Хребет, рассекающий Атлантику, является фактически лишь частью более или менее непрерывной системы хребтов, которая протягивается через все океаны. Она окружает антарктический континент, протягивается двумя ветвями в Индийский океан и до Аравийского моря. Она изгибается вдоль берегов восточной части Тихого океана и, кажется, заканчивается тупиком недалеко от нижней Калифорнии в Мексике, но затем небольшой сегмент ее появляется снова у берегов северо-западной части Соединенных Штатов и Британской Колумбии. Каково происхождение этой системы океанических хребтов, являющихся такой заметной особенностью Земли? Почему она не оказалась погребенной под покровом осадков, вынесенных из континентов? И какую связь она имеет с дрейфом континентов и тектоникой плит?
Наблюдение, которое, как считается, породило вспышку интуиции, прояснившей происхождение системы океанических хребтов и в конце концов приведшее к разработке теории тектоники плит, пришло из совершенно неожиданного источника, а именно из исследования магнитных свойств пород океанического дна. В своих попытках узнать как можно больше о морском дне геофизики в числе других показателей измеряли магнитные поля вдоль многочисленных маршрутов экспедиционных кораблей. Было уже известно, что горные породы, содержащие магнитные минералы, могут несколько изменять земное магнитное поле над ними, а на континентах измерения интенсивности магнитного поля проводились с целью поисков полезных ископаемых и для решения задач геологического картирования. Многие промышленные месторождения полезных ископаемых содержат в высоких концентрациях магнитные минералы; их присутствие создает характерные аномалии регионального магнитного поля. Следует отметить, что на континентах структура магнитного поля обычно очень сложна, в соответствии со сложной геологией. В противоположность этому, когда впервые позади океанологических кораблей стали буксировать магнитомеры, было обнаружено, что рисунок магнитных аномалий на дне океанов, отражающий магнитные свойства пород океанского дна, отличается замечательной закономерностью. Это наблюдение впервые было сделано учеными из Института океанографии Скриппса; оно весьма их озадачило. Когда они проводили морскую магнитную съемку в районе северо-западного побережья Соединенных Штатов еще в 1950-е годы, оказалось, что узоры магнитных карт, которые они получили, резко отличались от всего, что они видели на континентах. В конце концов был сделан вывод, что закономерный рисунок локальных магнитных аномалий был, вероятно, каким-то образом связан с довольно правильным рисунком рельефа морского дна в этом районе с характерным чередованием удлиненных параллельных низкогорий и долин. Однако эта гипотеза продержалась очень недолго. Проведенная в 60-х годах воздушная магнитная съемка на территории Атлантического океана как раз к югу от Исландии принесла поразительные, ставшие с тех пор классическими, результаты. В серии параллельных маршрутов, пересекающих ось Срединно-Атлантического хребта, ученые из Геологической обсерватории Ламонта из Колумбийского университета обнаружили, что узоры магнитного поля над морским дном изменяются симметрично относительно осевой линии хребта. Более того, они нашли, что график изменения магнитного поля вдоль маршрута, пересекающего хребет, был на разных маршрутах в основном одинаков. Когда эти данные (то есть местоположения точек замера и измеренные значения интенсивности магнитного поля) были нанесены на карту и проведены изолинии (линии равных значений характеристик магнитного поля), то они образовали полосатый зеброподобный узор на карте интенсивности магнитного поля, напоминающий узор, открытый учеными Института Скриппса в северо-восточной части Тихого океана, но отличающийся от последнего явной симметрией (рис. 5.1). И в этом случае поражал контраст с характером поля над континентами. По мере дальнейшего накопления данных становилось все более ясно, что эта симметрия узора магнитного поля встречается повсюду вдоль системы океанических хребтов.
