0700620_0CA3B_tyapkin_k_f_fizika_zemli

Практично, виходячи з уявлення про квазірідке зовнішнє ядро (див. рис. 59, а), величину /, можна вважати сталою. Справедливість цього твердження безпосередньо випливає з відомої теореми: в разі рівноваги рідини рівневі поверхні є водночас і поверхнями однакового тиску [124]. Під час розв'язування питання про рівноважний стан мантії Землі значеннями інтеграла /3, що характеризує атмосферний тиск на земній поверхні, у зв'язку з їхньою малою величиною, порівняно з /2, можна знехтувати. З урахуванням наведених зауважень вираз (22) набуває вигляду

«і

За другу умову досягнення геоізостазії приймемо рівність потенціалу в кожній точці Землі його теоретичному значенню, що відповідає введеному поняттю геоізостазії. Практично дотримання цієї умови зручніше перевіряти на поверхні Землі, а замість значень потенціалу скористатися позначками геоїда Яг і сфероїда Д.. Різницю цих позначок £ можна прийняти за критерій зрівноваженості Землі (див. рис. 59, б). Зокрема, згідно з введеним визначенням геоізостазії геоїд можна визнати таким, що перебуває в стані рівноваги за умови дотримання рівняння

(25)

169

Насправді, якби геоїд став рідким, тобто послабився б взаємозв'язок між твердими часточками, що його складають, то він став би фігурою рівноваги — сфероїдом. Проте, оскільки існують відхилення геоїда від сфероїда, зумовлені неоднорідностями будови Землі, то повинні існувати і напруги, які намагаються вирівняти ці неоднорідності, привести їх у відповідність з фігурою її рівноваги. У цьому разі, природно, закон розподілу напруг визначатиметься функцією відхилення геоїда від сфероїда, що відповідає йому.

Щоб оцінити сучасний стан зрівноваженості Землі, звернемось до карти висот геоїда (див. рис. 3). Виходячи з відносно невеликих відхилень геоїда від відповідного йому сфероїда (—110 + 78 м), можна підтвердити висновок про те, що Земля в основному зрівноважена.

Простежується повна відсутність кореляції висот геоїда з розміщенням материків і океанів. Із цього досить цікавого факту можна зробити, принаймні, два висновки.

1.Топографічні маси, яким у класичній концепції ізостазії відводиться істотна роль, не можуть прийматися як такі, що визначають ізостатичний стан Землі.

2.Виходячи з поведінки висот геоїда на материках і в океанах, не можна виправдати уявлення деяких дослідників про різку відмінність будови континентальної й океанічної земної кори.

Прийнявши за критерій зрівноваженості Землі величину від-

такою, щоб «обважнювати» зони з негативними значеннями £ і «полегшувати» зони з позитивними значеннями С. Перелічимо можливі фізико-геологічні процеси, участь яких у досягненні геоізостазії найвірогідніша.

Обважнювання окремих ділянок Землі може відбуватися внаслідок перебігу таких фізико-геологічних процесів: підіймання блоків тектоносфери, що призводить до збільшення позначок геоїда; заповнення опущених ділянок геоїда водою; обледеніння ділянок земної поверхні; «просочування» гранітної оболонки важчими базальтоїдами і гіпербазитами (дайкоутворення); утворення трапів (платобазальтів); можливого переміщення глибинних меж вгору внаслідок фазових переходів речовини в мантії типу базальт ^ еклогіт.

Розвантаження окремих ділянок Землі може відбуватися внаслідок перебігу таких процесів: опускання блоків тектоносфери, що призводить до зменшення позначок геоїда; денудації виступ-

170

них блоків тектоносфери або танення на них льоду, що виник у попередню епоху зледеніння; заповнення верхніх частин блоків тектоносфери легкими магматичними утвореннями кислого складу (гранітизація); можливого переміщення глибинних меж вниз внаслідок фазових переходів речовини в мантії типу базальт ^ еклогіт.

Перелічені вище процеси реалізуються в межах законів, установлених І.Г. Клушиним на основі принципу найменшої дії [83]. Зокрема, він довів, що в межах достатньо великих секторів Землі місцеві зміни їхніх радіусів повинні обов'язково супроводжуватись вертикальним перерозподілом щільності. Фізичним законом, що регулює перерозподіл щільності в межах секторів Землі, вирізаних тілесними кутами А£1, є закон збереження моменту кількості руху. В його інтегральний вираз входить відстань задіяних мас від центра планети г у четвертій степені. Отже, найістотніше значення моменту кількості руху мають маси геосфер, віддалених від центра більш ніж на 0,8 радіуса Землі. Зокрема, момент кількості руху Землі майже наполовину визначається масами, зосередженими в інтервалі глибин від 0 до 800 км, що відповідає т е к т о н о с ф е р і .

