Как образуются горы?

С холмов над Свиягой гор не видно: до ближайших, Уральских, восемьсот километров на восток. Зато под ногами — ровные слои известняка и глины, отложенные в пермском море триста миллионов лет назад, и лежат они почти горизонтально. А на Урале те же пермские слои стоят дыбом, смяты в складки и прорезаны гранитами. Что-то сдвинуло их и подняло — и это что-то теперь стёрто до холмов высотой в километр-полтора.

Горы не насыпают, их сжимают. Земная кора разбита на плиты, и плиты движутся — на сантиметры в год, со скоростью роста ногтя. Когда две плиты идут навстречу, кора между ними сминается, как ковёр, который толкнули к стене: слои складываются, надвигаются друг на друга, и там, где была кора толщиной 35 км, становится 70. Утолщённая кора легче мантии под ней и всплывает, как айсберг: над водой — горы, под водой — «корень», уходящий вниз на десятки километров. Гималаи — это Индия, которая пятьдесят миллионов лет назад врезалась в Азию и до сих пор давит со скоростью около 5 см в год; Эверест растёт на несколько миллиметров в год и сейчас.

Урал сложила такая же коллизия, но триста миллионов лет назад. С тех пор плиты, его сжимавшие, стали одной, давить перестало, а дождь, лёд и реки продолжали работать. Иначе говоря, высота гор — это счёт между подъёмом и размывом, и у Урала подъём закончился давно.

Что сделать. Найдите на обрыве у Свияги слой известняка и проследите его глазом: он идёт ровно, без изгибов. Это та самая кора, которую никто не сжимал триста миллионов лет. Теперь представьте тот же слой, поставленный вертикально, — так он лежит на Урале.

Складка и всплытие. Кора состоит из гранита и осадков плотностью около 2,7 г/см³ и плавает на мантии плотностью 3,3. Как у айсберга, надводная часть — малая доля: чтобы поднять гору на километр, нужно утолщить кору примерно на пять с половиной, из которых четыре с половиной уйдут вниз, в корень. Поэтому у Гималаев кора толщиной до 70 км, а под Тибетом — до 80. Сжатие даёт эту толщину тремя путями: складками, надвигами (один пласт заезжает на другой) и вязким течением нижней, горячей коры.

1. гора поднимается на h — корень уходит вниз на 4,5 h
2. кора, плотность 2,7
3. 4,5 h
4. мантия, плотность 3,3

Предположения, стоящие за картиной:

1. Кора легче мантии и плавает на ней — изостазия; мантия на масштабе миллионов лет ведёт себя как очень вязкая жидкость.
2. Сжатие идёт медленно, сантиметры в год, и кора успевает деформироваться, а не ломаться целиком.
3. Эрозия работает всегда и тем быстрее, чем выше и круче гора.

Три способа сделать гору. Коллизия континентов — Гималаи, Альпы, Урал, Кавказ: два континента, ни один не тонет, кора сминается. Субдукция — Анды и Камчатка: океанская плита уходит под континент, плавится, и над ней встают вулканы, а край континента сжимается. Растяжение — Восточная Африка, Байкал: кора трескается, блоки проседают, а края разлома встают горами. Есть и четвёртый, без плит: горячая струя в мантии выпучивает кору куполом, как Эфиопское нагорье.

1. три способа сделать гору
2. коллизия: Гималаи, Альпы, Урал
3. субдукция: Анды, Камчатка
4. растяжение: Байкал, Восточная Африка

Предел высоты. Почему нет гор в двадцать километров? Камень у подножия Эвереста несёт столб высотой 9 км и давление около 250 МПа — это порядок прочности гранита на сжатие. Выше гора начала бы течь под собственным весом. Второй предел — климат: выше снеговой линии работают ледники, а они срезают вершины быстрее, чем тектоника поднимает; хребты от Анд до Урала «подстрижены» примерно на высоте снеговой линии своей широты.

Проверьте сами. Насыпьте на стол слой муки, накройте листом бумаги и медленно двигайте бумагу к стене: слой сомнётся в складки и надвиги, и передний край встанет клином. Это и есть горная цепь в разрезе, только в тысячу раз быстрее.

