«Багато хто думає, що прийшов диявол. Деякі вважають, що це початок кінця світу». Для Джорджа Генріха Кріста, який написав це 23 січня 1812 року, землетрусу, розірвали долину річки Міссісіпі, були абсолютно незбагненним явищем.

Минуло два століття. Можна говорити про те, що зараз людство наблизилося до розуміння подібних катаклізмів?

Руйнівні землетруси, що відбулися на Середньому Заході США, де їм, здавалося б, нізвідки було взятися, не єдина загадка з числа тих, що донині мучать геологів. «Викопний» ландшафт біля західного узбережжя Шотландії, підводні вулкани в південній частині Тихого океану, вспученная земля на півдні Африки - всюди ми бачимо приклади того, що однієї теорії тектоніки плит явно недостатньо.

Нова серія досліджень натякає на те, що відповідь лежить набагато глибше. Можливо, геологія на порозі відкриттів, які струсонуть науку так само, як теорія тектоніки плит зробила це півстоліття тому.

Головна ідея цієї теорії полягає в тому, що верхній шар Землі (група порід, що йде на глибину до 60-250 км) складається з декількох відносно жорстких частин, які плавають на вершині в'язкої мантії. Вперше цю думку про літосфері висловив в 1912 році німецький геофізик Альфред Вегенер. Спираючись на розподіл скам'янілих решток тварин і рослин, він припустив, що колись на планеті існував єдиний континент Пангея, який розпався на нинішні материки приблизно 200 млн років тому.

Учений не зміг описати механізм такого руху, і його гіпотеза зазнала осміянню. Але поступово накопичився корпус доказів правоти Вегенера, і в 1960-х дослідникам довелося нарешті визнати, що тектоніка плит здатна не тільки пояснити багато особливості рельєфу Землі, але і той факт, що сейсмічна і вулканічна діяльність планети зосереджена в основному вздовж певних смуг, які резонно вважати кордонами між літосферними плитами.

Подекуди плити розсуваються. На суші це призводить до утворення рифтових долин, а на дні океану - до виходу мантійного матеріалу, який, застигаючи, творить нову кору.

В інших місцях плити тиснуть один на одного, породжуючи гірські ланцюги або пірнаючи один під одного в зонах субдукції. В останньому випадку це призводить до появи глибоких жолобів в океані.

Теорія виявилася настільки вдалою, що до неї стали відноситься чи не з релігійним благоговінням. «Всі очі кинулися до горизонтального руху, і вчені пропустили щось ще більш цікаве», - зазначає геолог Ніки Уайт з Кембріджського університету (Великобританія).

Мова йде про те, що відбувається глибоко всередині Землі, далеко за межами стандартної тектонічної теорії. Американський геофізик Джейсон Морган, піонер сучасного погляду на тектоніку плит, в 1970-х роках одним з перших присікався до власної теорії, зайнявшись вулканізмом на Гавайських островах. Цей архіпелаг розташований за тисячі кілометрів від меж Тихоокеанської плити, на якій він сидить. Теорія тектоніки плит пояснює місцевий вулканізм тим, що в цьому місці плита чомусь тонка, з-за чого мантійний матеріал і виривається назовні. Морган звернув увагу на ідею, висловлену раніше канадським геофізиком Джоном Тузо Вілсоном, про струмені мантійного матеріалу, яка з невідомих причин прокладає собі шлях нагору.

Гіпотеза йшла проти течії, тому з неї почали серйозно працювати тільки в середині 1980-х, коли сейсмічні хвилі відкрили нам багато нового про внутрішній частині планети. Справа в тому, що ці хвилі поширюються з різною швидкістю через матеріали різної щільності і температури.

Складені на підставі нових даних тривимірні карти були грубими і нечіткими, але вони свідчили про те, що динаміка мантії набагато складніше, ніж було прийнято вважати. З часом вдалося виявити два величезні скупчення дуже гарячого щільного термохімічного матеріалу в нижній частині мантії поблизу кордону з розплавленим ядром. Один знаходиться в південній частині Тихого океану, а інший - під Африкою. Кожен має кілька тисяч кілометрів у поперечнику, і над кожним піднімається стовп гарячого матеріалу, який, здається, зростає по напрямку до поверхні.

Це могло б пояснити, чому дно в центрі південної частини Тихого океану приблизно на кілометр підноситься над навколишньою місцевістю. Те ж саме можна сказати і про Африку. «Весь регіон від Конго до Південної Африки, включаючи Мадагаскар, немов підпирається цим плюмом», - говорить г-н Уайт.

Потім вдалося виявити мантийные стовпи поменше під Ісландією і Гаваями, що пояснює і поява цих островів, і їх вулканізм. У той же час біля берегів Аргентини морське дно, навпаки, йде вниз, майже на кілометр, за що, за новими даними, несе відповідальність холодний і низхідний потік в мантії. Аналогічне явище відбувається в Африці: на вершині величезної висхідного потоку виявлені висхідні і низхідні цівки поменше, які відповідають місцевим особливостям топографії.

Коротше кажучи, куди не глянь - усюди вертикальний рух, перестраивающее поверхню Землі.

