смирнов геоэкология

конвективных движений, а затем в тепло, а часть энергии расходу­ ется на дополнительное сжатие земных недр, возникающее благо­ даря концентрации плотных фаз в центральных зонах Земли.

Графики выделения и скорости генерации тепловой компонен­ ты гравитационной энергии приведены на рис. 1.5 и 1.6. Из приве­ денных графиков видно, что гювышенная скорость "выделения/гра­ витационной рнергйи наблюдалась уж е^самом раннем архе$ (око­ ло 4,0-3,8-109 лет назад) - в то время выделялось в виде тепла при­ мерно 8,5-1020 эрг/с гравитационной энергии, или почти в 3 раза больше, чем сейчас (около 3-1020 эрг/с).

Рис. 1.5. Зависимость от времени выделившейся энергии гравитационной дифференциации Земли Eg (тепловая составляющая)

(по О.Г. Сорохтину, С.А. Ушакову, 1991).

После некоторого снижения скорости выделения гравитацион­ ной энергии в среднем архее уже в позднем архее вновь наблюдался существенный всплеск выделения гравитационной энергии, достиг­ ший пика 3 млрд. лет назад - 33-1020 эрг/с. С [максимальной же скоро­ стью эта энергия выделялась около 2,6 млрд. лет назад во время фор­ мирования у Земли плотного ядра. В то время EgTa 46,5-1020 эрг/сДт.е.

31

1.6. Общие представления о бародиффузионной модели конвекции мантии

Расслоение первоначально однородной и холодной Земли на плотное ядро и остаточную силикатную оболочку - ее мантию - показывает, что, начиная с 4 млрд. лет назад, начал действовать эффективный механизм химико-плотностной дифференциации зем­ ного вещества. Изучение энергетического баланса Земли показало, что и сегодня этот процесс не только продолжает действовать, но и является наиболее мощным из всех других эндогенных энергетиче­ ских процессов.

Благодаря действию механизма гравитационной дифференциа­ ции земного вещества в мантии Земли возникает и развивается ин­ тенсивная конвекция, приводящая к перемешиванию ее вещества и дрейфу литосферных плит по поверхности Земли.

Одной из сложностей при разработке теории выделения земно­ го ядра было то, что температура плавления силикатов значительно превышает температуру мантии. При тех давлениях, которые суще­ ствуют на ее подошве, необходима температура, превышающая 5000 °С. Температуры же в действительности на этих глубинах близки к

2800 °С. Это затруднение заставило сделать предположение, что вы­ деление окислов железа из силикатов мантии происходит благодаря распаду твердых растворов под влиянием высоких давлений и диф­ фузии окислов железа в межгранулярные пространства мантийного вещества. Окислы железа, диффундировавшие из кристаллов и зерен силикатов при высоких давлениях, господствующих в нижней ман­ тии, уже не могут вернуться обратно и должны постепенно накапли­ ваться в межгранулярных пространствах:

Fe2Si0 4 —>2FeO + Si02 —» Fe20 + Si02 + О.

При подъеме 3FeO + О -» Fe30 4.

В докембрии, когда еще сохранялось железо в мантии, кисло­ род расходовался на окисление железа:

Fe + О Fe О.

Выделение окислов железа в ядро Земли происходит благодаря их диффузии из кристаллов и зерен мантийного вещества при их

33

приближении к ядру. Отдельные выделения расплавленных окислов железа сливаются между собой в единую систему связанных друг с другом жидких пленок, обволакивающих некоторые кристаллы и зерна мантийного вещества, образуя что-то, напоминающее магма­ тическую кашу.

Под нисходящими конвективными потоками, под более тяже­ лыми участками мантии обязательно должны возникать мантийные выступы или корни нисходящих потоков, а под восходящими пото­ ками, наоборот, должен наблюдаться подъем поверхности ядра

(рис. 1.7).

Мантия

Рис. 1.7. Схема конвективных течений вблизи границы ядро - мантия

иформировние восходящих потбков в мантии (по О.Г. Сорахтину, С.А. Ушакову, 1991).

