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

нился дифференционным (см. раздел 1.1.4).

Хотя ведущая роль гравитационной дифференциации в энергетическом балансе Земли в настоящее время практически общепризнана, ею одной трудно объяснить немонотонность выделения энергии и соответственно тектонической активности в течение геологической истории Земли. Поэтому в последние годы все более пристальное внимание обращается еще на один источник энергии Земли, связанный уже с внешним по отношению к ней фактором – твердыми приливами, обусловленными гравитационным воздействием на Землю Луны и в значительно меньшей степени Солнца.

Кроме того, по мере возрастания точности датировок геологических событий выявляется тесная взаимосвязь главных тектонических фаз на Земле со временем ее обращения вокруг центра Галактики (галактическим годом, см. раздел 1.1.3). Хотя градиенты гравитационного поля, связанные с космическими факторами (за исключением притяжения Луны), ничтожно малы, тем не менее можно говорить о проявлении определенного резонанса между эндогенной геодинамикой и внешними, космическими воздействиями на Землю, а следовательно, о согласованной периодичности изменений их интенсивности.

Итак, по современным представлениям, к наиболее мощным энергетическим процессам, развивающимся в недрах Земли, относятся: 1) процесс гравитационной дифференциации земного вещества по плотности, приводящий к расслоению Земли на плотное ядро и остаточную силикатную мантию; 2) процесс распада радиоактивных элементов; 3) процесс приливного взаимодействия Земли с Луной. Все остальные источники энергии несоизмеримо меньше. Относительный вклад каждого из перечисленных источников в общий энергетический баланс Земли был различным на разных этапах ее геологической эволюции, продолжающейся в течение 4,6 млрд лет. Теоретическая геодинамика к настоящему времени достигла уровня, который позволяет дать объективную количественную оценку различным составляющим в общем энергетическом балансе Земли. Учитывая это, рассмотрим три главных источника эндогенной энергии Земли, вклад каждого из них в общую энергетику нашей планеты, а также возможную связь энергетики Земли с ее тектонической активностью.

6.1. Энергия аккреции и гравитационной дифференциации

307

Когда Земля еще только формировалась как планета из холодного газо-пылевого облака (см. раздел 1.1.4), ею уже была запасена значительная энергия, которая затем пошла на начальный разогрев нашей планеты. К этим первичным источникам энергии Земли относятся, во-первых, часть энергии гравитаци-

онной аккреции земного вещества и, во-вторых, энергия сжатия

земных недр. Как уже отмечалось в разделе 1.1.4, аккреция Земли

продолжалась около 108 лет и завершилась примерно 4,6 109 лет тому назад (в “точке геологического нуля”) образованием первичной холодной и однородной по составу Земли.

Первые 600 млн лет истории Земли (данный период назы-

вается догеологическим, или катархеем, см. раздел 1.6) ее энер-

гетика определялась преимущественно внешними факторами. Однако на геологической стадии формирования нашей планеты, начиная примерно с 4 109 лет, стал развиваться мощный процесс выделения гравитационной энергии, связанный с плотностной дифференциацией земных недр. Он привел к выделению в центре Земли плотного железистого ядра и возникновению в остаточной силикатной мантийной оболочке конвективных течений.

Энергию аккреции Земли Ea можно оценить через ее потенциальную энергию U4,6 (здесь и далее числовые индексы означают время в млрд лет, прошедшее с момента события, к которому относится рассматриваемый параметр):

Ea = −U 4,6 = 4πf R rm(r)ρ(r)dr ,

(6.1.1)

 

0

 

где

 

 

m(r)= 4πr

ρ(r)r 2 dr .

(6.1.2)

0

 

 

Здесь m(r)– масса земных недр, заключенная в сфере радиуса r, ρ(r)– плотность земного вещества на радиусе r, f – гравитацион-

ная постоянная, равная 6,67 10–11н м2/кг, R – радиус Земли, рав-

ный 6,37 106 м.

308

 

Для корректного определения гравитационной энергии и

основных закономерностей ее выделения необходимо знать расп-

ределения плотности ρ(r), существовавшие в прошлые геологи-

ческие эпохи. Напомним, что для современной Земли распределе-

ние ρ(r) известно по сейсмологическим данным (см. раздел 1.2).

