5.3.10. Выводы

Подведем некоторые итоги. Мы выяснили, что различного вида проявления новейшей активности характерны практически для всей поверхности Земли. Их фундаментальным свойством является пространственная неоднородность. Наиболее мощные, наиболее интенсивные проявления новейшей тектонической активности, будь то контрастные высокоскоростные вертикальные и горизонтальные движения, или устойчивая сильная сейсмичность, или аномальные тепловые потоки, активный вулканизм или молодое деформирование, сосредоточены в довольно узких мобильных зонах, образующих глобальную сеть. В ячейках этой глобальной сети расположены территории, в которых новейшая активность на порядок или несколько порядков ниже. Разумно предположить, что эти территории, которые обычно называются плитами, являются относительно устойчивыми, а аномальная активность по их границам является результатом взаимодействия двигающихся как единое целое или почти как единое целое плит, То-есть имеет как бы контактовый характер. Реальный характер межплитных взаимодействий может быть понят только при изучении конкретных механизмов неотектонических процессов и их геологических последствий. В настоящее время наиболее корректно он описывается современными вариантами теории литосферных плит.

Предположим, что радиус Земли не меняется и векторы движений литосферных плит достаточно произвольны. Какие деформационные обстановки должны возникать на границах плит, в зонах их взаимодействия?

Часть 3

6. Основные источники энергии и глубинные механизмы тектонических процессов

По этой теме будут рассмотрены коренные вопросы геотектоники и одновременно геодинамики, касаю­щиеся энергетических источников тектогенеза (а также сейсмичности, магматизма и метаморфизма), реологии коры и мантии, литосферы и астеносферы, роли конвекции и адвекции в мантии Земли в движениях и деформациях литосферы. Кратко будут затронуты процессы в коре и, в частности, в ее осадочном слое, обусловленные действием других фак­торов (гравитация, ротация и др.).

6.1 Источники энергии глубинных геологических процессов

Тектонические движения и деформации непосредственно обусловле­ны механической, кинетической энергией, но эта энергия представляет собой продукт преобразования тепловой энергии, порождающей явле­ния разуплотнения или уплотнения, растяжения или сжатия вещества верхних твердых оболочек Земли. Отсюда крылатое выражение: «Зем­ля — это тепловая машина». То обстоятельство, что тепло, приводящее в действие эту машину, поступает из глубоких недр, подтверждается воз­растанием температуры с глубиной и непрерывным выделением через поверхность твердой Земли в окружающее пространство теплового по­тока, оцениваемого в современную эпоху в 4,2 х 10¹³ W.

Возникает есте­ственный вопрос: что порождает этот тепловой поток?

До открытия радиоактивности на рубеже Х1Х-ХХ вв. внутреннее тепло Земли считалось остаточным от ее первоначального огненно-жид­кого состояния согласно космогонической гипотезе Канта — Лапласа. Но при этом требовалось допустить, что время остывания Земли, т.е. ее возраст, не превышало 100 млн лет. Открытие явления радиоактивно­сти и содержания естественно-радиоактивных элементов в земной коре опрокинуло эти представления, и с тех пор подавляющее большинство исследователей считают основным источником внутреннего тепла Зем­ли распад радиоактивных элементов, прежде всего урана, тория и калия, содержащихся в коре и мантии. Между тем еще в 1971 г. справедливость этого заключения была поставлена под сомнение О. Г. Сорохтиным, высказавшим мысль, что не радиоактивный распад, а гравитационная дифференциация на границе мантии и ядра является главным источником разогрева Земли. В настоящее время правота этого взгляда находит под­тверждение в том факте, что реальный тепловой поток, оценка величины которого значительно возросла после открытия интенсивного тепло­выделения в осевых зонах срединно-океанских хребтов, т. е. вдоль осей спрединга, намного превышает тепловой поток, генерируемый распадом естественно-радиоактивных элементов.

По подсчетам американского геофизика В. Вакье, радиогенное тепло может обеспечить лишь около одной четверти наблюдаемого теплового потока, а именно 1,14 х 10¹³ из 4,2 х 10¹³ W. Основной запас естественно-радиоактивных элементов (около 90 %) сконцентрирован в верхнем слое континентальной коры, что независимо подтверждается очень низким выделением гелия — другого продукта радиоактивного распада в океа­нах, составляющим всего 5 % того количества, которое должно было бы наблюдаться, если бы тепловой поток был порожден здесь радиоактив­ным распадом. К тому же если основная масса радиоактивных элементов сосредоточена в верхах континентальной коры, выделяемое ими тепло не может играть сколько-нибудь существенной роли в более глубинных тектонических процессах.

