Но вот появилась тектоника плит – и формирование земной коры вступило в ускоренную фазу.
Дрейфующие континенты
Открытие такого важного геологического механизма, как тектоника плит, оказало влияние на всю современную науку. Этой теории предшествовали по меньшей мере четыре века исследований, но довольно долгое время сама мысль о том, что целые континенты могут каким-то образом перемещаться по земной поверхности, была смутной и казалась ересью, а распространение и широкое признание получила лишь в результате интенсивной международной научной деятельности, приведшей к открытиям 60-х годов прошлого века. Но как только накопилось достаточно данных, естественные науки пережили один из самых революционных сдвигов в своей истории. На самом деле в течение пяти лет моего обучения в MIT, т. е. к середине 1970-х гг., все учебники по геологии пришлось полностью переписывать, поскольку незыблемый принцип вертикальной тектоники был полностью опровергнут.
Взгляд в прошлое показывает, что некоторые доводы против вертикальной тектоники давно должны были быть замечены. Несмотря на приличную высоту Скалистых гор, они являются просто карликами по сравнению с почти 9-километровым Эверестом, да и всем горным массивом Гималаев. Средняя глубина Мирового океана составляет примерно 3–4 км, тогда как глубина Марианской впадины в Тихом океане составляет более 11 км. Такие топографические контрасты просто не смогли бы существовать в изостатическом мире. Вертикальная тектоника не объясняет всего.
Некоторые намеки на роль латеральной тектоники (боковых движений) в геологической эволюции планеты можно найти в первых уточненных картах побережий Нового Света. К началу XVII в. уже стала очевидной поразительная совместимость между восточной береговой линией Американского континента и западными берегами Европы и Африки. Те же извилистые очертания, впадины и выступы, округленные контуры крайней юго-западной оконечности Африки и соответствующие им извивы побережья на востоке Южной Америки – все это указывало на некую древнюю картинку-пазл, фрагменты которой подходят друг к другу.
Было выдвинуто несколько причудливых гипотез в попытке объяснить загадочное совпадение между береговыми очертаниями континентов, разделенных Атлантическим океаном. Астроном Уильям Генри Пикеринг из Гарварда, сторонник теории Джорджа Дарвина об отпадении Луны от Земли (Луна оторвалась в виде расплавленного сгустка от быстро вращающейся Земли), утверждал, что одновременно с отрывом Луны в районе Тихого океана на противоположной стороне Земли образовалась впадина Атлантического океана. Некоторые усматривали в форме Атлантического океана промысел Божий. Возможно, берега Атлантического океана образовались в результате Всемирного потопа, который был вызван Господом несколько тысяч лет назад для сотворения огромного океана и «разделения земель».
Разрешить вопрос могли бы системные геологические изыскания, но четыре столетия назад даже слова «геология» не существовало, тем более каких бы то ни было изысканий. Горное дело и сельское хозяйство, движущие силы экономики, стоявшие за первыми геологическими съемками в конце XVIII в., были делом исключительно государственным и внутринациональным. Мало что предпринималось, чтобы вывести исследование геологических формаций за пределы политических границ, да и ресурсы отдельных стран отнюдь не с большой охотой соединялись в интересах общей работы. Золото в буквальном смысле принадлежало той земле, в которой его находили. В таком националистическом подходе к картографии не могло найтись места планам сопоставить геологические особенности побережий, расположенных по обе стороны Атлантического океана.
Впервые попытка подробно сравнить геологические особенности по обе стороны океана была предпринята совершенно неожиданным человеком – метеорологом Альфредом Вегенером, который большую часть жизни был связан с Арктикой. (Он умер в возрасте 50 лет, участвуя в спасательной экспедиции в ледяных просторах Гренландии.) Его профессиональная деятельность в основном была посвящена исследованию погодных процессов, но главным трудом его жизни стало то, что он называл «дрейфом материков»; это был первый и явно недооцененный вклад в теорию тектоники плит. Вдохновение, результатом которого стала столь неожиданная теория в области геологии, пришло к нему во время Первой мировой войны, когда он служил лейтенантом-резервистом в германской армии. Получив ранение в шею во время бельгийского похода, Вегенер был демобилизован и получил разрешение заняться наукой.
