за промежутки времени, сравнимые с возрастом Земли.
Если рассматривать отрезки времени в несколько миллиардов лет и больше, то процесс взаимодействия мантии с корой действительно выглядит как однонаправленное перемещение мантийного вещества, но если ограничиться короткими отрезками в несколько сот миллионов лет, он вполне может быть представленным в виде циркуляции. По сегодняшним представлениям, движение плит ограничено промежутком, уходящим в прошлое до нескольких сот миллионов лет.
Возраст, современного океанического дна не превышает 200 миллионов лет. Следов существования и движения литосферных плит в более древние эпохи не обнаружено. Вопрос о том, возникало ли еще когда-нибудь в прошлом движение плит, подобное осуществляющемуся в течение последних 200 миллионов лет, наиболее горячо обсуждается в последнее время.

Справа помещен фрагмент современной карты мира, включающий материки Африку и Южную Америку. На левой стороне показан рисунок, где контуры этих континентов совмещены. Хорошо видно, как точно Бразильский полуостров вкладывается в побережье Берега Слоновой Кости. Да и в целом очертания двух континентов поразительно совпадают. Не так ли?
Этот рисунок взят аз изданной в 1885 году в Париже книги Антона Снайдера «Сотворение мира — приподнимем покрывало мистики». Может ли такое поразительное совпадение быть простой случайностью? Или подобно некоему «природному провидению» оно имеет какой-то более глубокий смысл?
Снайдер, изобразив этот рисунок, имел в виду как раз такое «провидение». Обнаружив появление похожей ископаемой фауны в обычных каменноугольных слоях и в Африке и Южной Америке, он задал вопрос, не составляли ли эти континенты в тот период одно целое? На рис. 17 отражен его собственный ответ на этот вопрос. Если допустить, что в каменноугольном периоде оба континента соединялись, появление одинаковых видов в пластах той эпохи становится вполне естественным.
Но если говорить о движении континентов, нельзя сказать, что мысль об этом впервые была высказана Снайдером. На самом же деле ее можно встретить уже у Роджера Бэкона и еще у очень многих авторов. Однако, связав одновременное появление одинаковой фауны на обоих материках с их движением, Снайдер перевернул новую страницу в развитии наших представлений о дрейфе континентов.
Но все же, будучи слишком смелой гипотезой, идея о дрейфе континентов в то время не получила общего признания. Однако в 1912 году А. Вегенер вновь вывел ее на сцену.
Вся жизнь этого ученого, полная всяких превратностей и трагически завершившаяся в 50 лет (когда он в 1930 году пропал во льдах Гренландии), была посвящена тому, чтобы привлечь к гипотезе дрейфа континентов внимание всего мира.
Однако потребовалось еще 20 лет, чтобы в 50-е годы многие ученые действительно пришли к выводу, что на Земле в самом деле происходило движение материков. Значительную роль в этом сыграли данные, полученные с помощью палеомапштологии.

Как мы знаем, наша планета обладает магнитным полем, близким к полю, создаваемому огромным стержневым магнитом, расположенным в ее центре. Точки, где этот гигантский магнит пересекал бы земную поверхность, называются северным и южным магнитными полюсами. Географические и магнитные полюса Земли несколько различаются в своем положении; в настоящее время эта разница в положении составляет около 12°. Направление на магнитный полюс для заданной точки земной поверхности непрерывно меняется с течением времени. Если проследить вызывающее это явление перемещение полюсов по поверхности Земли для разных периодов ее истории, получится некоторая кривая, которую называют линией дрейфа магнитных полюсов.
Подобно тому как обычный магнит имеет два отдельных полюса, магнитные полюса Земли, дрейфуя с течением времени, тоже будут описывать на поверхности Земли две различные кривые (разумеется, воображаемые) отдельно для Северного и Южного полушарий.
Вскоре же после второй мировой войны, в начале 50-х годов, началось активное развитие исследований в СССР, Франции, Великобритании, США и Японии по изучению намагниченности пород Земли. Тогда создалась такая ситуация, что Великобритания и Япония оказались выше других в этих исследованиях. При этом, в то время как японские исследователи наибольший интерес питали к физическому механизму намагничивания пород, внимание английских ученых, возглавляемых профессором Блэккэттом (получившим Нобелевскую премию за исследования космических лучей), было обращено на геологические аспекты этой проблемы.

