Строение Земли

Земля - третья планета, считая от Солнца, представляет собой по форме геоид - несколько сплюснутый со стороны полюсов шар с радиусом 6400 км; средняя плотность ее — 5,5 г/см3. Увеличение давления и температуры в породах по мере углубления в толщу Земли породило много гипотез о состоянии вещества на различных уровнях Земли. Так, в настоящее время принимается, что плотность Земли в ее центре достигает 11 г/см3. Однако представления о непрерывном нарастании температуры в глубину Земли при допущении слишком больших значений, вытекающих из существующего термического градиента для верхней части земной коры, приводят к тому, что Земля оказалась бы недостаточно устойчивой и превратилась бы в газ. Поэтому существующие теории допускают для ядра Земли температуры в 2000—4000° С.

Рис. 3.1. Распределение скоростей продольных (р) и поперечных (s) волн сейсмического происхождения в Земле (по Б. Гуттенбергу, Тугаринов, 1979)

Наиболее эффективными оказались сейсмические методы изучения глубин Земли — измерение скорости прохождения продольных (р) и поперечных (s) сейсмических волн в Земле. На основании этих данных было установлено оболочечное строение Земли: земная кора (мощностью от 60 до 5 км), мантия (до 2900 км) и ядро радиусом 3500 км (рис. 3.1.).

Существование у Земли мощного магнитного поля послужило основанием для предположения о металлическом составе ее ядр и соответственно о значительной удельной плотности его вещества.

Рис. 3.2. Разрез Земли с выделением шести зон (Тугаринов, 1973)

В. М. Гольдшмидт впервые высказал идею о составе и внутреннем строении Земли, взяв за основу металлургический процесс, он предложил считать земное ядро железо-никелевым, мантию — в виде сульфидной оболочки - аналога штейна[3], а земную кору — в виде силикатной коры или шлака. Эта гипотеза, несмотря на ряд удачно разрешенных вопросов, в частности о соотношении удельных плотностей Земли (5,5 г/см3) и коры (3 г/см3), а также о составе ядра Земли вызвала возражения (против огромного избытка серы и металлов в мантии). Ни одна интрузия основного состава, сопровождаемая сульфидной минерализацией явно глубинного происхождения, не привела доказательств такого избытка серы в мантии. Более того, состав метеоритов, явившихся прообразом вещества, из которого формировалась планета, не отвечал этому специфическому составу мантии, охватывавей подавляющий объем земного шара.

Тем не менее, факт существования оболочек в земном шаре мог быть принят, и оставался лишь вопрос о составе и состоянии вещества в каждой из них. Ниже рассматрим разрез Земли на основе сейсмических данных (рис. 3.2).

Зона А составляет земную кору (сиаль). От нижележащей мантии она отделяется так называемой поверхностью Мохоровичича (или Мохо), глубже которой скорость прохождения сейсмических волн резко возрастает.

Различают земную кору континентального и океанического типов. Мощность земной коры континентального типа достигает 60 км и увеличивается в районах крупных горных сооружений (Гималаи). В подобных регионах поверхность Мохо как бы опускается глубоко в мантию. Наоборот, под океанами происходит поднятие поверхности Мохо, так как толщина коры океанического типа не превышает 5 км, а местами, в областях рифтовых долин, она полностью исчезает, и мантия соприкасается с океанической водой (рис. 3.3).

Согласно В. В. Белоусову, в коре континентального типа выделяется три слоя: верхний (осадочных пород)-3 км, затем гранитный (гранито-гнейсов) - около 20 км и наконец базальтовый, достигающий в среднем такой же мощности, разделяемый в свою очередь на гранулито-базальтовый (верхний) и гранулито-эклогитовый[4] (нижний). Второй и третий слои (гранитный и базальтовый) разделены так называемой поверхностью Конрада.

Если в гранитах и базальтах скорость распространения сейсмических волн составляет 5-6 км/сек, то в мантии непосредственно под земной

корой она достигает 8,1 км/сек.

Рис. 3.3. Схема строения земной коры (Тугаринов, 1973)

Существуют различные мнения о характере перехода вещества земной коры в мантию. Так, например, В. В. Белоусов и А. П. Виноградов считают, что мантия имеет существенно иной химический состав, отвечающий перидотитовой магме, в то время как некоторые американские исследователи, например Дж. Кеннеди, защищают чисто фазовый переход на поверхности Мохо. Так, Дж. Кеннеди предполагает, что с изменением температуры изменяется минеральный состав пород при сохранении его исходного химического состава, т. е. с глубиной при одновременном росте давления происходит превращение базальта в эклогит. В породе появляются минеральные новообразования — омфацит, пироп-альмандин и др, отличающиеся более плотной упаковкой, что приводит к увеличению плотности породы.

Зона В (см. рис. 3.2) простирается от поверхности Мохо на 400 км в глубь Земли и сопровождается несколько более детальной картиной изменения скоростей прохождения сейсмических волн и соответствующего изменения плотности пород от 0 до 400 км глубины (по В. В. Белоусову). Обращает на себя внимание явное уменьшение плотности, а также скорости прохождения волн на глубине около 200 км.

