1.5 Теория расширяющейся Земли

Наверное, вряд ли вообще кто задумался бы о том, что планета, на которой мы живём, может менять свои размеры. Если бы не факты, которые буквально бросаются в глаза…

Всё началось с простейшего геометрического сходства очертаний восточного побережья Южной Америки и западного побережья Африки – они так и просятся «вложиться друг в друга». Дальнейшие многочисленные геологические и палеонтологические исследования подтвердили, что ранее два континента составляли единое целое, а затем – вследствие неких причин – разошлись в разные стороны.

Естественным логическим следствием было предположение, что аналогичный процесс мог иметь место и с другими материками. Опять же многочисленные исследования достаточно уверенно это подтвердили. И теперь уже практически никто не сомневается, что в некоем далеком прошлом все известные материки нашей планеты составляли единое целое.

Но это требовало объяснения, и в итоге появились две принципиально разные теории. Теория дрейфа материков и теория расширяющейся Земли (есть ещё её модификация – теория пульсирующей планеты, но мы на ней останавливаться не будем). Теория дрейфа материков исходила из постоянства размеров Земли и самостоятельного движения материков по её поверхности. Теория расширения – из прямо противоположного – практически неподвижные материки разошлись в разные стороны вследствие увеличения размеров планеты.

Довольно продолжительное время обе теории занимались сугубо умозрительными спорами. Вегенер, сформулировавший теорию дрейфа материков, не дал никаких объяснений причин этого дрейфа. Но и у теории расширения не было объяснения причин весьма существенного изменения размеров планеты. Обе теории находились в равных условиях и выбор между ними определялся лишь субъективными предпочтениями исследователей.

Так бы они и оставались ещё в состоянии сугубо гипотетических споров, если бы не известный геолог Артур Холмс, который высказал идею о том, что движение материков (впрочем, и не только материков, но и других участков земной коры в виде тектонических плит) происходит по поверхности планеты вследствие воздействия на них конвективных потоков – восходящих горячих и нисходящих холодных.

«В своём широко известном и авторитетном учебнике «Начала физической геологии», впервые опубликованном в 1944 году, Холмс изложил теорию дрейфа континентов, основные положения которой признаны и сегодня. Для того времени она была довольно радикальной и широко критиковалась, особенно в Соединённых Штатах, где противодействие теории дрейфа продолжалось дольше, чем где-либо. Там один обозреватель не на шутку беспокоился, что Холмс изложил свои доводы настолько ясно и убедительно, что студенты действительно могут ему поверить.

Правда, в других странах новая теория получила устойчивую, хотя и осторожную поддержку. В 1950 году голосование на ежегодном собрании Британской ассоциации содействия развитию науки показало, что около половины присутствовавших к тому времени стали сторонниками идеи дрейфа континентов. (Вскоре после этого Хэпгуд ссылался на эту цифру как на свидетельство прискорбных заблуждений британских геологов.) Любопытно, что сам Холмс порой колебался в своих убеждениях. В 1953 году он признавался: «Мне так и не удалось избавиться от мучительного предубеждения против идеи дрейфа континентов. Можно сказать, я всем своим геологическим нутром чувствую, что гипотеза эта нереальна»» (Б.Брайсон, «Краткая история почти всего на свете»).

Если текст, приведённый ниже до конца настоящего раздела, покажется сложным для восприятия, то его можно пропустить. Он предназначен для тех, кому интересны более углубленные сведения о теориях дрейфа материков и расширяющейся Земли.

Однако с обнаружением Срединно-Атлантического разлома, а затем и аналогичных разломов в других океанах с горячими восходящими мантийными потоками, гипотеза Холмса получила широкое признание. Тем более, что даже сугубо психологически было проще принять положение о постоянстве размеров планеты, чем их изменение…

Правда, в ходе исследования океанического дна вслед за открытием разломов обнаружилась пара «досадных» фактов. Во-первых, была выявлена принципиальная разница по составу между материковыми (преимущественно гранитными) и океаническими (исключительно базальтовыми) плитами. А во-вторых, оказалось, что если материковые плиты имеют возраст, исчисляемый миллиардами лет (по принятой геохронологической шкале), то океанические существенно моложе – нигде их возраст не превышает всего пары сотен с половиной миллионов лет. Разница кардинальная – на целый порядок!

Обойти эти (и другие) сложности помогла гипотеза субдукции («подныривания» тяжёлых океанических плит под более лёгкие материковые). В итоге сложилась следующая картина, которую я представлю в упрощённом варианте.

