Возможные причины тектонической активности Земли
Общие тектонические гипотезы развития Земли всегда играли важную роль в формировании естественнонаучного мировоззрения геологов. Это и понятно, поскольку роль теории как системы руководящих идей и принципов в геологии, как и в любой другой науке естествознания, прежде всего, состоит в том, что она позволяет правильно понимать сущность наблюдаемых природных явлений. Кроме того, отвечает на вопросы «почему» и «как» и, следовательно, позволяет нам выявлять причинно-следственные связи, управляющие ходом развития геологических явлений и скрытых за ними процессов.
По-видимому, первой и для своего времени научно обоснованной тектонической гипотезой, носившей явно концептуальный характер и позволявшей искать причинноследственные связи в геологических явлениях, была знаменитая контракционная гипотеза Эли де Бомона, предложенная ещё в 30-х годах XIX в. К сожалению, эта стройная гипотеза не удовлетворила требованиям современной физики и не смогла объяснить многие закономерности геологического развития Земли, обнаруженные уже в XX в. Тем не менее кажущаяся «очевидность» и внутренняя красота контракционной гипотезы буквально заворожили геологов, и благодаря этому она господствовала в науках о Земле около 100 лет, дожив до 30-х годов ХХ в.
Современная тектоническая теория, на этот раз строго научно обоснованная и увязанная практически со всеми геологическими данными, — тектоника литосферных плит, была сформулирована только в 60-х годах ХХ в. Природа же глобальных процессов, управляющих тектонической активностью Земли, стала проясняться ещё позже — лишь в середине 70-х годов (Геодинамика, 1979). К настоящему времени эти процессы во многом уже рассмотрены теоретически, хотя и не всегда столь глубоко изучены, как этого бы хотелось. Полученное при этом неплохое соответствие теоретических выводов геологическим данным, а также отсутствие явных противоречий и широкая проверка теории на её соответствие современной физике позволяют нам надеяться, что уже настало время, когда можно говорить о появлении в геологии современной и строго научной теории развития Земли.
Тем не менее не следует забывать, что после краха контракционной концепции ей на смену появилась масса других чисто описательных тектонических гипотез, имеющих лишь историческую ценность. Однако некоторые из них, несмотря на явные противоречия геологическим данным и законам физики, оказались на редкость живучими у части геологов и даже стали противопоставляться теории тектоники литосферных плит. Особенно это касается гипотез расширяющейся, пульсирующей и гидридной Земли.
Критике этих гипотез посвящено много работ (Сорохтин, 1985; Сорохтин, Ушаков, 1991), поэтому, не останавливаясь подробно на их разборе, отметим лишь основные недостатки, а часто и просто несуразности таких гипотез. Так, в любых вариантах гипотез такого рода обычно не описываются и тем более количественно не рассчитываются физически приемлемые механизмы, способные обеспечить изменения объёма Земли в предполагаемых масштабах. Большинство же из предлагавшихся механизмов явно противоречат законам современной физики или экспериментальным данным о поведении вещества в условиях высоких давлений и температур (например, гипотеза гидридной Земли) и поэтому сегодня не могут восприниматься как серьёзные гипотезы. В частности, во многих вариантах гипотезы расширяющейся Земли, использующих предположение об изменениях значения гравитационной постоянной или самовозрастания массы небесных тел (за счёт якобы «рождения массы из вакуума»), не учитывается, что эти же факторы должны были бы действовать не только на Землю, но и на Солнце. Однако любые заметные изменения определяющих параметров Солнца неизбежно приводили бы к катастрофическим для него и Земли последствиям вплоть до взрыва Солнца и возникновения на его месте чёрной дыры.
Иногда для объяснения тектонической активности Земли привлекают чисто экзогенные воздействия, например вращение Солнечной системы вокруг центра тяжести Галактики или неравномерность собственного вращения Земли. Если говорить о первом из этих механизмов, то необходимо учитывать, что Земля, как и другие космические тела, движутся в пространстве только по эквипотенциальной поверхности гравитационного поля. При этом деформационные воздействия такого поля на Землю могут возникать только в случае существования заметных градиентов силы тяжести возмущающего поля, вызывающего приливные силы.