 

Рис. 3.4. Диаграмма перехода базальт – эклогит (по Г. Иодеру и К. Тили)

Согласно представлениям А. Е. Рингвуда, этот эффект связан
с существованием так называемого волновода — слоя варьирующей
мощности, простирающегося от 100 до 200 км под материками и от 50 до 400 км под океанами.

На этих глубинах температура достигает критических значений (около 1200° С), при которых может плавиться базальт (см. рис. 3.4), по мнению большинства исследователей, именно выплавление базальта из пиролита (пироксен + оливин — предполагаемый состав гипотетической породы мантии) приводит к массовому равномерно рассеянному частичному плавлению этой исходной породы, слагающей зону В, вызывающему столь резкое изменение физических свойств субстрата. Предполагается, что пиролит способен генерировать (выплавить) до 25% базальта, подымающегося затем в виде астенолитов кверху.

Зона С (см. рис. 3.2) охватывает почти 600-километровую толщу Земли (до 400 до 1000 км глубины). Она носит название переходной, или слоя Голицына. На протяжении этой зоны происходит заметная перестройка состава мантии: заметно возрастает плотность пород, скорость прохождения волн увеличивается до максимальных значений. В средних частях этой зоны зарождаются глубокофокусные землетрясения (700 км).

Предполагается, что в этой области происходят коренные изменения пород, появляются новые минералы с плотнейшей упаковкой. Так, например, А. Е. Рингвуд считает, что в пределах слоя Голицына происходит следующее изменение состава:

2Mg Si03 → Mg2 Si04 + Si02 (стишовит),

Mg2 Si04 → Mg2 Si04 (шпинелевидная структура оливина),

Mg2Si04 + Si02 →2Mg Si03 (ильменитовая структура пироксена).

Стишовит является сверхплотной (4,35 г/см3) разновидностью кремнезема, кристаллизующейся в структуре рутила, полученной при давлении 145 000 атм и 1400° С. Шпинелевидная структура оливина и ильменитовая структура пироксена также являются индикаторами специфических условий кристаллизации минералов при высоких давлениях.

Зона D (см. рис. 3.2) является последней зоной мантии. Она простирается до глубины 2900 км. Для этой зоны характерно медленное нарастание всестороннего давления. Однако существенного изменения минерального состава в толще этой зоны, по-видимому, не происходит. С этим связано не-
значительное увеличение скорости прохождения волн и плотности
вещества.

В зоне Е, простирающейся на глубину от 2900 до 4980 км, резко
изменяется состав и состояние вещества по сравнению с зоной D.
Резко сокращается скорость прохождения продольных волн, фактически полностью прекращается прохождение поперечных волн. Объяснение этому явлению может быть лишь одно: эта периферическая зона ядра Земли сложена вязким веществом.

Зона F в отличие от предыдущей характеризуется небольшим увеличением плотности вещества и скорости прохождения продольных волн. Однако максимальной величины скорость прохождения волн (как в зоне D) уже не достигает.

Существуют различные мнения о строении вещества в ядре Земли. Так, например, предполагают, что плотность и другие его свойства определяются строением атомов (наличием или отсутствием сильно сжатых электронных оболочек). Существует мнение о металлизованном характере вещества в ядре Земли и т. д. Однако вероятнее всего предположение о железо-никелевом составе ядра Земли.

А. П. Виноградов (1972 г.) обратил внимание на постоянное присутствие в составе железных метеоритов 12 рассеянных элементов, встречавшихся повсеместно, хотя известно около 70 элементов, способных давать сплавы с железом. Расчеты А. П. Виноградова показали, что те химические элементы, для которых парциальное давление кислорода в обратимом равновесии металла с его окисью при температуре плавления железа (1803° К) ниже, чем в системе Fe — FeO, окисляются до окисей в этих условиях и поэтому не могут растворяться (в форме окисей) в Fe — Ni расплаве, тогда как химические элементы, которые окисляются при более высоком давлении кислорода, остаются металлами и всегда присутствуют в метеоритном железе (Ga, Sn, Ge, Ni, Sb, Co, Cu, Pt и др.).

Поскольку предполагают, что состав железных метеоритов отражает состав ядер некогда разрушившихся планет, вывод А. П. Виноградова о выплавлении ядра Земли при сравнительно ничтожной концентрации кислорода (Ро2<. 10-9 атм) представляется весьма вероятным (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Парциальное давление кислорода в обратимом равновесии металлов
с их окислами при температуре плавления железа (по А. П. Виноградову)

Система Po2, атм Система Po2 , атм
Nb—Nb02 6,3-10-31 Fe—FeO 4,0-10-9
U—UO2 1,2-10-24 Ga—Ga203 n-10-9
Al— А1203 5,0-10-22 Sn—Sn02 7,0-10-7
Ti-Ti02 7,9-10-19 Ge—GeO, 2,0-10-7
Мn—МnО 4.0.10-15 Ni—NiO 2,0-10-5
Cr-Cr203 1,0-10-13 Sb—Sb203 1,3-10-5
Zn—ZnO 3,2-10-12 Co—CoO 6,3-10-4
W—WO2 l.0-10-11 Cu—Cu20 2,0-10-4
Mo—MoO2 7,4- 10-9 Pt, Pd, Ir, Au >1.10-3

 

3.2. Происхождение земных оболочек

В последние три десятилетия прошлого века астрофизики и космохимики поддерживают гипотезу о формировании Земли из холодного протооблака путем агломерации частиц и последующего частичного расплавления, сопровождавшегося дифференциацией вещества Земли.

