Простые уравнения Трубицына

Тигран Оганесян
16 июня 2003, 00:00

Отчего континенты плавают, почему сталкиваются и зачем расходятся - объясняет новая теория русского геофизика

В середине мая 2003 года в солидном британском журнале Nature была опубликована сравнительно небольшая "статья-манифест" профессора Калифорнийского технологического института (Caltech, Пасадена) Дэвида Стивенсона "Миссия к ядру Земли - скромное предложение". Для проведения химических и физических анализов "внутренностей" нашей планеты профессор задумал создать специальный жаропрочный зонд, оснащенный разнообразными сенсорами. Зонд должен проталкиваться в глубины Земли при помощи мощного клина из расплавленного жидкого железа. Экстравагантная идея американского планетолога возбудила как коллег по профессии, так и любителей "научпопа". Разумеется, серьезные аналитики прокомментировали эту публикацию с изрядной долей сарказма: мысль, конечно, интересная, но, во-первых, для ее осуществления необходимо затратить огромные по сегодняшним меркам средства - и финансовые, и технические. Одного только железа потребуется примерно один миллион тонн, а мощность взрыва, чтобы создать глубокую расщелину, в которую предстоит влить железный расплав с инкорпорированным зондом, эквивалентна нескольким мегатоннам тротила, или энергии землетрясения силой в семь баллов по шкале Рихтера. А во-вторых, проект Стивенсона, по сути, пока что выглядит как упражнение в прикладной научной футурологии и требует куда более детального ТЭО.

Между тем в "скромном предложении" есть вполне очевидный научный пафос. объем накопленных человечеством к началу XXI века знаний о Вселенной намного превышает количество достоверной информации о том, что находится у нас под ногами. Любознательные homo sapiens при помощи установленного на космических аппаратах оборудования уже обзавелись картинками границ Солнечной системы. Самые далекие зонды ушли от Земли на расстояние в 40 астрономических единиц, или примерно 6 млрд км, тогда как максимальная глубина физического проникновения приборов внутрь родной планеты в экспериментальной буровой скважине на Кольском полуострове - 12262 м (напомним, что экваториальный радиус Земли составляет 6378 км). И дело даже не в том, что земные ученые все еще не изобрели эффективную методику сверхглубокого бурения. В конце концов, для обнаружения и классификации различных космических объектов, удаленных от нас на несколько миллиардов световых лет, тоже используются косвенные измерительные данные, а не съемки с их непосредственного местоположения. И хотя за последние десятилетия геологи, геофизики и химики много продвинулись в изучении внутреннего строения нашей планеты и глубинных процессов, происходящих в ее литосфере, мантии и коре, все эти новые знания до сих пор не могут преобразоваться во внятную синтетическую теорию Земли. Модель "плавающих континентов", недавно описанная российским ученым-геофизиком Валерием Трубицыным, может претендовать на роль такой теории.

Революция шестидесятых


Объем накопленных к началу XXI века человечеством знаний об окружающей нас Вселенной намного превышает количество достоверной информации о том, что находится у нас под ногами

В начале ХХ века, прежде всего благодаря изобретению сейсмографа, на смену "долгоиграющим" ранним представлениям Канта и Лапласа о Земле как об осколке Солнца, огненном шаре, со временем покрывшемся тонкой твердой корочкой, к человечеству наконец пришло понимание того, что земные недра также состоят из твердого вещества. Приборы, замеряющие волны от многочисленных землетрясений, устойчиво фиксировали оба вида сейсмических волн, проходящих через недра нашей планеты, - продольные и поперечные. А продольные и поперечные волны способны беспрепятственно распространяться только в твердом теле: в жидкой среде поперечные волны затухают. Впрочем, несколько позднее, при помощи более точных измерений, геофизики выяснили, что в Земле есть глубокая внутренняя зона, через которую поперечные волны не проникают, то есть где-то в районе ее ядра все-таки есть жидкость. Про промежуточный слой - мантию - выяснилось, что он твердый и состоит из различных каменистых пород. А вулканы - это места выхода раскаленной магмы (вещества мантии) на поверхность Земли. Но при дальнейшем анализе данных сейсмической томографии обнаружилось, что не все ядро жидкое. Под внешним жидким ядром снова идет твердый участок - внутреннее ядро. Таким образом, ученые наконец пришли к выводу о том, что земное ядро - двусоставное, твердый слой - железо, а жидкий - зона железного расплава.

