История

В середине XIX века научно-технически прогресс достиг достаточного уровня, чтобы протянуть телеграфный кабель между Европой и Америкой. Вся история этого примечательного проекта заслуживает отдельной работы, но он имеет непосредственное отношение к нашей теме, так как кабель прокладывался по дну Атлантического океана, что привело к открытию возвышения между Ирландией и Ньюфаундлендом.

Дальнейшие исследования в 70-х годах XIX века дали существенно более подробную картину. Результаты, полученные в кругосветной экспедиции “Челленджера” позволили в 1885 г. построить первую батиметрическую карту Мирового океана, на которой, в частности, уже было хорошо заметно продолжительное поднятие примерно по середине, которое получило название Срединно-Атлантического хребта (САХ).

Своё перо к исследованию океана приложил и Чарльз Дарвин, во время своей знаменитой экспедиции сделал наблюдение о различном происхождении островов и предположил наличие вертикальных движений в геологической истории Атлантики.

В ХХ веке начались серьёзные попытки объяснения структуры дна Атлантического океана. Гюстав Эмиль Ог предполагал, что САХ это инверсионная складка по оси геосинклинали. Альфред Вегенер, в свою очередь, полагал что САХ это остатки разделения материков. Однако, недостаток практических данных о структуре пород океана ограничивал объем информации косвенной – сравнение горных образований континентов и исследование островов океана.

В первой половине XX века были построены контуры котловин, поднятий и самого срединно-океанического хребта. В результате оформились два основных подхода к тектонике океана: фиксизм и мобилизм. Первая гипотеза имела заметно большую поддержку, её приверженцы считали, что горизонтальные перемещения плит отсутствуют, есть лишь медленные вертикальные движения. Иные даже считали, что Земля постоянно расширяется, что разорвало некогда единый материк на отдельные куски, которые являются современными континентами. Однако, известная ещё с XVII века гипотеза мобилизма впоследствии получила гораздо больше подтверждений исследовательскими данными. Упомянутый уже немецкий геофизик Альфред Вегенер в своей книге «Происхождение материков и океанов» описал процесс раскола 200 млн. лет назад праматерика Пангеи на Гондвану (на севере) и Лавразию (на юге).

Технический прогресс в итоге позволил усовершенствовать технические средства и методы исследований. Развитие акустики и математики привело к замене метода измерения глубин с помощью металлических тросов-линей на эхолоты. Появилась возможность создать плавучие фотографические установки и приборы для измерения магнитного и гравитационного полей. Прогресс в навигации дал возможность заметно улучшить точность определения координат.

В 1960-1961 годах Роберт С. Диц, а позже Гарри Хесс опубликовали серию прорывных работ, в которых сформулировали основы теории конвекции и спрединга. В этих работах были сформулированы гипотезы о литосферных плитах, конвекционных ячейках, восходящих потоках под хребтами и нисходящих под желобами. Была обоснована идея трёхслойного строения коры под океанами, введены термины «литосфера» и «астеносфера» и т.д. Заложив тем самым основные направления работ вплоть до настоящего времени. Вскоре эти теории получили серьёзное подтверждение в виде линейные магнитных аномалий

В 1964 г. Брюс Хизен, обобщив данные батиметрических и сейсмических данных, полученных в результате работы научно-исследовательского судна «Чейн» в экваториальной Атлантике, описал 11 сложно построенных участков океанического дна. В следующем году Джон Тузо-Уилсон в результате исследования срединно-океанических хребтов, крупных разломов и горных систем, предположил, что все они связаны в единую цепь, которая окружает крупные и жёсткие плиты. Структуры эти могут переходить из одной в другую и место этого сочленения была названа трансформами или областями трансформации. Вильсон предположил существования разломов-сдвигов, резко обрывающихся на концах. Подобные структуры получили название трансформных разломов.

