Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Geodinam / geokniga- ¯«®­®¢-£¥®¤¨­ ¬¨ª -2001.pdf
Скачиваний:
399
Добавлен:
23.02.2016
Размер:
4.65 Mб
Скачать

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

С.В. Аплонов

ГЕОДИНАМИКА

Учебник

Издательство С.-Петербургского университета

2001

УДК 551.24

ББК 26.324 А76

Р е ц е н з е н т ы: докт. геол.-минер. наук, проф. И.А.Одесский (кафедра исторической и динамической геологии С.-Петербургского гос. горного ин-та), докт. геол.-минер. наук, проф. Г.С.Бискэ (С.-Петербургский гос. университет)

Печатается по постановлению Редакционно-издательского совета геологического факультета

Санкт-Петербургского государственного университета

Аплонов С.В.

А76 Геодинамика: Учебник. – СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2001. – 360 с.

ISBN 5-288-02839-7

В книге изложены основы современной геодинамики – науки о физической сущности процессов эволюции твердой Земли. Приведены сведения о происхождении, строении, составе и естественных физических полях Земли. Рассмотрены основы тектоники плит, вопросы происхождения океанской и континентальной литосферы, палеогеодинамики, глобальной энергетики и тектонической активности Земли.

Учебник предназначен для студентов геологических и географических факультетов университетов и специализированных вузов, аспирантов и работников научно-исследовательских организаций.

Библиогр. 24 назв. Ил. 105. Табл. 7.

Без объявл.

ББК 26.324

© С.В.Аплонов, 2001 © Издательство

ISBN 5-288-02839-7 С.-Петербургского университета, 2001

Чтобы физика могла быть полезной другим наукам в отношении теории, а не только своими приборами и изобретениями, эти науки должны снабдить физика описанием их объекта на физическом языке. Если геолог более или менее толково объяснит нам, что такое Земля, тогда можно попробовать в этом разобраться.

Ричард Фейнман

Введение ПРЕДМЕТ И ПРИНЦИПЫ ГЕОДИНАМИКИ

Факты о внутреннем строении и эволюции Земли, полученные различными методами геологии и геофизики, складываются в исключительно сложную картину явлений. Тем не менее эти факты можно попытаться объяснить на основе определенных, часто гипотетических процессов, протекающих в соответствии с фундаментальными законами физики.

Геодинамика – наука о физической сущности процессов эволюции твердой Земли. Конечная ее цель – на основе известных геолого-геофизических фактов, используя фундаментальные законы физики и современный математический аппарат, построить непротиворечивую модель эволюции нашей планеты.

Необходимые требования к геодинамике, как и к любой естественной науке достаточно высокого методологического уровня, состоят в следующем:

1)геодинамическая теория должна обладать внутренней непротиворечивостью и самосогласованностью;

2)она должна отвечать не только на вопросы что? и где?, как большинство традиционных геологических дисциплин, но и на вопросы как? и почему?;

3)помимо качественного объяснения геологических явлений, геодинамическая теория должна давать возможность их количественной оценки, а также обладать прогностической силой;

4)геодинамическая теория должна учитывать все факты, входящие в область геологии как науки, объективно оценивая при этом их значимость и достоверность;

5) геодинамическая теория должна допускать прямую или косвенную проверку контрольными экспериментами и/или наблюдениями.

Геодинамика – относительно новый раздел геологии. Он возник и начал интенсивно развиваться лишь в 1960-е годы, после того, как были сформулированы основы теории тектоники литосферных плит. До этого времени геология фактически представляла собой лишь описательную науку. Существовавшие в ней частные теории никогда не создавали единого мировоззренческого подхода к изучению Земли, а отдельные попытки создать общую геологическую концепцию либо не выдерживали количественной проверки (например, контракционная гипотеза), либо просто не отвечали элементарным требованиям, предъявляемым к современным научным теориям (в частности, гипотеза океанизации земной коры, расширяющейся или гидридной Земли). К настоящему времени все эти гипотезы представляют лишь исторический интерес.

При попытке описать физическим языком столь сложный процесс, как геологическая эволюция Земли, сразу же возникают проблемы, требующие нетрадиционных подходов и решений.