Впервые подобные взгляды высказал в 40-х годах О. Ю. Шмидт. Он, в частности, одним из первых рассчитал возраст Земли, исходя из числа метеоритов, ежегодно поступающих на Землю, приняв во внимание те вероятные сроки, которые были бы необходимы для образования планеты, равной Земле. Полученная цифра (7,6 млрд. лет) лишь в полтора раза превысила ныне установленный возраст Земли. Для расчета была использована формула:

где А — константа; t — возраст Земли; ∆ — масса метеоритного вещества, падающего на Землю за год; mt — масса современной Земли.

Таким образом, гипотеза о холодном протовеществе Земли получила частичное подтверждение.

Ключевым вопросом, определяющим направленность эволюции протопланетного вещества Земли, является вопрос о природе ее оболочечного строения. При этом необходимо в первую очередь решить, являются ли оболочки производными физико-химических процессов, возникающих в недрах однородно-конденсированного холодного пылегазового материала, или же основы зонального строения были заключены при первичном формировании планеты?

В первом случае при однородной консолидации, вследствие равномерного распределения по всему объему планеты радиоактивных элементов (урана, тория, калия, а также некоторых недолговечных изотопов с меньшим периодом полураспада), неизбежно произошел бы равномерный разогрев всей планеты. С учетом низкой теплопроводности силикатных пород охлаждение недр путем нормальной диссипации тепла происходило бы крайне медленно, главным образом за счет охлаждения самых верхних слоев. Если же учесть, что генерация тепла осуществлялась не только за счет энергии сжатия протовещества вращающейся планеты и энергии, возникшей при этом дифференциации, в результате сильного приливного воздействия близкой Луны, а также начавшихся процессов физико-химических реакций, то общий баланс тепла был бы существенно положителен (табл. 3.2). Отсюда неизбежен значительный разогрев планеты с переходом протовещества в пластичное состояние, лишенное отмеченных выше особенностей оболочечной дифференциации и, в частности, твердой нижней мантии.

Таблица 3.2

Баланс тепла на Земле (по Орлёнку, 1980)

Источник тепла Q
кал эрг
Радиоактивный разогрев (только долгоживущие изотопы)   1,4 – 4,5×1030   0,6 – 1,2×1038
Гравитационная дифференциация 6-20×1031 1,5 – 5×1038
Сжатие Земли 3×1031 1,2×1039
Физико-химические реакции 4×1030 1,7×1037
Приливное трение 0,9×1030 0,36×1038
Всего 9×1031 3,4×1039

Во-вторых, потребовался бы длительный, порядка миллиарда лет, интервал времени для разогрева недр до температур, необходимых для осуществления физико-химических реакций и механизма дифференциации протовещества на геосферы (Любимова, 1968). Это, в свою очередь, противоречит данным о возрасте древнейшей земной и лунной коры равном 4,5-4,7 млрд. лет (Ботт, 1974) и указывает на ее образование сразу же после формирования планетных тел.

В-третьих, нет никаких оснований полагать, что формирование Земли происходило из однородного газопылевого облака. Вполне вероятно наличие первичного ядра конденсации в виде конгломерата крупных астероидов, имевших к тому же большую, чем окружающие частицы, плотность. Приведенные соображения свидетельствуют в пользу принятия второй гипотезы, а именно – прообраз современного оболочечного строения Земли в основных чертах был заложен в самом первоначальном механизме формирования планеты. Согласно В. Руднику и Э. Соботовичу (1973), впервые предложившим зональную гипотезу аккреции протовещества, «центром» конденсации Земли служили крупные реликтовые фрагменты типа железных (а, возможно, каменных и даже ледяных) астероидов, практически не содержащих радиоактивности. По мере расходования крупных реликтовых тел уменьшался вызываемый ими общий термальный эффект на поверхности растущей Земли и над возникшем расплавом (пластичное ядро) образовалась термоизоляционная покрышка (нижняя мантия). Таким образом были сформированы протогеосферы Земли – твердое внутреннее ядро и твердая холодная мантия, между которыми, как в термосе, сохранился расплав.

Существуют и другие модели. В модели В. Рудника и Э. Соботовича природу слоя Гутенберга, характеризующегося, пониженной вязкостью, можно объяснить как зону вторичного разогрева и аккумуляции радиогенного тепла, вследствие концентрации здесь основной массы радиоактивных, в том числе короткоживущих изотопов 10Ве, 26Аl, 36Cl, 227Np и др. с периодом полураспада 106 – 108 лет (Войткевич, 1973). Следовательно, эти изотопы в первые же десятки миллионов лет после образования планетного тела способствовали быстрому разогреву и первоначальному поддержанию тепла в областях внешнего ядра и зарождающейся астеносферы. Изотопы 238U, 232Th и 40K, имеющие период полураспада соответственно 4, 5; 13,9 и 1,3×109 лет, основное тепло дали в первый миллиард лет после образования планеты; в последующем их вклад должен был уменьшаться.

