Плотностные конвекции

Плотностные конвекции (по Ботту, 1974; Монину, 1977; Сорох-тину, 1979; Артюшкову, 1979; Пейве и Савельеву, 1982). Согласно одной из наиболее популярных современных гипотез. Земля образовалась путём аккреции сравнительно однородного газопылевого космического материала. Первоначально она была однородным, нерасслоённым телом, хотя, может быть, и имела небольшое плотное ядро. Кора, мантия и большое ядро возникли позже рождения планеты в результате химического распада и гравитационного разделения первичного материала на относительно более плотные — ядерные (железо или его окислы), менее плотные — мантийные (ультраосновные силикаты) и наименее плотные — коровые (силикаты кислого, среднего, основного состава) компоненты. Разделение материала планеты на оболочки с разной плотностью осуществлялось путём встречных (плотных — вниз, лёгких — вверх) перемещений гигантских объёмов вязких пород и потому сопровождалось разогревом планеты и мощными тектоническими процессами. Особенно значительными эти перемещения — плотностные конвекции были в интервале мантии, так как сквозь неё проходили как нисходящие, так и восходящие массопотоки.

Время, когда происходило расслоение планеты, пока неизвестно. Его оценка зависит от многих факторов, чрезвычайно слабо познанных. Поэтому разными исследователями оно определялось по-разному. Так, например, Ф. Берч (1965 г.) и Д. Тозер (1965 г.) считают, что процесс образования ядра занял очень небольшое время и уже давно завершился. По мнению Г. Юри (1952 г.), С. К. Ранкорна (1962 г.), В. П. Кеонджяна, А. С. Монина (1975 г.), О. Г. Сорохтина (1971 г.) и многих других учёных, ядро росло постепенно и продолжает разрастаться в настоящее время. На это указывает непрекращающаяся магматическая и тектоническая активность планеты. Считая, что мантия состоит из «пиролита» А. Рингвуда, содержащего 6.58 % ядерного вещества (железа), и что в ядре сосредоточено только 32.18 % всего вещества планеты, О. Г. Сорохтин рассчитал масштабы процесса гравитационной дифференциации первичного вещества. По его данным такая дифференциация осуществлялась только на 86.3 %, а оставшегося источника такой энергии хватит, как минимум, ещё на 1.5 млрд. лет.

По-разному решается и вопрос о глубинах, на которых происходит отделение ядерного вещества. По мнению М. Ботта (1974), плавление железо-никелевой фазы и её обособление началось первоначально на глубинах порядка 400 км и на более глубокие горизонты распространилось значительно позднее. О. Г. Сорохтин (1971 г.) доказывает, что отделение ядерного вещества от мантийного может происходить только на поверхности ядра и, следовательно, со временем в связи с ростом диаметра ядра постепенно отдаляется от центра Земли, оставаясь в то же время тесно привязанным к контакту ядра и мантии.

Понятно, существуют разные точки зрения и на механизм дифференциации и его связи с тектоникой литосферы. Мы обрисуем эти вопросы, базируясь в основном на представлениях Е. В. Артюшкова, А. С. Монина, О. Г. Сорохтина, А. В. Пейве и А. А. Савельева.

На контакте с жидким ядром, благодаря тому что в ядре существует автономный возобновляющийся источник тепла, железоникелевая и окисножелезная фаза мантии плавится и стекает в ядро. В подошве мантии образуется тонкий слой вязкого ультраосновного силикатного дифференциата, очищенного от железа и потому менее плотного, чем вышележащая железосодержащая мантия. Положение менее плотного материала под более плотным механически всегда крайне неустойчиво. Поэтому лёгкий дифференциат не может долго оставаться в зоне дифференциации. Он стремится прорваться вверх сквозь более плотные мантийные массы и, какой бы прочностью ни обладала мантия, в конце концов, собравшись в больших объёмах, прорывает её. Дифференциат не может проникнуть на земную поверхность. Его плотность подобна плотности верхней мантии, которая состоит из такого же дифференциата, прорвавшегося вверх несколько раньше. Поэтому, прорвавшись сквозь вязкую нижнюю мантию и слой Голицына, дифференциат вливается, как в бассейн, в пространство верхней мантии, разливается вдоль этого пространства и, постепенно удаляясь от места прорыва, теряет скорость движения, смешивается с веществом верхней мантии и полностью растворяется в нем.

Перекачивание лёгкого дифференциата вверх приводит к убыли материала в зоне дифференциации. Понятно, пустота здесь не возникает. Компенсируя убыль, мантия в целом оседает вниз. Это оседание и есть не что иное, как нисходящая ветвь плотностной конвекции, противостоящая восходящему потоку дифференциата (рис. 90). Нисходящее движение равномерно охватывает всю мантию и, следовательно, имеет бесконечно большое поперечное сечение, бесконечно малую скорость и ничтожную амплитуду. По сравнению с ним восходящее перемещение дифференциата, сосредоточенное в достаточно ограниченных каналах, имеет значительную скорость и неизмеримо большую амплитуду. Конвекционная система вследствие такой резко разной выраженности нисходящего и восходящего течений кажется односторонней, разомкнутой, лучевой. Поэтому перекачивание лёгкого материала из зоны дифференциации в верхнюю мантию можно назвать «проникающей» конвекцией, хотя строгого соответствия термину в данном случае нет. Термин «проникающая» конвекция предложен Дж. Элдером (Elder, 1965) для полностью безвозвратных перемещений жидких масс, какими, например, являются перемещения базальтовых магм из недр верхней мантии на её поверхность или ювенильной воды из литосферы в гидросферу.



