Знание-сила

Знание-сила научно-популярный журнал

Вход Вход
iiene     
Он-лайн ТВ Знание - Сила РФ Проекты Фотогалереи Лекторий ЗС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Горячая новость:
Подписаться на журнал "ЗНАНИЕ-СИЛА" стало проще
 

 





СВЕЖИЙ НОМЕР

Главная тема:

Тексты и История


Органические молекулы в космосе
 
 
 Самое интересное 
Самые яркие статьи за все годы существования журнала. Пока выложены только статьи 2007-2010 годов, но мы работаем над продолжением этого.
«Горячим точкам» – пятьдесят лет, не считая сотен миллионов

Геологи давно обратили внимание на островную гряду, лежащую в центральной части Тихого океана, – Гавайские острова. Здесь почти на 4000 километров протянулась цепочка вулканов. Самые молодые из них – Мауна-Лоа и Килауэа – выбрасывают лаву до сих пор; самый дальний (и древний) – проявлял активность более 40 миллионов лет назад. Продолжают эту цепочку подводные вулканы. Они тянутся в сторону побережья Камчатки и Алеутских островов. Возраст самых древних из них составляет от 70 до 80 миллионов лет.

Около полувека назад, в 1963 году, канадский геофизик Джон Тьюзо Уилсон опубликовал в журнале Nature статью, в которой предположил, что подобные цепи возникают в результате движения литосферных плит. Все эти вулканы породила так называемая «горячая точка» (Hotspot), где откуда-то из недр Земли поднимается струя раскаленного вещества. Постепенно она прорезает в литосфере дыру и изливается на поверхность. Здесь появляется вулкан. Горячая точка, принято считать, неподвижно располагается в мантии, в то время как литосфера медленно движется над ней. Постепенно вулкан (назовем его «вулканом гавайского типа») удаляется от источника магмы и гаснет. Плита ведь переместилась. Тогда струя прорезает надвинувшуюся на нее часть плиты и снова пробивается наверх. Так возникает новый вулкан, в стороне от первого, – подобно тому, как на листе бумаги, которым медленно водят над горящей свечой, появляется цепочка пятен-подпалин.

Чаще всего подобные вулканы образуются на дне океана, поскольку здесь земная кора заметно тоньше, чем на суше. Если средняя толщина океанической коры составляет в среднем всего 6 километров, то континентальной коры – около 30 километров.

Так вдоль подводного Гавайского хребта возникло несколько вулканов разного возраста. Однако каждый из них, в конце концов, выбросил столько лавы, что вокруг него сформировался целый остров.

Со временем процессы эрозии разрушают и сам вулкан, и остров из отвердевшей лавы, который возник вокруг него. Через миллионы лет морская гладь поглощает весь этот истертый ветром и водой клочок суши. Такова, например, и будущая судьба Гавайских островов.

Примечательно, что все эти вулканы располагаются посреди литосферных плит – в отличие от вулканов классического типа. Поэтому можно дать и такое определение: «горячими точками» называют центры вулканической активности, расположенные вдали от краев литосферных плит.

Где прячутся мантийные струи?

Питаются «горячие точки» мантийными струями («плюмами»), потоками горячего вещества, притекающими из недр Земли. В 1971 году американский геофизик Джейсон Морган дополнил гипотезу Уилсона. Он предположил, что эти струи зарождаются в нижней части мантии. Эта догадка позволила объяснить, почему при извержении вулканов гавайского типа химический состав базальтовых лав, достигающих поверхности Земли, заметно отличается от состава базальтов, оказывающихся на поверхности при извержении обычных вулканов.

Уже к концу 1970-х годов большинство геологов приняло гипотезу «горячих точек». Ведь она могла объяснить некоторые детали глобальной тектоники плит, остававшиеся еще непонятными. Почему, например, вулканы образуются не только по краям литосферных плит, но и посреди них – там, где их не должно было быть?

Точное количество «горячих точек» неизвестно, поэтому в научной литературе бытуют разные цифры. Однозначно – путем сейсмических наблюдений – обнаружено примерно полсотни «горячих точек». Они располагаются по всему земному шару – от Канарских островов до Йеллоустона, от Исландии до островов Галапагос.