На основании детального изучения данного вопроса В.В. Орленок (1980) (http://tululu.ru/sam/doc/23143/) к важному выводу, а именно – астеносфера есть зона накопления глубинного тепла Земли. Последующая разгрузка его осуществляется посредством тепломассопереноса сквозь твердую литосферу. При этом диссипация тепла – тепловое дыхание планеты – осуществляется двумя способами – посредством нормальной теплопроводности со средней скоростью 1,2 кал/см2×с и через глубинные разломы и вулканические аппараты.

3.3. Строение океанической коры

Мощность океанической коры меньше, чем континентальной. Об этом говорит возрастающее ускорение силы тяжести над океанами, позволяющее судить о сравнительно высоком положении поверхности Мохо и соответственно о малой мощности сиалической оболочки (5-6 км).

Исследования, проведенные на судне экспедиции «Гломар Челленджер» (1969 г.), оборудованном установкой для разбуривания дна океана на больших глубинах, показали, что на дне Атлантического и Тихого океанов нет осадков древнее верхней юры. Из 30 скважин, пройденных с целью пересечения осадочного чехла, покрывающего базальтовое основание дна, четыре скважины достигли базальта. В остальных случаях они пересекли осадки мелового возраста, лишь в одном достигнув титонского яруса. Ни в одной из скважин не было выявлено более древних отложений.

При геофизическом исследовании дна океана были установлены так называемые зебровые структуры — параллельно вытянутые магнитные аномалии, следующие в субмеридиональном направлении. Эти серии аномалий повторяли все изгибы, характерные для главной рифтовой долины[5], подобно швам, рассекавшим Тихий, Атлантический и Индийский океаны и соединенных на юге опоясывающей Антарктиду зоной (рис. 3.5).

При детальном исследовании магнитные аномалии этой зебровой структуры оказались структурными швами, залеченными базальтовыми излияниями, строго повторяющими контуры береговых линий континентов.

Рис. 3.5. Главные тектонические структуры Земли (по А.С. Монину)

1-докембрийские платформы, 2-щиты, 3-древние ядра платформ, 4-первичные дуги, 5-срединно-океанические хребты, 6-рифтовые долины (зоны растяжения), 7-поперечные разломы, 8-глубоководные желоба.

Абсолютный возраст этих базальтов симметрично возрастал по мере удаления от центральной рифтовой долины в стороны и достигал 120 млн. лет. Более древние породы не найдены. Возраст пород в районе самой рифтовой долины оказался близким к современному -5 млн. лет.

В настоящее время рифтовые зоны Индийского и Атлантического океанов изучены достаточно хорошо. Большой вклад сделали советские ученые во время экспедиции на судне «И. В. Курчатов», проследив подобные структуры в Индийском океане на протяжении почти 1000 км. Сплошное драгирование рифтовых долин на дне океана, имеющих глубину по сравнению с уровнем дна 3-4 км при такой же ширине и огромном протяжении по простиранию, дало ценные результаты. Большая часть материала, поднятого с глубин, оказалась породами ультраосновного и основного состава — гарцбургитами[6], лерцолитами [7]либо базальтами. Отдельные обломки отличались высоким содержанием шпинели, хромитов.

При исследовании таких зон в Атлантике (1969 г.) установлено
развитие среди них подводного вулканизма, сопровождавшегося значительным обогащением придонных вод и окружающих пород фтором, медью, свинцом и другими элементами (до 0,1 %). Стало очевидным, что океаническое дно представляет собой не только особый, в значительной степени утонченный тип земной коры, но что, кроме этого, эта кора местами раскрывается, обнажая таящиеся под ней породы явно мантийного происхождения. И, что самое главное, началось это раскрытие сравнительно недавно -120 млн. лет назад, в мезозое.

В 20-х годах прошлого столетия большой популярностью пользова-
лась концепция А. Вегенера, рассматривавшего континенты как сиалические айсберги, плавающие на поверхности мафических пород мантии.

Доказательства, приведенные Вегенером, легко убедили его современников. Довольно точное совпадение контуров Южной Америки и Африки, прослеживание мезозойских пород с американского континента на африканский и далее в Индию и Австралию, казалось служили бесспорным доказательством того, что материки эти составляли в недавнем прошлом единое целое.

Однако этой гипотезе, вошедшей в геологические науки под названием «мобилизм», не удалось просуществовать достаточно долго.
Другая школа — «фиксистов» — приводила не менее веские доказательства того, что, например, очаги современных вулканических поясов лежат на больших глубинах, за пределами земной коры, что глубокофокусные землетрясения, сопровождающиеся извержениями вулканов, зарождаются на глубинах 600—700 км, и, следовательно, так просто континенты «переместить» не удастся.

Тем не менее идее движения континентов суждено было вновь появиться на свет под названием гипотезы «неомобилистов».

Со временем были получены данные, подтверждающие движение
континентов, например, было доказано, что Калифорнийский полуостров перемещается со скоростью 1 мм/год в западном направлении от североамериканского континента, что Северная Америка отходит от Европы со скоростью 1 см/год; было установлено разрастание Красного моря и т. д. По данным Э. Булларда, скорость разрастания Тихого океана достигает 16 см/год, т. е. весь бассейн Тихого океана должен был бы возникнуть за 100 млн. лет.

