Глава 4. Что у Земли внутри?

Выступление в Опере Сан-Франциско вечером 17 апреля 1906 г. великого тенора Энрико Карузо было, как обычно, триумфальным. Уже тогда большую часть населения этого города составляли выходцы из Италии, и его выступление сопровождали бесконечные аплодисменты. Когда бы он ни приезжал в Сан-Франциско, он чувствовал себя здесь как дома. Однако на следующее утро он дал зарок никогда больше не возвращаться не только в этот город, но и вообще в Калифорнию. В 5 ч 13 мин утра произошло сильнейшее землетрясение, и Карузо едва не был погребен под обрушившимся зданием его отеля. Кроме разрушений, вызванных землетрясением, в городе в течение трех последующих дней бушевал пожар. Возникла вспышка бубонной чумы, переносчиками которой стали крысы — их гнезда, как и большинство зданий города, были разрушены. После этого в прессе стали появляться истории о кошках Сан-Франциско. Многие очевидцы рассказывали, что перед самым толчком их кошки как обезумевшие выбегали из дома. Неужели они знали, что должно произойти, еще до того, как люди почувствовали колебания почвы? На некоторых это произвело столь сильное впечатление, что они стали покупать кошек, чтобы получать предупредительный сигнал о новом землетрясении.

^{Вид Сан-Франциско в 10 ч утра 18 апреля 1906 г. — через пять часов после землетрясения. Великий итальянский оперный певец Энрико Карузо чудом уцелел, когда рухнул Палас-отель (в левом нижнем углу). Несмотря на то что в течение ХX века науке удалось очень многое узнать о внутреннем строении Земли и тектонике плит, надежно предсказать время землетрясения все еще практически невозможно. (Из материалов NOAA-EDS.)}

О поведении кошек перед землетрясением спросили ученых. «Абсурд, — ответили они, — бабушкины сказки, истерия». И идею о том, что кошки способны чувствовать приближение землетрясения, перенесли в разряд фольклора. А Сан-Франциско, отстроенный со строгим соблюдением новых строительных норм, за последующие десятилетия смог пережить множество землетрясений умеренной силы. И вот в тот вечер, когда осенью 1989 г. проходила игра между двумя региональными командами, «Сан-Франциско джайентс» и «Окленд атлетикс», в городе произошло еще одно сильное землетрясение. Вся страна, собравшаяся у телевизоров смотреть соревнование, затаила дыхание, видя, как содрогаются здания, взламываются автодороги и вспыхивают пожары. Еще ни одно землетрясение в истории человечества миллионы людей не наблюдали в то самое время, когда оно происходило. Позднее вспомнили старые рассказы о кошках. Землетрясение 1906 г. произошло в середине ночи, и поэтому тогда легко было опровергать эти истории как недостоверные свидетельства охваченных ужасом людей. На этот же раз сообщения о том, что кошки в крайне возбужденном состоянии носились взад и вперед непосредственно перед землетрясением, поступали от свободных от работы полицейских и пожарных, которые сидели дома перед телевизорами и ожидали начала игры. О том же рассказывали и различные квалифицированные специалисты. Кошки Сан-Франциско еще раз взбесились. На сей раз ученые обратили на это внимание. В конце концов, быть может, все-таки было что-то в этих бабушкиных сказках, и поведение кошек во время землетрясений начали исследовать с научной точки зрения.

Тот факт, что в конце XX века сочли необходимым исследовать поведение кошачьих в связи с землетрясениями, свидетельствует о состоянии проблемы прогноза землетрясений: его практически не существует. Конечно, сейсмологи могут с уверенностью предсказать, что, скажем, катастрофическое землетрясение ожидается в районе Лос-Анджелеса в скором времени — но «в скором» может означать и «завтра», и «через 30 лет». По сравнению с предсказанием землетрясений прогноз погоды выглядит исключительно точным, несмотря на то что холодный фронт может так и не прийти или снег появится неизвестно откуда. И тем не менее мы сейчас уже знаем о землетрясениях гораздо больше, чем знали во времена землетрясения в Сан-Франциско 1906 г.