На срединно-океанических разломах из-за восходящих горячих мантийных потоков близлежащие участки океанических плит раздвигаются в разные стороны, попутно сдвигая и более отдалённые участки. При этом в месте раздвига из поднявшейся к поверхности мантийной массы образуется новая океаническая кора. Конвективный поток, расходясь в стороны под корой, сдвигает в направлении своего движения и океанические плиты. Дойдя до границы материковой плиты и успев к этому времени уже изрядно остыть, конвективный поток становится нисходящим холодным и опускается вглубь мантии. Океаническая плита, будучи более плотной и, соответственно, более тяжёлой, нежели материковая, «подныривает» под материк и, увлекаемая всё тем же конвективным потоком, устремляется вглубь мантии на переплавку. Это «объясняет» и отсутствие океанических плит старше 250 млн. лет – такие участки коры уже якобы переплавились. Совокупность же всех этих передвижений и «толканий» плит отвечает и за смещение материков друг относительно друга.

Вот примерно в таком виде теория дрейфа материков, преобразовавшись с течением времени уже в теорию тектоники плит, дошла до наших дней. Попутно эта теория стала доминирующей и «общепринятой», поскольку альтернативная ей теория расширения ещё долго топталась на месте, будучи лишённой вразумительного механизма самого процесса изменения размеров планеты. Вдобавок, против теории расширения срабатывало и то, что в рамках гипотезы железо-никелевого ядра Земли, которая также была доминирующей в это время, для соединения материков в единое целое в далеком прошлом на планете заметно меньшего размера требовались буквально «запредельные» значения давления в таком ядре.

Вроде всё ясно – одна теория стоит на месте, а другая двигается вперёд семимильными шагами. Нормальный процесс развития науки. Победителей, как известно, не судят…

Или всё-таки судят?..

Прежде всего, «палочка-выручалочка» теории тектоники плит – гипотеза субдукции – так и остаётся до сих пор на уровне абсолютно недоказанной гипотезы.

Её сторонники нередко утверждают, что субдукция якобы подтверждается составом пород, которые извергаются вулканами на поверхность в районах, где океаническая плита «сталкивается» с материковой, и где из-за этого наблюдается повышенная тектоническая и вулканическая активность. При этом прежде всего имеется в виду Тихоокеанское побережье Дальнего Востока. Однако, во-первых, вариантов объяснения состава извергаемых тут пород – масса. Субдукция – лишь один из таких возможных вариантов. А во-вторых, абсолютно никаких подобных извержений мы не наблюдаем, скажем, вдоль подавляющей части африканского побережья. Здесь вообще нет вулканов, которые можно было бы связать с процессом субдукции, хотя она – по всем теоретическим выкладкам – просто обязана иметь место не только со стороны Атлантики, но и со стороны Индийского океана.

Другой наиболее серьёзный аргумент сторонников гипотезы субдукции – сейсмопрофиль в районе западного побережья Южной Америки, который якобы непосредственно выявляет под материком погружающийся в мантию край тихоокеанской плиты.

Однако результаты сейсмозондирования – штука тонкая. Их ещё надо адекватно и корректно проинтерпретировать. Ведь что такое сейсмозондирование по своей сути?.. Это – измерение времени прохождения тех или иных сейсмоволн между разными точками. По этому времени можно определить скорость прохождения сейсмоволн, которая непосредственно связана со свойствами проходимой ими среды – прежде всего с плотностью этой среды. То есть в конечном итоге экспериментально измеряется плотность пород в глубине. И всё!.. На этом вся эмпирика практически заканчивается. Всё дальнейшее строится сугубо на дополнительных гипотезах и предположениях!.. А они вполне могут быть ошибочными.

Это, скажем, замечательно продемонстрировала Кольская сверхглубокая, которая опровергла данные предварительного сейсмозондирования, обещавшего на некоторой глубине переход от гранитов к базальтам (т.е. как раз по основным породам, характеризующим отличие океанических плит от материковых).

«…геологический прогноз разреза скважины не оправдался. Картина, которая ожидалась на протяжении первых 5 км, в скважине растянулась на 7 км, а дальше появились совсем неожиданные породы. Прогнозируемых на глубине 7 км базальтов не нашли, даже когда опустились до 12 км.