Для восстановления же ρ(r) в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

геологическом прошлом единст-

 

 

14

 

 

 

 

 

 

венно

возможный

метод

ис-

 

 

 

Современная

 

 

 

 

 

 

пользовать

лабораторные

опре-

3

12

 

 

Земля

 

 

 

ã / ñì

 

 

 

 

деления плотности вещества за-

 

10

 

 

 

 

 

 

данного

химического

состава

 

Плотность,

8

 

 

 

 

Первичная

при высоких давлениях и тем-

 

 

 

 

 

Земля

пературах, имея в качестве кри-

 

6

 

 

 

 

 

 

терия

правильности

расчетов

 

 

4

 

 

 

 

 

 

плотностную модель современ-

 

 

 

 

 

 

 

 

ной Земли.

 

 

 

 

 

 

 

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

 

На рис. 6.1.1 приведены

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

распределения плотности ρ(r),

 

4000

 

 

 

 

 

 

полученные по единой методике

 

 

 

 

Современная

 

 

для современной

Земли,

вклю-

 

 

 

 

 

 

Ñ

3000

 

Земля

 

 

 

чающей

силикатную

мантию,

°

 

 

 

 

 

 

 

 

ðà,

 

 

 

 

 

 

 

 

внешнее

железо-сернистое

и

 

 

 

 

 

 

 

 

емперату

2000

 

 

 

 

 

 

внутреннее

железо-никелевое

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

яд-ро,

а

также для первичной

 

 

 

 

 

Первичная

Зем-ли, имеющей однородный

Ò

1000

 

 

 

 

Земля

 

 

 

 

 

 

 

хонд-ритовый состав. Прежде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

всего видно, что полученное по

 

 

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

дан-ным

 

ударного

сжатия

 

 

0

силика-тов, железа и его

 

 

 

 

 

 

à ëó áèíà, êì

 

 

окислов

 

расп-ределение

Рис. 6.1.1. Распределения плотности

плотности в совре-менной Земле

(см.

рис. 6.1.1)

чрезвычайно

и температуры в современной и

близко тому, кото-рое ранее

 

 

первичной Земле.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

было установлено по данным о скоростях распростра-нения

упругих волн в Земле (см. рис. 1.2.2.2). Следовательно,

аналогичный расчет справедлив и для первичной хондритовой

Земли. На ее поверхности плотность вещества составляла около

4 г/см3, а к центру увеличивалась за счет давления до 7,2 г/см3.

 

 

Подстановка исходного распределения ρ(r) в первичной Зем-

309

ле в уравнение (6.1.1) дает оценку суммарной энергии ее аккреции

Ea 23,6 1031 Дж.

Аккреционная энергия Земли расходовалась двумя путями. Очевидно, что часть ее ушла на упругое сжатие земных недр. Оценить эту часть можно через энергию аккреции “несжатой” Земли Е0 путем подстановки в (6.1.1) распределения ρ(r) = ρ0 =

= 4,0 г/см3 (плотность исходного недифференцированного земного вещества при нулевых температуре и давлении). В этом случае

Е0 20,1 1031 Дж, откуда энергия сжатия первичной Земли оказывается равной Ee = Ea E0 3,5 1031 Дж. Остальная часть (E0) аккреционной энергии перешла в тепло. Температуру предельно возможного прогрева первичной Земли за счет энергии ее аккреции можно оценить по формуле

T =

E0

,

(6.1.3)

 

 

Mcp

 

где M – масса Земли, равная 6 1024 кг, а cp – средняя теплоемкость недифференцированного и богатого железом земного вещества (хондрита), равная 1,1 103Дж кг–1 град–1.

Если бы одновременно с аккрецией Земли не происходило интенсивных теплопотерь с ее поверхности, то температура нашей планеты, согласно (6.1.3), могла бы подняться до значений около 30 000°С, и в таких условиях земное вещество полностью испарилось бы. Однако в действительности столь интенсивного разогрева Земли не происходило, поскольку ее аккреция продолжалась конечное время порядка 108 лет, а энергия ударов планетезималей выделялась только в приповерхностных слоях растущей Земли и поэтому быстро терялась с тепловым излучением планеты (см. раздел 1.1.4). В результате максимальная температура в молодой Земле (около 1400°С) достигалась на глубинах 200 – 400 км (см. рис. 6.1.1) и ее не хватало для плавления однородного земного вещества, а к центру планеты она вновь понижалась примерно до

600 – 700°С.

Энергия аккреции выделялась только во время роста Земли. На планетной же стадии ее развития, как уже указывалось, главным источником эндогенной энергии становится процесс гравитационной дифференциации земного вещества на плотное железистое ядро и остаточную более легкую силикатную мантию.

310

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

Оставленные комментарии видны всем.