Юинг и исследование океанического дна

Исследованием морских глубин, или, как тогда говорили, абиссали, ученые по-настоящему занялись чуть более ста лет тому назад. Но в течение долгого времени науку больше всего интересовало, существуют ли там живые организмы, а затем, когда их существование подтвердилось, возник вопрос, нет ли подобных видов в ископаемом состоянии на континентах. Точно так же, ибо это свойственно человеческой природе, как импульсом для изучения других планет солнечной системы послужила проблема существования или отсутствия жизни в неизвестных мирах. Гегемония биологов в изучении глубоководного дна окончилась только после второй мировой войны. Еще в одном из учебников издания 1942 года, который на протяжении целого ряда лет расценивался как библия океанографов, можно было прочесть: "С океанографической точки зрения топография океанического дна представляет интерес лишь постольку, поскольку она устанавливает пределы интересующим нас акваториям..." Яснее не скажешь!

Действительно, после нашумевшего кругосветного плавания, которое совершило с 1872 по 1876 год английское судно "Челленджер" и во время которого было установлено приблизительное распределение типов осадков и открыты крупные горные системы на дне океанов, морская геология, казалось, утратила к ним интерес. Однако измерение температуры придонных вод указывало на наличие в центре Атлантики сплошного горного хребта, который тянется к югу и который в 1850 году был назван Телеграфным плато (его обнаружили суда, прокладывавшие подводный кабель).

Топографию этого Срединно-Атлантического хребта, как он стал именоваться впоследствии, знали очень плохо. Немецкое судно "Метеор" (Экспедиция на "Метеоре" продолжалась с 1925 по 1927 год. - Прим. перев.) проведя вдоль него серию точных зондирований дна, впервые обнаружило сильную изрезанность рельефа, но на этом все и кончилось.

Любопытно отметить, что выход "Метеора в море первоначально был задуман и частично финансирован с целью выяснить возможность получения золота из морской воды для выплаты контрибуции, которая была наложена на Германию после ее военного поражения в 1918 году. Эта экспедиция не дала надлежащего ответа на поставленную задачу, но была удивительно продуктивной в других отношениях. Впрочем, когда снаряжаются в путь на поиски неизвестного, то предлог не имеет особого значения, а полученные результаты редко соответствуют тому, что ожидалось...

По-настоящему серьезно за изучение океанов физико-математическими методами взялся голландский геофизик Венинг-Мейнес. Вскоре после окончания первой мировой войны он занялся измерением приращений силы тяжести на морях. Если допустить, что океанические бассейны образовались вследствие погружения континентов, то следовало бы ожидать, что сила тяжести здесь будет необычно малой, поскольку континенты сложены из пород более легких, чем подстилающая их "мантия". Если же, наоборот, величина силы тяжести оказалась бы нормальной, то это доказывало бы, что океаническая кора должна была бы быть значительно тяжелее континентальной, чтобы скомпенсировать дефицит массы, возникающий в результате того, что водный слой значительно легче аналогичного слоя континентальных пород. Вопрос имел принципиальное значение, так как многие геологи утверждали, что под водой лежат погрузившиеся континенты, и на этом основании пытались доказать существовавшую ранее непрерывную связь между материками, которые в действительности, медленно дрейфуя, теперь удаляются друг от друга.

Измерить отклонения силы тяжести, имеющие порядок 1/100 000 ее полной величины, - нелегкое дело даже на земной тверди. Это все равно, что установить колебания веса у тучного человека с точностью до одного грамма. А желание осуществить эти замеры в море с судна, испытывающего килевую и бортовую качку, кажется и вовсе невероятным. Для решения этой задачи Венинг-Мейнес в период между двумя мировыми войнами провел в подводных лодках десятки месяцев, что, принимая во внимание его более чем двухметровый рост и подверженность морской болезни, нельзя назвать иначе как подвижничеством! Ученый упорно регистрировал малейшие отклонения в колебаниях двух маятников, когда лодка находилась в погруженном состоянии, чтобы максимально уменьшить эффект качки. Все эти "мучения, которые он переносил с типично голландской выдержкой, щедро окупились. Сначала он показал, что в океанических бассейнах сила тяжести находится в пределах нормы. Это доказывает, что структура океанического дна коренным образом отличается от континентальной. Но, что важнее всего, он открыл значительные аномалии силы тяжести в зонах глубоководных желобов, окаймляющих Тихий океан. Ему представлялось, что это можно объяснить только наличием нисходящих ветвей конвективных потоков магмы, на которые указывал Осмонд Фишер.