Исследования, в частности геохронологические, атлантического побережья Южной Америки и Африки показали поразительное сходство структур этих континентов, а многие из них служили продолжением друг друга. Оказалось, что если повернуть Южную Америку на 15° против часовой стрелки, то очертания ее шельфа достаточно точно совпадут с границей шельфа Африки.

Простое перечисление структур Южной Америки и Африки поз-
воляет говорить об их былом единстве и внезапном разрыве, происшедшем сравнительно недавно (по-видимому, в мезозое). Так, Гвианский щит, датируемый 300 млн. лет, имеет продолжение в Африке в виде Гвинейского щита. Карирский ороген, датируемый 600 млн. лет, охватывающий восточный выступ Южной Америки, является синхронной структурой панрифейской геосинклинали Африки, к которой относится Нигерия и Северный Камерун. При этом в ядре этой геосинклинали развиваются два относительно юных разлома: Нигерийский — меридионального простирания и Фамбел (Камерун) — северо-восточного простирания, с которыми связаны молодые граниты (160 млн. лет). Точно такие же структуры в виде двух зон — Пернамбуко и Патос — известны в Карирском орогене.
И с учетом поворота Южной Америки на 15° они действительно вытягиваются в один гигантский разлом Пернамбуко — Фамбел.

Не менее интересны другие случаи совпадения структур древних массивов-Сан-Франциско в Южной Америке и Габона и Конго в Африке, обоюдно прерываемых на юге мощным развитием молодого магматизма около 600 млн. лет назад в районе Рио-де-Жанейро и Анголы. Общий характер магматизма подтверждается и тем, что вдоль зон субширотного простирания по обеим сторонам Атлантического океана развиты карбонатитовые месторождения. И так, подобие континентов установлено. В чем причина разрыва единого некогда материка?

Этой проблеме было посвящено специальное совещание «Дрейф континентов», состоявшееся в Монтевидео в 1967 г. В частности, интересные данные были приведены палеомагнитологами, измерявшими по намагниченности образцов пород положение магнитного полюса в эпоху образования этих пород. По их данным, в показаниях подобного индикатора имели место существенные «противоречия». Все результаты измерений, проведенных в Южной Америке, свидетельствуют о миграции Южного магнитного полюса от экваториальной зоны Атлантического океана к югу по оси океана к современному положению полюса. В то же время, по данным исследований Африканского континента, подобная миграция Южного магнитного полюса должна была происходить параллельно с американ-
ским вариантом от экватора через центральную часть Африки на юг. В меловой период положения полюса вблизи берегов Антарктиды совпадали как по американским, так и по африканским данным.

Нетрудно догадаться, что для примирения обеих точек зрения
достаточно было «сдвинуть» оба континента.

Итак, мы выяснили, что современный океан имеет сравнительно
«юный» возраст — около 120 млн. лет, что до самого последнего времени в его фундаменте происходили крупные деформации, указывающие на тенденцию к его расширению, сопровождавшиеся расколами и внедрением магматических пород мантии.

Эта тенденция характерна для развития любого океана земного
шара, как об этом свидетельствуют приведенные выше факты. Следовательно, говорить о миграции материков бессмысленно. Материк структурно прикован к определенным участкам планеты, поэтому неподвижен.

В связи с подробным изучением океанического дна и полученными геофизическими данными некоторые зарубежные исследователи (Э. Буллард, Г. Менард и др.) выступили с гипотезой о пяти[8] жестких плитах мощностью около 100 км, захватывающих, следовательно, часть мантии и сложенных оливином, пироксеном, гранатом и другими минералами. Эти плиты, по мнению авторов гипотезы, могут нести на себе участки земной коры и способны погружаться под надвигающуюся на них другую плиту (рис. 3.6.).

Рис. 3.6. Схема столкновения континентов.

Этим, например, объясняется строение западного берега Южной Америки, где под перемещающийся в западном направлении континент происходит «подныривание» океанической плиты Тихого океана, опускающейся под углом 45° в астеносферу. С этим же связано перемещение Индийской плиты на север и смятие континентальной толщи Гималаев.

Столкновение континентальных плит приводит к смятию коры и образованию горных цепей. Примером коллизии является Альпийско-Гималайский горный пояс, образовавшийся в результате закрытия океана Тетис и столкновения с Евразийской плитой Индостана и Африки. В результате мощность коры значительно увеличивается, под Гималаями она составляет 70 км. Это неустойчивая структура, она интенсивно разрушается поверхностной и тектонической эрозией. В коре с резко увеличенной мощностью идёт выплавка гранитов из метаморфизованных осадочных и магматических пород. Так образовались крупнейшие батолиты, напр., Ангаро-Витимский и Зерендинский.

Изложенная точка зрения, не менее фантастичная, чем предыдущая, однако не устраняет главного противоречия о происходящем разрастании океанов и увеличении за счет этого земной поверхности.Очевидно, всe это ведет к выводу о неизменно прогрессирующем во времени увеличении объема земного шара, росте земного радиуса.

Рассматривая строение земных оболочек, мы обращали внимание на то, что вещество земной мантии, не говоря уже о ядре Земли, находится в состоянии интенсивного сжатия, отражающегося на минеральном составе вещества.