Прежде всего временной масштаб геологических явлений (миллионы и миллиарды лет) находится далеко за пределами реализуемой в лабораториях длительности экспериментов. Мы видим лишь то, что Земля нам показывает на бесконечно малом промежутке своей геологической эволюции, и практически лишены возможности воспроизвести те процессы, которые хотим изучить.

Кроме того, законы физики сформулированы на математическом языке в аналитической форме. Геология, напротив, традиционно описательная наука. Ее закономерности иногда очень непросто выразить количественно. При любом приложении физики к геологии главной проблемой становится согласование двух разных типов описаний. Геологические наблюдения необходимо перевести на язык чисел, и лишь после этого открывается доступ к физическому анализу наблюдений.

Основные принципы геодинамики заключаются в следую-

щем.

1)Земля – физическое тело, развивающееся по строгим законам, описываемым уравнениями математической физики;

2)основные источники энергии, а значит, и тектонической активности Земли находятся внутри нее самой;

3)Земля и ее оболочки (кора, мантия и ядро) представляют собой единую геодинамическую систему. Необходимо совместно рассматривать горизонтальные и вертикальные связи между этими оболочками без каких-либо ограничений по площади и глубине;

4)необходимо совместно рассматривать геодинамическую эволюцию Земли в пространстве и времени;

5)необходимо совместно рассматривать химические и механические процессы, идущие в недрах Земли;

6)геодинамическая активность Земли неравномерна в пространстве и времени. Вероятна периодичность основных процессов геодинамической эволюции нашей планеты.

Этот учебник основан на лекциях автора, читаемых в течение 10 лет на геологическом факультете Санкт-Петербургско- го государственного университета. Он значительно расширен по сравнению с учебным пособием “Геодинамика”, изданным в 1993 г. Необходимость такого расширения диктуется бурным развитием за последнее десятилетие как самой геодинамики, так и других наук и направлений, данные которых она использует, прежде всего сравнительной планетологии, петрологии, изотопной геохронологии, геохимии и геофизики.

Учитывая потребности современной науки и вместе с тем традиции геологического образования в России, курс геодинамики представлен в данном учебнике как введение в физику и химию Земли. Для того чтобы его усвоить, необходимы определенный минимум знаний по геологии, а также подготовка по физике, химии и математике в объеме средней школы. Польза такого элементарного вводного курса для студентов, получающих геологическое образование, определяется, с одной стороны, специализацией различных разделов наук о Земле, с другой, – необходимостью их совместного рассмотрения для того, чтобы в дальнейшем адекватно понимать любой вопрос, так или иначе связанный со строением и эволюцией Земли.

По сравнению с изданием 1993 г. в данном учебнике существенно дополнены главы и разделы, посвященные проис-

хождению Земли как планеты, ее глубинному строению и составу, геотермии и геохронологии, ранней (докембрийской) истории Земли, мантийной конвекции, геологии Мирового океана, эволюции континентальной коры. Отдельная глава посвящена проблемам глобальной энергетики и периодизации тектонической активности Земли.

Хотя геодинамика – количественная наука, аудитория, которой адресован учебник, весьма неоднородна по своей физикоматематической подготовке. Поэтому, создавая универсальный вводный курс, автор стремился свести к минимуму использование формул при максимально строгом и ясном изложении основных понятий.

Из-за множества нерешенных проблем, остающихся в центре внимания современной геодинамики, ее постулаты ни в коем случае не следует принимать как догму или истину в последней инстанции. В той степени, в какой это возможно сделать в учебнике, показана дискуссионность и гипотетичность многих положений геодинамики, а в “Заключении” – суммиро-ваны главные фундаментальные проблемы геодинамики, которые предстоит решить в будущем (возможно сегодняшним студентам).

Так как данная книга является учебником, в ней, за исключением исторического обзора в разделе 2.1, нет ссылок на работы российских и зарубежных исследователей, внесших весомый вклад в развитие специальных разделов геодинамики. Основные источники, использованные при написании учебника, приведены в списке литературы; они же рекомендуются студентам, стремящимся глубже вникнуть в отдельные частные проблемы геодинамики.

