0700620_0CA3B_tyapkin_k_f_fizika_zemli

зробити висновок, що система розломів з азимутами простягання 17 і 287° за часом закладання є о с т а н н ь о ю з відомих ш е с т и систем. Звідси зрозумілі її найчіткіший геологічний вияв, а також відносно добра збереженість структур, пов'язаних із формуванням розломів цієї системи.

З аналізу геометричних особливостей Уральської структурнофаціальної зони, як уже зазначалось, можна зробити висновок про те, що системи розломів з азимутами простягання 305 і 35°, 332 і 62°, 347 і 11° повинні були існувати до початку закладання ортогональної системи розломів. Досить цікаві азимутальні характеристики різновікових елементів Уральської структурно-фаціаль- ної зони в районах: Уральського виступу Східно-Європейської платформи, Пай-Хоя і Північної Землі, детальний аналіз яких міг би дати додаткові відомості про послідовність активування досліджуваних розломів у часі. Сукупність відомих даних дає змогу зробити висновок, що початкове виникнення ортогональної системи розломів належить, безумовно, до докембрійського часу і є п ' я т о ю з неодноразово згадуваних ш е с т и систем розломів.

Важливість цього висновку безсумнівна, однак він потребує перевірки. Зокрема, деякі сумніви викликають дані про роль системи розломів з азимутами простягання 332 і 62° у формуванні Уральської структурно-фаціальної зони. Може виявитись, що з цією системою пов'язане утворення накладених структур і тоді вони поміняються місцями за часом утворення з ортогональною системою. Потрібні додаткові детальні дослідження цього питання, зокрема пошук інших прийомів визначення послідовності закладання систем розломів та їхнього активування. Незалежно від результату перевірки пропонованого висновку в разі остаточного вирішення питання про порядок виникнення ортогональної системи розломів і системи розломів з азимутами простягання 332 і 62° буде зроблений ще один крок у з'ясуванні послідовності тектонічних активувань тектоносфери, важливість якого важко переоцінити.

2. Другий прийом грунтується на уявленні про те, що розломи новоутворюваної системи, перетинаючи існуючі блоки, як правило, мають різні геологічні характеристики. У межах різних блоків об'єднувальною ознакою таких розломів повинна бути витримана за напрямком осьова лінія, а зміна характеристик повинна відбуватися на межах блоків раніше виниклої системи (див. рис. 76, б). Скориставшись цими уявленнями, на прикладі досить добре вивченого Девладівського розлому можна показати, що закла-

239

давня ортогональної системи (0 і 270°) відбулося пізніше, ніж діагональної (45 і 315°). Пізніше виникнення ортогональної системи порівняно з діагональною підтверджується і в інших районах Українського щита [196].

3. Поряд з описаними вийте прийомами можна порекомендувати ще один досить добре відомий прийом, що складається з аналізу порущеності структурно-фадіатьних зон розломами певних систем. .Якшо час утворення струклурно-фаціальних зон відомий, то можна зазначити відносний час виникнення відповідної системи розломів. Однак цей прийом потребує делікатнішого поводження у зв'язку з можливими помилками внаслідок того, що за час утворення розломів легко можна прийняти час одного з їхніх активувань.

На завершення зазначимо, що сукупність відомих даних, частину з яких наведено вище, дає змогу зробити висновок про таку найвірогіднішу послідовність виникнення шести відомих систем докембрійських розломів з азимутами простягання: 305 і 35°, 315 і 45°, 332 і 62°, 347 і 77°, 0 і 270°, 17 і 287°. Природно, що в зв'язку з надзвичайною важливістю цього висновку для теоретичної геотектоніки він потребує ретельної і неодноразової перевірки на прикладах структур різних віку і масштабу у різних регіонах.

б.4.Обертання Землі і фізичні поля

Гравітаційне поле. У п.2.2 наведено основні співвідношення, що пов'язують елементи гравітаційного поля з формою Землі, тому тут обмежимось лише відомостями, що характеризують її стиснення. Наявність стиснення Землі є є однією з неодмінних умов справедливості Нової ротаційної гіпотези структуроутворення. Воно визначається сукупним впливом потенціалу притягання і потенціалу відцентрових сил. Величина стиснення Землі, обчислена за даними аналізу орбіт штучних

супутників, виявляється такою, що дорівнює Уі9^> 25' ® о н а відрізняється від теоретичної величини стиснення гідростатич-

раметр визначає глибину проникнення розломів у тектоносферу і характеризує супутні розломоутворенню геологічні явища. Отже, знання законів зміни є впродовж геологічної історії дає

240

змогу оцінити інтенсивність тектонічних процесів на Землі в різні теологічні епохи.

