Sich eine kurze Zeitspanne vorzustellen – sagen wir, eine Woche oder einen Monat – ist ziemlich einfach. Es ist viel schwieriger, den Umfang der Ereignisse zu begreifen, die in ein Jahrhundert passen. Vielleicht hindert dies die Menschen daran, das Ausmaß der anthropogenen Auswirkungen auf die Erde richtig einzuschätzen. In dem Buch „Awareness of Time: The Past and Future of the Earth through the Eyes of a Geologist“(Alpina Non-Fiction Publishing House), das von Irina Evstigneeva, Professorin für Geologie an der Lawrence University, ins Russische übersetzt wurde, spricht Marshia Bjornerud über die globale Prozesse, die das heutige Antlitz des Planeten geprägt haben, erklärt, warum man die Erdgeschichte nicht außer Acht lässt, und ermutigt zu lernen, im Hinblick auf die Interessen zukünftiger Generationen zu handeln. N + 1 lädt seine Leser ein, einen Auszug über die Gebirgsbildung, die Kartierung des Meeresbodens, die Entdeckung des Phänomens der Dehnung der Erdkruste und die Entwicklung der geomagnetischen Skala zu lesen, die eine neue Einschätzung der geologischen Zeit ermöglichte.
Ephemere Geographie
Eine meiner frühesten Schulerinnerungen ist mit einem Dokumentarfilm über die Entstehung der Vulkaninsel Surtsey verbunden, die sich Ende 1963 vor der isländischen Küste über den Atlantik zu erheben begann. Der erstaunliche Prozess war eingefangen in Schwarz-Weiß-Rahmen, als zwischen den wogenden Dampf- und Aschewolken eine neue Welt geboren wird - ein lebloses Land aus schwarzer Vulkanschlacke, das noch auf keiner Weltkarte eingezeichnet ist. Der erste Ausbruch des Vulkans wurde vom Kapitän des Schiffes bemerkt, der ihn zunächst für ein Feuer auf einem großen Schiff hielt. Mein junger beeinflussbarer Geist war von diesem Ereignis erregt: Die Tatsache, dass in einem scheinbar leidenschaftslosen Planeten mit seinem undurchdringlichen steinernen Gesicht ein geheimes Leben tobt, wurde für mich zu einer echten Offenbarung. Von 1963 bis 1967 wuchs Surtsey von einem Unterwasserkamm mit einer Spitze von 130 m unter dem Meeresspiegel zu einer kleinen konischen Insel mit einer Höhe von mehr als 170 m heran, die auf dem Höhepunkt der Eruptionen eine Fläche von 2,5 Quadratmetern erreichte. km. Aber sobald die Eruptionen aufhörten, begannen die Prozesse der Erosion, Auslaugung, Senkung und Senkung sie fast genauso schnell zu zerstören. Heute ist die Insel auf etwa die Hälfte der Größe von 1967 geschrumpft, und Wissenschaftler schätzen, dass sie bis 2100 (oder früher, je nach Geschwindigkeit des Meeresspiegelanstiegs) vollständig verschwinden wird. Da ich in meinen mittleren Jahren denselben beeinflussbaren Geist wie in meiner Jugend bewahrt habe, empfinde ich nicht weniger Aufregung, wenn ich sehe, wie sich der Lebenszyklus dieses winzigen Stückchens vor meinen Augen buchstäblich entfaltet - seine Geburt, Jugend, kurzfristiger Wohlstand und unvermeidlicher Tod.
Hutton, Lyell und Darwin waren überzeugt, dass die meisten geologischen Prozesse unvorstellbar langsam sind, und diese Idee wurde von Geologen seit Jahrzehnten in das öffentliche Bewusstsein gehämmert. Heute jedoch, dank hochpräziser Methoden der geochronologischen Forschung, der Fähigkeiten der Satellitenbeobachtung sowie der Überwachung der wichtigsten Indikatoren der lebenswichtigen Aktivität des Planeten, wie Temperatur, Niederschlag, Abfluss von Flüssen, Verhalten von Gletschern, Grundwasserreserven, Meeresspiegel, seismische Aktivität seit einem Jahrhundert, dass viele geologische Prozesse, die unserer Beobachtung einst unzugänglich schienen, in Echtzeit überwacht werden können. Allmählich lernen wir, dass das Lebenstempo auf unserem Planeten keineswegs so langsam und nicht so konstant ist, wie bisher angenommen.