Вильям Морган в 1968-м году предложил модель плит, по которой поверхность Земли можно разделить на 12 частей. Наряду с прочим, Морган предложил метод восстановления траектории перемещения по направлениям трансформных разломов. Сотрудники Колумбийского университета Брайан Айзекс, Джек Оливер и Линн Сайкс опубликовали обширную работу «Сейсмология и новая глобальная тектоника» в которой обобщили данные сейсмологии и применили недавно появившуюся теорию тектоники плит для объяснения свойств землетрясений. Новая теория была результатом синтеза серии открытий и теорий: открытие мировой рифтовой системы, объяснение причин происхождения полосовых магнитных аномалий и глобальных поясов сейсмичности.

Две противоположные точки зрения на образование планеты

Планета Земля образовалась приблизительно 4,5-4,6 млрд. лет назад. За долгую историю развития научного знания существовало несметное множество теорий происхождения Земли. Из наиболее примечательных и широко обсуждаемых можно выделить теории горячей и холодной Земли. В конце XVII века Пьер Симон Лаплас сформулировал небулярную теорию: первичное газопылевое облако, удерживаемое вместе гравитационным взаимодействием. Вследствие своей асимметрии начинает медленно вращаться, под воздействием силы тяжести облако медленно сжимается, а из-за закона сохранения момента импульса уменьшение размера приводит к увеличению скорости вращения. В результате туманность съёживается и сплющивается, на экваторе отслаивается кольцо, и процесс повторяется. Из этой серии колец впоследствии и формируются планеты. Таким образом, по модели Лапласа Земля изначально была холодной.

Однако, к концу XIX века стало известно, что планета внутри очень горяча, свыше 1000 градусов. Для объяснения этого феномена была высказана теория возникновения из горячего вещества. В начале XX века Т. Чемберлен, Ф. Мультон и Дж. Джинс сформулировали следующую гипотезу: вблизи Солнечной системы прошла другая звезда, из-за гравитационного взаимодействия из обеих были вырваны куски звездного вещества, из которых и сформировались планетезимали. Остывающие планетезимали образовали планеты и спутники.

Во второй половине XX века теория холодной Земли получила новые подтверждения и корректные математические обоснования. В настоящий момент считается, что газ и пыль в газопылевой туманности ведут себя по-разному: пыль концентрируется в экваториальном диске, а газ образует почти шарообразное облако, сгущающееся по направлению к центру туманности. Впоследствии пыль образует планеты, а газ разогревается и образует Солнце.

Существенным аргументом в пользу холодной гипотезы было решение проблемы с температурой недр Земли. Был дан ответ на то, откуда же берётся тепло, разогревающие недра. Полагают, что этих источников два: радиоактивный распад и гравитационная дифференциация. Радиоактивность описана достаточно подробно, но оценочный её вклад в разогрев (по современным данным) не более 15%. Идея гравитационной дифференциации, детально разработанная О.Г. Сотохтиным заключается в следующем. Так как средняя плотность Земли заметно выше средней плотности вещества коры, можно предположить, что в глубине плотность много выше средней. Так же нам известно, что ⁹⁄₁₀ массы Земли приходится на кислород, кремний, алюминий и железо. Большая часть лёгких алюмосиликатов находится на поверхности, следовательно, тяжёлые внутренние слои содержат больше железа.

Во время образования Земли все элементы были относительно равномерно перемешаны, но впоследствии, под действием силы тяжести железосодержащие соединения движутся к центру планеты, тогда как лёгкие алюмосиликаты в противоположном направлении. Так как потенциальная энергия в этом случае уменьшается, а по законам сохранения общая энергия Земли неизменна, то излишняя энергия преобразовывается в кинетическую энергию движения молекул. Приблизительная оценка выделения энергии даёт величину около  кал. Иными словами, процесс гравитационной дифференциации дает достаточно энергии для разогрева изначально холодных недр. При расчёте общего теплового баланса Земли за всю историю оказывается, что температура в основном составляла около 1200 градусов, что говорит о том, что планета никогда не была полностью.

