Тектоническая активность Земли
Тектономагматическая активность Земли, как известно, связана с движениями земных масс и плавлением земного вещества. Проявляется эта активность в магматических внедрениях глубинного вещества в земную кору (например, в океанических рифтовых зонах Земли), в деформациях земной коры (например, в горных поясах Земли), во вторичном переплавлении коровых пород (например, в зонах поддвига плит или при образовании гранитных плутонов), при землетрясениях и во многих других случаях движения земного вещества. Однако в конце концов все эти перемещения земных масс приводят к преобразованию кинетической энергии движения вещества в тепло, которое с течением времени рассеивается в окружающем пространстве и теряется с тепловым излучением Земли. Поэтому естественным мерилом тектономагматической активности Земли является поступающий из мантии глубинный тепловой поток Qm (рис. 56, кривая 2). Обобщая весь круг таких явлений, мы для краткости будем говорить просто «тектоническая активность Земли» имея в виду, при этом все тектономагматические проявления на Земле. Поскольку после образования нашей планеты перемещения земных масс и их плавление впервые начались только в архее, понятие тектонической активности Земли мы распространим только на время её развития после катархея, т.е. после 4,0 млрд лет назад. Катархей (т.е. интервал времени от 4,6 до 4,0 млрд лет назад) следует относить к криптотектонической эре. Зависимость тектонической активности Земли от времени, удовлетворяющая принятому выше определению, приведена на рис. 56.
Кривая 1 на рис. 56 характеризует тектоническую активность в среднем по всей Земле в целом. Но, как мы старались показать выше, в архее скорее всего тектоническая активность проявлялась только в широтном кольцевом поясе Земли, размеры которого со временем постепенно увеличивались. Однако только в конце архея, во время образования земного ядра, тектоническая активность охватила всю Землю. Для восстановления «локальной» тектонической активности, характеризующей интенсивность тектономагматических процессов в архейском широтном кольцевом поясе дифференциации, надо в суммарное распределение теплопотерь Земли внести поправку, учитывающую ширину этого пояса. Считая, что ширина пояса зонной дифференциации земного вещества в архее определялась выделяемой в нем энергией, а к концу архея этот пояс охватил всю Землю, такую поправку оказывается возможным рассчитать. Определённая таким путём «локальная» тектоническая активности Земли в архее изображена на рис. 56 кривой 2. Как видно из приведённого графика, тектоническая активность Земли в широтном кольцевом поясе раннего архея была весьма интенсивной и около 3,7-3,5 млрд лет назад превышала современную активность нашей планеты приблизительно в 7-8 раз. В середине архея такая активность оказалась существенно сниженной, приблизительно до современного уровня. Однако в позднем архее наблюдался новый и наиболее интенсивный всплеск тектонической активности, по амплитуде превышающий современный уровень почти в 17 раз. Объясняется это переходом зонной дифференциации земного вещества к сепарации не только металлического железа, но и его окиси, а также начавшимся около 3 млрд лет назад процессом формирования земного ядра. Оба всплеска тектонической активности Земли в архее коррелируются с изменениями поверхностной температуры верхней мантии во время эпизодов её перегрева в архее (см. рис. 31).
В протерозое и фанерозое генерация гравитационной энергии происходила в значительно более спокойном режиме по механизму бародиффузионной дифференциации мантийного вещества. Поэтому и тектоническая активность Земли стала более спокойной, хотя нельзя забывать, что приведённые на рис. 5.16 кривые характеризуют её осреднённые значения, с масштабом осреднения порядка продолжительности тектонических циклов (т.е. порядка сотен миллионов лет). Реальная зависимость тектонической активности Земли от времени может быть более сложной, хотя амплитуда наложенных на осреднённую кривую колебаний тектонических циклов в относительном масштабе, по-видимому, не очень велика. В связи с постепенным истощением запасов «ядерного» вещества в мантии тектоническая активность протерозоя и фанерозоя также постепенно затухает. Продолжится эта тенденция и в будущем.
Введём по аналогии с эволюционным параметром Земли х тектонической параметр Земли
где Q4.0 ~ 1,03×1037 эрг — теплопотери Земли к началу её тектонической активности около 4 млрд лет назад; Qm0 ~ 13,42×1037 эрг — суммарные теплопотери мантии Земли к настоящему времени. В этом случае тектоническая активность Земли будет характеризоваться производной по времени от этого параметра, равной
откуда современное значение параметра z0 = 1 и производной z& = 1 (для сравнения напомним, что х0 = 0,865 и x& = 0,668×10-10 лет-1).
Эндогенными источниками энергии возбуждается и магнитное поле Земли. Мощность этого поля сравнительно невелика и, по разным оценкам, заключена в пределах от 2×1016 до 1019 эрг/с (Паркинсон, 1986). В настоящее время можно считать почти очевидным, что генерация геомагнитного поля связана с конвективными процессами, развивающимися в жидком и электропроводящем веществе внешнего (жидкого) ядра Земли. Ясно также, что магнитное поле Земли связано и с вращением Земли. Однако конкретный механизм генерации этого поля пока ещё остаётся неясным.
