парначев

выполняются только вблизи активных центров спрединга. Гидротермальная циркуляция в океанской коре предполага-

лась достаточно давно: ее ярким свидетельством служат, в частности, высокая интенсивность и значительный разброс измеренных значений теплового потока в осевых зонах срединноокеанских хребтов (см. раздел 1.4). Однако самым сенсационным было открытие в 1970-е годы на океанском дне гидротермальных построек высотой первые десятки метров, представленных сульфидными рудами железа, меди, свинца, цинка и других металлов. Из этих построек фонтанируют струи горячих (более 350°С) растворов, которые, смешиваясь с окружающей водой, отлагаются вокруг источников. Такие океанские гидротермы получили название “черных курильщиков”. В последние годы, благодаря созданию в США, во Франции, в нашей стране и Японии глубоководных обитаемых аппаратов (ГОА) с глубиной погружения до 6000 – 6500 м, ученые получили возможность непосредственно наблюдать эти уникальные объекты.

Значимость результатов исследования “черных курильщиков” далеко выходит за рамки геологии. В числе прочего, вблизи “черных курильщиков” были обнаружены самообеспечивающиеся биологические сообщества, обитающие в среде с высокой температурой, без света и свободного кислорода, и, таким образом, было сделано одно из крупнейших биологических открытий последних лет.

Масштабы гидротермальной циркуляции в океане поистине колоссальны: она охватывает осевые зоны всей мировой системы срединно-океанских хребтов, т.е. площадь примерно 60 млн км2 (почти половину всей площади материков). Среднее расстояние между мелкими (шириной первые сантиметры) трещинами в молодой океанской коре равно примерно 30 см. Суммарная интенсивность гидротермальной циркуляции такова, что за сравнительно небольшой по геологическим масштабам промежуток времени около 8 млн лет происходит полный кругооборот всего объема воды Мирового океана через его базальтовую кору.

Значение гидротермальной циркуляции для формирования океанской коры состоит в том, что за счет нее образуется нижний подслой коры 3В, представленный серпентинизированными перидотитами, первично принадлежавшими верхней мантии (см. раздел 1.2.3). Механизм формирования подслоя 3В океанской коры состоит в следующем (рис. 3.3.5).

181

В рифтовых зонах срединно-океанских хребтов изотерма солидуса базальтов 1300°С близко подходит к поверхности и пос-

	Рифтовая долина
Океанское дно	Центр спрединга
Ñëîé 2
Подслой 3А		150 Ì Ïà
Ïîäñëîé 3Â	Магматическая	250 Ì Ïà
	камера

Окна серпентинизации	350°Ñ
	450°Ñ

Рис. 3.3.5. Схема формирования подслоя серпентинизированных перидотитов (3В) в океанской коре.

тепенно погружается с удалением от оси спрединга. По хрупким трещинам в литосферу проникает сверху океанская вода, которая реагирует с перидотитами верхней мантии, вызывая их серпентинизацию. Такая реакция идет в достаточно узком диапазоне температур (350 – 450°С) и давлений (150 – 250 МПа). Следовательно, наращивание океанской коры снизу подслоем 3В происходит в узких локальных зонах (полосах), отвечающих пересечениям соответствующих изотерм и изобар. Эти полосы расположены примерно симметрично относительно оси раскрытия срединно-океанского хребта. Новообразованные порции первично магматической океанской коры, в которой нижние горизонты пока еще представлены габбро, кристаллизовавшимся по стенкам магматической камеры (подслой 3А), отодвигаясь в процессе спрединга от оси хребта и магматической камеры, последовательно проходят через “окна серпентинизации”, наращивают здесь свою мощность за счет подслоя 3В, и кора, таким образом, приобретает “стандартный” разрез. Серпентинизация не может идти непосредственно под центром спрединга, так как расположенная здесь магматическая камера прогревает кору в глубинном интервале изобар 150 – 250 МПа до слишком высоких температур. Но в то же время “окна серпентинизации” не могут быть и сильно удалены от центра спрединга, поскольку здесь уже изотермы 350 – 450°С погружаются глубже интервала оптимальных давлений. Кроме того, в достаточно древней океанской коре отсутст-

182

вуют необходимые для гидротермальной циркуляции открытые трещины – они закупориваются сверху накапливающимися осадками 1-го слоя.