Открытие аномалий силы тяжести в зонах глубоководных впадин, где глубина достигает 10000 метров, а также наличие там вулканизма и очагов землетрясений позволяло утверждать, что эти зоны активны и играют основополагающую роль в динамике земной коры. Но так далеко Венинг-Мейнес не заглядывал. Его занимали только глубинные зоны океанического дна под вулканическими островами. Будучи человеком технического склада ума и железной дисциплины, он, безусловно, именно в силу этих качеств характера не позволил себе выйти за пределы программы Намеченных исследований.

Лишь американец Морис Юинг, перейдя от разрозненных исследований, основанных на точечных измерениях, к планомерным, то есть предусматривающим непрерывные измерения геофизических параметров, обогатил морскую геологию новыми идеями. До него заслуженные ученые по нескольку лет своей жизни посвящали сбору океанологических данных для решения одной-единственной проблемы. Он был первым, кто заведомо ставил перед собой задачу получения максимального объема информации по всем интересующим его проблемам, для чего в случае необходимости сам изобретал нужные приборы.

Морис Юинг не тяготел к какой-нибудь одной научной или технической дисциплине. Превосходный физик, отличный экспериментатор, незаурядный мастер на все руки, он с одинаковой легкостью жонглировал математическими формулами и разбирал мотор неисправной лебедки. Он один являл собой прототип разносторонне подготовленного океанологического экипажа, выполняя функции моряка, инженера, естествоиспытателя, физика и математика. Будучи теоретиком, Юинг в то же время не придавал слишком большого значения математическим выкладкам.

Он поставил своей целью вырвать у Земли как можно больше тайн, в частности на тех двух третях ее поверхности, которые оставались еще неисследованными. Юинг готов был использовать любые средства, позволяющие "видеть" сквозь толщу воды, единственная польза от которой, говорил он, заключается в том, что она "позволяет его лодке передвигаться из одной точки в другую".

Стремление всегда и во всем быть первым и упорство в достижении поставленной цели, которые он, несомненно, унаследовал от отца, фермера северного Техаса, где во время засухи приходилось снаряжать повозку за водой, где родился инстинкт пионера, толкающий идти все дальше и дальше на поиски новых фактов, могущих приоткрыть завесу над тайнами нашей планеты, - эти два качества составляли сильнейшую сторону характера Юинга. Другие исследователи делали ставку на блестящие, но шаткие умозаключения. Юинг же, как он отмечал сам, оперировал только "голыми фактами". Умозрительные построения его интересовали постольку поскольку. Как и его предки, Юинг любил бескрайние просторы "дикого" Запада, где человек знает, что он может построить ранчо в любом приглянувшемся ему месте, что он здесь первый и что сюда его гонит цивилизация. Пионер океанографии, он устремлялся в неведомый и полный неожиданностей мир, проторяя путь другим подвижникам науки.

А все началось в 1934 году, когда к Юингу обратился профессор Принстонского университета Ричард Филд, склоняя его проявить интерес к структуре континентального шельфа - продолжения материковой платформы. Ричард Филд был убежден, что разобраться в геологии континентов возможно только после изучения океанического дна, причем начинать надо с континентального шельфа и вести исследование до самого срединного хребта. Свои мысли он внушал с усердием ветхозаветного пророка" троим людям, которым посчастливилось сыграть главную роль в разработке новой теории эволюции Земли, потому что экспедиции, которыми руководили эти три ученых - Морис Юинг из Колумбийского университета под Нью-Йорком, Гарри Хесс из Принстонского университета и Эдвард Буллард из Кембриджского университета в Англии, - сделали большую часть важнейших открытий в период с 1950 по 1970 год.

Юинг, как ему и советовал Ричард Филд, начал с изучения континентального шельфа. Для этого он прибегнул к методу сейсмического зондирования, то есть взрывал в море динамит и измерял время распространения сейсмических волн на разных расстояниях от эпицентра взрыва, что позволяло определить природу слоев пород, через которые проходили волны. В 1937 году он первый доказал, что на континентальном шельфе находятся мощные осадочные бассейны. Его открытие вскоре было подтверждено кембриджской группой, работавшей под руководством Булларда по другую сторону Атлантики. Это сулило сказочные перспективы для нефтяной промышленности.

