Земной шар устроен следующим образом. При радиусе Земли
В ядре нашей планеты условия прямо таки адские – температура здесь достигает 6000 градусов, давление вышележащих слоев оценивается в 3,5 миллиона атмосфер и плотность вещества максимальная – примерно 10-
Земной шар исследователи уподобляют тепловой машине. Жар горячего ядра да плюс тепло, образующееся от распада радиоактивных элементов, трансформируются в кинетическую энергию вязких течений мантии. Поэтому мантия играет роль парового котла. Мантия «кипит», и это «клокотание» каменных струй деформирует и разрушает земную кору, вызывая выход магмы на поверхность океанических жерл, землетрясения, вулканы и прочие малоприятные для людей явления. Все то, что служит лишь мимолетными знаками глубинных процессов, длящихся сотни миллионов и миллиарды лет. В 1968 году геофизики – американский Дж. Морган и французский Кс. Ле Пишон – окончательно сформулировали учение о литосферных плитах, их горизонтальных движениях – «плитотектонику».
Земная кора была разбита на плиты, разделенные трещинами. Плиты живут всего 100 миллионов лет и потом вновь погружаются в мантию. А рождаются плиты в громадной трещине, опоясывающей весь земной шар и расположенной на серединах океанов – Тихого, Атлантического, Индийского и частично Ледовитого. В этой трещине магма изливается из земных недр на поверхность и застывает в виде новых плит, двигающихся конвейером в обе стороны от разлома. Несомые течениями текучей мантии, плиты, подобны льдинам на реке в весеннюю пору и находятся в постоянном, хотя и медленном движении (скорость – сантиметры в год, все это хорошо видно со спутников). Если они скользят параллельными курсами, вплотную друг к другу, то происходят зацепления, а затем срывы, которые и вызывают землетрясения.
Но плиты могут и сталкиваться лбами, сшибаться. Тогда вещество мантии выдавливается наверх, словно паста из тюбика. Так возникают горные системы. Благодаря нажиму Африки на Евразию 10 миллионов лет назад образовались Пиренеи, Альпы, Карпаты и Кавказ. Давление Индостана, он, считается, подошел к Евразии последним, создало Гималаи. Они из этих гор самые молодые и самые высокие. И совсем недаром на их вершинах находят ракушки! Гималаи все еще продолжают расти: они становятся выше в год на десятые доли миллиметра.
Плиты затягиваются вглубь мантии, при этом образуются сверхглубокие впадины в океанах. В Тихом океане это Марианская (
Объяснить геофизические «болезни» мог только опытный врач
В 1912 году немецкий геофизик Альфред Вегенер высказал смелую гипотезу о дрейфе материков, которая получила имя «мобилизма», от латинского mobilis – подвижный. (Судьба этого ученого трагична: возвращаясь в 1930-м году из экспедиции в центр Гренландии, где немцы хотели устроить на высоте
Согласно Вегенеру, материки не находятся на поверхности Земли в строго фиксированном положении (прежнее учение «фиксизм»), а, двигаясь с черепашьими скоростями – сантиметры в год, за миллионы лет проходят изрядные расстояния – тысячи километров. При этом, оказывается, все континенты когда-то создали на теле Земли единое образование – суперматерик ПАНГЕЮ. Об этом говорит и форма очертаний континентов, и однотипные месторождения в местах бывших стыков материков, и одинаково намагниченные вулканические породы – все эти факты в целом и позволяют сообразить, каким образом материковые глыбы были некогда сложены в единое целое.
В палеозойскую эру (сотни миллионов лет назад) все материки прижались друг к другу и состояли из Гондваны (она охватывала Южную Америку, Африку, Индостан, Австралию и Антарктиду) и Лавразии (в нее входили Северная Америка, Европа и северная половина Азии). Так вот плитотектоника просто обязана была объяснить, почему материки бегают как тараканы. И еще многое другое должна была бы новая геофизическая теория растолковать людям, но сделать это она, к сожалению, так и не смогла. Своеобразным толчком, способствующим пониманию общей картины геофизики Земли, стали работы японских ученых. В 1994 году в Японии вышел юбилейный, сотый номер журнала Японского геологического общества. Тут были подытожены собранные во многих странах мира результаты в области сейсмической томографии: многолучевого просвечивания Земли сейсмическими волнами от большого количества случившихся на планете землетрясений, которые принимались сетью сейсмических станций. Ученому миру были предъявлены четырнадцать карт, отражающих неоднородность внутреннего строения Земли на глубинах от 78,1 до
На схемах были показаны гигантские столбы расплавленного вещества мантии: горячие (восходящие) потоки – под Тихим океаном, под Африкой – и холодные (нисходящие) – под Азией, под Южной Америкой. Японцы сделали, что смогли, но безусловными лидерами в подобных исследованиях до недавнего времени были американцы. Исследователи Адам Дзивонски и Дон Андерсен, обработав на компьютерах фантастические объемы данных о землетрясениях, составили подробнейшую карту плотности мантии: подземные структуры стали видны, словно это были кости больного на рентгеновском снимке. Эта работа была удостоена премии Кроуфорда (эквивалент Нобелевской премии для наук о Земле). По этим и иным приметам стало совершенно очевидно: в геофизике и геологии начинается новая эпоха. Был поставлен вопрос громадной важности.
