Глава 6. Горообразование

Введение.

Мы знаем, что на Земле есть горы. Горы могут быть высокие и не очень высокие, молодые и старые. Собран огромный материал о том, как устроены недра земли, полученный в частности при бурении скважин на нефть и другие полезные ископаемые. По этим данным можно довольно точно установить возраст каждого слоя, условия его формирования, но совершенно невозможно понять какие силы способны проделать такую работу. Рассмотрим в качестве примера фундаментальное исследование Дж. Холла (1859):

«Идея о геосинклинали была впервые высказана Холлом (хотя само название «геосинклиналь» им не упоминалось) в его капитальном труде по геологии штата Нью-Йорк... Научный труд Холла был посвящён главным образом описанию палеозойских отложений в южной части территории штата, которые как он считал, обладают следующими характерными особенностями.

А. Большая мощность осадков (немного более 12000 м) сравнительно с осадочными толщами того же возраста, залегающими западнее за пределами Апалачского региона. Согласно представлениям Холла, открытое море располагалось на западе ( в центральной части территории США), а прибрежная зона — на востоке. В связи с этим он предполагал, что значительное накопление осадочного материала можно объяснить деятельностью течений, направленных с северо-востока параллельно берегу.

Б. Мелководные фасции (песчаники и т.д.). Холл был вынужден признать, что осадконакопление сопровождалось опусканием морского дна. Поскольку оба явления были явно тесно связаны, он относил прогибание морского дна за счёт веса осадков, но не дал точного определения механизма этого процесса. »

Итак, факты говорят, что кое-где земная кора послушно опускается даже под действием таких эфемерных нагрузок, как морские осадки и в то же время миллионы лет упрямо держит высокогорный Тибет и самые высокие горы планеты — Гималаи. Можно ли объяснить этот парадокс?

Можно! И этой теме посвящена настоящая глава. До тех пор пока не объяснён парадокс Холла, понять горообразование невозможно. Всякий раз, когда приходится рассматривать конкретные данные по строению верхнего слоя земной коры, парадокс Холла в том или ином виде проявляет себя.

Релаксация земной коры.

Первая мысль, которая приходит в голову, когда сталкиваешься с парадоксом Холла, звучит несколько непривычно, но по сути дела она совершенно естественна: в нормальном состоянии земная кора прекрасно держит всё, что на ней находится, но во время литосферных катастроф она несколько «размягчаются» и её рельеф стремится занять положение, соответствующее изостатическому равновесию; отдельные её зоны «размягчаются» настолько, что оказавшиеся там участки поверхности достигают уровня изостатического равновесия. В последнем случае, осадки, накопившиеся за 8-9 тысяч лет — мгновение в геологической истории, возвращаются в «исходное состояние» в связи с «опусканием морского дна». Можно ли, просто глядя на карту или глобус, а это основной метод исследования, принятый в теоретической географии, сказать, где находятся области, в которых рельеф в процессе грядущей литосферной катастрофы займёт положение, соответствующее изостатическому состоянию? Можно!

Возьмём в руки глобус и станем его поворачивать так, чтобы точки Южно-Атлантического разлома, являющиеся следом, оставленным Южным полюсом в ходе литосферной катастрофы, произошедшей 9300 лет назад, занимали положение Южного полюса. Легко заметить, что при переходе от одной точки Южно-Атлантического разлома к другой, глобус поворачивается фактически вокруг оси, проходящей через «центр Индостана», точку с координатами: 15o северной широты, 80o восточной долготы. В 15o от неё находится высочайшая на земле вершина Джомолунгма и высокогорное плато Тибет, следовательно, области, лежащие в районе оси, около которой происходит поворот литосферы при литосферной катастрофе, не теряют присущей им жёсткости. Рассмотрим высочайшие горы, расположенные на самой молодой кольцевой горной системе, проходящей через Гималаи, Кавказ, Альпы, Атласские горы,... Литосферные катастрофы, порождаемые льдами Гренландии и Антарктиды, будоражащие нашу планету вот уже несколько миллионов лет, стремились по мере возможностей загладить этот шов. Чтобы понять насколько успешно они справлялись с этой задачей, составим таблицу, содержащую имя, высоту в метрах и удаление от оси в градусах. Для измерения удаления воспользуемся циркулем. Устанавливая иглу циркуля в вершину горы на глобусе, а другую ножку в «центр Индостана», снимаем с глобуса длину хорды. Перенося её на экватор, находим эквивалентную ей «длину в градусах».