Океанская вода могла бы проникнуть в литосферу на значительно большую глубину, чем 5 – 6 км, и привести к серпентинизации гораздо большего объема верхней мантии, чем включает подслой 3В, но этому препятствуют свойства самого серпентинита. При давлениях свыше 250 МПа серпентинизированный перидотит верхней мантии становится пластичным, и в нем уже не могут развиваться хрупкие трещины. Таким образом, именно изобара 250 МПа, расположенная на 2 – 3 км глубже подошвы габбрового подслоя 3А, определяет подошву океанской коры, и именно по причине универсального механизма формирования океанской коры ее мощность на всем пространстве Мирового океана остается примерно постоянной и мало отличается от среднего значения 6,5 км (см. раздел 1.2.3).

Условия для серпентинизации верхней мантии существуют на разном расстоянии от осей быстро- и медленноспрединговых хребтов. В случае быстрого спрединга серпентинизация начинается дальше от рифтовой зоны, чем в случае медленного. Это связано с различным поведением изотерм в литосфере срединноокеанских хребтов с разной скоростью спрединга. Более того, чередование тектонической и магматической фаз в длиннопериодных циклах медленного спрединга (см. рис. 3.3.4) может привести к тому, что процесс образования подслоя 3В в тектонической фазе будет сопровождаться его частичным уничтожением (десерпентиниза-цией) в результате последующего разогрева коры в магматической фазе. По этой же причине кора на флангах соседних сегментов медленноспредингового хребта может быть серпентинизирована в различной степени.

Серпентинизация верхней мантии имеет еще одно важное следствие: она приводит к возникновению плотностной инверсии в нижней части океанской коры, связанной с дилатансией (разуплотнением) перидотита. Плотность серпентинизированного подслоя 3В на 0,2 – 0,6 г/см3 меньше плотности перекрывающих его слоев базальтов (2В – С) и габбро (3А). Эта плотностная инверсия может стать причиной аномального воздымания бортов рифтовой долины (рифтовых гор), а также “выжимания” серпентинитов по трещинам в верхние горизонты океанской коры.

3.4. Магнитные аномалии океанов

183

Яркой отличительной особенностью магнитного поля Мирового океана являются системы линейных (полосовых) аномалий разного знака, прослеживающиеся на сотни и тысячи километров параллельно срединно-океанским хребтам и симметричные относительно их гребней. На рис. 3.4.1 (см. вклейку) показан пример линейных магнитных аномалий Центральной Атлантики: компиляция результатов многолетних гидромагнитных съемок выполнена в 1998 г. группой российских геофизиков под руководством С.П. Мащенкова. Видно, что на огромном пространстве аномальное магнитное поле имеет удивительно упорядоченную структуру. Отдельные положительные и отрицательные магнитные аномалии группируются в полосы северо-восточного простирания, параллельные гребневой зоне Срединно-Атлантического хребта, причем последняя отмечается наиболее четкой положительной линейной аномалией с повышенной амплитудой.

Впервые эта уникальность океанского магнитного поля была обнаружена еще в 1950-х годах, но правильное объяснение природы линейных магнитных аномалий океана было дано только в 1963 г. английскими геофизиками Ф. Вайном и Д. Мэтьюзом. Оно получило по именам авторов название гипотезы (модели) Вайна – Мэтьюза и является одним из самых замечательных открытий геофизики XX века. Чтобы понять модель Вайна – Мэтьюза, надо вспомнить основы магнетизма горных пород (см. раздел 1.5) и представления о спрединге океанской коры (см. раздел 3.3).

