В основе современных наук о Земле лежит представление о тектонике плит – особенностях движения «плит» (фрагментов литосферы) по условной «поверхности» Земли, точнее, по поверхности ее астеносферы – верхнего слоя мантии. Этот процесс часто называют «континентальным дрейфом». На протяжении этого весьма краткого времени (с 1912 примерно по 1967 год) теория «континентального дрейфа» была сформулирована, обоснована, отвергнута и вновь восстановлена, по новым данным, уже в качестве основы современной планетологии.

Юрий Аммосов, Советник руководителя Аналитического центра при Правительстве РФ

 Более подробно об истории тектоники см.: Yount, Lisa. Alfred Wegener: Creator of the Continental drift theory. Chelsea House, 2009 (общий обзор); Frankel, Henry R. The continental drift controversy. Vol.I–IV. Cambrindge University Press, 2012 (подробное исследование.

«Материки» и «континенты» в географическом понимании не тождественны «плитам». Например, континент Австралия значительно меньше своей Австралийской плиты. Континент Евразия занимает сразу несколько плит – Евразийскую, Индийскую, Аравийскую, Амурскую, Охотскую, Янцзы, Сунда. А континент Африка, находящийся на Африканской плите, распадается на Нубийскую и Сомалийскую плиты, которые отделяются друг от друга, образуя межконтинентальный разлом на полуострове Африканский Рог. Термин «континентальный дрейф», или «дрейф материков», поэтому не вполне точен. Он возник, по-видимому, в 1924 году, когда английские переводчики книги «Die Entstehung der Kontinente und Ozeane» (нем. «Происхождение континентов и океанов») не вполне точно переложили термин Verschiebung (нем. «смещение») как Continental drift (англ. «дрейф континентов»). «Смещением» автор книги, германский метеоролог Альфред Вегенер (1880–1930), называл горизонтальное передвижение континентов. Вегенера принято считать основоположником современной тектоники.

Вегенер был далеко не первым ученым, кто предположил, что поверхность Земли не остается неизменной. Морские окаменелости, которые обнаруживаются в горных породах на значительной высоте, легко наблюдаются в местностях вокруг Средиземного моря. Раковины в горных известняках упоминаются еще в «Корпусе Аристотеля», а мыслители Нового времени в XVI–XVII веках спекулировали теориями о возможных причинах этого явления.

Сходство береговой линии Африки и Южной Америки бросилось в глаза географам в эпоху Великих географических открытий одновременно с появлением карт Атлантического океана. Первое мнение о том, что Африка и Америка некогда были единым целым, высказал в 1596 году фламандский географ и картограф Абрахам Ортелий, более известный как создатель формата «географический атлас» и составитель первого атласа в истории. Ортелий заметил, что описание гибели Атлантиды у Платона может на самом деле быть описанием разделения двух континентов (Romm, James. A New Forerunner for Continental Drift. Nature 367, February 3, 1994).

В 1620 году Фрэнсис Бэкон в «Новом Органоне» ссылался на береговые линии Африки и Америки как на очевидное для читателя сходство: «…в самом строении мира – в его больших частях – нельзя пренебречь примерами подобия. Таковы Африка и Перуанская область с континентом, простирающимся до Магелланова пролива, ибо и та и другая области имеют подобные перешейки и подобные мысы, а это неслучайно» (Бэкон, Фрэнсис. Великое восстановление наук. XXVII. М., Соцэкгиз, 1935).

Представление о том, что Земля не является однородным каменным шаром, также возникло достаточно рано, даже если не считать мнений греческих философов о том, какой первоэлемент находится в ее центре. Рене Декарт в середине XVII века уже описывал Землю, состоящую из четырех слоев, хотя это было еще умозрительное описание, основанное на выводах из его теории материи, движения и Вселенной (Декарт, Рене. Первоначала философии. ч.4.).

Между второй половиной XVIII века и первой половиной XIX века геология и смежные науки (минералогия, палеонтология) стали накапливать опытные данные, которые потребовали осмысления. Принципиальные вопросы, которые возникающая наука о Земле пыталась решить в это время, были о темпах геологических изменений и о природе земли.

Первую теорию формирования земной коры предложил в конце XVIII века уже упомянутый создатель теории «нептунизма» Абрахам Готлоб Вернер. Вернер считал базальт илом сильно минерализированного первобытного океана, который некогда покрывал всю Землю, а остальные породы – продуктами преобразований базальта.

Исследование вулканических явлений, в особенности учеником Вернера Александром Гумбольдтом, позволило сформулировать альтернативную теорию «плутонизма» о вулканическом происхождении пород. Впервые ее выдвинул Джеймс Хаттон около 1795 года, но пик ее развития падает на 1820-е годы. В ходе дебатов нептунистов и плутонистов начало возникать понимание различий осадочных, вулканических и метаморфических пород (в современной науке эти виды пород рассматриваются как три части общего тектонического цикла).

