История Земли в 25 камнях: Геологические тайны и люди, их разгадавшие - Дональд Протеро
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.
Рис. 22.7 Типичное обнажение меланжа, сильно раздробленного и хаотичного. Из прибрежных обнажений ниже Сан-Симеона и Херст-касла в Калифорнии. Фото автора
Каким образом эти породы были так сильно рассланцованы и искромсаны? Почему эти меланжи обнаруживаются только в считаных местах – прежде всего в Береговых хребтах Калифорнии? И почему они полностью состоят из причудливой смеси глубоководных отложений, офиолитов и голубых сланцев – образований, которые крайне редко встречаются в других условиях? Загадка оставалась нерешенной в течение первой половины ХХ в. К началу 1960-х гг. фрагменты головоломки уже почти сложились, но еще никто не мог рассмотреть общую картину.
Решение № 1: Субдукция ведет к орогенезу
На основе первоначальных представлений о мантийной конвекции и возможном дрейфе континентов возникло логичное предположение. Плиты, образовавшиеся там, где магма поднимается к поверхности, должны каким-то образом погружаться в мантию там, где погружаются течения в верхнем ее слое. Это подразумевается на диаграмме (рис. 8.2) из новаторского для того времени учебника геологии Артура Холмса 1944 г. Холмс писал о плитах:
Они должны тонуть в глубинах, так как им больше некуда двигаться. Именно это, вероятнее всего, должно происходить, когда два противоположных течения сойдутся и повернут вниз под покровом из базальтового состава. На дне проявлением такого опускания базальтового слоя будет океаническая впадина. Огромные впадины, окаймляющие гирлянды островов Азии и Австралазийской дуги (Тонга и Кермадек), вероятно, представляют собой случай, когда сиалический край континента повернулся вниз, образуя внутренний склон впадины, в то время как дно океана формирует внешний склон…
При такой крупномасштабной конвективной циркуляции базальтовый слой становится своего рода бесконечной конвейерной лентой, на поверхности которой может переноситься континент, пока он не остановится (относительно ленты), когда его движущийся фронт достигает места поворота ленты вниз и исчезает в земле.
Если учесть, что это было написано задолго до появления большинства доказательств тектоники плит, текст Холмса звучит удивительно современно. Ученый не только предугадал спрединг морского дна и описал поднимающуюся из его зоны «бесконечную конвейерную ленту» базальтовой океанической коры, но и понял, как именно она погружается обратно в мантию. Его концепция, по сути, объясняет процесс субдукции, хотя сам термин тогда не фигурировал.
Еще в 1939 г. Дэвид Григгс выдвигал гипотезу, согласно которой погружающиеся ниже океанических желобов зоны землетрясений, возможно, свидетельствуют о сдвигании одной плиты под другую вдоль конвекционных течений. По словам Григгса, ведущие сейсмологи были «согласны с тем, что очаги глубоких землетрясений в Тихоокеанском регионе, по-видимому, находятся на плоскостях, наклоненных примерно на 45° относительно континентов. Возможно, эти землетрясения вызываются скольжением конвекционных потоков вдоль поверхностей».
Четко описал тот же процесс Гарри Хесс в своей знаменитой «геопоэтической» статье 1962 г. (см. главу 21). Он рассматривал дно океана как эфемерную материю,