Різниці між величинами є і є0 відповідає екваторіальне здимання приблизно на 200 м більше за те, яким воно повинно бути за гідростатичної рівноваги Землі. Уявлення про причини такого явища у різних дослідників далеко не однакові. Так, У. Манк і Г. Маклональд [115] вважають, що негідростатична форма екваторіального здимання викликана запізнюванням у набутті Земтею рівноважної форми при поступовому зменшенні швидкості її обертання у зв'язку зі значною в'язкістю нижньої мантії. З таким трактуванням рішуче не погоджуються Голдрейх і Тумр [19]. Сам факт існування «викопного» гідростатично незрівноваженого екваторіального здимання вони піддають сумніву на тій підставі, що результати обчислень перебувають на межі їхньої точності. Для наших цілей важливо підкреслити: 1) деякі відхилення реальної форми Землі від її ідеальної гідростатичної моделі практично ніяк не позначаються на геотектонічній концепції, яка розвивається; 2) у майбутньому, зі зростанням точності вимірювання гравітаційного поля Землі, можна сподіватися на використання різниці значень с і є0 для оцінювання фізичних параметрів внутрішніх оболонок Землі.

Магнітне поле. Пропонована модель магнітного поля Землі є альтернативою найпоширенішій нині моделі гідромагнітного динамо [21, 266 та ін.]. Вона сформувалася в процесі розробляння Нової ротаційної гіпотези структуроутворення в тектоносфері і грунтується на тому самому механізмі, що й текгогенез. Деякі її елементи запозичені з моделі В.В Кузнецова [97]. Перш ніж викласти її суть, сформулюємо основні вимоги, яким повинна задовольняти будь-яка модель магнітного поля Землі. Вони грунтуються на результатах вивчення особливостей земного магнітного поля. Коротко ці вимоги полягають у такому.

1. Джерело магнітного поля повинне перебувати всередині Землі і бути тісно зв'язаним з її ротаційним режимом.

Ця вимога випливає з відомих уявлень про те, що частка зовнішнього магнітного поля не перевищує 1 % спостережуваного на поверхні Землі [243]. Взаємозв'язок магнітного поля з ротаційним режимом Землі є наслідком певних закономірностей взаємного розміщення магнітних полюсів Землі і полюсів її обертання. Зокрема, в п. 2.4 було показано, що вони не просто близькі між собою, а середнє положення магнітних полюсів за інтервал часу порядку 104 років відповідає середньому положенню полюсів обертання за цей самий інтервал часу. Природно, модель повин-

241

на припускати можливість пояснення і різниці в їхньому положенні.

2. Джерелом головного магнітного поля Землі може бути система електричних струмів, які проходять всередині Землі.

Логіка цієї вимоги грунтується на тому, що температура у внутрішніх оболонках Землі практично виключає феромагнітну природу поля. У кращому разі залізо-нікелеве ядро Землі може бути магнітним провідником. Отже, залишається єдина можливість виникнення магнітного поля — внаслідок спрямованого переміщення електричних зарядів (електричних струмів).

3. Система електричних струмів у першому наближенні повинна відповідати магнітному полю центрального диполя.

Ця вимога випливає з основних властивостей головного магнітного поля. Магнітне поле, що спостерігається на поверхні Землі, у першому наближенні відповідає полю магнітного диполя, вміщеного у центрі Землі, й ускладнюється полем світових магнітних аномалій Тт, інтенсивність яких досягає чверті максимальних значень дипольного поля.

4. Модель магнітного по.ля повинна пояснювати інверсії поля га його варіації в часі.

