книги из ГПНТБ / Смыслов, А. А. Уран и торий в земной коре

ТАБЛИЦА 37

Большинство советских и зарубежных исследователей анали­ зируют расчетные геотермические поля земной коры, исходя из средних значений содержания урана и тория в земной коре. Совершенно очевидно, что для решения вопросов, связанных

санализом термического состояния отдельных геологических

структур, необходимы данные о генерации радиогенного тепла

вразных слоях земной коры применительно к конкретным реги­ онам. При обобщении данных по генерации радиогенного тепла

вземной коре для выяснения истории ее геологического развития необходимо учитывать постепенное убывание количества элементов

врезультате их радиогенного распада. Генерация тепла при рас­ паде элементов 22®U, 22®U, 222Th и " К в прошлые геологические эпохи могла быть значительно большей. Этот вопрос детально

рассмотрен в работах Е. А. Любимовой [159], Ф. Берча [22] и других авторов. Однако и в этих работах все расчеты выполнены по значениям кларков для земной коры в целом, что, естественно, не позволяет проанализировать и сравнить радиоактивность, радиогенное тепло, тепловой режим и историю геологического развития конкретных геотектонических зон.

Сравнительные исследования по изучению радиоактивности геологических формаций [2, 308] и теплового режима земной коры [159, 204, 260], а также радиогеохимические карты и карты теплового режима земной коры позволяют сопоставить генерацию радиогенного тепла и тепловой поток для конкретных геологи­ ческих структур. Анализ этих данных показывает, что многие районы с максимальной радиоактивностью (табл. 38) и генерацией

189

191

объяснить наблюдаемые в настоящее время геотермические усло­ вия планеты. Для понимания теплового режима гораздо важнее знать условия, при которых происходят генерация радиогенного или иного тепла, его накопление и рассеяние. Обстановку сохра­ нения тепла в земной коре и верхней мантии можно выяснить расчетным путем на основе учета какого-либо одного источника, например радиогенной тепловой энергии, непрерывно генериру­ емой в результате распада урана, тория, калия и других элементов.

Наиболее важным параметром при вычислении температуры глубинных зон является теплопроводность горных пород. Уже первые измерения молекулярной теплопроводности [80,159] пока­ зали, что значения этого параметра сильно варьируют и зависят от целого ряда факторов: структуры и текстуры пород, плотности, влажности и т. д. Молекулярная (кондуктивная) теплопроводность горных пород (табл. 39) резко (в 3—5 раз) увеличивается при литификации и метаморфизме осадочных отложений. Эпигенети­ ческие изменения осадков (диагенез, эпигенез и метаморфизм), сопровождающиеся уменьшением пористости и влажности, при­ водят к увеличению проводимости тепла, которая достигает макси­ мальных значений в высокометаморфизованных кристаллических образованиях докембрия (до 4,5—7,0 вт/м-°С).

В пределах верхних оболочек земной коры наряду с кондуктивной передачей тепла существует также конвективная: нагре­ тыми водами, газами, магмой. Конвективную передачу особо

•следует учитывать при оценке степени рассеивания тепловой энергии в областях вулканической деятельности и в артезианских бассейнах с нагретыми водами [163, 313]. Для выяснения первич­ ного теплового режима стабилизированных участков земной коры и условий накопления тепловой и, в частности, радиогенной энергии решающее значение имеет молекулярная теплопроводность.

Оценить теплофизические свойства вещества верхней мантии н нижних горизонтов земной коры достаточно трудно. Молеку­ лярную теплопроводность глубинных подкоровых зон обычно принимают равной 3—6 вт/(м-°С). На больших глубинах тепло­ проводность горных пород, по-видимому, несколько уменьшается мз-за повышения температуры [159]. Возможно, увеличивается роль и других форм переноса тепла: экситонной, лучистой и др. Во внутренних зонах земного шара теплопроводность может резко возрасти вследствие превращений в электронных оболочках ато­ мов, находящихся в верхней мантии и ядре [159]. Представления чо тепловых свойствах горных пород на значительных глубинах ■и выделение в верхней мантии зон с пониженной теплопровод­ ностью, естественно, должны восприниматься с большой осторож­ ностью. Определение температуры глубинных зон земного шара •« использованием разных моделей ее строения и способов расчета проводилось неоднократно [157, 159, 260, 262, 295].

