Это краткое описание формирования земной коры несколько упрощено, особенно в отношении континентальной коры. Не все континентальные породы состоят просто из лав зон субдукции — многие из них переплавились и трансформировались во время горообразования и других геологических явлений. Конечный продукт — континентальная кора, содержащая широкий спектр различных типов горных пород. Как указывалось в главе 2, хорошей аналогией может служить дистилляция, которая дает итоговый продукт, сильно отличающийся от исходного материала. С течением геологического времени эти процессы привели к образованию континентальной коры, которая обычно имеет толщину 30–40 километров, что в несколько раз больше, чем у океанической. Низкая плотность континентальных пород позволяет им «плавать» над плотной океанской корой, которая глубже погружается в твердую, но пластичную мантию.
Поскольку континентальная кора не проходит через процесс субдукции, она в среднем существенно старше, чем океаническая. Самые старые части морского дна расположены по окраинам Атлантического и Тихого океанов: им «всего» примерно 200 миллионов лет, в то время как некоторые части материков ведут счет на миллиарды. Одно из следствий описанных процессов корообразования состоит в том, что материки со временем должны были расти в размерах, и это, безусловно, было верно на ранних стадиях истории Земли. Но даже если континентальная кора не может погружаться в мантию непосредственно, на нее действует эрозия. В далеком прошлом нашей планеты поднимались и рассыпались в пыль крупные горные хребты. Материалы после разрушения в основном попадают на дно океана в виде отложений; когда океаническая плита дойдет до зоны субдукции, большая часть этого материала попадет в мантию (хотя часть «соскребется» и снова окажется на континенте; вот почему альпинисты обнаруживали морские окаменелости на самой вершине Эвереста). Вулканизм зоны субдукции увеличивает объем континентальной коры, а эрозия и субдукция его уменьшают.
Теория тектоники плит не только помогла ученым понять современные геологические процессы, такие как вулканизм и сейсмичность, но и радикально изменила их взгляды на прошлое. До этого крупномасштабные горизонтальные перемещения частей земной коры (подобные тем, что описывал Вегенер в своей теории дрейфа материков) казались невозможными. Сегодня понятно, что они являются естественным результатом тектоники плит. Это не только объясняет, почему породы в Африке и Южной Америке, разделенные тысячами километров океана, кажутся частью одного геологического объекта, но и помогает понять близкое расположение в континентальной коре пород резко различного возраста и разной природы. Тектоника плит постоянно меняет географию океанов и континентов Земли, так что два фрагмента континентальной коры, которые сейчас находятся рядом, могли сформироваться на противоположных краях земного шара. Популярная книга Джона Макфи «Собирая Калифорнию» описывает, каким образом сложная геология западной части Северной Америки составлена из множества различных небольших кусочков континентальной коры, первоначально образовавшихся в отдаленных местах, но в итоге объединенных перемещением плит.
Как это происходило? Один из способов ответить на вопрос — рассмотреть классический пример: столкновение Индии и Азии (здесь взаимодействовали два больших массива суши, а не много мелких, как в случае западной части Северной Америки, но принцип тот же самый). Если посмотреть на мир около 90 миллионов лет назад (реконструкцию можно увидеть на рисунке 27), можно обнаружить, что Индия — отдельный небольшой материк южнее Азии, почти у побережья Африки. Между Индией и Азией лежал океан. Однако океаническая литосферная плита двигалась на север и погружалась под Азию, и вместе с ней в том же направлении двигалась лежащая на плите Индия. В конце концов около 50 миллионов лет назад оба материка соприкоснулись. Породы Индийского континента были слишком легкими и не могли погрузиться, поэтому они стали крошиться и переслаиваться с азиатскими породами, порождая самую высокую горную систему в мире — Гималаи. В результате столкновения были захвачены осадочные породы из океанского бассейна, и некоторые из них вознеслись высоко — отсюда и морские окаменелости на вершине Эвереста. Эти два материка и по сей день продолжают надвигаться друг на друга, и вызванные этим напряжения — причина полосы землетрясений в северной Индии и Тибете (рисунок 15).
Восстановить древнюю географию плит не всегда бывает просто. О столкновении Индии с Азией хорошо известно, поскольку оно произошло относительно недавно. С помощью рисунка магнитных полос на морском дне можно довольно точно отследить движения плит до времен самой древней океанической коры — примерно 200 миллионов лет назад. Этот рисунок известен для океанов всего мира, а возраст полос определили на основании наземных исследований, где такие периодические изменения магнитного поля зафиксированы для последовательностей хорошо датированных лавовых потоков. Сопоставляя наземные данные и океанические полосы, удалось установить точный возраст почти всех частей океанической коры, что дало геофизикам возможность реконструировать размеры и форму океанов (а также относительное положение континентов) в любой момент времени за последние 200 миллионов лет. В научных музеях популярны анимированные изображения этих процессов.
