ТЕКТОНИЧЕСКИЕ ГИПОТЕЗЫ
ТЕКТОНИЧЕСКИЕ ГИПОТЕЗЫ
Так ли уж много затонувших городов находят ученые? Ведь справедливости ради нужно заметить: большинство античных городов Средиземноморья благополучно стоит там же, где они были построены много веков назад. Более того, некоторые из них даже поднялись вверх, и ныне их развалины расположены на более высоких отметках, чем в старину. Примером может служить древняя Иония, находившаяся на средиземноморском побережье Малой Азии.
Редкий турист, приезжающий в Турцию, не посещает знаменитый античный город Эфес — огромный музей под открытым небом. Это был один из самых больших торговых центров эллинской эпохи.
Здесь находится один из крупнейших морских портов того времени, куда приходили корабли со всего света. В центре города располагалась торговая площадь (агора), в боковых галереях которой стояли лавки, рыбные, овощные, фруктовые ряды. Эфес имел громадный круглый амфитеатр, на 66 каменных ступенях-рядах которого умещалось 25 тыс. зрителей. Мраморные колонны возвышались вдоль улиц, соединявших портовую, торговую, жилую и культурную части города. Именно здесь находился реконструируемый ныне знаменитый храм Артемиды — седьмое чудо света, — который сжег Герострат, чтобы прославиться. Но что удивляет современных посетителей Эфеса — это вход в город, длинная «мраморная» дорога, направляющаяся в сторону Эгейского моря и упирающаяся вовсе не в море, а в холмы и зеленую низменность — в 25 км от берегового пляжа.
За последние 600–800 лет берег в этом месте поднялся, Эфесская бухта исчезла и древний морской порт оказался на суше. Почти то же произошло и с другими прибрежными древнегреческими городами, расположенными на берегу Эгейского моря. И не только в Средиземноморье. Дорога из ворот крепости Нарын-кале тоже когда-то вела к морскому порту (рис. 37).
Морские ворота Древнего Рима, порт Остия, в I в. до н.э. поражал воображение современников своими мощными сооружениями: двумя большими волноломами, длинными причалами, крупными складами, высоким 60-метровым маяком. При императоре Клавдии длина мощенных камнем пристаней достигала 2,4 км, площадь акватории, защищаемая волноломами, — 565 га. Некоторые торговые суда поднимались вверх по устью р. Тибр почти до самого центра нынешнего Рима, до знаменитой арочной «Клоаки максима» — главного городского канализационного коллектора, который действует и в наши дни. Ныне Остия далеко отстоит от моря, и о том, что она когда-то была портом, напоминают лишь развалины древних причальных сооружений. Жители же «вечного» города уже много столетий подряд добираются к морскому берегу с помощью сухопутного транспорта.
Другие же исторические памятники показывают, что в целом уровень моря вокруг Апеннинского полуострова со времен Римской империи поднялся не менее чем на 1 м, и интенсивность этого подъема особенно увеличилась в течение последнего столетия. Характерна в этом отношении, например, башня в Лацио: ныне она окружена морем, а в 1948 г. стояла на берегу моря, которое за это время продвинулось примерно на 115 м.
Основной причиной подъема территории в районе Остии и Эфеса многие ученые считают наносы реками грунта, который, откладываясь в устьях, постепенно отодвигал урез воды в сторону моря. Однако только ли реки сыграли здесь роль?
Рис. 37. Ворота крепости Нарын-кале
Не может ли территориальная неравномерность и разнонаправленность вертикальных колебаний поверхности и в данном случае свидетельствовать об их эндогенном происхождении? Не являются ли они следствием глубинных тектонических процессов, происходящих в земных недрах?
Для того чтобы понять тектонические процессы, надо хорошо знать глубинное строение Земли. Но нам почти неизвестно, какова толщина земной коры в тех или иных районах планеты, каков состав и размеры залегающей под ней мантии и многое другое. Например, в дне Тихого океана к 1975 г. было пробурено 109 глубоких скважин, на основе которых многие геологи — сторонники тектонических гипотез движения земной коры — строят свои предположения. Однако такое число точек исследования крайне мало. 109 скважин — это примерно то же, что 6–7 скважин на территории всей Европы. Именно из-за недостатка знаний действительности возникают самые разные гипотезы, часто противоречащие друг другу.