Хаттон также сформулировал явно принцип научной геологии, который состоял в том, что облик земли формируется естественными силами, присущими самой Земле, и продолжает формироваться и в настоящее время. Хаттон полагал, что Земля существовала вечно и постоянно обновляется.

То, как именно действуют эти естественные силы, также было предметом дебатов. Жорж Кювье, один из основателей палеонтологии, считал, что окаменелости и рельефы со смещением пород говорят о существовании предыдущих эпох, уничтоженных катастрофами. Кювье считал, что именно так объясняется, например, обнаружение мерзлых туш мамонтов в Сибири: замерзшее животное умерло и было покрыто мерзлым грунтом от резкого и продолжительного понижения температуры. Эта теория получила название «катастрофизма». Кювье сформулировал ее в ряде работ, опубликованных с 1796 года по 1826 год, затем ее развивали последователи Кювье.

Альтернативная теория утверждала, что геологические процессы идут крайне медленно. Эту теорию развернуто сформулировал и аргументировал между 1826 и 1850 годом Чарльз Льюэлл, автор сводного труда «Основы геологии». В «Основах геологии» были резюмированы и развернуты сформировавшиеся к этому моменту знания по стратиграфии и геологическим регионам. Фактически Льюэлл создал этим геологию как самостоятельную науку со своим предметом, методом и объединяющей теорией постепенных и очень медленных изменений. Взгляды Льюэлла сформировались из изучения вулканов и ледников. Льюэлл обратил внимание, что ледники движутся заметно, но крайне медленно, а вулканы несут признаки формирования в несколько стадий. В частности, Льюэлл обнаружил, что Везувий извергался и до известного из античной истории извержения, уничтожившего Помпеи. Льюэллу принадлежит введение понятия «геологическое время».

Концепция Льюэлла получила название «актуализм» (в англоязычной литературе более распространено название «униформизм»). Интересно отметить, что Чарльз Дарвин был последователем Льюэлла и рассматривал свою теорию эволюции как биологический эквивалент униформизма, а Льюэлл длительное время критиковал ее, считая, что необходимые изменения по Дарвину не могут протекать так быстро, как это предполагают данные палеонтологии. В XIX веке существовали две условные школы актуализма: прогрессизм, предполагавший, что в истории Земли могут чередоваться более и менее интенсивные геологические эпохи, и перманентизм, согласно которому океаны и континенты существовали всегда и не изменялись, помимо береговых линий. Теорию перманентизма с 1848 года развивал американский геолог Джеймс Дана из Йельского университета. Большинство геологов XIX века предполагали, что карта Земли всегда была более или менее неизменной, менялся только уровень моря и рельеф.

Возраст Земли исходно был предметом более или менее умозрительных оценок. М.В. Ломоносов в середине XVIII века оценивал возраст Земли в несколько сотен тысяч лет. Кювье получил возраст 75 тысяч лет экспериментально, охлаждая терреллу – миниатюрную модель Земли. Чарльз Дарвин в «Происхождении видов» (1859) оценил со ссылкой на данные Льюэлла о меловых отложениях Южной Англии, что вымирание динозавров произошло 300 млн лет назад. По современным представлениям, K-T вымирание произошло 66 млн лет назад.

Джон Томпсон-Кельвин предпринял в 1862 году попытку определить возраст Земли, приняв ее за излучающее тело, остывающее из расплавленного состояния, и определив теплопроводность Земли на основе температурного дифференциала в шахтах. В результате Кельвин получил очень небольшое значение – не более 200 млн лет, а в 1897 году сократил возраст Земли до 24 млн лет. Причина этого расхождения стала очевидна достаточно скоро, когда был открыт радиоактивный распад и предположено существование конвекции мантии – ни то ни другое явление Кельвин в своем расчете не учел.

Когда Эрнест Резерфорд открыл период полураспада, была создана основа для изотопных датировок, и первую датировку провел сам Резерфорд осенью 1904 года. Образец камня, датированный по содержанию гелия (результат альфа-распада радия), показал возраст 40 млн лет – почти вдвое больше расчетов Кельвина. По воспоминаниям Резерфорда, на его докладе присутствовал Кельвин, и молодой нобелевский лауреат был очень обеспокоен, как патриарх физики воспримет новость о разгроме своей датировки:

Я дошел до важного места и увидел, как старый орел встрепенулся, открыл глаза и вперил в меня грозный взгляд! Тут на меня снизошло внезапное вдохновение, и я сказал: «Лорд Кельвин ограничил возраст Земли, при условии, что не будет обнаружен новый источник данных. Это пророческое изречение относится к тому, что мы рассматриваем сегодня, – к радию!» И глядь, старик улыбается мне (Eve, Arthur Stewart. Rutherford: Being the Life and Letters of the Rt. Hon. Lord Rutherford, O. M. The University Press, 1939. Пер. с англ. Ю. Аммосова).