Подобно своим предшественникам, Вегенер был поражен очевидным сходством береговых очертаний материков по обе стороны Атлантического океана, хотя ряд ученых отметали это сходство как простое совпадение. Вегенер провел обширные исследования и обнаружил, что аналогичные совпадения наблюдаются в различных местах побережья Восточной Африки, Антарктиды, Индии и Австралии. Получалось, что все материки на Земле можно было аккуратно сдвинуть в один огромный суперконтинент, который Вегенер назвал Пангеей (от греч. Πανγαĩα – все земли). У него нашлось несколько единомышленников, принимавших во внимание новейшие данные геологических съемок прибрежных регионов Европы, Африки и обеих Америк, в которых обобщались уточнения относительно огромной территории по обеим сторонам Атлантики. Крупнейшие горнодобывающие районы, например золотые и алмазные рудники Бразилии и Южной Африки, оказывались единым громадным месторождением, если совместить края противоположных материков. Аналогичным образом с высокой точностью совпадали слои горных пород, содержащие остатки своеобразных ископаемых папоротников Glossopteris и вымерших рептилий Mesosaurus. Вегенер утверждал, что такие детальные геологические и палеонтологические совпадения не могли быть простой случайностью.
Впервые Вегенер опубликовал свою гипотезу дрейфа континентов в 1915 г. За этим последовали три публикации на немецком языке с новыми подробностями, в 1924 г. вышел английский перевод под названием «Происхождение материков и океанов», а также ряд других изданий. Появлялись все новые данные в поддержку гипотезы о том, что когда-то все материки представляли собой единое целое. В 1917 г. комитет палеонтологов свел в единый каталог десятки примеров очевидных совпадений между слоями, содержащими окаменелости, по обе стороны океанов – эти сведения были истолкованы как свидетельства наличия сухопутных связей между материками в древности. Геолог из Южной Африки Джеймс дю Тойт, увлеченный идеями Вегенера, получил грант от Института Карнеги для проведения исследований на восточном побережье Южной Америки. Он зафиксировал множество примеров трансатлантических совпадений: поразительное сходство минералов, горных пород и ископаемых.
Однако, несмотря на накопленные данные, свидетельствующие о совместимости материков, сообщество ученых оставалось равнодушным. Отсутствие правдоподобного объяснения механизмов движения континентов заставляло многих геологов открыто пренебрегать доводами Вегенера. Их критическое отношение к его гипотезе зиждилось на законах движения, сформулированных Ньютоном, согласно которым передвижение огромных континентальных масс невозможно без наличия колоссальной движущей силы. Пока не объявится такая сила в глобальном масштабе, дрейф материков будет рассматриваться не более серьезно, чем бредовая идея геолога-любителя. В 1923 г. физик Гарольд Джеффрис из Кембриджа подытожил британскую точку зрения на этот вопрос: «Физические основания, которые приводит Вегенер, просто смехотворно нелепы». Американские геологи придерживались похожих взглядов. На симпозиуме в 1926 г. Роллин Чемберлен с факультета геологии Университета Чикаго жестко высказался о гипотезе континентального дрейфа: «В целом гипотеза Вегенера относится к типу легкомысленных, она слишком вольно трактует глобальные процессы, к тому же слабо связана ограничениями и в большей степени игнорирует неудобные факты, нежели другие конкурирующие теории. Чтобы поверить в теорию Вегенера, нам придется забыть все, что мы усвоили за последние 70 лет, и начать все сначала».
Однако нашлись ученые, проявившие большой интерес к открытиям Вегенера и его сторонников, и начали искать новые механизмы, объясняющие дрейф материков. Согласно одной из гипотез, Земля сжимается, возможно, из-за охлаждения или из-за обрушения наполненных газом пустот глубоко в недрах планеты, и таким образом части поверхностной коры постепенно опускаются, подобно разбитому своду. Согласно этой мало обоснованной модели, когда-то между западным побережьем Америки и восточными берегами Африки и Азии существовало обширное пространство суши. Нынешний Атлантический океан рассматривался как гигантский свод суши, рухнувший в мантию. Эту модель сжимающейся Земли опровергает простая эвклидова геометрия: обычный свод может обрушиться, но если перенести эту идею на шар, окажется, что участок суши объемом с Атлантический океан явно не может рухнуть в никуда.