Новый прорыв в знаниях о Земле наметился лишь в конце 50-х - начале 60-х годов ХХ века. Собрав воедино данные измерения скоростей распространения сейсмических волн и экспериментальные и теоретические результаты, выявившие свойства вещества при высоких давлениях, геофизики построили первые надежные модели распределения плотности, давления и температуры в Земле. Так, температура в мантии оказалась близкой к температуре плавления. И хотя мантийная магма, выплескивающаяся из жерл вулканов, не жидкая, а твердая благодаря тому, что магматические камни в течение многих миллионов лет подвергаются огромному и длительному давлению, они как бы продавливаются (деформируются), то есть медленно текут подобно высоковязкой жидкости. А в любой жидкости, если ее нагревать снизу, начинается круговое тепловое движение, конвекция, то есть возникают вертикально направленные потоки вещества. Стало быть, в мантии есть течения: горячие и легкие потоки, подвергающиеся высокому давлению. Они поднимаются к поверхности и выбрасываются из жерл вулканов. Но вблизи поверхности давление и температура резко падают, и возникающий поверхностный магматический очаг, остывая, постепенно затвердевает.

Происходит это в большинстве случаев посреди океанов. Как показали интенсивные исследования океанического дна, проведенные в 60-х годах американскими глубоководными аппаратами, именно в середине океанов, где должны быть, казалось, наиболее глубокие участки, на самом деле довольно мелко. И не просто мелко, а идет сплошная вулканическая цепочка, переходящая из одного океана в другой, так называемые срединно-океанические хребты.

Океаническое дно - это своего рода гигантский конвейер, по которому происходит медленное перемещение вещества со скоростью от 1 до 10 см в год. Магматическое вещество в виде остывающей утолщающейся литосферы движется горизонтально и примерно через 100 млн лет снова погружается в мантию в зонах субдукции - глубоководных желобах (впадинах), классический пример такой зоны - Марианская впадина.

В конце 60-х годов на основании проведенных комплексных измерений дна океанов и новых представлений о состоянии вещества недр американец Уильям Морган, француз Ксавье Ле Пишон и англичанин Дэн Маккензи сформулировали единую концепцию тектоники океанических литосферных плит, приводимых в движение мантийной конвекцией. Согласно этой концепции, все океаническое дно разбито на отдельные плиты - на восемь больших и около дюжины мелких. (Кстати, всем троим "по совокупности научных достижений" была присуждена премия Киото - специальная награда японского геофизического сообщества, которую считают "нобелевкой" в геофизике.)


В последние несколько лет благодаря новаторским работам Валерия Трубицына на первый план в геофизике стала выдвигаться концепция тектоники континентов, плавающих на конвективной мантии среди океанических плит

Почти сорок лет эта теория имела статус доминирующей в комплексе наук о Земле. Она смогла объяснить многие процессы, наблюдаемые на земной поверхности. Например, с ее помощью удалось установить, что землетрясения происходят именно на стыках тектонических плит. Все плиты сцеплены друг с другом, и когда при сухом трении накапливается критическое напряжение, в точках их соприкосновения происходят "проскоки" (скачки), а это и есть землетрясение.

Но методики анализа строения и состава Земли развивались, и геофизики столкнулись с целым рядом очевидных нестыковок - теоретический базис не давал объяснения регистрируемым новым данным. Прежде всего в рамках концепции тектоники литосферных плит не возможно было ответить на вопрос - почему в процессе эволюции Земли постоянно происходит схождение и расхождение континентов.

Мобильные континенты

Первым, кто догадался, что континенты движутся, был немецкий метеоролог Альфред Вегенер. В начале ХХ века он внимательно сравнил очертания береговых линий Африки и Южной Америки и обнаружил, что они очень хорошо стыкуются друг с другом. Вегенер отстаивал идею, что в прошлом существовал единый суперконтинент Пангея. Она раскололась, и образовавшиеся континенты дрейфовали в разные стороны. Однако научное сообщество гипотезу Вегенера, в наиболее полном виде сформулированную в 1912 году в работе "Происхождение океанов и континентов", долгое время воспринимало лишь как красивую фантазию. Коллеги не могли поверить, что процесс расхождения континентов возможен в принципе. К тому же Вегенер не мог сколько-нибудь внятно объяснить, за счет каких физических процессов эти чудеса происходят.