4.5. Відомі тектонічні гіпотези, що грунтуються на ротаційному режимі Землі

Перші пропозиції щодо використання відомого в астрономії вікового сповільнення обертання Землі для пояснення її деформацій були висловлені ще наприкінці минулого — на початку нашого століття і пов'язані вони з іменами Дж. Дарвіна, Л.С. Лейбензона та ін. Детальний опис цих пропозицій можна знайти в монографії Б.Л. Личкова [103]. Використання даних про переміщення осі обертання (полюсів) відносно поверхні Землі для пояснення деформацій тектоносфери належить до пізнішого часу. Важливі праці у цій галузі належать перу Ф.А. Венінг-Май- неца [282] та О. Шайдеггера [273].

Нині найбільше поширення має ротаційна гіпотеза структуроутворення, в основі якої лежить зміна кутової швидкості обертання Землі. Певний внесок у її розвиток зробили Л.С. Лейбензон [101], В.О. Цареградський [224], Г.М. Каттерфельд [80] й особливо М.В. Стовас [183]. Зміст запропонованої ними ротаційної гіпотези полягає в такому. Зміна кутової швидкості обертання Землі повинна призводити до зміни її фігури рівноваги (геоізостазії). Зокрема, внаслідок вікового сповільнення обертан-

171

ня зменшується стиснення Землі, внаслідок чого полярні ділянки Землі підіймаються, а екваторіальні — спряжено опускаються. Межами цих ділянок є паралелі ~35 ° (критичні). Схему розподілу напруг, що виникають у цьому разі, наведено на рис. 60, а.

Розряджання зазначених напруг, за твердженням Л.С. Лейбензона [101], повинно відбуватися «етапами, переривчасто». Він обчислив величину збільшення тривалості доби, що дорівнює 11 хв, необхідну для досягнення напруг у тектоносфері, які відповідали б межі пружності. Варто зазначити, що таке збільшення тривалості доби відповідає інтервалу часу порядку 35—40 млн років, тобто відомому тектонічному циклу другого порядку. Внаслідок розряджання напруг виникають лінійні тектонічні структури, зокрема розломи тектоносфери переважно широтно-меридіонального напрямку. Це підтверджують відомі фактичні геологічні дані, що свідчить про реальність виникнення такого роду напруг.

Чи можна вважати ці напруги єдиним або головним джерелом сил, необхідних для формування структур у тектоносфері? Мабуть ні, оскільки розряджання подібних напруг не може пояснити виникнення багатьох досить добре вивчених структур різних діагональних напрямків. Для пояснення виникнення такого роду структур можна спробувати сумістити описаний вище ефект із переміщенням осі (полюсів) обертання Землі відносно її поверхні [208, 225 та ін.]. У разі одночасної зміни параметрів ротаційного режиму Землі (кутової швидкості і положення осі обертання) передбачається, що сповільнення обертання Землі призводить до виникнення напруг у тектоносфері, розподіл яких схематично зображено на рис. 60, а, а зміна положення осі обертання — лише до їх переорієнтування.

У процесі безперервної зміни обох параметрів напруги у тектоносфері досягають межі пружності, внаслідок чого відбувається їхнє розряджання, що виражається в утворенні розломів тектоносфери та супутніх геологічних явищ. Така модель тектонічного процесу повинна призводити до виникнення лінійних структур, що розміщуються вздовж критичних палеоширот і палеомеридіанів, які відповідають епосі розряджання напруг. Відносно сучасної географічної системи ці структури повинні бути орієнтованими під певними кутами. Наступні дослідження привели автора до висновку, що така модель тектонічного процесу є занадто спрощеною.

Г.Д. Хізаношвілі [220], О.В. Сонцев [181] та ін. запропонували використати для пояснення геологічних явищ розряджання напруг,

172

основу якої покладено уявлення про виникнення напруг за рахунок зміни положення осі обертання Землі відносно її тіла (див. рис. 60, б).

Розділ 5

ЗМІСТ НОВОЇ РОТАЦІЙНОЇ ГІПОТЕЗИ СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ ТА її ОБГРУНТУВАННЯ

5.1. Фізичний зміст Нової ротаційної гіпотези структуроутворення

У разі зміни положення осі обертання Землі її фігура повинна змінюватись, пристосовуючись до нових умов ротаційного режиму. Слід вважати, що насправді все відбувається навпаки — змінює своє положення Земля відносно практично нерухомої в просторі осі обертання. Однак для зручності викладу користуватимемось першим уявленням. Фізичний зміст явища від цього не змінюється.

Насамперед розглянемо механічний бік впливу зміни положення осі обертання Землі на деформування тектоносфери. На рис. 61, а схематично зображено два контури земної поверхні у площині переміщення осі обертання, що відповідають однаковій кутовій швидкості обертання Землі, але різному положенню осі її обертання, що відрізняється на деякий малий кут а. Штриховою лінією зображено початкове положення Землі, а суцільною — нова фігура Землі, пристосована до нового положення осі обертання в пізніший час.