Океаническая кора

Нельзя понять процесс разрастания океанического дна, не зная строения коры и нижележащей мантии. Океаническая кора — это самый верхний слой океанической части тектонической плиты. Она лежит на верхнем плотном слое мантии. Кора и верхняя часть верхней мантии образуют океаническую литосферу.

Океаническая кора — это результат извержения магматического материала из-под плиты, который охлаждается и чаще всего вступает в химические реакции с океанской водой. Это происходит в основном в срединно-океанических хребтах, а также некоторых разбросанных горячих точках и очень редких мощных базальтовых извержений – океанических плато. Она состоит в основном из основных горных пород, которые богаты железом и магнием. Океаническая кора тоньше материковой коры (обычно меньше 10 км), но плотнее: 2,9 г/cм3 против 2,7 г/см3 у материковой.

Хотя большая часть океанической коры до сих пор не исследовалась напрямую (бурением), можно по уже сделанным исследованиям судить о её строении, например, в результате изучения офиолитов, сравнению скорости распространения сейсмических волн с лабораторными образцами, анализ образцов, полученных подводными аппаратами, драгами и т.д. Строение океанической коры заметно проще материковой и может быть разделена на три слоя

• Слой 1 (0,4 км.) Состоит из отвердевших или почти отвердевших осадочных пород. Обычно тонок и почти отсутствует вблизи срединно-океанических хребтов, постепенно увеличивая толщину по мере удаления от них. Вблизи границ континентов осадки в основном терригенные, на глубине – состоят из раковин мелких морских организмов.
• Слой 2. Можно разделить на 2 подслоя: 2А (0,5 км) верхний вулканический слой, состоящий из стекловатых и полностью кристаллизованных базальтов обычно в форме подушечной лавы. 2Б (1,5 км) состоит из долеритовых даек.
• Слой 3. (до 5 км) Образован из медленно остывающей магмы и состоит из крупнозернистых габбро и ультраосновных горных пород

Океаническая кора постоянно образуется в срединно-океанических хребтах. Плиты расползаются в стороны от хребтов, магма поднимается в верхнюю мантию и кору. Так как она движется от хребта, то литосфера остывает и становится более плотно, то осадочные породы медленно копятся на ней. Самая молодая океаническая кора возле хребтов и становится старше по мере удаления от хребтов.

По мере подъёма из недр мантия остывает и размягчается (давление падает быстрее, чем температура). Количество расплавленных пород зависит только от температуры мантии, так как большая часть океанической коры имеет примерно одинаковую толщину (около 7 км) и спрединг идёт с очень малой скоростью (меньше см/год) то в результате образуется более тонкая кора, так как мантия успевает остыть при апвеллинге и плавится на меньших глубинах (пример такой зоны – хребет Гаккеля в Северном ледовитом океане). Более толстая кора образуется над плюмами, так как мантия тут горячее и плавится на больших глубинах, создавая более толстую кору. Например, под Исландией кора имеет толщину порядка 20 км.

Океаническая кора погружается в зонах субдукции, которые могут быть между двумя океаническими плитами или между океанической и материковой плитами. Во втором случае, океаническая кора всегда погружается, так как материковая кора менее плотная. Так как в процессе субдукции кора разрушается, то она редко бывает старше 200 млн лет. Такой процесс создания-уничтожения океанической коры называется цикл Вильсона и может быть обобщён до суперконтинентального цикла, периодического объединения суши в единый континент.

Самый древний крупный кусок коры находится на западе Тихого океана и на северо-западе Атлантического – оба имеют возраст в 180-200 млн. Лет. Однако же, восточные части Средиземного моря, в Черном и Каспийском морях это остатки древнего Тетиса, им 270 млн. лет.