Одна из широко распространенных тектонических гипотез подвижности земной коры — гипотеза так называемого мобилизма родилась в 10-е годы XX в. под влиянием идей австрийского геофизика А. Вегенера. Изучая внимательно конфигурацию материков, он обнаружил почти полное совпадение их контуров. Более того, оказалось, что, например, сходство очертаний противолежащих берегов Африки и Южной Америки сопровождается и совпадением их геологического строения.
Английские ученые из Кембриджского университета Э. Буллард, Д. Эваретт и А. Смит подсчитали на ЭВМ, что точность примыкания африканских и южноамериканских береговых линий составляет менее одного градуса. Особенно близким совпадение континентальных контуров становится, если их принять не по береговой линии, а по 900-метровой изобате.
Такие вот удивительные совпадения и вызвали к жизни гипотезу расползания современных континентов, которые, согласно ей, образовались в мезозойскую и кайнозойскую эру из единого материка Пангеи или Мегагеи, из которых поначалу возникли Северная и Южная Америка, Евразия и Африка. В последующем Антарктида и Австралия оторвались от Африки и в промежутках между плывущими друг от друга континентами образовались океаны. По другой схеме континенты расползались по планете в результате раскола северного палеоматерика Лавразии, возникшего в середине палеозоя и распавшегося на две части: Европу с северной частью Азии и Северную Америку. Из другого расколовшегося в палеозое южного материка Гондваны образовались Южная Америка, Австралия и Антарктида, Африка и Индостан.
В 1961–1962 гг. благодаря работам геологов Г. Хесса и Р. Дитца начала развиваться идея расширения (спрединга) дна океана. Были открыты крупные разломы земной коры, опоясывающие почти всю Землю — срединно-океанические хребты и рифтовые зоны. Они, как шрамы на теле нашей планеты, никогда не заживают, от них в разные стороны плывут материки со скоростью от 1 до 10 см/год. В разлом поступает из мантии магма и, застывая, превращается в новую кору. Именно здесь больше всего проявляет себя вулканизм.
Наиболее наглядными и убедительными доказательствами долговременного дрейфа материков многие ученые считают результаты исследований, полученные палеомагнитным методом — использованием остаточного магнетизма горных пород. Этот метод основан на том, что горная порода при своем образовании навечно сохраняет в себе, как бы консервирует, свою намагниченность. Например, многие вулканические породы, кристаллизуясь в жидкой лаве, в процессе охлаждения и затвердевания прочно закрепляют в себе намагниченность. Отбирая образцы таких пород и исследуя их магнитные свойства, ученые фактически достают из земли древние компасы, которые зафиксировали былое положение силовых линий магнитного поля Земли. Эти «законсервированные» компасы позволяют определить координаты местонахождения горных пород в далеком прошлом, а точка их отбора в наше время показывает, как далеко и куда они «отплыли» за прошедший период времени. Развитие палеомагнитного метода, ориентировка реликтового магнитного поля на континентах и линейные магнитные аномалии на морском дне подтверждают образование материков из единого целого.
Рис. 38. Литосферные плиты Земли
В наше время теория спрединга стала пользоваться большой популярностью и вышла за пределы научных публикаций. Многие газеты и журналы мира вот уже с десяток лет печатают статьи о тех или иных свидетельствах дрейфа материков, о рифтовых зонах, о спорах между учеными-геологами, сторонниками гипотез мобилизма и фиксизма. А писатель-фантаст Секе Комацу даже написал роман, легший в основу известного фильма «Гибель Японии», в котором разрастание океанического дна приводит к его разлому и погружению под воду японских островов.
Гипотеза дрейфа материков, происходящего по пластичной или жидкой нижней мантии Земли, в наше время получила особенно большое развитие в новой теории глобальной тектоники плит. Под последними сторонники мобилизма понимают крупные структурные подразделения земной коры. К ним прежде всего относятся древние континентальные платформы,
крупные сегменты земной коры, направление движения которых унаследовано современными литосферными плитами.
