Общие закономерности тектонической активности Земли
Под тектонической активностью Земли будем понимать интенсивность протекания всей совокупности геологических процессов, приводящих к деформациям её литосферной оболочки (включая земную кору) и проявлениям любых форм магматизма в пределах этой оболочки. После появления теории тектоники литосферных плит стало ясно, что наглядной оценкой средней тектонической активности Земли может служить некая мера движения ансамбля литосферных плит, например скорость их относительного перемещения. Однако наиболее общей, удобной и физически обоснованной оценкой тектонической активности Земли, по-видимому, следует все же считать её энергетическую меру, определяемую в конечном итоге идущим из мантии глубинным тепловым потоком Qm . Действительно, любые перемещения земных масс и магматические преобразования вещества, приводящие к тектонической активности нашей планеты, в конечном итоге преобразуются в тепло и теряются Землёй с её тепловым излучением. Именно поэтому такой глубинный тепловой поток Qm и может являться естественной мерой тектонической активности Земли.
Основная часть идущего из мантии глубинного тепла теряется через океанические плиты. В настоящее время эта доля составляет 92%, а в прошлые геологические эпохи она была ещё более высокой. Следовательно, можно считать, что после возникновения эндогенной тектонической активности Земли параметр Qm прежде всего и всегда характеризовал собой режимы формирования и разрушения океанических литосферных плит. Но тепловой поток через океанское дно пропорционален корню квадратному из произведения средней скорости движения океанических плит на их площадь Soc (Сорохтин, Ушаков, 1991). Тогда средняя скорость движения океанических плит оказывается пропорциональной отношению v1 ~ Qm/(Soc)1,5 (площадь океанических плит будет определена ниже). Считая, что современная средняя скорость движения океанических плит равна 5 см/год, и учитывая, что площадь океанических плит в архее постепенно увеличивалась вместе с расширением низкоширотного тектонически активного пояса Земли, можно оценить и среднюю скорость движения этих плит в прошлые геологические эпохи (рис. 71).
Как видно из этого графика, первый существенный всплеск тектонической активности Земли произошёл в раннем архее, когда начал действовать механизм зонной дифференциации железа. Средняя скорость взаимного перемещения океанических плит тогда достигала 100-300 см/год, т.е. в 20-60 раз превышала современные скорости их движения. При этом столь высокие скорости движения плит во многом определялись тем, что в раннем архее их площадь ещё была незначительной и поэтому плотность теплового потока через них была, наоборот, значительной.
В середине архея, около 3,2-3,1 млрд лет назад, наблюдалось некоторое ослабление тектонической активности Земли с образованием более стабильных океанических плит. В это время скорость движения литосферных плит снижалась приблизительно до 20-25 см/год. Уменьшение тектонической активности в середине архея объясняется тем, что в это время фронт зонной дифференциации земного вещества подошёл к тем глубинам (около 800-1000 км), на которых существенно возросла разность между температурой плавления металлического железа и геотермой Земли. В результате начиная с этого времени (приблизительно с 3,4 млрд лет назад) значительная часть гравитационной энергии, освобождавшейся при сепарации расплавов железа от силикатов, стала расходоваться не только на возбуждение конвективных движений в верхней мантии (т.е. не только на тектоническую активность Земли), но и на прогрев нижележащей и ещё сравнительно холодной первозданной сердцевины молодой Земли.
В позднем архее, во время формирования земного ядра, наблюдался новый и наиболее резкий всплеск тектонической активности Земли. Скорость движения океанических плит тогда превышала 350 см/год и в пике достигала почти 400 см/год, т.е. более чем в 70 раз превышала скорость движения современных плит! Резкий всплеск тектонической активности Земли в позднем архее был связан с двумя причинами: во-первых, с переходом процесса дифференциации земного вещества от сепарации металлического железа (в раннем архее) на дифференциацию более обильных эвтектических сплавов Fe×FeO; во-вторых, с катастрофическим процессом выделения земного ядра около 2,9-2,6 млрд лет назад, сопровождавшимся высвобождением колоссальной дополнительной энергии около 5×1037 эрг. Суммарное воздействие этих процессов вызвало колоссальный всплеск тектонической активности Земли, который оставил в её геологической летописи неизгладимый след радикальной переработки почти всей образовавшейся к тому времени континентальной коры.