Геологами реконструирована следующая история суперконтинентальных циклов для океанов:

1. Докембрийские океаны
   • Панталасса-0 (2,5 – 2,2 млрд лет), суперокеан, противостоящий суперконтиненту Пангея-0
   • Мировия, (1600-850 млн лет) противостоял суперконтиненту Родинии
   • Мозамбикский (850-600 млн лет), океан, разделявший Западную и Восточную Гондвану. Образовался после распада Мировии и Родинии.
   • Протопасифик (600-570 млн лет), прообраз Тихого океана, потомок Мировии. Образовался после слияния Западной и Восточной Гондван.
   • Прототетис (850-570 млн лет), прообраз Тетиса, образовался после распада Мировии и Родинии.
   • Протояпетус (850-570 млн лет), прообраз океана Япетус, образовался после распада Мировии и Родинии.
   • Палеоазиатский (850-320 млн лет), после распада Мировии и Родинии отделил Восточно-Европейскую платформу от Сибирской платформы, а её от Таримской и Сино-Корейской платформ.
   • Бореальский (850-240 млн лет), прообраз Северного Ледовитого океана, иногда относят к северной части Палеопасифика.
2. Палеозойские
   • Палеопасифик (570-240 млн лет), прообраз Тихого океана, потомок Протопасифика.
   • Япетус (570-420 млн лет), прообраз Атлантического океана, потомок Протояпетуса.
   • Палеотетис (570-205 млн лет), прообраз Тетиса, потомок Прототетиса.
   • Реикум (480-425 млн лет), часть западного Палеотетиса.
   • Уральский (540-320 млн лет), южная часть Палеоазиатского океана.
   • Монголо-Охотский (325-155 млн лет), часть Палеоазиатского океана, выделился в самостоятельный океан в среднем карбоне.
   • Туркестанский (540-320 млн лет), часть Палеоазиатского океана, но иногда объединяют с Уральским океаном.
3. Мезозойские
   • Панталасса-2 (240-160 млн лет), суперокеан, прообраз современного Тихого океана. Последний мировой океан на Земле, после распада Пангеи-2 оставил после себя Тихий океан.
   • Тетис (280-60 млн лет), находился восточнее Пангеи-2. В палеозое был частью Палеотетиса, но в мезозое выделился в самостоятельный океан.

Линейные магнитные аномалии

При исследовании океанического дна было обнаружено, что наблюдается любопытная

закономерность в намагниченности пород его составляющих. Вдоль океанических хребтов симметрично располагаются полосы, в которых направление намагниченности меняется. В 1963-м году Фредерик Вайн и Драмонд Метьюз, и независимо от них, Лоуренс Морли предложили объяснение происхождения такого вида аномалий. Они исходили из следующих предположений: океаническое дно раздвигается в направлении от СОХ и периодически происходит инверсия магнитного поля Земли. Таким образом, выходящий из недр расплав базальтов, застывая, фиксирует в себе текущее направление магнитного поля и постепенно удаляясь от СОХ хранит его. Эта гипотеза стала ключом для определения возраста океанического дна и скорости спрединга.

Появляется желание использовать эти аномалии в качестве измерительного прибора, что и было сделано в 1963 году А. Коксом, Р. Доллом и Г. Далримплом. Аномалии были пронумерованы в направлении от зоны спрединга.  Кокс с коллегами выделили временные интервалы преобладания какой-то одной полярности и назвали их в честь выдающихся геомагнитологов: Брюнесса, Матуямы, Гаусса и Гильберта. С тех пор шкала была неоднократно уточнена и расширена (изначально она покрывала последние 3,5 млн лет. В наше время существуют детальные шкалы вплоть до 170 млн лет. Менее точные шкалы построены до 570 млн лет, а совсем примерные до 1,7 млрд. лет).

