ЧАСТЬ III. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ СИСТЕМЫ ЗЕМЛЯ

Гл. 9. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Все наши выводы о внутреннем строении Земли не более чем относительно правдоподобные гипотетические предположения. Любой объект научного исследования включает внешний облик и внутреннее содержание. Если большинство из них, от мега- до микроскопических, мы можем исследовать снаружи и изнутри, то все выводы, основанные на реальных фактах в отношении Земли базируются исключительно на внешних наблюдениях.

Окнами в познании глубин Земли являются косвенные геофизические методы, особенно гравитационного и сейсмического характера.

1. Гравитационные поля

Гравитация, как отражение силы тяжести, дает сведения о рас-пределении масс. Гравитационная энергия каждого физического тела определяется суммой гравитационных потенциалов всех его частей - величиной полной энергии, необходимой для удаления каждой из них в бесконечность в условиях сдерживающего притяжения всех его частей. Если тело образуется путем накопления массы от центра к периферии (секреция) - его гравитационная энергия должна быть равна энергии, освобождающейся под влиянием взаимного притяжения частиц, которые первоначально находились на бесконечном расстоянии друг от друга. На единицу массы однородной Земли, по расчетам, гравитационная энергия составляет 4×10¹¹эрг/г. При внезапном освобождении эта энергия способна повысить температуру Земли таким образом, что она испарится. Поэтому, существуют ограничения на скорость образования Земли путем аккреции: она не может быть выше скорости передачи генерируемого тепла в окружающее пространство.

Любое изменение в распределении массы внутри планеты (а оно практически перманентно для всей истории Земли), сопровождается изменением гравитационной энергии (рис. 9.1). Для любого геологического процесса (эпейрогенического, орогенического и т.п.) энергия может проявиться за счет погружения более плотного вещества ближе к центру Земли. Но, если она отдает в пространство больше энергии, чем генерируется внутри, - неизбежно ее охлаждение и сжатие.

Поскольку уровень гравитации определяется плотностью, то условия распределения гравитационных сил тесно связаны с размерами и общей конфигурацией Земли.

Рис. 9.1. Карта аномалий силы тяжести в редукции в свободном воздухе, построенная по усредненным значениям для квадратов со стороной 10° (Kaula, 1996), с небольшими изменениями для южной части Тихого океана по Тальвани и др.

Контуры проведены для +20,0 и –20 мгал

Земля очень приближенно сопоставима с фигурой шара. Более близко ее морфологию передает сфероид - фигура, обладающая эк-випотенциальной поверхностью, совпадающей со средним уровнем вращения воображаемой Земли, с абсолютно однородной (без континентов и гор) поверхностью. Самой близкой к реальной форме Земли фигурой подобия является геоид - эквипотенциальная поверхность, которая совпадает со средним уровнем моря реальной Земли. Отличие от сфероида - неоднородности распределения масс.

Точное определение фигуры геоида сложный процесс, сопровождаемый внесением уточнений, в основном по наблюдениям за движением искусственных спутников Земли.

Специальными приемами, по наблюденным изменениям аномалий, можно отстроить карты изолиний геоида (рис. 9.2). Они свидетельствуют, что отличия ундуляции геоида в общем невелики. Но повышения и понижения геоида не совпадают с очевидными геологическими и топографическими объектами (прежде всего материками и океанами). Поэтому распределение масс, которые определяют ундуляции геоида, отличаются от поверхностных и должны объясняться более глубинными причинами. Из этого следует, что плотность подстилающей земную кору мантии непостоянна по латерали.

Рис. 9.2. Ундуляция геоида, по Дж. Ферхугену и др., 1974

Цифры обозначают отметки в метрах выше и ниже поверхности, очень близкой к эллипсоиду со сжатием 1/298,3

Под тонким и прерывистым внешним осадочным чехлом Земли располагается кора толщиной 30-70 км в материковых районах и значительно более тонкая (6-8 км) в океанических. Земная кора испытывает склонность к достижению изостатического равновесия с более глубинной сферой - мантией. Это состояние между массами земной коры и мантии определяется понятием изостазии. Подобное изостатическое равновесие является определяющим. Но отдельные области и районы отклоняются от подобных условий равновесия, образуя гравиметровые аномалии. Положительные аномалии указывают на избыток массы. В качестве примера можно сослаться на положительную аномалию на острове Гавайи, в связи с крупными лавовыми потоками, которые сравнительно недавно образовали ост-ров. Вероятно, последует прогибание морского дна под этой нагрузкой. Свидетельствами подобных ситуаций являются так называемые гайоты - потухшие подводные вулканы, которые когда-то располагались над уровнем моря, а теперь находятся под водой на глубинах 0,5-1,5 км. Крупные отрицательные аномалии отвечают островным дугам, где наблюдается дефицит масс.