Однако определить передвижение плит в более ранние эпохи гораздо труднее, хотя и возможно. Если вы понимаете тектонику плит и, в частности, знаете характерные типы горных пород и геологические особенности, возникающие в различных тектонических условиях, то можно сделать разумные предположения о размещении материков в докембрии. В частности, в зонах субдукции образуются длинные линейные горные цепи (например, Анды), а когда в этих зонах сталкиваются два континента, появляются еще более впечатляющие массивы (например, Гималаи). Для таких массивов характерны определенные типы горных пород, и это дает возможность расшифровать происхождение древнейших горных хребтов в терминах перемещения литосферных плит. С помощью таких рассуждений ученые показали, например, что Уральские горы в России появились в результате столкновения между континентами — примерно 300 миллионов лет назад Сибирь столкнулась с Восточной Европой; и что Аппалачи на востоке Соединенных Штатов образовались еще раньше в результате серии столкновений между Северной Америкой, частями Африки и несколькими более мелкими фрагментами континентальной коры.
Но как далеко в прошлое мы можем заглянуть с таким анализом? Когда тектоника плит начала действовать в том виде, в котором мы ее сейчас знаем? Геофизики активно обсуждают эти вопросы, и летом 2006 года Геологическое общество Америки организовало конференцию, посвященную им. Встречу провели в Вайоминге, и дискуссии шли не только в конференц-залах, но и в полевых условиях среди древних скал — там, где большинство геологов предпочитает проверять свои идеи. Консенсуса к концу встречи добиться не удалось, однако общее мнение явно сместилось в сторону более раннего, а не более позднего начала тектоники плит. В последующие годы этот сдвиг продолжился.
Поскольку ключевым элементом перемещений плит является субдукция, то надежные подтверждения древней субдукции были бы четким указанием на тектонику плит. Некоторые геологи утверждали на теоретических основаниях, что субдукция в ее современном виде не могла происходить на гораздо более горячей Земле катархейского и архейского эонов. Конвекция в мантии тогда была мощнее современной, литосферные плиты двигались быстрее, а «теплая» океаническая литосфера, возможно, была слишком плавучей, чтобы легко подныривать. Сторонники этой точки зрения указывают, что в древних породах никогда не обнаруживаются некоторые метаморфические минералы, о которых известно, что они образуются в зонах субдукции.
Когда породы морского дна подныривают при субдукции, на них действует огромное давление, однако сами они остаются относительно холодными — в достаточной степени холодными, чтобы трескаться и вызывать землетрясения на больших глубинах, как мы видели ранее. Это означает, что метаморфизм в зонах субдукции относится к определенному типу, который геологи (вполне естественно) называют низкотемпературным метаморфизмом высоких давлений. Одним из диагностических минералов для метаморфизма такого типа является жадеит (часто используют термин жад[37]). Когда в следующий раз увидите красивое ожерелье из жадеита или темно-зеленую статуэтку из него в музее, — благодарите тектонику плит.
Кроме жада, существуют и другие диагностические минералы для низкотемпературного метаморфизма высоких давлений; ассоциации этих минералов обнаружены по всему миру в местах, где в недавнем геологическом прошлом были зоны субдукции. Как ни странно, практически все появления относятся к породам возрастом менее одного миллиарда лет. Причины непонятны, однако мало кто из ученых считает, что этот момент означает начало тектоники плит. Например, существуют породы архейского возраста, которые по геохимическим и геологическим признакам, по-видимому, были частью дуг вулканических островов — а такая схема связана с субдукцией. Сегодня такие дуги (примерами могут служить Алеутские и Марианские острова) образуются при столкновении двух океанических плит, когда одна уходит под другую. Древние кристаллы циркона также свидетельствуют, что условия низких температур и высокого давления, характерные для зон субдукции, возникали более 4 миллиардов лет назад.
Когда Марк Харрисон, геохимик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, работал с коллегами с кристаллами циркона, выделенными из кварцитов Западной Австралии (самыми старыми цирконами в мире), обнаружилось, что некоторые зерна содержат крошечные включения других минералов. С помощью специально созданных инструментов они смогли проанализировать эти включ