Тем не менее, по свидетельству Юинга, президент компании "Стандард ойл" в Нью-Джерси ему тогда заявил: "Даже за пять центов, истраченных на подобные исследования, мне будет не оправдаться перед моими пайщиками".

Но Юинг стремился как можно скорее выйти за пределы континентального шельфа, к глубинам, превышающим 2000 метров, в настоящую стихию океана. Вторая мировая война, во время которой он зарекомендовал себя в военно-морском флоте США как талантливый изобретатель и физик, способствовала осуществлению его мечты. Военное ведомство, понимавшее важность изучения океанических глубин, выделило необходимые средства на реализацию широкой программы серьезных изысканий, позволивших океанологам по-настоящему заняться научными исследованиями.

Открытия следовали за открытиями. Прежде всего обратила на себя внимание своеобразная структура океанического ложа. Полученная на больших глубинах при помощи сейсмического зондирования информация о морфологии дна Северо-Атлантического бассейна позволила вскрыть строение коры, в корне отличающееся от того, что наблюдалось в земной коре на континентах. Это явилось полной неожиданностью. Вместо мощного слоя коры толщиной 30-40 километров, как на континентах, обнаружили тонкую пленку, не более 6 километров толщиной, покоящуюся на плотном веществе внутренней части Земли, которую называют мантией.

Конечно, результаты, полученные Венингом-Мейнесом к тому времени, уже показали, что океаническая кора имеет большую плотность, чем континентальная. Но обычно полагали, что эффект сводится к большей удельной плотности пород океанической коры, а не к уменьшению ее толщины, иначе говоря, мощности. Таким образом, измерения, проведенные Юингом и его сотрудниками и вскоре подтвержденные другими исследователями, показали, что граница Мохоровичича (Мохоровичич, Андрей (1857-1936), - югославский геофизик и сейсмолог, впервые выявивший в 1909 году раздел между земной корой и мантией Земли. - Прим. перев.), соответствующая переходу от земной коры к мантии, под континентами лежит на 30-40-километровой глубине, а под океанами на глубине всего 10 -12 километров. Все говорило о том, что сама мантия чуть ли не выходит на поверхность, или, как говорят геологи, обнажается.

Этот вывод вскоре был подкреплен работами Юинга и одного из его студентов (ставшего впоследствии виднейшим сейсмологом), Фрэнка Пресса, о распространении определенного типа сейсмических волн через ложе океанов. Юинг и Пресс доказывали, что, какова бы ни была природа землетрясения, порождающего эти волны, и в каком бы направлении эти волны ни пересекали океаническую кору, регистрация этих волн может быть объяснена только тем, что земная кора под океанами очень тонка. Оба ученых сделали заключение, что все океанические бассейны имеют одну и ту же структуру. А ведь после появления гипотезы образования Тихого океана в результате отделения Луны от нашей планеты многие ученые полагали, что этот океан отличается от других, так сказать, более "океанических".

Подобному предположению Юинг и Пресс противопоставили "голый факт", а именно малую мощность земной коры под всеми океанами. Они заключили, что на планете существуют только два основных! типа твердой земной коры - океанический и континентальный. Континент не может стать океаном и наоборот. К несчастью, понятие постоянства структуры океанической коры, которое было вполне очевидным, породило кое у кого неверную мысль о постоянстве местоположения самих океанических бассейнов, что усилило позиции сторонников гипотезы фиксизма и вертикальных перемещений.

Но каждая новая жатва на ниве дальнейших исследований показывала, что структура океанической коры резко отличается от структуры коры континентальной. Впрочем, данные, полученные после погружений в океан, не соответствовали экстраполяциям, выводимым из информации, собранной до погружения. Стоило только перейти рубеж континентального шельфа, как начинался новый, причудливый и неожиданный, мир.

Некогда считалось, что ложе океана не подвергается эрозии благодаря мощному покрову мельчайших органических и минеральных остатков, постоянно оседающих с поверхности океана. Было подсчитано, что вследствие эрозии континентов с момента образования Земли мощность осадков в океанах достигла 12 километров. Один знаменитый геолог и океанограф XIX века писал: "Монотонный пейзаж океанического дна нарушается только скелетами животных, попавших сюда с поверхности". Как видим, морское дно представлялось чем-то вроде полукладбища-полусвалки...

Уже после первого обращения к морским недрам в 1947 году Морис Юинг методом сейсмических измерений установил, что мощность осадочного слоя редко где превышает 1 километр и что слой этот весьма тонок или вообще отсутствует на срединном хребте Атлантики, где повсеместно обнажаются вулканические породы базальтового состава.