Таблица. Список высочайших вершин.
Имя вершины высота удаление от оси
Джомолунгма 8848 15o
Пик Коммунизма 7495 25o
Эльбрус 5642 42o
Монблан 4807 70o
Аконнагуа 6960 32o

Последняя вершина находится в Южной Америке, поэтому измерялось расстояние от неё до противоположного конца оси, расположенного в точке с координатами: 15o южной широты, 100o западной долготы. Если бы никакой связи между высотой и удалением от оси не было «цифры плясали» бы самым удивительным образом, но они ложатся на хорошую гладкую кривую, поэтому можно считать, что области, в которых земная кора находится в изостатическом положении, удалены от «центра Индостана» на 90o. Действительно, соответствующая этому определению окружность большого круга проходит по океанам.

Геомеханика.

Похоже, что эти рассуждения не так глупы, как это могло сразу показаться. По крайней мере они не настолько беспочвенны, как традиционные теории горообразования, согласно которым основной причиной, вызывающей образование гор является сжатие земной коры, а растяжение — ответственно за образование трещин и провалов. Сама идея о том, что сжатие способно формировать горы, восходит к Леонарду Эйлеру. Он первый исследовал этот вид неустойчивости и показал, что при определённых условиях сжатые оболочки теряют устойчивость и вспучиваются. Чтобы понаблюдать это достаточно сжать пальцами обычную игральную карту — она согнётся, но форма которую принимает карта чрезвычайно далека от формы хребтов и долин в горных системах. Представьте, что игральная карта сделана из камня и имеет толщину 70 километров, вы сжимаете её и от этого усилия на одной из её сторон образуются складочки высотой 1-2 километра, а ведь именно настолько возвышаются хребты над долинами даже в самых высоких горах. Ярого сторонника идеи «сжатия и растяжения» неплохо было бы поместить в металлическую оболочку, имеющую форму шара, дать ему всё, что он попросит, чтобы он мог изнутри растягивать и сжимать оболочку, как ему заблагорассудится. Цель: сформировать на наружной поверхности оболочки складки типа горных хребтов, возвышающиеся над поверхностью оболочки на 1-2% от её толщины. Когда говорят, что горные хребты могут образоваться в результате сжатия земли, подобно тому, как образуются складки на усыхающем яблоке, то говорят заведомую нелепость, потому что глубина складок на засыхающем яблоке во много раз превосходит толщину его кожицы, тогда как на земле всё как раз наоборот. Горные хребты — это величайший механический парадокс нашей планеты.

Хотя опыт с металлической оболочкой в принципе реализуем, вряд ли у кого возникают сомнения в том, что его следует осуществлять, потому что создать горные системы таким образом невозможно. Мы далеки от мысли воспользоваться этими неудачами, чтобы сделать вывод: раз учёные-физики не могут, пользуясь имеющимся у них сознанием и техническими достижениями эпохи, воспроизвести хоть что-нибудь напоминающее горные хребты, то горные системы Земли — продукт деятельности Высшего Разума, цели и методы Которого нам не дано понять. Напротив, мы уверены, что горные системы — это продукт бессмысленного «творчества» каких-то стихийных процессов, хорошо нам знакомых, но которые никто и никогда не рассматривал как возможный механизм горообразования на Земле.

Нужного вида складки возникают на поверхности металла, когда его пытаются сломать. Возьмите к примеру обычный гвоздь и начните его сгибать-разгибать в одном и том же месте. Через какое-то время на его поверхности появятся складки и вскоре он сломается, так как одно из образовавшихся ущелий распространится по всему сечению гвоздя.

Итак, мы нащупали основную модель геомеханики: горные хребты — это следствие бессмысленного закачивания огромных порций механической энергии, вызывающей сильное внутреннее напряжение земной коры. Порождаемые этими напряжениями усталостные деформации приводят к образованию горных хребтов, располагающихся в основном параллельно «линии сгибания».

Если бы земная кора была идеально однородной, то остаточные напряжения формировали бы чисто фрактальные системы горных хребтов, как результат игры «великого господина случая». Но поверхностные области земной коры имеют явно выраженную слоистость — результат накопления осадков и жизнедеятельности микроорганизмов, поэтому при несомненной фрактальности в малых окрестностях, структура хребтов частично упорядочивается, как бы учитывая особенности залегания более древних слоёв.

Кривизна литосферы.