Концепция континентального дрейфа Вегенера перестала быть маргинальной лишь после того, как в 60-х годах прошлого века в результате серии палеомагнитных наблюдений ученые обнаружили расхождения в ориентации магнитных полюсов горных пород Северной Америки и Европы. Этот эффект можно было объяснить лишь тем, что в прошлом эти континенты перемещались друг относительно друга. Подоспевшие примерно к тому же времени новые данные о наличии в мантии Земли тепловой конвекции позволили геофизикам сделать вывод, что именно она "в ответе" за дрейф континентов. Но, признав правоту Вегенера, теоретики продолжали считать, что континенты - лишь легкие включения в литосферные плиты, пассивно дрейфующие вместе с ними. Ведь, если посмотреть на контуры современных тектонических плит, сразу бросается в глаза, что все континенты лежат внутри них, они как бы вморожены в океаническую литосферу, а следовательно, не могут оказывать никакого самостоятельного воздействия на плиточное движение.

И лишь в середине 90-х годов пренебрежительное отношение научного сообщества к роли континентов в геодинамических процессах наконец удалось серьезно поколебать. Это произошло благодаря новаторским работам российского ученого-геофизика Валерия Трубицына, разработавшего вместе с математиком Виталием Рыковым теоретическую численную модель взаимодействия мантийных потоков и континентов. Модель эта включила и глобальную геодинамику плавающих континентов и учла их механическое и тепловое взаимодействие с мантией. Таким образом, на смену старой парадигме, отводившей главную роль в геофизических процессах взаимодействию мантийных потоков и литосферных плит, постепенно стала выдвигаться новая концепция тектоники континентов, плавающих на конвективной мантии среди океанических плит. Именно ей, скорее всего, предстоит в обозримом будущем стать тем цементирующим ядром, которое позволит лучшим геофизическим умам планеты построить универсальную синтетическую теорию Земли.

Шатуны и клапаны

По-будничному рассказывает о своих первых шагах в этом направлении сам автор модели, член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией теоретической гидродинамики Института физики Земли Валерий Трубицын: "Меня долгое время смущала столь странная пассивность континентов с точки зрения традиционной теории геофизики. И в какой-то момент мне захотелось просчитать, а вдруг какой-нибудь, хотя бы небольшой, континентальный эффект все-таки есть? Для этого надо было написать уравнения, описывающие все силы, действующие на плавающие континенты. И решая эти уравнения на компьютере, я обнаружил, что при их помощи можно отлично объяснить все, происходившее и происходящее на Земле, - выявить механизмы, 'сводящие и разводящие' континенты. Например, я установил, что за последние три с половиной миллиарда лет слияние континентов в один мегаконтинент происходило четыре раза, или в среднем примерно один раз в восемьсот миллионов лет, хотя периоды этих циклов были разными - от пятисот миллионов до одного миллиарда лет.

Вообще же, как следует из новейших геофизических анализов, континенты оказались 'вмороженными' в литосферные плиты сравнительно недавно. Из-за постоянной циркуляции в мантии плиты примерно каждые сто миллионов лет сдвигаются и раздвигаются. Если считать, что вся история Земли насчитывает около пяти миллиардов лет, то получается, что за этот срок уже произошло около пятидесяти существенных трансформаций плит. По большому счету, из этого следует, что не континенты привязаны к плитам, а наоборот, плиты - временный довесок к континентам".

Главное же, по мнению Трубицына, заключается в том, что глобальные процессы в Земле являются не результатом хаотической конвекции (как до сих пор полагалось в концепции тектоники литосферных плит), а носят закономерный и предсказуемый характер. Они могут быть описаны уравнениями переноса энергии, массы, импульса и момента импульса.

Как полагает профессор Трубицын, континенты вполне можно сравнить с ледоколами, плавающими в изменяющемся ледяном поле. Лед, временно примерзающий к континентам с боков, соответствует океанической литосфере на окраинах континентов. Лед, надолго примерзающий снизу, соответствует континентальной литосфере. Но в отличие ото льда (более легкого, чем вода) тяжелая океаническая литосфера на активных окраинах континентов не остается на поверхности, а погружается под континенты. (У континентов есть активные окраины - там, где океаническая кора погружается под континентальную, и пассивные - там, где подобных движений не происходит. Например, побережье Атлантического океана представляет собой пассивную окраину, как со стороны Европы, Африки, так и со стороны Америки, а побережье Тихого океана - активное. - "Эксперт".)