Во всех случаях внедрения этого вещества в верхние слои земной коры, в особенности при его взаимодействии с гидросферой и атмосферой, т. е. после окончания процессов гипергенеза, результат бывает один — интенсивное разбухание новообразований, уменьшение их плотности.

Если при этом учесть мнение некоторых ученых об особом метал-
лизованном строении вещества ядра, то станет очевидным процесс медленного, но исключительно ориентированного направленного расширения Земли за счет пополнения ее коры глубинным материалом и его перерождения, уменьшения плотности. При допущении такого геохимического механизма роста объема земного шара за счет понижения плотности части его первичного субстрата многие затруднения в проблеме перемещения различных блоков земной поверхности были бы сняты.

Е. А. Любимова отмечает также вероятность теплового расширения недр Земли под воздействием миграции радиоактивных калия и U285, допуская увеличение земного радиуса на 100 км в первые миллиарды летжизни Земли (что соответствует 600 км ее окружности). Современная скорость изменения радиуса Земли составляет 3,5 см за 1000 лет.

В росте объема земного шара, увеличении его поверхности, ве-
роятно, заключается причина растущей его асимметрии — возник-
новения огромных чаш океанов, до того занимавших значительную
часть континентов.

3.4. Энергетические ресурсы Земли

В 1903 г, П. Кюри и Л. Лаборд обнаружили непрерывное, происходящее вместе с радиоактивным распадом атома, тепловое лучеиспускание, пропорциональное числу распадающихся атомов и времени распада. В том же году Д. Джоли на основании этого открытия показал, что радиогенного тепла, генерируемого радиоактивными элементами, вполне достаточно для образования магм, объяснения вулканической и тектонической деятельности Земли.

Все это подорвало гипотезу о постепенном охлаждении Земли в связи с истощением запасов ее энергии, создаваемых гипотетическим певично расплавленным жидким состоянием вещества в ее глубинных зонах.

В 1906 г. Р. Стретт (Рэлей), исходя из интенсивности теплоизлучения, генерируемого радиоактивными изотопами, рассчитал, что в зависимости от глубины происходит уменьшение количества радиоактивных элементов в Земле, так как любое допущение об их распространенности во всей планете, идентичной распространенности в породах земной коры, привело бы к генерации гигантских количеств тепла и испарению земного вещества. Таким образом, резкое уменьшение концентрации радиоактивных элементов в породах с глубиной было предсказано задолго до получения фактических аналитических данных, полностью подтвердивших эту идею.

Количество тепла, генерируемого каждым радиоактивным элементом в настоящий момент (имеются в виду главные теплоизлучатели), приведено в табл. 3.3.

Таблица 3.3.
Количество тепла, генерируемого радиоактивными элементами в год
(по Е. А. Любимовой, 1961 г.)

Элемент Q, кал/(г-год)
U235+U238 0,73
Th232 0,20
K40 27.10-6

Объективным свидетельством существования радиогенного источника тепла в Земле является давно известный факт повышения температур недр Земли по мере увеличения глубины. Величина этого эффекта измеряется числом градусов возрастающей температуры на каждые 100 м глубины (геотермический градиент) либо определяется обратной величиной, так называемой геотермической ступенью — интервалом глубины в метрах, на котором температура увеличивается на 10. Она колеблется от 5 до 150 м/град, составляя в среднем 33 м/град.

В древних щитах геотермическая ступень особенно высока (гео-
термический градиент мал) по сравнению с молодыми тектоническими
областями, особенно теми, где вулканические явления продолжаются до сих пор. Так, например, в центральных частях Украинского щита она равна 60 м/град, в то время как в Донбассе — 30 м/град, а на Центральном Кавказе — 20 м/град и даже достигает 10 м/град. В районах современного вулканизма она составляет уже 6,6 м/град. Характерно, что эта закономерность выдерживается до значительных глубин. Так, например, в Прасковейской скважине (Прикаспийская впадина) на глубине 3420 м Т = 161° С, а в Калифорнии на глубине 4572 м Т = 130° С.

Тем не менее в связи с тем, что с повышением температуры тепло-
проводность пород увеличивается, в зоне от 40 до 100 км температура значительно возрастает и, согласно расчетам Е. А. Любимовой, изменяется следующим образом:

Глубина, км
Т, °С

Прямым свидетельством генерации тепла в глубинах Земли является тепловой поток, идущий к поверхности, поскольку потеря Землей радиогенного тепла происходит не только за счет вулканических явлений, но и в результате теплоизлучения поверхностью.

Величина теплового потока исчисляется по формуле

где К — коэффициент теплопроводности горных пород, в среднем равный 0,006 кал/(см . сек. град); — геотермический градиент, варьирующий от 1 до 4 град/100 м.

Проведенные исследования показали, что среднее значение теплового потока составляет 1,2 • 10-6 кал/(см2 • сек) или для всей земной поверхности 1,93-1020 кал/год.

