2.3. Геодинамические системы и циклы

9. Проблема источника энергии глубинных геологических процессов

Источники энергии: остаточное тепло разогретой планеты, энергия радиоакт распада, энергия глубинной гравитационной дифференциации, твердые приливы, обусловленные действием Луны и Солнца.

Изменение роли источников энергии в истории Земли.

Земля выделяет в окружающее пространство тепло, в совр усл-х оно оценивается в 4.2 10¹³ Вт. Источники тепла.

1. Остаточное тепло разогретой планеты.

2. Энергия радиоакт распада.

Подсчеты: радиогенное тепло может обеспечить около ¼ наблюдаемого теплового потока (1,14 10¹³ Вт). Поскольку около 90% рад эл-в сконц-но в конт коре, радиогенное тепло не может влиять на глубинные процессы Земли.

3. Энергия глубинной гравитационной дифференциации считается ведущей:

• перераспред-е в-ва по плотности,

• химические и фазовые переходы.

4. Твердые приливы, обусловленные действием Луны и меньше Солнца (2% всей тепл энергии).

Все источники д.б. проявлять себя наиболее интенсивно на ранних стадиях разв-я планеты до конца архея.

В момент рождения Земли сред темп мантии м.б. около 2000 град, в наст время – 1350 град.

Через 1 – 1.5 млрд л. земля превратится в мёртвую планету как Марс и Меркурий.

В тектоносфере большую роль играют процессы, связанные с инверсией плотностей на границе астеносфера/литосфера и в самой литосфере.

Это

1) астеносферный диапиризм в основании континентальных рифтов, приводящий к спредингу, погружению и магматизму,

2) формирование гр-гнейсовых куполов в связи с палингенным гранитообразованием в средней части консолидированной коры,

3) обр-е гранитоидных диапиров , прорывающих неметаморфизованные или слабо метаморфизованные осадочно-вулк-е толщи (в зеленокам-х поясах архея),

4) серпентинитовый диапиризм, свойственный рифтовым зонам и зонам трансформных разломов океанов, зонам субдукции, офиолитовым зонам,

5) солянокупольный диапиризм в осадочном слое (галокинез).

Т обр, энерг баланс Земли слагается, в порядке убывания, из

1) тепла гравитационной дифференциации,

2) остаточного тепла аккреции Земли,

3) радиогенного тепла,

4) приливного тепла,

5) механической энергии гравитации, включая проявления гравитационной неустойчивости в мантии и коре,

космогенный фактор – бомбардировка метеорными телами.

10. Движущие силы Земли (как работает тепловая машина Земля?)

Природа движущих сил плито-тектонических процессов.

Механизмы движения плит: мантийные горизонтальные течения, механизм затягивания литосферной плиты в зону субдукции, механизм расталкивания плит в зонах спрединга СОХ (ridge push ). Проверка механизмов.

Характер конвекции в мантии. Структура конвекции, материальная составляющая конвекции.

Первоначально в 60-х гг. – перемещение вызывается тепловой конвекцией мантии Земли.

Конвекция подтверждается существованием плотностных неоднородностей в мантии по данным сейсмич. томографии, выделением тепла вдоль осей СОХов и рифтов. Выделение тепла настолько сильное, что без тепломассопереноса планета должна была бы расплавиться.

Механизмы движения плит.

1. Первоначально полагали, что мантийные горизонтальные течения увлекают плиты, как вода движет лёд в реке (О.Г. Сорохтин).

2. Механизм затягивания литосферной плиты в зону субдукции вследствие её утяжеления с возрастом, вызванного охлаждением и залечиванием пор, перехода базальтов и габбро океанской коры на глубине около 60 км в эклогит – более плотный, чем в-во мантии (С.Уеда и У. Форсайт, 1975).

Этот мех-м получил название «pull suction» - тянуть, тащить и засасывать.

3. Механизм расталкивания плит в зонах спрединга СОХ (ridge push (толкать) в р-те оползания спредингового хребта и внедрения магмы.

Проверка механизмов.

Составлена мировая карта напряженного состояния литосферы (1992). Установлено, что на континентальных частях литосф плит по обе стороны Атлантики господствуют напряжения сжатия, ориентированные по направлению спрединга, т.е. перпенд-но оси СОХов.

Это доказывает механизм расталкивания (ridge push). То же близ рифтов континентальных.

В зонах, прилегающих к активным коллизионным орогенам (Альпы, Гималаи), напряжения сжатия направлены от осей орогенов к их форландам. Это результат столкновения литосф плит.

На активных конт окраинах (Анды) отмечаются напряжения сжатия, перпендик-е окраинам, связанные с субдукцией.

Характер конвекции в мантии?

Данные сейсмотомографии показывают, что распределение восходящих и нисходящих струй конвективных ячей в верхней части мантии (до глубины 200 – 250 км) соответствуют современному плану размещения литосферных плит.

С увеличением глубины оно начинает соответствовать более древнему времени начала распада Пангеи.

Это указывает на определенную консервативность структуры мантийных течений, т.е. существует взаимодействие мантийных течений и плит.

Проблема 1. Какова структура конвекции ещё глубже не ясно. Существуют 2 концепции:

1) традиционная конц-я общемантийной конвекции,

2) 2-х ярусной конвекции.

Факты?

Граница верх и нижней мантией – на гл 650 – 670 км. Здесь по-видимому происходит резкое изменение фазового состояния в-ва: пироксены и гранаты замещаются перовскитом (Ca,Mg)SiO₃ и в меньшем кол-ве магнезиовюститом (Fe,Mg)O.

Этот фазовый переход может объяснить лишь 30% увеличения плотности мантии, поэтому требуется допустить изменение химического состава в-ва, а это не совместимо с общемантийной конвекцией. Реальность 2-слойной конвекции подтверждается физическим моделированием в эксперименте Н.А. Добрецова и А.Г. Кирдяшкина (1993).

Математическое моделирование французских исследователей показало, что общемантийная конвекция может переходить в 2-х ярусную, и наоборот, и что период этого обращения может составлять порядка 500 млн л. Цифра соответствуетдлительности суперконтинентальных циклов (мегациклов Вилсона).

Конвекция существует и в жидком ядре. Она обусловливает появление магнитного поля Земли.

Таким образом, наша планета представляет собой многоярусную конвектирующую систему, в к-рой конвекция на одном уровне индуцирует конвекцию на следующем.

Проблема 2. Какова материальная составляющая конвекции?

Она может быть чисто тепловой (теплоперенос) или теплоплотностной (тепломассоперенос).

Скорее всего, конвекция осуществляется путём тепломассопереноса.

Конвекция эта вынужденная, а не самопроизвольная.

Она, по-видимому, обусловлена затягиванием океанских плит в зоны субдукции. Производным от субдукционного процесса подъём расплава вдоль осей спрединга. Он компенсирует субдукцию.