Происходит движение этих огромных жестких плит, включающих в себя не только материки, но и части океанической базальтовой коры, как бы припаянной к материкам (рис.38). При этом помимо самих плит в движении участвует и подстилающая их верхняя мантия планеты. Образование складчатых гор объясняют столкновением плит при их встречном движении многие ученые-мобилисты. Кроме глобальных литосферных плит имеются и более мелкие, которые также перемещаются (рис.39).
Сторонники новых глобальных геологических концепций строят схемы не только движения крупных литосферных плит и расширения океанов, но и расширения самой Земли.
В пользу последней гипотезы приводят, например, данные об уменьшении силы тяжести, т.е. земного притяжения, что может свидетельствовать об уменьшении плотности, а значит, и о расширении Земли. Это связывают с падением скорости вращения нашей планеты вокруг своей оси, уменьшением вследствие этого силы земного притяжения и вытекающим отсюда ослаблением гравитационного взаимодействия между Землей и Луной и одновременным увеличением расстояния до Луны. Причиной такого процесса считают так называемое приливное трение, которое создают большие массы воды в океанах, движущиеся навстречу вращению Земли под влиянием лунного притяжения.
Рис. 39. Схематическая блоковая модель подвижки Африканской базальтовой плиты под Эгейскую
Действительно, Луна движется вокруг Земли медленнее, чем Земля вокруг своей оси. Поэтому приливная волна в океанах запаздывает и набегает на сушу. Таким образом, инерция водных океанических масс может приводить к торможению и замедлению вращения Земли.
Данные астрономии подтверждают, что Луна, хотя и на очень небольшую величину, удаляется от нашей планеты. Астроном из морской обсерватории США Т. Фландерн в течение 20 лет изучавший гравитационные силы в системе Земля — Луна, обнаруживает уменьшение ускорения свободного падения.
В качестве доказательства уменьшения периода вращения Земли приводят и некоторые палеонтологические данные. Так, изучаются годовые и суточные кольца оболочек древних кораллов, которые подобно годовым кольцам на срезе дерева удивительно точно отбивают продолжительность времени года и суток. По результатам этих исследований некоторые ученые устанавливают, что много сотен миллионов лет назад земные сутки были короче и год состоял из 400 дней.
Однако другие исследователи считают эти выводы спорными. Они приводят результаты новых палеонтологических исследований роста морских кораллов от кембрийского до среднедевонского периода, показывающие, что никаких изменений в долготе суток не произошло. А это, следовательно, доказывает и отсутствие каких-либо изменений в скорости вращения Земли. Такие соображения приводит, например, голландский палеонтолог И. Диггелен из Утрехтского университета. «Земля не замедлялась сколько-нибудь, — писал он в 1976 г. в журнале «Нэйчур» (Природа), — по крайней мере в течение последних 500 миллионов лет».
Противники мобилистской гипотезы — фиксисты — не разделяют мнения о приоритете горизонтальных движений земной коры. Они считают, что континенты зафиксированы на местах их образования и вертикальные колебания поверхности Земли вовсе не связаны с дрейфом континентов.
Подвергается, в частности, сомнению вытекающая из мобилистской концепции неизбежность сжатия чаши Тихого океана, на которую надвигались бы дрейфующие материки при расширении Атлантики. Убедительных подтверждений этого, по мнению фиксистов, не существует.
Более или менее доказательно объясняя горизонтальные движения земной коры под дном океана, мобилисты не всегда могут уложить в свою гипотезу факты тектонической активности и крупных поднятий в пределах материковых областей Земли.
Подвергаются критике и данные палеомагнитных исследований остаточного магнетизма горных пород, которые в ряде случаев, по мнению некоторых ученых, являются противоречивыми и недостаточно точными. Палеомагнитные данные даже в пределах одной Сибирской платформы, доказывающие якобы имевшее место в прошлом перемещение Северного полюса, дают огромный разброс в определении его местонахождения, который достигает 6 тыс. км. Таким образом, ошибки, которые могут быть при использовании этого метода, соизмеримы с размерами самих материков и океанов.