Ожидали, что граница, дающая наибольшее отражение при сейсмическом зондировании, – это тот уровень, где граниты переходят в более прочный базальтовый слой. В действительности же оказалось, что там расположены менее прочные и менее плотные трещиноватые породы – архейские гнейсы. Такого никак не предполагали. И это принципиально новая геолого-геофизическая информация, которая позволяет по-другому интерпретировать данные глубинных геофизических исследований» (А.Осадчий, «Кольская сверхглубокая»).

Что показывает сейсмопрофиль под Южной Америкой?.. Он показывает «язык» повышенной плотности, уходящий вглубь мантии.

И что?.. Разве хоть что-то указывает, что это – именно край океанической плиты, а не просто тот самый нисходящий холодный конвективный поток, который якобы и двигает океаническую плиту?.. Ведь более холодный – значит, более плотный. А мы и фиксируем область увеличения плотности!..

Более того. В случае наличия субдукции «язык» повышенной плотности, уходящий вглубь, должен быть «двуслойным», т.е. должен иметь две параллельные друг другу области, разделяемые заметным скачком по плотности. Ведь плотность твёрдой океанической плиты заведомо должна отличаться от плотности нисходящего конвективного потока, который эту плиту и увлекает якобы вниз. Однако ни на одной прорисовке сейсмопрофиля в данном районе абсолютно никакой «двуслойности» не фиксируется – никакого скачка плотности нет!.. Но тогда возникает закономерный вопрос: если нисходящий «язык» – это край океанической плиты, то куда делся конвективный поток?.. А если «язык» – это конвективный поток, то где же край океанической плиты?.. Так что данные сейсмозондирования на самом деле вовсе не подтверждают, а опровергают теорию субдукции!..

Но если субдукции нет, то куда пропала вся океаническая кора старше 250 миллионов лет?..

И если планета не меняет своего размера, то «куда» нарождается новая кора в районе срединно-океанических разломов?.. А ведь этот процесс совершенно отчётливо прослеживается на картах, составленных в ходе исследования дна Мирового океана и показывающих возраст океанических плит (разный цвет для областей разного возраста – см. Рис. 14). Процесс шёл и продолжает идти!.. Куда же «помещать» всё новую и новую кору на планете неизменного размера?..

Рис. 14. Карта возраста океанических плит Атлантического океана

Ещё более серьёзные проблемы у теории тектоники плит выявились в конце ХХ века, когда были проведены широкомасштабные исследования мантийных горячих восходящих потоков.

Так, согласно теории, вследствие действия Срединно-Атлантического восходящего потока (который действительно был обнаружен) Южная Америка и Африка, ранее составлявшее единое целое постепенно удаляются друг от друга, а ширина Атлантического океана, расположенного между ними, растёт. Это – классический пример, которым обычно и иллюстрируют теорию тектоники плит, считая его одним из подтверждений этой теории. Но если присмотреться к деталям, то окажется, что этот самый классический пример на самом деле вовсе не подтверждает, а опровергает версию тектоники плит!..

Дело в том, что, согласно новейшим исследованиям конца ХХ века, Срединно-Атлантический восходящий поток очень слабый. С другой же стороны Южной Америки – к западу от этого материка – располагается мощнейший Южно-Тихоокеанский горячий восходящий поток, так называемый «плюм» (Рис. 15).

Рис. 15. Восходящие потоки возле Южной Америки

Представляется достаточно очевидным, с позиций элементарных законов физики, что чем мощнее восходящий поток – тем сильнее он должен сдвигать плиты коры. В соответствии с этим, и согласно законам Ньютона, Южная Америка должна сдвигаться не с востока на запад (как это представляется в рамках теории тектоники плит), а в прямо противоположном направлении – с запада на восток! Если же учесть, что Африка не меняет своего положения в направлении восток-запад, то получается, что Атлантический океан должен не увеличиваться в размерах, а уменьшаться! В итоге возникает вполне явный «парадокс», который в действительности указывает лишь на то, что теория тектоники плит противоречит либо законам Ньютона, либо законам геометрии.

Любопытно, что ни один из сторонников этой теории, с которым мне доводилось общаться, до сих пор не смог придумать никакого объяснения этого «парадокса» – а по сути, факта, опровергающего теорию тектоники плит в корне. И подобных «парадоксов» при анализе расположения разломов плит и конвективных потоков можно легко найти с десяток-другой. Факты прямо противоречат теории, а следовательно… надо менять теорию!

А главное – её уже есть на что менять!..