Інверсії магнітного поля Землі — це експериментально встановлений факт. Тому не можна визнати модель правомірною, якщо за її допомогою неможливо пояснити це явище. Відомо, що магнітне поле Землі зазнає періодичних варіацій зі спектром періодів, починаючи від добових, річних, 11- і 22-річних і закінчуючи багатомільйонними. Більше того, для наших цілей важливо підкреслити, що періоди варіацій земного магнітного поля збігаються з періодами багатьох геологічних явищ на Землі й астрономічних — у Космосі. Магнітний момент Землі також не залишається сталим. Усі ці особливості повинні знайти своє пояснення.

5. Для підтримання магнітного поля Землі потрібне постійне джерело енергії.

Це стандартна вимога для будь-якої енергетичної системи. Важливо, щоб це джерело мало реальну фізичну природу і його енергії вистачало для підтримування процесу генерування магнітного поля Землі.

Розглянемо фізичний зміст пропонованої моделі. За джерело електричних струмів приймемо електричні заряди, що виникають на двох внутрішніх межах Землі (рис. 87, а): 1) на межі внутрішнього ядра із зовнішнім (шар Р у моделі Буллєна); 2) на межі зовнішнього ядра з мантією. Ці межі (тонкі шари) є зонами стикання твердої і рідкої фаз внутрішньої речовини Землі. Розділення

2 4 2

Пн

Рис. 87. Фізична модель Землі (в) та її параметри, іцо використовуються для розрахунків (б):

І — внутрішнє ядро; II — зовнішнє ядро; III — мантія; IV — атмосфера

ня зарядів на них можливе внаслідок перебігу будь-якого процесу дифузії або тепдомасоперенесення [97]. Не зупиняючись на цьому детально, зазначимо, що таке розділення зарядів зумовлює утворення подвійного електричного шару. Якщо обкладки такого подвійного шару переміщуватимуться одна відносно одної, то виникне система двох різноспрямованих електричних струмів. За сталої щільності зарядів на поверхні подвійного електричного шару сила струму буде пропорційною швидкості відносного провертання його обкладок.

Крім цього, можливе виникнення електричних зарядів на певних межах в атмосфері, зокрема в іоносфері. Судячи з того, що на сусідніх планетах земної групи простежуються глобальні переміщення атмосферних шарів, не виключена можливість відносного провертання іоносфери Землі, внаслідок якого виникають струми — джерела магнітного поля. Водночас зрозуміло, що внесок іоносфери у формування магнітного поля Землі не може бути більшим за компоненту зовнішнього поля, яке, як уже зазначалось, оцінюється величиною порядку 1 %. Отже, надалі цим елементом магнітної моделі Землі в першому наближенні можна знехтувати.

Обговоримо насамперед модель генерування с у ч а с н о г о магнітного поля Землі. З цією метою виберемо механізм провертання одних оболонок відносно інших. За такий механізм можна взяти той самий, що й для тектогенезу (див. розд. 2). Виходячи з сучасних уявлень про будову Землі, можна назвати декілька поверхонь всередині Землі, вздовж яких можливі відносні переміщення (див. рис. 87, а): 1) межа внутрішнього ядра із зовнішнім (у межах шару Л; 2) весь інтервал зовнішнього ядра; 3) межа яд- ро—мантія; 4) межі в атмосфері, зокрема в іоносфері. Мабуть переміщення можуть відбуватися на всіх перелічених межах, однак їхня роль в утворенні магнітного поля Землі різна. Розглянемо це детальніше.