Начиная с раннего протерозоя скорость движения литосферных плит последовательно снижалась с 50 см/год до её современного значения около 5 см/год. Снижение средней скорости движения плит будет происходить и далее, вплоть до того момента, когда благодаря увеличению мощности океанических плит и их трению друг о друга оно вообще не прекратится. Но произойдёт это, по-видимому, только через 1-1,5 млрд лет.
Первое и, вероятно, главное следствие, вытекающее из рассмотренной здесь теории глобальной эволюции Земли это чёткое деление тектонического развития Земли на четыре крупных и принципиально различных этапа: 1) пассивный катархейский; 2) исключительно активный архейский; 3) умеренно активный (спокойный) протерозойско-фанерозойский и 4) будущий этап тектонической смерти Земли.
Древнейший из этих этапов (догеологический или катархейский) продолжался около 600 млн лет, т.е. от момента образования Земли 4,6 млрд. лет назад до начала её тектонической активности в раннем архее приблизительно 4,0 млрд лет назад. В это время тектономагматические проявления эндогенного происхождения полностью отсутствовали, поскольку Земля была ещё сравнительно холодным космическим телом и все вещество в её недрах находилось при температурах существенно более низких, чем температура начала его плавления. Тем не менее Земля в эпоху катархея не была тектонически мёртвой планетой. Во-первых, её недра тогда постепенно разогревались за счёт энергии распада радиоактивных элементов и приливного взаимодействия с Луной, подготавливая тем самым условия для перехода Земли к тектонически активным этапам развития. Во-вторых, в катархее (особенно в раннем катархее) существенную роль играла экзогенная тектоника приливного происхождения. В общем же этот этап можно было бы назвать криптотектоническим или скрытнотектоническим.
Первые явные и интенсивные проявления эндогенной тектономагматической активности Земли достоверно отмечаются только в начале архея, около 3,8 млрд лет назад (Мурбат, 1980; Тейлор, Мак-Леннан, 1988). При этом начало тектонической активности Земли было подготовлено радиогенным и приливным прогревом земного вещества до уровня появления в её верхней мантии первичной астеносферы. Последовавшая за этим резкая и даже «ударная» активизация тектономагматической деятельности на Земле происходила вначале за счёт «накачивания» в образовавшуюся астеносферу приливной энергии лунно-земных взаимодействий, а затем благодаря выделению гравитационной энергии дифференциации земного вещества.
Быстрое расширение астеносферы с перегревом и почти полным расплавлением её вещества привело в архее к столь же резкому уменьшению мощности перекрывавшей её литосферы. Но плотность богатой железом и его окислами ( Fe ~ 13% и FeO~ 23%) первичной литосферы (ρ0 ~ 3,9 г/см3) тогда существенно превышала плотность вещества уже прошедшего к этому времени дифференциацию молодой астеносферы (ρa ~ 3,3-3,4 г/см3). Поэтому вся первичная литосфера в архее должна была погрузиться в расплавленную верхнюю мантию и там полностью переплавиться, стерев таким путём из геологической летописи Земли практически все прямые следы катархейского этапа её развития.
Описывая специфику тектонических процессов в архее, важно подчеркнуть, что «накачка» приливной энергии в астеносферу происходила в основном в экваториальном поясе Земли. Поэтому и первые зародыши континентальных массивов общим числом около 40 в начале раннего архея могли возникать лишь в приэкваториальных областях. Однако после начала действия нового и очень мощного энергетического источника — освобождения гравитационной энергии по механизму зонной дифференциации земного вещества пояс тектонической активности Земли постепенно стал расширяться, захватывая собой и более высокие широты, а число континентальных щитов, наоборот, стало сокращаться и одновременно увеличиваться по массе. К концу же архея, около 2,6 млрд лет назад, тектоническими движениями оказалась охваченной уже вся Земля в целом, а все возникшие в архее материки объединились в единый суперконтинент — Моногею.