Гравитационные зоны дефицита масс, свойственные для островодужных обстановок, особенно периферии Тихого океана, одновременно отвечают активным сейсмофокальным зонам. Именно здесь сконцентрирована основная масса глубокофокусных землетрясений. Масштабы и кон-фигурация этих зон аналогична древним орогенным поясам Земли, начиная с раннепалеозойских и кончая неогеновыми. Это наиболее мобильные зоны Земли, характеризующиеся экологическими катаклизмами. Любопытно, что еще Д.И. Мушкетовым было дано оригинальное изображение «новых кряжей» на Земле (рис. 9.3).

Рис. 9.3. Схематическое изображение главных складчатых новых кряжей на Земле (по Д.И. Мушкетову, 1929)

Существуют также выдерженные глобальные зоны относительно умереннофокусных землетрясений, соответствующие расположению срединноокеанических подводных хребтов.

Гравитация, в понимании И. Ньютона и А. Эйнштейна, объединяет земные и космические природные объекты в общем постоянно из-меняющемся гравитационном поле, в связи с орбитальными переме-щениями планет. И, помимо того, что на Земле гравитационная пос-тоянная увеличивается закономерно от экватора к полюсам (где ос-лабляются касательные составляющие сил вращения), одновременно она уменьшается с высотой. Однако, кроме того, гравитация не только испытывает пространственную дифференциацию, но и определяет структуру географического времени, в котором наиболее четко выражены циклические временные вариации - суточный и годовой циклы.

Несомненно, что за историю развития Земли гравитационные явления эволюционировали, что следует из механизма аккреционной гипотезы

развития Земли. И, безусловно же, гравитационные изменения вносились и вносятся механизмом дрейфа континентальных плит. По существу, гравитационные изменения характеризуют любые крупномасштабные геологические явления. Следовательно, гравитационные силы Земли были достаточно изменчивы на всей продолжительности ее развития, особенно на ранних этапах эволюции.

Но в течение биогенной истории Земли следует допускать лишь ограниченные вариации изменения гравитационного поля или настолько постепенные преобразования, которые позволили бы организмам адаптироваться. Но вопрос чрезвычайно слабо изучен.

Так как сила тяжести на Земле от места к месту и от зоны к зоне отличается - это имеет важное значение для экологической дифференциации живого мира, включая антропогенный.

Сила взаимного притяжения двух планет, согласно закону И. Ньютона, пропорциональна произведению их масс и обратно пропо-рциональна квадрату расстояния между ними:

F=g(M ₁×M₂)/ r²

(g - гравитационная постоянная).

При вращении планет по орбитам взаимные гелиоцентрические расстояния постоянно и периодически меняются. Соответственно изменяются и силы взаимного притяжения Земли и Солнца, а также Земли и планет Солнечной системы.

В гравитационный процесс вовлекаются все геосферы Земли – ее географическая оболочка.

Именно силы тяготения заставляют планеты совершать периодические движения по орбитам, когда гравитационные воздействия цикличны (изменяются такие характеристики как ампитуды, фазы, периоды).

Этими гравитационными воздействиями вызываются значительные и разнообразные изменения солнечной активности. Динамика конвективных движений определяется и приливными воздействиями планет на Солнце, особенно Юпитере и Сатурне, по принципу резонанса. Величина активности Солнца является функцией гелиоцентрических координат.

Активизация солнечной деятельности нарушает зональность ци-ркуляции земной атмосферы. Вызванный этим меридиональный перенос воздушных масс способен вызвать значительные климатические изменения. Гравитационные факторы, как известно, вызывают короткопериодические суточные и полусуточные приливы в гидросфере. Долгопериодическая составляющая гравитационных возмущений (однотипные позиции Солнца, Луны, Земли...) вызывает ритмичные изменения в океанических течениях, а, следовательно, в связанном с ними переносе тепла и влаги, или, другими словами, в климате. С участием гравитационных факторов происходят и сдвиги континентальных плит, подъемы и опускания земной поверхности и другие явления, протекающие в литосфере.

А.В. Шнитников, в связи с этим, предложил общую схему механизма реализации гравитационного воздействия в гидросфере, атмосфере и гляциосфере Земли. Им обосновано существование гравитационно обусловленных внутренних волн. И с этим связан вынос на поверхность океана (прежде всего в Арктических и Антарктических областях) холодных глубинных вод. Увеличение ледовитости вод ведет к охлаждению приповерхностных слоев атмосферы. Изменяется термический режим последней. С меридиональным переносом атмосферных масс усиливается циклоническая деятельность. Происходит понижение средних летних температур и повышение зимних. Изменение режимов температур и влажности ведут к увеличению общего стока, особенно речного, повышению уровней озер и увеличению баланса массы горных ледников.

