ЭНЕРГЕТИКА ТЕКТОНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 

Источники энергии глубинных геологических процессов

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 x1013 W.

До открытия радиоактивности внутреннее тепло Земли считалось остаточным от ее первоначального огненно-жидкого состояния, согласно гипотезе Канта—Лапласа. Это означало, что время остывания Земли, т.е. ее возраст, не превышает 100 Му. Открытие явления радиоактивности одновременно показало, что возраст Земли много древнее, 4,5 биллиона лет и что распад радиоактивных элементов Земли может быть основным источником внутреннего тепла. В Земли распад радиоактивных элементов, прежде всего урана, тория и калия, содержащихся в коре и мантии. Между тем в 1971 г. О.Г.Сорохтин поставил под сомнение это высказывание, показав конкретными расчетами , что роль радиоактивного распада велика, но не настолько, чтобы быть источником разогрева Земли и что главную роль здесь играет гравитационная дифференциация и главные процессы сосредоточены на границе мантии и ядра. Правоту этого взгляда подтверждает тот факт, что реальный тепловой поток значительно выше, если учитывать интенсивное тепловыделение в осевых зонах срединно-океанических хребтов,и намного превышает тепловой поток, генерируемый распадом естественно-радиоактивных элементов.

По подсчетам В.Вакье, радиогенное тепло может обеспечить только четверть наблюдаемого теплового потока (1,14 x1013 из 4,2 xl013W). 90% естественно-радиоактивных элементов сконцентрировано 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 радиоактивные элементы сосредоточены в верхах континентальной коры, выделяемое ими тепло не может играть сколько-нибудь существенной роли в более глубинных тектонических процессах.

Таким образом, существуют другие, более важные и более глубинные источники энергии.Попробуем оценить их независимо от мнения О.Г.Сорохтина.

Одним из таких источноков может быть тепло, приобретенное Землей в период ее аккреции и частично унаследованное от протопланетного диска, который, вопреки прежним представлениям, уже успел подвергнуться некоторому разогреву — до 1000—1200 К — в области будущего образования Земли. В процессе самой аккреции 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, самый мощный источник внутреннего тепла, 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 металлизированную (скорее всего Fe2O или FeO) часть на границе мантии и ядра, в слое Д". Начало этой дифференциации, по современным представлениям, относится 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 2800—2500Ма, когда могло произойти ее резкое усиление, а затем интенсивность стала падать и продолжает снижаться. 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 может являться 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 мантии, если между ними существует различие в химическом составе (нижняя мантия, по-видимому, сильнее обогащена железом, чем верхняя).

Еще один уровень — граница астеносферы и литосферы. Здесь происходит выплавление базальтовой фракции из перидотитового мантийного вещества и наращивание за его счет земной коры. 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 стали уделять внимание внешним фактором энергии, а именно твердыми приливам от Луны и Солнца. Переход кинетической приливной энергии в тепло происходит вследствие внутреннего трения вещества в приливных горбах, но 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 в 20% от эффекта лунных. В геологическом прошлом, когда расстояние между Луной и Землей было меньше современного, роль приливного тепла в общем тепловом балансе Земли была соответственно более значительной.

Все источники внутреннего тепла проявились наибрлее интенсивно на самых ранних стадиях развития Земли в первые 2000 Му 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 будет продолжаться дальше, и в перспективе Земля превратиться в такую же мертвую планету, как Меркурий и Марс.

Обращаясь к верхним оболочкам твердой Земли (тектоносфере), следует 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 них является мантийный (астеносферный) диапиризм в основании континентальных рифтов, приводящий к их расширению, погружению и сопровождаемый магматической деятельностью. Другое проявление — гранитогнейсовые купола, связанные с гранитообразованием в средней части консолидированной коры.

Формирование метаморфических ядер в орогенах также является проявлением глубинного диапиризма. Другая форма глубинного диапиризма - образование магматических, в основном гранитоидных, диапиров, прорывающих слабометаморфизованные (в зеленокаменных поясах архея) осадочно-вулканогенные толщи и не вызывающих в них конформных деформаций.

Существует еще серпентинитовый диапиризм, свойственный рифтовым зонам и зонам трансформных разломов океанов, зонам субдукции на их периферии, а также древним зонам коллизии 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. 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.

Гравитационная энергия близ поверхности Земли может переходить непосредственно в кинетическую, порождая гравитационную складчатость и гравитационные наползни. 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.

Еще один фактор, вызывающий структурные изменения в верхней части земной коры, — космогенный (кратерообразующий эффект метеоритных бомбардировок). Действие этого фактора было наиболее значительным на ранней стадии развития Земли, но не прекратилось вплоть до современной эпохи.

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.

Хостинг от uCoz