Таковы существенные отличия предлагаемого учебника “Геодинамика”, которые, по мнению автора, делают его более современным, а значит, полезным. Все замечания по содержанию учебника будут с признательностью приняты автором.

Глава 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЛАНЕТЕ ЗЕМЛЯ

1.1.Рождение Земли

1.1.1.Место Земли во Вселенной

Земля является одной из многих планет, поэтому ее происхождение неразрывно связано с происхождением Солнечной системы. В свою очередь, Солнечная система с центральной звездой класса G2 главной последовательности Солнцем и девятью крупными планетами-спутниками, среди которых и наша уникальная планета Земля, – лишь ничтожно малая песчинка среди более чем 100 млрд звезд и примерно 100 млн облаков межзвездной пыли и туманностей, составляющих Нашу Галактику (Млечный Путь). Подобных галактик в познаваемой части Вселенной (Малой Вселенной, или Метагалактике) более миллиарда, притом что современные астрономические методы позволяют наблюдать лишь очень незначительную часть Вселенной, бесконечной в человеческом представлении во времени и пространстве.

Тем не менее можно получить представление о размерности различных объектов по крайней мере в познаваемой части Вселенной – Метагалактике. Правда, в космических масштабах единицы измерения расстояний, принятые в обычных системах отсчета (в том числе и тех, что используются в геологии и геодинамике), оказываются неприемлемыми. Поэтому астрономия оперирует условными единицами измерения расстояний, основными из которых являются астрономическая единица (а.е.), равная среднему расстоянию от Земли до Солнца (1 а.е. 1,5 · 108 км), а также световой год, равный расстоянию, которое свет, распространяющийся в вакууме со скоростью 300 000 км/с, проходит за

1 год (1 св. год 1013 км 6 · 104 а.е.).

Например,

ближайшая к

Солнцу звезда Проксима Кентавра

находится

на расстоянии

4,3 св. года, т.е. ее свет, доходящий до современной Земли, был испущен 4,3 года назад. На сегодняшнем ночном небе видны далекие звезды, погасшие сотни, тысячи, миллионы лет назад, свет от которых все еще доходит до Земли.

На рис. 1.1.1.1 показана масштабность объектов во Вселенной. Наша Галактика (Млечный Путь) занимает пространство око-

7

ло 104 св. лет. Следующее место по масштабности принадлежит местной группе галактик, состоящей из 24 членов и прости-

рающейся в космическом

пространстве

на расстояние около

2,5 · 106 св. лет. Следующая

градация –

скопления галактик,

которые могут быть малыми (до 100 членов), средними (от 100 до 500 членов) и большими (более 500 членов). В качестве самого известного объекта можно назвать скопление галактик Большой Медведицы, которую обычно называют “созвездием”. По данной классификации местная группа галактик, в которой мы находимся, относится к разряду малых. Скопления галактик занимают пространство около 7,5 · 108 св. лет. Границы познаваемой Вселенной простираются до 1010 св. лет.

Размеры, св. лет

1E+010

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1E-008

Земля

системаСолнечная

Путь)(МлечныйГалактикаНаша

галактикгруппаМестная

 

Скоплениягалактик

ПознаваемаяВселенная

1E+008

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1E+006

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1E+004

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1E+002

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1E+000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1E-002

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1E-004

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1E-006

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1E-010

Рис. 1.1.1.1. Масштабность Вселенной.

Таким образом, наша уникальная планета Земля, являющаяся объектом изучения геодинамики, да и всей геологии в целом, в космических масштабах выглядит более чем скромно – занимаемый ею объем составляет примерно 10–20 от пространства познаваемой Вселенной.

Почему, приступая к изучению геодинамики, необходимо хотя бы в самых общих чертах рассмотреть происхождение Вселенной, Галактики и Солнечной системы? Дело в том, что основополагающим параметром в науках о Земле служит химический состав нашей планеты, а также его изменения в процессе геологической истории, длящейся 4,6 млрд лет. В то же время сегодня на Земле невозможно найти породы с признаками

8

ее первоначального состояния. Поэтому при восстановлении первичного состава Земли геологи обращаются к метеоритам, которые, как полагают, сохранились неизменными со времени возникновения Солнечной системы.

