Вместе с тем огромное количество базальтовой коры Земли образуется без участия наземных вулканов – вдоль длинных поясов подводных горных хребтов, называемых срединно‑океаническими. Они опоясывают Землю, как швы на бейсбольном мяче. Правда, швы это никудышные, именно в этих местах дно разрывается, и из мантии поднимаются потоки базальтовой лавы, застывая и формируя новые участки океанической коры. Этот процесс называется растеканием (спредингом) морского дна, и его открытие привело к появлению революционной теории тектоники литосферных плит.

Растекание морского дна предсказал геофизик Гарри Хесс в начале 1960‑х гг., а вскоре Фредерик Вайн, Драммонд Мэтьюз и Лоуренс Морли открыли это явление. Базальты срединно‑океанических хребтов содержат магнитные минералы. Растекаясь и застывая, они «записывают» направление магнитного поля Земли – как металлическая стружка на листе бумаги показывает линии магнитного поля подложенного магнита. Как мы уже говорили, геомагнитное поле нашей планеты периодически меняет свое направление, и по мере растекания дна эти инверсии фиксируются в базальте как на телеграфной ленте или магнитофонной пленке (не самые популярные в наши дни носители, но ни современные флеш‑накопители, ни компакт‑диски явно не подходят для этой аналогии). Таким образом, параллельно срединно‑океаническим хребтам образуются полосы магнитных аномалий, показывающие, когда геомагнитное поле было направлено вверх или вниз, а это означает, что морское дно двигалось наружу во время «записи» этих событий (следовательно, можно выяснить, как быстро оно перемещалось).

Открытие растекания морского дна стало, по мнению большинства геологов, началом революционных открытий в геологии. Идея о том, что поверхность Земли подвижна, обсуждалась с 1920–1930‑х гг. Вначале возникла теория дрейфа материков. Предложенная немецким метеорологом Альфредом Вегенером, эта гипотеза утверждала, что континенты перемещаются подобно айсбергам, пробиваясь сквозь океаническую кору (впоследствии было доказано, что это невозможно). Сформулированная позже теория тектоники плит утверждает, что вся поверхность планеты разделена на гигантские фрагменты‑пазлы, которые находятся в постоянном движении относительно друг друга, а встроенные в эти пазлы континенты лениво движутся вместе с ними. Гигантские куски пазлов называются литосферными плитами, из них выделяют восемь крупных, например Тихоокеанскую плиту (самую большую), и небольшое количество более мелких.

Литосферные плиты, как фрагменты пазла, раскалывают верхний каменистый слой Земли, при этом плиты движутся относительно друг друга. На рисунке изображены основные литосферные плиты, стрелки указывают направления их движения. Взаимные движения плит определяют типы их границ: дивергентные (см. расширяющийся Срединно‑Атлант ический хребет между Евразийской и Северо‑Американской плитами), конвергентные (например, столкновение Индостанской и Евразийской плит, в результате которого сформировались Гималаи) и трансформные (например, разлом Сан‑Андреас на Западном побережье США, между Тихоокеанской и Северо‑Американской плитами). Там, где плиты сходятся в зоны субдукции, происходит погружение более старых и холодных плит в нижележащую мантию, что охлаждает ее. Это одна из форм мантийной конвекции. (Схема предоставлена Полом Весселом из Гавайского университета в Маноа.)

Многие ученые внесли свой вклад в уточнение теории тектоники плит, математическая модель, описывающая их движение, была предложена Дэном Маккензи и Джейсоном Морганом. Однако до сих пор остается загадкой, почему на Земле, в отличие от других планеты земной группы, вообще происходит тектоника плит.

Тектонические плиты – это прочные твердые блоки холодной породы толщиной до 100 км (при этом у них слабые края). Плиты непрерывно скользят (в геологическом масштабе времени; в масштабе времени человека скольжение может принимать форму землетрясений), благодаря чему происходит их движение. Как уже было сказано, там, где происходит растекание морского дна, эти фрагменты пазла раздвигаются. Но если плиты расходятся друг от друга в одной зоне, значит, в другой их противоположные края будут сближаться. Регионы, где это происходит, называются зонами субдукции. В частности, плита, сдвигающаяся от другого блока земной коры, обычно противоположным краем сталкивается с третьей плитой и погружается под нее. Процесс погружения одной плиты под другую называется субдукцией. Эти зоны хорошо прослеживаются в самых глубоких желобах океана, таких как Марианская впадина, где океанское дно проваливается вниз под весом погружающихся плит. Все это движение не случайно: насколько об этом можно судить с поверхности, оно является проявлением конвекции мантии Земли. Литосферная плита опускается, потому что остывает, удаляясь от горячего места растекания морского дна, где была создана. В конце концов она становится холодной и достаточно тяжелой, чтобы погрузиться под медленно двигающуюся мантию, при этом охлаждая ее. Таким образом, субдукция (погружение одних участков земной коры под другие) эквивалентна холодному и тяжелому конвективному даунвеллингу (опусканию слоев вещества).

