Выделение подошвы гипергенной оболочки

Исследование динамики систем со скоростями перемещения их вещества несколько сантиметров в год – сложная задача. Отметим относительный аспект проблемы. Можно считать, что уровень основного взаимодействия соответствует глубинам в первые десятки километров, а можно увеличить этот предел и до 300 км – ведь движение абсолютно (неуничтожаемо). Значит и нижний уровень образования изучаемых геологических объектов литосферы относителен. Поэтому корректнее говорить о разграничении относительно независимых гравитирующих масс в данной области глубин и выяснении особенностей их взаимодействия. Подчеркнём, что здесь нет противоречия, несмотря на то, что термины «относительно независимых» и «взаимодействия» согласуются не очень хорошо. Достаточно вспомнить закон «перехода количества в качество», подразумевающий именно взаимодействие относительно разноранговых систем, и всё станет понятным.

Иногда считается, что основная поверхность срыва в системе расслоенной литосферы, одновременно представляющая подошву гипергенной оболочки (ПГО), – есть поверхность Мохоровичича. Ведь земная кора – толщи, расположенные выше поверхности Мохо, в общем случае представляют собой вещество, также подверженное влиянию глубинной энергии. Однако, в свете наших построений нет достаточных оснований для рассмотрения поверхности Мохо в качестве подошвы гипергенной оболочки планеты, а тем более – в качестве уровня максимального взаимодействия масс в горизонтально расслоенной литосфере. Относительность выделения ПГО по наличию только сейсмической границы при ограниченном использовании других геофизических методов в установлении дифференциации плотностей глубинного вещества вполне очевидна. Важная роль должна быть отведена динамическим характеристикам материи, связанным с резким изменением физических свойств пород в отдельных слоях.

Давно выделенный (во многих районах) такой слой (астеносферный) расположен на глубинах от 60 до 260 км. Сложность его строения, большое количество гипоцентров землетрясений, фиксирующихся до глубин 100 км, вулканических очагов (на глубинах 40–150 км) позволяют с полным основанием считать астеносферу наиболее активным уровнем-горизонтом взаимодействия кровли глубинных масс с литосферой. Но неоднородна не только астеносфера. Подтверждением этому служит характер распределения количества очагов землетрясений на различных глубинах литосферы и мантии (см. рис. 13-5). Факт частой регистрации землетрясений с гипоцентрами на глубинах от 300 до 650 км свидетельствует о сложности (неоднородности) строения даже мантийного вещества. Частично надастеносферное вещество вовлекается в круговорот сложного движения, подвергается базификации (насыщению более плотными породами) с выделением энергии, частично остаётся в виде менее плотных образований, представляющих континентальную и океаническую кору – гипергенную оболочку.

Характеристика астеносферы, выделенной в разных районах Земли, дана во множестве работ [Соловьёва, 1981; Косыгин, 1988; Беляевский, 1981; Моисеенко, 1981; Оллиер, 1984 и др.], поэтому здесь (дополнительно к информации в разделе 13) мы приведём некоторые уже проанализированные учёными особенности пространственного расположения таких слоёв, характеризующихся уменьшением скоростей сейсмических волн на 0,5 км/с.

Обобщённые данные многих исследователей свидетельствуют, например, о наличии волновода в Московской и Прикаспийской синеклизах, в Скалистых горах и под хребтами Кордильер, под Береговым хребтом (США), а главное – в областях новейшей тектономагматической активизации. Отсутствует волновод в Печорской синеклизе, под Канадским щитом и плато Колорадо [Косыгин, 1988].

По распределению скоростей продольных волн установлено, что слой-волновод не выражен на платформах, за исключением Канадского и Балтийского щитов, где он тонок (мощность 15-20 км на глубинах 60-80 км), зато с наименьшими скоростями присутствует в областях тектонической активности (Карпаты, Кавказ, Памир, Байкал, Дальний Восток) [Артюшков, 1979]. Более детальные и достоверные (по мнению Ю.А. Косыгина) данные И.А. Соловьёвой акцентируют внимание на преимущественной приуроченности волноводов к разделам Конрада и Мохоровичича (или внутри слоёв) и главного волновода – к мантии на глубинах от 70 до 200 км. Волноводы не устанавливаются под срединно-океаническими хребтами и молодыми складчатыми зонами (см. раздел 13).

