книги из ГПНТБ / Тугаринов А.И. Общая геохимия. Краткий курс учеб. пособие

континента на африканский и далее в Индию и Австралию, каза­ лось, служили бесспорным доказательством того, что материки эти составляли в недавнем прошлом одно целое.

Однако этой гипотезе, вошедшей в геологические науки под на­ званием «мобилизм», не удалось просуществовать достаточно долго. Другая школа — «фиксистов» приводила не менее веские дока­ зательства того, что, например, очаги современных вулканических поясов лежат на больших глубинах, за пределами земной коры, что глубокофокусные землетрясения, сопровождающиеся изверже­ ниями вулканов, зарождаются на глубинах 600—700 км, и, следо­ вательно, так просто континенты «переместить» не удастся.

Тем не менее идее движения континентов суждено было вновь появиться на свет под названием гипотезы «неомобилистов».

Со временем были получены данные, подтверждающие движение континентов, например, было доказано, что Калифорнийский полу­ остров перемещается со скоростью 1 мм/год в западном направлении от североамериканского континента, что Северная Америка отходит от Европы со скоростью 1 см/год; было установлено разрастание Красного моря и т. д. По данным Э. Булларда, скорость разрастания Тихого океана достигает 16 см/год, т. е. весь бассейн Тихого океана должен был бы возникнуть за 100 млн. лет.

Исследования, в частности геохронологические, атлантического побережья Южной Америки н Африки показали поразительное сходство структур этих континентов, а многие из них служили про­ должением друг друга. Оказалось, что если повернуть Южную Аме­ рику на 15° против часовой стрелки, то очертания ее шельфа доста­ точно точно совпадут с границей шельфа Африки.

Простое перечисление структур Южной Америки и Африки поз­ воляет говорить об их былом единстве и внезапном разрыве, проис­ шедшем сравнительно недавно (по-видимому, в мезозое). Так, Гвиан­ ский щит, датируемый 300 млн. лет, имеет продолжение в Африке в виде Гвинейского щита. Карирский ороген, датируемый 600 млн. лет, охватывающий восточный выступ Южной Америки, является синхронной структурой панрифейской геосинклинали Африки, к которой относится Нигерия и Северный Камерун. При этом в ядре этой геосинклинали развиваются два относительно юных разлома: Нигерийский — меридионального простирания и Фамбел (Каме­ рун) — северо-восточного простирания, с которыми связаны моло­ дые граниты (160 млн. лет). Точно такие же структуры в виде двух

вытягиваются в один гигантский разлом Пернамбуко — Фамбел.

Не менее интересны другие случаи совпадения структур древ­ них массивов—Сан-Франциско в Южной Америке и Габона и Конго в Африке, обоюдно прерываемых на юге мощным развитием моло­ дого магматизма около 600 млн. лет назад в районе Рио-де-Жанейро и Анголы. Общий характер магматизма подтверждается и тем, что

вдоль зон субширотного простирания по обеим сторонам Атланти­ ческого океана развиты карбонатитовые месторождения.

Итак, подобие континентов установлено. В чем причина разрыва единого некогда материка?

Этой проблеме было посвящено специальное совещание «Дрейф континентов», состоявшееся в Монтевидео в 1967 г. В частности, интересные данные были приведены палеомагнитологами, измеряв­ шими по намагниченности образцов пород положение магнитного полюса в эпоху образования этих пород. По их данным, в показа­ ниях подобного индикатора имели место существенные «противоре­ чия». Все результаты измерений, проведенных в Южной Америке, свидетельствуют о миграции Южного магнитного полюса от эква­ ториальной зоны Атлантического океана к югу по оси океана к со­ временному положению полюса. В то же время, но данным исследо­ ваний Африканского континента, подобная миграция Южного маг­ нитного полюса должна была происходить параллельно с американ­ ским вариантом от экватора через центральную часть Африки на юг. В меловой период положения полюса вблизи берегов Антарктиды совпадали как по американским, так и по африканским данным.

Нетрудно догадаться, что для примирения обеих точек зрения достаточно было «сдвинуть» оба континента.

Итак мы выяснили, что современный океан имеет сравнительно «юный» возраст — около 120 млн. лет, что до самого последнего времени в его фундаменте происходили крупные деформации, ука­ зывающие на тенденцию к его расширению, сопровождавшиеся ра­ сколами и внедрением магматических пород мантии.

Эта тенденция характерна для развития любого океана земного шара, как об этом свидетельствуют приведенные выше факты. Сле­ довательно, говорить о миграции материков бессмысленно. Мате­ рик структурно прикован к определенным участкам планеты, по­ этому неподвижен.

В последние годы в связи с подробным изучением океанического дна и полученными геофизическими данными некоторые зарубежные исследователи (Э. Буллард, Г. Менард и др.) выступили с гипотезой о пяти жестких плитах мощностью около 100 км, захватывающих, следовательно, часть мантии и сложенных оливином, пироксеном, гранатом и другими минералами. Эти плиты, по мнению авторов гипотезы, могут нести на себе участки земной коры и способны по­ гружаться под надвигающуюся на них другую плиту.