Теперь требовалось совместить представления плитотектоники о горизонтальных перемещениях литосферных плит вместе с «вмороженными» в плиты континентами с вертикальными перемещениями вещества мантии. Дрейф континентов, существование Пангеи и многое прочее надо было объяснить. И вот это-то сделать никому и не удавалось. Великолепно выполненные «рентгеновские снимки», хранящие тайны подземного мира, лежали на столах исследователей разных стран, но, увы, не было дипломированного профессора, опытного врача, способного объяснить природу и течение геофизических «болезней» земного шара.
На 386-м компьютере (считай вручную!)
То, что не удалось сделать американцам, французам и японцам (все они дали фактический материал большой важности, обильную пищу для размышлений, но сами сделать решающие теоретические выводы так и не смогли), совершили два русских исследователя. Сотрудники Института физики Земли Российской академии наук – член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Теоретической геодинамики, лауреат премии Отто Юльевича Шмидта Валерий Петрович Трубицын и его талантливый коллега, выпускник Физтеха, кандидат физико-математических наук Виталий Валентинович Рыков совершили этот научный подвиг.
Заметим, что признание весомости вклада российских геофизиков произошло на престижной Международной Гордоновской конференции (Gordon Research Conference), что проходила летом 1998 года в США. Полученные россиянами результаты были тогда расценены как главная научная сенсация года. А ведь попасть на эту конференцию, говорят, не легче, чем в финальную часть чемпионата мира по футболу. Участвовать в конференции рвутся сотни известных ученых, однако жестокое сито отбора проходят единицы. Отбирают лучших из лучших, мировую научную элиту, «играющую» против могучей Природы. Неожиданно для себя в элитный состав попал и Трубицын. Его разыскали и пригласили.
Трубицын приехал, сделал доклад и стал знаменит! Вот настала пора выступить русскому ученому. Он вышел с ноутбуком в руках, поднялся на сцену, подключился к компьютеру с огромным экраном-монитором и стал излагать свою революционную теорию, иллюстрируя свой рассказ, так сказать, живыми картинами. Присутствующие увидели на экране восходящие (красные) и нисходящие (синие) потоки мантийной массы, перед их глазами дрейфовали континенты, рождались и умирали моря и океаны…
Да, оно очень любопытно и эффектно ВНЕШНЕЕ ОФОРМЛЕНИЕ результатов этой революционной работы. Это не колонки цифр в таблицах, не россыпь уравнений, не пространные рассуждения и доказательства, хотя и это все наличествует. Кроме всех этих непременных атрибутов В.П.Трубицын и В.В.Рыков создали нечто вроде мультфильма, небывалое кино, движущуюся последовательность цветных картинок. На компьютерном мониторе теперь можно воочию видеть, как континенты, повинуясь указаниям уникальной компьютерной программы, производящей расчет системы сложных сцепленных друг с другом дифференциальных уравнений, то сходятся, образуя суперматерики, то расходятся врозь. А под поверхностью планеты, где «плавают» континенты и перемещаются литосферные плиты, вверх и вниз поднимаются и опускаются, переливаясь яркими красками, потоки клокочущей мантии. Как удалось запустить такую программу на персоналке, да еще третьего лишь поколения, на 386-м компьютере (считай вручную!), как можно было выполнить то, что в мире никому и ныне не удается сделать даже на суперкомпьютерах (тысяча долларов за минуту пользования!), – об этом когда-нибудь российские исследователи нам, должно быть, сами расскажут.
