Рис. 22.4 Погружающаяся зона концентрации землетрясений под океаническим желобом и вулканической дугой, известная как зона Вадати – Бениоффа. Составлено по нескольким источникам
Что могла означать эта закономерность? Бениофф опубликовал свои результаты в 1949 г.; Вадати изложил в целом ту же идею еще в 1928 г., но о ней мало кто знал. Оба ученых указывали, что одинаковая картина обнаружена почти во всех океанических желобах мира. Однако у них не было никаких объяснений открытию. Оно было похоже на единственный фрагмент пазла. Вы понятия не имеете, что на нем изображено, пока не увидите остальную часть головоломки.
Объяснения странных особенностей океанических впадин (гравитационный профиль, а позже сейсмичность) были предложены только в статье Гарри Хесса, опубликованной в 1938 г., и в появившейся годом позже работе Дэвида Трессела Григгса – геофизика, который помимо прочего помог основать корпорацию RAND. В 1951 г. он в качестве ведущего научного сотрудника Военно-воздушных сил США участвовал в разработке водородной бомбы. В своих статьях и Хесс, и Григгс предположили, что тепловая конвекция в мантии заставляет океаническую кору прогнуться и сложиться, как ковер, вдвое, отсюда и необычная мощность низкоплотностных коровых пород под желобами (рис. 22.5). Хесс назвал эту структуру тектогеном. Идея опередила свое время, но в конце концов, когда появилась теория тектоники плит, устарела (хотя я помню, как встречал ее в некоторых учебниках для колледжа, изданных в 1960-х гг., – до того как тектоника плит заставила переписать все книги). Бениофф считал, что может существовать что-то вроде тектогенной складки коры, создающей погружающуюся зону землетрясений, однако почти никто не представлял их истинной причины. Прошло почти два десятка лет, прежде чем зоны Вадати – Бениоффа послужили ключом к ответу на еще более масштабную загадку.
Рис. 22.5 Концепция тектогена, представленная Гарри Хессом в 1938 г. Изгиб земной коры под океаническим желобом, который должен был объяснить низкую гравитацию и повышенную мощность (толщину) пород земной коры в этом регионе, а также погружающуюся зону сейсмичности, зафиксированную Вадати и Бениоффом. SIAL – породы земной коры, состоящие из кремния и алюминия; SIMA – мантийные породы, состоящие из кремния и магния. Воспроизведено с изменениями из статьи: H. H. Hess, «Gravity Anomalies and Island Arc Structure with Particular Reference to the West Indies,» Proceedings of the American Philosophical Society, 79 (1938):71–96
Фрагмент головоломки № 3: Холодная под давлением
В течение многих лет геологи наносили на карты породы Береговых хребтов Калифорнии. Во многих местах находили специфическое метаморфическое вещество голубого цвета, которое назвали голубым сланцем (рис. 22.6). Этот материал обладает такой же сильной плоскостной листоватостью (повторяющимся чередованием слоев), что и сланцы других видов, но редко встречается на планете и сначала был обнаружен, помимо Береговых хребтов Калифорнии, только в Японии. Геологи изучили под микроскопом образцы толщиной 30 микронов и заключили, что этот сланец состоит из особых минералов. Одним из них был уникальный богатый натрием голубоватый глаукофан (в переводе с греческого «выглядящий сине-зеленым») из группы амфиболов. Хотя глаукофан был впервые описан на греческих Кикладских островах в Эгейском море, глаукофановые сланцы Калифорнии вскоре стали гораздо известней. Голубыми сланцами (англ. blueschist) эти породы неофициально называли многие геологи, однако в публикациях данный термин не встречался до 1962 г., когда его употребил в реферате сотрудник Геологической службы США Эдгар Херберт Бейли.
Рис. 22.6 Классический голубой сланец, состоящий из тонколистоватых глаукофана, лавсонита и других голубых минералов. Предоставлено Син-Ти Ли (C.-T. Lee)
Другой необычный минерал был обнаружен в голубых сланцах на полуострове Тибурон в округе Марин (штат Калифорния) в 1895 г. Он получил название лавсонит – в честь Эндрю Лоусона, одного из основателей геологической программы Калифорнийского университета в Беркли (давшего также название разлому Сан-Андреас и руководившего изучением землетрясения в Сан-Франциско в 1906 г. – см. главу 23). Минерал обнаружили два его ученика – Чарльз Палач и Фредерик Рэнсом, которые и отдали дань своему наставнику. Вскоре геологи собрали длинный перечень необычных минералов, встречающихся в голубых сланцах, но их происхождение оставалось полной загадкой. Попадались и другие минералы – например, синий со стальным оттенком кианит из группы алюмосиликатов и жадеит из группы пироксенов (когда говорят о ювелирных изделиях из жада, то под ним подразумевается жадеит или нефрит).
Только в 1940–50-х гг. удалось синтезировать некоторые важнейшие минералы метаморфических пород. Используя лабораторные печи с чрезвычайно высокой температурой и высоким давлением, геологи подвергали образцы нагреву и давлению, а затем смотрели, какие минералы получались в результате такого воздействия. С помощью этого метода смогли установить, что некоторые метаморфические минералы подобны геобарометрам и геотермометрам. Благодаря лабораторным данным известно, что они образуются только в определенном диапазоне температур и давлений, поэтому их наличие в любой метаморфической породе говорит нам о параметрах внешних сил, влияние которых испытал данный материал.