Воспользуемся упрощённой моделью земной поверхности, согласно которой Земля имеет вид сплюснутого эллипсоида

(x/Re) 2 + (y/Re) 2 + (z/Rp) 2 = 1.

Кривизна гладкой трёхмерной поверхности выражается через кривизну линии. Нас будет далее интересовать только тот случай, когда линия задана параметрически x = j(t); y = y(t). В этом случае кривизна линии вычисляется по формуле

k = 1/R = (x'y' - y'x')/(x' 2 + y' 2)3/2.

Гениальный математик всех времён и народов Леонард Эйлер показал, что нормальная кривизна линии, проходящей через точку поверхности зависит от её направления; существуют два перпендикулярных направления, называемых главными, характеризующиеся двумя экстремальными значениями кривизны: максимальным и минимальным, называемые главными. Нормальная кривизна произвольной линии, проходящей по поверхности удовлетворяет уравнению Эйлера

k = k1 cos2j + k2 sin2j ,

где j — угол, образуемый линией с главным направлением для кривизны k1.

Ввиду симметрии эллипсоида вращения (он переходит сам в себя при отражении зеркале, когда плоскость зеркала проходит через ось вращения) одно из главных направлений проходит в направлении меридиана, следовательно, другое проходит перпендикулярно ему. Теперь мы можем вычислить кривизну литосферы в любой её точке. Полагая у = 0, получаем эллипс, проходящий в меридианальном направлении

x = Re sinq,

z = Rp cosq.

Пользуясь формулой для вычисления кривизны, получаем

R1(q) = (Re2sin2q + Rp2cos2q) 3/2/RpRe.

Эта формула небезынтересна. До этого мы, не задумываясь, полагали, что Rp — это радиус кривизны Земли в районе полюса, но в действительности это не так; Rp = 6356863 метров — это всего только расстояние от полюса до центра Земли, тогда как радиус кривизны следует вычислить, полагая в R1(q) величину q = 90o

R1(90o)= (Re) 2/Rp = 6399699 метров,

соответственно, на экваторе

R1(0o)= (Rp) 2/Re = 6335552 метров.

Для вычисления второго радиуса кривизны нам следует рассмотреть эллипсоид, возникающий при пересечении поверхности Земли плоскостью, проходящей перпендикулярно Гринвичскому меридиану, но для упрощения выкладок мы заменим её на ближайшую к ней плоскость, проходящую через центр Земли. Получающийся в этом случае эллипс

y = Re siny,

z = Rq cosy,

где Rq2 = (Re sinq) 2 + (Rp cosq) 2, подобен тому, который мы только что рассматривали (в новом эллипсе Rq играет роль Rp, а y — играет роль q), благодаря этому мы можем записать

R2(y) = (Re2sin2y + Rq2cos2y) 3/2/RqRe.

Нас будет далее интересовать только один радиус кривизны на этом эллипсе — R2(0), который является фактически вторым главным радиусом R2(q)

R2(q)= (Rq) 2/Re.

Радиус второй главной кривизны изменяется от (Rp) 2/Re = 6335552 метров, на полюсе, до (Re) 2/Re = 6378245 метров, на экваторе, то есть полюс — это наиболее плоская точка литосферы (R1 = R2 = 6399,699 км), а экватор, наоборот, зона в которой литосфера сильнее всего искривлена (R1 = 6335,552 км; R2 = 6378,245 км), поэтому при проходе зон, расположенных недалеко от полюса, через экватор в твёрдом объёме литосферы возникают огромные объёмные напряжения, производящие объёмные деформации, внутренние разрывы, о чём мы и будем далее говорить.

Горообразование типа Тибета.

Тибет расположен недалеко от экватора и от оси вращения. В процессе литосферной катастрофы он медленно и плавно поворачивается вокруг оси, проходящей через «центр Индостана», примерно на 90o. Из-за близости его к экватору, можно считать, что главные радиусы кривизны литосферы в районе Тибета те же самые, что и на экваторе (R1 = 6335,552 км; R2 = 6378,245 км), то есть кривизна в направлении север-юг соответствует радиусу в 6335,552 км, а кривизна в направлении запад-восток соответствует радиусу в 6378,245 км. Сейчас Тибет имеет форму эллипса, оси которого направлены по странам света, причём ось север-юг в два раза короче оси запад-восток. Когда поворот литосферы закончится эллипс Тибета окажется повёрнутым на 90o, и как бы повиснет, опираясь своей средней линией на более сильно искривлённый экватор. Западный и восточный края Тибета вследствие большей кривизны литосферы окажутся поднятыми по сравнению с их нынешним положением примерно на 0,5-1 километр, а средняя часть утонет примерно на столько же. В результате этого образуется громадная чаша, в которой начнёт скапливаться вода (в этой главе мы не можем вам объяснить почему, но позднее объясним, поэтому сейчас вы имеете право полагать, что нам просто очень хочется, чтобы всё было именно так).