Внастоящее время с помощью сейсмической томографии ядра получены доказательства реальности этого вывода: такие неровно­ сти на границе мантия - ядро действительно существуют и перепа­

ды рельефа в них достигают до +10 км.

Большие перепады плотности на границе между ядерным и мантийным веществом (8р « 4г/см3) могут привести к появлению в корнях нисходящих потоков значительных растягивающих напря­ жений. Они не возникают только потому, что происходит выравни­ вание рельефа за счет перетекания мантийного вещества под по­ дошву восходящих потоков, что компенсируется новыми нисходя­ щими порциями вещества.

Под влиянием давления из межгранулярных пространств дезынтегрированного мантийного вещества в ядро постепенно отжи­ мается большая часть окислов железа. При этом силикатные кри­

34

сталлы и зерна за счет развивающихся в них пластических дефор­ маций и процессов межгранулярной диффузии вновь постепенно спаиваются между собой в “сплошное” вещество. Но железа в нем оказывается меньше и потому плотность в восходящих потоках за­ метно меньше, чем в нисходящих. Возникающая за счет этого в гра­ витационном поле Земли подъемная (архимедова) сила в конечном итоге и приводит в движение конвективный массообмен в мантии.

Диффузия окислов железа в кристаллах, попавших в восходя­ щие потоки, должна теперь развиваться в обратном направлении. Из межгранулярных пространств в силикаты постепенно диффун­ дируют все остатки окислов железа.

Вязкость ядерного вещества на внешней границе ядра сравни­ тельно низкая. При низкой вязкости и больших перепадах плотно­ сти между ядерным веществом и взвешенными в нем кристаллами и зернами силикатов, текущими по поверхности ядра, потоки рас­ павшегося на гранулы мантийного вещества должны быть доста­ точно стремительными и относительно тонкими. Вероятнее всего, эти потоки разбиваются на отдельные струи, текущие по подошве мантии (по поверхности ядра) подобно рекам. Скорость таких струйных потоков может достигать многих сантиметров и даже метров в секунду.

При столь высоких скоростях течений на эти потоки, очевидно, действует кориолисово ускорение, отклоняющие их к экваториаль­ ным зонам , а движение захваченного ими проводящего вещества приводит к появлению мощнейших электрических потоков и маг­ нитных полей. Вероятно, что геомагнитное поле обязано своим происхождением именно таким струйным течениям на поверхности ядра, замыкающим конвективный массообмен в мантии. Во всяком случае, такой связью геомагнитного поля с конвективными движе­ ниями в мантии можно объяснить существующую зависимость час­ тоты перемагничивания поля с тектонической периодизацией исто­ рии Земли. Кроме того, только этот механизм позволяет совместить дифференциационно-конвективную модель развития Земли с самим фактом существования магнитного поля. В этой модели разогрев ядра происходит только с его поверхности. Следовательно, в ядре существует устойчивая стратификация, препятствующая возникно­ вению в нем конвективных течений, с которыми ранее обычно свя­

35

зывали происхождение магнитного поля Земли в наиболее попу­ лярных гипотезах геомагнитного динамо.

Подчеркнем еще раз, что основная энергия при барродиффузионной сепарации ядерного вещества от силикатного сопровождения выделяется на подошве мантии. Поэтому в мантии наблюдается неустойчивая температурная стратификация, а в ядре - устойчивая.

1.7. Формирование литосферы и тектоническая активность Земли

После образования астеносферы начался процесс выделения земного ядра. В это время произошло новое резкое усиление при­ ливного взаимодействия Луны с Землей. Сейчас можно достаточно уверенно утверждать, что это произошло около 4 млрд. лет назад.

