В течение 20-го века наши знания и понимание океанических бассейнов и их геологии резко возросли. До 1900 года мы практически ничего не знали о батиметрии и геологии океанов. К концу 1960-х годов у нас были подробные карты топографии дна океана, четкая картина геологии отложений дна океана и твердых пород под ними, и почти столько же информации о геофизической природе скал океана, сколько континентальные скалы.
Примерно до 1920-х годов глубина океана измерялась с помощью взвешенных линий, сброшенных за борт. В глубокой воде это мучительно медленный процесс, и количество зондирований в глубоких океанах, вероятно, было менее 1000. Это примерно одна глубина на каждые 350 000 квадратных километров океана.
После разработки акустических эхолотов в 1920-х годах число показаний глубины увеличилось на много порядков, и к 1930-м годам стало очевидно, что во всех океанах мира есть крупные горные цепи. Во время и после Второй мировой войны проводилась хорошо организованная кампания по изучению океанов, и к 1959 году было собрано достаточно батиметрических данных для составления подробных карт всех океанов.
Важные физические особенности дна океана:
- Обширные линейные гряды (обычно в центральных частях океанов) с глубиной воды порядка от 2000 до 3000 м;
- Зоны разрушения перпендикулярно гребням;
- Глубоководные равнины на глубинах от 5000 до 6000 м;
- Относительно плоские и неглубокие континентальные шельфы глубиной до 500 м;
- Глубокие траншеи (до 11 000 м в глубину), большинство вблизи континентов;
- Подводные горы и цепи подводных гор.
Зондирование сейсмического отражения включает передачу высокоэнергетических звуковых импульсов, а затем измерение эха с помощью серии геофонов, буксируемых позади корабля. Техника связана с акустическим звучанием, как описано выше, однако передается гораздо больше энергии, а сложность обработки данных намного выше.
По мере развития техники и увеличения количества энергии стало возможным видеть сквозь донные отложения и стала ясна карта рельефа коренной породы и толщины земной коры. Следовательно, можно наносить на карту толщину отложений, и вскоре было обнаружено, что, хотя отложения были толщиной до нескольких тысяч метров вблизи континентов, они были относительно тонкими - или даже отсутствовали - в районах океанического хребта.
Сейсмические исследования также показали, что под океанами кора относительно тонкая (от 5 до 6 км) относительно тонкая по сравнению с континентами (от 30 до 60 км) и геологически очень последовательная, почти полностью состоящая из базальта.
В начале 1950-х годов Эдвард Буллард, который провел время в университете Торонто, но в основном связан с Кембриджским университетом, разработал датчик для измерения потока тепла от дна океана. Буллард и его коллеги обнаружили, что этот показатель выше среднего по грядам и ниже среднего в траншейных районах.
Хотя Буллард был скептиком плит-тектоников, эти особенности были истолкованы, чтобы показать, что внутри мантии существует конвекция - области с высоким тепловым потоком коррелируют с восходящей конвекцией горячего материала мантии, а области с низким тепловым потоком коррелируют с нисходящим потоком. конвекция. С развитием сетей сейсмографических станций в 1950-х годах стало возможным наносить на карту местоположение и глубину как крупных, так и незначительных землетрясений с большой точностью. Было обнаружено, что существует замечательное соответствие между землетрясениями и срединно-океаническими хребтами и глубокими океаническими траншеями.
В 1954 году Гутенберг и Рихтер показали, что землетрясения на океанском хребте были относительно мелкими, и подтвердили то, что Бениофф впервые показал в 1930-х годах, что землетрясения в окрестностях океанических траншей были как мелкими, так и глубокими, но более глубокие расположен все дальше вглубь от траншей. В 1950-х годах ученые из Океанографического института Скриппса в Калифорнии убедили береговую охрану США включить показания магнитометра в одну из своих экспедиций для изучения топографии дна океана.
Первый полный магнитный набор данных был собран в 1958 году для района у побережья Британской Колумбии и штата Вашингтон. Это исследование выявило изумительную картину низкой и высокой магнитной напряженности в породах морского дна. Когда данные были впервые нанесены на карту в 1961 году, их никто не понимал, даже ученые, которые их собирали.
Хотя рисунки имели даже меньше смысла, чем полосы на зебре, в течение следующих нескольких лет проводились магнитные исследования на многие тысячи километров.
Обилие новых данных об океанах начало оказывать существенное влияние на геологическое мышление в 1960-х годах.
В 1960 году Гарольд Гесс, широко уважаемый геолог из Принстонского университета, выдвинул теорию со многими элементами, которые мы сейчас принимаем за тектонику плит.
Однако он сохранял некоторую неуверенность в своем предложении, и, чтобы отвлечь критику от основных геологов, он назвал это геоэтрией.