Таким образом, радиогенное тепло не является основной компонен­той той тепловой энергии, которая затрачивается на поддержание текто­нической активности Земли. Очевидно, существуют другие, более важ­ные и более глубинные ее источники.

Одним из них служит тепло, приобретенное Землей в период ее ак­креции и частично унаследованное от протопланетного диска уже успев­шего подвергнуться, вопреки прежним представлениям, некоторому разогреву — до 1000-1200 К — в области будущего образования Земли. В процессе самой аккреции, как отмечалось в предыдущей главе, благо­даря соударению планетезималей Земля испытала существенный разо­грев, вероятно, приведший к образованию «магматического океана» на ее поверхности или на небольшой глубине. Однако трудно рассчитать какая доля этого аккреционного тепла сохранилась до современной эпо­хи и, следовательно, какова его роль в энергетическом балансе планеты.

Следующий, более мощный и, очевидно, важнейший источник внутреннего тепла Земли — это энергия глубинной гравитационной дифференциации, т. е. выделение тепла при перераспределении вещества Земли по плотности при его химических и фазовых превращениях. Главным здесь является процесс разделения вещества на силикатную и металлическую или, точнее, металлизированную (скорее всего Fе₂О или FеО) часть на границе мантии и ядра, в слое D". Впервые на ведущую роль этого процесса в глубинной дифференциации Земли указали О. Г. Сорохтин еще в 1971 г., а также В. А. Дубровский и В. Л. Панькин в 1972 г., а в на­стоящее время она стала практически общепризнанной. Причем начало этой дифференциации, по современным представлениям, относится уже ко времени завершения аккреции, если даже не совпадает с ним, т. е. ак­креционный разогрев Земли непосредственно сменяется дифференциационным. Вместе с тем признается, что наиболее энергично эта диффе­ренциация протекала в раннем докембрии, а точнее в архее, до рубежа 2,8-2,5 млрд лет назад, когда могло произойти ее резкое усиление, а за­тем ее интенсивность заметно снизилась и продолжала снижаться, хотя не монотонно, а с некоторыми временными остановками и даже обрат­ными повышениями, вплоть до современной эпохи. Обо всем этом мож­но косвенно судить по темпам роста континентальной коры.

Но граница мантии и ядра — не единственный возможный уровень гравитационной дифференциации. Более глубинным уровнем является, очевидно, граница внешнего и внутреннего ядра, поскольку внутреннее ядро состоит, скорее всего, из «чистого» железа (с примесью никеля), а внешнее, вероятно, содержит заметный процент таких элементов, как кислород, сера, кремний. Соответственно рост внутреннего твердого ядра, связанный с вековым охлаждением Земли, должен сопровождаться «выталкиванием» этих легких примесей во внешнее ядро.

Другой уровень дифференциации — граница нижней и верхней ман­тий, если между ними существует различие в химическом составе (ниж­няя мантия, по-видимому, более обогащена железом, чем верхняя).

Еще один уровень — граница астеносферы и литосферы. Здесь про­исходит выплавление той базальтовой фракции из перидотитового ман­тийного вещества, которая затем, поднявшись, наращивает земную кору. Но дифференциация продолжается и в самой коре — идет образование гранитных выплавок в нижней (или средней) коре и соответственный рост верхнего, гранитогнейсового, слоя коры. Все эти процессы должны вносить свой вклад в тепловой баланс Земли.

В последние годы справедливо обращено внимание еще на один ис­точник тепла Земли, связанный уже с внешним по отношению к ней фактором — твердыми приливами, обусловленными гравитационным воздействием на Землю ее соседки — Луны и в значительно меньшей степени Солнца. Переход кинетической приливной энергии в тепло про­исходит вследствие внутреннего трения вещества в приливных горбах, вслед за Луной обегающих Землю и деформирующих ее тело (рис. 18.1). По расчетам О. Г. Сорохтина и С. А. Ушакова, в настоящее время доля приливной энергии, рассеиваемой в «твердой» Земле, не превышает 2 % полной тепловой энергии, генерируемой в ее недрах, а основная часть этой энергии выделяется в мелководных морях и значительно меньше — в океанах и астеносфере. В данном случае речь идет о лунных приливах; эффект солнечных приливов оценивается теми же учеными в 20 % от эф­фекта лунных.