З аналізу астрономічних і палеомагнітних даних про переміщення осі (полюсів) обертання випливає, що траєкторія руху полюса є складною кривою, яка характеризується поступальним рухом по поверхні Землі з накладеними на нього близькими до колових рухами з періодами різних порядків. Циклічні складові найвищого порядку мають середній радіус близько 0",1, а період — 1 рік. Циклічні складові першого порядку для фанерозою мають середній радіус близько 15°, а період — галактичний рік (еру). За зовнішнім виглядом траєкторія руху полюса повинна нагадувати систему видовжених циклоїд, подібну до зображеної на рис. 20, в, ускладнену петлями вищих порядків.

Напруги, що виникають у тектоносфері внаслідок зміни положення осі обертання Землі, можна визначити розв'язуванням задачі механіки про перетворення одного рівноважного еліпсоїда, зображеного на рис. 61, а штриховою лінією, на інший, зображений на цьому самому рисунку суцільною лінією при заданому ку-

174

а

Рис. 61. Схема виникнення і розряджання напруг у тектоносфері за рахунок зміни положення осі обертання Землі відносно її поверхні

ті а. Це досить складна, але цілком розв'язувана задача. На жаль її розв'язку ми поки що не маємо.

Досить сувору якісну картину розподілу напруг у тектоносфері, зумовлених поступальним переміщенням осі (полюсів) обертання, можна отримати для диференціально малих значень кута а. У цьому разі, відповідно до закону Гука, напруги ц, що виникають, можна прийняти пропорційними деформаціям сі. На рис. 61, а показано розподіл цих напруг вздовж головного перерізу земного еліпсоїда. У двох протилежних квадрантах, у напрямку яких переміщуються полюси, утворюються зони стиснення, а в двох інших — зони розтягу. На рис. 62, а, б наведено графіки зміни деформацій і відповідні їм епюри напруг у зоні розтягу вздовж ліній ОРМ і 0\Р07, а на рис. 62, в — положення цих ліній на земному еліпсоїді.

1 7 5

статньо знати закони розподілу напруг у тектоносфері. Необхідні уявлення про закони розряджання цих напруг. Все це повинно входити в задачу механіки деформації пружно-в'язкого рівноважного еліпсоїда. Однак, як уже зазначалось, доки суворого розв'язку такої задачі немає, доведеться обходитись якісними міркуваннями. Розряджання напруг визначатиметься не стільки їх величиною у верхній частині тектоносфери, скільки різницею величин у сусідніх точках по латералі. Найвірогідніше початкові розломи тектоносфери відбудуться не в точках з максимальною

176

величиною щ а в точках з екстремальними значеннями Дц/Зх за певного критичного кута о^, коли різниця величин (і на деякому інтервалі в районі цих точок досягне межі пружності (на рис. 62, а — точки К і К').

Утворення розлому супроводжується таким переміщенням по ньому блоків тектоносфери, за якого знову досягається грубий

що відповідає описаній вище схемі формування структур типу геосинкліналей на жорсткій основі, запропонованій раніше Дж. Муді та М. Хіллом [270] з дещо інших позицій. Вона зображена на винесеному перерізі на рис. 61, б.

У процесі розряджання довкола точок К і К' напруги, природно, знімаються, а в решті частин тектоносфери квадранта, що розглядається, — частково зберігаються. Схематично це показано у вигляді епюри напруг на рис. 62, а. Наступне збільшення кута ос призводить до: а) збільшення амплітуд переміщень блоків тектоносфери в точках Кї К'\ б) нарощування напруг у непорушених частинах тектоносфери ( ОК, КК К'М) і врешті-решт до нового їхнього розряджання за описаною вище схемою. Так утворюється серія розломів тектоносфери, орієнтованих у напрямку, перпендикулярному до напрямку поступального переміщення полюсів по поверхні Землі (серія широтних розломів). Ділянка виникнення цієї серії розломів — центральна частина дуги квадранта, що розглядається. Варто зазначити, що в нижній половині дуги напрямок відносних вертикальних переміщень блоків тектоносфери протилежний до їхнього напрямку у верхній половині.

Розподіл напруг у горизонтальному перерізі земного еліпсоїда на деякій висоті від центра по лінії 0ХР02 за малих кутів а показано на рис. 62, б. Розглядаючи епюру напруг на цьому рисунку, бачимо, що вона аналогічна епюрі напруг, які виникають у вертикальному перерізі (див. рис. 62, а). Не повторюючи наведених вище роздумів, можна зробити висновок: внаслідок розряджання цих напруг виникає серія розломів меридіального напрямку.

Отже, результатом розряджання напруг, зумовлених переміщенням осі обертання Землі відносно й поверхні, є система блоків тектоносфери, утворених розломами двох взаємно перпендикулярних напрямків, які віддалені один від одного на певну відстань. На рис. 63, а наведено теоретичну модель блокування

1 7 8