Дело в том, что пока теория тектоники плит праздновала свою «победу», а параллельно и набирала «минусы» в ходе новейших исследований недр, теория расширения Земли решила две свои главные проблемы – был найден вариант такого механизма расширения, который снимает параллельно и все вопросы по «запредельным» давлениям в ядре.

Примерно три десятка лет назад советский ученый (ныне доктор геологических наук) В.Ларин выдвинул гипотезу, согласно которой ядро Земли состоит вовсе не из железа и никеля (как было принято думать), а из гидридов – соединений этих металлов с водородом. Эта гипотеза вытекала в качестве логического следствия из довольно простого соображения, которое в упрощённом варианте можно представить следующим образом.

В процессе формирования планет Солнечной системы водород, который, как известно, составляет 99% вещества Вселенной, вовсе не улетучился неизвестно куда. Вместо этого, будучи весьма химически активным элементом, водород вступал в различные реакции – в том числе с железом и никелем, образуя так называемые гидриды. Именно эти гидриды, а вовсе не «чистые» железо и никель сформировали в итоге ядро нашей планеты.

Гидриды же обладают весьма любопытными свойствами.

Прежде всего, соединения металлов с водородом обладают существенно меньшим объёмом, чем исходные металлы (в очень упрощённом представлении: внешние электроны металла – железа и никеля – переходят при реакции к водороду, который при этом не меняет своих размеров, а вот ионы металла оказываются почти в два раза меньше по радиусу, чем нейтральные атомы). Это автоматически снимает все проблемы по давлению, так как при сжатии недр в ходе формирования планеты «запредельных» его значений не возникает из-за того, что внутри оказываются не чистые металлы, а их значительно меньшие по размерам ионы (в составе гидридов).

В дальнейшем более точные и сложные исследования позволили перевести эти изначально теоретические соображения в полновесную теорию, косвенно подтверждаемую и эмпирическими данными.

«Сейсмологические изменения указывают на то, что и внутреннее (твёрдое), и внешнее (жидкое) ядра Земли характеризуются меньшей плотностью, по сравнению со значением, получаемым на основе модели ядра, состоящим только из металлического железа при тех же физико-химических параметрах…

Присутствие водорода в ядре долгое время вызывало дискуссию из-за его низкой растворимости в железе при атмосферном давлении. Однако недавние эксперименты [Badding J.V., Mao H.K., Hemley R.J., High-Pressure crystal structure and equation of state of iron hydride: implications for the Earth’s core // High-Pressure Research: Application to Earth and Planetary Sciences / (Syono H., Manghnan M.H. – eds.) TERRAPUB, Tokyo – Am. Geophys. Union. Washington D.C. 1992. P363-371] позволили установить, что гидрид железа FeH может сформироваться при высоких температурах и давлениях и, погружаясь вглубь, оказывается устойчив при давлениях, превышающих 62 ГПа, что соответствует глубинам ~1600 км. В этой связи присутствие значительных количеств (до 40 мол. %) водорода в ядре вполне допустимо и снижает его плотность до значений, согласующихся с данными сейсмологии» (Ю.М.Пущаровский, «Тектоника и геодинамика мантии Земли»).

Но самое главное заключается в том, что при определённых условиях – например, при уменьшении давления или при нагревании – гидриды способны распадаться на составляющие. Ионы металлов переходят в атомарное состояние со всеми вытекающими отсюда последствиями. Происходит процесс, при котором объём вещества существенно увеличивается без изменения массы, то есть без какого-либо нарушения закона сохранения материи. А это уже объясняет механизм самого увеличения размеров планеты!..

Все основные проблемы теории расширения снимаются!..

Остаются только «технические мелочи».

Например, абсолютно не ясно, насколько именно увеличилась наша планета за всё время своего существования, и с какой именно скоростью происходило её расширение. Разные исследователи давали оценки, которые сильно расходились друг с другом. Более того, все они исходили из того, что процесс идёт с самого начала образования Земли более-менее равномерно (автор гидридной теории В.Ларин также придерживался этой гипотезы). А это приводит к столь малым скоростям расширения, что современными приборами зафиксировать его практически невозможно. И проверка справедливости теории кажется делом лишь отдалённого будущего…

Однако если учесть кардинальное отличие океанических плит от материковых (как по составу, так и по возрасту), то напрашивается совсем иная гипотеза – активный распад гидридов в ядре (следовательно и интенсивное расширение планеты) происходил вовсе не с самого начала формирования Земли, а только с некоторого более позднего момента в её истории. И если не было никакой субдукции (в которой теперь вообще нет никакой необходимости), то этот момент определяется возрастом самых древних участков океанических плит – т.е. примерно 250 млн. лет назад (по принятой ныне шкале).