Наблюдения показали, что есть два типа мантийных струй. Одни – в районе Азорских островов, Таити, Самоа – зарождаются на границе с ядром Земли, на глубине 2900 километров, и пересекают всю мантию. Другие, – например, в Эйфеле, – образуются в зоне, разделяющей верхнюю и нижнюю мантию, на глубине 410–660 километров от земной поверхности.

«Горячие точки» очень заинтересовали ученых, занимающихся палеогеографией. По тому, как на протяжении миллионов лет менялось расположение вулканов, вытянувшихся теперь в виде цепочки островов, можно реконструировать скорость движения литосферных плит. Так, в случае с Гавайскими островами, она равняется сейчас 8,5 сантиметра в год. Около 400 тысяч лет назад прямо над «горячей точкой» находился остров Гавайи, крупнейший остров архипелага, а 3 миллиона 700 тысяч лет назад над ней располагался остров Оаху.

Сейчас «горячая точка» находится примерно в 35 километрах от острова Гавайи, в районе подводного вулкана Лоихи. Здесь еще нет острова, он только растет, его контуры лишь угадываются под водой. Пока от поверхности моря его отделяет 900 метров. Но, по расчетам геологов, уже через несколько миллионов лет вершина вулканического конуса, образовавшегося здесь, будет возвышаться над океаном на 4000 метров. В общей сложности его высота, если учесть подводную часть, достигнет 10 тысяч метров. Это больше, чем высота Джомолунгмы, величайшей горы нашей планеты, но зато примерно соответствует высоте вулкана Мауна-Кеа, лежащего на острове Гавайи (опять же отсчет надо вести от морского дна). Это полное подобие двух вулканов – реального и пока еще смоделированного, – возможно, когда-нибудь подтвердит гипотезу Уилсона, который предположил, что формирование и рост всех островов, образовавшихся возле одной и той же «горячей точки», протекает всегда по одной и той же схеме, всегда одинаково.

Различный возраст отдельных Гавайских островов проявляется еще и в том, что они пребывают на разных стадиях эрозионного разрушения. Если самый молодой из них – остров Гавайи – в результате регулярных вулканических извержений все еще продолжает расти, то острова, лежащие к северо-западу от него, уже заметно тронуты эрозией и разрушены.

Интерес вызывает и форма «вулканической цепочки». По ней можно судить о том, как менялось направление движения литосферной плиты. Например, Гавайские острова изогнуты таким образом, что это позволило некоторым ученым предположить: около 43 миллионов лет назад Тихоокеанская плита столкнулась с другой плитой. Однако никаких иных видимых признаков коллизии не удалось выявить. Так, может быть, это не плиту шатало из стороны в сторону, а перемещалась «горячая точка»?

Всякий раз, выполняя подобные расчеты, ученые до этого делали одно принципиально важное допущение: они полагали, что передвигаются только литосферные плиты, в то время как сама «горячая точка» остается на одном и том же месте. Но так ли это?

Наши представления о прошлом Земли ошибочны?

В последнее десятилетие поставлена под сомнение даже история возникновения Гавайских островов – парадный пример теории «горячих точек».

Американские геофизики Джон Тардуно и Рори Коттрелл предположили, что около 80 миллионов лет назад «горячая точка», породившая Гавайские острова, начала перемещаться в южном направлении и остановилась около 40 миллионов лет назад. В то время она двигалась с весьма внушительной скоростью – от 3 до 4 сантиметров в год. Примерно так же быстро движутся и многие литосферные плиты. Причина ее перемещения – мощные конвективные потоки, возникающие в мантии.

Таким образом, необычный изгиб Гавайских островов можно объяснить взаимным наложением двух движений – более или менее равномерного перемещения Тихоокеанской плиты и постепенно замедлявшегося движения «горячей точки». Возможно, кстати, менялась не только скорость, но и направление ее дрейфа.

Прежде чем прийти к такому выводу, Тардуно и Коттрелл исследовали магнитные характеристики вулканических пород, выброшенных гавайскими вулканами. Некоторые минералы ведь могут указывать, каким было направление магнитного поля Земли в момент их застывания. На экваторе силовые линии поля располагаются горизонтально, а чем дальше к северу или югу, – тем заметнее отклоняются от горизонтали. Это и позволило установить, что 75 миллионов лет назад «горячая точка» Гавайских островов находилась на 35-ом градусе северной широты (сегодня – на 19-ом градусе). Такие же геомагнитные исследования показали, что большая часть «горячих точек» когда-то находилась вовсе не на той широте, что теперь. Вполне может быть, что все эти точки перемещались (или перемещаются) по поверхности Земли.

