Проблема источника энергии глубинных геологических процессов

3.2.2. Движущие силы Земли(как работает тепловая машина Земля?)

1. Природа движущих сил плито-тектонических процессов.

2. Механизмы движения плит: мантийные горизонтальные течения, механизм затягивания литосферной плиты в зону субдукции, механизм расталкивания плит в зонах спрединга СОХ (ridge push ). Проверка механизмов.

3. Характер конвекции в мантии. Структура конвекции, материальная составляющая конвекции.

1. Природа движущих сил плито-тектонических процессов?

Первоначально в 60-х гг. – перемещение вызывается тепловой конвекцией мантии Земли.

Конвекция подтверждается существованием плотностных неоднородностей в мантии по данным сейсмич. томографии, выделением тепла вдоль осей СОХов и рифтов. Выделение тепла настолько сильное, что без тепломассопереноса планета должна была бы расплавиться.

2. Механизмы движения плит.

А. Первоначально полагали, что мантийные горизонтальные течения увлекают плиты, как вода движет лёд в реке (О.Г. Сорохтин).

Б. Механизм затягивания литосферной плиты в зону субдукции вследствие её утяжеления с возрастом, вызванного охлаждением и залечиванием пор, перехода базальтов и габбро океанской коры на глубине около 60 км в эклогит – более плотный, чем в-во мантии (С.Уеда и У. Форсайт, 1975).

Этот мех-м получил название «pull suction» - тянуть, тащить и засасывать.

В. Механизм расталкивания плит в зонах спрединга СОХ (ridge push (толкать) в р-те оползания спредингового хребта и внедрения магмы.

Проверка механизмов.

Составлена мировая карта напряженного состояния литосферы (1992). Установлено, что на континентальных частях литосферных плит по обе стороны Атлантики господствуют напряжения сжатия, ориентированные по направлению спрединга, т.е. перпендикулярно оси

СОХ.

Это доказывает механизм расталкивания (ridge push).

То же близ рифтов континентальных.

В зонах, прилегающих к активным коллизионным орогенам (Альпы, Гималаи), напряжения сжатия направлены от осей орогенов к их форландам. Это результат столкновения литосф плит.

На активных конт окраинах (Анды) отмечаются напряжения сжатия, перпендик-е окраинам, связанные с субдукцией.

Лекция 9 - 2012

3. Характер конвекции в мантии?

Данные сейсмотомографии показывают, что распределение восходящих и нисходящих струй конвективных ячей в верхней части мантии (до глубины 200 – 250 км) соответствуют современному плану размещения литосферных плит.

С увеличением глубины оно начинает соответствовать более древнему времени начала распада Пангеи.

Это указывает на определенную консервативность структуры мантийных течений, т.е. существует взаимодействие мантийных течений и плит.

Проблема 1. Какова структура конвекции ещё глубже не ясно. Существуют 2 концепции:

1) традиционная конц-я общемантийной конвекции,

2) 2-х ярусной конвекции.

Факты?

Граница верх и нижней мантией – на гл 650 – 670 км. Здесь может происходить резкое изменение фазового состояния в-ва: пироксены и гранаты замещаются перовскитом (Ca,Mg)SiO₃ и в меньшем кол-ве магнезиовюститом (Fe,Mg)O.

Этот фазовый переход может объяснить лишь 30% увеличения плотности мантии, поэтому требуется допустить изменение химического состава в-ва, а это не совместимо с общемантийной конвекцией. Реальность 2-слойной конвекции подтверждается физическим моделированием в эксперименте Н.А. Добрецова и А.Г. Кирдяшкина (1993).

Математическое моделирование французских исследователей показало, что общемантийная конвекция может переходить в 2-х ярусную, и наоборот, и что период этого обращения может составлять порядка 500 млн л. Цифра соответствуетдлительности суперконтинентальных циклов (мегациклов Вилсона).

Конвекция существует и в жидком ядре. Она обусловливает появление магнитного поля Земли.

Таким образом, наша планета представляет собой многоярусную конвектирующую систему, в к-рой конвекция на одном уровне индуцирует конвекцию на следующем.

Проблема 2. Какова материальная составляющая конвекции?

Она может быть чисто тепловой (теплоперенос) или теплоплотностной (тепломассоперенос).

Скорее всего, конвекция осуществляется путём тепломассопереноса.

Конвекция эта вынужденная, а не самопроизвольная.

Она, по-видимому, обусловлена затягиванием океанских плит в зоны субдукции. Производным от субдукционного процесса подъём расплава вдоль осей спрединга. Он компенсирует субдукцию.

Расширяется или сжимается Земля?

Существуют 4 точки зрения.

1. конец ХIХ – начало ХХ в. Л. Эли де Бомон. Сжатия (контракции) Земли с обр-м орогенных поясов.

2. 1-я половина ХХ в. Грабау и Бухер – пульсационная гипотеза. Объем З то увел-ся, то ум-ся.

3. 30-е гг. ХХ в. О. Хильгенберг, Л.Эдьед, У. Кэри – гипотеза расширяющейся Земли.

4. Гипотеза неизменности объема Земли (постулат тектоники плит).

Сторонники фиксизма, учитывая большую роль рифтогенных структур, встали на позицию расширяющейся Земли – «стыдливый мобилизм».

А.М. Городницкий: «Спрединг без субдукции – всё равно что лозунг батьки Махно: Советская власть без большевиков».

Гипотезы расширяющейся Земли, контракции оказываются несостоятельными с геологической и физической точек зрения.

Существуют прямые и косвенные свидетельства пульсации объема Земли, хотя в значительно меньших масштабах, чем требует пульсационная гипотеза. Величиной первых процентов от земного радиуса. Доказательство: периодическое изменение скорости вращения Земли, изменение эндогенной активности.

Поочередному растяжению может отвечать увеличение скорости спрединга, трансгрессии, рифтообразования, трапповый и щелочно-базальтоидный магматизм,

Сжатию – уменьшение скоростей спрединга, регрессии, складко- и надвигообразования, островодужный и окраинно-континентальный магм-м, гранитообразование, региональный метаморфизм.

Можно предположить, что такое чередование объясняется сменой эпох преобладания спрединга над субдукцией и коллизией вследствие некоторого уменьшения радиуса Земли и эпох преобладания конвергенции (схождения) плит в р-те действия конвективных течений в мантии.

Механизм объяснения предполагаемых пульсаций – фазовые превращения на глубине порядка 400 км в верх мантии , а , возможно, и на других границах (210, 660 км) под влиянием чередования эпох относительного разогрева и охлаждения мантии (Барсуков В.Л., Урусов В.С.). Подобный разогрев может иметь место под континентальной литосферой в эпохи существования суперконтинентов.

На фоне слабой пульсации, видимо, существует нек-рое сжатие исходя из следующих соображений.

1. Земля действительно охлаждается. Будучи первоначально расплавленной она большей частью, за исключением внешнего ядра. Превратилась в твердую.

2. Измерения современных напряжений показывают, что почти на всей поверхности Земли, за исключением узких рифтовых зон , существуют напряжения сжатия.

3. Вековое замедление вращения Земли м.б. объяснено влиянием уменьшения земного радиуса со скоростью 0,42 мм в год.