Cуперконтинент

При химико-плотностном конвективном массообмене в мантии, по-видимому, происходит чередование одноячеистых и двухъячеистых конвективных структур (Сорохтин, 1974; Монин и др., 1987) и можно ожидать, что после архея существовали три одноячеистые и четыре двухъячеистые структуры. Поскольку при возникновении одноячеистых конвективных структур в мантии должны формироваться единые суперконтиненты, то можно ожидать, что после архейского суперконтинента Моногея, т.е. уже в протерозое и фанерозое, должно было существовать еще три суперконтинента: Мегагея Штилле, Мезогея (или Родиния) и Пангея Вегенера и с учетом Моногеи – четыре суперконтинента. Во время функционирования двухъячеистых конвективных структур, такие суперконтиненты должны разрушаться, а их “осколки” должны центробежно дрейфовать друг от друга еще и с учетом силы Кориолиса.

Приведенная оценка числа конвективных циклов в мантии может быть уточнена путем синергетической увязки расчета с геологическими данными. Конвектирующая мантия представляет собой открытую диссипативную систему, охваченную сильными положительными и отрицательными обратными связями. Это позволяет предполагать существование в мантии тенденции к самоорганизации конвективных процессов с возникновением промежуточных квазиустойчивых состояний, определяемых ее наиболее общими характеристиками (массой мантии, концентрацией “ядерного” вещества, генерируемой в мантии энергией, балансом действующих в мантии положительных и отрицательных обратных связей и т.д.).

Итак, будем исходить из того, что процесс конвективного массообмена в мантии регулируется действием сильных положительных и отрицательных обратных связей. Примером положительных связей может служить зависимость скорости конвекции от теплогенерации: с повышением температуры мантии экспоненциально уменьшается вязкость ее вещества и соответственно возрастает скорость химико-плотностной конвекции. Одновременно увеличивается скорость диффузии окислов железа из кристаллов силикатов в межгранулярные пространства и скорость перехода “ядерного” вещества в земное ядро, а это приводит к возрастанию плотностных неоднородностей в мантии и к новой активизации мантийного массообмена.

Сильная отрицательная обратная связь возникает за счет теплопотерь Земли – с увеличением скорости конвективного массообмена увеличиваются скорости движения океанических литосферных плит, возрастают тепловые потоки через океаническое дно и увеличиваются общие потери тепла Землей. Благодаря этому уменьшается средняя температура мантии, повышается вязкость ее вещества, а это приводит к снижению конвективного массообмена в мантии. Другой механизм отрицательной обратной связи заложен в самом процессе бародиффузионной дифференциации мантийного вещества. Диффузия окислов железа из кристаллов силикатов в межгранулярные пространства происходит только в нижней мантии на глубинах свыше 2000 км, поэтому чем выше скорость конвекции, тем меньшее время мантийное вещество будет пребывать в деятельном слое нижней мантии, тем меньше за это время “ядерного” вещества успеет диффундировать из кристаллов силикатов и перетечь в земное ядро, а замедление процесса дифференциации неизбежно приведет к снижению скорости и самой конвекции.

Таким образом, тепловая машина Земли представляет собой открытую, нелинейную диссипативную систему с обратными связями, определяющими возможность возникновения в ней процессов самоорганизации геодинамических процессов. Однако химико-плотностная конвекция в мантии по своей природе – нестационарный процесс с постоянно меняющимся распределением концентрации тяжелой фракции в мантийном веществе и связанной с этим постоянно видоизменяющейся структурой конвективных ячеек. Следует ожидать, что самоорганизация конвективных ячеек в мантии будет постоянно нарушаться нестационарностью процесса, но такие
самоорганизующиеся состояния, соответствующие минимальным скоростям рассеивания эндогенной энергии, время от времени все-таки должны возникать.