Например, только в 1912 г. возникла концепция дрейфа континентов — ее выдвинул немецкий метеоролог Альфред Вегенер, родившийся в 1880 г. Раньше полагали, что начиная с того времени, когда Земля приобрела свою постоянную форму, материки всегда оставались в тех местах, где они находятся сейчас. Вегенер заинтересовался новой тогда областью атмосферных исследований, метеорологией, и отправился с экспедицией в Гренландию. По-видимому, плавучий лед в окружающих Гренландию водах навел его на мысль о том, что континентальные массы тоже могли бы перемещаться по поверхности Земли. Он стал искать доказательства в поддержку этой гипотезы и обнаружил два вида связи между различными материками. Во-первых, существовали геологические связи: одни и те же осадочные породы одинакового возраста были обнаружены в местах, разделенных океаном. Во-вторых, на разных континентах сохранились сходные ископаемые остатки древних животных и растений, несмотря на то что в XX веке подобные сходства в мире редки, и каждый континент имеет характерную именно для него флору и фауну. Родиной томатов, кукурузы и картофеля является Новый Свет, а капуста, баклажаны и цуккини эндемичны для Европы, и подобную исключительность можно наблюдать у многих видов животных. Однако в очень отдаленном прошлом некоторые растения и животные существовали не на одном континенте. Ярким примером был семенной папортник Glossopteris, произраставший 270 млн. лет назад на территории современных Южной Америки, Африки, Австралии и Азии. Вегенеру было ясно, что, следовательно, когда-то существовал единый суперконтинент, и он подробно изложил свою теорию в книге «Происхождение континентов и океанов», изданной в 1915 г. Все материки на Земле в свое время составляли единый массив, названный им Пангеей.

Некоторые ученые вдохновились этой идеей и считали доводы Вегенера неопровержимыми. Эту относительно небольшую группу стали называть «мобилистами». Однако большинство геофизиков согласились со своим знаменитым коллегой сэром Гарольдом Джеффрисом, который посчитал концепцию в целом нелепой. Собственные наблюдения за землетрясениями убедили его в том, что недра Земли абсолютно твердые. Движущиеся континенты — ну и ну! К сожалению, мобилисты не смогли привести сколько-нибудь правдоподобный механизм, который позволял бы материкам перемещаться.

^{Концепция дрейфа континентов была впервые предложена в 1912 г. Альфредом Вегенером. В 1915 г. вышла его книга, где он выдвинул гипотезу о существовании в глубокой древности единого суперконтинента, названного им Пангеей. Поначалу отвергнутые большинством геологов, идеи Вегенера в конце концов были подтверждены как геологическими данными, так и открытием тектоники плит, обеспечившей механизм перемещения материков. На приведенных здесь картах показано изменение поверхности Земли на протяжении геологических эпох. (Из материалов Геологической службы США.)}

Только через три десятилетия после смерти Вегенера, в 60-е годы. XX века такой механизм был открыт. Как отмечают в своей книге «Рассказ о Земле», вышедшей в 1998 г., Саймон Лэмб и Дэвид Сингтон [1], на это открытие понадобилось бы намного больше времени, не появись в 1950-х годах ядерные подводные лодки. После их постройки впервые возникла настоятельная необходимость иметь карты не только поверхности морей, но и океанического дна. ВМФ США обеспечил достаточное финансирование этого крупного проекта, в котором широко использовалась новая техника эхолотирования для регистрации колебаний, возникающих при взрывах под водой небольших зарядов. Предполагалось, что дно океана сглажено за миллионы лет морскими течениями и осадками и должно быть совершенно ровным. Но это оказалось абсолютно не так.

Наиболее поразительным, как пишут Лэмб и Сингтон, было открытие «опоясывающей нашу планету практически непрерывной подводной горной цепи». «По сути это самый длинный горный хребет на Земле». Помимо этого на дне имелись зоны разломов, как если бы оно было расколото на громадные плиты под прямыми углами к подводным хребтам. Отсюда следовали грандиозные выводы. Океаническое дно было явно не таким древним, как предполагалось, и подвергалось воздействию такой же вулканической и сейсмической деятельности, что и континенты. В 1960 г. Гарри Хесс из Принстонского университета начал сводить воедино эти новые открытия с давно интриговавшими его старыми результатами и создал новую теорию того, что происходило с земной поверхностью под океанами. Срединно-океанические хребты, очевидно, возвышались, но существовали также подводные «острова» с плоскими вершинами, которые он назвал «гайотами». Вероятно, они испытывали опускание, хотя их вершины когда-то могли выдаваться над поверхностью воды, где сглаживались и стали плоскими в результате эрозии. Это должно было означать, что горные породы на дне океанов плотнее, чем на суше, и поэтому они погружались в верхнюю мантию. Оболочка Земли, называемая мантией, располагается между поверхностной земной корой и находящимся в центре ядром, причем породы нижней мантии имеют большую плотность, чем породы верхней мантии. По мнению Хесса, глубоководные горы должны были возникнуть под действием какой-то внутренней силы, затем происходило плавное смещение их в сторону, после чего они вновь начинали опускаться. Он сравнивал этот процесс с лентой гигантского конвейера, непрерывно изменявшего поверхность океанического дна. Дно океанов не было ровным и неподвижным, а постоянно переделывало само себя.

