Около 85% извержений вулканов нашей планеты происходят незаметно, во тьме океанических глубин. Но хотя они невидимы, недооценивать их значение нельзя. Подводные вулканы укрепляют твердое основание Мирового океана — массив горных пород толщиной 7 км.
В начале 60-х гг. XX в. геофизики впервые прикоснулись к тайне происхождения океанической коры. С помощью эхолокаторов удалось определить, что вулканы образуют почти сплошную линию, опоясывающую земной шар, — так называемые срединно-океанические хребты. Перед специалистами встал вопрос, что же их питает. Известно, что вдоль хребтов океаническая кора испытывает растяжение, а значит, горячий материал должен подняться из глубин Земли и заполнить собой пустоты. Но такие подробности, как места образования лавы и способы ее выхода на поверхность, долгое время оставались загадкой.
Созданные в последние годы математические модели взаимодействия расплавленных и твердых горных пород, так же как изучение блоков древнего морского дна, находящихся в настоящее время на материках, дали ответы на некоторые вопросы и способствовали созданию теории, детально описывающей зарождение океанической коры.
Ранее считалось, что огненная магма заполняет огромную камеру под вулканом, а затем поднимается по зубчатым трещинам. В свете новых исследований процесс представляется иначе. За десятки километров от поверхности морского дна крошечные капельки расплавленной породы просачиваются сквозь микроскопические поры, преодолевая расстояние около 10 см в год, что можно сравнить со скоростью роста ногтей у человека; ближе к поверхности поток ускоряется и заканчивается обильным излиянием лавы со скоростью разогнавшегося грузовика. Разобравшись в том, как жидкая масса движется сквозь толщу твердых пород, можно не только объяснить способ возникновения океанической коры, но и узнать много нового о характере других систем движения жидкости, например речных сетей, испещряющих земную.
Глубоко внизу, под вулканами срединно-океанических хребтов и бесчисленными слоями лавы, образующими океаническую кору, находится мантия — пласт раскаленных горных пород толщиной 3,2 тыс. км, срединная оболочка планеты, окружающая ее металлическое ядро. Выброшенные на прохладную поверхность Земли породы мантии окрашены в темно-зеленый цвет, но если бы их можно было наблюдать в родной стихии, они бы пылали красным или были раскалены добела. Температура на поверхности мантии — около 1300° С и с каждым километром погружения в ее глубь поднимается на 1°. Под весом верхних пород давление также увеличивается — около 1000 атмосфер на каждые 3 км.
Еще в конце 1960-х гг., основываясь на сведениях о высоких температурах и давлении в мантии, исследователи предположили, что образование океанической коры началось с появления крошечных количеств жидкой горной породы, или расплава, — как будто твердые породы «запотевали». Даже мельчайшее ослабление давления, вызванное поднятием вещества из исходного положения, формирует расплав в микроскопических порах, расположенных глубоко в породах мантии. Труднее объяснить, как «горный пот» появляется на поверхности. Расплав имеет меньшую плотность, чем твердые породы, в которых он образуется, поэтому он постоянно стремится наверх, в места более низкого давления. Но лабораторные исследования показали, что химический состав расплава не совсем совпадает с составом образцов горных пород, взятых на срединно-океанических хребтах, где происходит его затвердение.
При помощи специального оборудования, позволяющего нагреть и извлечь кристаллы из горных пород мантии, было установлено, что состав расплава меняется в зависимости от глубины, на которой он образовался, и регулируется обменом атомами расплава и породообразующих минералов, через которые он проходит. Выяснилось, что по пути наверх расплав растворяет ортопироксены, но осаждает оливин. Следовательно, чем выше в мантии он формируется, тем больше в нем растворится ортопироксенов и тем больше оливина останется в осадке. Сопоставив полученные экспериментальные данные с образцами лавы срединно-океанических хребтов, исследователи обнаружили, что почти все они имеют состав расплава, который сформировался на глубинах более 45 км.
Такой вывод вызвал оживленный спор о том, как расплавленное вещество может просочиться сквозь десятки километров покровных пород и сохранить свой состав. Если расплав поднимается медленно, проходя через небольшие поры пород, как считали геофизики, то было бы логично предположить, что он должен отражать состав верхней части мантии, расположенной на глубине 10 км и меньше. Тем не менее состав большинства образцов лавы срединно-океанических хребтов говорит о том, что расплав прошел сквозь 45-километровую толщу мантии, не растворив по пути ортопироксены.
В начале 1970-х гг. исследователи предложили гипотезу, не слишком отличавшуюся от взгляда неспециалиста: расплав должен проходить последнюю часть своего пути по огромным открытым трещинам, которые позволили бы ему подниматься со скоростью, слишком большой для реакции с соседними породами; он вообще мог бы и не коснуться стен трещин. Хотя открытые трещины нехарактерны для верхней мантии (давление слишком велико), некоторые ученые выдвинули предположение, согласно которому выталкивающая сила поднимающегося расплава могла быть достаточной для того, чтобы разбивать твердые породы, лежащие на пути, подобно ледоколу, ломающему приполярные паковые льды.
Адольф Николя (Adolphe Nicolas) из Университета Монпелье, Франция, и его коллеги открыли любопытное свойство подобных трещин, когда изучали необычный комплекс горных пород — офиолиты. Известно, что там, где океаническая кора древнее и холоднее, ее плотность увеличивается настолько, что она вновь погружается в мантию вдоль зон субдукции, например таких, что опоясывают Тихий океан. Офиолиты — мощные участки древнего морского дна, примыкающие снизу к мантии, которые были вытеснены на материки при столкновении двух тектонических плит. Наиболее известный образец, расположенный на территории Омана, вышел на поверхность во время столкновения Аравийской и Евразийской плит. На оманском и других офиолитах Николя и его группа обнаружили необычные светлоокрашенные жилы, или дайки, которые, по их мнению, и были теми трещинами, где расплав кристаллизовался до того, как достиг дна океана.
Проблема предложенной ими гипотезы заключалась в том, что дайки были заполнены породой, кристаллизовавшейся из расплава, образовавшегося в самой верхней части мантии, не ниже 45 км, откуда в основном и происходит лава срединно-океанических хребтов. К тому же сравнение с ледоколом может оказаться не очень убедительным для областей, находящихся под срединно-океаническими хребтами: здесь, на глубине около 10 км, раскаленная мантия не растрескивается с легкостью, а течет как карамель, расплавившаяся на солнце.