Основная сложность с разработкой теории геомагнитного поля связана с тем, что в земном ядре отсутствуют заметные источники энергии, способные возбуждать это поле. Действительно, ни в окисно-железном внешнем, ни в железном внутреннем ядре не должны содержаться радиоактивные элементы, поскольку все они чисто литофильные и мигрируют из мантии только в земную кору. Об этом же свидетельствует и геохимия железоникелевых метеоритов, представляющих собой скорее всего осколки разрушенных когда-то протопланет лунного размера. Действительно, в таких метеоритах всегда отсутствуют даже следы радиоактивных элементов, хотя продукты их распада, например, изотопы свинца иногда встречаются в заметных концентрациях.
С точки зрения рассматриваемой здесь теории глобальной эволюции Земли наиболее вероятными источниками энергии геомагнитного поля могут быть два процесса. Первый из них — это возможно продолжающееся остывание земного ядра после этапа его перегрева, связанного с формированием ядра в конце архея, тогда за сравнительно короткое время в глубинных недрах Земли выделилось около 5,52×1037 эрг кинетической энергии. Оценка скорости остывания ядра показывает, что сейчас таким путём может выделяться около 1,8×1018 эрг/с тепловой энергии, что соответствует отмеченным выше возможным значениям энергии геомагнитного поля.
Второй и более реальный механизм генерации геомагнитного поля может быть связан с возникновением на поверхности земного ядра струйных течений дезинтегрированного (распавшегося на отдельные гранулы и кристаллы) мантийного вещества. Течения эти замыкают собой конвективные движения мантии в единые замкнутые структуры и всегда направлены от подошвы нисходящих потоков в мантии к центрам восходящих мантийных потоков (см. рис. 35). Мощность этого процесса определяется амплитудой перепада рельефа подошвы нижней мантии (см. рис. 12), разностью плотностей ядерного и мантийного вещества, скоростью распада мантийного вещества и ускорением силы тяжести на поверхности ядра. Учитывая это, величина кинетической энергии, выделяемой на поверхности земного ядра в настоящее время, оказывается равной 9,3×1019 эрг/с.
Приведённая оценка показывает, что гравитационная энергия, выделяемая на поверхности земного ядра, приблизительно в 50 раз превышает возможную энергию остывания ядра и намного выше энергии магнитного поля. Следовательно, процесс гравитационной дифференциации земного вещества — мощнейший источник эндогенной энергии на Земле, одновременно может питать собой и магнитное поле Земли. Этим, в частности, можно объяснить изменения частоты инверсий геомагнитного поля в прошлые геологические периоды, характеризовавшиеся различной тектонической активностью нашей планеты.
Рисунок 56. Тектоническая активность Земли, определяемая глубинным тепловым потоком Qm:
1 — в среднем для Земли в целом; 2 — тектоническая активность архея в широтном кольцевом поясе над зоной дифференциации земного вещества; стрелкой отмечен момент выделения земного ядра.
Кривая 1 на рис. 56 характеризует тектоническую активность в среднем по всей Земле в целом. Но, как мы старались показать выше, в архее скорее всего тектоническая активность проявлялась только в широтном кольцевом поясе Земли, размеры которого со временем постепенно увеличивались. Однако только в конце архея, во время образования земного ядра, тектоническая активность охватила всю Землю. Для восстановления «локальной» тектонической активности, характеризующей интенсивность тектономагматических процессов в архейском широтном кольцевом поясе дифференциации, надо в суммарное распределение теплопотерь Земли внести поправку, учитывающую ширину этого пояса. Считая, что ширина пояса зонной дифференциации земного вещества в архее определялась выделяемой в нем энергией, а к концу архея этот пояс охватил всю Землю, такую поправку оказывается возможным рассчитать. Определённая таким путём «локальная» тектоническая активности Земли в архее изображена на рис. 56 кривой 2. Как видно из приведённого графика, тектоническая активность Земли в широтном кольцевом поясе раннего архея была весьма интенсивной и около 3,7-3,5 млрд лет назад превышала современную активность нашей планеты приблизительно в 7-8 раз. В середине архея такая активность оказалась существенно сниженной, приблизительно до современного уровня. Однако в позднем архее наблюдался новый и наиболее интенсивный всплеск тектонической активности, по амплитуде превышающий современный уровень почти в 17 раз. Объясняется это переходом зонной дифференциации земного вещества к сепарации не только металлического железа, но и его окиси, а также начавшимся около 3 млрд лет назад процессом формирования земного ядра. Оба всплеска тектонической активности Земли в архее коррелируются с изменениями поверхностной температуры верхней мантии во время эпизодов её перегрева в архее (см. рис. 31).
Рисунок 31. Эволюция приведённой к поверхности температуры верхней мантии Tm в архее (Н. Сорохтин, 2001):
Ts — температура солидуса базальтов; T0 — приведённая к поверхности современная температура верхней мантии; TFe — температура плавления железа в нормальных условиях; I и II — эпохи выплавления перегретых коматиитовых лав по (Коваленко и др., 1987).