Но и состав Солнечной системы менялся в процессе ее эволюции. Современная Солнечная система содержит 83 различных химических элемента (стабильных изотопа), причем 99,5% от общего количества атомов составляют водород и гелий. Современная Земля состоит главным образом из кислорода и нелетучих элементов (например, Fe, Mg и Si), доля которых менее 0,1% от общего числа атомов Солнечной системы. Если при рассмотрении Солнечной системы, Галактики и Вселенной фактически игнорируются все элементы, кроме водорода и гелия, то для происхождения и развития Земли весьма существенно взаимодействие остальных элементов. Большинство элементов уже существовали до возникновения Солнечной системы, а значит, вопрос в том, как и когда они образовались.

1.1.2. Происхождение Вселенной

Современная космология объясняет происхождение Вселенной в рамках гипотезы Большого взрыва, произошедшего 15 – 20 млрд лет назад. К этому времени относится и образование большинства химических элементов. До Большого взрыва любые две точки во Вселенной, только познаваемая часть которой сегодня занимает пространство 1023 км (1010 св. лет), находились сколь угодно близко друг к другу, а плотность вещества в тот момент была бесконечна. Бесконечно большие плотности внутри протове-щества материи, сконцентрированной в бесконечно малом объеме, должны были привести к тому, что температуры внутри этого бесконечно малого сгустка материи должны были быть бесконечно большими. Такое состояние вещества, называемое сингуляр-ностью, неминуемо должно было в какой-то момент времени привести к взрыву.

Одним из экспериментальных подтверждений Большого взрыва является регистрируемое сегодня реликтовое космическое излучение, интенсивность которого сравнима с яркостью Млечного Пути, если бы он занимал все небо. Кроме того, в 1999 г. в Центре ядерных исследований в Церне (Швейцария) физикам

9

удалось воспроизвести условия существования вещества Вселенной в первые секунды после Большого взрыва.

Существовала ли Вселенная до момента Большого взрыва? Современная космология не дает однозначного ответа на этот вопрос. По всем показателям начавшийся после Большого взрыва процесс бесконечного расширения Вселенной, как и ее сингулярное состояние, носят неустойчивый характер. Потому продолжающееся последние 15 – 20 млрд лет расширение Вселенной может быть на самом деле частью пульсации, в которой фазы расширения сменяются фазами сжатия. Следовательно, в конце концов возможно некоторое стационарное состояние, в котором через регулярные промежутки времени происходят Большие взрывы. Мы под возрастом Вселенной понимаем временной интервал от момента последнего Большого взрыва до настоящего времени.

В течение 10– 6 с после Большого взрыва первоначальная сверхвысокая температура сингулярной среды снизилась до 1013 °С, и в рождающейся Вселенной образовалось протовещество, представленное элементарными частицами: протонами (p+), нейтронами (n), фотонами (ν), электронами (e) и позитронами

(e+). При дальнейшем расширении Вселенной и понижении температуры до 1010 °С, во временном интервале от 1 до 10 с, проис-

ходила реакция p+ + en + v , благодаря которой во Вселенной резко увеличилось количество нейтронов n, произошла аннигиляция электрон-позитронных пар (e+ и e), а фотоны ν начали вести себя как свободные частицы. Наконец, в промежуток времени от 10 до 300 с при температурах 109 °С во Вселенной начался ядерный синтез первых химических элементов – водорода и гелия.

Таким образом, потребовалось всего несколько минут “ядерного фейерверка” для образования из бесконечно малого, бес-конечно плотного сгустка протоматерии, обладающего бесконено высокой температурой, первых химических элементов, что вполне оправдывает термин “Большой взрыв”.

В дальнейшем эволюция Вселенной несколько замедлилась. При понижении температуры до 104 °С примерно в течение 300 тыс. лет (промежуток ничтожно малый по геологическим масштабам времени и в то же время грандиозный по сравнению с первыми минутами жизни Вселенной) происходила рекомбинация

10

первичной плазмы с появлением γ-частиц, а также, помимо водорода и гелия, новых химических элементов с атомными номерами до 5 (бор) включительно. Вселенная приобрела ячеистую структуру со скоплениями галактик и звезд; по химическому составу она состояла на 70% из водорода, на 29,5% из гелия, и только 0,5% приходилось на все остальные образовавшиеся к тому времени элементы.