Воздействие приливных сил на Землю в современную эпоху их влияние со стороны Луны (наибольшего «возмутителя спокойствия») ничтожно мало — не превышает 1%. Тем не менее градиент ускорения силы тяжести лунных приливов 1,7×10-13 с-2 существенно выше солнечного градиента 7,87×10-14 и на много порядков превышает градиенты, создаваемые галактическим полем тяготения 1,5×10-30 с-2 . Следовательно, градиент силы тяжести лунных приливов приблизительно в 1017 раз больше градиента, создаваемого галактическим гравитационным полем, поэтому ни о каких влияниях «галактического года» на тектонику Земли и говорить не приходится.
То же самое можно сказать и о влиянии неравномерности собственного вращения Земли на её тектоническую активность. Общая энергия вращения современной Земли, как известно, приблизительно равна 2,1×1036 эрг. Как было показано в разделе 5.3, начиная с позднего архея плавное замедление вращения Земли практически не влияло на тектоническую активность нашей планеты. Что же касается неравномерностей её вращения, вызываемые как самими тектоническими движениями, так и колебаниями солнечно-земных связей, то мощность таких энергетических воздействий не превышает 1,6×1017 эрг/с. Это почти на 3,5 порядка меньше суммарной мощности эндогенных источников энергии, питающих собой тектоническую активность Земли.
Аналогичному критическому разбору можно было бы подвергнуть и некоторые другие умозрительные гипотезы, например гипотезу океанизации (базификации) континентальной коры, явно нарушающую закон Архимеда, но, по-видимому, это уже можно и не делать, поскольку за последние годы такие гипотезы и сами успели переместиться из сферы науки на полку истории.
Таким образом, кроме лунных приливов, всеми остальными факторами экзогенного воздействия на тектоническую активность Земли можно пренебрегать. Лунные же приливы, вносили заметный вклад в общий разогрев Земли только в катархее (т.е. ещё на догеологическом этапе её истории) и в раннем архее, послужив тем самым как бы спусковым механизмом, запустившим тектоническое развитие Земли. В остальное же время вклад лунных приливов в тектонику нашей планеты оставался достаточно скромным. Следовательно, тектоническая активность Земли начиная со времени 3,8 млрд лет назад, практически всегда питалась только эндогенной энергией.
Отмечая малое влияние внешних факторов на тектоническую активность нашей планеты, одновременно нельзя забывать о большом, а часто и определяющем воздействии на общегеологическое развитие Земли солнечного излучения, т.е. чисто экзогенного фактора. Это и понятно, поскольку суммарный поток солнечной энергии на земную поверхность (около 1,75×1024 эрг/с) приблизительно в 4 000 раз превосходит величину глубинного теплового потока самой Земли (4,3×1020 эрг/с). Верхние же геосферы Земли — её атмосфера, гидросфера, земная кора и даже литосфера находятся в постоянном массообмене друг с другом. При этом не следует забывать, что эти внешние геосферы сформировались на Земле только благодаря действию эндогенных процессов дегазации и дифференциации земных недр. Однако существование на Земле жидкой фазы воды, комфортных климатических условий, высокоорганизованной жизни, развитие процессов выветривания горных пород, седиментогенеза, образования эвапоритов, горючих и других экзогенных полезных ископаемых связаны исключительно с солнечным излучением.
Как уже отмечалось во введении, эволюция Земли и её тектоническая активность должны управляться наиболее мощными эндогенными процессами, в максимальной степени снижающими её потенциальную (внутреннюю) энергию. К таким процессам относятся только химико-плотностная дифференциация земного вещества, распад радиоактивных элементов и лунные приливы. При этом лунные приливы вносили свой заметный вклад только на самых начальных этапах развития Земли. На геологическом же этапе её развития, т.е. начиная приблизительно с 4,0-3,8 млрд лет назад, таким процессом стала химико-плотностная (гравитационная) дифференциация земного вещества, приведшая к расслоению Земли на плотное окисно-железное ядро и остаточную силикатную мантию.