В течение нескольких лет было получено достаточно данных, что возраст Земли следует исчислять миллиардами лет, и «геологическое время» приняло современный вид. Наиболее значительный вклад в создание радиогеохронологии внес ученик Уильяма Струтта-Рэли, геофизик Артур Холмс (его сводная работа «Возраст Земли» была опубликована в 1913 году). Он же первым предположил, что в мантии могут существовать конвекционные процессы, переносящие тепло и перемещающие континенты.

К концу XIX века сформировались представления о строении Земли.

Гравиметрические измерения в Гималаях, которые проводил Джордж Эверест в 1854 году, показали, что ожидаемая масса гор оказалась больше расчетной. Архиепископ Калькутты Джон Генри Пратт и глава Гринвичской обсерватории Джордж Эйри предложили для объяснения этого явления концепцию «корней гор», уходящих ниже уровня земной коры. Общим для моделей Пратта и Эйри было предположение, что земная кора на больших глубинах под давлением проминается или прогибается (концепция вязкой мантии сложилась позже). По Пратту, «корни» всех гор находятся на одном уровне, но более высокие горы сложены менее плотными породами; а по Эйри, при равной плотности горных пород более массивные горы имели более глубоко погруженные корни. По современным представлениям, это не взаимоисключающие, а взаимодополняющие модели. В 1889 году американский геолог Кларенс Даттон назвал это явление «изостазией». Изостазия позволила объяснить ряд непонятных ранее явлений, в том числе постепенное поднятие уровня побережья Фенноскандии (Норвегии, Швеции и Финляндии), которая освободилась от ледника только несколько тысячелетий назад. На рубеже XIX–XX веков изостазия была принята как одна из основных геологических теорий.

На рубеже XIX–XX веков технология сейсмографов улучшилась в достаточной мере для того, чтобы использовать их для системных глобальных наблюдений. Первый сейсмограф маятникового типа разработал в Британии Джеймс Форбс в 1844 году (Dewey, James; Byerly, Perry. The Early History of Seismometry (to 1900). Bulletin of the Seismological Society of America. Vol. 59, No. 1. February, 1969). Ключевое открытие о строении Земли сделал сейсмолог Ричард Олдэм, обнаруживший в конце XIX века три типа сейсмических волн (первичные P-волны, вторичные S-волны и поверхностные волны). В 1906 году Олдэм описал кольцевую тень вокруг эпицентра землетрясения, связанную с преломлением первичных волн и поглощением вторичных ядром Земли (Oldham, R. D. The Constitution of the Interior of the Earth, as Revealed by Earthquakes. Quarterly Journal of theGeological Society 62 (1–4), 1906).

По ширине этого кольца от 11 570 км до 15 570 км от эпицентра, или от 104° до 140° Олдэм определил диаметр ядра Земли примерно в 40% от диаметра Земли. Существование под литосферой полужидкой мантии было сперва принято за «обоснованное предположение». 8 октября 1909 года хорватский сейсмолог Андрий Мохоровичич обнаружил при анализе землетрясения в Покупье «поверхность Мохоровичича» – зону, в которой скорость прохождения продольных сейсмических P-волн скачкообразно менялась. Поверхность Мохоровичича находилась на глубине от 5 км до 70 км и зеркально повторяла рельеф местности над ней, что подтвердило гипотезу о пластичной мантии и проникающих в нее «корнях гор».

В 1909 году Бернар Бруне во Франции впервые обнаружил образец древней лавы, чье палеомагнитное поле было направлено в обратном направлении – северный на юг, а южный на север. Палеомагнетизм способен фиксировать направление доменов (магнитных диполей) в ферросодержащих породах. Если порода нагревается до точки Кюри – например, в момент извержения вулкана, – она теряет намагниченность, но по мере остывания магнитное поле делало ее магнитной снова, ориентируя домены по линиям магнитного поля в момент застывания. Это явление повторно исследовал в 1926 году на материале маньчжурских базальтов японский геолог Мотонори Матуяма. Исследования Матуямы и Бруне установили, что магнитное поле Земли, создаваемое железно-никелевым ядром Земли, в прошлом несколько раз меняло полярность с севера на юг.

Так сложились современные представления о строении Земли – за исключением представления о условно «вязкой» верхней части мантии, астеносфере. Ее существование предположил в 1914 году профессор геологии Йеля Джозеф Баррел, но экспериментально астеносферу удалось обнаружить только анализом сейсмоданных от сверхмощного чилийского землетрясения Вальпараисо 1960 года.

Что именно изменяло рельеф, оставалось неочевидным, и для этого в XIX–XX веках предлагались две теории. Согласно одной, Земля расширяется; согласно другой – сжимается. Сторонники расширения предлагали несколько механизмов расширения (тепловое, аккреционное и т.д.), сторонники сжатия в основном исходили из предположения о постепенном остывании Земли. Обе гипотезы сосуществовали параллельно, подвергались критическому анализу, и ни одна из их многочисленных версий не дала удовлетворительного объяснения наблюдаемым фактам.

