Источники энергии глубинных геологических процессов

Основные источники энергии и глубинные механизмы тектонических процессов

По этой теме будут рассмотрены коренные вопросы геотектоники и одновременно геодинамики, касаю­щиеся энергетических источников тектогенеза (а также сейсмичности, магматизма и метаморфизма), реологии коры и мантии, литосферы и астеносферы, роли конвекции и адвекции в мантии Земли в движениях и деформациях литосферы. Кратко будут затронуты процессы в коре и, в частности, в ее осадочном слое, обусловленные действием других фак­торов (гравитация, ротация и др.).

Источники энергии глубинных геологических процессов

Тектонические движения и деформации непосредственно обусловле­ны механической, кинетической энергией, но эта энергия представляет собой продукт преобразования тепловой энергии, порождающей явле­ния разуплотнения или уплотнения, растяжения или сжатия вещества верхних твердых оболочек Земли. Отсюда крылатое выражение: «Зем­ля — это тепловая машина». То обстоятельство, что тепло, приводящее в действие эту машину, поступает из глубоких недр, подтверждается воз­растанием температуры с глубиной и непрерывным выделением через поверхность твердой Земли в окружающее пространство теплового по­тока, оцениваемого в современную эпоху в 4,2 х 10¹³ W.

Возникает есте­ственный вопрос: что порождает этот тепловой поток?

До открытия радиоактивности на рубеже Х1Х-ХХ вв. внутреннее тепло Земли считалось остаточным от ее первоначального огненно-жид­кого состояния согласно космогонической гипотезе Канта — Лапласа. Но при этом требовалось допустить, что время остывания Земли, т.е. ее возраст, не превышало 100 млн лет. Открытие явления радиоактивно­сти и содержания естественно-радиоактивных элементов в земной коре опрокинуло эти представления, и с тех пор подавляющее большинство исследователей считают основным источником внутреннего тепла Зем­ли распад радиоактивных элементов, прежде всего урана, тория и калия, содержащихся в коре и мантии. Между тем еще в 1971 г. справедливость этого заключения была поставлена под сомнение О. Г. Сорохтиным, высказавшим мысль, что не радиоактивный распад, а гравитационная дифференциация на границе мантии и ядра является главным источником разогрева Земли. В настоящее время правота этого взгляда находит под­тверждение в том факте, что реальный тепловой поток, оценка величины которого значительно возросла после открытия интенсивного тепло­выделения в осевых зонах срединно-океанских хребтов, т. е. вдоль осей спрединга, намного превышает тепловой поток, генерируемый распадом естественно-радиоактивных элементов.

По подсчетам американского геофизика В. Вакье, радиогенное тепло может обеспечить лишь около одной четверти наблюдаемого теплового потока, а именно 1,14 х 10¹³ из 4,2 х 10¹³ W. Основной запас естественно-радиоактивных элементов (около 90 %) сконцентрирован в верхнем слое континентальной коры, что независимо подтверждается очень низким выделением гелия — другого продукта радиоактивного распада в океа­нах, составляющим всего 5 % того количества, которое должно было бы наблюдаться, если бы тепловой поток был порожден здесь радиоактив­ным распадом. К тому же если основная масса радиоактивных элементов сосредоточена в верхах континентальной коры, выделяемое ими тепло не может играть сколько-нибудь существенной роли в более глубинных тектонических процессах.

Таким образом, радиогенное тепло не является основной компонен­той той тепловой энергии, которая затрачивается на поддержание текто­нической активности Земли. Очевидно, существуют другие, более важ­ные и более глубинные ее источники.

Одним из них служит тепло, приобретенное Землей в период ее ак­креции и частично унаследованное от протопланетного диска уже успев­шего подвергнуться, вопреки прежним представлениям, некоторому разогреву — до 1000-1200 К — в области будущего образования Земли. В процессе самой аккреции, как отмечалось в предыдущей главе, благо­даря соударению планетезималей Земля испытала существенный разо­грев, вероятно, приведший к образованию «магматического океана» на ее поверхности или на небольшой глубине. Однако трудно рассчитать какая доля этого аккреционного тепла сохранилась до современной эпо­хи и, следовательно, какова его роль в энергетическом балансе планеты.