Но эта догадка грозит пошатнуть многие устоявшиеся теории. Ведь ученые реконструируют положение континентов в далеком прошлом, исходя из того, что «горячие точки» неизменно находятся на одном и том же месте. Они – точки отсчета, позволяющие восстановить, когда и куда переместилась та или иная плита. Однако теперь и этот последний оплот покоя в мире непрестанного движения, похоже, скоро падет. Все больше фактов свидетельствует о том, что классическая теория «горячих точек» неверна. Если сами эти точки оказываются то здесь, то там, то и все расчеты летят в тартарары. В таком случае ошибочны наши представления о далеком прошлом Земли. Это касается и истории климата, и перемещений магнитных полюсов, и много чего другого.

Стоит отметить, что в общей сложности, как минимум, 10% всей поверхности нашей планеты, а по некоторым предположениям даже 40%, так или иначе, подверглись воздействию излившихся на нее мантийных потоков вещества. Под напором этих потоков, постепенно ослабляющих земную кору, могут раскалываться даже литосферные плиты. Геологическая роль их так велика, а их проявления так разнообразны, что некоторые ученые полагают, будто сама гипотеза мантийных струй и «горячих точек» ошибочна, а значит, многие феномены, обязанные им своим происхождением, имеют совсем другую природу. Но справедливы ли сомнения этих скептиков?

Суперсила суперплюмов

Впрочем, возможно, помимо обычных мантийных струй земную мантию рассекают и громадные потоки раскаленного вещества – так называемые суперплюмы, «суперпотоки». Речь идет о потоках вещества, которые в десятки раз больше обычных мантийных струй (диаметр последних составляет от нескольких десятков до сотен километров). Только этим можно объяснить возникновение в далеком прошлом обширных базальтовых плато – таких, как плоскогорье Декан в Индии (его площадь достигает миллиона квадратных километров). Сегодня многие ученые связывают появление этого плато, образовавшегося около 66 миллионов лет назад, с «горячей точкой», которая находится теперь под островом Реюньон, хотя эта гипотеза и вызывает немало споров.

Другой пример. Около 252 миллионов лет назад свыше двух миллионов квадратных километров территории Сибири было покрыто слоем лавы – результатом мощных вулканических извержений, продолжавшихся около 600 тысяч лет. По всей видимости, они и стали причиной планетарной катастрофы – массового вымирания животных на исходе пермского периода, когда исчезли 95% всех видов, обитавших в тогдашних морях, и более 70% видов, населявших сушу (в свою очередь, ряд ученых полагает, что причиной более позднего вымирания динозавров были события на плато Декан).

В 2011 году журнал Nature опубликовал статью работающих сейчас в Германии Степана и Александра Соболевых, в которой подробно описывался вероятный механизм Пермской катастрофы. Магма, изливавшаяся тогда, содержала от 10 до 20% переработанной в недрах планеты океанической коры и была насыщена ядовитыми для животных газами. Общий объем выброшенной магмы составлял от 6 до 8 миллионов кубических километров, причем, по расчетам Соболевых, в атмосферу выделилось около 170 гигатонн углекислого газа и 18 гигатонн хлороводорода (смотрите также Главную тему «З–С», 4/12). Из-за отравления ядовитыми газами, отмечает Степан Соболев, массовая гибель животных началась еще до того, как вулканы заработали на всю мощь, превращая все вокруг в огненный инферно.

Обширные базальтовые плато – следы некогда грандиозных извержений – имеются также в Китае (район горы Эмэйшань) и Бразилии (район реки Парана). Во всех этих случаях плато очень древние, а потому вряд ли мантийные струи, породившие их, существуют и поныне (ряд геологов связывает базальтовое плато в Бразилии с «горячей точкой» в районе острова Тринидад. – А. В.).

На рубеже 1980-х и 1990-х годов была опубликована гипотеза Роберта Шеридана из Ратгерского университета и Роджера Ларсона из университета Род-Айленда. Согласно их предположению, немалую активность суперплюмы проявляли в меловом периоде, около 120 миллионов лет назад. В пользу этого свидетельствуют резкие колебания тогдашнего уровня моря, усиленное образование океанической коры, стремительное раздвижение морского дна, прекращение смены магнитных полюсов, повышение средней температуры на планете. Главный очаг активности находился в западной части Тихого океана. По оценке исследователей, эта область достигала в поперечнике нескольких тысяч километров – в десятки раз больше территории, затрагиваемой деятельностью обычных мантийных струй.