Показаны линии дрейфа магнитных полюсов, установленные С. Ранкорном, работавшим в то время в Кембриджском университете и изучавшим породы, собранные в Африке и Южной Америке. Около линий дрейфа показаны значения возраста и видно, что с увеличением возраста разница с современным положением этих полюсов становится все более заметной. Причем линия дрейфа магнитных полюсов, установленная по породам, собранным в Африке, и соответствующая ей линия для пород Южной Америки отличаются друг от друга.
Каким же образом могло возникнуть такое расхождение?
Ранкорн заключил, что это расхождение образовалось вследствие относительного смещения Африки и Южной Америки. Действительно, если передвинуть континенты так, чтобы линии дрейфа совпали, то получится ситуация, показанная на рис. 18, в. Таким образом, при размещении континентов так, чтобы Бразильский выступ точно «вкладывался» в район Берега Слоновой Кости, две линии дрейфа магнитных полюсов совпадают. Если этот рисунок сравнить со схемой дрейфа континентов, предложенной Снайдером, станет ясно, что они поразительно похожи.
Очевидно, что совпадение двух линий дрейфа магнитных полюсов имеет место для точки, соответствующей возрасту 200 миллионов лет (после этого они вновь несколько расходятся). Этот факт станет полностью объяснимым, если принять гипотезу об относительном смещении континентов.

Около 200 миллионов лет назад, Африканский и Южноамериканский континенты составляли одно целое. Если допустить это, то дрейф магнитных полюсов в эпоху, предшествующую этому времени, изобразится одной линией. А если перевести континенты в нынешнее разъединенное состояние; то линии дрейфа магнитных полюсов, определенные по образцам пород этих континентов, тоже разойдутся. Возраст, с которого начинается разделение линий дрейфа магнитных полюсов, будет соответствовать времени разделения континентов. Это было примерно 200 миллионов лет назад.
Дрейф континентов, установленный по данным о намагниченности пород, имеет почти тот же вид, который предсказывали Снайдер, Вегенер и другие по результатам геологических наблюдений. Кроме того, близкие выводы о дрейфе континентов дает развивающаяся с 60-х годов теория расширения океанического дна.
Однако исследования намагниченности горных пород и теория расширения океанического дна замечательно объясняют движение континентов за промежуток времени вплоть до 200 миллионов лет назад. А происходило, ли такое движение в более древние эпохи? По этому поводу мы не можем сказать почти ничего определенного.

Давайте обобщим все, что мы узнали о длившейся 4,5 миллиарда лет истории.
Как сейчас считают, Земля возникла в Солнечной системе 4,55 миллиарда лет назад. Этот возраст принят по аналогии с возрастом метеоритов, и определить его по горным породам Земли невозможно.
Химические элементы, из которых состоит Земля, образовались гораздо раньше, чем сформировалась наша планета. Оии возникли в ходе реакций нуклеосинтеза, продолжавшихся свыше 10 миллиардов лет. Полагают, что большое влияние на ход этих реакций оказал произошедший вблизи будущей Солнечной системы взрыв Сверхновой звезды. Из образовавшихся элементов вскоре сформировалась протосолнечная туманность, в которой затем началась аккумуляция вещества, приведшая к возникновению Земли.
Между завершением основного процесса нуклеосинтеза элементов и формированием Земли прошло не более 100 миллионов лет. Это установлено из того, что в Земле в момент ее возникновения присутствовал изотоп йод-129 (на присутствие этого изотопа указывает образовавшийся из него ксенон-129).
Спустя не более чем через несколько сот миллионов лет после образования Земли, то есть свыше 4 миллиардов лет назад, сформировалось ядро и почти одновременно с этим произошло крупномасштабное выделение газов из недр Земли, за счет которого сформировалась большая часть современной атмосферы и гидросферы. Это было установлено по изотопному отношению аргона земных недр, времени возникновения магнитного поля Земли и т. п.
Как следует из изотопных отношений стронция и свинца, разделение коры и мантии происходило непрерывно на протяжении почти всей истории Земли.
Активность коры докембрия еще недостаточно для нас понятна. Может ли тектоника плит, замечательно объясняющая геологические явления, начиная с мезозоя, быть применена к докембрию — это является одним из наиболее интересных и важных вопросов. Наиболее древние из известных нам пород земной коры образовались 3,7 миллиарда лет назад.
После палеозоя в течение сравнительно короткого срока, охватывающего 10% истории Земли, главными героями, видимо, стали дрейф континентов и расширение океанического дна. 200 миллионов лет назад бывший до этого единым блоком континент Пангея начал разделяться на части.
В океанической коре и осадочных породах можно проследить начинающуюся с палеозоя и доходящую до нашего времени почти непрерывную хронику земного магнетизма. Выяснилось, что, непрерывно меняя свое направление один раз в несколько сотен тысяч лет, магнитное поле Земли испытывает изменение полярности. Последняя инверсия земного магнитного поля имела место 700 тысяч лет назад.