Против основного аргумента последователей гипотезы Вегенера о совпадении материковых границ фиксисты выставляют другие компоновки континентов, где их контуры также хорошо совпадают. Так, Е. Люстих привел целый набор таких схем, в которых, например, Австралия может быть «подогнана» к Африке в пяти различных комбинациях.
Фиксистская гипотеза основными считает вертикальные движения земной поверхности и от них уже производит горизонтальные. Геологические данные показывают, что тектонические процессы, происходящие в земной коре, неразрывно связаны с магматическими явлениями в мантии Земли. Это видно, например, из механизмов землетрясений или происхождения алмазов, которые проникают из магмы в земную кору, поднимаясь вверх по трещинам. Эти механизмы относятся в большинстве случаев как раз к континентальным зонам, где, по мнению мобилистов, эндогенные процессы не должны были бы себя проявлять с такой интенсивностью.
К сожалению, как фиксистская, так и мобилистская гипотезы занимаются, главным образом, кинематикой движений земной коры. В меньшей степени они касаются динамики сил, заставляющих двигаться континенты и опускаться берега морей, т.е. именно того, что могло бы осветить многие тайны затонувших городов. Это связано с тем, что если земную кору и небольшой слой верхней мантии Земли мы еще хоть как-то можем исследовать методами геофизики или буровыми скважинами, то глубинные зоны земного шара остаются для нас полной тайной.
Наиболее древняя и в то же время весьма современная эндогенная гипотеза — плутоническая (по имени подземного бога Плутона) — своими истоками уходит в глубокую древность. Еще Страбон в I в. н.э. предположил, что подъем отдельных участков поверхности Земли происходит под действием подземных газов, которые создают внутреннее давление. Так же М.В. Ломоносов в середине XVIII в. объяснял образование гор и материков за счет «господствующего жара в земной утробе», или «жара подземного огня». В конце XVIII в. шотландский ученый-натуралист Д. Геттон в книге «Теория земли» сформулировал основные положения образования гор в результате давления газов и вулканической лавы. В 1923 г. его соотечественник геофизик Д. Джоли предположил, что в ходе геотермальных процессов, связанных с радиоактивными циклами, выделяющаяся энергия расплавляет базальты. При этом их плотность уменьшается, и земной шар как бы «раздувается» (увеличение радиуса планеты составило почти 11 км, а ее площади — 1,7 млн. км2). Развивая эту гипотезу, Б. и Р. Виллисы в 1941 г. предположили, что радиоактивные элементы внутри Земли распределены неравномерно. Поэтому «вспучивание» земной поверхности происходит там, где они наиболее сосредоточены, — в так называемых астенолитах. На этих участках, нагреваясь и расплавляясь, базальты поднимают поверхность Земли, а остывая и сжимаясь, опускают ее.
В наше время плутоническая гипотеза получила ряд косвенных подтверждений и в нее довольно хорошо укладываются некоторые новые факты. В современной интерпретации эта гипотеза представляет вертикальные движения земной коры как результат подъема из мантии составляющих ее более легкой части. Аномально легкий материал образуется на границе земного ядра и мантии, накапливается там в астенолитах, а затем периодически всплывает и снизу давит на земную кору. Затем разуплотненная мантия растекается и под срединно-океаническими хребтами создает горизонтальные движения, раздвигающие земную кору.
История геотектоники знает и другие, механистические гипотезы образования земных поднятий. Еще в начале XX в. появилась гипотеза движения материков к экватору за счет действия центробежных сил, возникающих при вращении Земли. Например, Ли Сигуан в Китае наносил на глобус пластичный материал, который при вращении скользил и скапливался у экваториальной линии. Были попытки объяснить вертикальные движения земной коры и, в частности, складообразование замедлением вращения планеты вокруг своей оси, о чем уже говорилось. При этом кривизна поверхности Земли у полюсов должна увеличиваться, а у экватора уменьшаться. Поэтому, как предположил А. Бем, в приэкваториальной зоне образуются складчатые горы.