С появлением тектоники плит спекуляции на тему расширения или сжатия Земли утратили актуальность и были преданы забвению: новая теория решала все проблемы. Но лишь несколько лет назад данные, полученные опытным путем, продемонстрировали, что Луна и Меркурий сжимаются, а вот радиус Земли как раз практически не изменяется (NASA/Jet Propulsion Laboratory. It’s a small world, after all: Earth is not expanding, NASA research confirms. ScienceDaily. ScienceDaily, 17 August 2011; Than, Ker. The Moon Has Shrunk, and May Still Be Contracting. Newfound features hint moon has gotten smaller in recent past. National Geographic News, 19.08.2010; Redd, Nola Taylor. Tiny Planet Mercury Is Shrinking Fast. Space.com). Не исключено, что именно наличие у Земли активной тектоники, которой не наблюдается у других небесных тел Солнечной системы, и позволяет ей сохранять стабильный размер. Но для данного очерка важно отметить, что обе эти теории применялись для объяснения явлений, которые в будущем охватила теория Вегенера.

В 1858 году Антонио Снайдер-Пеллегрини описал гипотетическую катастрофу, в ходе которой в каменноугольном периоде континент Атлантида разделился, образовав Атлантический океан – что, по его мнению, объясняло общие окаменелости в каменных углях всех континентов. Механизм этого разделения он не описал, но, по-видимому, он исходил из предположения о расширении Земли. В 1880-х годах гипотезу о едином суперконтиненте Снайдера-Пеллегрини и его распаде вследствие расширения Земли продолжил итальянский геолог Роберто Мантовани, чья последняя работа по этому вопросу относится к 1909 году.

Ведущий австрийский геолог, профессор Венского университета Эдуард Зюсс создал в 1880-х годах на основе представления о «сжимающейся Земле» развернутую теорию, согласно которой в геологической истории Земли океаны и континенты многократно чередовались: одни части континентов опускались, становясь океанами, другие поднимались, становясь континентами. Зюсс первым, хотя и по неверным причинам, предположил, что Средиземное море – остаток древнего океана, которому он дал имя Тетис. Этот океан, по Зюссу, разделял два древних суперконтинента, Атлантиду и Гондваналенд. Именно гипотетическое существование Гондваналенда, по Зюссу, объясняло наличие в окаменелостях всех континентов глоссоптериса (это дерево раньше именовалось «древовидным папоротником», сейчас его относят к голосеменным, его ближайшие родственники – хвойные, гингко и саговая пальма) (Suess, Eduard. Das Antlitz der Erde. Vol.1–3, 1885–1909).

Наконец, в 1908 году американский гляциолог Фрэнк Барсли Тейлор высказал гипотезу о горизонтальном смещении континентов. По мнению Тейлора, процессы горообразования не могут быть объяснены только за счет вертикального смещения пластов, и те горные хребты, которые он изучал, могли возникнуть лишь вследствие колоссального бокового сжатия. Тейлор отказался от гипотез о расширении и сжатии Земли и предположил, что процесс смещения континентов был вызван гравитационным воздействием Луны. Изначально континентальная масса, по Тейлору, была сосредоточена на полюсах, и притяжение Луны стянуло континенты к экватору, где они сдавили друг друга. Взгляды Тейлора были очень близки взглядам Вегенера, и первый этап теории «континентального дрейфа» часто называют «гипотезой Тейлора – Вегенера».

В этом состоянии находилась геологическая наука, когда Альфред Вегенер в 1912 году выступил со своей версией «происхождения континентов и океанов» за счет смещения континентов по горизонтали.

Вегенер получил образование математика-астронома и после завершения образования начал заниматься быстро развивавшейся метеорологией. Его сферой интересов была Гренландия. Вегенер был опытным полярным исследователем, побывал в нескольких экспедициях, поставив несколько рекордов своего времени, ввел в практику забор проб воздуха с аэростатов и кернение льда. Теория континентального дрейфа была для Вегенера чем-то вроде профессионального хобби. Он развивал ее с 1912 по 1926 год сначала в статьях, а потом в книге, которую регулярно переиздавал по мере сбора нового материала, но никогда не занимался ею как своей основной деятельностью. Общественное внимание теория Вегенера привлекла к себе в середине 1920-х годов, когда Вегенер уже значительно развил свою теорию.

Отправной точкой теории Вегенера было неприятие идеи «перешейков», которые, по общепринятому на тот момент мнению, периодически соединяли континенты, когда уровень моря падал – именно в эти периоды континенты обменивались ископаемой флорой и фауной. Вегенер обратил внимание, что если теория изостазии верна, то «перешейки» не смогут существовать. Вегенер также указал, что открытие радиоактивных элементов позволяет предположить, что Земля подогревается изнутри за счет выделения энергии радиоактивного распада, а следовательно, нет необходимости предполагать ее остывание и сжатие. Вегенер исходил из предположения, что Земля всегда обладала примерно одинаковой площадью поверхности и соотношением океанов и континентов.