Этот процесс сопровождается возникновением в мантии крупномасштабных конвективных движений, охватывающих всю мантию (верхнюю и нижнюю) с образованием конвективных ячеек, размеры которых соизмеримы с размерами самой мантии. Этим объясняется как сам факт дрейфа континентов, так и существование крупных литосферных плит, поперечные размеры которых часто достигают многих тысяч километров. В результате перемещения литосферных плит возникает комплекс геологических процессов и явлений, с которыми мы обычно связываем понятие тектонической активности Земли (например, землетрясения, вулканическая деятельность, горообразование и др.). Наглядной мерой тектонической активности Земли может выступать средняя скорость относительных перемещений литосферных плит (современное значение этой скорости близко к 4,5-5 см/год). Однако если учесть, что энергия любых динамических (тектонических) процессов в недрах Земли в конце концов переходит в тепло, то наиболее естественной мерой тектонической активности Земли все-таки является идущий из мантии глубинный тепловой поток, суммарное значение которого сегодня достигает значений 3,39×1020 эрг/с (см. рис. 55).
Наиболее мощным эндогенным процессом, управляющим тектонической активностью Земли, является процесс химико-плотностной дифференциации Земли, приводящий к выделению в её глубинных недрах земного ядра и генерирующий в мантии конвективные движения вещества. По-видимому, впервые важную роль процесса образования земного ядра в тектонической активности Земли подчеркнул С. Ранкорн (Runcorn, 1962, 1965). Позднее этот вопрос рассматривался в работах О. Г. Сорохтина (1972, 1974), А. С. Монина (1977, 1999), А. С. Монина, О. Г. Сорохтина (1981, 1982), О. Г. Сорохтина, С. А. Ушакова (1991, 1993) и др.
В настоящее время есть много доказательств того, что тектонические процессы в литосферной оболочке Земли непосредственно связаны с конвективными движениями вещества в глубинах мантии. Главными из них можно считать дрейф континентов; молодость дна океанов; наличие глобальной системы рифтовых зон, в которых на поверхность поднимается мантийное вещество и образуется молодая океаническая кора; существование глобальных поясов сжатия, под которыми океаническая кора погружается в мантию. Имеется ряд других фактов, подтверждающих этот вывод, часть из которых будет рассматриваться подробнее в последующих разделах этой монографии.
Рассматривая природу мантийной конвекции, следует учитывать ведущую роль в её возникновении процесса химико-плотностной дифференциации земного вещества. Однако при этом не следует забывать и о вкладе тепловой составляющей конвекции. Этот вклад определяется как разогревом вещества благодаря диссипации энергии конвективных течений в вязком веществе мантии, так и дополнительным разогревом мантийного вещества благодаря распаду радиоактивных элементов и воздействию приливных возмущений. Судя по энергетическим оценкам, вклад радиогенного тепла в энергетику конвективного массооборота мантийного вещества в настоящее время не превышает 10%, а вклад приливных деформаций в разогрев этого вещества сейчас менее 1%. Главная же часть эндогенной энергии, питающей тектоническую активность Земли (почти 90%), черпается из процесса дифференциации земного вещества. Учитывая приведённые оценки, природу тектонической (или, точнее, тектономагматической) активности Земли следует связывать не просто с гравитационной, а с гравитационно-тепловой конвекцией. В дальнейшем, как синоним этого понятия, мы будем широко использовать термин «химико-плотностная конвекция», понимая под ним, что плотностные неоднородности в мантии возникают не только за счёт изменений химического состава вещества, но и благодаря её температурным неоднородностям.
По-видимому, первой и для своего времени научно обоснованной тектонической гипотезой, носившей явно концептуальный характер и позволявшей искать причинноследственные связи в геологических явлениях, была знаменитая контракционная гипотеза Эли де Бомона, предложенная ещё в 30-х годах XIX в. К сожалению, эта стройная гипотеза не удовлетворила требованиям современной физики и не смогла объяснить многие закономерности геологического развития Земли, обнаруженные уже в XX в. Тем не менее кажущаяся «очевидность» и внутренняя красота контракционной гипотезы буквально заворожили геологов, и благодаря этому она господствовала в науках о Земле около 100 лет, дожив до 30-х годов ХХ в.
Современная тектоническая теория, на этот раз строго научно обоснованная и увязанная практически со всеми геологическими данными, — тектоника литосферных плит, была сформулирована только в 60-х годах ХХ в. Природа же глобальных процессов, управляющих тектонической активностью Земли, стала проясняться ещё позже — лишь в середине 70-х годов (Геодинамика, 1979). К настоящему времени эти процессы во многом уже рассмотрены теоретически, хотя и не всегда столь глубоко изучены, как этого бы хотелось. Полученное при этом неплохое соответствие теоретических выводов геологическим данным, а также отсутствие явных противоречий и широкая проверка теории на её соответствие современной физике позволяют нам надеяться, что уже настало время, когда можно говорить о появлении в геологии современной и строго научной теории развития Земли.