Пока же лучшие умы геологии, физики, математики в других странах пытаются, но никак не могут в формулах и компьютерных программах описать конвекцию мантийных масс с учетом влияния на нее перемещающихся (в этом-то и главная трудность: надо решать систему нелинейных дифференциальных уравнений с движущимися граничными условиями!) континентов и океанических плит. Отметим, так сказать, в скобках, что это ноу-хау россиян, достигнуто в основном талантом В.В. Рыкова, блестящего программиста. Удивительно, но геофизикой он, оказывается, занимался лишь в свободное от другой работы время, от занятий, дающих ему не только хлеб, но еще и сливочное масло. По той же причине он и докторскую никак не защитит, не очень-то, видимо, понимая, к чему это ему эти дипломные «корочки», без которых, в общем-то, и так можно прожить. Но вернемся к докладу Трубицына. Участники Гордоновской конференции были потрясены и покорены. Выступая позднее с обобщающим докладом, профессор Томас Джордан вынужден был произнести грустные для него слова. Он сказал: «Я хотел назвать две основные и три менее крупные проблемы нашей отрасли науки и наметить подходы к их решению. Но, похоже, основные проблемы мистер Трубицын уже решил. Поэтому я остановлюсь лишь на второстепенных…»
Добавим, что в 2000-м году Геологическая служба США, высоко оценив работы Трубицына, опубликовала его доклад на конференции, как эксклюзивный материал, в виде отдельной книги с цветными рисунками. А сам В.П.Трубицын вместе с В.В.Рыковым, приглашенные американцами, уехали в октябре этого же года в Калифорнию с надеждой продолжить в Стэнфорде свои расчеты уже на мощных компьютерах. РОДИНИЯ, от русского слова «родина» Суть достижений Трубицыны и Рыкова, этого, безо всяких преувеличений, исследования века, внешне проста. Прежде считали, что континенты, эти как бы «вмерзшие» в земную кору, словно потерявшие управление корабли (на манер «Челюскина» во льдах). Они абсолютно пассивны и случайным образом носятся по хаотическим волнам мантийного океана.
Теперь же, благодаря работам российских ученых, установлено, что материки играют важнейшую, первостепенную роль в геофизических процессах: сближение континентов или их расхождение решающим образом влияет на характер распределения восходящих и нисходящих потоков вещества в мантии, а мантийные потоки, в свою очередь, в общей САМОСОГЛАСОВАННОЙ картине динамики земных недр как раз и управляют движением материков. Когда-то под Пангеей горячий вертикальный поток устремился вверх и стал под литосферной поверхностью растекаться во все стороны, увлекая за собой земную оболочку и тем самым растаскивая тело суперконтинента на отдельные континенты-части. И уже затем через определенный длительный промежуток времени, когда континенты разошлись друг от друга на далекие расстояния, холодные нисходящие потоки в мантии деятельно принялись опять собирать континенты воедино. Теперь остывающие массы вещества мантии (если сверху расположены не континенты-толстяки, не выпускающие тепло мантии, а тонюсенькая, прозрачная для тепловых потоков земная литосферная корочка!) стали холодеть и опускаться с поверхности вниз. При этом они увлекали за собой и плавающий наверху «мусор». Континенты вновь начали сближаться, собираясь воедино, словно это была куча щепок, попавшая в водоворот мощного потока, падающего в бассейн с водой. Если последняя фраза осталась все же не очень понятной, то поясним процесс путешествий континентов еще раз и несколько по-иному.
Сначала материки сходятся, как бы усаживаясь на все растущий, собирающий сначала два, потом три и больше континентов, поток холодного вещества, и в итоге «накрывают» его. Образуется суперматерик, препятствующей выходу тепла мантии наружу. После этого начинает работать эффект «клапана» (Трубицын очень любит употреблять это последнее слово). Закупоренное ранее телом суперконтинента, холодное нисходящее вещество начинает постепенно прогреваться, оно становится легче, и в результате возникает горячий восходящий поток, который и «раскалывает» суперматерик – сгусток будущих материков на составные части-континенты, заставляя их постепенно отходить от прежнего центра в более отдаленные холодные места… Валерий Петрович Трубицын, он безусловный идеолог этой работы, ее основная движущая сила, смог заглянуть на миллиарды лет как вперед, в будущее, так и назад, в далекое прошлое. В этом тумане геологических далей выяснилось, что с момента рождения материков на нашей планете суперконтиненты возникали не один раз.
