2: Розвиток теорії
- Page ID
- 35673
Континентальний дрейф гаряче обговорювався і продовжувався протягом десятиліть після смерті Вегенера, перш ніж він був значною мірою відхилений як ексцентричний, безглуздий і неймовірний. Однак, починаючи з 1950-х років, з'явилося безліч нових доказів, щоб відродити дискусію про провокаційні ідеї Вегенера та їх наслідки. Зокрема, чотири основні наукові розробки сприяли формулюванню теорії плит-тектоніки: (1) демонстрація міцності та молодості океанського дна; (2) підтвердження неодноразових розворотів магнітного поля Землі в геологічному минулому; (3) виникнення гіпотези про поширення морського дна та пов'язане з переробкою океанічної кори; і (4) точна документація про те, що світові землетруси та вулканічна активність зосереджені уздовж океанічних траншей та підводних гірських хребтів.
Картування дна океану
Близько двох третин поверхні Землі лежить під океанами. До 19 століття глибини відкритого океану багато в чому були предметом спекуляцій, і більшість людей вважали, що дно океану відносно рівне і безлике. Однак ще в 16 столітті кілька безстрашних мореплавців, взявши звуки ручними лініями, виявили, що відкритий океан може значно відрізнятися по глибині, показуючи, що дно океану не було таким плоским, як прийнято вважати. Океанічні дослідження протягом наступних століть різко покращили наші знання про дно океану. Тепер ми знаємо, що більшість геологічних процесів, що відбуваються на суші, пов'язані, прямо чи опосередковано, з динамікою дна океану.
«Сучасні» вимірювання океанських глибин значно збільшилися в 19 столітті, коли глибоководні зондування ліній (батиметричні дослідження) регулярно проводилися в Атлантиці і Карибському басейні. У 1855 році батиметрична карта, опублікована лейтенантом ВМС США Метью Морі, виявила перші свідчення про підводні гори в центральній Атлантиці (які він назвав «Середньою землею»). Пізніше це підтвердили оглядові кораблі, що прокладають трансатлантичний телеграфний кабель. Наша картина дна океану сильно загострилася після Першої світової війни (1914-18), коли ехолоти - примітивні гідроакустичні системи - почали вимірювати глибину океану, записуючи час, потрібний для звукового сигналу (зазвичай електрично генерується «пінг») від корабля, щоб відскочити від дна океану і повернутися. Часові графіки повернутих сигналів показали, що дно океану було набагато більш міцним, ніж вважалося раніше. Такі ехозондирующие вимірювання наочно продемонстрували безперервність і шорсткість підводного гірського ланцюга в центральній Атлантиці (пізніше названий Середньоатлантичним хребтом), запропоновану більш ранніми батиметричними вимірами.
Серединно-океанічний хребет (показаний червоним кольором) прокладає свій шлях між континентами так само, як шов на бейсболі.
У 1947 році сейсмологи на американському дослідницькому кораблі Atlantis виявили, що осадовий шар на підлозі Атлантики був набагато тонше, ніж вважалося спочатку. Вчені раніше вважали, що океани існують не менше 4 мільярдів років, тому осадовий шар повинен був бути дуже товстим. Чому тоді було так мало скупчення осадових порід і сміття на дні океану? Відповідь на це питання, яке прийшло після подальших досліджень, виявилося б життєво важливим для просування концепції тектоніки плит.
Комп'ютерна детальна топографічна карта сегмента Середньоокеанічного хребта. «Теплі» кольори (від жовтого до червоного) вказують на хребет, що піднімається над морським дном, а «холодні» кольори (від зеленого до синього) представляють нижні висоти. Це зображення (на широті 9° північ) є невеликою частиною Східно-Тихоокеанського підйому. (Зображення люб'язно надано Стейсі Тіге, Університет Род-Айленда.)
У 1950-х роках океанічні дослідження значно розширилися. Дані, зібрані океанографічними дослідженнями, проведеними багатьма народами, привели до відкриття того, що великий гірський хребет на дні океану практично оточував Землю. Цей величезний підводний гірський ланцюг називається глобальним середньо-океанічним хребтом - довжиною понад 50 000 кілометрів (км) і місцями більше 800 км поперечником - зигзаги між континентами, що прокладають свій шлях навколо земної кулі, як шов на бейсболі. Піднімаючись в середньому близько 4500 метрів (м) над морським дном, серединно-океанічний хребет затьмарює всі гори в Сполучених Штатах, крім гори Мак-Кінлі (Деналі) на Алясці (6194 м). Хоча глобальна система хребтів середини океану прихована під поверхнею океану, є найбільш помітною топографічною особливістю на поверхні нашої планети.