Выдвигалась и противоположная гипотеза, согласно которой Земля расширяется, надувается, как аэростат, на протяжении геологического времени. В давние-предавние времена существовала только континентальная кора, которая начала трескаться и раскалываться, когда планета раздулась (одно из объяснений – воздействие глубинных раскаленных газов). Если прокрутить такую воображаемую пленку назад, то мы увидим, что в какой-то момент все материки составляли сплошной покров шара, диаметром примерно три пятых от современного размера Земли. С 1920-х по 1960-е гг. эта гипотеза (за неимением других объяснений феномена Атлантики) поддерживалась рядом специалистов, пока ее не потеснила весьма захватывающая новая идея.
Невидимые горы
После Второй мировой войны ускоренными темпами развивался научно-технический прогресс. Две разработки в противолодочной обороне, рассекреченные и взятые на вооружение океанографами в 1950-е гг., привели к кардинальным открытиям в динамике развития Земли.
Гидролокатор, способный посредством звуковой волны определять расстояние и направление подводного объекта, изобретенный 100 лет назад, стал широко известен благодаря голливудским фильмам про подводные лодки. Вот, например, вы слышите «ПИНГ», через короткое время отвечает тише и мягче эхо – «пинг». Звуковая волна отражается от твердого корпуса подводной лодки. (Эффект воздействия на зрителя зависит от того, с чьей стороны происходит действие фильма – охотника или дичи.) «ПИНГ… пинг», «ПИНГ… пинг», «ПИНГ… пинг»: эхо откликается все чаще, после того как расположение лодки определено. Звучит напряженная музыка; пускаются торпеды.
Такая же технология может быть использована в научных исследованиях океанских глубин с целью исследования рельефа морского дна. Даже самые глубокие впадины и расщелины на дне океана доступны для проникновения звуковых волн. Уже в 70-е годы XIX в. британские ученые применяли примитивные гидролокаторы на борту корабля ВМС Challenger и сообщали о возможном наличии крупного горного хребта на дне посредине Атлантического океана – поразительное открытие, которое некоторыми современными романтиками связывалось с затонувшей Атлантидой. После катастрофы «Титаника» в 1912 г. примитивные эхолокаторы использовались для обнаружения айсбергов, а затем в годы Первой мировой войны они прошли быструю модернизацию в связи с появлением немецких субмарин. В 1920-х гг. гидролокаторы уже систематически применялись в научных исследованиях рельефа океанского дна, и это позволило довольно быстро определить, что в морских глубинах скрываются громадные горные массивы. Однако геологические выводы из этих наблюдений оказались незначительными, да и сами усилия океанографов были сильно ограничены Великой депрессией и призраком Второй мировой войны.
По окончании войны океанографы получили в свое распоряжение новое поколение гидролокаторов высокой чувствительности, которые позволяли не только отследить очертания морского дна, но и проникнуть в верхние слои горной породы. Общая картина дна Атлантики стала очевидной. В частности, по мере удаления от побережья континентальные шельфы постепенно опускаются все глубже на протяжении нескольких сотен километров. Затем края шельфов внезапно обрываются, переходя в абиссальную равнину, находящуюся на глубине более 3 км и протяженностью несколько тысяч километров. Эта равнина гораздо более обширная и ровная, чем что-либо подобное на суше. И разрезает океан протяженная горная гряда – Срединно-Атлантический хребет.
Эти данные совпадали с прежними открытиями, но всех поразила толщина земной коры под морским дном. До этого геологи полагали, что океаны уступают суше по толщине коры и что по мере удаления от берега океанское дно постепенно становится все тоньше. Однако они обнаружили, что вместо постепенного перехода морское дно обрывается стремительно, уходя в глубину. В отличие от десятков километров скалистой породы под материками, толщина дна океана составляет всего около 10 км: резкий переход располагается как раз там, где заканчивается континентальный шельф. Такая узкая граница между материками и океанами противоречила изостатическим моделям.
Исследователи годами бороздили океан вдоль и поперек. Каждое плавание подтверждало тот же результат. Огромная горная цепь, протяженностью более 35 тыс. км, гораздо больше всех земных гор, рассекала Атлантику точно посередине. Изгибы материкового побережья совпадали с извилистой линией гребня Срединно-Атлантического хребта. Более того, если принять во внимание резкий переход шельфа в абиссальную равнину (в отличие от сыпучего песчаного побережья), совпадение между континентами просто поражает, они совмещаются с невероятной точностью, как края разбитой фарфоровой чашки. Науке пришлось признать, что такое совмещение очертаний континентов не могло быть простой случайностью.