Возраст Земли оценивается в 4,6 миллиарда лет. Первые примерно 3 миллиарда лет планета была еще очень горячая, все на ней бурлило и кипело, никаких континентов не было и в помине. А вот когда континенты возникли, они стали неутомимо перемещаться по телу Земли. Где-то 2,6-2,4 миллиарда лет тому назад континенты впервые сгрудились в МОНОГЕЮ, затем были МЕГАГЕЯ (1,8 миллиарда лет в прошлом), МЕЗОГЕЯ (1 миллиард, этот суперконтинент называют также и по-другому – РОДИНИЯ, от русского слова «родина») и, наконец, последняя ПАНГЕЯ – 200 миллионов лет назад. Пока материки продолжают расползаться друг от друга, но через несколько сотен миллионов лет они непременно соберутся – уже в КИБЕРГЕЮ (последнее название, по всей видимости, придумали скорые на неологизмы, вездесущие журналисты, следящие за новейшими достижениями наук). Полный цикл «сьезда-разъезда» континентов длится примерно 600 миллионов лет. Он делится на три промежутка, каждый примерной длительностью в 200 миллионов лет: сход материков, их существование как единого целого, затем расхождение-расползание
континентов.
Отчего вещество мантии под континентами (исключая Африку) на 100 примерно градусов холоднее, чем под литосферными плитами дна океанов? Почему вещество мантии под Африкой горячее, а под остальными континентами холодное? По каким причинам Африка после распада Пангеи осталась и продолжает оставаться все на одном и том же месте, а Антарктида, допустим, «отплыла» далеко на юг? Как можно объяснить, отчего на земном шаре ровно 6 континентов, а не два и не двадцать? Список геофизических вопросов-недоумений велик, и новая теория русских ученых дает на них вразумительные ответы. Теперь понятно, где и как образуются глубоководные впадины? Чем структура дна Тихого океана отличается от структуры дна океана Атлантического? Как возникают на планете моря, эти более мелкие океанические участки, огороженные цепочкой островов? Что является причиной того, что на западных окраинах Тихого океана (смотри географическую карту) полным-полно морей – Охотское, Японское, Филиппинское, море Фиджи и т.д., а на восточных его окраинах их вовсе нет? Каким образом Атлантический рифт, шов, простертый по дну океана, раздвигается и тем самым отодвигает обе Америки, Северную и Южную, все дальше и дальше на запад? И вот еще важнейшая проблема, которую ныне удалось решить.
Трубициным установлено, почему и когда в истории Земли уровень мирового океана относительно континентов то поднимался, то опускался приблизительно на полкилометра, оголяя или затопляя половину суши, что приводило к великим вымираниям растительной и животной жизни и к ее позднейшему возрождению, но уже в преображенном виде. Сход материков двигал эволюцию жизни на планете, создавая условия для прихода человекообразных. Шел интенсивный обмен флорой и фауной. На освобожденные от вод территории устремлялись стада животных, полчища насекомых, мириады микроорганизмов, растения завоевывали для себя новые ареалы. Наступал расцвет динозавров и других диковинных существ, но вот опять проходили несколько сотен миллионов лет, и безжалостные стихийные подземные силы вновь перекраивали не только лик Земли, но и всех ее обитателей, превращая для них райские климатические кущи в суперполярные условия, где жить уже было совершенно невозможно, и наоборот. Имеют работы В. П. Трубицына и В.В.Рыкова и большое практическое значение. Сейчас от построения упрощенных демонстрационных моделей (сначала плоской, затем объемной - трехмерной) российские ученые перешли к построению модели уже реальной сферической Земли.
Используя данные сейсмических наблюдений, компьютер показывает характер процессов, происходящих сегодня в земных недрах, все то, что там творилось в далеком прошлом и то, что неминуемо произойдет в будущем. Увидеть можно многое, прежде неучтенное наукой. Там, где проходили горячие восходящие мантийные потоки, шла усиленная дифференциация вещества, формировались рудные месторождения. Там же, где торили себе дорогу нисходящие холодные потоки, прогибающие земную кору, веками скапливались органические осадки и происходило образование месторождений нефти. Тепловой портрет Земли, когда он будет воссоздан во всей своей мощи и красе, позволит понять, где величина полей напряженности Земли, ее верхних слоев, способна превысить допустимые критические значения. Именно в этих точках завтра или послезавтра может начаться серия катаклизмов: тяжело и зловеще задышат вулканы, коварно и злобно прогремят землетрясения.
Валерий Петрович Трубицын твердо уверен, что лет этак через двадцать землетрясения можно будет предсказывать так же, как теперь предсказывают погоду. И телеведущий где-нибудь в Стамбуле в вечерней передаче огорчит турецких телезрителей словами: «Ближайшую ночь, хотя трясти будет и не очень сильно, жителям все же безопаснее будет провести не в привычном отчем доме, а в саду или на улице».
Юрий Чирков, доктор химических наук.