Таким образом исследователи (в частности, финский геолог Пентти Эскола в 1939 г.) смогли определить, что породы, которые долгое время назывались зелеными сланцами из-за содержащихся в них зеленых по цвету минералов (слюдоподобные хлориты, эпидоты, а также тремолит и актинолит из группы амфиболов), подвергались испытанию относительно низкими температурами и давлениями (2–8 килобар и всего 330–500 ℃). Если какая-либо горная порода погружается в земную кору глубже, она достигает области промежуточных давлений и температур (4–12 килобар и 500–700 ℃). Породы, испытавшие метаморфизм средней степени, геологи относят к амфиболитам, потому что, как правило, эти образования богаты так называемой роговой обманкой (магматическим веществом) из группы амфиболов. Наконец, порода может опуститься в самую глубокую часть континентальной коры, где действуют экстремальные давления (6–14 килобар) и температуры (не менее 700 ℃), которые обеспечивают самую высокую степень метаморфизма. Эти породы характерны гнейсовой текстурой, иногда их называют гранулитами. Породы всех трех типов образуются в результате регионального метаморфизма – например, при столкновении континентов, когда вздымаются колоссальные горные пояса (вроде современных Гималаев). Материалы, испытавшие неглубокое захоронение, превратятся лишь в зеленые сланцы; оказавшиеся ниже станут амфиболитами; а те, которые уйдут на многие километры в земную кору и в корневые части гор, – гранулитовыми гнейсами.
Такова схема образования большинства метаморфических пород планеты, и распределение их специалисты надежно закартировали и тщательно изучили. А как насчет голубых сланцев? Почему в них содержатся специфические минералы? Почему они оказались такими редкими и встречаются лишь в нескольких районах – на греческих островах, в Береговых хребтах Калифорнии, на побережье Японии и еще кое-где? Это оставалось загадкой в течение многих лет. В 1939 г. над данным вопросом и задумался Пентти Эскола, который подозревал, что голубые сланцы – это породы высокого давления, потому что они выглядели как промежуточное звено по отношению к уже известным породам высокого давления – например, эклогитам (которые, как мы теперь знаем, зарождаются вблизи мантии). В конце 1950-х гг. иные геологи полагали, что ассоциация жадеита и кварца из некоторых голубых сланцев представляет собой аналог хорошо изученных зеленых сланцев, но сформированных при высоких давлениях.
Наконец, в начале 1960-х гг. стэнфордский геолог У. Гэри Эрнст и другие ученые провели решающие лабораторные эксперименты, чтобы выяснить, в каких условиях образуются редкие минералы (такие как глаукофан и лавсонит), а также минеральная ассоциация голубых сланцев в целом. После многих лет тестирования ответ появился, но он мало что прояснил: при чрезвычайно высоком давлении (более 4–6 килобар), но при относительно низких температурах (ниже 400 ℃). Это не могло не озадачить. Обычно горные породы, погруженные достаточно глубоко, чтобы оказаться под воздействием такого высокого давления, также и «жарятся» при высоких температурах. Как образовалась порода, «холодная под давлением», которая, по-видимому, никогда не нагревалась до высокой температуры, несмотря на испытанное воздействие? И каким образом горная порода смогла выбраться из глубин земной коры, где на нее оказывался такой «прессинг», и подняться на поверхность? И почему образцы нашли только в Береговых хребтах Калифорнии и еще в нескольких местах планеты?
Появился, таким образом, еще один фрагмент головоломки. Но пока не хватало слишком многого, чтобы сложить всю картину.
Фрагмент головоломки № 4: Хаотично перемешанные породы
Десятилетиями геологи наносили на карту многие непонятного происхождения породы Береговых хребтов Калифорнии к югу от Сан-Франциско до Сан-Луис-Обиспо, используя обозначение «францисканская формация» (термин, предложенный самим Эндрю Лоусоном). Однако у этих пород не было простых стратиграфических соотношений «слоистого торта», и они не демонстрировали значительной выдержанности на расстояние, как настоящие осадочные формации. Наоборот, «францисканские» породы выглядели сильно деформированными и «нашинкованными», словно их измельчили в блендере. Из-за такого внешнего вида они получили название «меланж» – от французского mélange – «смесь» (рис. 22.7). Типичные породы включали много слоев глубоководных сланцев и кремнистых образований, а также турбидитные песчаники (глава 15), хотя все эти слои были расчленены и деформированы, и потому их не удавалось проследить на сколько-нибудь значительном расстоянии. Коренная порода часто резко менялась при переходе от одного тектонического блока к другому. Наблюдалось также много необычных обнажений. Во многих местах Береговых хребтов встречались офиолиты (глава 2), однако только в 1970-х гг. ученые признали в них фрагменты океанической коры. В процессе метаморфизма они превратились из базальта в волокнистый зеленовато-черный минерал, известный как серпентин (из-за гладкой текстуры, напоминающей змеиную кожу). Это породило большое количество серпентинита – породы, состоящей из серпентина (и других минералов типа асбеста). Кроме того, серпентины выветривались, превращаясь в почвы, богатые магнием; прижиться на этих почвах могли только некоторые виды растений. Еще более необычными были крупные фрагменты голубого сланца: лишь в 1960-х гг. ученые определили, что они появились в результате воздействия высоких давлений, но при условии относительно низких температур.