Фред Вайн, учась в аспирантуре Кембриджского университета в Англии, прослушал знаменитую лекцию Хесса и развил его идеи. Вайну было поручено проанализировать результаты магнитной съемки, проведенной учеными Великобритании в Индийском океане. В этой области исследований недавно был сделан вывод о том, что магнитное поле Земли на протяжении истории нашей планеты несколько раз меняло свою полярность. В настоящее время стрелка компаса указывает на Северный полюс, но при инверсии магнитного поля она будет направлена на Южный полюс. Между мантией Земли и ее твердым внутренним ядром располагается внешнее ядро. Сэр Эдвард Буллард предположил, что оно состоит из жидкого (расплавленного) железа и что потоки в этом расплавленном слое создают эффект, благодаря которому поле действительно может со временем менять свою полярность. Доказательство этих представлений было получено с помощью нового метода определения возраста горных пород, основанного на анализе радиоактивного аргона, который был захвачен вулканической лавой в процессе ее охлаждения и превращения в породу. Сложные эксперименты, выполненные в Калифорнийском университете в Беркли, показали, что магнитное поле Земли действительно претерпевало инверсии приблизительно раз в миллион лет.

В 1963 г. Вайн вместе со своим руководителем Драммондом Мэтьюзом пришел к выводу, что на океаническом дне должен существовать двойной конвейер — по одной ленте с каждой стороны срединно-океанических хребтов. Ленты этих конвейеров скользят в перпендикулярном к хребтам направлении, унося от них очередную порцию излившейся лавы и создавая эффект полосчатости магнитных свойств всяких раз, когда геомагнитное поле изменяет свою полярность. Дальнейшие работы таких ученых, как Дж. Тузо Вильсон и Алан Кокс, подтвердили правильность идей Хесса и Вайна, указав, что смежные участки морского дна непрерывно смещаются относительно друг друга, скользя вдоль разломов. Более того, оказалось, что возраст пород, слагающих дно океанов, нигде не превышает 200 млн. лет, т. е. они почти в 10 раз моложе континентальных массивов.

Эти перемещения пород океанического дна заставили многих ученых вспомнить идеи Альфреда Вегенера о едином континенте Пангея, которые долгое время игнорировались. Если под водой происходит столь значительное перемещение, не могут ли и целые континенты двигаться, пусть даже гораздо медленнее? Многие геологи и геофизики стали собирать все больше и больше доказательств того, что происходило в действительности. В марте 1964 г. вблизи Анкориджа на Аляске в районе полномочий геолога Джорджа Плафкера из Геологической службы США произошло сильнейшее землетрясение с магнитудой 8,6 по шкале Рихтера. Изучив его последствия, геолог убедился в том, что, поскольку на суше в области землетрясения не наблюдается линии разлома достаточной длины, она должна находиться где-то в море у побережья. За несколько последующих лет Плафкер и другие геологи сумели показать, что на определенных участках земного шара океаническая кора погружается в недра Земли, и, перемещаясь, она в какой-то момент уже будет скользить под материковой корой, выталкивая ее вверх и вызывая землетрясение.

Так родилась теория тектоники плит. Из плит разного размера состоит наружная оболочка Земли — литосфера. Земная кора, на которой мы занимаемся сельским хозяйством и строим города, — это всего лишь самая верхняя часть литосферы, общая толщина которой в среднем составляет около 350 км. Литосферные плиты перемещаются, и с помощью искусственных спутников Земли их движение удалось измерить. Скорость его очень мала, — как правило, порядка сантиметра в год, но смещения происходят на протяжении тысячелетий, и в различных точках прохождение одной плиты под (или над) другой (а иногда — сдвиг одной относительно другой) создает внезапный крен, приводящий к землетрясению. Давления, оказываемые двумя плитами друг на друга, вдруг становятся слишком большими. Достаточно случайности — и образуется разлом одной из плит, приводящий к значительному смещению земной коры.