Рис. 34. Приливообразующие силы в плоскости экватора и схема, поясняющая отставание приливного выступа в твердом теле Земли вследствие приливного трения. (По Р. Вострому, 1979)

Однако в геологическом прошлом, когда расстояние между Луной и Землей было меньше современного, роль приливного тепла, в общем те­пловом балансе Земли была соответственно более значительной. В осо­бенности это касается наиболее ранней стадии развития Земли — до сере­дины архея. Допуская почти одновременное образование Земли и Луны и отсутствие астеносферы на этой стадии, О. Г. Сорохтин и С. А. Ушаков считают, что сразу после образования Луны скорость генерации прилив­ной энергии в 13 тыс. раз превышала скорость генерации эндогенного тепла в современной Земле, а высота приливов превышала 1 км. Со­гласно тем же авторам, в интервале 4,6-4 млрд лет назад за счет лунных приливов Земля могла дополнительно прогреться приблизительно на 500 °С. Даже если эти цифры преувеличены, они все же свидетельству­ют о том, что в раннем и среднем архее тепло, генерируемое лунными приливами, представляло существенную добавку к эндогенному теплу Земли. Положение изменилось в позднем архее, протерозое и фанерозое в связи с увеличением расстояния между Луной и Землей и появлением обширных эпиконтинентальных морей, общий вклад приливного тепла в суммарный глубинный тепловой поток уже не превышал 1-2 %.

Некоторые исследователи придают лунно-солнечным приливам еще большее значение, считая, что они могут непосредственно вызывать крупные тектонические деформации. Так, по мнению Ю. А. Косыгина и В. П. Маслова, с ними может быть связан западный дрейф земных обо­лочек, могущий трансформироваться в их вертикальные перемещения и даже образование шарьяжей. Ю. Н. Авсюк выдвинул интересную гипо­тезу, согласно которой расстояние от Луны до Земли и соответственно интенсивность лунных приливов испытывают долгопериодические из­менения. В течение фанерозоя должно было смениться три цикла при­хода — ухода Луны. В свою очередь эти периодические изменения ска­зываются и в изменениях скорости вращения Земли и могут вызывать перетекание вещества в мантии (астеносфере) и трещинообразование в коре (литосфере). Эти соображения представляют определенный инте­рес в связи с поисками объяснения периодичности тектонических про­цессов.

Легко видеть, что все перечисленные выше источники внутреннего тепла Земли должны были проявляться с максимальной интенсивнос­тью на самых ранних стадиях развития нашей планеты, во всяком случае в первые 2 млрд лет ее истории, т. е. до конца архея. На протяжении сво­ей истории Земля должна была испытывать охлаждение, и если в момент ее рождения средняя температура мантии могла быть порядка 2000°С, то в настоящее время она составляет 1350 °С. Это охлаждение не может не продолжаться и дальше, и в перспективе нашей Земле суждено пре­вратиться в такую же мертвую планету, как Меркурий и Марс. По расче­там О. Г. Сорохтина и С. А. Ушакова, это должно будет произойти через 1-1,5 млрд лет.

Обращаясь теперь к верхним оболочкам твердой Земли, к собствен­но тектоносфере, следует прежде всего указать, что помимо возмущений, связанных с воздействием конвективных течений, генерируемых в глу­боких недрах планеты, большое значение здесь приобретают процессы, вызванные возникновением инверсии плотностей на границе астеносфе­ра — литосфера и в самой литосфере. Одним из проявлений такой грави­тационной неустойчивости служит мантийный, точнее астеносферный, диапиризм в основании континентальных рифтов, приводящий к их расширению, погружению и сопровождаемый магматической деятельно­стью.

Рис.35. Плюмы — потоки вещества из нижней мантии — поднимаются к земной коре со скоростью десятки сантиметров в год

Другое проявление — формирование гранитогнейсовых куполов в связи с развитием палингенного гранитообразования в средней части консолидированной коры.

Рис. 36. Гранитогнейсовые купола

В широком смысле формирование метаморфических ядер в складча­тых системах (орогенах) также должно рассматриваться как проявление глубинного диапиризма, как и считал В. В. Белоусов. Другой формой глу­бинного диапиризма является образование магматических, в основном гранитоидных, диапиров, прорывающих неметаморфизованные или слабометаморфизованные (в зеленокаменных поясах архея) осадочно-вулканогенные толщи и не вызывающих в них конформных деформаций.