Когда изверженные породы охлаждаются из исходного расплавленного состояния, некоторые железосодержащие минералы, образующиеся в них, магнетизируются земным магнитным полем. Это выглядит так, словно сами минералы содержат крохотные магнитные стерженьки — наподобие компасных игл, — и все они ориентируются одинаково под воздействием окружающего магнитного поля Земли. Эта магнитизация является непрерывным во времени процессом; таким образом, график магнитного поля вдоль маршрута, пересекающего хребет, является как бы ископаемой записью изменений магнитного поля во время образования пород разных частей графика. Эта запись оказывается весьма стойкой и сохраняется в течение долгого времени. Геолого-геофизические съемки вдоль маршрутов, ориентированных перпендикулярно простиранию Срединно-Атлантического хребта, показали, что породы, находящиеся точно над осью хребта, сильно намагничены в направлении современного магнитного поля, как и следовало ожидать. Но симметричный зеброобразный узор магнитного поля, по-видимому, указывает, что морское дно намагничено по-разному в разных полосках, параллельных протяжению хребта. Некоторые из этих полос намагничены нормально, подобно полоскам, лежащим на оси хребта: направление их намагниченности соответствует ориентировке современного магнитного поля Земли. Но они чередуются с полосками, намагниченными противоположным образом, как если бы в то время, когда эти полосы возникали, северный и южный полюсы Земли поменялись местами.
Земное магнитное поле имеет строение так называемого диполя, то есть подобно полю, которое получилось бы, если бы в немагнитную Землю вставить гигантский магнитный стержень. В то время, когда проводились первые магнитные съемки морского дна, у большинства ученых не было никаких оснований полагать, что в геологическом прошлом магнитное поле Земли очень отличалось от современного. Однако приблизительно в это же время исследования намагниченности горных пород на континентах обнаружили загадочное явление. Было установлено, что в некоторых районах, в которых накопились мощные толщи базальтовых потоков, большая часть потоков имеет направление намагничивания, соответствующее ориентировке изолиний земного магнитного поля, но в других потоках направление намагничивания оказалось прямо противоположным. Первоначально полагали, что причиной этого явления был какой-то вторичный процесс, но когда аналогичная последовательность лавовых потоков с прямой и обратной намагниченностью была обнаружена в нескольких различных местностях, ученые поняли, что магнитное поле Земли в течение геологического времени неоднократно меняло свою полярность! Это был ошеломляющий вывод. На фоне этого открытия симметричное расположение меняющихся по своей полярности магнитных полос на морском дне приобрело большое значение. Хотя они, возможно, и не восклицали «Эврика!», но несколько исследователей — Лоренс Морли в Канаде, а также Фрэд Вайи и Драммонд Мэтьюз в Соединенном Королевстве — почти одновременно поняли, что магнитные полосы морского дна, колебания направления полярности на 180 градусов и дрейф континентов — все эти явления являются взаимосвязанными. Они неожиданно сообразили, что зеброобразный узор распределения намагниченности горных пород морского дна отражает ту же последовательность смены полярности земного магнитного поля, что и континентальные базальты.
Рис. 5.1. Магнитный узор морского дна южнее Исландии (верхняя схема) напоминает ряд полос зебры и состоит из чередующихся полос нормального (черное) и обращенного (белое) намагничения, располагающихся параллельно простиранию Срединно-Атлантического хребта. Во время своего излияния вдоль хребта и последующего затвердевания базальт намагничивается под воздействием магнитного поля Земли и затем расходится в стороны от разлома, как показано схематически на нижней части рисунка. На карте магнитных свойств морского дна видны только более долгие промежутки времени между обращениями полярности. Предполагаемое положение хребта, пересекающего Исландию, показано более крупным узором на сером фоне. Составлено по рисунку 1 из статьи Дж. Р. Херцлера, Кс. Ле Пишона и Дж. С. Бэррона в журнале «Глубоководные исследования» (Deep Sea Research), том 13, стр. 428 (1966). Использовано с любезного разрешения компании Элснвир Сайенс Лимитед. The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, OXSIGB, U.K.
