Страница 2 из 65
На первых порах связь между временной шкалой и горными породами может показаться не столь уж очевидной. Но картина проясняется, если подумать о том, как возникают осадочные породы, которые прежде всего использовались для определения временной шкалы.
Осадки накапливаются на земной поверхности зерно за зерном, иногда даже атом за атомом, обычно в воде. Осадочный материал является результатом эрозии (то есть размывания и разрушения пород поверхностными водами) и выветривания на суше, после чего составные части пород переносятся водными потоками в озера или моря. Большая часть осадков сначала представляет собой неконсолидированный (рыхлый, незатвердевший) материал наподобие ила или песка, который в результате действия ряда процессов твердеет и превращается в твердую породу. Осадки в процессе своего образования поглощают и сохраняют раковины, скелеты, листья, перья и другие части животных и растений, которые и образуют летопись биологической эволюции. Единичный выход таких пород может представлять собой результат тысяч или даже миллионов лет непрерывных отложений — при этом самые древние пласты всегда располагаются внизу, а самые молодые наверху разреза. Большая часть временной шкалы, приведенной на рис. 1.1, была построена путем сопоставления и обобщения тех частей этой летописи, изученных в самых разных частях света, которые по содержанию ископаемых остатков перекрывают друг друга. Но все же следует признать, что как накопление, так и сохранение ископаемых остатков зависит от капризов природы. Более того, когда понижается уровень моря или поднимаются толщи осадков, начинается эрозия, которая стирает часть геологической летописи. Следовательно, в ней имеется много пробелов. Это обстоятельство было серьезной проблемой для Дарвина, которому пришлось объяснять, почему летопись органических остатков не показывает подробно каждый шаг эволюции. В его знаменитой книге «Происхождение видов» этому вопросу посвящен целый раздел «О неполноте геологической летописи».
Однако, предоставляя нам практически непрерывные страницы исторической летописи, осадочные породы не являются единственным материалом, представляющим интерес для геологов. Изверженные и метаморфические породы также содержат информацию о своем происхождении и истории, хотя и по-другому. В противоположность осадкам, изверженные породы возникают в глубинах Земли в результате плавления и кристаллизуются, приобретая свой нынешний вид, когда расплавленная магма — этим термином геологи обозначают жидкую породу — охлаждается на земной поверхности или вблизи от нее. Знакомые примеры таких пород — розовый гранит, который украшает фасады банков и других зданий, или темноцветный базальт, образующийся из лавы, которая вытекает из вулкана Килауэа на Гавайских островах. Химический состав таких пород содержит ключи к познанию той геологической обстановки, в которой возникли эти породы. Хотя для молодых излившихся пород это и не такая уж потрясающая умы информация, — мы ведь и так знаем, что Килауэа есть один из вулканов посредине Тихого океана, и нам для этого нет необходимости исследовать химический состав его лав, — эта информация является крайне важной для познания древних пород, поскольку она позволяет нам реконструировать физический мир прошлого.
Метаморфические породы совершенно отличны от изверженных. Состоявшие первоначально из осадочного или изверженного материала, они впоследствии значительно изменились — обычно в результате глубокого погружения и нагревания, которые трансформируют их минеральный состав и облик. Само их существование есть признак изменчивости Земли во времени. Метаморфические породы, по которым мы ходим или карабкаемся, особенно над этим не задумываясь, могли возникнуть в далеком прошлом как зерна в выветренных остатках других пород, будучи затем перенесенными в море у берегов древних континентов, где и отложились слой за слоем. Однако метаморфические минералы, которые они сейчас содержат, являются немыми свидетелями другой, не такой пассивной стадии их истории, когда их погребло на глубину, может быть, двадцать или более километров, — и сильно нагрело. Такое часто происходит на разных этапах процесса горообразования, и мы знаем, что такие метаморфические породы существуют и сейчас в недрах Альп или Гималаев. Но каким образом такие минералы попадают на поверхность Земли? Ответ заключается в том, что даже самые величественные горные хребты являются эфемерными образованиями по стандартам геологического времени. Являясь жертвами медленной, но постоянной эрозии и поднятия, они постепенно разрушаются. Наш глубоко погребенный осадок, являющийся сейчас метаморфической породой, в результате действия этого процесса рано или поздно опять оказывается на поверхности. Такие циклы являются естественной частью процесса геологической истории Земли, и хотя они слишком растянуты во времени, чтобы их можно было наблюдать непосредственно, они оставляют свои записи в геологической летописи.