Вызываются периодические колебания природных процессов в географической оболочке.

2. Тепловые поля

Мобильным зонам Земли сопутствуют тепловые энергетические потоки (рис. 9.4). Они отражают энергию внутренних источников Земли. Любой геологический процесс для его реализации требует значительного количества подобной энергии. Существует представление о геотермическом градиенте земной коры, согласно которому температура при движении в глубь Земли повышается на 1°С каждые 33 м. Тепловой поток, приходящий из недр Земли к его поверхности мал, по сравнению с солнечным, чтобы оказать существенное влияние на ее температурные условия. Тем не менее, такой тепловой поток существует и должен учитываться. Только энергия от наземных вулканов, цепочки которых в общем согласуются с рядом зон теплового потока Земли, составляет 1,2×10¹⁸ кал/год, то есть около 0,5% от внутреннего теплового потока (2,4×10²⁰ кал/год). Однако здесь не учтены подводные извержения, о которых нам так мало известно. Хотя только в Тихом океане, по оценке Менарда, имеется более 10000 ? вулканов высотой свыше 1 км, что намного превышает их количество на суше.

Рис. 9.4. Распределение средних значений теплового потока

Карта построена по усредненным значениям для квадратов со стороной 10 и 5°, полученным для океанических районов, Европы, Северной Америки и Автралии. Учитывались сейсмические данные за период 1961-1967 гг. для глубин 0-700 км. Дополнительные данные для Азии – по Любимовой и Поляку, для Тасманова моря – по Гриму. Контуры проведены для 1,8, 1,4 (среднее) и 1,0 ЕТП

Cледует учитывать, что объем мантийного теплового потока значительно изменялся в течении геологической истории Земли.

В так называемых геотермальных районах (к ним, например, принадлежит Камчатка) тепло поступает на поверхность в виде горячих источников, гейзеров, фумарол и т.п. Теплые водные источники известны и на дне океанов и морей, в частности в Красном море. На отдельных участках Земли (от 100 до 1000 км²) тепловой поток может превышать обычный в 10-100 раз.

Предполагают, что источниками теплового потока Земли являются: охлаждение Земли от первоначального горячего состояния; сепарация вещества ядра; приливное трение; радиоактивность.

Последняя модель сейчас очень распространена. Идея разогрева отдельных участков Земли под влиянием радиоактивных реакций часто используется в современной геологии.

Но следует учитывать, что существуют модели, согласно которым тектоническая активность Земли, коррелируемая с ее глубинным тепловым потоком, была варьирующей и достигала максимума в архее (см. рис. 9.5).

Рис. 9.5. Мантийный тепловой поток Земли

В интенсивно разрабатываемом в последние десятилетии направлении о формировании облика Земли, называемом «новая глобальная тектоника», широко используются представления «дрейфа континентов», являющиеся актуальными и для вопросов экологической истории Земли. Суть сводится к мнению о существовании в геологическом прошлом Пангеи (Гондваны) - единого крупного материка, за счет дробления которого и крупных перемещений литосферных плит, сформировались современные континенты с их реальными, хорошо знакомыми нам очертаниями. Первоначальная идея была выдвинута Альфредом Вегенером в 1911 г. Она возникла под впечатлением удивительного подобия очертаний восточного и западного побережий Атлантического океана, как это наглядно показано на схеме, составленной Б. Баллардом, И. Эвереттом и А. Смитом, на основе геометрической теоремы известной под названием "теоремы неподвижной точки" (рис. 9.6). Существует целый ряд доказа-тельств, свидетельствующих о перемещениях литосферы материков на размягченной астеносфере - верхней части мантии Земли.

Рис. 9.6. Единый праматерик Пангея 200 млн лет назад

Море Тетис – прообраз Средиземного – образовывало обширный залив между Евразией и Африкой. Взаимное положение материков (за исключением Индии) рассчитано на ЭВМ по наилучшему совпадению их контуров по 200-метровой изобате. Если материки соединить так, как это показано на рисунке, геомагнитные полюса займут положение, указанное на рисунке кружками. Значками А и S обозначены современные географические пункты: Антильская островная дуга и дуга Скоша.

В результате «дрейфа» континентов материки со временем заняли свое современное положение, что отражено на рис. 9.7.