Оставалось допустить одно из двух - либо мощность осадочных отложений сильно преувеличивалась, либо океанические бассейны, и в частности подводные хребты, геологически очень молоды.

А между тем анализ глубоководных колонок, поднятых со дна длинными грунтовыми трубками, действующими, как иглы, вводимые под кожу, показал, что фактическая мощность отложений в глубоководном ложе даже превышает предполагавшуюся ранее. Более того. В то время, как все предсказывали, что эти отложения должны состоять исключительно из мельчайших частиц, способных перемещаться на большие расстояния благодаря течениям и ветрам, в действительности в центральных районах океана были обнаружены песчаные образования, сходные с теми, которые образуются на побережье в результате действия волн.

Юинг и его сотрудники сразу же заметили, что эти глубоководные песчаные слои встречаются лишь на участках с абсолютно ровным дном и что глубина таких участков последовательно возрастает по мере удаления от континентальной окраины. Эти абиссальные равнины, как их называли прежде, простираются на сотни и тысячи километров. Ни один из известных нам естественных процессов не может создать подобную исключительно гладкую поверхность столь большой протяженности. В условиях континента на такое способен только человек, да и то с помощью механического выравнивания и на несравненно меньшей площади. Очень скоро удалось доказать, что абиссальные равнины обязаны своим происхождением "мутьевым потокам", то есть грязевым течениям, которые, беря начало на материковых склонах, вырезают в них глубоководные долины. Там эти потоки бороздят дно, но по мере продвижения на большие глубины постепенно затухают. Сначала откладываются частицы песка, а затем тонкий ил. Таким образом, их нивелирующее воздействие состоит не в эродировании дна, а в седиментации.

Всего несколько месяцев работы в море опрокинули бытовавшее представление о дне океана как о кладбище.

Отложения в океанических бассейнах, образованные мутьевыми потоками, или так называемые турбидиты, относятся к геологически недавнему времени: они возникли в результате чрезвычайно активной транспортировки осадков!

Но самые удивительные факты были обнаружены в центре океана, там, где проходит ось знаменитого Срединно-Атлантического хребта, который возвышается над абиссальными равнинами.

На приуроченность узкого непрерывного сейсмического пояса к оси океанов первым обратил внимание коллег французский сейсмолог Жан-Пьер Роте. В ярком сообщении на научном конгрессе в Лондоне в 1953 году он описал "линию" повышенной сейсмичности, которая по самому центру пересекает Атлантический океан между Европой и Африкой на востоке и Америкой на западе, огибает южную оконечность Африканского материка, заходит в Индийский океан, окаймляя Мадагаскар, и у западного входа в Аденский залив соединяется с внутриконтинентальной сейсмической зоной, которая связана с так называемыми Африканскими рифтами.

Зоны погружений

Рифтами, как впоследствии стала именоваться эта линия повышенной сейсмичности, называются огромные разломы в центре высоких африканских плато, благодаря чему там образовались глубокие долины, в которых лежат большие озера и происходит интенсивная вулканическая деятельность. После открытия этой непрерывной линии срединно-океанической сейсмичности ученые стали связыват ее продолжение с внутриконтинентальными разломами, наличие которых являлось загадкой для геологов. А заинтересоваться африканскими разломами человеку было отчего! Ведь три миллиона лет назад в этом районе уже обосновались его самые отдаленные предки.

И ученые, наконец, точно определили, как образовались континентальные рифты. Они показали, что здесь все дело заключается в вертикальных смещениях.

Первым изученным континентальным рифтом стала Эльзасская равнина, занимающая грабен шириной от 35 до 40 километров и длиной более 300 километров между Базелем на юге и Майнцем на севере. Примерно в течение тридцати миллионов лет одна часть древней платформы устойчиво опускалась до современного уровня грабена, а другие ее части одновременно поднимались, образовав горные массивы Вогезы и Шварцвальд, достигающие высоты более 1000 метров. За время оседания платформы в грабене в результате неоднократной трансгрессии моря накопились отложения мощностью 2000 метров. Следовательно, разность уровней между древней платформой на вершине Вогез и в грабене составляет более 3000 метров.