Звезды конденсировались из межзвездного вещества, а затем уплотнялись; в их центральных областях температура становилась настолько высокой, что там начинались термоядерные реакции. Этот процесс продолжается во Вселенной до настоящего времени. Водород в ядрах звезд постепенно выгорает и превращается в гелий, гелий – в углерод. Во внутренней части ядра звезд из углерода синтезируются кислород и кремний. Окончательный продукт термоядерного “горения” в звездах – железо с атомным номером 26.

Хотя простого накопления атомных ядер в результате реакций термоядерного “горения” в звездах, как уже сказано, недостаточно для создания ядра более тяжелого, чем у Fe26, этот же процесс (термоядерный синтез) приводит к образованию нейтронов n, которые не несут электрического заряда и потому сравнительно легко включаются в атомное ядро. Это явление известно как реакция захвата нейтронов. Именно за счет него в звездах возникают элементы с атомными номерами вплоть до 83 (висмут).

Таким образом, все химические элементы во Вселенной, от H1 до Bi83, появились в процессе последовательных термоядерных реакций, начало которым дал Большой взрыв с последующим стремительным расширением Вселенной. Данный процесс последовательного образования все более сложных и тяжелых элементов за счет термоядерного “горения” носит общее название нуклео-синтез и подразделяется на несколько стадий. На ранней стадии, занявшей первые минуты после Большого взрыва, за счет взаимо-действия элементарных частиц протоматерии возникли H1

иHe2. Далее, в процессе первичного структурирования Вселенной, занявшего около 300 тыс. лет, образовались легкие элементы до B5 включительно. К тому времени Вселенная настолько расширилась

иостыла, что “ядерный фейерверк” в ней прекратился. Но на этой стадии уже появились первые звезды, в центральных областях

11

которых за счет сжатия температура поднялась настолько, что стали возможными реакции термоядерного синтеза более тяжелых элементов – от C6 до Fe26. Однако простого накопления атомных ядер недостаточно для формирования ядра более тяжелого, чем у Fe26. Поэтому на зрелой стадии нуклеосинтеза более сложные и тяжелые элементы (от Co27 до Bi83) образовывались уже за счет захвата медленных нейтронов, выделяющихся в процессе термоядерного синтеза. Однако и такой процесс не может продолжаться до бесконечности: если атомное ядро несет в себе слишком много нейтронов, оно становится нестабильным и распадается. Для того чтобы получить ядро более тяжелое, чем у 209Bi83, необходимо облучение чрезвычайно мощным потоком быстрых нейтронов. Здесь начинается следующий процесс образования элементов, тесно связанный с эволюцией звезд.

Поскольку идущее в звездах термоядерное “горение” – чрезвычайно производительный источник энергии, жизнь любой звезды имеет длительный стабильный период, который назы-

ваетcя главной последовательностью. Например, у звезд типа Солнца, которое, как уже говорилось, находится на главной последовательности, он продолжается примерно 1010 лет. Звезды, более массивные, чем Солнце, находятся на главной последовательности дольше, а менее массивные звезды, наоборот, меньший промежуток времени.

Однако в конце концов водород – основное “горючее” термоядерных реакций в звездах любой массы – начинает иссякать. В результате у звезды формируется гелиевое ядро с примесью всех элементов, образовавшихся в процессе нуклеосинтеза, размеры которого непрерывно растут, а окружающая ядро оболочка сгорающего водорода медленно смещается к внешним областям. Внутренняя область звезды, лишенная водородного “горючего”, охлаждается и сжимается, оставляя внешние части звезды без поддержки, так что они тоже сжимаются и резко нагреваются (этот процесс называется коллапсом звезды). Но во внешних частях звезды еще содержится много несожженного водородного “горючего”, и, поскольку термоядерные реакции чрезвычайно чувствительны к температуре, процесс развивается неудержимо: термоядерное “горение” повышает температуру, а это, в свою очередь, ускоряет сгорание водорода. У звезды нет уже

времени приспособиться к новой обстановке, и большая часть оставшегося у нее водородного “горючего” сгорает в считанные

12

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.