Basalte der Erde
Hettons erste Einsicht in die unendlich lange Existenz der Erde im Vergleich zum menschlichen Leben rührte von seiner Erkenntnis her, dass das disharmonische Verhältnis der Schichten am Cape Sikkar Point dem enormen Zeitintervall entsprach, das für die Bildung eines Bergrückens und seine anschließende allmähliche Umwandlung in eine flache Ebene. Aber wie lange dauert es? Die Wissenschaft wurde erst 175 Jahre nach Hettons Tod auf die Kräfte aufmerksam, die hinter der Bergbildung stehen – etwa zur Zeit der Entstehung von Surtsey Island in den frühen 1960er Jahren, als die Theorie der Plattentektonik endlich erklärte, was in der festen Hülle der Erde vor sich ging. Heute wissen wir, dass die Geschwindigkeit der Bergbildung letztendlich durch die Prozesse der Bildung und Zerstörung der ozeanischen Kruste bestimmt wird.
Im Gegensatz zur kontinentalen Kruste, die ein Durcheinander von Gesteinsblöcken unterschiedlicher Art, Alter und Geschichte ist, ist die ozeanische Kruste einfach und homogen. Es besteht vollständig aus Basalt, dem schwarzen Vulkangestein, aus dem Surtsey gebildet wurde, und alle diese Basalte sind vom gleichen Ursprung. Sie entstanden durch teilweises Schmelzen des Erdmantels unter vulkanischen Unterwasserspalten, die auf der Oberfläche des Meeresbodens durch hohe mittelozeanische Rücken gekennzeichnet sind. Entgegen der fantasievollen Vorstellung von Fiktions- und Filmautoren ist der Erdmantel (der über 80 Prozent des Gesamtvolumens der Erde ausmacht) kein Kessel aus geschmolzenem, sprudelndem Magma, sondern festes Gestein, das jedoch langsam weiterfließt eine geologische Zeitskala. Alle paar hundert Millionen Jahre wird das Material des Mantels wie der Inhalt einer riesigen Lavalampe durch thermische Konvektion komplett invertiert: Heißeres, schwebendes Mantelgestein steigt aus der Tiefe an die Oberfläche, während kälteres und dichteres Gestein absinkt Nieder. Die Mantelkonvektion ist der Hauptmechanismus für den planetarischen Wärmeverlust (im Gegensatz zu Lord Kelvins irriger Annahme, dass der Mantel statisch ist und die Erde während ihres gesamten Lebens aufgrund von Wärmeleitung abkühlt). Einer der ersten, der in den 1930er Jahren. vermutete die Existenz von Konvektion im Mantel war Arthur Holmes. Moderne Experimente zur Modellierung des Verhaltens von Mineralien unter hohem Druck in den Manteltiefen haben bestätigt, dass die Konvektion von Gesteinen im Darm der Erde unvermeidlich ist.
Es wird angenommen, dass mittelozeanische Rücken konvektiven Auftriebszonen (Mantelfluss) entsprechen, in denen sich die Kruste über der aufsteigenden Wolke (Mantelfluss) aus heißem Gestein ausdehnt und dünner wird. Paradoxerweise beginnt das Schmelzen erst, wenn das Gestein nach oben steigt und den größten Teil seiner Wärme verliert. Was bringt das feste Mantelgestein zum Schmelzen, wenn es sich der Oberfläche nähert? Entgegen der intuitiven Logik wird dies nicht durch den Wärmefluss, sondern durch den Druckabfall verursacht. Im Gegensatz zu Wasser, einem in jeder Hinsicht abnormen Stoff, der jedoch unsere Vorstellungen von Phasenübergängen prägt, verhalten sich feste Gesteine wie es sich für einen normalen Stoff gehört: Sie dehnen sich beim Schmelzen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Dies bedeutet, dass, wenn das Gestein in einer bestimmten Tiefe des Erdmantels nahe seinem Schmelzpunkt ist und aus irgendeinem Grund (z Phase mit geringerer Dichte - geschmolzenes Magma … Dieses Phänomen wird Dekompressionsschmelzen genannt und kann sogar beim Abkühlen der Formation auftreten, wenn der Druck schneller als die Temperatur abfällt. (Dekompressionsschmelzen ist für Skifahrer und Skater besonders verwirrend, da bei diesen Wintersportarten die Oberfläche durch das entgegengesetzte Verhalten von Wasser rutschig wird: Eis schmilzt bei steigendem Druck.)
Heute, nach 4,5 Milliarden Jahren Abkühlung der Erde durch Mantelkonvektion, trägt das aufsteigende Mantelgestein nicht mehr genügend Wärmeenergie, um vollständig zu schmelzen. Infolgedessen enthält Magma in ozeanischen Rücken nur solche Mantelgesteinsbestandteile, die bei niedrigsten Temperaturen schmelzen. Es ist dieser Prozess des teilweisen oder fraktionierten Schmelzens, der zur Bildung von Basalt führt, der eine andere Zusammensetzung hat - mehr Kieselsäure, Aluminium und Kalzium, weniger Magnesium - als der Mantel, der ihn hervorgebracht hat.