Геофизики (и я в их числе) полагают, что субдукция – это не только проявление конвекции земной мантии, но и главная движущая сила тектоники плит. Холодная, погружающаяся часть плиты (слэб) остужает мантию благодаря конвекции и в то же время тянет заднюю часть плиты на поверхность. Это подтверждается тем фактом, что плиты с обширными зонами субдукции на краях самые быстрые. Есть целый ряд плит, которые практически не имеют зон субдукции и движутся гораздо медленнее: по всей видимости, их просто толкают погружающиеся плиты. Самая крупная литосферная плита – Тихоокеанская – обладает самым большим количеством зон субдукции и быстро перемещается, примерно на 10 см в год.

Зоны субдукции также являются областями, где происходят наиболее сильные и разрушительные землетрясения. Землетрясения случаются и в районе срединно‑океанических хребтов, но они незначительны. Подводные хребты также производят большую часть лавы, но она жидкая и легко течет. Там, где плиты не расходятся в разные стороны и не сближаются, а «скользят» одна рядом с другой (как, например, в разломе Сан Андреас и Анатолийской зоне разломов), землетрясения происходят значительные, но не разрушительно сильные. Также в этих зонах практически отсутствует вулканизм, так как движение там не связано с поднятием горячей породы мантии к поверхности. Однако погружающаяся плита задевает край верхней плиты и тянет ее вниз, сгибая в форме лука. Когда сила трения между этими плитами уже не может выдержать напряжение, верхняя плита распрямляется обратно вверх, «выстреливает», порождая сильнейшие землетрясения и зачастую цунами.

А еще в зонах субдукции активно извергаются вулканы, несмотря на то что эти зоны находятся там, где происходит погружение холодных плит. Что же заставляет расплавленные горные породы подниматься к поверхности, создавая вулканы? Образование вулканов в этих областях – ключ к пониманию того, откуда вообще берется бóльшая часть континентальной коры. В самом деле, на других известных нам планетах нет тектоники плит и континентальной коры.

Процесс плавления в зонах субдукции сложнее, чем в срединно‑океанических хребтах или таких горячих точках, как Гавайи. Ни в одном из этих случаев плавление не вызвано тем, что порода становится горячее (что мы обычно представляем себе, когда думаем о плавлении льда или воска). На срединно‑океанических хребтах и в горячих точках породы мантии Земли плавятся, потому что поднимаются к зонам более низкого давления, которое облегчает процесс плавления. В зонах субдукции плавление облегчает вода. Литосферные плиты, входящие в зону субдукции, как правило, находились под водой от десятков до нескольких сотен миллионов лет. Извергающаяся в районе срединно‑океанических хребтов лава вступает в реакцию с водой и создает гидратированные минералы (породы, содержащие воду или водород), такие как амфиболы и серпентин. Осадочные отложения, смываемые с континентов (которые, как принято считать, тогда еще не образовались) и опускающиеся на дно океана, также вбирают воду (и углерод, что мы обсудим позже). Когда плита достигает зоны субдукции, значительная часть ее тонкой коры содержит гидратированные минералы и большинство их погружаются в зону субдукции вместе с остальной частью плиты, хотя многие осадочные отложения откалываются и скапливаются на поверхности. Когда эти минералы погрузятся примерно на 100 км в глубь мантии, температура и давление становятся слишком высокими, чтобы они могли остаться гидратированными, поэтому минералы испускают воду – в сущности, она просто выпаривается и просачивается из верхней части погружающейся плиты или слэба в более горячую мантийную породу, которая становится гидратированной. Гидратированные мантийные горные породы плавятся легче, чем сухие, так как водород ослабляет минеральные связи, и поэтому даже при «скромных» температурах рядом с холодным погружающимся слэбом увлажненная мантия становится достаточно горячей, чтобы расплавиться. Это не совсем горячий мантийный расплав, тем не менее он поднимается к поверхности и похож на жидкую базальтовую лаву, хотя и холоднее, чем гавайские лавы. Достигнув поверхностных слоев земной коры, он будет плавить части, которые легко поддаются плавлению, т. е. могут быть расплавлены путем «прохладного мокрого» плавления. Такие легко плавящиеся горные породы, как правило, богаты диоксидом кремния (кремнекислородными молекулами или силикатами). Они плавятся и отделяются от остальной части коры. Наиболее богатой кремнием магмой является гранит – типичный продукт такого «холодного» плавления.