Провалы земной поверхности объясняются растягивающими напряжениями, которые создают сложную систему разрывов (или сбросов). Так, например, установлено, что Рейнский рифт образовался вследствие приблизительно 5-километрового растяжения, сопровождавшегося дифференцированным вертикальным движением такой же амплитуды. Это растяжение сопровождалось спорадическим вулканизмом, правда, куда менее активным, чем в Африканских рифтах, и сейсмичностью, еще заметной в наши дни. Так, город Базель был полностью разрушен землетрясением 1356 года.

Процесс формирования грабенов особенно интересен, так как он, вероятно, создает благоприятные условия для накопления углеводородных соединений и минеральных солей. В самом деле, эта впадина все время наполнялась отложениями, которые подняли верхнюю ее границу почти до уровня моря. Вот почему в ее недрах чередуются обезвоженные химические вещества - эвапориты, образование которых произошло в условиях лагун, и продукты эрозии прилегающих горных массивов, содержащие большой процент органических остатков, которые в мало окисленной или вовсе не окисленной среде способствуют, как известно, образованию углеводородов.

В наблюдениях Роте более всего поражало то, что ширина сейсмической линии в океанах значительно меньше, чем в районах складчатых гор. Кроме того, ее продолжение в Африканских рифтах характеризуется сбросовыми явлениями и вулканизмом, вызванными не сжимающими напряжением и сокращением площади, как в большинстве горных цепей, а растяжением и разрывом пластов.

Однако никто не знал, почему сейсмичность приурочена ко дну океанов. Когда готовилась прокладка подводного кабеля, один из студентов Юинга, Брюс Хизен, обнаружил в Атлантике рифтовую долину. Компания, протягивавшая кабель, поручила Хизену найти причину его разрывов. Вскоре выяснилось, что почти все они происходили либо на континентальном склоне, то есть на окраине океана, либо в самом центре Срединно-Атлантического хребта. Определив местоположение сейсмических зон, где происходил разрыв кабеля, Хизен констатировал, что если пренебречь небольшими погрешностями в определениях координат, то эти зоны должны проходить по долине, названной затем рифтом.

В то время, в 1953 году, картографы располагали только шестью поперечными разрезами хребта. Молодая помощница Брюса Хизена картограф Мэри Тарп обратила внимание, что на каждом таком разрезе сводовая часть хребта рассечена впадиной от 1500 до 2000 метров глубиной и от 30 до 40 километров шириной. В 1956 году Юинг и Хизен, исходя из этих шести поперечных разрезов хребта, побоялись провести экстраполяцию и предсказать, что обнаружения долина должна продолжаться вдоль всей сейсмической линии, описанной Жаном-Пьером Роте, линии, которая пересекает Индийский океан и тянется через Тихий, достигая в длину 60 000 километров. Вставал вопрос о самой большой сейсмически активной структуре на поверхности Земли!

Первооткрывателями долины вдоль подводного хребта были все-таки не Хизен и не Тарп. Перед самой войной два английских ученых сообщали, что Карлсбергский хребет на северо-западе Индийского океана прорезан продольной долиной, которую они сравнивали со знаменитыми Африканскими рифтами, уже упомянутыми выше. После войны два других англичанина подробно исследовали часть рифта в Атлантическом океане. Однако Юингу и Хизену принадлежит заслуга в том, что они почувствовали глобальную значимость своего открытия и отважились на экстраполяцию. Когда в 1957 году Брюс Хизен организовал семинар на эту тему в Принстонском университете, Гарри Хесс, оценивая открытие Хизена, отмечал, что он "потряс основы геологии".

Впервые было доказано, что океан является не пассивной структурой, вместилищем континентальных отбросов, а сам активно живет, причем континентальные рифты представляют собой не что иное, как надводное продолжение срединной долины. Мы видели, что есть все основания считать и океанические рифты, и континентальные следствием растяжения земной коры. К тому же выдвинутая гипотеза находилась в соответствии с наличием молодого вулканического рельефа по обе стороны рифта срединно-океанических хребтов.

Произведенное по инициативе Эдварда Балларда первые измерения тепловых потоков на океаническом дне показали, что осевая зона хребтов является чрезвычайно "горячей". Сам собой напрашивался вывод о том, что объяснение столь высоких тепловых потоков следует искать в физико-химических свойствах магмы, которая поступает из недр мантии. Сейсмические измерения, проведенные Джоном Юингом, братом Мориса, зарегистрировали, что глубинное строение хребтов отклоняется от нормы. Это объясняется, решили Джон и Морис Юинги, подъемом конвективных потоков на оси хребта. Во всяком случае это открытие подтверждало, что рифт - структура активная.