В ходе многочисленных плаваний по Атлантике исследователи обнаружили новые особенности. Срединно-Атлантический хребет сильно отличается от обычного горного массива. На суше в большинстве горных цепей высочайшие пики располагаются вдоль оси, но в центре Срединно-Атлантического хребта находится провал шириной около 35 км и примерно на 1,5 км глубже, чем прилегающие к нему с запада и востока вершины: такой ландшафт ныне именуется рифтовой долиной. Мало того, и сам хребет, и провал отнюдь не составляют непрерывную кривую с севера на юг. Рифтовая долина на всем своем протяжении имеет множество сдвигов на сотни километров то на восток, то на запад, по резким разломам, где кора была деформирована, придавая всему хребту изломанный, прерывистый вид. В чем же причина?
Вообще, все эти находки могли бы легко затеряться и быть похороненными под лавиной блестящих послевоенных открытий. В каком-то смысле это были всего лишь дополнительные данные. Но исследователи морского дна оказались неплохими рекламщиками. Брюс Хейзен и Мари Тарп, специалисты по морской геофизике из Геологической обсерватории им. Ламонта в Колумбийском университете, разработали новую живописную карту рельефа земной поверхности. Как на всех рельефных картах, они изобразили материковые возвышенности в разных цветах: по мере повышения горы переходили от зеленых и желтых тонов к коричневым и, наконец, самые высокие вершины увенчивались белыми шапками. Среди всех выделялись крупнейшие горные массивы: Гималаи, Анды, Альпы. Художественное новшество Хейзена и Тарп проявилось в том, что необъятные подводные горные хребты были изображены тем же способом, но другими красками: различными оттенками синего цвета – благодаря этому приему Срединно-Атлантический хребет и другие глубоководные формы рельефа внушительно выделялись на карте планеты. Поместив Атлантику в центре своей карты, они подчеркнули идентичные линии береговых окончаний материков и глубоководного Атлантического хребта так, что сходства нельзя было не заметить. В 1960-е гг. карта Хейзена и Тарп стала едва ли не иконой. Что бы ни было причиной такого явного параллелизма, некая генетическая связь не подлежала сомнению. (Эта история с картой Брюса Хейзена – его имя произносится аналогично моему – и его прославленный вклад в науку сыграли в моей карьере немалую роль; поступив в 1966 г. в MIT, я был крайне удивлен тому, что самые титулованные преподаватели геологического факультета относились ко мне с большим уважением и норовили пожать мне руку. Вот что значит родовое имя – даже если это просто омонимическая ошибка – для научного признания.)
Расширяющееся море
Обнаружение Срединно-Атлантического хребта и открытие похожих вулканических горных массивов в восточной части Тихого и Индийского океанов вновь обратили внимание исследователей на движение материков и заставило заняться этим вопросом более активно. Вряд ли материки движутся беспричинно, как можно было предположить по данным Вегенера, и геологи занялись поисками скрытой силы, столь эффективно меняющей облик планеты.
Открытие следовало за открытием по мере поступления новых данных. В 1956 г. Хейзен вместе с руководителем лаборатории сейсмологом Морисом Юингом отметил поразительную связь между положением центральной рифтовой долины Срединно-Атлантического хребта и умеренными землетрясениями, охватывающими области морского дна протяженностью примерно до 50 тыс. км, по всему земному шару. Рифтовые долины и землетрясения каким-то образом связаны между собой, следовательно, подводные хребты являются подвижными, изменчивыми формами.
Скальные породы морского дна также преподнесли сюрпризы тем геологам, которые утверждали, что Срединно-Атлантический хребет представляет собой типичный горный массив, состоящий из уплотнившегося известняка, вроде Скалистых гор в Канаде. В результате обширных работ по исследованию донного грунта вдоль хребта вкупе с исследованием множества островов в Атлантике обнаружился лишь базальт, притом сравнительно позднего происхождения. Оказывается, что вместо относительно мягких осадочных пород, океанское дно почти полностью состоит из вулканического базальта. С востока на запад территория протяженностью более 4000 км представляет собой базальтовое основание.