В работе О.Г. Сорохтина и С.А. Ушакова (1993) показано, что при постоянной массе мантии и отсутствии ее разогрева или охлаждения средняя скорость конвективного массообмена в этой геосфере на больших интервалах времени остается постоянной, хотя флуктуации, связанные с перестройками структуры конвективных ячеек, могут быть заметными. Если же мантия после архейского перегрева в среднем все-таки остывает, то постепенно будет снижаться средняя скорость конвекции, а следовательно возрастать периоды полных конвективных циклов массообмена в мантии. В противоположном случае разогрева мантии конвективный массообмен в этой геосфере ускоряется. Отсюда следует важный геодинамический закон: энергетический баланс Земли в среднем стабилизирует развитие конвективных процессов, но периоды конвективных циклов должны быть пропорциональны массе мантии. Масса же мантии после образования земного ядра в конце архея, постепенно уменьшалась за счет выделения из нее “ядерного” вещества и роста самого ядра. Это могло приводить к постепенному сокращению со временем продолжительности конвективных, а следовательно, и тектонических циклов.

Что было в действительности и какой из факторов (остывание мантии или уменьшение ее массы) оказывался определяющим – можно видеть на геологической летописи. Так, моменты формирования суперконтинентов Моногея, Мегагея, Мезогея (Родиния) и Пангея следует сопоставлять со временами завершения кеноранской, свекофеннской, гренвильской и герцинской тектонических эр (орогений), соответственно 2600 ± 100; 1800 ± 100; 1010 ± 70 и 230 ± 10 Ма. Если это так, то периодичность формирования суперконтинентов в докембрии слабо менялась от 800 до 780 Му. Периодичность мегациклов в послеархейское время с точностью до определения возрастов орогений оставалась приблизительно постоянной. Следовательно, эффект затухания тектонической активности Земли и остывания мантии в реальных условиях во многом компенсировался уменьшением массы мантии, тем самым стабилизируя периодичность тектонических событий на Земле, но в будущем из-за истощения энергетических запасов Земли и замедления процесса дифференциации мантийного вещества фактор остывания мантии начнет играть более важную роль. В результате замедлится конвективный массообмен в мантии и заметно
увеличатся периоды тектонических мегациклов.

Архейская история завершилась формированием у Земли настоящего плотного ядра и возникновением в ее мантии мощнейшей одноячеистой конвективной структуры. Поэтому за начало отсчета послеархейской геологической истории, отвечающей главной последовательности развития Земли, удобно принять этот естественный рубеж – момент окончательного формирования в недрах нашей планеты тяжелого ядра около 2600 Ма. Это оправдано еще и тем, что в конце архея сформировался первый в истории Земли суперконтинент – Моногея, что четко фиксируется в геологической летописи, поскольку это связано с формированием континентальной коры.

С учетом чередования одноячеистых и двухъячеистых конвективных структур в мантии и приведенных геологических данных о времени образования суперконтинентов можно уточнить число конвективных циклов в протерозое и фанерозое до 6,58 циклов продолжительностью от 380 до 420 млн лет каждый. Если кеноранский орогенез, завершивший собой тектонические события архейской эпохи, принять за начало отсчета всех последующих конвективных циклов, то оказывается, что при N0 = 6,58, целочисленным значениям NC = 0; 1; 2; 3; 4; 5; 6 в послеархейское время соответствуют возрасты 2,6; 2,22; 1,84; 1,45; 1,05; 0,65 и 0,23 млрд лет назад, близко отвечающие возрастам главных тектонических событий протерозоя и фанерозоя.

В этом уточненном варианте периодичность формирования суперконтинентов слабо возрастала от 0,76; 0,79 до 0,82 млрд лет, откуда видно, что в протерозое и фанерозое на периодичность тектонических движений в большей мере сказывались факторы истощения энергетических запасов Земли и остывания мантии. В будущем эти факторы начнут играть еще более важную роль, что существенно замедлит конвективный массообмен в мантии и как следствие этого –увеличит периоды тектонических мегациклов.

Значению NC = 0 отвечает время формирования первого суперконтинента Моногея. Однако суперконтиненты – неустойчивые образования и после своего формирования они быстро раскалываются на части. Это связано с изменением структуры конвективных течений в мантии и возникновением вместо нисходящего мантийного потока под бывшим суперконтинентом нового восходящего потока – непосредственной причины его разрушения и распада. Поэтому можно полагать, что при NC =1 к моменту времени 2,22 млрд лет назад в мантии установилась более сложная, возможно, двухячеистая конвективная структура. При этом в соответствии с законами механики, требующими для устойчивого вращения Земли совпадения ее главной оси момента инерции с осью ее собственного вращения, Земля должна была повернуться таким образом, чтобы большинство материков того времени – осколков Моногеи – оказалось в низких и умеренных широтах.