Упомянем еще серпентинитовый диапиризм, свойственный рифтовым зонам и зонам трансформных разломов океанов, зонам субдукции на их периферии, а также древним зонам столкновения плит — сутурам, в строении которых участвуют офиолиты. Эта форма диапиризма свя­зана с высокой пластичностью серпентинитов и их пониженной плотно­стью по сравнению с породами нижней коры.

Аналогичное явление, но уже в осадочном слое коры представляет солянокупольный диапиризм (галокинез), обязанный низкой плотности и высокой пластичности эвапоритовых толщ по сравнению с перекры­вающими их образованиями.

Рис. 37. Солянокупольный диапиризм (галокинез)

Рис. 38. Глиняный диапиризм

Несколько иной характер носит глиняный диапиризм; в этом случае инверсия плотностей обусловлена разуплотне­нием глинистых толщ при эпигенетическом изменении заключенного в них органического вещества и возникновением в этих толщах аномально высокого, превышающего литостатическое, пластового давления.

Все перечисленные формы диапиризма, вызванного инверсией плот­ностей в коре и литосфере, могут проявляться как автономно, что более характерно для внутриплитных обстановок (в частности, для централь­ных частей континентальных платформ), так и совместно с действием го­ризонтально ориентированных сжимающих напряжений, типичных для конвергентных границ плит, для зон субдукции и коллизии. В последнем случае возникает линейная ориентировка дислокации в отличие от изо­метрического рисунка дислокации первого типа, чисто диапировых.

Гравитационная энергия близ поверхности Земли может переходить непосредственно в кинетическую, порождая гравитационную складча­тость и гравитационные шарьяжи. Несомненно, что и тому и другому типам дислокации принадлежит лишь подчиненная роль в строении орогенов, но несомненно также, что в последнее время эта роль скорее недо­оценивалась, чем переоценивалась. Особенно широко распространены гравитационные шарьяжи, причем во многих случаях они являются конседиментационными и переходят по периферии, в дистальном направле­нии, в протяженные олистоплаки, включенные в мощные олистостромы. Отдельные олистоплаки нередко достигают таких размеров (несколько квадратных километров), что становится неясным, как их классифици­ровать — как шарьяжные пластины или как элемент олистострома. Такие образования эффектно и крупномасштабно проявлены в верхнем палеозое Южного Тянь-Шаня, в миоцене Бетской Кордильеры, Рифа и Телля в Западном Средиземноморье и ряде других регионов, причем чаще все­го олистоплаки сложены карбонатами. Гравитационная складчатость не менее масштабно выражена по северной периферии впадины Сигсби и вдоль атлантической окраины Бразилии. Она связана с соскальзывани­ем верхней части осадочного чехла на континентальном склоне с соленосной толщи юрского возраста.

Рис. 39. Олистоплаки и олистолиты

Гравитационные деформации на периферии орогенов, подобно диапировым, сочетаются с тангенциальными деформациями коллизионного происхождения. Шарьяжи, возникшие под влиянием горизонтального сжатия, затем могут испытывать дальнейшее перемещение вниз по скло­ну горного сооружения уже под действием силы тяжести.

Итак, энергетический баланс Земли слагается, в порядке убывающего значения, из тепла гравитационной дифференциации, остаточного тепла аккреции Земли, радиогенного тепла, приливного тепла, механической энергии гравитации, включая проявления гравитационной неустойчиво­сти в мантии и коре. По существу, роль лишь одного из этих факторов — радиогенного тепла — поддается относительно строгой количественной оценке, для остальных основные параметры весьма неопределенны.

К этим общепризнанным источникам внутреннего тепла Земли Ф. А. Летников предложил добавить еще один — тепло, выделяющееся вследствие трения на границе внутреннего и внешнего ядер, внешнего ядра и мантии Земли и внутри самого внешнего ядра вследствие их дифферен­циального вращения (ныне доказанного в отношении внутреннего ядра).

В заключение необходимо упомянуть еще один фактор, вызывающий структурные изменения в верхней части земной коры, — космогенный, а именно кратерообразующий эффект метеоритных бомбардировок. Действие этого фактора, как и ряда других, эндогенных, было наиболее значительным на ранней стадии развития Земли, но не прекратилось вплоть до современной эпохи.