Определение глубинного теплового потока Qm (см. рис. 56) позволяет рассчитать и другие важные характеристики тектонической активности Земли. Одной из таких характеристик является средняя продолжительность жизни океанических плит т, пропорциональная квадрату отношения площади океанических плит к пронизывающему их тепловому потоку τ1 ~ Soc/Qm (рис. 6.16, кривая 1). Другой характеристикой является средняя мощность H1 океанических плит при достижении ими предельного возраста τ1, пропорциональная отношению суммарной площади океанических плит к тому же самому тепловому потоку H1 ~ Soc/Qm (кривая 4 на рис. 72). Если принять, что современная средняя продолжительность жизни океанических плит приблизительно равна τ1 ~ 120 млн лет и Hoc1 ~ 7,3×τ1 ~ 80 км, то оказывается, что в раннем архее толщина таких плит в пике активности около 3,6 млрд лет назад снижалась до 6,2 км, а время их жизни — до 700 тыс. лет! В середине архея около 3,3 млрд лет назад предельная толщина океанических плит поднялась до 27 км, а их продолжительность жизни — почти до 14 млн лет.
В позднем архее, около 2,9 млрд лет назад, значение H1 вновь снизилось приблизительно до 8 км, а время жизни океанических плит — до 1,2 млн лет. В первом приближении средний объём базальтовых излияний на океаническом дне пропорционален пронизывающему его тепловому потоку, поэтому аналогичным путём можно определить и мощность базальтового слоя океанической коры Hb ~ Qm. Принимая теперь мощность этого слоя в современной океанической коре приблизительно равной 2 км (без учёта слоя габбро), найдём, что в раннем архее толщина базальтового слоя могла бы достигать 9 км, а в позднем архее — превышать 32 км (рис. 72, кривая 5).
Однако в те далёкие времена толщина базальтового слоя лимитировалась не объёмами базальтовых излияний, а глубиной начала плавления мантийного вещества, т.е. мощностями литосферных плит, которые в раннем и позднем архее соответственно равнялись 6,2 и 8 км. Отсюда видно, что тогда тонкие базальтовые пластины со средней плотностью около 2,8-2,9 г/см3 залегали непосредственно на расплавленной мантии плотностью не ниже 3,3-3,2 г/см3. В начале архея и в его середине около 3,2 млрд лет назад мощность литосферных плит превышала толщину базальтового слоя. В протерозое мощность базальтового слоя (без учёта слоя габбро) океанической коры постепенно снижалась с 6,5 до 2 км (рис. 72, кривая 5).
Основная часть идущего из мантии глубинного тепла теряется через океанические плиты. В настоящее время эта доля составляет 92%, а в прошлые геологические эпохи она была ещё более высокой. Следовательно, можно считать, что после возникновения эндогенной тектонической активности Земли параметр Qm прежде всего и всегда характеризовал собой режимы формирования и разрушения океанических литосферных плит. Но тепловой поток через океанское дно пропорционален корню квадратному из произведения средней скорости движения океанических плит на их площадь Soc (Сорохтин, Ушаков, 1991). Тогда средняя скорость движения океанических плит оказывается пропорциональной отношению v1 ~ Qm/(Soc)1,5 (площадь океанических плит будет определена ниже). Считая, что современная средняя скорость движения океанических плит равна 5 см/год, и учитывая, что площадь океанических плит в архее постепенно увеличивалась вместе с расширением низкоширотного тектонически активного пояса Земли, можно оценить и среднюю скорость движения этих плит в прошлые геологические эпохи (рис. 71).
Рисунок 71. Эволюция средней скорости движения океанических литосферных плит
Как видно из этого графика, первый существенный всплеск тектонической активности Земли произошёл в раннем архее, когда начал действовать механизм зонной дифференциации железа. Средняя скорость взаимного перемещения океанических плит тогда достигала 100-300 см/год, т.е. в 20-60 раз превышала современные скорости их движения. При этом столь высокие скорости движения плит во многом определялись тем, что в раннем архее их площадь ещё была незначительной и поэтому плотность теплового потока через них была, наоборот, значительной.