Следующий суперконтинент, Мегагея Штилле, начал формироваться около 2,0-1,9 млрд лет назад, но окончательно образовался только 1,84 млрд лет назад в результате глобальной свекофеннской (карельской) орогении. В это время, с которым можно сопоставить значение параметра NC = 2, в мантии должна была вновь функционировать одноячеистая конвективная структура. При этом, учитывая вывод о зависимости ориентации момента инерции Земли от расположения континентальных масс на земной поверхности (Монин, 1988), можно заключить, что и второй суперконтинент, Мегагея, сформировался на низких широтах. Об этом же свидетельствуют и геологические данные.

Существование Мегагеи также было непродолжительным: уже начало рифея ознаменовалось общим дроблением континентальной коры. Значение параметра NC = 3 по времени (1,45 млрд лет назад) соответствует раннему рифею. Начало же раскола Мегагеи происходило несколько раньше, около 1,6 млрд лет назад, и близко совпадает со следующей выдающейся тектонической эпохой великого обновления структурного плана Земли, с которого иногда отсчитывают начало эпохи неогея.

Значение NC = 4 отвечает времени 1,05 млрд лет назад, что близко соответствует радикальной гренвильской эпохе тектономагматической активизации, в результате которой из осколков Мегагеи начал формироваться новый, третий по счету суперконтинент Мезогея, или Родиния. Новый суперконтинент, как и Мегагея, располагался вблизи экватора и просуществовал около 100-150 Му. Вскоре одноячеистая конвекция в мантии Земли сменилась на двухячеистую с двумя
нисходящими потоками вблизи полюсов Земли и одним кольцевым восходящим потоком под ее экваториальным поясом. Такой ситуации соответствовало значение параметра NC =5 и время 650 Ма. Однако уже около 600 млн лет назад под северным фрагментом Мезогеи – Лавразией возник вторичный восходящий мантийный поток, разорвавший на части этот суперматерик с образованием Праатлантического океана Япетус и Палеоуральского океана. Гондвана же при этом
испытала лишь частичную деструкцию, но уже в катангскую (панафриканскую) орогению она спаялась в единый суперматерик.

Четвертый раз в Земле возникла одноячеистая конвективная структура и вновь сформировался единый суперконтинент – вегенеровская Пангея в конце палеозоя, около 250-230 Ма. Этому событию отвечает значение параметра NC =6, а также максимум тектонической активности герцинской орогении в фанерозое. Пангея, как и все другие суперконтиненты, тоже долго не просуществовала и уже в начале мезозоя (около 200 Ма) испытала первые импульсы деструкции, а приблизительно 190 Ма возникли и первые трансматериковые расколы, переросшие затем в молодые океаны: Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый.

Приведенные оценки NC(t), безусловно, являются приближенными, особенно если учесть существенную нестационарность мантийной конвекции, но они отражают главную особенность развития тектонической активности Земли – ее цикличность с продолжительностью около 380-420 Му. Если эту закономерность продлить и далее, но с учетом прогрессивного затухания конвективной активности Земли, то оказывается, что следующий полный конвективный цикл завершится приблизительно через 300 млн лет при NC = 7, а четвертый мегацикл с NC = 8 может завершиться через 1,2 млрд лет в будущем. Однако в связи с постепенным затуханием процесса бародиффузионного механизма дифференциации земного вещества и соответствующим снижением конвективной активности мантии пока не ясно, хватит ли сил у слабеющей мантийной конвекции на формирование последнего суперконтинента – гипотетической Гипергеи.

see http://plate-tectonic.narod.ru/earthdifferentiationphotoalbum.html
Kлючевые слова: гравитационная дифференциация, оболочки, конвекция, глобальная зона растяжения COX, циклы Bильсона

Закономерности Тектонической Активности Земли
Закономерности Формирования Континентальной Коры
Происхождение Земной Коры
ОРОГЕНЕЗ
Изменeниe внутреннeй структуры Земли в течение ee истории