Кроме этого, отмечены значительные латеральные неоднородности верхов мантии Тихого океана, выраженные в анизотропии скоростей продольных и поперечных волн – зависимости от направления их распространения. Этот эффект был достаточно надёжно установлен в период с 1964 по 1979 годы американскими исследователями по результатам изучения океанической литосферы. Естественно, что эти данные использовались для подтверждения существования раздвижения коры в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов. В основе эффекта подразумевалось упорядочение ориентации породообразующих минералов на больших площадях из-за движения литосферы. Понятно, что эта анизотропия значительно лучше выражена в океанах, где литосфера более тонка и однородна. Величины анизотропии составляют от 3 до 10%, причём закономерных связей между азимутами максимальных скоростей не установлено. Но реально ли такое выравнивание минералов, как причина существования анизотропии? Возможно, причина заключается в корректном рассмотрении физической природы распространения сейсмической энергии – взаимодействия движущегося вещества (см. выше). И закономерно, что многие исследователи пришли к выводу о преимущественном влиянии дополнительного давления, возникающего в веществе литосферы и мантии. Представить же возникновение давления без движения, без взаимодействия невозможно.

Что же мы имеем в качестве априорной информации? Из-за её недостатка и осреднения данных по большим площадям значительно расходятся оценки параметров астеносферного слоя, а также отсутствует чёткое определение объекта. Связать воедино горнопородные особенности вещества и его динамические параметры как движущегося тела исследователи пока не могут. Ч. Дрейк, Дж. Имбри и др. приводят пример доказательства существования слоя пониженных скоростей путём сопоставления параметров сейсмических волн от глубокофокусных землетрясений при гипотетическом погружении океанической плиты под «почти океаническую» в области глубоководного жёлоба Тонга-Кермадек [Океан сам по себе…, 1982]. Разуплотнение мантии по обе стороны от погружающейся холодной плиты, в теле которой волны распространяются с нормальными параметрами, приводит к изменению частоты фиксируемых колебаний (рис. 14-2). Здесь авторы почему-то оставили в стороне анизотропию слоистого вещества погружающейся плиты, также способную изменить спектральный состав распространяющихся волн.

Предложим другое объяснение, больше опирающееся на динамику, на формирование астеносферы. Из рисунка 14-2 (вариант «Б») следует, что под литосферой между островами Фиджи и Тонга может быть относительно разуплотнённая мантия и формирующаяся некой тороидальной структурой астеносфера. Восточная часть толщ представляемого разреза, по-видимому, характеризуется близкими физическими параметрами? Глубины океана здесь достигают почти 5,5 км по сравнению с двухкилометровыми погружениями дна западной части. Поэтому, не исключено, что мантия восточной части также активизирована. Характерно, что именно по линии глубоководного жёлоба происходит смена знака гравитационных аномалий к востоку с положительных на отрицательные, фиксируемые обычно в районе срединно-океанических хребтов. Более жёсткими верхняя часть мантии и литосфера оказываются в области островов Тонга (заштрихованная часть разреза – зона инертных толщ), что способствует передаче относительно нормальных колебаний сейсмических волн. Сохранение нормальной жёсткости пород мантии может быть связано и с нахождением (предположительным) данного объёма пород в начальной стадии формирования астеносферы и области тектономагматизма. По данным Х. Раста на протяжении 1200 км островной дуги Тонга известно всего 5 действующих вулканов. Курильские острова на таком же расстоянии «предлагают для изучения» 32 современных вулканических аппарата.

Большинством исследователей астеносфера не рассматривается как зона сплошного плавления пород, поскольку фиксируется по продольным и поперечным волнам. Как было подчёркнуто раньше, имея естественное ограничение сверху (в первом приближении – поверхность Мохо), астеносфера может представлять дифференцированную по физическим свойствам область взаимодействия глубинного вещества с вышележащими толщами. (Правда, трудно назвать толщами слои, составляющие на континентах 2, а в океанах 1% от радиуса планеты). С этих позиций необходимо устанавливать и источники энергии, регламентирующие существование астеносферы.