В 1947 году экспедицией на научно-исследовательском судне Геологического института Ламонта Колумбийского университета (США) во время рейса в Атлантике было поднято несколько образцов пород с поверхности Срединно-Атлаитического хребта. По -данным микроскопических исследований, это были несколько видоизмененные базальты. Тогда же Т. Калп, работавший в то время в Колумбийском университете, использовав калий-аргоновый метод, определил возраст этих пород в 48 миллионов лет.
Однако эти породы были собраны в самом центре Срединно-Атлантического хребта, и с точки зрения тектоники плит их возраст должен был быть равным нулю. В 50-х годах институт Ламонта был одним из мест, где рождалась гипотеза о расширении океанического дна и вышедшая из нее тектоника плит. Идущий вразрез с предсказаниями теории возраст этих загадочных пород (которые в журнале регистрации образцов были обозначены как АМ50) стал считаться ошибкой эксперимента и, по-видимому, вскоре совершенно бы стерся из памяти ученых.
Было известно, что калий-аргоновый метод имеет тенденцию давать время от времени очень древний возраст, совершенно не связанный с настоящим возрастом породы. Почти в то же самое время появилось сообщение, что для пород, найденных на Кольском полуострове, с помощью калий-аргоноворо метода был определен, как потом оказалось ошибочно, возраст 4—б миллиардов лет. Хотя калий-аргоновый метод имеет широкий диапазон применимости, однако наряду с этим достоинством у него имеются и недостатки: сложность лабораторных операций, связанных с применением этого метода, и трудность проверки, действительно ли полученное значение отражает истинный возраст породы.

Действительно, при наблюдении геологических структур, которые в местах своего появления на поверхность совершенно перпендикулярны океаническому дну, не может не прийти мысль, что они являются океанической корой, сорванной с поверхности плит в глубоководных желобах. Когда двигающаяся на запад плита сталкивается подобным образом с Японским архипелагом, энергия этого столкновения и является причиной землетрясений, возникающих вдоль Японского желоба.
Итак, тектоника плит действительно удивительно красиво и вместе с тем единообразно объясняет многие геологические явления: от происхождения геологических структур планетарного масштаба и орогенических движений, до причин возникновения землетрясений!
Однако, с другой стороны, имеется ряд фактов, которым в рамках тектоники плит в обычном своем варианте не удается дать удачного объяснения. Далее я приведу пример подобного случая из своего личного опыта.

Магма, выплавляющаяся из мантии и изливающаяся в срединно-океанических хребтах, имеет температуру свыше 1000° С. Удаляясь от срединно-океанических хребтов, вышедшее из мантии вещество на протяжении 1—10 миллионов лет остывает. Поскольку температура выше всего в верху срединно-океанического хребта, там достигает наибольшей величины тепловое расширение пород. Поэтому вблизи от срединно-океанических хребтов глубина океана небольшая. По мере удаления от этих районов, в связи с уменьшением объема пород при остывании, глубина должна постепенно расти. И действительно, в западной части Тихого океана, в направлении к Японским островам, глубина увеличивается.
Согласно тектонике плит, появляющееся в срединно-океанических хребтах океаническое дно, раздвигаясь в обе стороны, в конце концов сталкивается с островными дугами и континентами и погружается под них. Часть океанического дна, начинающая это погружение, и называется глубоководным желобом. Погружающаяся в глубоководном желобе под континент литосферная плита вновь возвращается в мантию.
Наблюдаемые на континентах и островных дугах орогенические (горообразующие) движения, согласно тектонике плит, зависят от силы столкновения движущейся плиты и континентов или островных дуг. Когда плиты погружаются в глубоководном желобе в мантию, там происходит «сдирание», выдавливание и нагромождение осадочных и магматических пород, движущихся на верхней части плиты. Так объясняет теория образование значительной надводной части (остова) островных дуг, подобных Японским островам.

Согласно сегодняшним представлениям, в центральной зоне срединногокеанических хребтов возраст горных пород должен быть самым молодым, а в горизонтальных направлениях от них должен постепенно увеличиваться. Палеонтологические исследования осадочных пород глубоководного океанического дна довольно хорошо подтверждают этот вывод. Если говорить о Тихом океане, то возраст пород почти равен нулю вблизи Восточно-Тихоокеанского поднятия, но по обе стороны от него постепенно увеличивается.
Можно предположить, что наиболее древние породы в Тихом океане должны располагаться у восточных склонов Японского, Идзу-Бонинского и Марианского глубоководных желобов, наиболее удаленных от Восточно-Тихоокеанского поднятия. По палеонтологическим данным, возраст пород этих районов изменяется от юрского (208—140 миллионов лет назад) до раннемелового (около 140 миллионов лет назад).
Включившись в 1975 году в международный проект глубоководного бурения ИПОД, японские ученые смогли принять участие в изучении пород глубоководного океанического дна и залегающих под ними пород более древнего фундамента. В ходе проекта ИПОД исследователям неоднократно удавалось углубиться в породы фундамента на несколько сотен метров. При этом постепенно накапливались данные по абсолютному возрасту фундамента. В результате, за некоторыми исключениями, почти полностью подтвердилась схема изменения возраста, полученная при изучении окаменелостей осадочных пород. Что же касается исключений, то не похоже, чтобы они опровергали основы теории расширения океанического дна.