За то время, которое прошло между сан-францисскими землетрясениями 1906 и 1989 гг., геофизики стали гораздо лучше понимать, почему происходят эти разломы земной коры. Они знают также, где на земном шаре находятся наиболее опасные в сейсмическом отношении места, поскольку ясно, что в этих местах две литосферные плиты, сталкиваясь, перемалывают друг друга. В результате создаются такие колоссальные давления, которые вещество земной коры не в состоянии выдержать, так как они превышают предел его прочности, и происходит разрыв сплошности. Наибольшее внимание средств массовой информации, по крайней мере в США, привлекает калифорнийский разлом Сан-Андреас, и неизменный смех вызывают выражения типа «Южная Калифорния проваливается в море». Однако это довольно нервный смех — ведь сильное землетрясение когда-нибудь, несомненно, произойдет.

Раскрытие тайны тектонических плит помогло прояснить и другие аспекты строения Земли. Но чем дальше от поверхности, тем более умозрительными становятся выводы ученых. Земная кора, или внешняя оболочка планеты, на континентах имеет мощность до 50—70 км, а под океаническим дном — всего лишь 8—12 км. Подземной корой находится верхняя мантия, сложенная такими минералами, как оливин и оксиды, плюс некоторое количество гранатов. Аналогичные породы образуют нижнюю мантию, но из-за действующих здесь огромных давлений они имеют еще большую плотность. При таких давлениях, а также существующих на больших глубинах в недрах Земли высоких температурах углерод кристаллизуется в форме алмаза. Алмазы, добываемые на Земле, выдавлены из нижней мантии в процессе вулканических извержений — они оказались в поднявшейся из глубин Земли расплавленной лаве, при остывании которой образовался базальт. Некоторые алмазы выдавлены с глубин порядка 1000 км. Только в лабораторных экспериментах с использованием алмазных наковален, которые способны выдержать огромные давления и температур, создаваемые лазерными пучками, исследователям удалось получить мизерные количества исключительно плотного минерала со структурой перовскита — основной составляющей нижней мантии Земли.

Под мантией располагается внешнее ядро, состоящее из жидкого (расплавленного) железа и никеля. Считается, что эти вещества плавятся при температурах, близких к тем, которые существуют внутри Солнца. Имеются веские основания полагать, что так оно и есть, но относительно таких глубин ученые могут делать лишь умозаключения. Во время землетрясений в недрах нашей планеты распространяются упругие колебания — более быстрые продольные и несколько более медленные поперечные волны, которые регистрируются сейсмографами. По характеристикам этих волн можно установить, через какой материал они прошли. Твердое внутреннее ядро Земли из железа и никеля окружено расплавленным внешним ядром. Почему же расплавленное внешнее ядро не заставляет плавиться внутреннее ядро? Предполагается, что в какой-то момент адские температуры внешнего ядра существенно уменьшаются. По-видимому, это обусловлено конвективными потоками (в лаборатории они воспроизводятся при значительно более низких температурах), которые заставляют струи, или плюмы, наиболее горячего материала двигаться вверх, при этом находящийся вверху более холодный материал опускается вниз.

Планета Земля живет активной жизнью, и не только в смысле существующей на ее поверхности экосистемы животных и растений, которые успешно развиваются благодаря благоприятным условиям хорошо сбалансированной атмосферы, так как большая часть земной поверхности покрыта водой. В отличие от нее Луна представляет собой мертвое небесное тело — как внутри, так и снаружи. Правда, есть предположение, что когда-то и она обладала расплавленным ядром — в течение миллионов лет после отделения от Земли (вероятно) в результате столкновения нашего мира с другим, меньшим по размеру (близким по величине к Марсу). Марс — умирающая планета. Установлено, что когда-то на ней существовали обширные моря и что еще сохранилось достаточно воды для образования разреженной атмосферы и ледяных шапок в районе полюсов. Возможно, еще больше воды находится под поверхностью Марса в виде вечной мерзлоты. Мы не знаем, что именно произошло на Марсе, из-за чего планета умирает — если бы нам это было известно, возможно, мы бы с гораздо большим вниманием и заботой относились к своей собственной планете. С другой стороны, вполне вероятно также, что в Солнечной системе только Земля обладала необходимым сочетанием условий, чтобы стать обитаемой планетой, — иметь твердую поверхность, способную удерживать воду. Однако мы не должны ограничиваться этой точкой зрения. Газовая планета-гигант Юпитер, очевидно совершенно лишенная поверхностной коры, также живет своей собственной жизнью, о чем свидетельствуют Большое Красное Пятно и другие обширные циклонические системы. Тем не менее в этом небольшом уголке Вселенной Земля — безусловно уникальное небесное тело.

