Радиоактивные источники энергии внутри Земли: данные о тепловом потоке

Уже несколько столетий известно, что температура внутри Земли возрастает с глубиной (это можно наблюдать во многих глубоких шахтах) и что она растет с глубиной довольно равномерно. Не имея лучших данных, ученые XIX в., например лорд Кельвин, сделали вывод, что Земля просто остывает от первоначального нагретого состояния. Эта точка зрения резко ограничивала геологию как науку, поскольку продолжительность временной шкалы для просто остывающей Земли была совсем небольшой и в рамках этой шкалы невозможно было объяснить все геологические процессы. Она ограничивала жесткими рамками и эволюционное учение Дарвина.

Когда А. Беккерель открыл, что уран испускает “лучи”, которые действуют на фотопластинки даже в полной темноте, а Мария Кюри в 1903 г. открыла радий, наука оказалась на пути, позволившем преодолеть ограничения, налагаемые представлением об остывающей Земле. В 1906 г. Рэлей подсчитал, что современный тепловой поток из недр Земли можно объяснить тем теплом, которое выделяют сами радиоактивные минералы в земной коре.

Кроме того, это тепло, вероятно, генерируется постоянно, так что современные процессы находятся “в состоянии устойчивого равновесия” и не зависят от того, когда “началась” Земля. Эти успехи физической химии оказали большую поддержку дарвиновской теории, позволив экстраполировать “геологическое время” гораздо дальше в прошлое, чем это было возможно прежде. И даже более того, они нашли тот самый источник энергии, который мог подтвердить теории разрастания океанического дна и дрейфа континентов.

Тепло, высвобождавшееся в мантии Земли за счет радиоактивного распада, может вызвать образование магматических струй (“плюмов”), из которых и образуется новая кора в зонах срединно-океанических рифтов. Отсюда следует, что океанские воды над “теплыми” хребтами должны получать больше тепла, чем в любом другом месте. В течение 1960-х годов ученые много раз измеряли тепловой поток, направленный вверх через осадочные слои, покрывающие дно океанов. Согласно полученным результатам, тепловой поток над срединно-океаническими хребтами достигает 5 мккал/(см2 * с) против всего I мккал/(см2 * с) или около того в районах океанического дна, удаленных от хребтов, и, таким образом, эта гипотеза в принципе подтвердилась. Однако теоретически тепловой поток в зонах срединно-океанических хребтов должен быть гораздо выше; проблема этого “дефицита” оставалась нерешенной еще десятилетие, пока ученые, используя подводные аппараты, не открыли “гидротермальные источники” рифтовых зон (см. также гл. 19).

Сейсмические пояса. В середине 1950-х годов, вслед за созданием водородных бомб и проведением испытательных ядерных взрывов, при поддержке правительств разных стран по всему земному шару были размешены многочисленные сейсмические станции, на которых стали проводить непрерывные наблюдения. Одним из самых полезных результатов развития сети сейсмических станций было накопление весьма точных данных о расположении эпицентров землетрясений (исчисляемых тысячами). Зарегистрированные в 1961—1967 гг. по всему миру землетрясения с очагами на глубинах до 100 км показаны на рис. 21.9,а.

Бросается в глаза концентрация эпицентров в кольцевом поясе вокруг Тихоокеанскогобассейна — особенность, которая совпадает со старым описанием Тихого океана как океана “в огненном кольце”.

Не менее важно то, что, как свидетельствует рис. 21.9,в, во всех океанических бассейнах существуют обширные площади, где землетрясения почти или вовсе не происходят. Все землетрясения приурочены к узким зонам, которые точно совпадают с осевыми линиями срединно-океанических хребтов и со связанными с ними зонами разломов. В пределах собственно океанической коры, уже сформировавшейся, вдоль зон разломов происходят лишь относительные перемещения и, следовательно, лишь на короткие расстояния от самого хребта. Отсюда мы делаем вывод, что океаническая кора вдали от области своего возникновения перемешается, как правило, в виде единой плиты. Это важнейший элемент в построении глобальной теории тектоники плит.

Итак, умозаключения Вегенера стали приносить плоды. Он выдвинул предположение, что континенты раздвигаются, и эта его гипотеза наконец завоевала широкое признание. Но он полагал, кроме того, что континенты “продираются” через дно океанов почти так же, как плуг по пашне. Представления о разрастании морского дна положили конец спорам о том, каким образом континенты могут двигаться по литосфере Земли, — движется сама литосфера. В то же время принятие теории разрастания морского дна выдвинуло новую проблему — объяснить исчезновение древней океанической коры. Путь к решению этой проблемы и стал той дорогой, по которой ученые подошли к возникшей в самое последнее время (а некоторые считают, что и заключительной) главе в развитии глобальной геологии — к теории тектоники плит.