Ориентировочные значения температуры земной коры и верхней мантии для разных тектонических зон (рис. 49,50) рассчи-

494

таны с учетом параметров генерации радиогенного тепла и тепло­ проводности, приведенных в табл. 37 и 38. Расчеты по специальной методике, разработанной автором [262], выполнены для случая: стационарного режима и относительно небольшой мощности гранитною слоя, обогащенного радиоактивными элементами (5— 10 км для последокембрийских подвижных зон и 2—3 км для: щитов). Значения температуры в земной коре в разных структур­ ных зонах, найденные расчетным путем с учетом генерации радио­ генного тепла, достаточно хорошо согласуются с реально наблю­ даемыми величинами. Так же как результаты непосредственных: геотермических исследований, они указывают на значительную» роль осадочных отложений, обладающих низкой теплопровод­ ностью, в накоплении тепловой энергии.

Предположение стационарного теплового режима земной корм правомерно далеко не для всех структурных зон. В какой-то»

степени оно справедливо для оценки температуры древних (докембрийских) складчатых областей и чехла фанерозойских плат­ форм, в пределах которых осадконакопление развивалось доста­ точно медленно и приводило к формированию относительно мало-

накопления радиогенного тепла, можно выделить три эпохи тектонического развития земной коры.

Для архейской — раннепротерозойской эпохи в силу незначи­ тельных скоростей осадконакопления характерен стационарный тепловой режим земных недр, при котором накопление тепла син­ хронно процессам седиментации. Тектонические особенности этого периода в какой-то мере соответствуют современному состоянию платформенных областей.

196

В позднепротерозойскую — палеозойскую эпоху увеличение скорости седиментации обусловило отставание накопления тепло­ вой энергии, что способствовало формированию геосинклинальных трогов с мощным покровом осадков и интенсивному развитию процессов складчатости и магматизма. Эта эпоха является, повидимому, временем развития классических геосинклинальноекладчатых систем (подвижных поясов) земной коры.

И наконец, для мезозойской — кайнозойской эпохи отмечается принципиально новое соотношение между скоростью осадконакопления и тепловым режимом. По существу, теплоизоляция мощных толщ быстро накапливающихся осадочных отложений приводит

Q,м/млн.лет-,Р

Рис. 51. Изменение генерации радиогенного тепла Р в верхней мантии и скорости осадконакопления Q в разные геологиче­ ские эпохи (по Дж. Гиллюли, Л. И. Салопу и др.).

к полному нарушению условий стационарного режима и скачко­ образному проявлению тектонических и магматических процессов. Учитывая специфику теплового режима — его «нестационарность», правомерно рассматривать эту эпоху как период интен­ сивной тектонической и тектоно-магматической активизации, со­ вершенно не соответствующей процессам в геосинклинальноскладчатых областях [18].

Энергетические условия геологического развития земной коры

Закономерная эволюция теплового режима во времени и про­ странстве позволяет сделать некоторые выводы о причинах и энер­ гетических условиях развития геологических процессов (колеба­ тельные движения, метаморфизм и магматизм). Выяснить генезис вертикальных перемещений земной коры, их колебательный харак­ тер — одна из главных и трудных проблем геотектоники. При этом не так важно объяснить колебательные движения и их цик­ личность, как правильно истолковать постепенное усиление пульсаций (их амплитуды и скорости), которые в пределах

197

геосинклинальных зон развиваются со все возрастающей актив­ ностью и приводят в орогенный период к коренной структур­ ной перестройке земной коры.

Предлагаемые разнообразные гипотезы [19, 98, 126, 205], учитывающие как внутренние источники развития тектонических процессов (энергия остывающей Земли, нарушение изостатического равновесия, ротационные силы, радиоактивный нагрев, гравитационное сжатие и т. д.), так и внешние (силы притяжения планет, взаимодействие электромагнитных полей), в лучшем

t;c

Рис. 52. Изменение объема горных пород и минералов при нагревании и охла­ ждении (по Ю. А. Долгову, С. И. Субботину).