В соответствии с положениями физической теории гравитации – любая энергия это энергия движения. Поэтому, астеносфера (если рассматривать только этот уровень) представляет область максимального движения-взаимодействия вещества. Выделяющаяся здесь тепловая энергия (энергия движущегося и распадающегося радиоактивного вещества) поступает по глубинным разломным зонам в литосферу, закономерно преобразуя вещество в областях взаимодействия. Параметры сформированного слоя, фиксирующегося в океанических областях на глубинах 60-80 км, а в континентальных – в пределах 60 – 260 км, должны рассматриваться исключительно с позиции физических факторов.

Распределение температур пород на таких глубинах прогнозируется по усреднённым математическим расчётам и предполагаемому составу вещества. В наиболее полном справочнике по физическим свойствам горных пород можно узнать, что на 70-километровой глубине океанической литосферы температура примерно равна 1200 С; на 50-километровой 1000, а в пределах 160 км континентальной – всего около 900 С [Физические свойства…, 1984]. Примерно такое же соотношение показано и В.А. Магницким. Температура около 1000 С прогнозируется под океанами на глубинах 40-50 км, а под континентами 90-100 км [Магницкий, 1965]. Между тем, исследователями установлено примерное равенство тепловых потоков для океанической и континентальной литосферы (без учёта зон активной тектономагматической деятельности). Информация из геологического словаря свидетельствует, что «кора континентов обладает более низкой теплопроводностью, чем кора океанов» [Геологический словарь, 1978]. (Здесь речь идёт только о земной коре). В общем, считается, что оценка теплопроводности сильно зависит от интенсивности источников тепла и их распределения по глубине, теплоёмкости толщ, а также от принятого возраста Земли. Отмечается также сложная связь параметра с давлением на больших глубинах литосферы [Моисеенко, 1981].

Оценим примерную удельную средневзвешенную теплопроводность континентальной и океанической литосферы с рассматриваемыми средними мощностями разнопородных слоёв (рис. 14-3). Вещественный состав пород уподобим наиболее простым разностям, для которых существуют табличные данные величин теплопроводности. Несложные расчёты показывают, что полученные значения примерно равны: 3,86 и 3,80 Вт/м·К соответственно. Таким образом, закономерность заключается уже в том, что в составе более мощной континентальной литосферы преобладают перидотиты, теплопроводность которых по сравнению с кислыми разностями больше почти в 2 раза. Вероятно, это во многом определяет динамику теплового режима земных недр. Океаническая литосфера характеризуется также в 3,7 раз большим градиентом тепловой энергии, по сравнению с континентальной. (Отметим, что теплопроводность воды ровно в 3,7 раз меньше теплопроводности такого кристаллического вещества, как лёд).

Насколько физически закономерна эта ситуация? Вероятно, здесь нет ничего необычного. Градиенты плотности также различны. Ведь мы рассматриваем единую систему, движущей силой эволюции которой выступает тепловое излучение (кванты движения). Исходя из равенства глубинной температуры (нужна точка отсчёта), а также из примерного равенства поверхностных тепловых потоков, мы придём к выводу о существенных различиях в свойствах вещества, подвергающегося воздействию тепловой энергии. Это означает, что физическая система в своём развитии закономерно формирует внешние оболочки, необходимые для поддержания нормального (стационарного) её функционирования. Континентальная кора с присущими ей физическими свойствами должна иметь мощность пород, задерживающих нужное стационарной системе количество эндогенного тепла. Но если экран неизвестного состава задерживает тепло (q – плотность теплового потока), поступающее от масс, разогретых до одинаковых температур (например, до 1200 °С), одинаково, значит, экран может различаться по мощности и составу. Если в среднем литосфера континентов и океанов сложена одними и теми породами (пусть и в разных соотношениях), то мощности их неодинаковы. Поэтому, физические свойства экрана, влияющие на теплопроводность (λ), различны. Из формулы

λ = q / grad T

однозначно следует, что при градиенте температуры в континентальной литосфере (относительно океанической) в 3.7 раз меньшим, общая теплопроводность материала более мощного континентального «экрана» должна быть примерно во столько раз больше. Такая ситуация не противоречит вполне корректному допущению, что увеличение компактности (переход в кристаллическое состояние) структуры минералов (и пород) однозначно приводит к увеличению теплопроводности [Физические свойства…, 1984]. Область высоких давлений под континентальной литосферой (до глубин 260 км) может служить дополнительным фактором в ряду причин увеличения общей теплопроводности.