Однако эта уникальность оказывается весьма зыбкой. Считается, что жидкое внешнее ядро само нестабильно — например, как раз по этой причине магнитные полюса Земли меняются местами примерно раз в миллион лет. Активная жизнь Земли означает также, что она непрерывно изменяется. Альфред Вегенер был прав относительно суперконтинента Пангея. К 1980-м годам геологические данные позволили убедительно доказать, что Южная Америка и Африка когда-то были частью одного и того же континентального массива, как и все остальные континенты. В самом деле, глядя на плоскую карту мира, любой ребенок может видеть, что очертания береговой линии Африки и Южной Америки идеально дополняют друг друга, подобно отдельным фрагментам мозаичной картинки. Конечно, люди замечали это и до Вегенера, но объясняли простым совпадением или волей Божьей. В настоящее время определенно установлено, что до Пангеи существовали отдельные континенты, отличавшиеся по форме от современных материков, а до них был другой суперконтинент, названный Родиния — от русского слова «родина». Некоторые геологи даже считают, что весь цикл, скорее всего, прошел до этого, по меньшей мере, еще один раз.

Человеческое воображение в высшей степени взбудоражено тем, что наша планета живет бурной жизнью и целые континенты на ней могут по нескольку раз менять свой вид — пусть даже на это уходит порядка миллиарда лет. История сложных форм жизни на Земле насчитывает всего около 600 млн. лет. Однако задолго до этого на планете происходило формирование и преобразование ее внешнего вида. Именно в наше время образовались изящные геологические формы типа Гибралтарского пролива и белых скал Дувра. Всего 30 000 лет назад Берингов пролив между Россией и Аляской не был покрыт водой, а представлял собой сушу — именно по ней в Америку впервые перешли эскимосы (или алеуты) и американские индейцы (согласно историческим записям, это коренное население Америки, но на самом деле они пришли с другого континента).

На этом эпическом фоне весьма примечателен тот факт, что мы все же представляем себе, как происходят землетрясения. Научимся ли мы точно определять, когда именно землетрясения разрушат наши города или когда в результате извержения вулканов возникнут новые горные хребты, сметая города, лежащие у их подножий? Если принять во внимание всю историю пашей живой планеты, то попытка решить эти проблемы иногда может показаться высокомерной. Возможно, об этом знают кошки Сан-Франциско?..

Литература для дальнейшего чтения

1. Lamb, Simon, and David Sington. Earth Story. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1998. В этой книге, основанной на многосерийном телевизионном фильме Би-Би-Си, всесторонне рассматривается «Формирование облика нашего мира», как указано в подзаголовке. Богато иллюстрированная цветными рисунками и написанная ясным языком книга рассчитана на широкого читателя, но содержит множество подробностей.

2. Zebrowski, Ernest J., and Ernest Zebrowski Jr. Perils of a Restless Planet: Perspectives on Natural Disasters. New York: Cambridge University Press, 1999. В этой серьезной, но в то же время занимательной книге, посвященной широкомасштабному рассмотрению природных катастроф всех видов, описываются попытки ученых понять природу подобных явлений и определить их последствия для человеческого общества.

3. Harris, Stephen L. Agents of Chaos: Earthquakes, Volcanoes, and Other Natural Disasters. Portland, OR: Mountain Press, 1990. В этой предназначенной для широкого читателя книге о природных катастрофах в США приведен прекрасный материал по землетрясениям и проблемам их предсказания.

4. Menard, H. William. Ocean of Truth — A Personal History of Global Tectonics. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1995. Менард был одним из основоположников теории тектоники плит, и исключительно интересно читать о его научно-исследовательских экспедициях в разных морях, начавшихся в 1950-е годы. Эта книга особенно интересна тем, кто интересуется подоплекой научных открытий.

5*. Раст X. Вулканы и вулканизм. — М.: Мир, 1982. В книге приводятся характеристика вулканических построек, типов и продуктов извержений, поствулканических явлений, прогноз извержений и защита от них.

6*. Резанов И. А. Эволюция представлений о земной коре. — М.: Наука, 2002. Описывается история взглядов на состав и происхождение земной коры — становление геологической, гравиметрической и сейсмической моделей.

7*. Тулиани Л. И. Сейсмичность и сейсмическая опасность. — М.: Научный мир, 1999. Книга посвящена анализу трех кардинальных проблем геодинамики и сейсмологии: расслоенности тектоносферы, строению литосферы сейсмоактивных горных областей, методике оценки сейсмической опасности.