2. Общие закономерности геологической эволюция Земли и особенности глобальной геодинамики

Согласно геолого-геофизическим и сравнительно-планетологическим данным в истории Земли выделяются две основные стадии ее развития: постаккреционная или догеологическая стадия (4,6-4,0 млрд.лет) и собственно стадия эндогенной эволюции, занимающая период времени около 4 млрд лет. Последняя характеризуется двумя мегаэпохами - архейской и протерозойско-фанерозойской. Предполагается, что после завершения аккреции Земли ее внешняя оболочка толщиной в первые сотни километров была расплавлена благодаря мощной метеоритной бомбадировке и представляла собой “магматический океан”, из которого в процессе дифференциации и кристаллизации образовалась первичная кора Земли [61, 28].

Около 4 млрд.лет назад произошло кардинальное событие в истории Земли, связанное с тем, что мощная тепловая волна, идущая из глубины планеты, достигла верхней мантии, приведя к ее частичному плавлению, о чем свидетельствуют данные по геохимии и изотопии раннеархейских коматиитов и базальтов [10, 61]. Высокая степень плавления архейской астеносферы являлась причиной крупномасштабного ареального толеитового и коматиитового вулканизма. По мере нарастания объема вулканизма наступил момент, когда архейская литосфера, нагруженная тяжелыми коматиитовыми лавами, стала в отдельных местах гравитационно неустойчива и начала погружаться в астеносферу. Над зонами погружения или субдукции возникли многочисленные разновозрастные дуги с известко-щелочным вулканизмом. Столкновение их друг с другом привело к образованию первых небольших протоконтинентов преимущественно тоналитового состава. Протоконтиненты, в свою очередь, наращивались на активных континентальных окраинах, в частности, за счет столкновений с магматическими дугами, а также раскалывались в процессе рифтогенеза.

К концу архея все протоконтиненты объединились в один суперконтинент Пангея-0, а на остальной поверхности Земли сформировался океан Панталасса (рис.4а). В пользу этого свидетельствуют палеомагнитные данные и тот факт, что смежные в настоящее время архейские протоконтиненты часто имеют различную архейскую историю и разделены позднеархейскими коллизионными поясами [61]. Считается, что к концу архея образовалось около 80% объема современной континентальной коры [26].

Протерозойско-фанерозойская мегаэпоха истории Земли характеризуется

наличием нескольких крупных континентов и мегаоканов, расположенных в “континентальном” полушарии и испытывающих периодические перестройки, Это мегаэпоха постоянного возникновения и исчезновения в мантии океанической литосферы и медленного наращивания объема континентальной коры. В пределах данной мегаэпохи можно выделить четыре глобальных мегацикла, а именно: раннепротерозойский (2,5-1,6млрд.лет), ранне-среднерифейский (1,6-0,8млрд.лет), позднерифейско-палеозойский (0,8-0,25млрд.лет) и мезо-кайнозойский (0,25млрд.лет) [28]. Каждый мегацикл начинался с распада соответвующего суперконтинента-Пангеи и образования вторичных океанических впадин и завершался обратным стягиванием континентов в суперконтинент и эпохой кратонизации с некоторым наращиванием объема континентальной коры (рис.4б). Четыре суперконтинента (Пангеи-1,2,3,4) образовывались приблизительно через каждые 0,7-0,8 млрд.лет, а именно: Пангея-1 существовала в период 2,7-2,5 млрд.лет назад; соответственно, Пангея-2 - в период 1,8-1,6 млрд.лет; Пангея-3 - в период 1,0-0,8 млрд.лет; наконец, последняя Пангея-4 существовала в период 0,32-0,17 млрд.лет назад. Эпохи образования Пангей отвечают эпохам формирования основных коллизионных поясов на всех современных континентах. Наличие в этих поясах офиолитов, голубых сланцев и островодужных ассоциаций указывает на их образование в процессе закрытия океанических впадин [61, 28]. Указанные мегациклы (циклы Вильсона) осложнены циклами меньшего ранга и процессами образования суперконтинентов меньших размеров, чем Пангеи. Например, в венде образовался суперконтинент Гондвана, а в кайнозое - Африкано-Евразийский суперконтинент.