Тем не менее не следует забывать, что после краха контракционной концепции ей на смену появилась масса других чисто описательных тектонических гипотез, имеющих лишь историческую ценность. Однако некоторые из них, несмотря на явные противоречия геологическим данным и законам физики, оказались на редкость живучими у части геологов и даже стали противопоставляться теории тектоники литосферных плит. Особенно это касается гипотез расширяющейся, пульсирующей и гидридной Земли.
Критике этих гипотез посвящено много работ (Сорохтин, 1985; Сорохтин, Ушаков, 1991), поэтому, не останавливаясь подробно на их разборе, отметим лишь основные недостатки, а часто и просто несуразности таких гипотез. Так, в любых вариантах гипотез такого рода обычно не описываются и тем более количественно не рассчитываются физически приемлемые механизмы, способные обеспечить изменения объёма Земли в предполагаемых масштабах. Большинство же из предлагавшихся механизмов явно противоречат законам современной физики или экспериментальным данным о поведении вещества в условиях высоких давлений и температур (например, гипотеза гидридной Земли) и поэтому сегодня не могут восприниматься как серьёзные гипотезы. В частности, во многих вариантах гипотезы расширяющейся Земли, использующих предположение об изменениях значения гравитационной постоянной или самовозрастания массы небесных тел (за счёт якобы «рождения массы из вакуума»), не учитывается, что эти же факторы должны были бы действовать не только на Землю, но и на Солнце. Однако любые заметные изменения определяющих параметров Солнца неизбежно приводили бы к катастрофическим для него и Земли последствиям вплоть до взрыва Солнца и возникновения на его месте чёрной дыры.
Иногда для объяснения тектонической активности Земли привлекают чисто экзогенные воздействия, например вращение Солнечной системы вокруг центра тяжести Галактики или неравномерность собственного вращения Земли. Если говорить о первом из этих механизмов, то необходимо учитывать, что Земля, как и другие космические тела, движутся в пространстве только по эквипотенциальной поверхности гравитационного поля. При этом деформационные воздействия такого поля на Землю могут возникать только в случае существования заметных градиентов силы тяжести возмущающего поля, вызывающего приливные силы.
Воздействие приливных сил на Землю в современную эпоху их влияние со стороны Луны (наибольшего «возмутителя спокойствия») ничтожно мало — не превышает 1%. Тем не менее градиент ускорения силы тяжести лунных приливов 1,7×10-13 с-2 существенно выше солнечного градиента 7,87×10-14 и на много порядков превышает градиенты, создаваемые галактическим полем тяготения 1,5×10-30 с-2 . Следовательно, градиент силы тяжести лунных приливов приблизительно в 1017 раз больше градиента, создаваемого галактическим гравитационным полем, поэтому ни о каких влияниях «галактического года» на тектонику Земли и говорить не приходится.
То же самое можно сказать и о влиянии неравномерности собственного вращения Земли на её тектоническую активность. Общая энергия вращения современной Земли, как известно, приблизительно равна 2,1×1036 эрг. Как было показано в разделе 5.3, начиная с позднего архея плавное замедление вращения Земли практически не влияло на тектоническую активность нашей планеты. Что же касается неравномерностей её вращения, вызываемые как самими тектоническими движениями, так и колебаниями солнечно-земных связей, то мощность таких энергетических воздействий не превышает 1,6×1017 эрг/с. Это почти на 3,5 порядка меньше суммарной мощности эндогенных источников энергии, питающих собой тектоническую активность Земли.
Аналогичному критическому разбору можно было бы подвергнуть и некоторые другие умозрительные гипотезы, например гипотезу океанизации (базификации) континентальной коры, явно нарушающую закон Архимеда, но, по-видимому, это уже можно и не делать, поскольку за последние годы такие гипотезы и сами успели переместиться из сферы науки на полку истории.
