Изостазия. Астеносфера – пластичный слой Верхней мантии.
 
 Итак, океан медленно обнажал шельф островов архипелага Атлантида. Это могло быть вызвано двумя основными причинами. Сокращался суммарный объём водной массы Мирового океана. При этом понижался глобальный уровень Мирового океана (УМО). Такие изменения называются эвстатическими изменениями УМО.
 
Причинами изменения массы морской воды могут быть и испарение воды, и связывание воды в горных породах и почвенном слое земли и многое другое.
 
Но наиболее вероятной причиной этого на протяжении нескольких десятков тысяч лет (а ведь Платон и ссылался на срок 12 тысяч лет) является связывание водной массы в гигантских континентальных ледниковых покровах, которые, как известно, лежали на приполярных пространствах нашей планеты ещё 15 тысяч лет назад. Изменения УМО, вызванные изменениями континентальных ледниковых покровов, называются гляциоэвстатическими.
 
Второй причиной, которая может приводить к трансгрессиям - наступанию Мирового океана на берег, или к регрессиям – отступанию – могут служить сами вертикальные движения берега или острова относительно центра Земли. Эти движения могут быть связаны с движениями континентальных плит или их частей, вызванных самыми различными причинами, например, конвекцией в верхней мантии, как наиболее долгопериодного процесса, или вулканизмом и землетрясениями, как более короткопериодного. В связи с тем, что время гибели Атлантиды (по Платону) довольно точно совпадает по времени с дегляциацией (таянием) последнего континентального оледенения Земли, второй наиболее вероятной причиной трансгрессий/регрессий УМО могут быть гляциоизостатические движения земной коры, к рассмотрению которых мы и приступаем.
 
Все дальнейшие суждения в данном разделе основаны на законе Архимеда, о котором школьники начисто забывают к концу 7-го или 8-го класса, когда впервые сталкиваются с предметом «Физика». Автору этих строк пришлось в подобном состоянии столкнуться с этим законом при поступлении в классический университет на Физический факультет. Вспоминать закон пришлось долго, но я-таки выкрутился, притом, кажется, почти «переоткрыл» этот закон.
 
Для нашего случая рассмотрим этот закон на конкретном примере. Представим себе аквариум с водой. Лучше, если он будет выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда. В воду погружены брусочки дерева разных пород. Естественно они будут плавать на поверхности воды, возвышаясь над ней на вполне определённую для каждой породы дерева высоту. Если высота брусочков одинакова, то брусочки лёгких пород будут возвышаться выше, а более тяжёлых – ниже.
 
Эта надводная высота брусочков будет определяться в соответствии с законом Архимеда: «Тело, погруженное в жидкость, выталкивается из неё с силой равной весу вытесненной им жидкости». Таким образом,
 
          F = g · m o = g · ρ o · h o · S = P = g · m 1 = g · ρ 1 · h 1 · S, ( 1)
 
где:
      F – сила, выталкивающая тело, погруженное в жидкость;
      g - ускорение свободного падения; m o - масса жидкости, вытесненной телом;
      ρ o - плотность жидкости;
      h o - высота столба жидкости, вытесненной телом;
      S - площадь основания столба жидкости, вытесненной телом;
      P - вес тела;
      m 1 - масса тела;
      ρ 1 - плотность тела;
      h 1 - высота тела.
 
Беря третий и шестой члены равенства ( 1), и сокращая в них g и S, получим самое простое выражение для закона Архимеда:
 
     ρ о· h о = ρ 1 · h 1 . ( 2)
 
Теперь делаем переход от закона Архимеда к понятию изостазии. Для этого прибавим к обеим частям равенства ( 2) величину ρ о · H о, где H о - высота столбика воды между основанием брусочка и дна нашего аквариума. Как нетрудно понять, эта величина нам даёт несколько в своеобразном виде массу этого столбика жидкости. После элементарных преобразований мы получим следующее:
 
     ρ о· H = ρ о · H о + ρ 1 · h 1 = Const. (3)
 
Здесь H = H о + h о - полная высота воды в нашем аквариуме. Если мы умножим все части равенства ( 3) на ускорение свободного падения g, то можно сформулировать следующее: масса элементарного вертикального столба жидкости единичного сечения, включающая в себя и массы плавающих в нём предметов, есть величина постоянная. Это и есть для нашего аквариума определение понятия изостазии. Оно особенно ярко проявляется для сообщающихся сосудов, в одном из которых в жидкость погружены плавающие предметы. Если на один из брусочков положить некоторый груз, то, под этой нагрузкой, часть воды из данного сосуда перетечёт в соседний сосуд.
 
Аналогичным образом осуществляется и состояние изостазии для Земли. Мы не будем касаться вопроса о внутреннем строении Земли: ядра, оболочек и т.д., это нас может увести очень далеко от нашей темы. Мы просто полагаем, что там всё в порядке – всё уравновешено вплоть до верхней мантии Земли (есть масса книг по этой теме).
 