В середине архея, около 3,2-3,1 млрд лет назад, наблюдалось некоторое ослабление тектонической активности Земли с образованием более стабильных океанических плит. В это время скорость движения литосферных плит снижалась приблизительно до 20-25 см/год. Уменьшение тектонической активности в середине архея объясняется тем, что в это время фронт зонной дифференциации земного вещества подошёл к тем глубинам (около 800-1000 км), на которых существенно возросла разность между температурой плавления металлического железа и геотермой Земли. В результате начиная с этого времени (приблизительно с 3,4 млрд лет назад) значительная часть гравитационной энергии, освобождавшейся при сепарации расплавов железа от силикатов, стала расходоваться не только на возбуждение конвективных движений в верхней мантии (т.е. не только на тектоническую активность Земли), но и на прогрев нижележащей и ещё сравнительно холодной первозданной сердцевины молодой Земли.
В позднем архее, во время формирования земного ядра, наблюдался новый и наиболее резкий всплеск тектонической активности Земли. Скорость движения океанических плит тогда превышала 350 см/год и в пике достигала почти 400 см/год, т.е. более чем в 70 раз превышала скорость движения современных плит! Резкий всплеск тектонической активности Земли в позднем архее был связан с двумя причинами: во-первых, с переходом процесса дифференциации земного вещества от сепарации металлического железа (в раннем архее) на дифференциацию более обильных эвтектических сплавов Fe×FeO; во-вторых, с катастрофическим процессом выделения земного ядра около 2,9-2,6 млрд лет назад, сопровождавшимся высвобождением колоссальной дополнительной энергии около 5×1037 эрг. Суммарное воздействие этих процессов вызвало колоссальный всплеск тектонической активности Земли, который оставил в её геологической летописи неизгладимый след радикальной переработки почти всей образовавшейся к тому времени континентальной коры.
Начиная с раннего протерозоя скорость движения литосферных плит последовательно снижалась с 50 см/год до её современного значения около 5 см/год. Снижение средней скорости движения плит будет происходить и далее, вплоть до того момента, когда благодаря увеличению мощности океанических плит и их трению друг о друга оно вообще не прекратится. Но произойдёт это, по-видимому, только через 1-1,5 млрд лет.
Первое и, вероятно, главное следствие, вытекающее из рассмотренной здесь теории глобальной эволюции Земли это чёткое деление тектонического развития Земли на четыре крупных и принципиально различных этапа: 1) пассивный катархейский; 2) исключительно активный архейский; 3) умеренно активный (спокойный) протерозойско-фанерозойский и 4) будущий этап тектонической смерти Земли.
Древнейший из этих этапов (догеологический или катархейский) продолжался около 600 млн лет, т.е. от момента образования Земли 4,6 млрд. лет назад до начала её тектонической активности в раннем архее приблизительно 4,0 млрд лет назад. В это время тектономагматические проявления эндогенного происхождения полностью отсутствовали, поскольку Земля была ещё сравнительно холодным космическим телом и все вещество в её недрах находилось при температурах существенно более низких, чем температура начала его плавления. Тем не менее Земля в эпоху катархея не была тектонически мёртвой планетой. Во-первых, её недра тогда постепенно разогревались за счёт энергии распада радиоактивных элементов и приливного взаимодействия с Луной, подготавливая тем самым условия для перехода Земли к тектонически активным этапам развития. Во-вторых, в катархее (особенно в раннем катархее) существенную роль играла экзогенная тектоника приливного происхождения. В общем же этот этап можно было бы назвать криптотектоническим или скрытнотектоническим.
Первые явные и интенсивные проявления эндогенной тектономагматической активности Земли достоверно отмечаются только в начале архея, около 3,8 млрд лет назад (Мурбат, 1980; Тейлор, Мак-Леннан, 1988). При этом начало тектонической активности Земли было подготовлено радиогенным и приливным прогревом земного вещества до уровня появления в её верхней мантии первичной астеносферы. Последовавшая за этим резкая и даже «ударная» активизация тектономагматической деятельности на Земле происходила вначале за счёт «накачивания» в образовавшуюся астеносферу приливной энергии лунно-земных взаимодействий, а затем благодаря выделению гравитационной энергии дифференциации земного вещества.