В протерозое и фанерозое генерация гравитационной энергии происходила в значительно более спокойном режиме по механизму бародиффузионной дифференциации мантийного вещества. Поэтому и тектоническая активность Земли стала более спокойной, хотя нельзя забывать, что приведённые на рис. 5.16 кривые характеризуют её осреднённые значения, с масштабом осреднения порядка продолжительности тектонических циклов (т.е. порядка сотен миллионов лет). Реальная зависимость тектонической активности Земли от времени может быть более сложной, хотя амплитуда наложенных на осреднённую кривую колебаний тектонических циклов в относительном масштабе, по-видимому, не очень велика. В связи с постепенным истощением запасов «ядерного» вещества в мантии тектоническая активность протерозоя и фанерозоя также постепенно затухает. Продолжится эта тенденция и в будущем.
Введём по аналогии с эволюционным параметром Земли х тектонической параметр Земли
Формула 19. Тектонический параметр Земли
где Q4.0 ~ 1,03×1037 эрг — теплопотери Земли к началу её тектонической активности около 4 млрд лет назад; Qm0 ~ 13,42×1037 эрг — суммарные теплопотери мантии Земли к настоящему времени. В этом случае тектоническая активность Земли будет характеризоваться производной по времени от этого параметра, равной
Формула 20. Тектоническая активность Земли
откуда современное значение параметра z0 = 1 и производной z& = 1 (для сравнения напомним, что х0 = 0,865 и x& = 0,668×10-10 лет-1).
Эндогенными источниками энергии возбуждается и магнитное поле Земли. Мощность этого поля сравнительно невелика и, по разным оценкам, заключена в пределах от 2×1016 до 1019 эрг/с (Паркинсон, 1986). В настоящее время можно считать почти очевидным, что генерация геомагнитного поля связана с конвективными процессами, развивающимися в жидком и электропроводящем веществе внешнего (жидкого) ядра Земли. Ясно также, что магнитное поле Земли связано и с вращением Земли. Однако конкретный механизм генерации этого поля пока ещё остаётся неясным.
Основная сложность с разработкой теории геомагнитного поля связана с тем, что в земном ядре отсутствуют заметные источники энергии, способные возбуждать это поле. Действительно, ни в окисно-железном внешнем, ни в железном внутреннем ядре не должны содержаться радиоактивные элементы, поскольку все они чисто литофильные и мигрируют из мантии только в земную кору. Об этом же свидетельствует и геохимия железоникелевых метеоритов, представляющих собой скорее всего осколки разрушенных когда-то протопланет лунного размера. Действительно, в таких метеоритах всегда отсутствуют даже следы радиоактивных элементов, хотя продукты их распада, например, изотопы свинца иногда встречаются в заметных концентрациях.
С точки зрения рассматриваемой здесь теории глобальной эволюции Земли наиболее вероятными источниками энергии геомагнитного поля могут быть два процесса. Первый из них — это возможно продолжающееся остывание земного ядра после этапа его перегрева, связанного с формированием ядра в конце архея, тогда за сравнительно короткое время в глубинных недрах Земли выделилось около 5,52×1037 эрг кинетической энергии. Оценка скорости остывания ядра показывает, что сейчас таким путём может выделяться около 1,8×1018 эрг/с тепловой энергии, что соответствует отмеченным выше возможным значениям энергии геомагнитного поля.
Второй и более реальный механизм генерации геомагнитного поля может быть связан с возникновением на поверхности земного ядра струйных течений дезинтегрированного (распавшегося на отдельные гранулы и кристаллы) мантийного вещества. Течения эти замыкают собой конвективные движения мантии в единые замкнутые структуры и всегда направлены от подошвы нисходящих потоков в мантии к центрам восходящих мантийных потоков (см. рис. 35). Мощность этого процесса определяется амплитудой перепада рельефа подошвы нижней мантии (см. рис. 12), разностью плотностей ядерного и мантийного вещества, скоростью распада мантийного вещества и ускорением силы тяжести на поверхности ядра. Учитывая это, величина кинетической энергии, выделяемой на поверхности земного ядра в настоящее время, оказывается равной 9,3×1019 эрг/с.
Рисунок 35. Схема конвективных течений вблизи границы мантия-ядро и формирование восходящих потоков в мантии (Сорохтин, 1979)
Рисунок 12. Рельеф земного ядра по данным сейсмической томографии Земли
изолинии проведены через 2 км, по Morelli, Dziewonski, 1987
Приведённая оценка показывает, что гравитационная энергия, выделяемая на поверхности земного ядра, приблизительно в 50 раз превышает возможную энергию остывания ядра и намного выше энергии магнитного поля. Следовательно, процесс гравитационной дифференциации земного вещества — мощнейший источник эндогенной энергии на Земле, одновременно может питать собой и магнитное поле Земли. Этим, в частности, можно объяснить изменения частоты инверсий геомагнитного поля в прошлые геологические периоды, характеризовавшиеся различной тектонической активностью нашей планеты.