35 лет назад Т. Вильсон (1965) обратил внимание, что Гавайские острова образуют хребет из цепочки вулканов, абсолютный возраст которых последовательно омолаживается с северо-запада на юго-восток. Он высказал интересное предположение, что образованная островами вулканическая цепь является пуктирным следом фиксированных в мантии разогретых объектов, которые он назвал "горячими точками". Они как бы прожигают дрейфующую над ними литосферу, каждый раз образуя новый вулканический центр.

Позднее было показано, что "горячие точки" являются поверхностным выражением конвекционных (или иных других) течений в нижней мантии. В ней предполагается существование нескольких десятков (20-30) глубинных мантийных струй, которые выносят в астеносферу тепло и родоначальный материал, вызывая горизонтальные токи, расходящиеся от каждой мантийной струи.

Рис. 9.7. Современное расположение материков

За примерно 65 млн лет после распада Пангеи была создана почти половина площади дна океанов (горизонтальная штриховка). Индия закончила свое быстрое перемещение к северу, соединившись с Азией, а Австралия была отделена от Антарктиды. Северо-Атлантический рифт проник в Северный Ледовитый океан, окончательно расщепив Лавразию. Относительные перемещения Африки и Южной Америки трассируются по положению «жильных» хребтов, созданных термальным центром хребта Китового.

Сейчас принципиальное подтверждение возможности подобного механизма получено по данным томографического изучения Земли, показавшего существенные неоднородности распространения в мантии "высокоскоростных" и "низкоскоростных", резко отличающихся по тепловому состоянию масс (плюмов) - рис. 9.8.

Рис. 9.8. Распределение «быстрой» (крестики) и «медленной» (точки) мантий в ее структуре (по В. Сю, Р.Вуудварду, А. Дзевонскому, 1994; с упрощениями )

Один из экологических аспектов, связанных с новой глобальной тектоникой, заключается, в частности, в явлении так называемой субдукции. Она определяется тем, что при надвигании континентального блока на другой, или океаническую кору, происходит смятие континентальных окраин и погружение их на большие глубины. Появляются отдаленные экологические прогнозы, представляющие пока общепознавательный интерес. Вот один из них:

«В последние годы геологи склоняются к мнению, что активная рифтовая зона, начинающаяся под Калифорнийским заливом и про-должающаяся под штатом Колифорния, распространяется далее к северу: по видимому она достигла уже долины Империал. Пробурив отложения, геологи измерили температуру тепловых потоков в слоях породы подо дном долины. Эти измерения вместе с другими исследованиями, проведенными на молодых риолитовых куполах вулканического происхождения у озера Силтон-Си, подтверждают теорию распространения рифтовой зоны на север. Через несколько миллионов лет воды Калифорнийского залива, возможно, будут плескаться там, где сейчас расположены Индио и Палмс-Спринг.

«..Лишь недавно люди начали понимать, что движение суши и морского дна вдоль разломов сметет с лица земли города, атомные реакторы, нефтеочистительные заводы и трубопроводы. Все это будет очень медленно уноситься прочь. Заглядывая в далекое будущее, один известный ученый-геолог предсказывает, что через 50 млн лет последние стойкие остатки нефтяных вышек, электростанции Лос-Анжелеса, Санта-Барбары и, возможно, Сан-Франциско медленно низвергнутся в страшные глубины Алеутской впадины» (Д. Куллини, 1981).

3. Магнитные поля

Общеизвестно магнитное поле Земли, используемое с давних времен путешественникоми и землемерами. Но и его природа и особенности выяснены совершенно неудовлетворительно. Эти поля тесно связаны с электрическими, которыми обычно и вызываются. Магнитные полюса близки к полюсам вращения Земли.

Считается, что земное магнитное поле создается магнитогидродинамическим механизмом, благодаря взаимодействию вращения и конвентивных потоков в проводящем жидком внешнем ядре.

С известным приближением земное магнитное поле может быть смоделировано сверхпозицией огромного поля центрального диполя, окруженного десятком радиально ориентированных дополнительных диполей на поверхности ядра. Это генеральное поле осложняется локальными аномалиями и источниками, находящимися не глубже 30 км.

Ось магнитного поля составляет с осью ее вращения угол в 11°. Эта ось не проходит через геометрический центр вращения, а сдвинута на 342 км в сторону, противоположную восточной оконечности Бразилии. Полярность его противоположна географической. Северный магнитный полюс расположен на юге, в Антарктиде, южный на севере, в Канаде.

Космические исследования показали, что магнитосфера выходит за пределы Земли на расстояние до 60-100 тыс. км. Очертания ее очень сложны: со стороны Солнца сфера сжата, а на противоположной стороне силовые линии геомагнитного поля, под влиянием солнечного ветра, как называется постоянное радиальное истечение плазмы от Солнца, образует шлейф, который прослеживается на расстояние более 250 тыс. км (рис. 9.9).