Проникающие конвекции несут в верхнюю мантию огромные количества глубинного тепла и вещества. Это переводит верхнюю мантию в местах прорыва глубинного дифференциата из спокойного состояния в возбуждённое. В ней формируются мощные горизонтальные внутриастеносферные течения, направленные от мест прорыва в стороны, происходит аномально высокий разогрев материала и резко активизируются процессы магмообразования. Последнее обусловливается тем, что перегретый ультраосновной материал глубинного дифференциата, попадая в условия низкого всестороннего давления, частично (5–15% от своего объёма) превращается в базальтовую магму. Возбуждение верхней мантии передаётся литосфере. В ней над местами прорыва дифференциата возникают мощные напряжения горизонтального растяжения, происходят раскол и раздвижение плит, проявляется рифтогенез, тафрогенез, базальтовый вулканизм. Одновременно с этим возникают крупноамплитудные положительные термо-тектонические движения, обусловленные разогревом и разуплотнением мантии. Над областями рассеивания дифференциата, где его движение замедляется и прекращается, в литосфере возникают поля горизонтального сжатия, происходит столкновение литосферных плит, движущихся от мест прорыва дифференциата, образуются гигантские глубинные шарьяжи, поддвиги и другие деформации, свойственные конвергентным границам плит.

Характер тектонических процессов прямо связан с формой каналов, по которым перемещается дифференциат. Если эти каналы имеют в плане линейно вытянутую форму (региональные «трещины» или цепочки сближенных округлых «туннелей»), то над ними в литосфере рождаются гигантские раздвиги. Они, понятно, не будут точной копией или проекцией сквозьмантийных каналов. Здесь же, естественно, активно проявляются и процессы океанообразования. Если каналы имеют форму одиночных вертикальных туннелей, то над ними формируются мантийные «плюмажи» У. Дж. Моргана (Morgan, 1972), «прожигающие» литосферу и создающие на поверхности Земли вулканические шлаковые швы с разным возрастом вулканического материала на разных их отрезках. При этом горловины «туннелей» проецируются на поверхность в виде «горячих точек» Дж. Т. Вильсона (Wilson, 1965). «Плюмажи» и «горячие точки» образуются также над теми туннелями, которые размещаются под срединноокеаническими хребтами. Наконец, если дифференциат прорывается через мантию в виде гигантского бескорневого каплевидного тела — астенолита, то над местом его прорыва наблюдаются или быстротечная вспышка платобазальтового вулканизма, когда астенолит присоединяется снизу к очень толстой, древней, как на Сибирской платформе, холодной литосфере, или такое же быстротечное проявление дейтероорогенеза, тафрогенеза и сопутствующего им базитового вулканизма. Последнее происходит, когда астенолит, видимо, попадает непосредственно под земную кору.

Возбуждение верхней мантии и активизация тектонических процессов в литосфере имеют циклический или прерывистый, пульсирующий характер. Это связано с изменениями проницаемости нижней мантии. Нижняя мантия — чрезвычайно прочная оболочка. Чтобы иметь возможность прорвать такую преграду, дифференциат должен сосредоточиться под каналами прорыва — узлами конвекционных ячей — в огромных количествах. Периоду накопления дифференциата соответствует эпоха относительного тектонического покоя литосферы. После того как прорыв состоится, проницаемость нижней мантии неограниченно возрастает. Происходит массовое перекачивание дифференциата в верхнюю мантию, вследствие чего тектонические процессы в литосфере резко активизируются. Периоду прорыва дифференциата отвечает эпоха тектонической революции (перестройки, диасхизиса). Продолжительность этой эпохи конечна. Так как проницаемость мантии становится очень высокой, то лёгкий материал из зоны дифференциации быстро выкачивается. С истощением зоны дифференциации сквозьмантийные каналы закрываются, заплывают. Цикл накопление дифференциата — прорыв дифференциата этим заканчивается. Следовательно, заканчивается и тектонический цикл, чтобы затем смениться новым, очередным тектоническим циклом.

Определить продолжительность циклов, опираясь на скорость процессов дифференциации и прочность мантии, сейчас невозможно. Для этого пока нет никаких конкретных данных. В то же время имеется возможность решения обратной задачи. Основываясь на эмпирически установленной геологами длительности тектонических циклов, можно попытаться рассчитать как процесс гравитационной дифференциации, так и физические свойства нижней мантии. Правда, в последние годы по радиологическим и изотопным данным Ю. Д. Пушкарёв (Кольский филиал АН СССР) предпринял попытку рассчитать периодичность поступлений мантийного дифференциата. Им получены интервалы в 600–1000 млн. лет. Однако насколько они реальны, покажет будущее.