Тот же принцип в других местах. Складка на скатерти, которую сдвинули; торосы на реке, когда льдины наезжают друг на друга; шрам на дороге, где асфальт сжало. И обратное — равнина под нами: платформа, которую не сжимали триста миллионов лет, и потому слои на обрыве Свияги лежат так же ровно, как легли на дно пермского моря.

Айсберг из камня. Пусть кора плотности $\rho_c$ плавает на мантии плотности $\rho_m$, и гора высотой $h$ держится корнем глубины $d$. Равновесие столбов даёт

$$d = h\,\frac{\rho_c}{\rho_m - \rho_c}$$

модель

При $\rho_c = 2{,}7$ и $\rho_m = 3{,}3$ г/см³ корень в 4,5 раза глубже горы: Эверест высотой 8,8 км по этой формуле сидит на корне около 40 км; сейсмологи меряют под Гималаями кору толщиной 70–80 км — того же порядка, а расхождение — цена того, что модель считает кору жидкостью. Иначе говоря, гора — верхушка айсберга, и, чтобы поднять вершину на метр, тектоника должна вдавить в мантию пять метров коры. Это же уравнение работает в обратную сторону: когда эрозия снимает с горы километр, корень всплывает на 800 м, и вершина опускается всего на 200. Потому горы стираются так медленно и Урал, потеряв за триста миллионов лет несколько километров, стоит до сих пор¹.

Скорости. Индия сближается с Азией на 45–50 мм в год; из них около 20 уходит в Гималаи, остальное — в Тибет и дальше. Эверест поднимается на 4–5 мм в год, эрозия снимает 0,5–1 мм, чистый рост — около 3 мм. Нанга-Парбат на западе Гималаев растёт быстрее всех известных гор — до 7–10 мм в год, и река Инд режет его так же быстро: ущелье глубиной 7 км. В Альпах подъём и размыв сравнялись — около 1 мм в год каждый, и хребет держит высоту, не растя. На Урале сжатия нет, а эрозия — сотые доли миллиметра в год, и гора обречена стать равниной, как Тиманский кряж или Донецкий, где от гор остались холмы².

Кто открыл. Что горы имеют корни, вычислил в 1855 году Джордж Эйри, королевский астроном, из странности геодезии: отвес у подножия Гималаев отклоняется к горам меньше, чем должен по их массе, — значит, под горами есть недостаток массы, лёгкий корень. Что Альпы — складка, сдвинутая на десятки километров, показали в 1900-х швейцарские геологи, а откуда берётся сжатие, не понимали до 1960-х, когда была открыта тектоника плит. Что Урал — шов между Европой и Сибирью, а не «Каменный пояс» на краю света, установила советская геология 1930–1960-х: буровые и сейсмика показали под Уралом остатки океанской коры — след океана, закрывшегося триста миллионов лет назад.

Границы этого рассуждения.

• Изостазия Эйри — упрощение. Кора не жидкость, она держит нагрузку изгибом, как доска: небольшие горы вообще не имеют корней, их держит жёсткость плиты.
• Предел высоты по прочности — грубый. Камень в глубине горячий и течёт при меньших напряжениях; реальный предел — сочетание прочности, температуры и климата.
• «Старая гора — низкая» — не закон. Тянь-Шань сложен в палеозое, стёрт, а потом поднят заново в кайнозое отголоском индийского удара — на 7 тысяч метров.
• Скорости роста — по GPS за десятилетия. Землетрясение сдвигает гору на метры за секунды; средняя за миллион лет складывается из толчков и пауз.

О чём спорят. Что первично — тектоника или климат? В 1990 году Молнар и Ингленд заметили: эрозия снимает нагрузку, корень всплывает, вершины поднимаются — и предположили, что резкое похолодание последних миллионов лет само «подняло» горы, усилив размыв. Другие отвечают, что всплытие корня поднимает вершины, но не среднюю высоту, и что горы стали выглядеть выше, а не стали выше. Спор о том, поднял ли Гималаи муссон, идёт тридцать лет³.

Открытый вопрос. Почему Тибет — плоский? Плато площадью с половину Европы стоит на высоте 5 км и почти ровное, хотя сжатие продолжается. Гипотеза о текущей нижней коре, которая растекается, как мёд, выравнивая рельеф, объясняет плоскость, но не даёт ответа, куда девается сжатие в 20 мм в год, — и это главный нерешённый вопрос тектоники континентов.