Расширение при нагревании: 1, 4 — расчетное, 2 , 6 — реальное; 3, 6 — сжатие при ох­ лаждении; 1— 3 — гранит; 4—6 — аркозовый песчаник; заштрихована зона наиболее реального изменения объема пород земной коры при нагревании.

случае могут объяснить лишь чередование поднятий и опусканий, их равномерный или затухающий характер. Усиление активности колебательных движений трудно объяснить и разного рода пре­ вращениями вещества (полиморфные, фазовые, электронные пере­ ходы), которые рассматриваются в последнее время как главней­ шие факторы пульсаций и горообразования [19, 285]. Подобного рода превращения в ходе приспособления вещества земной коры к новым термодинамическим условиям, по существу, являются лишь следствием более мощных процессов, приводящих к нару­ шению температуры и давления.

Как справедливо отмечает Е. А. Любимова [159] и другие исследователи, в земной коре и верхней мантии постоянно суще­ ствуют термоупругие напряжения, возникающие всюду, где име­ ются неравномерное распределение температуры и неоднородность физических свойств горных пород. Решающую роль в воз­ никновении термоупругих напряжений играют, вероятно, про­ цессы термического объемного расширения и сжатия. Доминиру­ ющее значение этих сил в развитии колебательных движений

198

земной коры большинством исследователей оспаривается из-за сравнительно небольших коэффициентов линейного и объемного расширения [19, 285] (рис. 52). Однако даже малое изменение единицы объема вещества может дать весьма существенный эффект при той значительной разнице температур в земной коре и верхней мантии, какая свойственна разным тектоническим зонам и пери­ одам геологического развития.

Рис. 53. Возможные превышения температуры на одинаковых глубинах в зонах с разным тектоническим строением и тепловым режимом.

Тектонические зоны: А — накопления тепла (геосинклинальные впадины, складчатые области мезозоя и кайнозоя), Б — охлаждения (континентальные щиты, океанические

плиты).

На основе вышеприведенных данных, а также результатов ранее опубликованных работ [260, 262, 264] можно показать предполагаемое положение геоизотерм в глубоких зонах тектони­ ческих структур А и Б (рис. 53). Первая из этих структур может соответствовать геосинклинальным зонам в конечные стадии их развития (прединверсионный период), а вторая — континенталь­ ным платформам (без чехла осадочных отложений) и океаническим плитам. Подобное сочетание температур вполне реально не только для периодов активного развития тектонических и вулканических процессов в каледонскую, варисцийскую и другие эпохи орогении, но и для настоящего времени. Так, значительная разница температур существует в зонах сочленения современных подвиж­ ных поясов (Тихоокеанский и Средиземноморский) с океаниче­ скими плитами и континентальными щитами, а также в областях мезозойских и кайнозойских краевых прогибов.

Наличие горизонтального температурного градиента возможно до глубин 500—800 км, где еще фиксируются глубокофокусные

199

землетрясения, возникающие в результате термоупругих напря­ жений. Если принять, что разница температур на одних и тех же глубинах в разных тектонических зонах достигает 300—400° С, то благодаря термическому расширению вертикальное изменение объема вещества верхней мантии и земной коры общей мощностью

(размывом) горных пород в зоне поднятия и осадконакоплением в районе опускания. Разница новых температур в зонах А и Б после накопления теплоизолирующих осадочных отложений в зоне Б может оказаться значительно больше ранее существовав­ шей, так как накопление тепловой энергии отстает от осадконакопления. Сдвиг по фазе (рис. 55) колебательных движений (осадконакопления) и изменения теплового режима имеет реша­ ющее значение не только в возникновении колебательного харак­ тера этих движений, но и в постепенном усилении их амплитуды и скорости. Сущность этого процесса состоит в том, что осадконакопление продолжается и тогда, когда мощность накопленных осадков потенциально уже способна выравнять температуры в зонах Б и А. Чем больше скорость осадконакопления, тем зна­ чительнее фазовый сдвиг и вероятнее наиболее высокое прираще­ ние тепловой энергии.

Запаздывание процессов, протекающих в верхней мантии, по отношению к развитию геологических явлений в земной коре

2 0 0