Магнітні смуги та полярні реверси
Починаючи з 1950-х років, вчені, використовуючи магнітні прилади (магнітометри), адаптовані з бортових пристроїв, розроблених під час Другої світової війни для виявлення підводних човнів, почали розпізнавати непарні магнітні варіації по дну океану. Ця знахідка, хоч і несподівана, не була зовсім дивною, оскільки було відомо, що базальт - багата залізом вулканічна порода, що становить дно океану, - містить сильно магнітний мінерал (магнетит) і може локально спотворювати показання компаса. Це спотворення було визнано ісландськими мореплавцями ще в кінці 18 століття. Що ще важливіше, оскільки наявність магнетиту надає базальту вимірювані магнітні властивості, ці нещодавно виявлені магнітні варіації надали ще один засіб для вивчення глибокого дна океану.
Запропоновано теоретичну модель формування магнітної смуги. Нова океанічна кора, що утворюється безперервно на гребені серединно-океанічного хребта, охолоджується і стає все старішою, оскільки вона віддаляється від гребеня хребта з поширенням морського дна (див. Текст): a. розкидання хребта близько 5 мільйонів років тому; б. приблизно від 2 до 3 мільйонів років тому; і c. сучасний.
На початку 20 століття палеомагнетисти (ті, хто вивчає давнє магнітне поле Землі) - такі як Бернар Брюнес у Франції (у 1906 р.) та Мотонарі Матуяма в Японії (у 1920-х роках) - визнали, що породи, як правило, належать до двох груп відповідно до їх магнітних властивості. Одна група має так звану нормальну полярність, що характеризується магнітними мінералами в породі, що мають таку ж полярність, як і у справжнього магнітного поля Землі. Це призведе до того, що північний кінець «стрілки компаса» скелі спрямований на магнітну північ. Інша група, однак, має зворотну полярність, на яку вказує вирівнювання полярності, протилежне існуючому магнітному полю Землі. У цьому випадку північний кінець стрілки компаса скелі буде вказувати на південь. Як це могло бути? Ця відповідь криється в магнетиті вулканічної породи. Зерна магнетиту - поводяться як маленькі магніти - можуть вирівнюватися з орієнтацією магнітного поля Землі. Коли магма (розплавлена порода, що містить мінерали та гази) охолоджується, утворюючи тверду вулканічну породу, вирівнювання зерен магнетиту «замикається», реєструючи магнітну орієнтацію або полярність Землі (нормальну або зворотну) в момент охолодження.
Центральна частина малюнка - що представляє глибоке дно океану з морем магічно видаленим - показує магнітну смугу (див. Текст), нанесену океанографічними дослідженнями на узбережжі Тихого Північно-Західного океану. Тонкі чорні лінії показують недоліки перетворення (розглянуті пізніше), які зміщують смугу.
Оскільки все більше і більше морського дна було відображено протягом 1950-х років, магнітні варіації виявилися не випадковими або ізольованими явищами, а натомість виявили впізнавані закономірності. Коли ці магнітні візерунки були нанесені на широкий регіон, дно океану демонструвало малюнок, схожий на зебру. Чергуються смуги магнітно різних порід викладалися рядами по обидва боки серединно-океанічного хребта: одна смуга з нормальною полярністю і прилегла смуга зі зворотною полярністю. Загальна картина, визначена цими чергуються смугами нормально і зворотно поляризованої породи, стала відома як магнітна смуга.
Поширення морського дна та утилізація океанічної кори
Відкриття магнітної смуги природно викликало більше питань: Як формується малюнок магнітної смуги? А чому смуги симетричні навколо гребенів середньо-океанічних хребтів? На ці питання не можна було відповісти, не знаючи також значення цих хребтів. У 1961 році вчені почали припускати, що серединно-океанічні хребти позначають структурно слабкі зони, де дно океану розривалося навпіл уздовж гребеня хребта. Нова магма з глибин Землі легко піднімається через ці слабкі зони і врешті-решт вивергається уздовж гребеня хребтів, щоб створити нову океанічну кору. Цей процес, пізніше названий розкиданням морського дна, що працює протягом багатьох мільйонів років, побудував систему хребтів середнього океану довжиною 50 000 км. Ця гіпотеза була підтверджена кількома лініями доказів: (1) біля гребеня хребта або поблизу нього скелі дуже молоді, і вони стають поступово старішими від гребеня хребта; (2) наймолодші скелі на гребені хребта завжди мають сучасну (нормальну) полярність; і (3) смуги скелі паралельні гребінь хребта чергувався в магнітній полярності (нормально-зворотно-нормальний тощо), припускаючи, що магнітне поле Землі багаторазово переверталося. Пояснюючи як зебраподібну магнітну смугу, так і конструкцію системи хребта середнього океану, гіпотеза поширення морського дна швидко отримала перетворення і представляла собою ще один великий прогрес у розвитку теорії тектоніки плит. Крім того, океанічна кора тепер стала цінуватися як природний «магнітний запис» історії розворотів у магнітному полі Землі.
