Геологи не знали, что делать с обнаруженным феноменом. Возможно, это чередующиеся полосы разных типов пород? Или чередование сильно и слабо намагниченных пород? К концу 1950-х гг. геофизики из Института Скриппса Рональд Мейсон и Артур Рафф анализировали данные о дне Тихого океана у берегов Аляски, Британской Колумбии, Вашингтона и Орегона, но картина оказалась сложной и запутанной. Оставалось неясно, что вызывало появление этих параллельных магнитных полос.
Тем временем над аналогичными проблемами размышляла большая группа геологов и геофизиков Кембриджского университета под руководством физика Эдварда Булларда. В 1961 г. Драммонд Мэтьюз (рис. 21.6А) написал диссертацию на основе исследования образцов, драгированных из Срединно-Атлантического хребта. Его работа показала, что хребет полностью состоит из одинаковых на вид потоков базальтовой лавы и что не существует никакой реальной разницы в типах горных пород, которая могла бы объяснить пресловутые магнитные полосы. В 1962 г. еще один молодой ученый Фредерик Вайн стал участвовать вместе с Мэтьюзом в океанографических рейсах, не только собирая образцы, но и просматривая массу сведений о магнитном поле, получаемых с той же части морского дна. Сначала Вайн использовал данные, которые Мэтьюз привез с хребта Карлсберг в Индийском океане, а в 1962 г. Вайн и Мэтьюз начали изучать имеющуюся информацию для Срединно-Атлантического хребта к югу от Исландии (рис. 21.5), где Мэтьюз собирал свои образцы пород. Они тесно сотрудничали и даже делили жилье во время пребывания в Кембридже.
Рис. 21.5 Схема магнитной полярности морского дна. Это оригинальная картина для хребта Рейкьянес – составной части Срединно-Атлантического хребта к югу от Исландии. Полосы прямой полярности (черные) и обратной полярности (белые) соответствуют исходным положительным и отрицательным магнитным аномалиям, измеренным судовым магнитометром. Составлено по нескольким источникам
Рис. 21.6 Пионеры тектоники плит. (А) Фредерик Вайн (слева) и Драммонд Мэтьюз в 1970 году. Фото Дж. Р. Канна (J. R. Cann). (В) Гарри Хесс, объясняющий тектонику плит. Источник: Merritt, J., I. Hess's Geological Revolution: How An «Essay In Geopoetry» Led to The New Science of Plate Tectonics. Princeton Alumni Weekly (1979)
Их также вдохновлял пример еще одного геолога – Гарри Хэммонда Хесса из Принстонского университета (рис. 21.6В). В 1931 г. Хесс участвовал в плавании американской подводной лодки, целью которого было измерение гравитации на дне океана от Флориды и Кубы до восточной части Карибского моря. Во время Второй мировой войны он стал капитаном военного транспорта USS Cape Johnson, совершавшего рейсы по Тихому океану. Хесс днем и ночью держал эхолот включенным и поэтому постоянно накапливал информацию о морском дне под судном.
В ходе этого процесса Хесс впервые обнаружил многие важные структуры океанского дна, включая огромные подводные горы, возвышающиеся над ложем океана. У некоторых из этих подводных гор были плоские вершины. Будучи первооткрывателем, ученый имел право дать им название, и он предложил именовать их гюйотами – в честь Арнольда Гюйо[84], швейцарского геолога, основавшего в Принстонском университете геологический факультет (который до сих пор располагается в Гюйо-Холле).
Когда война закончилась, Хесс некоторое время оставался в резерве ВМФ и дослужился до контр-адмирала, хотя и возобновил преподавание в Принстоне. Он начал собирать информацию, поступавшую из разных океанографических учреждений за последнее десятилетие. Из своей работы на флоте он знал, что подводные горы – это, вероятно, вулканы, которые когда-то извергались над поверхностью моря, а с возрастом постепенно погружались все глубже и глубже. Из своих гравитационных исследований он имел представление о странных величинах гравитационного поля под океаническими глубоководными желобами. От своих друзей из Обсерватории Ламонт он слышал, что Брюс Хейзен и Мари Тарп нанесли на карту исполинский Срединно-Атлантический хребет с его огромной рифтовой долиной посередине, которая доказывала, что по этой линии хребта происходят растягивание в стороны и разрыв океанского дна (см. главу 22). Он также был знаком с гипотезой Артура Холмса об огромных конвекционных ячеях в мантии, толкающих блоки земной коры (глава 8).
Соединив все эти факты, Хесс опубликовал в 1962 г. фундаментальную статью, в которой объяснялись почти все составляющие современной модели тектоники плит – от спрединга морского дна в зоне срединно-океанических хребтов до постепенного опускания океанической коры по мере ее удаления от этих хребтов. Он также понял, что фронтальная часть движущейся коровой плиты погружается в глубоководный желоб (эти места еще не были названы зонами субдукции). Однако все еще не существовало надежных данных, подтверждающих, что морское дно действительно раздвигается и перемещается, как пара конвейерных лент, идущих в противоположных направлениях. Не имея таких доказательств, Хесс назвал собственную работу «упражнением в геопоэзии», принижая тем самым собственные смелые утверждения и приписывая им больше умозрительности, чем они в действительности содержали.