Wenn ein neuer Teil der basaltischen Schmelze nach oben steigt und die zentrale axiale Zone des ozeanischen Grabens füllt, verschieben sich die vorherigen, bereits zu festem Gestein verfestigten Teile symmetrisch zu den Seiten in einem Prozess, der als Ozeanbodenspreizung bezeichnet wird (Abb. 7). Frisch ausgebrochener Basalt ist wärmer und weniger dicht als die etwas früheren Gesteine, die er auseinanderdrückt; So kühlt jede neue Basaltgeneration allmählich ab und entfernt sich immer weiter von ihrem Geburtsort im Riss. Dies erklärt, warum sich die mittelozeanischen Rippen unten mit hohen Rippen wie ein frisch gebackenes Soufflé frisch aus dem Ofen erheben. Tatsächlich war eine der wichtigsten Entdeckungen, die zur Theorie der Plattentektonik führte, die Anfang der 1960er Jahre zu einer echten Erkenntnis wurde, als die ersten Karten des Meeresbodens erstellt wurden, die Entdeckung, dass die Querschnittsform dieser Unterwasser ridges stellen in der Tat ein Paar symmetrischer Kühlkurven dar - erinnern an zwei Ski, die von Kopf bis Fuß auf dem Boden stehen.
Reis. 7. Mittelozeanischer Rücken, Ausbreitung des Meeresbodens und geomagnetische Umkehrungen
Alles auf der Karte
Lassen Sie uns einen Moment innehalten und die unglaubliche Tatsache bedenken, dass der größte Teil der Erdoberfläche - der Meeresboden - erst Mitte des 20. Jahrhunderts kartiert wurde. Noch heute ist uns die Topographie des größten Teils des Meeresbodens mit einer Auflösung von etwa 5 km bekannt: bathymetrische Karten des Ozeans sind 100-mal "unschärfer" als moderne Karten der Oberfläche von Venus und Mars. Es ist noch unglaublicher, dass die ersten Karten von zwei Dritteln unseres Planeten von praktisch einer Person erstellt wurden, deren Name jedoch den meisten Bewohnern der Erde unbekannt ist (im Gegensatz zu Amerigo Vespucci, dessen Ehre trotz aller Zweifel an seinen Verdiensten als Entdecker, sogar auf zwei Kontinenten). Diese unbesungene Heldin der Kartographie war Marie Tharp, eine amerikanische Geologin und Ozeanographin. Sie machte ihren Master in Geologie an der University of Michigan, arbeitete eine Zeitlang für eine Ölgesellschaft und trat dann 1948 einem neuen ozeanographischen Projekt unter der Leitung von Maurice Ewing an der Columbia University bei. Mehrere Jahre lang hat Ewings rein männliches Absolvententeam den Meeresboden echolokalisiert, während Tharp sorgfältig Liniendiagramme von Tiefenmessungen in topografische 3D-Karten umwandelte.
Die exquisiten, schattierten Karten des Reliefs, die Tharp akribisch mit Feder und Tinte nachzeichnete, zeigten, dass der Meeresboden, der einst für flach und eintönig gehalten wurde, tatsächlich mit Kämmen von Unterwasserkämmen, die den Globus umgaben, und erschreckenden Vertiefungen geschnitzt war. 1953 machte sie darauf aufmerksam, dass diese Unterwasserkämme die gleiche Struktur haben - parallele Rücken, zwischen denen sich ein axiales Tal befindet, und schlug vor, dass dies auf die Dehnung der Erdkruste zurückzuführen sein könnte. Tharp teilte die Idee mit einem anderen Mitglied von Ewings Gruppe, Bruce Heezen, aber er tat es als "mädchenhafte Fantasien" ab. Wie dem auch sei, dank der Bemühungen von Ewings Gruppe wurde eine Reihe von detaillierten Karten des Meeresbodens erstellt, die die Geologen schließlich dazu zwangen, ihre Ansichten über unseren Planeten radikal zu überdenken. Im Jahr 1963 stellten zwei britische Geologen in einem Artikel in Nature zunächst die Hypothese auf, dass sich die ozeanische Kruste ausbreitet (unter Verwendung der Geschichte von Surtsey als Illustration), was Heezen und später den Rest der geologischen Gemeinschaft dazu zwang, zuzugeben, dass Tharp Recht hatte.