В последующие 6-7 тысяч лет Тибет будет медленно погружаться в базальтовое основание Азиатской платформы до тех пор, пока не произойдёт следующая литосферная катастрофа, которая вернёт его в современное положение. И тут вдруг выяснится, что сильно искривившаяся за эти годы длинная ось эллипса Тибета, вернувшись в положение запад-восток, значительно поднимает платформу Тибета, опираясь на ранее выступавшие концы. Из огромной чаши начнёт выливаться вода: на восток — через Янцзы, на запад — через Инд. Джомолунгма окажется выше примерно на километр. С этого момента платформа Тибета начнёт постепенно проседать (она очень высока, поэтому она всё время погружается), пока не достигнет к следующей литосферной катастрофе того самого состояния, которое мы наблюдаем сейчас.

Соотношение осей эллипса Тибета естественно не случайно, оно определяется статикой Тибета в положении, когда он балансирует на экваторе (грубо говоря, в этой фазе процесса горообразования два равных круга уравновешивают друг друга на экваторе; размеры их определяются радиусами кривизны и модельными критериями, которые для обоих половин в этом процессе одинаковы).

Литосферные процессы максимальной релаксации.

В каком-то смысле прямо противоположные процессы происходят в областях максимально удалённых от «центра Индостана». При литосферной катастрофе эти области перемещаются таким образом, что направление главных кривизн сохраняется, изменяется только величина R1 и R2. По этой зоне проходит дно Атлантического океана в Западном полушарии и дно Тихого океана в Восточном, основное внимание мы уделим более близкому нам дну Атлантического океана. Благодаря сохранению направлений, вдоль которых располагаются две главные кривизны земного эллипсоида (максимальная и минимальная), дно Атлантического океана можно уподобить искривлённой широкой доске длиной 10 тысяч километров, которую медленно передвигают в направлении с севера на юг через экватором. Ввиду того, что главный радиус кривизны земного эллипсоида принимает минимально возможное значение R1 = 6335,552 км именно на экваторе и именно в направлении север-юг, «доска» постепенно вздымается над поверхностью южного полушария земного эллипсоида, поэтому сила тяжести периодически её «переламывает», что хорошо видно по серии поперечных долин пересекающих или врезающихся в срединный Северо-Атлантический хребет. В пределах первых десяти градусов, пока кривизна «доски» совпадает с кривизной «ухаба», «переламывания» не происходит, но затем, когда на экватор начинают поступать всё менее и менее искривлённые зоны, «доска» начинает переламываться всё чаще и чаще.

Северная часть Южно-Атлантического хребта тоже будет «переламываться», но позднее, когда станет проходить через окрестность Южного полюса, который, вначале разгибая, а затем снова сгибая эту зону Южно-Атлантического хребта, разломит его на довольно крупные куски. Это хорошо видно на карте Атлантического океана. Судя по карте, это всё таки не переломы дна океана, а перегибы, поскольку верхние слои дна не трескаются и не разрываются, а только изгибаются, выжимая вниз сильно разогретые пластичные зоны литосферы. После прохода через зону максимального искривления, расположенную на экваторе, «доска», перемещаясь во всё менее искривлённые широты, погружается в базальтовое основание литосферы и, постепенно всплывая под действием архимедовой силы, «разгибается» и расходится снизу примерно через 200-300 километров. Более жидкая и горячая лава, поступая в эти зоны, прогревает литосферу в этих местах, вследствие чего снимаются остаточные напряжения и происходит «релаксация». Внешне «релаксация» проявляется в том, что зоны хребта, оказавшиеся над областью «релаксации», тонут в литосфере и дно опускается до положения, соответствующего изостатическому равновесию, делая хребет похожим на тракторный след.

Там, где нет хребта, следов «релаксации не видно, тем не менее серия многочисленных перегибов дна Северной Атлантики, сильно размягчает эту область, в результате чего она занимает положение, соответствующее изостатическому равновесию.

Третий механизм горообразования.