Не так давно даже геологи не могли понять, почему существуют вулканы в Японии, или почему в центре России тянутся Уральские горы. Теория тектоники плит все это изменила. Неожиданно и геология, подобно большинству других научных дисциплин, нашла опору, благодаря которой многие, казалось бы, разрозненные наблюдения получили свое объяснение. С точки зрения этой теории, земная поверхность состоит из ряда больших жестких плит толщиной около 100 километров, которые медленно движутся относительно друг друга.
В некоторых местах эти плиты раскалываются на части и растут в результате поступления из глубин нового материала вдоль расходящихся границ этого раскола. В других местах эти плиты сталкиваются друг с другом, причем обычно одна из них ныряет под другую и погружается в глубины Земли. В третьих местах гигантские плиты просто скользят своими краями друг по другу, размалывая земную кору в этом процессе, как это происходит вдоль разлома Сан-Андреас в Калифорнии. Почти вся геологическая активность сосредоточена вдоль границ плит. Если нанести на карту мира эпицентры всех землетрясений, которые произошли за последнее десятилетие, то места их концентрации четко обрисуют очертания всех тектонических плит. Большая часть вулканической активности Земли также приурочена к границам плит.
Тектоническая карта мира с нанесенными границами плит представляет собой гигантскую мозаику, каждый элемент которой — тектоническая плита, правда, в отличие от обычной мозаики, все составляющие ее кусочки движутся, а их очертания — хоть и медленно, но неуклонно — изменяются. Через пятьдесят миллионов лет на такой карте Лос-Анджелес окажется на острове где-то напротив центральной части Британской Колумбии, а Австралия переползет к островам Индонезии. Нью-Йорк окажется дальше от Лондона, чем сейчас, но ближе к Токио, потому что Атлантический океан расширится за счет Тихого.
Вопреки некоторым распространенным мнениям, тектонические плиты не плавают по поверхности лежащего ниже слоя наподобие льда, плывущего по воде. Напротив, они движутся путем своеобразного пластического течения в своем основании. Внутренность Земли является твердой, но также и горячей, что позволяет ей деформироваться и течь. Такое течение заметно только за длительные промежутки времени, подобно движению ледников. В противоположность лежащим ниже слоям Земли, поверхностные плиты являются холодными и довольно жесткими. Их физические свойства отделяют их от лежащей ниже конвектирующей зоны Земли.
Рис. 1.2. Схематический разрез Земли, показывающий ее слоистое строение. Увеличенный фрагмент внешней оболочки Земли показывает, что континенты и океаническая кора различаются по толщине и что и те и другие представляют собой части литосферы — жесткой внешней кожи Земли, которая образует плиты, изучаемые тектоникой плит.
Конвекция во внутренних частях Земли фактически является главным механизмом, посредством которого Земля теряет тепло. Горные породы, образующие оболочку, называемую мантией (рис. 1.2), настолько плохо проводят тепло, что потребовалось бы много миллиардов лет, чтобы одна только теплопроводность могла перенести тепло из глубин Земли к ее поверхности. Тем не менее процесс конвекции в мантии физически перемещает вещество из глубин к поверхности, а уравновешивающий нисходящий поток перемещает более холодное вещество от поверхности вглубь. Вероятно, что эта конвекционная циркуляция, по крайней мере, частично обусловливает движение поверхностных плит.