Ученые продолжают спорить о том, существуют ли на самом деле суперплюмы. В новейшей научной литературе это понятие применяется лишь к двум регионам планеты. Предполагается, что одна из этих гигантских струй находится в западной части Тихого океана – там, где выявлен аномально большой приток тепла из глубин планеты к ее поверхности и располагаются четыре «горячие точки», – а другая скрывается под Восточной Африкой.

По одной гипотезе, такие струи, словно громадный поток Амазонки, образуются за счет слияния нескольких мелких струек-«речушек», которые, устремляясь наверх, к «воздушному океану», соединяются друг с другом. Однако сейсмические наблюдения не подтвердили эту догадку.

Другую гипотезу предложили Венди Панеро и ее коллеги из университета штата Огайо. По их мнению, важную роль в зарождении гигантских восходящих потоков вещества играют многочисленные обломки древних континентальных плит, скапливающиеся в нижней части мантии, что нарушает привычный ход протекающих здесь процессов. Участки мантии, где образовались подобные потоки вещества, с самого начала незначительно отличались по своему химическому составу от соседних областей. Они содержали предположительно от 10 до 13% железа вместо 10–12%, как остальная часть мантии. Громадные мантийные потоки – это, вероятно, потоки вещества более плотного, нежели в остальной мантии. Обычно такое вещество погружается вглубь менее плотного – вглубь мантии – и расширяется. Но в данном случае они зародились там, куда в результате процесса субдукции опускаются куски литосферных плит. По этой причине суперплюмы, полагает Панеро, не могут стронуться с места на протяжении последних 200 миллионов лет – со времен распада Пангеи, хотя окружающее их вещество мантии непрестанно движется вокруг них. Такова эта гипотеза – впрочем, довольно спорная, как и вся теория «суперплюмов».

Исследование мантийных струй только начинается. Пока разрешающая способность современных приборов слишком мала, чтобы увидеть во всех подробностях то, что происходит не на Марсе или Титане, а всего в сотне километров от нас, в недрах нашей планеты. Но это лишний раз убеждает нас в том, что география – физическая география Земли – и в XXI веке останется одной из важнейших наук. Нас могут ждать новые крупные открытия!

Тайны гренландской лавы

Долгое время считалось, что вещество в мантии Земли перемешивается так сильно, что в недрах планеты не сохранилось ни одного резервуара магмы, оставшегося от эпохи, когда Земля только зарождалась. Однако недавно журнал Nature сообщил, что американским геологам путем изотопного анализа гренландской лавы удалось доказать: подобный резервуар все-таки существует. Это открытие подтверждает гипотезу, согласно которой некоторые «горячие точки» до сих пор питаются магмой, притекающей из таких резервуаров.

Геологи из Бостонского университета (ими руководил Мэтью Джексон) анализировали изотопный состав застывшей лавы, обнаруженной в Западной Гренландии. Известно, что гелий, содержащийся в атмосфере Земли, – это в основном гелий-4 с двумя протонами и двумя нейтронами в атомном ядре. Другой изотоп гелия, гелий-3, содержит всего один нейтрон и встречается в миллион раз реже, чем гелий-4. Однако в мантии нашей планеты сохранилось большое количество гелия-3, оставшегося со времен формирования Земли. Поэтому в вулканическом материале, поднявшемся к поверхности планеты с очень большой глубины, соотношение между двумя изотопами гелия может оказаться совсем иным. Именно это и выявилось в Гренландии. Кроме того, анализ показал, что этот резервуар вулканического материала образовался около 4,5 миллиарда лет назад.

ЗС 02/2014

Номера журнала

 

Читать номера on-line

 

вернуться


Карта сайта | Контактная информация | Условия перепечатки | Условия размещения рекламы

«Сайт журнала «Знание-сила»» Свидетельство о регистрации электронного СМИ ЭЛ №ФС77-38764 от 29.01.2010 г. выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор)
© АНО «Редакция журнала «Знание-сила» 2012 год

По техническим вопросам функционирования сайта обращайтесь к администратору

При поддержке медицинского портала ОкейДок


Rambler's Top100
av-source