Любая горная порода имеет кроме индуцированной (современной) еще и остаточную (древнюю) намагниченность, отличающуюся от первой направлением и интенсивностью. Вскоре после того, как начались массовые измерения намагниченности горных пород, было установлено, что остаточная намагниченность многих из них по направлению обратна современной. Обратная остаточная намагниченность, как и прямая, встречалась в породах любого возраста. Это позволило заключить, что главное магнитное поле Земли в течение геологической истории многократно меняло свою полярность, т.е. испытывало инверсии с периодом сотни тысяч – миллионы лет. Решающим эмпирическим доказательством инверсий служит тот факт, что горные породы одного возраста повсе-

184

местно обладают намагниченностью, соответствующей одной и той же полярности геомагнитного поля.

По мере накопления палеомагнитных данных были сос-

тавлены шкалы инверсий геомагнитного поля (или шкалы геомагнитной полярности). Первоначально они привязывались к относительной шкале геологического времени (такие шкалы назывались магнитостратиграфическими), но по мере прогресса в изотопной геохронологии (см. раздел 1.6) появилась возможность абсолютной датировки инверсий геомагнитного поля. Возрастала и древность датированных инверсий: первые шкалы геомагнитной полярности охватывали лишь близкие к современности интервалы (как, например, приведенная на рис. 1.5.5 шкала инверсий для последних 5 млн лет); позднее были созданы шкалы для большей части мезозоя и всего кайнозоя (160 – 180 млн лет), а к настоящему времени интервал изученных инверсий геомагнитного поля расширился на весь фанерозой и даже поздний докембрий (примерно 600 млн лет).

Вайн и Мэтьюз были не первыми, кто измерил линейные магнитные аномалии в океане, но именно они первыми предложили изящное и простое объяснение их природы, связав происхождение линейных магнитных аномалий со спредингом океанского дна, идущим на фоне периодических инверсий геомагнитного поля. Был предложен следующий механизм образования магнитоактивного слоя океанской литосферы (рис. 3.4.2).

Океанская кора формируется в рифтовых зонах на гребнях срединно-океанских хребтов за счет декомпрессии мантийного вещества, подъема базальтового расплава по вертикальным трещинам и его излияния на поверхность океанского дна (см. раздел 3.3). Базальты очень быстро охлаждаются от температуры солидуса (более 1000°С) до температуры придонного слоя океанской воды (около 4°С). При этом они проходят точку Кюри и приобретают сильную термоостаточную намагниченность (см. рис. 1.5.3). Ее направление совпадает с направлением намагничивающего поля (главного магнитного поля Земли), существующего в момент излияния базальтов. Пока геомагнитное поле имеет одну полярность, последовательно изливающиеся в рифтовой зоне порции базальтов намагничиваются в одном и том же направлении. В какой-то момент магнитное поле Земли испытывает

185

инверсию, и следующая порция базальтов, излившихся в рифтовой зоне, намагничивается уже в противоположном направлении относительно блока более древней коры, к этому времени раско-

Амплитуда магнитных аномалий, нТл

200

0

-200

					1
	3	2À	2				2	2À		3
				Расстояние от оси хребта, км
-50	-40	-30	-20	-10	0	10	20	30	40	50

											Абсолютный возраст, млн лет
5		4			3			2			1			0		1	2	3	4	5
	Гильберт				Гаусс			Матуяма						Брюнес		Матуяма		Гаусс	Гильберт
(обратная) (прямая) (обратная) (прямая)																(обратная)		(прямая) (обратная)

Глубина, км

5

10

15

20

Магнитоактивный слой			Ñëîé 2
		V1/2 = 1 ñì/ãîä
Граница Мохоровичича			Ñëîé 3
	Магматическая	Литосфера
	камера
	Астеносфера

Рис. 3.4.2. Схема образования полосовой структуры магнитоактивного слоя и магнитных аномалий океана (модель Вайна – Мэтьюза).