Далее, Вегенер обратил внимание на выделенные Зюссом два химически различных слоя: менее плотная, в основном гранитная толстая континентальная кора («сиал» – SiAl, от науч.-лат. «алюмосиликаты») и более плотная, в основном базальтовая тонкая океанская кора («сима» – SiMa, от науч.-лат. «магний-силикаты»). Континенты, сложенные сиалом, лежат на слое сима, который под давлением начинает вести себя как очень вязкая жидкость, и по этой подложке континенты перемещаются, вытесняя океан в другие места и изменяясь при распаде и столкновениях. Вегенер проанализировал геодезические данные для хорошо знакомой ему Гренландии и других точек Северной Атлантики за столетие и вывел значения смещения от 8 метров до 36 метров в год (Wegener, Alfred. Die Entstehung der Kontinente und Ozeane. Druck und Verlag von Friedr. Vieweg & Sohn. 1920. Kap. 7, s.127). По современным данным, Вегенер ошибся на два порядка, реальные скорости плит в этих точках составляют 2–3 сантиметра в год.

Вегенер считал, что двигаются континенты с прилегающим континентальным шельфом, а гладкие и плоские абиссальные равнины океанов – это поверхность, по которой они ползут. Современная тектоника плит знает, что плиты заканчиваются у срединных хребтов океанов – в этом ее ключевое отличие от взглядов Вегенера. Примечательно, что в ранних трудах Вегенера возникает мысль о возможности разрыва океанской коры по срединным хребтам, но в последующих изданиях он по совету рецензентов от нее отказался – и, как показало будущее, совершенно напрасно. Но Вегенер еще не располагал теми данными, которые в изобилии получило следующее поколение геологов, зато максимально использовал и обработал все уже доступные ему сведения.

Вегенер собрал за несколько изданий книги большой объем данных, подтверждавших перемещение континентов. Помимо распространения окаменелостей глоссоптериса в каменноугольный период, он собрал сведения о распространении пермских пресноводных мезозавров и триасских листразавров и циногнатов. Вегенер обратил внимание на распространение на всех континентах сухопутных дождевых червей наряду с наличием географически разделенных видов (улитки, пресноводные окуни) и эндемиками определенных континентов (сумчатые Австралии). Вегенер собрал сведения о сходстве горных пород и географических формаций по предполагаемым границам разлома континентов (в том числе по обоим берегам Северной и Южной Атлантики) и совпадение орогений вплоть до хребтов, которые разделены океанами – в частности, Каповы горы в Южной Африке и Сьерра-де-ла-Вентана в Аргентине. Он также обратил внимание на морену (слои мелких камней-голышей, характерный след движения ледников) на плоскогорье Декан в Индии и на тропические окаменелости на Шпицбергене.

На основе этих и массы других данных Вегенер реконструировал следующую палеогеографию мира. В верхнем палеозое (каменноугольный и пермский периоды) и нижнем мезозое (триас) на Земле существовал только один суперконтинент (нем. Urkontinent), которому Вегенер дал название Пангея (гр. «Вся Земля»), возможно, где-то заимствованное. Пангею окружал мировой океан Панталасса (гр. «Все Море»). Между 200 и 180 млн лет назад, в юрском периоде, Пангея распалась на два континента, между которыми открылся океан Тетис. Вегенер назвал южный континент Гондвана вслед за Зюссом, а название северного континента Лавразия предложил его последователь, главный геолог южноафриканской компании «Де Бирс» Александер Дютой в 1937 году. На рубеже мелового и третичного периода, 65 млн лет назад, все современные континенты отделились друг от друга, за исключением Австралии, еще не до конца отделившейся от Антарктиды. Индийский субконтинент в это время находился значительно южнее и двигался к Азии, с которой впоследствии столкнулся, создав Тибет и Гималайские горы. Эта палеореконструкция Вегенера в основном совпадает с современной; главное отличие в том, что Вегенер считал, что в третичном периоде прецессия полюсов сильно сместила земную ось и климатические пояса на всех континентах.

Вегенер не стал рассматривать вопрос, что за сила двигает континенты, высказав гипотезы о силе Кориолиса, «бегстве от полюсов» (смещении масс к экватору за счет вращения Земли и гравитации), приливной силе, конвекции в слое SiMa, и заметив, что «геология еще ждет своего Ньютона».

Научное сообщество обратило внимание на теорию Вегенера в начале 1920-х годов, когда книга Вегенера вышла уже третьим изданием. У Вегенера появилось некоторое количество сторонников. Уже упомянутый Артур Холмс подал Вегенеру идею, что конвекция, двигающая континенты, происходит в мантии. Александер Дютой совершил в 1923 году экспедицию в Южную Америку, засвидетельствовал, что стратиграфия осадочных формаций Бразилии – копия стратиграфии Трансвааля, и указал на ряд ошибок Вегенера, исправление которых сделало его теорию еще достовернее.