Помимо двух уже рассмотренных: Гималайско-Тибетско-го, основанного на «ригидности», и Северо-Атлантического, основанного на «релаксации», необходимо рассмотреть ещё механизм наиболее ярко проявляющий себя где-то посредине между ними. Главная особенность областей этой зоны состоит в том, что они довольно далеко отстоят от «центра» Индостана, поэтому, с одной стороны, величины главных радиусов кривизны R1 и R2 изменяются для них в довольно широких пределах; а, с другой — ориентация главных осей кривизны монотонно изменяется, поворачиваясь в конце концов на 90o.

Чтобы понять какое влияние оказывает такой «поворот» на материал литосферы, рассмотрим следующий мысленный эксперимент. Изготовим из органического стекла разъёмную форму, повторяющую земную оболочку, и изготовим в ней модель литосферы из резины. Если мы теперь вырежем кусок резины из этой модели и, приложив её в другое место, начнём сдвигать внешнюю и внутреннюю оболочки модели из оргстекла, то увидим, что вначале кусок станет поворачиваться и он будет поворачиваться до тех пор, пока его главные оси кривизны не совместятся с главными осями кривизны формы, после чего резина начнёт изгибаться и растягиваться, принимая форму полости.

Сделаем вывод: при деформации оболочки, сопровождающейся поворотом осей кривизны, в материале появляются скручивающие напряжения.

Чтобы найти место на земле, где наиболее ярко проявляется действие скручивающих сил, надо выяснить от чего они зависят. При всей сложности этого вопроса его оказывается можно довольно быстро решить, пользуясь самым мощным оружием человека — здравым смыслом. Во-первых, сила скручивания зависит от угла поворота осей кривизны, и, во-вторых — от того насколько максимальная кривизна отличается от минимальной. Руководствуясь этими двумя идеями, мы быстро найдём окрестность, где следует искать нужное нам место.

В районе «центра» Индостана главные оси кривизны поворачиваются на 90o, однако разность главных радиусов кривизны незначительна. В районе срединного Северо-Атлантического хребта, напротив, главные радиусы изменяются значительно, но сами оси главной кривизны не поворачиваются. Следовательно, искомое место расположено где-то посредине. Но где посредине?

Для того, чтобы выяснить это, обратим внимание на следующую деталь: при повороте осей кривизны на 90o их направления совмещаются, поскольку направление главной кривизны, соответствующей R1, совмещается с направлением, соответствующим R2, и наоборот. Следовательно, скручивающие напряжения возрастают только до поворота на 45o, а далее меняют своё направление на противоположное и начинают убывать. Итак, искомая нами зона расположена на окружности большого круга, пересекающей экватор на долготе «центра» Индостана и наклонённая к экватору примерно на 45o. По этому описанию мы безошибочно узнаём Кольцевой планетарный разлом, а место, которое ищем — район Синайской пустыни.

Нам никогда не доводилось там бывать, но в Анталии, расположенной поблизости мы бывали. Меня потрясло то, что я там увидел, хотя остальные не обращали на это никакого внимания — горы там нарезаны идеально параллельными слоями одинаковой толщины. В одном месте, на вертикальной стенке я их даже измерил. Все слои были по 1 метру 24 сантиметра и это постоянство выдерживается на многие километры! Ясно, что эти слои сформировались в момент смены направления напряжённости скручивания на противоположное, но равное и столь же большое по величине. Материал литосферы не выдержал такого удара и по ней пронеслись трещины, расслоившие её на почти горизонтальные слои одинаковой толщины. Этот процесс, начавшись в Синайской пустыне, пронёсся со скоростью звука в камне по всему Кольцевому разлому планеты, высвобождая практически мгновенно огромнейшую энергию.

В результате материал мгновенно «расслабился», поэтому при дальнейшем повороте на 45o в нём снова возникли скручивающие напряжения, но уже в перпендикулярной плоскости, которые порвали горизонтальные слои поперёк, опять таки через равные, но более длинные интервалы. В результате и возникает поразившая моё воображение структура — горы как бы сложены из готовых строительных блоков, совершенно одинакового размера.

Что происходит в момент расслоения литосферы на поверхности земли представить невозможно. Поражающие факторы многочисленны: земля встаёт на дыбы, издавая вой бешенного шакала такой мощности, что мгновенно убивает, упавшего на землю человека; одновременно рвущиеся на большой площади слои литосферы порождают электрические разряды огромной мощности, даже радиация повышается, поскольку высвобождается заточённый в камне радиоактивный радон. Самое время рассмотреть литосферную катастрофу, как стихийное явление, грозящее всему роду людскому.