По сути, это предположение равнозначно другой гипотезе: материковые плиты являются ничем иным как бывшей корой старой – «маленькой» Земли, Земли до её расширения.

И это предположение довольно легко проверяется, например, с помощью программы 3DMAX, позволяющей работать с объёмными объектами. Если «убрать» все участки океанической коры, то материковые плиты вполне удаётся совместить на «шарике» меньших размеров так, что они практически идеально покрывают поверхность этого «шарика» (Рис. 16). При этом без сколь-нибудь существенного «вреда» для результата оказываются допустимы вариации процентов на 10-15 около некоего значения для радиуса «малой Земли».

Рис. 16. Реконструкция расположения материковых плит на "малой" Земле

В качестве же определения этого «некоего значения» был использован абсолютно непривычный для современных научных исследований приём – взято значение, упоминаемое в древних легендах, из которого следует, что площадь поверхности современной Земли относится к площади её поверхности до расширения как 7/3.

Проверка на соответствие с геологическими, палеоклиматическими и палеомагнитными данными дала великолепный результат. Это соответствие оказалось даже существенно выше, чем для теории дрейфа материков по поверхности планеты постоянного размера.

Более того, в ходе этой проверки выяснилось, что такое явление как «дрейф географических полюсов» вполне можно заменить более понятным процессом – медленным вращением (со скоростью один оборот примерно за 720 миллионов лет – в рамках принятой шкалы) оси нашей планеты в пространстве (вокруг оси, практически перпендикулярной оси суточного вращения Земли). Модель оказалась даже гораздо проще, чем ожидалось…

Гипотезу расширения Земли оказалось возможным проверить и другим способом – с помощью карт, составленных в ходе упоминавшейся ранее геологической программы по исследованию возраста различных участков океанической земной коры.

Если считать, что в конкретный период времени образование соответствующего участка океанической коры происходило именно за счёт расширения Земли – ведь дырок на её поверхности оставаться не должно – то (при отказе от субдукции) можно получить детальную картину процесса увеличения размеров нашей планеты.

Рис. 17. Изменение размеров Земли

Получается достаточно плавная кривая, очень хорошо описываемая экспоненциальной зависимостью (Рис. 17). Для таких процессов можно легко определить момент их начала (по дифференциальной зависимости, где получается обычная прямая). Проведение необходимой процедуры дало время начала процесса – 245 миллионов лет назад (по принятой шкале), что совпадает с так называемым пермско-триасовым побоищем, когда практически в одночасье погибло почти девять десятых всего живого на планете. Это позволяет выдвинуть в качестве причины данного события как раз начало процессов по расширению Земли, которое помимо сильнейших тектонических и вулканических процессов сопровождалось и выходом из недр газов, губительных для живых организмов – метана, сероводорода и пр.

Более подробно со всем этим можно ознакомиться в статье А.Склярова «Ждёт ли Землю судьба Фаэтона?..». Здесь же затронем лишь ещё один важный момент, связанный с тем, что же запустило процесс расширения планеты в некий момент времени.

Дело в том, что в мантии есть слой, называемый астеносферой, которая отличается повышенной температурой. Геологи полагают, что в этом слое происходят физико-химические процессы, которые сопровождаются выделением тепла и приводят к изменению фазового состояния вещества (поэтому астеносферу ещё иногда называют «зоной плавки»). Это приводит также и к тому, что вещество мантии под астеносферой нагревается, и в нём запускаются эти самые процессы «плавки». В результате астеносфера постепенно опускается вниз.

Если предположить, что современная астеносфера является уже «вторичной», а до неё существовала некая «первичная» астеносфера, которая в процессе своего продвижения вглубь успела в некий момент времени достичь гидридного ядра планеты, то именно это и создало условия для резкой активизации распада гидридов и расширения планеты, ведь гидриды при повышении температуры разлагаются – ионы железа и никеля переходят в нейтральное состояние, увеличиваясь при этом в объёме, а водород устремляется вверх, вступая по дороге в активное взаимодействие с веществом мантии и осуществляя фактически «водородную продувку» недр планеты. Этот же водород – вместе с другими лёгкими веществами, которые образуются в ходе «водородной продувки» – и порождает горячие восходящие конвективные потоки в мантии, что вызывает в итоге значительное усиление тектонических и вулканических процессов…