Коллега Дютоя Реджинальд Дэли, создав гипотезу об астеносфере, помог решить проблему, на которую указывали критики Вегенера. Если океанские SiMa-базальты настолько пластичны, что гранитные SiAl-континенты двигаются по ним, то океанские хребты и глубоководные желоба (например, Марианский желоб с впадиной Челленджера, самой глубокой точкой Мирового океана) не могут существовать – они должны сглаживаться, как абиссальные равнины, а этого не наблюдается. Дэли предположил, что находящаяся под слоем SiMa астеносфера Баррела сходна со стеклом: хрупка при механических нагрузках, но при высокой температуре и под постоянным давлением приобретает пластичность (современные представления об астеносфере несколько отличаются от тех, что сформулировал Дэли).

Еще один сторонник Вегенера, голландский геолог Виллем ван Ватерсот ван дер Грахт, обнаружил признаки существования океана, который закрылся в период каледонской орогении (ордовик и начало девона) – в современных реконструкциях это океан Япет. Явление, которое обнаружил Ван дер Грахт, в тектонике плит получившее название «цикл суперконтинентов» – примерно раз в 200–500 млн лет плиты Земли сходятся в кластер-суперконтинент, который затем снова распадается. Закрытие океана Япет, по принятой сейчас реконструкции возникшего в результате распада свыше полумиллиарда лет назад суперконтинента Паннотия, создало Пангею Вегенера. «Цикл суперконтинентов» описал геолог следующего поколения, один из создателей тектоники плит Джон Тьюзо Уилсон – в чью честь цикл получил имя «цикл Уилсона».

Но в основном геологи и Европы и США приняли теорию Вегенера в штыки. Так как метеоролог Вегенер вторгся на чужую территорию и так как исследование Вегенера было метаисследованием (опиралось не на его собственную полевую работу, а на исследование научной литературы), заслуженные геологи исходно сформировали к нему отношение как к дилетанту в зоне не своей компетенции. Интересно, что критики Вегенера атаковали его с позиций научного прогресса: сейсмолог Бэйли Уиллис, сторонник «концепции перешейков», заявил, что теория Вегенера отстала от современной науки, как физика до работ Пьера и Марии Кюри. В 1926 году Ван дер Грахт собрал в Нью-Йорке симпозиум для обсуждения теории Вегенера. Единственными, кто на этом симпозиуме подержал Вегенера, были Ван дер Грахт и Тейлор – остальные геологи оказали Вегенеру честь, тщательно и серьезно раскритиковав его со всех сторон и точек зрения. Главным упреком, который симпозиум объявил Вегенеру, было то, что Вегенер подходит к фактам избирательно, отбирая только те, что ложатся в его теорию. Вегенер подгоняет решение под задачу, и поэтому считать такой подход научным нельзя, решил симпозиум.

Вегенер, по-видимому, был не сильно обескуражен этой критикой. В 1929 году он выпустил последнее издание «Происхождения континентов и океанов» и занялся подготовкой очередной, четвертой по счету, гренландской экспедиции – замерять сейсморазведкой толщину ледового щита в самом центре острова. В экспедиции 1930 года он и скончался от сердечного приступа во время тяжелой зимовки.

После смерти Вегенера «континентальный дрейф» рассматривали всерьез только немногие сторонники Вегенера, а для большинства геологов-ортодоксов это была маргинальная теория, научное шутовство. Одни профессора вовсе не рассказывали о ней студентам, другие только отпускали о ней шуточки. Но если бы Вегенер прожил еще тридцать лет, он мог бы дожить до нового триумфа своей теории – который резко приблизила Вторая мировая война и еще больше холодная война.

Вторая мировая война, как и Первая, была полем интенсивной подводной войны против транспортных маршрутов и боевых кораблей противников. В холодной войне подводные лодки также значили очень много – и как средство уничтожения авианосцев, и как в дальнейшем подводные ракетоносцы. Использование подводных лодок привело к резкому улучшению акустической разведки и созданию эффективных сонаров и магнитометров, способных обнаруживать вражеские субмарины по отраженному эху. Но эти же приборы стали применяться в океанографии – рельеф океанского дна было необходимо знать для ведения подводной войны. А появление ядерного оружия потребовало серьезного улучшения средств сейсморазведки, которые бы позволили фиксировать ядерные испытания. Это были и более чувствительные сейсмографы, и новые сейсмостанции в местах, где противника не заслоняла акустическая «тень Олдэма» от ядра Земли. Бюджеты наук о Земле значительно выросли, улучшилось и материальное оснащение, и лабораторно-приборная база. Теперь это был вопрос обороны, а значит, науку стали финансировать не скупые частные спонсоры, а щедрые государственные бюджеты. И в результате в 1940–1950 годах океанографы, в первую очередь в США, получили огромный объем новых данных – на несколько порядков больше довоенного. А когда эта критическая масса накопилась. стали очевидными несколько поразительных феноменов.