Следующий, более мощный и, очевидно, важнейший источник внутреннего тепла Земли — это энергия глубинной гравитационной дифференциации, т. е. выделение тепла при перераспределении вещества Земли по плотности при его химических и фазовых превращениях. Главным здесь является процесс разделения вещества на силикатную и металлическую или, точнее, металлизированную (скорее всего Fе₂О или FеО) часть на границе мантии и ядра, в слое D". Впервые на ведущую роль этого процесса в глубинной дифференциации Земли указали О. Г. Сорохтин еще в 1971 г., а также В. А. Дубровский и В. Л. Панькин в 1972 г., а в на­стоящее время она стала практически общепризнанной. Причем начало этой дифференциации, по современным представлениям, относится уже ко времени завершения аккреции, если даже не совпадает с ним, т. е. ак­креционный разогрев Земли непосредственно сменяется дифференциационным. Вместе с тем признается, что наиболее энергично эта диффе­ренциация протекала в раннем докембрии, а точнее в архее, до рубежа 2,8-2,5 млрд лет назад, когда могло произойти ее резкое усиление, а за­тем ее интенсивность заметно снизилась и продолжала снижаться, хотя не монотонно, а с некоторыми временными остановками и даже обрат­ными повышениями, вплоть до современной эпохи. Обо всем этом мож­но косвенно судить по темпам роста континентальной коры.

Но граница мантии и ядра — не единственный возможный уровень гравитационной дифференциации. Более глубинным уровнем является, очевидно, граница внешнего и внутреннего ядра, поскольку внутреннее ядро состоит, скорее всего, из «чистого» железа (с примесью никеля), а внешнее, вероятно, содержит заметный процент таких элементов, как кислород, сера, кремний. Соответственно рост внутреннего твердого ядра, связанный с вековым охлаждением Земли, должен сопровождаться «выталкиванием» этих легких примесей во внешнее ядро.

Другой уровень дифференциации — граница нижней и верхней ман­тий, если между ними существует различие в химическом составе (ниж­няя мантия, по-видимому, более обогащена железом, чем верхняя).

Еще один уровень — граница астеносферы и литосферы. Здесь про­исходит выплавление той базальтовой фракции из перидотитового ман­тийного вещества, которая затем, поднявшись, наращивает земную кору. Но дифференциация продолжается и в самой коре — идет образование гранитных выплавок в нижней (или средней) коре и соответственный рост верхнего, гранитогнейсового, слоя коры. Все эти процессы должны вносить свой вклад в тепловой баланс Земли.

В последние годы справедливо обращено внимание еще на один ис­точник тепла Земли, связанный уже с внешним по отношению к ней фактором — твердыми приливами, обусловленными гравитационным воздействием на Землю ее соседки — Луны и в значительно меньшей степени Солнца. Переход кинетической приливной энергии в тепло про­исходит вследствие внутреннего трения вещества в приливных горбах, вслед за Луной обегающих Землю и деформирующих ее тело (рис. 18.1). По расчетам О. Г. Сорохтина и С. А. Ушакова, в настоящее время доля приливной энергии, рассеиваемой в «твердой» Земле, не превышает 2 % полной тепловой энергии, генерируемой в ее недрах, а основная часть этой энергии выделяется в мелководных морях и значительно меньше — в океанах и астеносфере. В данном случае речь идет о лунных приливах; эффект солнечных приливов оценивается теми же учеными в 20 % от эф­фекта лунных.