Е. А. Любимова проанализировала причины, вызывающие достаточно постоянный тепловой поток [0,95 кал/(см2 • сек)] для всего Кольского полуострова (табл. 3.4). С этой целью ею был составлен разрез по глубинной скважине (5 км) и далее по сейсмическим показателям на глубину в 35 км (поверхность Мохо). На основе данных о содержании урана, тория и калия в верхней части разреза (пройденной скважины), а также предположительных данных для нижней части разреза ею была вычислена доля радиогенного тепла, генерируемого земной корой. Эта доля составила всего 0,2 кал/(см2 • сек),т. е. основная масса теплового потока—0,75 кал/(см2 • сек) — поступала из мантии. Близкие результаты были получены А. Е. Рингвудом для австралийского континента, где на долю мантийного теплового потока пришлось около 50% всего теплового потока Земли [-0,5 кал/(см2 • сек)].

Таблица 3.4

Расчет теплового потока в районе Печенги (Балтийский щит; по Е. А. Любимовой, 1972 г.)

Номер слоя     Мощность слоя, м     Состав     Содержание Q, кал     Доля теп лового потока
U, 10-4 вес. % Th, 10-4 вес. % К, вес. %
I Осадки 3,1 9,2 1,1 3,51 0,063
II Основные породы 0,4 0,5 0,6 0,50 0,018
III Гнейсы 0,3 2,8 2,3 1,25 0,019
Поверхность Конрада (по сейсмическим данным)
IV Гранулиты, габбро, эклогиты 0,4 0,8 0,3 0,46 0,109
Поверхность Мохо (по сейсмическим данным) ВСЕГО: 0,20

Если геотермический градиент варьирует достаточно отчетливо от региона к региону, то величина теплового потока, как правило, однородна, лишь в исключительных случаях она отклоняется на 50% от среднего значения.

Это, вероятно, объясняется тем, что тепловой поток функционально связан как с геотермическим градиентом, так и с удельной теплопроводностью горных пород. В то же время, как пишет Ф. Берч (1955 г.), «... установлено, что вертикальный градиент температуры тесно связан с удельным сопротивлением (величина, обратная теплопроводности) местных пород таким образом, что отношение градиента к сопротивлению колеблется гораздо меньше, чем каждая из этих величин в отдельности». О том, что величина геотермической ступени во многом определяется не столько интенсивностью «близсовременной» вулканической деятельности, сколько «удельным сопротивлением» вмещающих пород, свидетельствует следующий факт, приводимый Б. Л. Чижовым. На Северном Кавказе в районах с выходом кристаллических пород на поверхность величина геотермической ступени составляла 20 м/град. В районе тех же кристаллических
пород, но перекрытых малотеплопроводными глинами Майкопского
горизонта, величина геотермической ступени уменьшалась до 10,5 м/град. Так, в одной из шахт этого района замеры показали, что на горизонте 300 м температура составляла 32° С, 400 м — 40° С, 500 м — 50° С, 600 м — 60° С. Следовательно, майкопские глины играли роль теплоизолятора, способствующего накоплению тепла и прогрева пород, что внесло существенные коррективы в размеры геотермического градиента для данного региона.

Значение этого эффекта было оценено и использовано советским геохимиком А. А. Смысловым для вычисления проблематических глубин зарождения магматических очагов. Он обратил внимание на то, что осадочные толщи выступают в роли мощных изоляционных покрышек, под которыми неизбежно должно было бы задерживаться радиогенное тепло (табл. 3.5). Особенно благоприятные условия должны были бы возникнуть в геосинклинальных районах, характеризующихся накоплением мощных осадочных толщ. Температуры, развивающиеся при этом, должны были вызвать расплавление субстрата и перемещение магм.

Таблица 3.5

Термическая характеристика горных пород

Породы Глубина верхней и нижней границ, м Содержание, % Сред- няя плот- ность, г/см3 Генерируемое тепло, кал/ (см2 . сек) Коэффициент теплопровод- ности, кал/ см. сек-град
Осадочные 0-12 U=2,5.10-4 Th=l ,0-10-3 К=2,0 2,2 3,0-10-13 0,003
Граниты 0—40 U=3,5-10-4 Th=l,4-10-2 K=2,8 2,6 5,1.10-13 0,006—0,009
Базальты 40-70 U=0,9-10-4 Th=0,4-10-3 K = 1,0 2,8 1,5-10-13 0,006—0,009
Перидотиты 70—200 U=1.10-4 Th=0,1.l0-3 K=0,4 3,2 0,3-10-13 0,008—0,010
Нижезалегаю- щие породы 200—800 U=0,02-10-4 Th=0,02.10-3 K=0,1 3,5 0,06-10-13 0,009—0,012

До сих пор мы рассматривали баланс радиогенного тепла, генерируемого в данную эпоху. Однако, если обратиться к отдельным периодам геологической истории Земли, то можно сделать вывод, о значительно большем ежегодном поступлении тепла в связи с тем, что количество радиогенных элементов, непрерывно уменьшающееся в Земле в результате радиогенного распада, было ранее большим.

Так, например, общее радиогенное тепло земли складывается из 4-х компонентов, источниками которых являются четыре основных излучателя:

 

Каждый компонент может быть вычислен по формуле

,

 

Где g-удельное количество тепловой энергии, выделяемое в год данным элементом; t- интервал времени, в течение которого происходило радиоактивное излучение (в данном случае возраст Земли – 4,5 млрд. лет); λ-постоянная радиоактивного распада данного элемента (U238; U235; Th 232, K40).