Гесс предположил, что новое морское дно было получено из материала мантии на океанических хребтах, и что старое морское дно было утащено вниз в океанические траншеи и вновь включено в мантию. Он предположил, что этот процесс вызван мантийными конвекционными потоками, которые поднимаются на гребнях и спускаются в траншеях.
Он также предположил, что менее плотная континентальная кора не погрузилась с океанической корой в траншеи, но что сталкивающиеся массы суши были сформированы в горы. Теория Гесса легла в основу наших идей по распространению морского дна и континентальному дрейфу, но это не имело отношения к понятию, что кора состоит из определенных пластин.
Сбор магнитных данных из океанов продолжался в начале 1960-х, но до сих пор никто не мог объяснить происхождение зебра-подобных паттернов. Большинство полагало, что они были связаны с изменениями в составе пород - такими как изменения в количестве магнетита - так как это общее объяснение магнитных изменений в породах континентальной коры.
Первым реальным пониманием значимости полосатых аномалий стала интерпретация кембриджского аспиранта Фреда Вайна. Вайн изучал магнитные данные из Индийского океана и, как и другие, отмечал симметрию магнитных структур относительно океанического хребта.
В то же время другие исследователи, возглавляемые группами в Калифорнии и Новой Зеландии, изучали явление инверсий в магнитном поле Земли. Они пытались определить, когда такие изменения произошли за последние несколько миллионов лет, анализируя магнитные характеристики сотен образцов из базальтовых потоков. Очевидно, что магнитное поле Земли периодически ослабевает, а затем практически не существует, прежде чем восстанавливаться с обратной полярностью.
В периоды обратной полярности компас будет указывать на юг, а не на север. Шкала времени магнитных инверсий нерегулярна. Например, нынешнее «нормальное» событие, известное как магнит Брунеса, продолжается около 780 000 лет. Этому предшествовало обратное событие на 190 000 лет; 50 000-летнее нормальное событие, известное как Харамильо; и затем 700 000-летнее обратное событие.
В статье, опубликованной в сентябре 1963 года, Вайн и его научный руководитель Драммонд Мэтьюз предположили, что закономерности, связанные с гребнями, были связаны с магнитными инверсиями, и что океаническая кора, созданная из охлаждающего базальта во время нормального события, имела бы полярность, выровненную с существующим магнитным полем. и, следовательно, приведет к положительной аномалии (черная полоса на магнитной карте морского дна), тогда как океаническая кора, созданная во время обратного события, будет иметь полярность, противоположную существующему полю, и, таким образом, приведет к отрицательной магнитной аномалии (белая полоса).
Та же идея была выдвинута несколькими месяцами ранее Лоуренсом Морли из Геологической службы Канады, однако, его документы , представленные ранее в 1963 году в Журнал геофизических исследований был отклонен. Многие люди называют эту идею гипотезой Вайн-Мэтьюз-Морли. Они были первыми, кто показал этот тип соответствия между относительной шириной полос и периодами магнитных инверсий. Гипотеза была подтверждена в течение нескольких лет, когда магнитные данные были собраны из распространенных хребтов по всему миру.
В 1963 году Дж. Тузо Уилсон из Университета Торонто предложил идею мантийного шлейфа или горячей точки- место, где горячий мантийный материал поднимается в неподвижном и полупостоянном шлейфе и воздействует на вышележащую кору. Он основал эту гипотезу частично на распределении цепей островов Гавайских и Императорских подводных гор в Тихом океане. Вулканическая порода, составляющая эти острова, постепенно моложе к юго-востоку, достигая кульминации с самим островом Гавайи, который состоит из скал, которые почти все моложе чем 1 млн. лет.
Существует доказательство наличия множества таких мантийных шлейфов по всему миру. Одним из примеров является горячая точка Йеллоустоун в западно-центральной части Соединенных Штатов.
Хотя распространяющиеся океанические гряды на поверхности Земли представляют собой искривленные элементы, на самом деле гряды состоят из серии прямых отрезков, смещенных с промежутками разломами, перпендикулярными к гряде. В работе, опубликованной в 1965 году, Тузо Уилсон назвал эти особенности трансформацией ошибок. Он описал характер движения вдоль них и показал, почему есть землетрясения только на участке разлома трансформации между двумя соседними сегментами хребта.
Разлом Сан-Андреас в Калифорнии является очень длинным трансформирующим разломом, который связывает южный конец распространяющегося гребня Хуан-де-Фука с распространяющимися гребнями Восточно-Тихоокеанского подъема, расположенными в Калифорнийском заливе.
В той же статье 1965 года Уилсон представил идею, что кора может быть разделена на ряд жестких плит, и, таким образом, он отвечает за термин тектоника плит.
