Изменeниe внутреннeй структуры Земли в течение ee истории

C http://www.seapeace.ru/underwater/bottom/672.html

Kлючевые слова: гравитационная дифференциация, оболочки, конвекция, глобальная зона растяжения COX, циклы Bильсона

Главным процессом в эволюции недр планеты является гравитационная дифференциация веществ различного веса, при которой более тяжелые вещества опускаются к центру планеты, а более легкие поднимаются наверх. В результате этого процесса планета расслоится на оболочки так, что более глубокие оболочки будут состоять из более тяжелых веществ.

В нижней мантии вещество находится в особенно плотном кристаллическом состоянии и имеет очень высокие температуры плавления. Как же осуществляются там вертикальные перемещения легких и тяжелых веществ в процессе их гравитационной дифференциации? Для ответа на этот вопрос надо учесть, что вещество в мантии Земли ведет себя как твердое тело только при быстро меняющихся нагрузках, а при очень долго действующих нагрузках оно обретает способность течь как вязкая жидкость. Поэтому, например, под действием центробежных сил, создаваемых вращением, Земля приобрела форму сжатого по оси эллипсоида вращения, такого, как равновесная фигура вращающейся самогравитниругощей жидкости. Крошечная разница между фактическим сжатием Земли (0,0033528) и чуть меньшим сжатием (0,0033370) фигуры равновесия жидкости при современной скорости вращения Земли объясняется тем, что мантия течет как жидкость с очень большой вязкостью, порядка 1026 пуаз, и поэтому из-за приливного трения не вполне успевает приспосабливаться к вековому замедлению вращения Земли, составляющему около 0,2% за 107 лет; вследствие этого сейчас фигура Земли совпадает с фигурой равновесия при большей скорости вращения — такой, как 107 лет тому назад.

Долгодействующими нагрузками являются архимедовы силы плавучести, действующие на объемы мантии, потерявшие часть «ядерного» вещества при контакте с поверхностью ядра и потому обладающие пониженной плотностью и положительной плавучестью, а также на объемы, уплотнившиеся в результате выплавки из них в верхних слоях Земли некоторой доли легкого вещества земной коры и охлаждения из-за теплоотдачи наружу, а потому обладающие отрицательной плавучестью. Под действием архимедовых сил в мантии могут развиваться очень медленные конвективные движения (со скоростями нескольких сантиметров в год).

Установившиесямедленные конвективные движения в слое вещества организуются по горизонтали в ячейки. По краям так называемых открытых ячеек происходит подъем, а в центрах — опускание вещества; у верхней границы слоя в открытых ячейках вещество движется от их краев к центрам, а у дна слоя — от центров к краям (возможны также закрытые ячейки с противоположным направлением движения).

Конвективные движения должны, по-видимому, пронизывать всю мантию от поверхности ядра до астеносферы. Движения вещества мантии в верхнем слое конвективных ячеек должны увлекать литосферные плиты вместе со впаянными в них континентами, заставляя их двигаться по горизонтали от областей подъема к областям опускания вещества мантии. Таким образом, если наблюдаются горизонтальные перемещения литосферных плит, по ним можно пытаться восстанавливать очертания мантийных конвективных ячеек.

Простейшим случаем будет одна конвективная ячейка, охватывающая всю мантию, с одним полюсом подъема вещества и одним полюсом опускания и с движениями литосферных плит от полюса подъема к полюсу опускания, благодаря которым континенты должны собираться воедино вокруг полюса опускания, освобождая океанское полушарие вокруг полюса подъема. Таким могло быть происхождение гипотетической Мегагеи Г. Штилле в конце среднего протерозоя и Паигеи А. Вегенера в палеозое.

Следующим по сложности случаем будет пара конвективных ячеек, например открытых, с двумя приблизительно противоположными полюсами опускания вещества и с зоной подъема приблизительно по соответствующему экватору между ними или но линии, получающейся в результате волнообразного изгибания экватора с образованием на нем двух гребней и двух ложбин,— так выглядит шов на поверхности теннисного мяча, склеенного из двух лоскутов. По этому шву должна образовываться глобальная зона растяжения с цепочкой срединно-океанских хребтов, а континенты должны собираться в две группы по осям лоскутов. Нечто похожее мы наблюдаем на современной Земле, где одну группу континентов образуют Африка, Евразия и Австралия, а другую — Северная и Южная Америка и Антарктида, и эти два континентальных «лоскута» разделены глобальным «швом» срединно-океанских хребтов.

При одноячеистой конвекции в мантии образуется застойная область, в которой вещество не теряет железа и поэтому постепенно оказывается тяжелее окружающей среды. Его оседание превращает конвекцию в двухячеистую, постепенное ослабление которой приводит к обратной перестройке в одноячеистую конвекцию. Такие перестройки можно сопоставить с тектоно-магматическими эпохами. Промежутки времени между ними должны быть сравнимы с периодом полного перемешивания мантийного вещества (т. е. его прохождения через слой активной дифференциации у поверхности ядра), которое можно назвать конвективным циклом