Этим, например, объясняется строение западного берега Южной Америки, где под перемещающийся в западном направлении кон­ тинент происходит «подныривание» океанической плиты Тихого океана, опускающейся под углом 45° в астеносферу. С этим же свя­ зано перемещение Индийской плиты на север и смятие континенталь­ ной толщи Гималаев.

Изложенная точка зрения, не менее фантастичная, чем преды­ дущая, однако не устраняет главного противоречия о происходящем разрастании океанов и увеличении за счет этого земной поверхно­

сти. Очевидно, все это ведет к выводу о неизменно прогрессирующем во времени увеличении объема земного шара, росте земного радиуса.

Рассматривая в начале настоящей главы строение земных обо­ лочек, мы обращали внимание на то, что вещество земной мантии, не говоря уже о ядре Земли, находится в состоянии интенсивного сжатия, отражающегося на минеральном составе вещества.

Во всех случаях внедрения этого вещества в верхние слои зем­ ной коры, в особенности при его взаимодействии с гидросферой и ат­ мосферой, т. е. после окончания процессов гипергенеза, результат бывает один — интенсивное разбухание новообразований, уменьше­ ние их плотности.

Если при этом учесть мнение некоторых ученых об особом металлизованном строении вещества ядра, то станет очевидным процесс медленного, но исключительно ориентированного направленного расширения Земли за счет пополнения ее коры глубинным материа­ лом и его перерождения, уменьшения плотности. При допущении такого геохимического механизма роста объема земного шара за счет понижения плотности части его первичного субстрата многие за­ труднения в проблеме перемещения различных блоков земной по­ верхности были бы сняты.

Е. А. Любимова отмечает также вероятность теплового расшире­ ния недр Земли под воздействием миграции радиоактивных калия и U235, допуская увеличение земного радиуса на 100 км в первые миллиарды лет жизни Земли (что соответствует 600 км ее окружно­ сти). Современная скорость изменения радиуса Земли составляет 3,5 см за 1000 лет.

В росте объема земного шара, увеличении его поверхности, ве­ роятно, заключается причина растущей его асимметрии — возник­ новения огромных чаш океанов, до того занимавших значительную часть континентов

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ ЗЕМЛИ

В 1903 г. П. Кюри и Л. Лаборд обнаружили непрерывное, про­ исходящее вместе с радиоактивным распадом атома, тепловое луче­ испускание, пропорциональное числу распадающихся атомов и вре­ мени распада. В том же году Д. Джоли на основании этого открытия показал, что радиогенного тепла, генерируемого радиоактивными элементами, вполне достаточно для образования магм, объяснения вулканической и тектонической деятельности Земли.

Все это подорвало гипотезу о постепенном охлаждении Земли в связи с истощением запасов ее энергии, создаваемых гипотетиче­ ским первично расплавленным жидким состоянием вещества в ее глубинных зонах.

В 1906 г. Р. Стретт (Рэлей), исходя из интенсивности теплоизлу­ чения, генерируемого радиоактивными изотопами, рассчитал, что

взависимости от глубины происходит уменьшение количества радио­ активных элементов в Земле, так как любое допущение об их рас­ пространенности во всей планете, идентичной распространенности

впородах земной коры, привело бы к генерации гигантских коли­ честв тепла и испарению земного вещества. Таким образом, резкое уменьшение концентрации радиоактивных элементов в породах с глубиной было предсказано задолго до получения фактических ана­

ния температур недр Земли по мере увеличения глубины. Величи­ на этого эффекта измеряется числом градусов возрастающей темпе­ ратуры на каждые 100 м глубины (геотермический градиент) либо определяется обратной величиной, так называемой геотермической ступенью — интервалом глубины в метрах, на котором температура увеличивается на 1°. Она колеблется от 5 до 150 м/град, состав­ ляя в среднем 33 м/град.

ß древних щитах геотермическая ступень особенно высока (гео­ термический градиент мал) по сравнению с молодыми тектоническими областями, особенно теми, где вулканические явления продолжа­ ются до сих пор. Так, например, в центральных частях Украинского щита она равна 60 м/град, в то время как в Донбассе — 30 м/град, а на Центральном Кавказе — 20 міград и даже достигает 10 м/град. В районах современного вулканизма она составляет уже 6,6 м/град. Характерно, что эта закономерность выдерживается до значитель­ ных глубин. Так, например, в Прасковейской скважине (Прикас­ пийская впадина) на глубине 3420 м Т = 161° С, а в Калифорнии на глубине 4572 м Т — 130° С.

Тем не менее в связи с тем, что с повышением температуры тепло­ проводность пород увеличивается, в зоне от 40 до 100 км темпера­ тура значительно возрастает и, согласно расчетам Е. А. Любимовой, изменяется следующим образом:

Прямым свидетельством генерации тепла в глубинах Земли яв­ ляется тепловой поток, идущий к поверхности, поскольку потеря Землей радиогенного тепла происходит не только за счет вулкани­ ческих явлений, но и в результате теплоизлучения поверхностью.