Додаткові докази поширення морського дна надійшли з несподіваного джерела: розвідки нафти. У роки після Другої світової війни континентальні запаси нафти швидко виснажувалися, і пошук морської нафти тривав. Для проведення морських розвідки нафтові компанії будували кораблі, оснащені спеціальною буровою установкою і здатністю перевозити багатокілометрові бурильні труби. Ця основна ідея пізніше була адаптована при будівництві дослідницького судна під назвою Glomar Challenger, призначеного спеціально для морських геологічних досліджень, включаючи збір зразків бурового керна з глибокого дна океану. У 1968 році судно вирушило в щорічну наукову експедицію, перетинаючи Середньоатлантичний хребет між Південною Америкою та Африкою та пробуривши зразки керна в певних місцях. Коли вік зразків визначався палеонтологічними та ізотопними дослідженнями датування, вони надали клінічні докази, які довели гіпотезу про поширення морського дна.
Вище: Glomar Challenger був першим дослідницьким судном, спеціально розробленим наприкінці 1960-х років з метою буріння та взяття проб керна з глибокого дна океану. Нижче: Резолюція JOIDES - це глибоководне бурове судно 1990-х років (JOIDES = Спільні океанографічні установи для глибоководних відбору проб Землі). Цей корабель, який несе понад 9000 м бурильної труби, здатний до більш точного позиціонування та глибшого буріння, ніж Glomar Challenger. (Фотографії люб'язно надані програмою буріння океану, Техаський університет A & M.)
Глибоким наслідком поширення морського дна є те, що нова кора була і зараз постійно створюється вздовж океанічних хребтів. Ця ідея знайшла велику прихильність у деяких вчених, які стверджували, що зсув материків можна просто пояснити великим збільшенням розмірів Землі з моменту її утворення. Однак ця так звана гіпотеза «розширюється Землі» була незадовільною, оскільки її прихильники не могли запропонувати переконливого геологічного механізму для створення такого величезного, раптового розширення. Більшість геологів вважають, що Земля мало змінилася, якщо взагалі, в розмірах з моменту свого утворення 4,6 мільярда років тому, піднімаючи ключове питання: як можна безперервно додавати нову кору уздовж океанічних хребтів без збільшення розмірів Землі?
Це питання особливо заінтригувало Гаррі Хесса, геолога Прінстонського університету та контр-адмірала військово-морського резерву, та Роберта Дітца, вченого з американського узбережжя та геодезичної зйомки, який вперше придумав термін поширення морського дна. Дітц і Гесс були серед невеликої жменьки, які дійсно розуміли широкі наслідки поширення морського дна. Якщо земна кора розширювалася вздовж океанічних хребтів, міркував Гесс, вона повинна скорочуватися в іншому місці. Він припустив, що нова океанічна кора безперервно поширюється подалі від хребтів транспортерним стрічковим рухом. Через багато мільйонів років океанічна кора врешті-решт спускається в океанічні траншеї — дуже глибокі вузькі каньйони уздовж краю басейну Тихого океану. За словами Гесса, Атлантичний океан розширювався, а Тихий океан скорочувався. Коли стара океанічна кора споживалася в окопах, нова магма піднімалася і вивергалася вздовж розкинутих хребтів, утворюючи нову кору. Фактично океанічні басейни постійно «перероблялися», з одночасним створенням нової кори та руйнуванням старої океанічної літосфери. Таким чином, ідеї Гесса акуратно пояснили, чому Земля не стає більшою з поширенням морського дна, чому на дні океану так мало накопичується осад, і чому океанічні породи набагато молодші за континентальні породи.
концентрація землетрусів
Протягом 20 століття вдосконалення сейсмічних приладів та більш широке використання приладів для реєстрації землетрусів (сейсмографи) у всьому світі дозволили вченим дізнатися, що землетруси, як правило, зосереджені в певних районах, особливо вздовж океанічних траншей та розкидання хребтів. До кінця 1920-х років сейсмологи почали ідентифікувати кілька помітних зон землетрусу паралельно траншеям, які зазвичай були нахилені на 40-60° від горизонталі і протягнулися на кілька сотень кілометрів у Землю. Ці зони пізніше стали називатися зонами Вадаті-Беніофф, або просто зони Беніоффа, на честь сейсмологів, які вперше їх визнали, Кійо Вадати з Японії і Уго Беніоффа з США. Вивчення глобальної сейсмічності значно просунулося в 1960-х роках зі створенням Всесвітньої стандартизованої сейсмографної мережі (WWSSN) для контролю за дотриманням договору 1963 про заборону надземних випробувань ядерної зброї. Набагато вдосконалені дані з приладів WWSSN дозволили сейсмологам точно відображати зони концентрації землетрусів у всьому світі.
Ще в 1920-х роках вчені відзначали, що землетруси зосереджені в дуже специфічних вузьких зонах (див. Текст). У 1954 році французький сейсмолог Дж.П. Роте опублікував цю карту, що показує концентрацію землетрусів уздовж зон, позначених точками і перехресними штрихованими ділянками. (Оригінальна ілюстрація, відтворена з дозволу Лондонського королівського товариства.)
Але яке значення мала зв'язок між землетрусами і океанічними окопами і хребтами? Визнання такого зв'язку допомогло підтвердити гіпотезу про поширення морського дна, вказуючи на зони, де Гесс передбачив утворення океанічної кори (уздовж хребтів), і зони, де океанічна літосфера занурюється назад у мантію (під траншеями).