Рис. 18.1. Приливообразующие силы в плоскости экватора и схема, поясняющая отставание приливного выступа в твердом теле Земли вследствие приливного трения. (По Р. Вострому, 1979)

Однако в геологическом прошлом, когда расстояние между Луной и Землей было меньше современного, роль приливного тепла в общем те­пловом балансе Земли была соответственно более значительной. В осо­бенности это касается наиболее ранней стадии развития Земли — до сере­дины архея. Допуская почти одновременное образование Земли и Луны и отсутствие астеносферы на этой стадии, О. Г. Сорохтин и С. А. Ушаков считают, что сразу после образования Луны скорость генерации прилив­ной энергии в 13 тыс. раз превышала скорость генерации эндогенного тепла в современной Земле, а высота приливов превышала 1 км. Со­гласно тем же авторам, в интервале 4,6-4 млрд лет назад за счет лунных приливов Земля могла дополнительно прогреться приблизительно на 500 °С. Даже если эти цифры преувеличены, они все же свидетельству­ют о том, что в раннем и среднем архее тепло, генерируемое лунными приливами, представляло существенную добавку к эндогенному теплу Земли. Положение изменилось в позднем архее, протерозое и фанерозое в связи с увеличением расстояния между Луной и Землей и появлением обширных эпиконтинентальных морей, общий вклад приливного тепла в суммарный глубинный тепловой поток уже не превышал 1-2 %.

Некоторые исследователи придают лунно-солнечным приливам еще большее значение, считая, что они могут непосредственно вызывать крупные тектонические деформации. Так, по мнению Ю. А. Косыгина и В. П. Маслова, с ними может быть связан западный дрейф земных обо­лочек, могущий трансформироваться в их вертикальные перемещения и даже образование шарьяжей. Ю. Н. Авсюк выдвинул интересную гипо­тезу, согласно которой расстояние от Луны до Земли и соответственно интенсивность лунных приливов испытывают долгопериодические из­менения. В течение фанерозоя должно было смениться три цикла при­хода — ухода Луны. В свою очередь эти периодические изменения ска­зываются и в изменениях скорости вращения Земли и могут вызывать перетекание вещества в мантии (астеносфере) и трещинообразование в коре (литосфере). Эти соображения представляют определенный инте­рес в связи с поисками объяснения периодичности тектонических про­цессов.

Легко видеть, что все перечисленные выше источники внутреннего тепла Земли должны были проявляться с максимальной интенсивнос­тью на самых ранних стадиях развития нашей планеты, во всяком случае в первые 2 млрд лет ее истории, т. е. до конца архея. На протяжении сво­ей истории Земля должна была испытывать охлаждение, и если в момент ее рождения средняя температура мантии могла быть порядка 2000°С, то в настоящее время она составляет 1350 °С. Это охлаждение не может не продолжаться и дальше, и в перспективе нашей Земле суждено пре­вратиться в такую же мертвую планету, как Меркурий и Марс. По расче­там О. Г. Сорохтина и С. А. Ушакова, это должно будет произойти через 1-1,5 млрд лет.

Обращаясь теперь к верхним оболочкам твердой Земли, к собствен­но тектоносфере, следует прежде всего указать, что помимо возмущений, связанных с воздействием конвективных течений, генерируемых в глу­боких недрах планеты, большое значение здесь приобретают процессы, вызванные возникновением инверсии плотностей на границе астеносфе­ра — литосфера и в самой литосфере. Одним из проявлений такой грави­тационной неустойчивости служит мантийный, точнее астеносферный, диапиризм в основании континентальных рифтов, приводящий к их расширению, погружению и сопровождаемый магматической деятельно­стью. Другое проявление — формирование гранитогнейсовых куполов в связи с развитием палингенного гранитообразования в средней части консолидированной коры.

В широком смысле формирование метаморфических ядер в складча­тых системах (орогенах) также должно рассматриваться как проявление глубинного диапиризма, как и считал В. В. Белоусов. Другой формой глу­бинного диапиризма является образование магматических, в основном гранитоидных, диапиров, прорывающих неметаморфизованные или слабометаморфизованные (в зеленокаменных поясах архея) осадочно-вулканогенные толщи и не вызывающих в них конформных деформаций.