Подобные расчеты, впервые предложенные В.Г. Хлопиным, выполнены Е.А. Любимовой (рис.3.7). Они однозначно указывают на большую роль радиогенного тепла в раннем докембрии; этим можно объяснить значительную распространенность зон активного тектогенеза, отсутствие в прошлом гигантских стабильных платформ и т. д. и тот серьезный перелом в тектоно-магматической жизни Земли в сторону ее затухания, который начался в нижнем протерозое 2500 млн. лет назад. Этот перелом очень точно совпадает с перегибом кривой суммарного радиогенного тепла, получаемого ежегодно нашей планетой, приблизительно в ту же эпоху.

Рис. 3.7. Кривые выделения радиогенного тепла в течение жизни Земли (по Е.А. Любимовой).

(Q-суммарное тепло; U238; U235; Th 232, K40 тепло, генерируемое отдельными радиоактивными элементами )

Помимо радиогенного источника энергии на Землю поступает 1,36 • 1024 кал/год лучистой энергии Солнца. Несмотря на то, что значительная ее часть отражается от земной поверхности (60%) либо поглощается атмосферой, она является причиной жизни и различных гипергенных процессов и на три порядка превышает пай радиогенного тепла. Значительная, хотя и не поддающаяся строгому учету, доля солнечной энергии расходуется на реакции фотосинтеза, ведущие в конечном итоге к захоронению растительных остатков — своеобразной консервации солнечной энергии. Такого же рода процесс аккумуляции энергии Солнца, по мнению В. И. Лебедева и Н. В. Белова, происходит при выветривании горных пород, латеритизации, каолинизации и т. д.

Согласно В. И. Лебедеву и В. М. Синицыну, эта энергия при погружении пород на глубину 10—12 км при их перекристаллизации, сопровождаемой экзотермическими реакциями, частично возвращается в атмосферу. Согласно этим представлениям, верхняя часть земной коры оказывается областью былых поверхностных явлений («область былых биосфер», по В. И. Вернадскому), и в этом смысле земная кора (сиалическая оболочка) являет собой гигантскую кору выветривания.

Кроме двух перечисленных источников энергии, Земля, вероятно, обладает еще несколькими менее определенными генераторами тепла. К ним относятся, в первую очередь, гравитационная энергия, связанная с конденсацией рассеянного вещества в однородный шар (энергия аккреции[9]). Однако учесть ее невозможно, так как пока не ясно, какая ее часть при этом сохраняется в недрах, а какая составляет потерю тепла через излучение в пространство.

Рис. 3.8. Схема тектонического строения земной коры.

По представлениям Е. Н. Люстиха (1948 г.), в результате перестройки первоначально гомогенной планеты в современную с плотным ядром должно было бы высвободиться около 1,5 • 1038 эрг энергии, соизмеримой с радиогенной. Однако учесть ее в термической истории Земли пока невозможно.

Другим видом энергии является энергия, порождаемая вековым замедлением вращения Земли, так называемый эффект приливного трения, относимый главным образом к начальному периоду жизни Земли, когда Луна находилась ближе к Земле, чем сейчас. К аналогичным источникам тепловой энергии относится также энергия фазовых переходов, например

жадеит→-нефелин+альбит+20кал/г

жадеит+кварц→-альбит+8 кал/г

Все эти виды энергии, отличающиеся различной вероятностью
их существования, не поддаются строгому количественному учету и совершенно по разному действуют на земную кору, изменяя ее тектоническое строение (рис. 3.8). Основным процессом при этом принято считать субдукцию и спрединг земной коры.

Спрединг (от английского spread — растягивать, расширять) — геодинамический процесс растяжения, выражающийся в импульсивном и многократном раздвигании блоков литосферы океанической коры и в заполнении высвобождающегося пространства магмой, генерируемой в мантии, а также твердыми протрузиями мантийных перидотитов.

Когда концепция спрединга морского дна получила признание в конце 60-х, ее последствия для геологии оказались огромными. J. Tuzo Wilson был один из первых, кто распознал, как тектоника плит могла бы быть применена к геологической летописи.

Действительно, если континенты обосабливаются по рифту, чтобы сформировать океанические бассейны, другие океаны будут закрываться. Этот процесс прослеживается по всей земной истории. Например, океан Лапетус, который плескался между Англией и Шотландией в нижнем палеозое, закрылся в период образования каледонидов[10], а позже произошло открытие Атлантики почти в том же самом месте.

Процесс такого образования имеет циклический характер и известен он как Цикл Вильсона:

1) Начинается он с рифтинга континента мантийным диапиром.

2) За этим следует континентальный дрейф, спрединг морского дна и формирование океанических бассейнов.

3) Прогрессивное закрытие океанических бассейнов субдукцией океанической литосферы.

4) Коллизия континентов и окончательное закрытие океанского бассейна.


 

4. ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ АБСОЛЮТНОГО ВОЗРАСТА ПРИРОДНЫХ ОБЪЕКТОВ








Дата добавления: 2015-08-14; просмотров: 965; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию, введите в поисковое поле ключевые слова и изучайте нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам понравился данный ресурс вы можете рассказать о нем друзьям. Сделать это можно через соц. кнопки выше.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2019 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.033 сек.