Из мантии Земли наверх идут постоянные тепловые потоки. Но на поверхность они выходят неравномерно - через более толстую континентальную литосферу поток в три раза меньше, чем через более тонкую океаническую. Если же сравнивать Землю с гигантской тепловой машиной, то тогда мантия подобна котлу, океанические плиты - подвижным шатунам, а теплоэкранирующие континенты играют роль плавающих клапанов, перераспределяющих тепловой поток в мантии и управляющих геологической историей Земли. Ибо, как резонно замечает Валерий Трубицын, "без регулирующих клапанов тепловая машина даже с кипящим котлом не может направленно двигаться".

"Для того чтобы в паровой машине все время крутилось колесо, нужно постоянно подавать тепло то с одной стороны, то с другой. И континенты как раз и играют роль автоматических искусственных регуляторов, они - крышки, перекрывающие выход тепла. Возникающие горячие восходящие потоки из мантии периодически как бы приподнимают эти 'крышки', подталкивают их, они передвигаются в другое место, где вновь надолго 'садятся' на холодные нисходящие потоки. 'Посидит' континент двести миллионов лет на этом новом месте, снова нагреется, и происходит новое перемещение континента. Благодаря этой циклической самоорганизации наша Земля и живет".

В течение одного такого усредненного цикла континенты примерно 200 млн лет сходятся, затем еще 200 млн "стоят на месте" и последние 200-300 млн лет разбегаются. Причина же того, что температура под континентами ниже, чем в субокеанических зонах, заключается в том, что примерно четыре пятых времени своего цикла континенты находятся на нисходящих (холодных) потоках, то есть все время как бы затягиваются в "холодный водоворот". И в настоящее время под пятью существующими континентами сейчас холодно. Африка же "молодая и горячая" - она еще не успела уйти со своего восходящего потока.

Конвекция и динозавры


Если сравнить Землю с гигантской тепловой машиной, то тогда мантия подобна котлу, океанические плиты - подвижным шатунам, а континенты - это плавающие клапаны, перераспределяющие тепловой поток в мантии и управляющие геологической историей планеты

Валерий Трубицын убежден, что разработанная им численная модель взаимодействия мантийных потоков и континентов способна дать ответ практически на все те трудные вопросы, над разрешением которых долгое время безуспешно билась теория тектоники литосферных плит.

- Почему все суперконтиненты рано или поздно разрывались?

- Численное моделирование показывает, что давление на дне мантии под суперконтинентом понижается и восходящие горячие мантийные потоки, возникающие на дне мантии, устремляются в зону пониженного давления. Они начинают двигаться под суперконтинент. В результате возникает гигантская система восходящих мантийных потоков, разрывающая суперконтинент.

- Как могли возникнуть в современной мантии два гигантских горячих потока, под Тихим океаном и под Африкой, видимые по сейсмической томографии?

- Время жизни таких потоков составляет сотни миллионов или даже миллиард лет. Африканская система горячих мантийных струй (плюмов) могла возникнуть как остаток гигантского восходящего потока, разорвавшего двести миллионов лет назад Пангею. Так как Африка долгое время была малоподвижной, то она дополнительно подтянула под себя горячие восходящие плюмы. В свою очередь Тихоокеанская горячая аномалия может быть остатком плюма, разорвавшего Родинию (предшествующий Пангее суперконтинент, предположительно существовавший на месте нынешнего Тихого океана около миллиарда лет назад. - "Эксперт").

- Какова эволюционная последовательность образования нынешних континентов?

- Двести миллионов лет назад была Пангея, сто семьдесят миллионов лет назад от нее откололась Северная Америка, сто пятнадцать миллионов лет прошло с момента отделения Южной Америки, далее оторвались Индия и Австралия (последняя "пошла" в Тихий океан). Позднее всех пришел черед Африки, которая примерно сорок миллионов лет назад столкнулась с Евразией, и по линии их соприкосновения возникла длинная горная гряда - от Пиренеев до Карпат и Кавказа. А когда Индия врезалась в Евразию, совсем недавно - буквально пять миллионов лет назад, стали расти Гималаи.

- Как образовались моря у восточной границы Евразии?

- Результаты численного решения уравнений конвекции с плавающими континентами позволяют объяснить механизм образования краевых морей и наклонного погружения океанической литосферы под надвигающийся континент. Большой континент типа Евразии движется к зоне субдукции со скоростью, меньшей скорости мантийных течений. В результате на его активной окраине возникает зона растяжения, океаническая литосфера в этом месте утончается и возникает пик теплового потока. От континента отщепляется небольшая часть коры и литосферы, которая быстро продвигается и останавливается на нисходящем мантийном потоке. Далее к этой первичной островной дуге добавляются вулканические породы, и возникают острова типа Японии и Тайваня.