Величина теплового потока исчисляется по формуле

варьирующий от 1 до 4 град/100 м.

Проведенные исследования показали, что среднее значение теплового потока составляет 1,2 • ІО-6 кал/(см2 ■сек) или для всей земной поверхности 1,93-1020 кал/год.

Е. А. Любимова проанализировала причины, вызывающие до­ статочно постоянный тепловой поток [0,95 кал/(см2 • сек)] для всего Кольского полуострова (табл. 13). С этой целью ею был составлен разрез по глубинной скважине (5 км) и далее по сейсмическим пока­ зателям на глубину в 35 км (поверхность Мохо). На основе данных о содержании урана, тория и калия в верхней части разреза (прой­ денной скважины), а также предположительных данных для нижней части разреза ею была вычислена доля радиогенного тепла, генери­ руемого земной корой. Эта доля составила всего 0,2 кал/(см2 • сек), т. е. основная масса теплового потока—0,75 кал/(см2 • сек) — посту­ пала из мантии. Близкие результаты были получены А, Е. Ринг-

вудом для австралийского континента, где на долю мантийного теп­ лового потока пришлось около 50% всего теплового потока Земли

п3700 Основные

Если геотермический градиент варьирует достаточно отчетливо от региона к региону, то величина теплового потока, как правило, однородна, лишь в исключительных случаях она отклоняется на 50% от среднего значения.

Это, вероятно, объясняется тем, что тепловой поток функцио­ нально связан как с геотермическим градиентом, так и с удельной теплопроводностью горных пород. В то же время, как пишет Ф. Берч (1955 г.), «... установлено, что вертикальный градиент температуры тесно связан с удельным сопротивлением (величина, обратная тепло­ проводности) местных пород таким образом, что отношение градиен­ та к сопротивлению колеблется гораздо меньше, чем каждая из этих величин в отдельности». О том, что величина геотермической ступени во многом определяется не столько интенсивностью «близсовременной» вулканической деятельности, сколько «удельным сопротив­ лением» вмещающих пород, свидетельствует следующий факт, при­ водимый Б. Л. Чижовым. На Северном Кавказе в районах с выходом кристаллических пород на поверхность величина геотермической ступени составляла 20 м/град. В районе тех же кристаллических пород, но перекрытых малотеплопроводными глинами Майкопского горизонта, величина геотермической ступени уменьшалась до 10,5 м/град. Так, в одной из шахт этого района замеры показали, что на горизонте 300 м температура составляла 32° С, 400 м — 40° С,

высоким содержанием радиоактивных элементов, область рас­ плавления перемещается в гранитный слой земной коры, достигая самого высокого уровня. Заключительные этапы интрузивной де­ ятельности несколько смещаются книзу. В верхней части рисунка даны средние содержания радиоактивных элементов в породах, уровень которых претерпевает существенные изменения на протя­ жении всех этапов развития геосинклинали.

Однако подобные взгляды встречают возражения. В частности, В. В. Белоусов, отмечая, что колебания теплопроводности комп­ лексов пород могут явиться причиной обычных, наиболее частых колебаний геотермических градиентов, делает вывод, что в некото-

U, Th,

Рис. 19. Перемещение очага расплава (б) по глубине в процессе развития геосинклинали (а) в Северном Казахстане (по А. А, Смыслову).

рых случаях геотермические градиенты, выходящие за обычные пределы, не могут быть объяснены подобным образом. В частно­ сти, если допустить образование гранитных плутонов на глубинах 5—7 км, чему соответствуют температуры около 700° С, величина

помимо радиогенного тепла, генерируемого непосредственно в глу­ бинных зонах геосинклиналей, имел место дополнительный подток тепла из верхней мантии, расходовавшийся на эндотермические реакции, происходящие при метаморфизме и гранитизации.

До сих пор мы рассматривали баланс радиогенного тепла, гене­ рируемого в данную эпоху. Однако если обратиться к отдаленным периодам геологической истории Земли, то можно сделать вывод о значительно большем ежегодном поступлении тепла в связи с тем, что количество радиоактивных элементов, непрерывно уменьшав­ шееся в Земле в результате радиоактивного распада, было ранее большим.

Так, например, общее радиогенное тепло Земли складывается из четырех компонентов, источниками которых являются четыре основных радиоактивных излучателя:

где q — удельное количество тепловой энергии, выделяемое в год данным элементом; t — интервал времени, в течение которого проис-

пос тепло; U238, U235, Th232, К40 — тепло, генерируемое от­ дельными радиоактивными элементами).

ходило радиоактивное излучение (в данном случае возраст Земли — 4,5 млрд, лет); X — постоянная радиоактивного распада данного элемента (U238, U'235, Th232, К40).

Подобные расчеты, впервые предложенные В. Г. Хлопиным, выполнены с учетом последних данных Е. А. Любимовой (рис. 20). Они однозначно указывают на большую роль радиогенного тепла в раннем докембрии; этим можно объяснить значительную распро­ страненность зон активного тектогенеза, отсутствие в прошлом