лотого надвое и отодвинутого в стороны от гребня срединноокеанского хребта на примерно одинаковые расстояния.

Такова принципиальная схема, объясняющая полосовую

186

структуру аномального магнитного поля океанов. Океанское дно уподобляется в ней гигантской магнитофонной ленте, содержащей запись инверсий магнитного поля Земли в геологическом прошлом. Поскольку срединно-океанские хребты представляют собой линейные структуры планетарного масштаба, то в ходе спрединга образуются узкие длинные полосы прямо- и обратнонамагниченной коры, а поперечные хребтам трансформные разломы смещают системы этих полос, не изменяя упорядоченной структуры магнитного поля между разломами. Центральная положительная аномалия над гребнями срединных хребтов отражает формирование океанской коры в современную эпоху прямой полярности геомагнитного поля (эпоху Брюнес), длящуюся около 800 тыс. лет (см. рис. 1.5.5). Ширина полос прямо- и обратнонамагниченной коры, а также связанных с ними линейных магнитных аномалий зависит от скорости спрединга: чем скорость спрединга выше, тем шире аномалии и их источники. Легко рассчитать, что ширина блока современной прямонамагниченной коры на гребне центральной части Срединно-Атлантического хребта, раскрывающегося со скоростью около 2,5 см/год, составляет примерно 20 км, в то время как на аномально быстроспрединговом (около 15 см/год) Восточно-Тихоокеанском поднятии аналогичный блок имеет ширину более 100 км. Когда речь идет о ширине более древних прямо- и обратнонамагниченных блоков океанской коры, следует помнить, что каждый из них представляет лишь “половинку” блока коры, некогда образовавшегося в рифтовой зоне, поэтому ширина древних блоков и аномалий сопоставляется не с полной линейной скоростью спрединга V, а с половиной ее величины –

полускоростью спрединга V1/2.

Строгой и равномерной периодичности инверсий геомагнитного поля нет. Если бы она существовала, то все линейные магнитные аномалии, независимо от возраста, были бы сходной формы. На самом же деле форма магнитных аномалий определяется формой их источников, а последняя, в свою очередь, зависит от скорости спрединга. Поэтому записи магнитных аномалий одного возраста (т.е. имеющих одинаковый источник в виде определенным образом чередующихся блоков прямо- и обратнонамагниченной коры) в различных частях Мирового океана очень сходны между собой – естественно, с поправкой на разные скорость

187

спрединга, глубину океанского дна, простирание срединноокеанского хребта и широту, на которой формировалась кора. По рисовке линейных магнитных аномалий их удается легко коррелировать и идентифицировать как по обе стороны от срединного хребта (что хорошо видно на рис. 3.4.2), так и в разных океанах. Это позволило морским магнитологам создать свой вариант шкалы геомагнитной полярности, которая получила название аномалийной. Один из современных вариантов такой шкалы приведен на рис. 3.4.3.

Вотличие от “сухопутной” палеомагнитологии, в которой, как уже говорилось в разделе 1.5, эпохи одинаковой полярности геомагнитного поля названы именами известных физиков и математиков, в морской магнитометрии принято иное, цифробуквенное, обозначение линейных магнитных аномалий и соответствующих им блоков коры. Аномалийная шкала распадается на две части.

Вкайнозойской последовательности положительные анома-

лии обозначены номерами от 1 (современной, соответствующей эпохе Брюнес) до 33 (80 млн лет) в порядке увеличения возраста. Например, возраст аномалии 5 – около 10 млн лет (миоцен), 10 – около 30 млн лет (олигоцен), 20 – около 50 млн лет (эоцен), а 30 – около 70 млн лет (поздний мел).