Залишається, щоправда, незрозумілим, що за механізм лежить в основі цих процесів. Стандартна теорія тектоніки плит свідчить, що матеріал, занурюючись в мантію у зонах субдукції, повертається на поверхню завдяки вулканічній активності поблизу тієї ж зони або далі, на кордонах плит (див. інфографіку вище; висока роздільна тут). Однак, за новими даними, значна частина матеріалу тієї плити, що підходить під іншу, відправляється в нижню мантію. Як вказує Дітмар Мюллер з Сіднейського університету (Австралія), мантії необхідно зберегти баланс маси, тому цей матеріал або його еквівалент треба повернути нагору.

Але як саме? Моделювання, проведене в минулому році Бернгард Штайнбергером з Німецького дослідницького центру наук про Землі і його колегами, показало, як субдуцированная плита, просуваючись до межі між мантією і ядром, розсовує матеріал навколо себе. Як тільки останній потрапляє в термохимическое скупчення, починають формуватися висхідні потоки. «Як бачимо, плюмы утворюються більш або менш в одних і тих же місцях», - підкреслює пан Штайнбергер. Наприклад, модель говорить про те, що занурення плити під Алеутскими островами поблизу Аляски живить мантійний потік під Гаваями.

Тим часом Клінт Конрад з Гавайського університету в Маноа (США) і його колеги змоделювали ефект руху тектонічних плит, поки мантія рухається в іншому напрямку. Вони виявили: якщо подібний ефект має місце в регіоні, де щільність мантії варіюється або вищерозміщених плита має неоднакову товщину, це може призвести до того, що мантійний матеріал буде плавитися і підніматися. Дана модель цілком правильно передбачила, що вулкани мають з'явитися на заході, а не на сході Східно-Тихоокеанського підняття - серединно-океанічного хребта, який йде приблизно паралельно західному узбережжю Південної Америки. Сейсмічні вимірювання показують, що мантія і частина плити на захід від хребта, рухаються в протилежних напрямках, а мантія і частина плити на схід - немає. Модель також передбачає, що цей ефект має найбільшу силу в західній частині США, на півдні Європи, в Східній Австралії та Антарктиді, тобто в районах вулканічної активності за межами кордонів літосферних плит.

Якщо динаміка глибинної будови Землі здатна змінити рельєф поверхні сьогодні, то це вірно і для вчорашнього дня. Але в той час, як завтра і геологічна літописі здатні розповісти нам про континентальний дрейф далекого минулого, сейсмічні вимірювання працюють тільки тут і зараз.

Втім, пан Уайт і його колеги виявили деякі натяки на історію біля західного узбережжя Шотландії. Вони влаштували кілька вибухів і за сейсмічними хвилями виявили «викопний» ландшафт, яким близько 55 млн років. Він рясніє горбами, долинами і річковими руслами, залягаючи на глибині 2 км під морським дном.

Вивчаючи зміни русла річок, вчені змогли показати, що коли-то цей ландшафт піднявся приблизно на кілометр над рівнем моря, після чого був похований. Все це сталося дуже швидко, щоб знищити гір можна було списати на тектоніку плит і ерозію. Швидше за все, справа в мантійній цівки, що відхилився від того плюму, що живить ісландські вулкани. «Уявіть собі, що під килимом пробігла щур: килим піднявся і опустився», - пояснює учений.

Група г-на Мюллера прийшла до висновку, що аналогічне вертикальне рух мав місце у Східній Австралії в крейдяному періоді (65-145 млн років тому).

Навіть те, що раніше здавалося б, повністю спиралося на теорію тектоніки плит, тепер виглядає по-іншому. Наприклад, вважається, що Гімалаї сформувалися 35 млн років тому, коли Індійська плита врізалася в Євразійську. Однак тектоніка плит ніяк не пояснює того, що плита розвинула фантастичну швидкість до 18 см у рік (замість звичайних восьми).

Стівен Кейнд і Дейв Стегман з Інституту океанографії Скріппса (США) вважають, що і тут не обійшлося без мантійного плюму. До речі, саме він вважається джерелом масштабного виверження, що сформувала Деканські траппы близько 67 млн років тому.

Аномальна і часом руйнівна сейсмічність Середнього Заходу США тим часом може пояснюватися як раз тектонікою плит і поширенням поверхневого напруги, але і тут мала місце вертикаль. У 2007 році Алессандро Форте з Університету Квебека (Доанада) і його колеги поклали відповідальність на давню плиту Фараллон, яка почала опускатися в мантію вздовж західного узбережжя Північної Америки під час крейдового періоду. Моделювання показало, що до теперішнього часу плита пішла досить глибоко, щоб викликати даунвеллинг долини річки Міссісіпі і деформацію вищерозміщеної літосфери, що і призвело до катастрофічних землетрусів двохсотлітньої давності.

Не всі згодні з новою теорією. Джилліан Фулгер з Даремського університету (Великобританія) стверджує, що область навколо Ісландії, наприклад, не гаряче іншій частині Серединно-Атлантичного хребта. Топографія Ісландії і тамтешня вулканічна активність можуть адекватно пояснювати тектонічною активністю на кордоні плит без залучення плюмів. Вона і її колеги також відзначають, що, хоча сейсмічні хвилі і справді повільніше подорожують під Ісландією, Гаваями і іншими «гарячими точками», ця аномалія не спостерігається на всьому шляху до нижньої мантії.

Ентузіасти вважають, що з часом будуть отримані більш чіткі сейсмічні дані, які підтвердять нову теорію. Наприклад, у США розгортається проект EarthScope, який покриє сейсмографами всю країну. Добре б зробити щось подібне в Африці і на дні Тихого океану. А ще краще - на всій планеті!

Підготовлено за матеріалами NewScientist.