Как известно, самая внешняя оболочка Земли – это её кора. Она имеет толщину несколько километров под океанами и 30 – 75 км под материками. Плотность материала коры находится в пределах 2500 - 3300 кг/м3. Под ней находится самый внешний из слоёв верхней мантии слегка большей плотности чем литосфера. Реологические (от греческого слова ρεω – течь) свойства этих слоёв значительно отличаются от подстилающего их слоя - астеносферы (от греческого слова αστενοσ – слабый, мягкий). Толщина этого слоя составляет до 100 км, притом, видимо, он присутствует не по всей сфере.
 
Вязкость астеносферы по крайней мере на три порядка меньше вязкости вышележащих слоёв, что выяснилось из геофизических исследований. Геологи обычно объясняют этот эффект слегка подплавленным состоянием материала астеносферы (Уеда С. Новый взгляд на Землю. Мир, 1980). Поэтому земная кора как бы плавает на астеносферном слое верхней мантии Земли. Следовательно, при достаточно длительных нагрузках материал астеносферы может перетекать из-под перегруженных участков под недогруженные. То есть, эти движения инициируются нарушениями изостазии верхней оболочки Земли.
 
Рассмотрим конкретный пример нарушения изостазии Земли при образовании на Антарктиде и её шельфе нынешнего мощного континентального ледникового покрова (данные гляциологов свидетельствуют, что этот покров там был не всегда). При мощности ледникового покрова в 3 км, плотности льда 900 кг/м2 и плотности материала астеносферы 3300 кг/м3 толщина соответствующего слоя астеносферы составит согласно формуле ( 2) величину около 800 м. Следовательно, земная кора под тяжестью льда прогнулась на очень существенную величину - 800м. Поскольку с океанической поверхности исчез соответствующий слой воды, то дно океана стала недогруженным, и под соответствующие области коры начал перетекать материал астеносферы. Ввиду огромной вязкости вещества астеносферы (ρ ~ 10^16 ÷ 10^20 Па · с) процесс уравновешивания совершался очень медленно и, видимо, никогда не заканчивался.
 
Притом сам процесс перемещения астеносферного материала на земной поверхности представляется в виде волнообразных движений земной коры вверх и вниз. В принципе, эти волнообразные движения ничем не будут отличаться от волн на воде, вызванных падением в неё камня. Но только, если учитывать, что вязкость воды (0,001 Па ·с) в 10^23 раз меньше вязкости астеносферы, этот процесс, вульгарно говоря, будет протекать гипермедленно.
 
Другой пример: мы наступаем каблуком в сравнительно тонкий слой грязи (россиянину представить себе это очень легко). Сразу в слое жижи вокрук каблука возникнет то, что в гляциоизостазии называется, «периферийный вал поднятия». Уберите каблук, и вал, при достаточно жидкой грязи, постепенно исчезнет. Вспоминая, что, по Платону, Атлантида погрузилась в воду именно в эпоху дегляциации последнего континентального покрова Северного полушария, возникает предположение о причинно-следственной связи этих двух событий в истории Земли. Численные эксперименты по моделированию глобальных гляциоизостатических движений земной коры, как мне кажется, убедительно доказали этот тезис. Интересно, что целью моих экспериментов вовсе не была Атлантида, она появилась из них, как древнегреческая богиня любви Афродита из волн моря.
 
Таким образом, из «истории с каблуком» следует, что:
 
Архипелаг Атлантида возник на базе Азорских, Канарских и Балеарских островов из волн океана на периферийном валу поднятия. Главной причиной было появление вблизи неё мощных континентальных ледниковых покровов: Северо-Американского и Европейского оледенений. Как только ледниковые покровы начали исчезать, вместе с ними начала опускаться в волны океана и Атлантида.
 
Совершенно аналогично, с другой стороны прямой линии, соединяющей центры Северо-Американского и Европейского ледниковых покровов, возник и исчез архипелаг Гиперборея. Его базой были острова: Франца-Иосифа, Шпицбергена и Новой Земли.
 
Заметим, что «периферийный вал поднятия» прошёлся по всем территориям, окружающим области мощных покровных оледенений. Но если учитывать, что океаническая кора гораздо тоньше - континентальной, то можно сделать вывод, что острова испытывали гораздо большие вертикальные движения чем континентальные области вследствие меньшей толщины литосферы и, таким образом, меньшего демпфирования волновых движений.
 
В действительности, гипотеза о том, что Атлантида возникла из-за общего (эвстатического) уменьшения уровня Мирового океана, известна давно. Но это уменьшение было около 100-150 м. При этом даже не обнажился бы шельф этих островов. Важно то, что из моих численных экспериментов следует, что во время последнего оледенения, сами острова поднялись ещё (над центром Земли) на величину 250-350 м. При этом общий подъём островов над изменяющимся уровнем Мирового океана мог бы составить уже величину 400-500м, что существенно увеличивает общую поверхность архипелага и оправдывает платоновскую путаницу: то ли материк, то ли остров.
 
А теперь, вернёмся к нашим экспериментам.