В 1930-е годы сейсмолог Морис Эвинг, сторонник геологической ортодоксии, обнаружил, что земная кора на дне океанов крайне тонка и практически не содержит гранита – так, как и следует ожидать по теории Вегенера.

В середине 1950-х годов американские геологи Аллан Кокс, Ричард Доэл и Брент Дальримпл провели палеомагнитный анализ пород, как континентальных, так и кернов с океанского дна, с целью понять, как регулярно меняется магнитное поле земли. В 1959 году была опубликована первая палеомагнитная шкала, из которой стало ясно, что в истории планеты чередуются хроны – периоды прямой и обратной полярности. Хроны могут продолжаться от нескольких сотен тысяч (в наше время) до пары десятков миллионов лет (меловой период). Магнитное поле между хронами меняется очень быстро, за несколько сотен или даже десятков лет. Сначала его интенсивность падает в 10–20 раз, а затем снова начинает расти, но уже с обратной полярностью.

В 1952 году сотрудники Эвинга по океанографическому центру Колумбийского университета Брюс Хезен и Мэри Тарп, составляя по данным сонаров карту Северной Атлантики, обнаруживают, что Срединный Атлантический хребет состоит из двух цепочек вершин с ущельем между ними – точно так, как и должны выглядеть долины разломов в земной коре на континентах Земли. Сообщается, что ортодокс Хезен, поняв по профилю Тарп, что именно перед ним, возопил: «Не может быть, это же дрейф континентов». Дополнив свою карту сведениями о землетрясениях, Хезен и Тарп выяснили, что эпицентры землетрясений выстраиваются по тем же линиям, четко показывая местонахождение разломов коры, и огромное множество их постоянно происходит под водой, вдоль срединных хребтов.

Осенью 1956 года Хезен и Тарп под руководством Эвинга, теперь уже бывшего ортодокса, сообщают на заседании Американской геофизической ассоциации, что все подводные хребты мира формируются по сторонам трещин в земной коре, причем некоторые из них переходят в наземные долины разломов – например, депрессия Афар в Эфиопии уходит в Красное и Аравийское море. Долины, судя по всему, не что иное, как «неисцелимые раны» в земной коре, откуда постоянно изливается горячая лава, создавая новую земную кору. Благодаря этому открытию Тарп смогла попасть в первую в жизни океанографическую экспедицию – до этого она изучала океан только на суше по записям с приборов, женщин на борт исследовательского судна в США до 1965 года не брали.

В 1955 году Кит Ранкорн из Кембриджа обнаруживает, что палеомагнитные данные европейских пород различного возраста указывают на миграцию магнитного полюса. Оказалось, что в Европе эти микроскопические «компасы» постепенно поворачиваются так, как будто в протерозойский эон северный магнитный полюс находился на Гавайях, а с третичного периода примерно там, где сейчас. Магнитный полюс Земли действительно мигрирует в пределах хрона, но, с одной стороны, намного быстрее, со скоростью от 10 км до 50 км в год, а с другой – за все время наблюдений он ни разу не покидал полярного круга. Представить, что железно-никелевое ядро Земли, создающее магнитное поле, отклонилось от полюса на 70°, сложнее, чем вообразить смену его полярности или дрейф континентов – гироскопический момент ядра Земли колоссален. Когда Ранкорн отправился в экспедицию в США, проблема снялась: американские камни того же возраста имели совершенно другую магнитную ориентацию. Магнитные полюса не сдвигались. А значит, сдвигались сами континенты.

В тех же 1955–1956 годах океанографы Рональд Мейсон и Артур Рафф из океанографического центра Скриппс в Ла-Хойе (Южная Калифорния) сняли магнитные карты Восточно-Тихоокеанского хребта. Вдоль сторон хребта тянулись симметричные полосы противоположной магнитной полярности, делая его в черно-белом изображении похожим на спину зебры.

Накопленной информации уже было достаточно, чтобы декан геологического факультета Принстона, океанограф Гарри Хесс, собравший в годы Второй мировой войны лучшую в мире базу данных по океанскому дну, и его коллега военный океанограф Роберт Диц предположили, что конвекция в астеносфере выдавливает лаву через срединные разломы, раздвигая плиты земной коры. Более теплая лава поднимается выше уровня хребта и стекает по обе его стороны. Так создается новая полоска земной коры вдоль хребта и двигаются плиты земной коры. Одновременно в других местах, где идет столкновение фрагментов коры, кора дробится и осыпается в мантию. Так поддерживается круговорот вещества в Земле (этим Хесс поставил крест на теориях и сжатия, и расширения Земли).