Упомянем еще серпентинитовый диапиризм, свойственный рифтовым зонам и зонам трансформных разломов океанов, зонам субдукции на их периферии, а также древним зонам столкновения плит — сутурам, в строении которых участвуют офиолиты. Эта форма диапиризма свя­зана с высокой пластичностью серпентинитов и их пониженной плотно­стью по сравнению с породами нижней коры.

Аналогичное явление, но уже в осадочном слое коры представляет солянокупольный диапиризм (галокинез), обязанный низкой плотности и высокой пластичности эвапоритовых толщ по сравнению с перекры­вающими их образованиями. Несколько иной характер носит глиняный диапиризм; в этом случае инверсия плотностей обусловлена разуплотне­нием глинистых толщ при эпигенетическом изменении заключенного в них органического вещества и возникновением в этих толщах аномально высокого, превышающего литостатическое, пластового давления.

Все перечисленные формы диапиризма, вызванного инверсией плот­ностей в коре и литосфере, могут проявляться как автономно, что более характерно для внутриплитных обстановок (в частности, для централь­ных частей континентальных платформ), так и совместно с действием го­ризонтально ориентированных сжимающих напряжений, типичных для конвергентных границ плит, для зон субдукции и коллизии. В последнем случае возникает линейная ориентировка дислокации в отличие от изо­метрического рисунка дислокации первого типа, чисто диапировых.

Гравитационная энергия близ поверхности Земли может переходить непосредственно в кинетическую, порождая гравитационную складча­тость и гравитационные шарьяжи. Несомненно, что и тому и другому типам дислокации принадлежит лишь подчиненная роль в строении орогенов, но несомненно также, что в последнее время эта роль скорее недо­оценивалась, чем переоценивалась. Особенно широко распространены гравитационные шарьяжи, причем во многих случаях они являются конседиментационными и переходят по периферии, в дистальном направле­нии, в протяженные олистоплаки, включенные в мощные олистостромы. Отдельные олистоплаки нередко достигают таких размеров (несколько квадратных километров), что становится неясным, как их классифици­ровать — как шарьяжные пластины или как элемент олистострома. Такие образования эффектно и крупномасштабно проявлены в верхнем палеозое Южного Тянь-Шаня, в миоцене Бетской Кордильеры, Рифа и Телля в Западном Средиземноморье и ряде других регионов, причем чаще все­го олистоплаки сложены карбонатами. Гравитационная складчатость не менее масштабно выражена по северной периферии впадины Сигсби и вдоль атлантической окраины Бразилии. Она связана с соскальзывани­ем верхней части осадочного чехла на континентальном склоне с соленосной толщи юрского возраста.

Гравитационные деформации на периферии орогенов, подобно диапировым, сочетаются с тангенциальными деформациями коллизионного происхождения. Шарьяжи, возникшие под влиянием горизонтального сжатия, затем могут испытывать дальнейшее перемещение вниз по скло­ну горного сооружения уже под действием силы тяжести.

Итак, энергетический баланс Земли слагается, в порядке убывающего значения, из тепла гравитационной дифференциации, остаточного тепла аккреции Земли, радиогенного тепла, приливного тепла, механической энергии гравитации, включая проявления гравитационной неустойчиво­сти в мантии и коре. По существу, роль лишь одного из этих факторов — радиогенного тепла — поддается относительно строгой количественной оценке, для остальных основные параметры весьма неопределенны.

К этим общепризнанным источникам внутреннего тепла Земли Ф. А. Летников предложил добавить еще один — тепло, выделяющееся вследствие трения на границе внутреннего и внешнего ядер, внешнего ядра и мантии Земли и внутри самого внешнего ядра вследствие их дифферен­циального вращения (ныне доказанного в отношении внутреннего ядра).

В заключение необходимо упомянуть еще один фактор, вызывающий структурные изменения в верхней части земной коры, — космогенный, а именно кратерообразующий эффект метеоритных бомбардировок. Действие этого фактора, как и ряда других, эндогенных, было наиболее значительным на ранней стадии развития Земли, но не прекратилось вплоть до современной эпохи.