Закономерности Тектонической Активности Земли

Source-O.Sorohtin - http://www.evolbiol.ru/sorohtin10.pdf

Под тектонической активностью Земли понимают интенсивность протекания всей совокупности геологических процессов, приводящих к деформациям ее литосферы и проявления магматизма. После появления теории тектоники литосферных плит наглядной оценкой средней тектонической активности Земли стала мера движения ансамбля литосферных плит (например скорость их относительного перемещения). Однако физически обоснованной оценкой тектонической активности Земли следует все же считать энергетическую меру, определяемую в конечном итоге идущим из мантии глубинным тепловым потоком Q. Действительно, любые перемещения земных масс и магматические преобразования вещества, приводящие к тектонической активности, в конечном итоге преобразуются в тепло и теряются Землей с ее тепловым излучением.

Основная часть идущего из мантии глубинного тепла теряется через океанические плиты. В настоящее время эта доля составляет 92%, а в прошлые геологические эпохи она была болеше.Можно считать, что после возникновения эндогенной тектонической активности Земли параметр Q характеризовал режимы формирования и разрушения океанических литосферных плит. Но тепловой поток через океанское дно пропорционален корню квадратному из произведения средней скорости движения океанических плит на их площадь S (Сорохтин, Ушаков, 1991).

Считая, что современная средняя скорость движения океанических плит равна 5 см/год, и учитывая, что площадь океанических плит в архее постепенно увеличивалась вместе с расширением низкоширотного тектонически активного пояса Земли, можно оценить и среднюю скорость движения этих плит в прошлые геологические эпохи. Первый существенный всплеск тектонической активности Земли произошел в раннем архее, когда начал действовать механизм зонной дифференциации железа. Средняя скорость взаимного перемещения океанических плит тогда достигала 100–300 см/год, т.е. в 20–60 раз превышала современные скорости их движения. Столь высокие скорости плит определялись тем, что в раннем архее их площадь была незначительной и поэтому плотность теплового потока через них была, значительной.

В середине архея, около 3,2–3,1 млрд лет назад, наблюдалось ослабление тектонической активности с образованием более стабильных океанических плит, а скорость движения литосферных плит снизилась до 20–25 см/год. Уменьшение тектонической активности в середине архея объясняется тем, что в это время фронт зонной дифференциации земного вещества подошел к тем глубинам (около 800–1000 км), на которых существенно возросла разность между температурой плавления металлического железа и геотермой Земли и начиная с этого времени (3400 Ма) значительная часть гравитационной энергии, освобождавшейся при сепарации расплавов железа от силикатов, стала расходоваться не только на возбуждение конвективных движений в верхней мантии (т.е. не только на тектоническую активность Земли), но и на прогрев нижележащей и еще сравнительно холодной первозданной сердцевины молодой Земли.

В позднем архее, во время формирования земного ядра, наблюдался новый резкий всплеск тектонической активности Земли. Скорость движения океанических плит превышала 350 см/год и в пике достигала почти 400 см/год. Резкий всплеск тектонической активности был связан с двумя причинами: во-первых, с переходом процесса дифференциации земного вещества от сепарации металлического железа (в раннем архее) на дифференциацию более обильных эвтектических сплавов Fe*FeO; во-вторых, с катастрофическим процессом выделения земного ядра около 2,9–2,6 млрд лет назад, сопровождавшимся высвобождением энергии в 5*1037 эрг, что запечатлено в геологической летописи.

Начиная с раннего протерозоя скорость движения литосферных плит упала с 50 см/год до ее современного значения около 5 см/год и это снижение будет происходить и далее вплоть до того
момента, когда благодаря увеличению мощности океанических плит и их трению друг о друга оно вообще прекратится. Но произойдет это через 1–1,5 млрд лет.

Таким образом, глобальную эволюцию тектонического развития Земли можно разделить на
четыре различных этапа:

1) пассивный догеологический (катархейский)
2) исключительно активный архейский
3) умкеренно активный протерозойско-фанерозойский
4) тектоническая смерть Земли

Древнейший этап продолжался около 600 Му от момента образования Земли 4,6 млрд лет назад до начала ее тектонической активности в раннем архее приблизительно 4,0 млрд лет назад. В это время тектономагматические проявления эндогенного происхождения полностью отсутствовали, поскольку Земля была холодным космическим сгустком вещества, температура ее недр была ниже температуры начала плавления. Тем не менее Земля в эпоху катархея не была тектонически мертвой. Ее недра постепенно разогревались за счет энергии распада радиоактивных элементов и приливного взаимодействия с Луной, подготавливая тем самым условия для перехода Земли к тектонически активным этапам развития. Экзогенная тектоника приливного происхождения играла существенную роль.