В итоге, можно достаточно корректно объяснить примерное равенство средних величин тепловых потоков в ненарушенных океанических и континентальных областях, а также существование земной коры различных типов. Действительно, в равномерно развивающейся (стационарной) системе все физические параметры, определяющиеся единой причиной (движением-тяготением), изменяются только согласованно. Это пример жёсткой обратной связи в системе, гарантирующей стабильность последней. Изменение сил тяготения (давления) неизбежно приводит к изменению температуры и, как следствие, формированию соответствующих планетных оболочек.

Но такая связь определяет и невозможность общего перехода вещества в другое агрегатное состояние. В то же время, однозначно установлено наличие расплавленного вещества внешнего ядра. Правда, сразу же оговоримся, что расплавленное вещество внешнего ядра – это норма для данных величин сил тяготения. Можно возразить, что вулканизм – явление обычное. Здесь дело в том, что, рассматривая физические процессы, происходящие на любом уровне, необходимо ещё раз вспомнить закон философии о «переходе количества в качество» (системы должны быть разноранговыми). Ограниченное количество систем более высокого ранга (локальных очагов плавления) не могут привести к общему плавлению астеносферы и изменить качество более глобального объекта. Это же полностью справедливо и в отношении раздела «мантия – ядро» где при нормальном развитии невозможен общий переход из расплава в газ.

Значит, взаимодействие верхних частей глубинных масс (в отношении динамики – ведущих) с толщами литосферы (в некоторой степени – ведомыми) может осуществляться в области разноуровневого (на континентах в среднем 150-170 км) астеносферного слоя, сформированного в соответствии с распределением сил движения-тяготения планеты. Вероятнее всего, такое заключение не может считаться окончательным и верным. Многие факты в установленных особенностях локализации продуктов магматизма и вулканизма служат причиной появления построений, в которых область взаимодействия глубинного вещества значительно приближена к подошве земной коры. Этому способствует и выделение слоёв, в которых скорость сейсмических волн понижена. Но такие слои выделяются повсеместно, с разной степенью надёжности и на различных глубинах. Поэтому вполне закономерен вывод «о сложно дифференцированном по латерали и вертикали поле напряжений, действующих в коре и мантии Земли» [Соловьёва, 1981]. Напряжения свойственны сложно построенным толщам, и «слой-волновод», точнее – сейсмопоглощающий слой всегда испытывает переход от меньших глубин под породами большей основности к бльшим глубинам в области распространения толщ гранитно-метаморфического и гранулито-базитового слоёв (рис. 14-3). В этом случае любой объём земного вещества соответствующего ранга характеризуется «своим» распределением сил тяготения. Эти объёмы есть производное сложно взаимодействующих геодинамических структур планеты. Исследования поверхностных волн методом построения и анализа дисперсионных кривых фазовых скоростей волн Рэлея и Лява позволили сделать вывод, что в верхней мантии на глубинах до 500-600 км не существует неоднородностей с горизонтальными размерами более 1000 км [Дорман, 1972; Соловьёва,1981]. Это вполне объяснимо, учитывая неравномерное распределение сил тяготения, различное сочетание в геологическом пространстве вещества с различной концентрацией РЭ, во многом определяющие зарождение и развитие тектонических структур. Важно, что такие структуры не могут иметь глобального распространения, ибо это противоречит ходу динамической эволюции Земли.

Вывод в нашем коротком рассмотрении проблемы выделения гипергенной оболочки будет следующий. «Объём гипергенной оболочки целиком зависит от ранга структур, вовлечённых в анализ. В «тектонике литосферных плит» гипергенная оболочка не может быть выделена при отсутствии взаимодействия между массами литосферы и перемещающимся веществом мантийных тороидальных структур. В этой связи, глобальность распространения слоя взаимодействия (астеносферы) определяется масштабами такого взаимодействия. Астеносферный слой может иметь прерывистое распространение в пространстве и ограниченную по времени продолжительность существования в активном (в виде полурасплавленного вещества) состоянии».