После начала процесса выделения земного ядра Земля прогре­ лась настолько, что в ее недрах появились первые расплавы. Про­ цесс сепарации плотного ядерного вещества от силикатов должен был начаться сразу же, после того как температура Земли за счет приливного взаимодействия с Луной и распада радиоактивных эле­ ментов поднялась до уровня начала плавления железа и его окислов в области локального максимума температуры. Как только содер­ жавшееся в веществе молодой Земли свободное железо стало пла­ вится, процесс дифференциации земного вещества смог уже рас­ пространятся и в верх, и в глубь Земли самопроизвольно, только за счет высвобождения гравитационной энергии дифференциации земного вещества. Процесс этот устойчив и может поддерживать себя в незатухающем режиме действия.

Возникшие конвективные течения сломали первозданную литосферную оболочку. После этого разломанная первоначальная лито­ сфера должна была быстро и полностью погрузиться в мантию. Она, будучи богатой железом, была достаточно тяжелой (до 4 г/см3) по сравнению с верхней мантией, которая благодаря начавшейся диффе­ ренциации вещества уже была менее плотной (3,5-3,6 г/см3). В это же время (около 3,8 млрд. лет назад) появились и первые изверженные породы (плотностью около 2,9-3,0 г/см3), которые начали формиро­ вать на поверхности Земли древнейшие участки земной коры. Таким образом, вся первичная литосфера Земли за время около 100 млн. лет полностью погрузилась в расплавленную верхнюю ман­

36

тию и переплавилась. Из геологической истории планеты были пол­ ностью стерты все следы катархейского периода ее развития. Фраг­ менты первичной и древнейшей земной коры в основном характери­ зуются возрастом, не превышающими (3,75-3,8) млрд. лет.

В итоге, процесс выделения земного ядра начался около 4,0 млрд. лет назад, а тектоно-магматическая активность Земли про­ явилась на ее поверхности уже через 200 млн. лет в виде появления древнейших изверженных пород, первой воды, начала формирова­ ния атмосферы и наиболее примитивных форм жизни.

з.б) ■ю }лет

Рис. 1.8. Последовательные этапы развития процесса зонной дифференциации земного вещества и формирования плотного ядра Земли. Черным показаны расплавы железа и его окислов, черточками - первичное земное вещество; ради­ альной штриховкой - континентальные массивы

(по О.Г. Сорохтину, С.А. Ушакову, 1991).

37

Описывая специфику тектонических процессов в архее, важно подчеркнуть, что “накачка” приливной энергии в астеносферу тогда происходила в основном в экваториальном поясе Земли. Поэтому и первые зачатки континентальных массивов могли возникнуть лишь

вприэкваториальных областях. Однако после начала действия гра­ витационной энергии дифференциации земного вещества пояс тек­ тонической активности Земли постепенно расширялся. К концу архея, около 2,6 млрд. лет назад, тектоническими движениями оказа­ лась охвачена уже вся Земля в целом (рис. 1.8).

Но первые, наидревнейшие зародыши будущих континентов могли образоваться только в низких широтах. По-видимому, их бы­ ло несколько, и образование их происходило, начиная с раннего архея. В конце позднего архея, около 2,8-2,6 млрд. лет назад, когда

внедрах Земли стал развиваться катастрофический процесс образо­ вания земного ядра, в мантии Земли установилась одноячеистая конвективная структура с исключительно интенсивными течениями мантийного вещества, направленными от одного полюса планеты к другому. В результате в конце позднего архея все обособленные до этого континентальные массивы стали стремительно перемещаться к одному из полюсов Земли, сталкиваться друг с другом, сущест­ венно деформироваться и объединяться в единый континентальный массив. По-видимому, именно таким путем и возник первый в ис­ тории нашей планеты суперконтинент Моногея в районе Южного полюса Земли.

По оценкам около 70 % континентальной коры было сформиро­ вано уже 2,6 млрд. лет назад, т.е. в архее. При этом за первые 700 лет, (3,9-3,2) млрд. лет назад, образовалось только около 15 % земной коры, остальная часть образовалась в последующие 600 млн. лет. За оставшиеся 2,6 млрд. лет образовалось около 30 % земной коры, при этом за последние бООмлн. лет - немногим более 3 %. В даль­ нейшем рост коры прекратится, и наступит фаза ее необратимого разрушения.