Дно океана с возрастом от 85 до 120 млн лет (позднийранний мел) характеризуется отсутствием линейных магнитных аномалий, так как весь этот интервал геомагнитное поле сохраняло прямую полярность и не испытывало инверсий. Области, где отсутствуют линейные магнитные аномалии, называются зонами спокойного магнитного поля (английская аббревиатура – QMZ, Quiet Magnetic Zones). Они есть во всех океанах, но, естественно, только в тех их частях, которые начали раскрываться раньше 85 млн лет назад.

Вболее древних и удаленных от осей срединных хребтов частях Мирового океана вновь обнаруживается линейность магнитного поля. Она соответствует мезозойской последовательности, где нумеруются уже отрицательные аномалии и соответствующие им блоки обратнонамагниченной коры, а к номеру аномалии, также увеличивающемуся с возрастом, прибавляется индекс “М” (мезозойская): от аномалии М0 с возрастом около

188

плиоцен

	åí	миоцен
	Í åîã

олигоцен

	алеоген	эоцен
	Ï

палеоцен

маастрихт

	ì åë	кампан
	П оздний
		сантон
		êî
				íüÿê
		òó ðîí
		сеноман

1

3

4

5

6

7

10

13

15

17

20

21

22

24

25

27

30

32

33

0		àëüá						100
10								110
		àïò
20	ìåë			M0				120

		Р анний
	30		баррем
			готерив
	40		валанжин
			берриас
		þðà
	50		титон
		оздняяП
			êèììåðèäæ
			оксфоðä
	60	þðà	келловей
		редняяС	áàò

70	байос
80

M1
M2				130
M3
M9
M11
M14				140
M17
M19				150
M20
M25				160
				170

90	Рис. 3.4.3. Шкала линей-
	ных магнитных аномалий
	океана (аномалийная шкала).

100 Черное – прямая полярность.

189

120 млн лет (ранний мел) до М25 с возрастом около 160 млн лет (поздняя юра).

До настоящего времени нет общепринятого мнения относительно мощности и намагниченности слоя, создающего линейные магнитные аномалии океана. Вайн и Мэтьюз предполагали, что магнитоактивный слой охватывает всю океанскую кору. Однако прямые измерения магнитных свойств пород океанской коры, поднятых в осевых зонах срединных хребтов и на бортах трансформных разломов, показали, что только пиллоу-базальты верхней части 2-го слоя океанской коры обладают стабильной термоостаточной намагниченностью, хотя и уменьшающейся с возрастом коры (из-за этого современная аномалия 1 всегда имеет повышенную интенсивность), но сохраняющей свое направление. Величина намагниченности пиллоу-базальтов, как правило, достаточна для создания наблюдаемых на поверхности океана магнитных аномалий при общей мощности магнитоактивного слоя до 1 км.

Однако в некоторых районах Мирового океана намагниченности базальтов 2-го слоя не хватает для объяснения амплитуды аномалий. При этом всегда остаются сомнения в представительности измерений намагниченности океанской коры, поскольку последняя все же изучена слабо. Но если верить экспериментальным данным, то мощность магнитоактивного слоя океанской коры должна быть больше 1 км, а дополнительные источники магнитных аномалий могут находиться в глубинных слоях океанской коры при условии, что температура в них не превышает точки Кюри. Наиболее вероятным дополнительным глубинным источником магнитных аномалий в океанской коре является ее самый нижний подслой 3В, сложенный серпентинизированными перидотитами, поскольку процесс серпентинизации приводит, в числе прочего, к образованию магнетита. Кроме того, определенный вклад в магнитные аномалии океана, возможно, вносят габбро подслоя 3А, намагниченные слабее, чем базальты, но зато большей мощности. Однако намагниченность глубинных слоев океанской коры имеет совершенно иную природу, чем термоостаточная намагниченность пиллоу-базальтов, и пока остается неясным, почему вклад в океанское магнитное поле глубинных источников, если они существуют, не приводит к существенным искажениям полосовой структуры линейных магнитных аномалий.

190