В 1963 году Фредерик Вайн и Драммонд Мэтьюс из Кембриджа и независимо от них Лоренс Морли из Торонто объяснили на основе теории Хесса и Дица о расширении океанского дна, откуда на нем магнитные полосы «зеброй». Полосы противоположной полярности вдоль подводных хребтов отмечают даты, когда была создана эта часть земной коры. Остывая, лава намагничивается, и по шкале Кокса – Доэла – Дальримпла можно определить ее датировку. Теорию очень быстро подтвердили, исследовав новые океанские хребты: полосы шли вдоль них, причем точно по шкале палеомагнетизма. В геологии, которая до этого была в основном описательной наукой, стала возникать способность предсказывать неизвестные явления.

Один из этих исследователей, уже известный нам Джон Тьюзо Уилсон, завершил формирование тектоники плит в 1965 году статьей «Новые классы разломов и их влияние на континентальный дрейф». В этой статье Уилсон впервые ввел термин «плита» для фрагмента коры, перечислил семь основных литосферных плит и описал три типа разломов между ними: дивергентный, где плиты расходятся и создается новый океан, если разлом идет по континенту, или новая земная кора океанского дна, если это срединный хребет; конвергентный, где плиты сходятся и океанская часть плиты, более плотная, подныривает под континентальную (субдукция), а ее расплавленный материал создает на континенте вулканическую дугу, а в океане – цепочку вулканических островов (в редких случаях, когда встречаются две континентальных части, земная кора утолщается и создаются геологически активные высочайшие горы – например, от столкновения плит Индии и Евразии сформировались Гималаи); трансформный, когда плиты как бы трутся друг о друга боками, создавая по длине разлома поперечные трещины и землетрясения на их концах; классический пример такого разлома – известный по кинематографу Сан-Андреас в Калифорнии (в кино любят показывать, как находящиеся вдоль разлома Сан-Андреас Сан-Франциско, Силиконовая долина и Голливуд проваливаются на дно Тихого океана, но именно это с трансформным разломом не может произойти никогда).

Незадолго до этого Уилсон дал объяснение происхождению Гавайских островов. По Уилсону, на этом месте земного шара по какой-то причине существует стабильный хотспот, или «султан мантии» – восходящий конвекционный поток мантии, разогревающий земную кору. Плита тем временем движется своим чередом, и в том месте, где находится хотспот, возникает, а потом тухнет вулкан. Потухшие вулканы разрушаются эрозией и постепенно уходят под воду, превращаясь в гайоты – подводные горы с плоской вершиной. За главным островом Гавайи с вулканом Мануа-Кеа, высочайшей горой мира (10 км, если мерить от подводной подошвы до вершины), тянется цепочка из 129 вулканов, которые постепенно превращаются из островов в Императорские подводные горы, доходящие до самой Камчатки. Возраст самого старшего из них – 82 млн лет.

В 1966 году создание тектоники плит было в основном завершено, что закрепили три конференции, прошедшие с апреля 1966 по 1967 год. Участники научной революции сформулировали основные открытия и понятия, и в сентябре 1968 года статья «Сейсмология и новая глобальная тектоника» описала новую модель мобильной и «живой» Земли. Достижения американских геологов очень быстро разошлись и были приняты во всем мире как стройная теория устройства планеты Земля. В современной тектонике плит Земли остается еще много неясных и спорных мест, но в целом теория продолжает оправдывать себя. Самая глобальная гипотеза – о том, что литосферные плиты, собственно, движутся, получила подтверждение спустя почти полвека, когда GPS-датчики на всех континентах стали фиксировать векторы своего смещения.

Так Вегенер, мечтая о «Ньютоне геологии», сам посмертно стал этим «Ньютоном». Одновременно с созданием тектоники плит историк науки Томас Кун опубликовал свою книгу «Структура научных революций», где описал на примере научной революции XVI–XVII веков, как меняется научная парадигма. В гуманитарных науках не часто возникают доказательства предсказательной силы теории, но цикл, который прошла теория Вегенера, во многом похож на описанный Куном – и есть некая ирония истории в том, что, пока Кун описывал исторический цикл сдвига парадигмы, другой такой цикл стремительно завершался прямо по соседству с ним (Кун был профессором Принстона с 1964 года и, возможно, делил стол с первооткрывателем расширения океанского дна Хессом).

История Альфреда Вегенера – не единственное достижение, сделанное на досуге. Ньютонова механика также не была для алхимика Ньютона делом жизни. Пример Вегенера интересен тем, что он демонстрирует: у целеустремленных дилетантов есть собственное особое место в развитии человеческой мысли. Они не обладают глубиной специалистов, но способны на широту, которой лишены специалисты, и могут походя посягнуть на незыблемую ортодоксию, которой не замечают потому, что их глаз не замылен многолетними трудами в общепринятом направлении. Дилетанты не часто оказываются на своем месте и не часто оказываются правы, но иногда только дилетант способен сделать решающий шаг и «впасть, как в ересь, в неслыханную простоту» новой глобальной и истинной теории.

Другая книга, также сдвинувшая в свое время парадигму – на тот раз религиозную, справедливо заметила про такие ситуации: «Камень, который отвергли строители, сделался главою угла» (Евангелие от Матфея 21:42).

Источник: SLON.RU