Для проверки справедливости гипотезы движения материков, имеющей сейчас наибольшее число сторонников, и других гипотез, конечно, логичнее всего было бы привлечь результаты астрономогеодезических измерений, проведение которых с появлением космических спутников Земли и высокочувствительных приборов становится весьма реальным. Ведутся наблюдения за изменением географических широт пяти специальных станций, расположенных в Северном полушарии на 39-й параллели. Эти данные, правда оспариваемые, показывают, что Северный полюс перемещается в сторону Гренландии со скоростью чуть ли не 10 см в год.
Важную службу ведет Международное бюро времени, которое, участвуя в упомянутых геофизических наблюдениях, вместе с тем изучает и изменение скорости вращения Земли. Установлено, что существуют сезонные и долговременные изменения продолжительности суток.
Рис. 40. Действие сил лунного притяжения
Необходимо упомянуть и еще одну, космическую, причину колебаний земной поверхности. Тот, кто бывал, например, на берегах и островах Белого моря, знает, как необычен и значителен морской прилив. Каждые 12 часов уровень воды поднимается, море затапливает пляжную зону и мелкие острова, поднимает вверх огромные плоты строевого леса, плавучие доки и корабли.
Энергия морского прилива огромна. Недаром она используется в турбинах приливных гидроэлектростанций. В Белом море работает Кислогубская ГЭС, построены крупные приливные гидроэлектростанции на северном и западном побережье Франции, на берегах Англии, США и других стран. Подсчитано, что запасы приливной энергии морского побережья СССР составляют 200 млрд. кВт/ч в год, т.е. столько, сколько вырабатывают 14 таких крупных речных гидроэлектростанций, как Братская ГЭС. Источником приливной энергии является энергия вращения Земли и ее взаимодействие с Луной (рис.40). Лунное притяжение образует на поверхности Мирового океана приливные волны, высота которых превышает 10 м (например, на западном побережье Франции) и достигает 20 м (в заливе Фонди). Лунные морские приливы, особенно те, которые действуют у побережья северных стран Европы, хорошо изучены. Ученым известна их география, периодичность действия, скорость и характер движения, определены области, где они могут быть с успехом использованы. Меньше знаем мы о других воздействиях Луны на нашу планету.
Поскольку земная кора, как мы уже установили, не абсолютно твердое тело, то лунное притяжение действует на ее континентальную часть почти так же, как на поверхность океана, т.е. вызывает периодические приливные волны. Конечно, они не столь уж велики, но все-таки по некоторым, хотя и не очень строгим данным могут составлять несколько десятков сантиметров. Наибольшие по высоте земные приливы бывают в области экватора. Но и в других широтах они достаточно велики.
В зависимости от длительности действия различают короткопериодические и долгопериодические приливные земные волны. Первые из них имеют период от 11 до 24 ч и быстро бегут по земной поверхности с востока на запад. Во втором случае время, протекающее от поднятия до опускания того или иного участка Земли, составляет недели и даже годы. Медленные волны постоянно меняют форму нашей планеты, изменяя ее сплюснутость у полюсов.
Наложение приливных земных волн друг на друга делает характер их воздействия на поверхность Земли очень сложным, под влиянием упругих деформаций в земной коре возникают значительные напряжения. При этом в отличие от морских приливов периодические вертикальные колебания земной поверхности сопровождаются и горизонтальными смещениями.
Земные периодические волны фиксируются геофизическими методами гравиметрии с помощью точных измерительных приборов. Дело в том, что при изменении приливами формы Земли меняется и ее сила тяжести. Сверхчувствительные гравиметры замеряют ее десятимиллионные доли. Такие же измерения выполняются и по маятниковым приборам. В них подъем или опускание земной поверхности, выражающиеся в изменении силы тяжести, мгновенно отражаются на периоде колебания маятника в измерительном приборе.
Существуют и прямые способы обнаружения колебаний земной поверхности. Прежде всего это геодезические съемки, выполняемые длительное время и одновременно в разных точках. Так, при пробегании периодических приливных волн поверхности Земли замеряют высотное положение нескольких реперов, удаленных друг от друга на несколько десятков километров. Сопоставление результатов такого нивелирования позволяет подсчитать величину и периодичность колебаний.