Быстрое расширение астеносферы с перегревом и почти полным расплавлением её вещества привело в архее к столь же резкому уменьшению мощности перекрывавшей её литосферы. Но плотность богатой железом и его окислами ( Fe ~ 13% и FeO~ 23%) первичной литосферы (ρ0 ~ 3,9 г/см3) тогда существенно превышала плотность вещества уже прошедшего к этому времени дифференциацию молодой астеносферы (ρa ~ 3,3-3,4 г/см3). Поэтому вся первичная литосфера в архее должна была погрузиться в расплавленную верхнюю мантию и там полностью переплавиться, стерев таким путём из геологической летописи Земли практически все прямые следы катархейского этапа её развития.
Описывая специфику тектонических процессов в архее, важно подчеркнуть, что «накачка» приливной энергии в астеносферу происходила в основном в экваториальном поясе Земли. Поэтому и первые зародыши континентальных массивов общим числом около 40 в начале раннего архея могли возникать лишь в приэкваториальных областях. Однако после начала действия нового и очень мощного энергетического источника — освобождения гравитационной энергии по механизму зонной дифференциации земного вещества пояс тектонической активности Земли постепенно стал расширяться, захватывая собой и более высокие широты, а число континентальных щитов, наоборот, стало сокращаться и одновременно увеличиваться по массе. К концу же архея, около 2,6 млрд лет назад, тектоническими движениями оказалась охваченной уже вся Земля в целом, а все возникшие в архее материки объединились в единый суперконтинент — Моногею.
Определение глубинного теплового потока Qm (см. рис. 56) позволяет рассчитать и другие важные характеристики тектонической активности Земли. Одной из таких характеристик является средняя продолжительность жизни океанических плит т, пропорциональная квадрату отношения площади океанических плит к пронизывающему их тепловому потоку τ1 ~ Soc/Qm (рис. 6.16, кривая 1). Другой характеристикой является средняя мощность H1 океанических плит при достижении ими предельного возраста τ1, пропорциональная отношению суммарной площади океанических плит к тому же самому тепловому потоку H1 ~ Soc/Qm (кривая 4 на рис. 72). Если принять, что современная средняя продолжительность жизни океанических плит приблизительно равна τ1 ~ 120 млн лет и Hoc1 ~ 7,3×τ1 ~ 80 км, то оказывается, что в раннем архее толщина таких плит в пике активности около 3,6 млрд лет назад снижалась до 6,2 км, а время их жизни — до 700 тыс. лет! В середине архея около 3,3 млрд лет назад предельная толщина океанических плит поднялась до 27 км, а их продолжительность жизни — почти до 14 млн лет.
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.
Рисунок 72. Эволюция строения океанических литосферных плит и среднее время их нахождения на поверхности Земли:
1 — среднее время жизни плит; 2 — мощность океанической коры; 3 — критическая толщина литосферных плит, определяющая возможность погружения в мантию более мощных плит; 4 — мощность океанических плит в конце их среднего времени жизни; 5 — мощность базальтового слоя.
В позднем архее, около 2,9 млрд лет назад, значение H1 вновь снизилось приблизительно до 8 км, а время жизни океанических плит — до 1,2 млн лет. В первом приближении средний объём базальтовых излияний на океаническом дне пропорционален пронизывающему его тепловому потоку, поэтому аналогичным путём можно определить и мощность базальтового слоя океанической коры Hb ~ Qm. Принимая теперь мощность этого слоя в современной океанической коре приблизительно равной 2 км (без учёта слоя габбро), найдём, что в раннем архее толщина базальтового слоя могла бы достигать 9 км, а в позднем архее — превышать 32 км (рис. 72, кривая 5).
Однако в те далёкие времена толщина базальтового слоя лимитировалась не объёмами базальтовых излияний, а глубиной начала плавления мантийного вещества, т.е. мощностями литосферных плит, которые в раннем и позднем архее соответственно равнялись 6,2 и 8 км. Отсюда видно, что тогда тонкие базальтовые пластины со средней плотностью около 2,8-2,9 г/см3 залегали непосредственно на расплавленной мантии плотностью не ниже 3,3-3,2 г/см3. В начале архея и в его середине около 3,2 млрд лет назад мощность литосферных плит превышала толщину базальтового слоя. В протерозое мощность базальтового слоя (без учёта слоя габбро) океанической коры постепенно снижалась с 6,5 до 2 км (рис. 72, кривая 5).