Первое субдукционное плавление на ранней Земле могло создать лишь немного гранита из существовавшей тогда тонкой океанической коры. Даже плавление современной океанической коры не дает большого количества гранита или похожих на него горных пород. Образующиеся при этом островодужные системы вулканов вблизи океанских хребтов, например на Антильских и Алеутских островах, могут иметь много первоначальной базальтовой магмы, перетекшей из земной мантии. (Термин «островодужные» используется потому, что зоны субдукции имеют форму сегментов круга.) Но так как все больше гранитной породы появлялось путем непрерывной плавки и переплавки коры, а также потому, что гранит слишком легок, чтобы погружаться в мантию, он накапливался возле зон субдукции, как плавающие игрушки собираются возле слива ванны. Постепенно гранитная порода собиралась в груды земной коры, которая становилась все толще и в конечном итоге образовывала континентальную кору. Кроме того, субдукционные процессы под континентами вызывают движение расплавов мантии к толще земной коры, где происходит еще большее плавление и отделение богатых диоксидом кремния пород, из‑за чего образуется еще больше гранита. Хотя породы, богатые диоксидом кремния, плавятся легко, они очень толстые и вязкие, хотя и менее плотные, и потому их перемещение затруднено. Также они держатся за свои газовые пузырьки (образованные в основном из воды, которая способствовала плавлению мантии), отделившиеся от магмы при подъеме к зонам низкого давления (похожий процесс происходит, когда вы открываете бутылку газировки). Поэтому обычно созданные из такой магмы вулканы (чаще всего это вулканы континентальных дуг) выше и круче, так как толстой и вязкой магмы накапливается больше, прежде чем она растечется. Кроме того, они создают гораздо большее давление газа перед извержением, отчего извержения этих вулканов особенно сильные. Хотите верьте, хотите нет, но именно благодаря процессу «мокрого плавления» в зонах субдукции появились континенты нашей планеты.

В общей сложности для формирования континентов Земли потребовалось около 2 млрд лет. В это время медленно отделялись от мантии и плавились силикатные и гранитные породы. Периодически континенты собирались в гигантские пласты толстой коры, потом эти суперконтиненты из‑за движения литосферных плит распадались на фрагменты размером с обычные континенты, а через несколько сотен миллионов лет вновь объединялись. Цикл образования и распада суперконтинента называется циклом Уилсона (в честь канадского геолога Тузо Уилсона). Последним суперконтинентом была Пангея, которая начала распадаться около 200 млн лет назад, о чем можно судить по разлому в Атлантическом океане вдоль Срединно‑Атлантического хребта (центра растекания морского дна). Это объясняет, почему очертания восточного побережья Северной и Южной Америки совпадают с западными побережьями Евразии и Африки.

Для образования наших континентов были необходимы два условия: тектоника плит и вода в состоянии жидкости – много воды, чтобы минералы морского дна могли гидратироваться (присоединять молекулы воды). Оба этих условия являются уникальными для Земли, и, вероятно, одно не может существовать без другого. И тектоника плит, и вода в фазе жидкости (как мы увидим в следующих главах), вероятно, необходимы для того, чтобы стабилизировать климат на Земле на долгий геологический период времени. Это, в свою очередь, будет поддерживать температуры на поверхности планеты достаточно ровными, чтобы вода могла существовать в жидком виде. Точно так же вода (или, по крайней мере, прохладный климат), вероятно, была нужна для тектоники плит. Похоже, тектоника плит, вода и умеренный климат нуждаются друг в друге и являются взаимозависимыми.

Насколько необходима вода или прохладный климат для тектоники плит? Ученые об этом до сих пор спорят. Например, скользкие отложения и гидратированные расплавы в зонах субдукции могут сохранять субдукцию гладкой и текучей. Но более прохладный климат Земли также помогает сохранять края литосферных плит мягкими, гибкими и скользкими. Трудно представить, что вода увлажняет границы плит по всей их 100‑километровой толщине, вряд ли она может достигнуть зон с таким высоким давлением. Что‑то еще должно делать плиты скользкими на таких глубинах. Горные породы, возникающие вблизи «быстро» деформирующихся границ плит, часто имеют необычные свойства, например минералы или минеральные зерна чрезвычайно малого размера (такие породы называются меланитами). Возможно, именно эти крошечные зерна, разрушаясь при трении, делают горные породы мягче и облегчают скольжение границ плит. Тем не менее минеральные зерна, находясь в состоянии покоя, также имеют тенденцию к медленному росту (по аналогии с пузырьками, возникающими в пене). Это помогает восстанавливать и укреплять горные породы, а такое восстановление происходит быстрее при высоких температурах. Возможно, прохладная поверхность Земли не только делает возможным существование океанов, но и предотвращает восстановление поврежденных границ литосферных плит. На Венере, поверхность которой намного более горячая, восстановление будет проходить быстрее, а повреждения будут слабее, поэтому границы плит вряд ли сохранились бы. Возможно, это объясняет, почему на планете – сестре Земли, похоже, нет тектоники плит. Но если говорить начистоту, гипотеза «разрушения и восстановления», объясняющая природу тектоники плит, является предметом исследований автора этой книги и потому не лишена доли предвзятости.