- Какова дальнейшая судьба Японских островов?

- Пресловутая проблема спорных территорий (Курильской гряды) в отдаленном будущем может разрешиться сама собой, так как Евразия постепенно сближается с отколовшимися от нее ранее кусочками и, соответственно, уменьшается объем "буферного" Японского моря. Неминуемый итог данного процесса - полное исчезновение этого моря и слияние Евразии с островами, по моим расчетам - уже через двадцать миллионов лет. Впрочем, как мне сказали, это уже не геофизика, а чистой воды геополитика!

- Как колебания среднего уровня моря в различные геологические эпохи связаны с биологической эволюцией?

- Наша модель показывает, когда под суперконтинентом возникает система горячих восходящих мантийных потоков, то поверхность суши оказывается поднятой примерно на полкилометра, а уровень моря, соответственно, пониженным. Время формирования таких потоков соответствует одному обороту конвективных течений - триста миллионов лет, что примерно совпадает с длительностью палеозоя и мезозоя.

Нынешние формы жизни на Земле возникли примерно полмиллиарда лет назад. А до этого были только бактерии и тому подобные простейшие микроорганизмы. То есть, когда на нашей планете началась биологическая революция, был очень сухой климат. Все было как бы подготовлено, но без воды процесс бы не пошел. И вдруг произошел резкий подъем уровня Мирового океана (на те самые полкилометра), континенты же возвышались над уровнем моря в среднем всего на восемьсот метров, то есть больше половины тогдашней суши было залито водой. И возникла новая жизнь, которая была по большей части подводной, - эра палеозоя, когда преобладали всякие черви и моллюски.

Затем континенты вновь собрались вместе в Пангею, поднялись вверх, море снова отступило, и началась эра мезозоя. И основным отрядом этого периода стали уже земноводные. Сто миллионов лет назад море опять стало подниматься, и несчастные тяжелые динозавры, обитавшие в основном в болотистых районах, просто не смогли спастись от этого затопления и по большей части утонули.

Вот говорят, что причина гибели динозавров - падение в Мексике шестьдесят пять миллионов лет назад большого метеорита. Но на самом деле он не убил динозавров, а просто добил тех немногих, которые еще оставались после драматического подъема уровня Мирового океана. Я не отвергаю роль метеорита, но считаю, что на его совести лишь около десяти процентов от вымерших в тот период времени видов!

Горизонт достоверности

Справедливости ради стоит отметить, что при всей универсальности новой модели Валерия Трубицына даже она не в состоянии выдавать стопроцентно точный результат как при движении во времени назад, так и вперед. Так, горизонт сравнительно достоверных оценок прошлого пока упирается примерно в один миллиард лет до нашей эры. И если, например, еще лет десять назад большинство геофизиков было уверено в существовании двух древнейших (до Родинии и Пангеи) суперконтинентов, то сегодня их убежденности порядочно поубавилось. Нет полной уверенности даже и в существовании Родинии, хотя этот сценарий все-таки выглядит очень правдоподобным. Что же касается будущего Земли, прогностическая сила геофизиков пока и того меньше: как отмечает российский ученый, "вперед мы можем сравнительно точно проследить геодинамику только на сто миллионов лет, ибо затем произойдет 'полная смена плиточных декораций' и последствия этого преображения оценить довольно трудно".

Впрочем, кое-какие версии, безусловно, у геофизиков уже есть. По одной из них, через какое-то время Тихий океан может полностью "закрыться". Правда, профессор Трубицын в этом сильно сомневается. По его мнению, соединение обеих Америк, Евразии и Австралии - процесс далеко не очевидный. Хотя его последние модели показывают принципиальную возможность того, что континенты примерно через 800 млн лет могут собраться вместе где-то в районе нынешней Южной Америки.

В общем, при всех радужных перспективах, вырисовывающихся для современной геофизики благодаря прорывным работам последних лет, о том, что универсальная теория Земли будет построена в скором времени, речь по-прежнему не идет. И чем черт не шутит, безумный проект Дэвида Стивенсона может из невинной шутки превратиться во вполне реальную затею, которая положит конец научным пикировкам представителей различных наук, отстаивающих свои плохо верифицируемые теории.

В подготовке материала принимал участие Максим Борисов