З раніше записаних рівнянь (5)—(8) випливає, шо зміна кутової швидкості обертання внутрішнього ядра Аоі. відносно середньої швидкості обертання Землі ш0 на три порядки більша за зміну кутової швидкості обертання решти Землі Лш2+3. За величину Аш, можна взяти кутову швидкість так званого «західного дрейфу» магнітного поля, значення якої, за даними різних дослідників, коливається від 0,05 до 0,3 °/рік. За найвірогідніше значення звичайно беруть 0,18 °/рік. Величина Лм2+3, мабуть, має складнішу природу. Зокрема, вона змінна. Це пов'язано з можливим проковзуванням шарів у межах квазірідкого зовнішнього ядра (див. рис. 87, а). Закон зміни кутової швидкості в межах зовнішнього ядра невідомий. Найвірогідніше монотонне її зменшення від 0,13 • 10 3 °/рік на межі внутрішнього ядра до якоїсь величини Дю^ на межі зовнішнього ядра і мангії. Мінімальне значення Асо1+2 — це сповільнення обертання Землі, що фіксується нині (порядку' 10 7 °/рік), а максимальне значення Дш1+2 можна отримати, прийнявши, що провертання ядра відносно мантії відбувається саме на цій межі. І хоча це припущення далеке від реальності, однак навіть у цьому разі швидкість провертання ядра відносно мантії Дю1+2 перевищуватиме величину зміни кутової швидкості зовнішньої оболонки (поверхні Землі) всього у 8,4 раза. У зв'язку з цим можливе граничне значення сили струму на межі ядра і мантії (з припущенням однакової щільності електричних зарядів, які виникають на поверхнях зовнішнього і внутрішнього ядер і з урахуванням різниці радіусів) не може перевищувати 1 % сили струму на межі внутрішнього ядра (шару Р). Отже, у першому наближенні ним також можна знехтувати.

Як бачимо, намічається найпростіший генератор магнітного поля, що складається з ротора (внутрішнє ядро) і статора (сукупність зовнішнього ядра і мантії). За поверхню, по якій про-

2 4 4

ходить струм, беруть шар Р, на межі якого виникає подвійний електричний шар. Причому обидві різнойменно заряджені обкладки подвійного електричного шару в системі координат, що обертається разом із Землею, рухаються назустріч одна одній (див. рис. 87, а), але з різною кутовою швидкістю: внутрішня зі швидкістю А®. = 0,18 °/рік, а зовнішня — зі швидкістю приблизно на три порядки меншою, що досить мало відрізняється від кутового сповільнення обертання Землі. Отже, магнітне поле на поверхні Землі створюється, в основному, електричним струмом, зумовленим переміщенням зарядів, пов'язаних із внутрішньою обкладкою подвійного електричного шару. Внесок електричного струму зарядів, пов'язаних із зовнішньою обкладкою подвійного електричного шару, менший за 1 % і в цьому разі не враховується.

Вище було розглянуто модель генерування існуючого сучас-

В рамках пропонованої моделі це можна уявити так. Магнітне поле Землі могло виникнути лише з моменту утворення в ній ядра, здатного провертатися відносно мантії. Необхідна початкова намагніченість залізо-нікелевого ядра могла бути дуже незначною, і для її виникнення, мабуть, достатньо було індукції магнітного поля Галактики. Наступна взаємодія слабкомагнітної Землі з магнітним полем Галактики, відповідно до описаної вище моделі, довели магнітне поле Землі до величини, сумірної сучасній.

Для обгрунтування пропонованої моделі розглянемо, насамперед, її енергетичний баланс. Відомо, що енергія сучасного магнітного поля Землі оцінюється величиною порядку З • 10і9 Дж. Енергію тіла, що обертається, IV можна обчислити за формулою

де І — момент інерції тіла; а — кутова швидкість тіла. Прийнявши для внутрішнього ядра ю = Асо, = 0,18 °/Рік і

врахувавши його момент інерції, з виразу (30) знайдемо кінетичну енергію відносного провертання внутрішнього ядра. Вона виявляється такою, що дорівнює 4,2 - 1019 Дж. Іншими словами, кінетична енергія відносного провертання внутрішнього ядра не лише збігається за порядком величини з енергією магнітного поля Землі, а й виявляється навіть дешо більшою за неї. Важливість цього результату важко переоцінити, оскільки задовільне співвідношення енергетичних балансів провертання

2 4 5

внутрішнього ядра і земного магнітного поля є необхідною умовою справедливості пропонованої моделі. Отже, з енергетичних позицій пропоновану модель можна вважати обгрунтованою.

Зіставимо поле пропонованої моделі з полем центрального диполя. З цією метою, користуючись відомою формулою Лоренца для обчислення напруженості магнітного поля, зумовленого зарядами, що обертаються, запишемо вирази його радіальної IIк і тангенціальної //0 компонент у сферичних координатах К, 0, X з початком у центрі Землі і полюсом на осі обертання. В точках на поверхні Землі з координатами К і 0] вирази компонент напруженості магнітного поля, зумовленої внутрішньою обкладкою подвійного електричного шару, матимуть такий вигляд (див. рис. 87, б):

реться такою, що дорівнює ДсО]; а — поверхнева щільність зарядів обкладки подвійного електричного шару; с — коефіцієнт, що чисельно дорівнює швидкості світла (решта позначень див. на рис. 87, б).