Возраст и эволюция гидросферы

Академик А. П. Виноградов предположил, что в процессе обособления оболочек Земли при разогревании вещества мантии произошло разделение на тугоплавкую (дуниты) и легкоплавкую (базальты) фазы.Более летучие компоненты базальтовой магмы – пары воды и газы направились к поверхности Земли. Этот механизм получил название «зонное плавление» по аналогии с зонной плавкой (методом очистки материалов). Согласно ему, на ранних этапах эволюции Земли в результате распада радиоактивных элементов происходил разогрев астеносферы в которой появлялись магматические очаги. В этих расплавах, в соответствии с законами зонной плавки происходила дифференциация на тугоплавкую и легкоплавкую фазы. Так как легкоплавкая фаза перемещается вверх к поверхности из мантийного вещества, содержащего [latex]2\cdot 10^9[/latex] тонн воды, примерно 7,5-24% участвовало в создании гидросферы, т.е. мигрировало в земную кору и Мировой океан. Из космического источника вместе с метеоритами могло поступить [latex]10^4[/latex] тонн воды.

Первичный раствор, поступающий из мантии поначалу скорее всего сразу выпаривался, однако по мере остывания поверхности ниже точки кипения воды стал наполнять первые моря Земли. Одновременно, в результате разрушения горных пород появились и основные катионы (K, Na, Ca, Mg). Из древней атмосферы в воду также попадали газы хлороводород, фтороводород, бромоводород и др. Поэтому первоначально воды имели кислую реакцию. Однако, в ранней гидросфере практически отсутствовал кислород.

В результате изменения термохимических и гидрохимических условий происходило и изменение солевого состава древнего океана. В первичном растворе оставались только те элементы, для которых не было соответствующего количества сильных осадителей, например, концентрация хлора и брома практически не изменилась. Сильные кислоты и сильные основания вступали в реакции, что привело к нейтрализации исходно кислых вод.

Интенсивная космическая и ультрафиолетовая радиация привела к образованию сложных органических соединений из метана, аммиака, водорода, сероводорода, углекислого газа, воды и др. Что привело к образованию на глубине в океане (верхние слои воды, как и суша, были стерильны из-за этого самого излучения, однако они экранировали более низколежащие слои от смертельной радиации) развились простейшие микроорганизмы. Освоив фотосинтез, древнейшие археобактерии (3,7-3,8 млрд. лет назад) в интенсивно начали выводить из воды углерод и азот. Появившиеся позже цианобактерии овладели новым видом фотосинтеза, в результате которого начал выделяться свободный кислород. Это дало начало современной азотно-кислородной атмосфере. Одновременно с этим, из атмосферы был извлечён и углекислый газ, это привело к стабилизации карбонатной системы и позволило в дальнейшем появиться скелетным организмам, а позже и накоплению карбонатных осадочных пород на дне океанов. Изначально весь выделяемый цианобактериями кислород уходил на окисление горных пород, растворенных в воде газов и атмосферы. Когда процесс окисления был завершён, свободный кислород начал скапливаться в атмосфере, кто привело к «кислородной катастрофе»: условия в атмосфере изменились от восстановительных к окислительным. Последствия для биосферы были катастрофическими, подавляющее большинство организмов в тот период были анаэробными и увеличение концентрации кислорода привело к их вымиранию. С другой стороны, атмосферный кислород привёл к появлению озонового экрана, что позволило жизни в итоге выбраться из океанов на поверхность.

Её появление — это следствие появления и развития жизни, разделения земной коры на платформы и геосинклинали. Эти изменения, случившиеся 2,5-3 млрд лет назад, в итоге привели к появлению современной атмосферы и установили большой гидрологический круговорот воды, что в свою очередь послужило причиной образования пресной воды из атмосферных осадков.В результате всех этих процессов солевой состав химических вод постепенно изменялся и стал преимущественно хлоридно-сульфатным и практически совпадающим с современным. В наше время морская вода является равновесным природным раствором, который сохраняет свой состав и концентрацию солей практически без изменений как минимум в течение последней геологической эпохи