Архейская и протерозойско-фанерозойская мегаэпохи, очевидно, характеризовались разными геодинамическими режимами, В архее было множество микроплит, подстилаемых горячей сильно расплавленной астеносферой, способной их “растворить” в процессе субдукции (рис.4а). Поэтому представляется маловероятным, что в архее субдуцированные части плит проникали в нижнюю мантию [20].

Предполагается [13], что к началу протерозоя вокруг Пангеи-1 сформировалось глобальное субдукционное кольцо, пронизывающая всю мантию, которое в виде кольцевого квазистационарного нисходящего общемантийного течения устойчиво существовало на протяжении всего протерозоя-фанерозоя, поддерживая асимметричную структуру земного шара с океаническим (Панталасса - суперокеан Пацифика) и континентальным (Пангеи и вторичные мегаокеаны атлантического типа) полушариями (рис.4б). Это предположение основывается на анализе и сопоставлении данных трехмерной сейcмической томографии с результатами численных расчетов трехмерной тепловой конвекции в сферическом слое мантии, показывающих, что трехмерные течения самоорганизуются в виде достаточно локализованных и устойчивых в пространстве колец нисходящих потоков, пронизывающих весь слой, и компенсирующих восходящих потоков цилиндрической формы, значительно более изменчивых во времени и пространстве [31, 32, 41, 56].

Представление о том, что в структуре мантийной конвекции наиболее устойчивыми элементами являются нисходящие кольцевые потоки вещества (глобальные субдукционные структуры) приводит к принципиальному заключению об определяющей роли “субдукционных сил засасывания” в общем балансе движущих сил тектоники плит. Эти силы приложены в протяженных и долго живущих зонах субдукции, образующих почти замкнутое кольцо вокруг Тихого океана с ответвлением Альпийско-Гималайского коллизионного пояса, маркирующего линию закрытия океана Тетис, причем большая часть обычных океанических зон субдукции при развитии этого пояса трансформировалась во внутриконтинентальные зоны субдукции, хорошо прослеживаемые по данным региональной сейсмической томографии [12, 50, 29].

Действительно, как видно из современной картины движения основных плит по поверхности Земли, все они перемещаются к субдукционным зонам “стока” мантийного вещества (рис.5). Силы “расталкивания” плит, приложенные в осевых зонах средино-океанических хребтов, а также в областях континентального рифтогенеза и горообразования, имеют подчиненное региональное значение и не определяют глобальную эволюцию литосферных плит.

Таким образом численное моделирование трехмерной тепловой конвекции в сферическом слое мантии в значительной степени проясняет физический механизм движения крупных литосферных плит к зонам субдукции, маркирующим, как это видно из данных сейсмической томографии, глобальные кольцевые области стока мантийного вещества.

Однако этот механизм не дает объяснения описанной выше циклической эволюции литосферы в континентальном полушарии на протяжении протерозойско-фанерозойской истории Земли. В самом деле, простая схема стока мантийного вещества в субдукционном кольце в лучшем случае может объяснить только половину цикла Вильсона, т.е. распад Пангеи, и не дает понимания того, за счет каких сил осуществляется вторая часть этого цикла, а именно: возвратное стягивание континентов в единый суперконтинент.

Кроме того, модель трехмерной тепловой конвекции в сферическом слое мантии не объясняет целый ряд важнейших особенностей внутреннего строения и динамики Земли, в частности, наличие громадных линз «тяжелого» вещества, расположенных в переходной области между верхней и нижней мантией в окрестности зон субдукции литосферы [53], или существование многочисленных и разномасштабных плюмов, приводящих к внутриплитному вулканизму, а также наблюдаемые геохимические аномалии.

Объяснение всех этих сложных явлений, на наш взгляд, следует искать за рамками чисто тепловой конвекции, рассматривая более общий и реалистичный вариант термо-химической конвекции, в которой вариации плотности создаются как за счет температурных возмущений, так и вследствие изменчивости химического состава мантийного вещества в процессе его эволюции.