Обидва вирази цієї системи рівнянь є інтегралами еліптичного типу і в загальному випадку у кінцевому вигляді не беруться. Точні значення Ня і //а можна отримати лише в двох випадках: на полюсі (0, = 0°) і на екваторі (8і = 90°):

(32)

Компоненти напруженості магнітного поля центрального диполя з магнітним моментом М у вибраній системі координат мають вигляд

246

(33)

Результати зіставляння компонент напруженості магнітного поля пропонованої моделі й осьового диполя наведено на рис. 88. Для зручності порівняння і ті, й інші зображено в одному відносному масштабі — в одиницях ІІК (Є] = 0°). Значення Пн і Яв моделі у довільних точках обчислені наближено. Відносна похибка обчислень не перевищує і %. З рис. 88 випливає, що обидва порівнювані поля (моделі і диполя) практично ідентичні. Максимальна відносна розбіжність компоненти Нк не перевищує 4 %, а Д, — 2 %. Отже, магнітне поле пропонованої моделі задовольняє ще одній із зазначених вище вимог. Правомірність пропонованої моделі певною мірою можна оцінити й за тим, наскільки розумною буде потрібна щільність електричних зарядів, що виникає в шарі Р, необхідна для генерування сучасного магнітного поля Землі.

За товщини шару /'"порядку 100 км середня щільність електричних зарядів у кожній його половині становить порядку 2 • 10 2 Кл/м2. Це цілком досяжна величина.

Для пояснення і н в е р с і й магнітного поля звернемося знову до виразу (28). Він записаний для випадку гальмування зовнішніх оболонок Землі II і III (див. рис. 87) і відповідного йому прискорення внутрішнього ядра /. Якщо сповільнення зовнішніх оболонок змінюється на прискорення, то зміна знака перед Лю2+з автоматично викличе зміну знака перед значенням Лга,, тобто напрямок електричного струму зміниться на протилежний. Отже, зміниться полярність магнітного поля. В процесі переходу від сповільнення до прискорення (і навпаки) кутові швидкості внутрішнього ядра і зовнішніх оболонок будуть проходити через значення ю0. У цей час проковзування внутрішнього ядра не буде і магнітне поле щезне. Судячи з результатів вивчення інверсій магнітного поля, це явище триває порядку 104 років, а сам процес інверсії здійснюється впродовж 105 років.

Природно, виникають запитання: чи відбуваються такі зміни у кутових швидкостях обертання Землі й окремих її оболонок та яка їхня природа? Позитивну відповідь на перше запитання дають сучасні інструментальні вимірювання кутової швидкості обертання Землі, що проводяться впродовж останніх 200 років. Простежуються коливання тривалості доби з періодом порядку

247

Рис. 88. Графіки виносної зміни компонент напруженості магнітного поля прийнятої моделі Землі і значення цих компонент для центрального осьового диполя (зображено точками )

70 років, на які накладаються їх зміни з річним періодом. Одним із джерел варіювання кутової швидкості обертання Землі з довшими періодами є зміна положення внутрішнього ядра відносно геометричного центра Землі. За уявленнями І.М. Пудовкіна і Г.Є. Валуєвої [162, 163], вони відбуваються з періодами порядку 600 або 1 200 років. Зміна положення внутрішнього ядра відносно осі обертання Землі змінює її момент інерції. Отже, для збереження моменту кількості руху у просторі повинна змінюватись кутова швидкість обертання Землі.

Із довгоперіодних змін кутової швидкості обертання Землі можна назвати її варіювання з періодом у галактичний рік. Як довів В.А. Цареградський [224], впродовж галактичного року відбуваються послідовно сповільнення і прискорення обертання Землі з деяким переважанням сповільнення над прискоренням. Мабуть, з цим пов'язане переважання прямої полярності магнітного поля над зворотною. Визначення природи циклічних варіювань кутової швидкості обертання Землі з коротшими періодами — завдання найближчого майбутнього.

2 4 8