Тектоническую активность Земли можно хорошо представить на основе анализа потерь идущего из мантии глубинного тепла или эволюции средней скорости движения океанических литосферных плит, которые связаны между собой выражением

j'/ ~Qm / ‘S'okk ’

38

где Qm - глубинный тепловой поток, S0KK- площадь океанической коры.

Рис.1.9. Эволюция средней скорости движения океанических литосферных плит, (по О.Г. Сорохтину, С.А. Ушакову, 1991).

На рис. 1.9 изображен график V) (1), рассчитанный О.Г. Сорох-

тиным. Как видно из этого графика, в позднем архее наблюдался резкий всплеск тектонической активности, и скорость движения тектонических плит достигала 250 - 270 см/год, т.е. в 50 - 55 раз превышала их современную скорость движения. В раннем архее скорость перемещения плит была заметно ниже. Особенно заметно снижалась тектоническая активность в среднем архее, что связано с расходом тепла на разогрев первозданного вещества на глубинах свыше 800 - 1000 км.

Начиная с раннего протерозоя, скорость движения плит после­ довательно снижалась с 40 см/год до ее современного значения - около 5 см/год. Не так давно получены количественные оценки, подтверждающие концепцию глобальной тектоники, горизонталь­ ных движений литосферных плит на основе спутниковых техноло­ гий. С помощью лазерной локации скорости горизонтальных дви­ жений определяются с точностью до ± 1 мм/год. Снижение средней скорости движения плит будет происходить и далее, вплоть до того

39

момента, когда благодаря увеличению мощности океанических плит и их трению друг о друга оно не прекратится вообще. Про­ изойдет это, по-видимому, через 1,0- 1,5 млрд. лет.

Со скоростью движения плит связана и средняя продолжитель­ ность их жизни. Так, в современную эпоху средняя продолжитель­ ность жизни океанических плит составляет около 120 млн. лет, а в позднем архее она снижалась до 4 млн. лет.

В целом тектоническое развитие Земли, начиная с протерозоя, проходило по законам тектоники литосферных плит и принципи­ ально не отличалось от тектонического режима современности. Тектоническое развитие Земли в архее более сложное и определя­ лось малой продолжительностью жизни литосферных плит (меньше 16 млн. лет), их малой мощностью (менее 30 км), существенной перегретостью (на 400 - 500 °С) верхней мантии по сравнению с ее современным состоянием. Плотность литосферных плит в течение всего позднего архея была меньше плотности верхней мантии, и поэтому они в тот период не могли погружаться в мантию. В ре­ зультате вместо привычных сейчас зон субдукции в области сжатия литосферной оболочки (т.е. над нисходящими конвективными те­ чениями мантийного вещества) возникали зоны торошения тонких океанических литосферных пластин. Поэтому иногда процессы в архее в отличие от более позднего периода определяют как текто­ ника тонких литосферных пластин. И именно эти процессы привели в конечном итоге к образованию архейской континентальной коры.

После завершения в конце архея бурного процесса выделения в недрах Земли окисно-железного ядра, в котором тогда оказалось со­ средоточенным до 65 % массы современного ядра, дальнейший тек­ тонический режим развития планеты стал более спокойным. Резко увеличилось время жизни и мощности литосферных плит. Плотность плит в результате стала выше плотности мантии, и, как следствие, на смену зонам торошения и скучивания тонких литосферных пластин появились нормальные зоны поддвига плит современного типа. Кро­ ме того, около 2,5 млрд. лет назад существенно изменились состав и строение океанической коры, и вместо чисто базальтовой коры архея уже в самом начале протерозоя сформировался ее серпентинитовый слой - основной резервуар содержащейся в океанической коре свя­ занной воды. Начиная с протерозоя, существенно изменился и сам процесс формирования континентальной коры.

40