Первые явные и интенсивные проявления эндогенной тектономагматической активности Земли отмечаются в начале архея, 3800 Ма (Мурбат, 1980; Тейлор, Мак-Леннан, 1988), когда тектоническая активность Земли была подготовлена радиогенным и приливным прогревом земного вещества до уровня появления в ее верхней мантии первичной астеносферы.

Последовавшая за этим взрывная активизация тектономагматической деятельности на Земле происходила вначале за счет “накачивания” в образовавшуюся астеносферу приливной энергии лунно-земных взаимодействий, а затем благодаря выделению гравитационной энергии дифференциации земного вещества.

Быстрое расширение астеносферы с перегревом и почти полным расплавлением ее вещества привело в архее к резкому уменьшению мощности перекрывавшей ее литосферы. Но плотность богатой железом и его окислами (Fe- 13% и FeO -23%) первичной литосферы ( р= 3,9 г/см3) тогда существенно превышала плотность вещества уже прошедшего к этому времени дифференциацию молодой астеносферы ( ра= 3,3–3,4 г/см3). Поэтому вся первичная литосфера в архее должна была погрузиться в расплавленную верхнюю мантию и там полностью переплавиться, стерев таким путем из геологической летописи Земли практически все прямые следы катархейского этапа ее развития.

“Накачка” приливной энергии в астеносферу в архее происходила в основном в экваториальном поясе Земли, поэтому и первые зародыши континентальных массивов общим числом около 40 в начале раннего архея могли возникать лишь в приэкваториальных областях. Однако после начала действия нового и очень мощного энергетического источника – освобождения гравитационной энергии по механизму зонной дифференциации земного вещества пояс тектонической активности Земли стал расширяться, захватывая собой и более высокие широты, а число континентальных щитов, наоборот, стало сокращаться и одновременно увеличиваться по массе. К концу же архея, около 2600 Ма, тектоническими движениями оказалась охваченной вся Земля, а все возникшие в архее материки объединились в единый суперконтинент – Моногею.

Определение глубинного теплового потока Q позволяет рассчитать и другие важные характеристики тектонической активности Земли. Одной из таких характеристик является средняя продолжительность жизни океанических плит t, пропорциональная квадрату отношения площади океанических плит к пронизывающему их тепловому потоку Q. Другой характеристикой является
средняя мощность Н океанических плит при достижении ими предельного возраста t, пропорциональная отношению суммарной площади океанических плит к тому же самому тепловому потоку. Если принять, что современная средняя продолжительность жизни океанических плит приблизительно равна t =120 Му при толщине 80 км, то оказывается, что в раннем архее толщина таких плит в пике активности около 3,6 млрд лет назад снижалась до 6,2 км, а время их жизни – до 700 тыс. лет. В середине архея около 3,3 млрд лет назад предельная толщина океанических плит поднялась до 27 км, а их продолжительность жизни – почти до 14 Му. В позднем архее, около 2,9 млрд лет назад, значение Н вновь снизилось приблизительно до 8 км, а
время жизни океанических плит – до 1,2 Му.

Средний объем базальтовых излияний на океаническом дне пропорционален пронизывающему его тепловому потоку, поэтому аналогичным путем можно определить и мощность базальтового слоя океанической коры В. Принимая мощность этого слоя в современной океанической коре приблизительно равной 2км (без учета слоя габбро), найдем, что в раннем архее толщина базальтового слоя могла бы достигать 9 км, а в позднем архее – превышать 32 км. Однако в те далекие времена толщина базальтового слоя лимитировалась не объемами базальтовых излияний, а глубиной начала плавления мантийного вещества, т.е. мощностями литосферных плит, которые в раннем и позднем архее соответственно равнялись 6,2 и 8 км. Отсюда видно, что тогда тонкие базальтовые пластины со средней плотностью около 2,8–2,9 г/см3 залегали непосредственно на расплавленной мантии плотностью не ниже 3,3–3,2 г/см3. В начале архея и в его середине около 3,2 млрд лет назад мощность литосферных плит превышала толщину базальтового слоя. В протерозое мощность базальтового слоя (без учета слоя габбро) океанической коры постепенно снижалась с 6,5 до 2 км.

Закономерности Формирования Континентальной Коры