Тектоника плит и океанические бассейны

История океанологии во многом сейчас отражает революцию в исследованиях по глобальной геологии. Эта революция началась всего каких-то два-три десятилетия назад: сначала возникла концепция дрейфа континентов, затем появилась теория разрастания (“спрединга”) морского дна, а теперь уже все это привело к разработке современной теории тектоники литосферных плит.

Самая поразительная революция в развитии естествознания со времен Дарвина происходит прямо на наших глазах. Мы присутствуем при кристаллизации новой теории строения Земли. Названная теорией тектоники плит, она описывает геологическое развитие, показывая, как из ранних, не похожих на нынешние, структур Земли с течением геологического времени сформировалось современное распределение материков и океанических бассейнов.

Так же как и сама новая геологическая теория, удивительно интересна и история эволюции нашего понимания новой глобальной геологии. Главную роль в этой еще не законченной истории играют морские геологи и геофизики, поэтому большая часть исследований, в которых формируются новые теоретические представления, проводится в океанологических институтах.

В этой главе мы раскроем историческую перспективу того, как изменились океаны в течение прошедших геологических эпох.

Связь между материками. Первые догадки о том, что известные нам сегодня материки, возможно, когда-то были соединены в единое целое, стали возникать во время бурного развития морских путешествий, начавшихся в XV в. Португальские мореплаватели исследовали и нанесли на карту западное побережье Африки, эту работу в 1497—1498 гг. завершил Васко да Гама, обогнувший мыс Доброй Надежды и открывший для европейской цивилизации Индийский океан. В 1492 г. Колумб соприкоснулся с Новым Светом впервые с тех пор, как в 1001 г. Лиф Эрикссон высадился на берега Лабрадора. Вскоре после Колумба Джон и Себастьян Каботы предприняли путешествия по северо-западной Атлантике (1497, 1498 г.). Фернан Магеллан в 1519 г. добрался до северного побережья Бразилии и приступил к составлению карты берегов Южной Америки вплоть до пролива, который носит теперь его имя. В середине XVI столетия Герард Меркатор и другие исследователи составили много новых карт, которые к тому времени включали восточные и западные берега обоих бассейнов Атлантического океана — северного и южного. В результате этого впервые были сделаны выводы о форме Атлантического океана, в частности, о том, что восточные и западные его границы удивительно хорошо “подходят” друг к другу.

Действительно, упоминания о “соответствии формы” береговых линий Атлантики появились еще в 1620 г. в комментариях сэра Фрэнсиса Бэкона к его трактату “Новый органон”. Другие заметили сходство очертаний берегов и сделали вывод, что Старый и Новый свет разделились в результате Всемирного потопа. Но старинные карты, на основании которых делались такие заключения, были чрезвычайно грубы из-за того, что у моряков не было надежного способа вычислять долготу. Хотя в 1530 г. фламандский астроном Гемма Фризиус впервые предложил использовать для вычисления долготы в море часы, показывающие точное время [13], прошло еще почти 250 лет, прежде чем такие приборы — хронометры — были созданы.

Широту в море измерить легко, причем совершенно точно — нужно только знать день года и угол максимального восхождения Солнца над горизонтом в этот день. А для определения долготы надо точно знать разницу во времени между местным “полуднем” и полуднем на некоторой выбранной исходной долготе (в качестве которой используется меридиан Гринвича, Англия), для чего требуется надежный хронометр. Такой хронометр разработал и с успехом испытал в 1761 г. Джон Гаррисон. Вскоре этот прибор стали применять и другие: капитан Джеймс Кук взял три хронометра в свое историческое путешествие вокруг Антарктиды в 1772—1775 гг. С тех пор новые карты стали весьма точными, и поэтому соответствие формы берегов по обе стороны Атлантики привлекало все большее внимание, причем не только геологов и географов, но и ботаников и зоологов.

Примерно тогда же, когда мореплаватели впервые получили возможность измерять солнечное время, появились идеи о существовании другого вида времени — чрезвычайно продолжительной непрерывной временной шкалы, на которой можно отмечать геологические события, составляющие историю Земли. Шотландский врач из Эдинбурга Джеймс Геттон (1726—1797), изучавший также геологические формации, разработал представления о том, что геологические процессы сегодняшнего дня — в целом такие же, как в прошлом. Этот фундаментальный принцип геологии называется униформизмом.

Уильям Смит (1769—1839) развил идею, согласно которой различные геологические пласты, образовавшиеся в один и тот же период времени, содержат одну и ту же ассоциацию окаменелостей. Работы этих двух ученых, а также сочинения Чарлза Лайеля (1797—1875), которого называют отцом современной геологии, дали Чарлзу Дарвину именно тот “инструмент”, который был необходим в его гениальных исследованиях, — “каркас эпох геологического времени”; к этому “каркасу” Дарвин привязал свою теорию естественного отбора органических видов (Faul, 1978).

Начиная с этого времени наука развивалась что называется по экспоненте, захватывая все отрасли знаний. Особое значение имело развитие палеонтологии — науки, занимающейся изучением ископаемых остатков прошлых геологических периодов, — она предоставила нам независимые доказательства связей между осадочными структурами, которые в настоящее время находятся на большом удалении друг от друга.

К концу XIX в. в науке создалась новая обстановка. Уже существовали точные географические карты мира, во многих районах земного шара были собраны последовательные ряды ископаемых организмов, главным образом на основе палеонтологических данных изучались древние климаты Земли, геология стала развиваться во многих регионах, так как промышленность нуждалась во всех видах минерального сырья. Пора было кому-то собрать воедино все данные и на их основе создать концепцию дрейфа континентов, получившую признание только через 50 лет. В это время и появился Альфред Вегенер.

Вегенер (1880—1930) был не первым ученым, который столь сильно заинтересовался “совпадением" очертаний континентов, что стал искать доказательства прежнего объединения их в огромном едином массиве суши. Но он, несомненно, был первым, кто собрал воедино разрозненные догадки и доказательства, подтверждающие существование такого массива, извлекая их из всех отраслей науки, известных в его время. Он предположил, что раскол древнего массива, названного Пангеей, начался около 200 млн. лет назад. С тех пор отдельные материки разошлись по поверхности Земли, заняв в конце концов свое нынешнее положение [21]. Сегодня мы знаем, что материки все еще «дрейфуют».

Интересно обратить внимание на то, как Вегенер начал эту научную работу, которую уже не прекращал до конца жизни. Вот что он писал жене в январе 1911 г.:

"Мой сосед по комнате д-р Тейк получил в подарок на рождество большой учебный атлас Андре. Мы долго любовались чудесными картами. Вскоре меня осенила одна идея. Взгляни-ка еще раз на карту мира: не правда ли, восточный берег Южной Америки точно соответствует западному берегу Африки, как будто бы они прежде были соединены? Они совпадают еще лучше, если рассмотреть карту глубин Атлантического океана и сравнивать не нынешние береговые линии континентов, а границы континентальных склонов в глубоком море. Я должен развить эту идею” [4].

Он умер в то время, когда полемика, “ниспровергавшая” его теорию, вероятно, была в самом разгаре (см., например, [17]). Его труды не были признаны в течение еще 30 лет или больше. Даже в 1963 г., когда я впервые слушал курс геологической океанологии, профессор отказывался обсуждать гипотезу Вегенера. Но к концу 1960-х годов эта фаза революции в науках о Земле завершилась; сегодня множество исследователей занимаются уже деталями современной теории тектоники плит.