Die Autoren dieses Artikels, Fredrik Wein und Drummond Matthews, formulierten die Hypothese der Ausbreitung des Meeresbodens basierend auf geometrischer Analyse und nicht auf direkter geologischer Beobachtung (es wird ein Jahrzehnt dauern, bis Wissenschaftler diese Unterwasserkämme mit eigenen Augen sehen oder Proben ihrer Bestandteile entnehmen können Felsen). Vine und Matthews hatten nicht nur Zugang zu Tharp-Karten, sondern auch zu magnetischen Karten des Meeresbodens, die von der US-amerikanischen und britischen Marine zusammengestellt wurden, und machten auf die Spiegelsymmetrie um die Mittelachsen des Rückens aufmerksam, die sowohl dem Relief des Rückens innewohnt und die Eigenschaften der magnetischen Feldstärke. Insbesondere fanden sie, dass sich parallele Streifen gleich magnetisierter Gesteine von der Kammzone nach außen erstrecken (Abb. 7), und die Kammhöhe nimmt mit zunehmender Entfernung von ihrer Kammzone ab, wie man sich ein Soufflé aus gegossenem Gestein vorstellen würde, die allmählich abkühlt und schrumpft. Das symmetrische Muster der Magnetstreifen ließ vermuten, dass sich entlang der Mittelachse des Rückens nacheinander immer mehr Generationen der ozeanischen Kruste bildeten. Sie werden zunächst gerade so weit abgekühlt, dass sich die eisenhaltigen Mineralien in ihnen mit den Kraftlinien des äußeren Magnetfelds ausrichten, dann teilen sie sich in zwei Hälften und bewegen sich wie auf einem riesigen Förderband zur Seite. Und da das Erdmagnetfeld im Laufe der Planetengeschichte immer wieder eine Umkehrung durchgemacht hat und die geomagnetischen Nord- und Südpole ohne ein bestimmtes System vertauscht hat (was die zweite revolutionäre Schlussfolgerung in diesem dreiseitigen Artikel war), wurden diese neuen Fragmente der Erdkruste a charakteristische Magnetstreifen.
Bis Anfang der 1970er Jahre. Die Bestimmung des Alters von Gesteinen aus dem Meeresboden in Proben aus Tiefseebohrungen sowie die Herstellung einer Korrelation zwischen Magnetogrammen des Meeresbodens und magnetischen Inversionen in gut datierten vulkanischen Schichten an Land ermöglichten die Entwicklung einer neuen Methode der Abgrenzung der geologischen Zeit - eine geomagnetische Skala, die an biostratigraphische (basierend auf fossilen Überresten von Organismen) und geochronologische (basierend auf Radioisotopenanalysen) Skalen gebunden ist. Dank genau bekannter Ummagnetisierungsdaten lässt sich das Alter von Gesteinen am Meeresboden heute auch ohne physische Proben bestimmen – indem einfach berechnet wird, wie viele Magnetstreifen sie vom mittelozeanischen Rücken trennen.
Die Zusammenstellung einer Karte, die das Alter der Gesteine am Boden des Weltozeans zeigt, hat unterdessen ein weiteres seltsames Muster ergeben: Die Gesteinsbänder jeden Alters im Pazifischen Ozean erwiesen sich als viel breiter als im Atlantik. Seit Beginn des Känozoikums vor 65 Millionen Jahren (d. h. seit dem Tod der Dinosaurier) betrug die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Meeresbodens im Atlantik durchschnittlich etwa 1 cm pro Jahr, was ungefähr dem Nagelwachstum entspricht. Es ist schnell genug - so sehr, dass das Thingvellir-Tal in Island einer der wenigen Orte ist, an denen der mittelozeanische Rücken über dem Meeresspiegel liegt - und wo Wikinger seit 930 n. Chr. leben. NS. Jahresversammlungen ihres Althingi-Parlaments abgehalten, wurde ein Besucherzentrum gebaut, dessen Breite der Entfernung entspricht, die die Kruste seit den Tagen der alten Wikinger gewachsen ist.
Auf der anderen Seite ist die Ausbreitungsrate des Atlantikbodens gering genug - so sehr, dass die in Brasilien lebenden Grünen Meeresschildkröten (Chelonia mydas) seit der Zeit der Dinosaurier eine jährliche Reise zur Eiablage unternehmen Ihre Heimatinsel, die zum Mittelatlantik gehört, erhebt sich über das Wasser. Der Bergkamm hat anscheinend nicht bemerkt, dass die Insel in dieser Zeit fast 1100 km weiter wurde. Schildkröten hätten es viel schwerer, wenn sich ihre Niststrände im Pazifischen Ozean befinden würden, wo die Ausdehnung des Bodens um eine Größenordnung höher ist - es sind fast 10 cm pro Jahr (etwas langsamer als die Haarwachstumsrate im Jahr). Menschen). Wenn wir annehmen, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Meeresbodens einfach die Geschwindigkeit der Mantelkonvektion widerspiegelt, warum sind dann die Konvektionsprozesse unter einem Ozean intensiver als unter einem anderen?