Розеттский камень для океанского дна
Когда большинство людей слышат словосочетание «Розеттский камень», они думают о широко разрекламированной программе для изучения иностранных языков[85]. Настоящий Розеттский камень представляет собой огромную стелу из черного гранодиорита (рис. 21.7), которую в 1799 г. обнаружили в дельте Нила солдаты Наполеона в египетском походе. Когда французы потерпели поражение от англичан в 1801 г., то побежденные передали победителям Розеттский камень, и с 1802 г. он демонстрируется в Британском музее. Часто его даже трудно рассмотреть из-за толпы людей, сгрудившихся перед самым известным экспонатом музея.
Рис. 21.7 Розеттский камень – стела из черного гранодиорита, найденная возле Александрии в Египте. На ней выбиты три идентичных по содержанию текста – два на египетском языке (иероглифами вверху и демотическим письмом в середине) и один на древнегреческом (внизу). Камень дал ученым ключ к чтению иероглифов, и это открыло окно в историю Древнего Египта. Источник: Wikimedia Сommons
Розеттский камень известен тем, что содержит три версии одного и того же текста: иероглифы вверху, демотическое письмо (упрощенный тип египетского письма) в середине и классический греческий язык (на котором могут читать многие ученые, в том числе и я) внизу. До того момента никто не мог перевести иероглифы, и большая часть египетского письма (и, следовательно, история Египта) оставалась загадкой. Однако наличие одного и того же текста на известном языке (греческом) и неизвестном (иероглифы) дало ученым ключ к расшифровке. В 1822 г. текст на камне прочел французский археолог Жан-Франсуа Шампольон. После этого у него оказался ключ к иероглифам и, если брать шире, к древнеегипетской истории. Сегодня выражение «розеттский камень» служит метафорой для любого открытия, дающего ключ к разгадке какой-либо тайны или указывающего путь в новую область знаний.
Вернемся в 1963 г. Вспомните, что Вайн и Мэтьюз читали статью Хесса 1962 г. как раз в то время, когда они без устали анализировали собранные ими магнитные данные для Срединно-Атлантического хребта. Они знали, что срединно-океанический хребет всегда состоит из очень молодой лавы, извергающейся под водой. При более детальном рассмотрении они заметили, что центральная часть хребта и извергающиеся сегодня лавы всегда характеризуются прямой намагниченностью, однако с обеих сторон от центральной части существуют симметричные зоны отрицательных магнитных аномалий (рис. 21.5 и 21.8). Фактически рисунок магнитных полос с одной стороны хребта был зеркальным отражением таких же полос с противоположной стороны.
Рис. 21.8 Интерпретация симметричных данных для магнитных полей (чередующиеся аномалии напряженности поля, зарегистрированные судовым магнитометром) на срединно-океанических хребтах. Согласно этой интерпретации, причиной таких аномалий служит изображенный ниже процесс спрединга (раздвигания морского дна). Породы, появляющиеся при извержениях, фиксировали существовавшее на тот момент направление поля на планете, а затем пассивно расходились в стороны, как конвейерная лента. Составлено по нескольким источникам
Затем Вайн и Мэтьюз вспомнили недавно опубликованную работу Кокса, Доэлла и Далримпла, излагающую историю магнитного поля Земли за последние 5 млн лет (рис. 21.4В). И тут их озарило. Может быть, сильная положительная аномалия в центре хребта связана с тем, что породы были намагничены в зоне с такой же прямой полярностью, которая есть и сейчас, и поэтому общий магнитный сигнал получается сильнее среднего современного показателя? И, напротив, может быть, симметричные отрицательные аномалии возникли из-за того, что дно океана было намагничено в зоне обратной полярности? Тогда обратное направление намагниченности для лав на дне океана частично компенсировало бы фоновое поле, и потому суммарная напряженность магнитного поля оказывается ниже среднего, и магнитометр фиксирует отрицательную магнитную аномалию.
Эврика! Все совпало. Лава, извергавшаяся под водой, рифтовая долина в центре, симметричный рисунок магнитных полос, отражающий симметричное расположение прямо и обратно намагниченных пород на морском дне, – все это соответствовало догадке Хесса о спрединге морского дна. В природе происходит постоянный процесс создания нового океанического ложа: магма извергается в трещинах рифтовой долины в центре хребта, когда происходит его растягивание в стороны (рис. 2.5 и 21.8). Как только донные лавы остывают, они фиксируют магнитное поле Земли на момент своего формирования. Затем они растаскиваются в стороны, а в середине формируется новая кора, которая намагнитится уже в другом направлении, если магнитное поле планеты перевернулось. Старая кора постепенно отходит от центрального хребта, как пара конвейерных лент, и эти ленты – подобно пленке старого магнитофона, отходящей от записывающей головки, – сохраняют сигнал, который оставляют чередующиеся периоды прямой и обратной полярности Земли. Свои выводы Вайн и Мэтьюз изложили в эпохальной статье, опубликованной в 1963 г. Так началась революция тектоники плит. (По стечению обстоятельств в то же самое время канадский геофизик Лоуренс Морли выдвинул ту же идею, однако журнал, куда он обратился, отверг его работу. Большинство людей никогда не слышали о нем, хотя историки геологии сейчас говорят о гипотезе Вайна – Мэтьюза – Морли.)