Таким образом, кроме лунных приливов, всеми остальными факторами экзогенного воздействия на тектоническую активность Земли можно пренебрегать. Лунные же приливы, вносили заметный вклад в общий разогрев Земли только в катархее (т.е. ещё на догеологическом этапе её истории) и в раннем архее, послужив тем самым как бы спусковым механизмом, запустившим тектоническое развитие Земли. В остальное же время вклад лунных приливов в тектонику нашей планеты оставался достаточно скромным. Следовательно, тектоническая активность Земли начиная со времени 3,8 млрд лет назад, практически всегда питалась только эндогенной энергией.
Отмечая малое влияние внешних факторов на тектоническую активность нашей планеты, одновременно нельзя забывать о большом, а часто и определяющем воздействии на общегеологическое развитие Земли солнечного излучения, т.е. чисто экзогенного фактора. Это и понятно, поскольку суммарный поток солнечной энергии на земную поверхность (около 1,75×1024 эрг/с) приблизительно в 4 000 раз превосходит величину глубинного теплового потока самой Земли (4,3×1020 эрг/с). Верхние же геосферы Земли — её атмосфера, гидросфера, земная кора и даже литосфера находятся в постоянном массообмене друг с другом. При этом не следует забывать, что эти внешние геосферы сформировались на Земле только благодаря действию эндогенных процессов дегазации и дифференциации земных недр. Однако существование на Земле жидкой фазы воды, комфортных климатических условий, высокоорганизованной жизни, развитие процессов выветривания горных пород, седиментогенеза, образования эвапоритов, горючих и других экзогенных полезных ископаемых связаны исключительно с солнечным излучением.
Как уже отмечалось во введении, эволюция Земли и её тектоническая активность должны управляться наиболее мощными эндогенными процессами, в максимальной степени снижающими её потенциальную (внутреннюю) энергию. К таким процессам относятся только химико-плотностная дифференциация земного вещества, распад радиоактивных элементов и лунные приливы. При этом лунные приливы вносили свой заметный вклад только на самых начальных этапах развития Земли. На геологическом же этапе её развития, т.е. начиная приблизительно с 4,0-3,8 млрд лет назад, таким процессом стала химико-плотностная (гравитационная) дифференциация земного вещества, приведшая к расслоению Земли на плотное окисно-железное ядро и остаточную силикатную мантию.
Этот процесс сопровождается возникновением в мантии крупномасштабных конвективных движений, охватывающих всю мантию (верхнюю и нижнюю) с образованием конвективных ячеек, размеры которых соизмеримы с размерами самой мантии. Этим объясняется как сам факт дрейфа континентов, так и существование крупных литосферных плит, поперечные размеры которых часто достигают многих тысяч километров. В результате перемещения литосферных плит возникает комплекс геологических процессов и явлений, с которыми мы обычно связываем понятие тектонической активности Земли (например, землетрясения, вулканическая деятельность, горообразование и др.). Наглядной мерой тектонической активности Земли может выступать средняя скорость относительных перемещений литосферных плит (современное значение этой скорости близко к 4,5-5 см/год). Однако если учесть, что энергия любых динамических (тектонических) процессов в недрах Земли в конце концов переходит в тепло, то наиболее естественной мерой тектонической активности Земли все-таки является идущий из мантии глубинный тепловой поток, суммарное значение которого сегодня достигает значений 3,39×1020 эрг/с (см. рис. 55).
Рисунок 55. Дифференциальная форма энергетического баланса Земли:
1 — суммарная скорость выделения эндогенной энергии в мантии Земли E&m ; 2 — суммарное значение глубинного (мантийного) теплового потока Q&m ; 3 — скорость изменения теплового запаса Земли W&; (пик суммарной скорости выделения эндогенной энергии на времени 2,6 млрд лет назад соответствует моменту образования земного ядра).
Наиболее мощным эндогенным процессом, управляющим тектонической активностью Земли, является процесс химико-плотностной дифференциации Земли, приводящий к выделению в её глубинных недрах земного ядра и генерирующий в мантии конвективные движения вещества. По-видимому, впервые важную роль процесса образования земного ядра в тектонической активности Земли подчеркнул С. Ранкорн (Runcorn, 1962, 1965). Позднее этот вопрос рассматривался в работах О. Г. Сорохтина (1972, 1974), А. С. Монина (1977, 1999), А. С. Монина, О. Г. Сорохтина (1981, 1982), О. Г. Сорохтина, С. А. Ушакова (1991, 1993) и др.
В настоящее время есть много доказательств того, что тектонические процессы в литосферной оболочке Земли непосредственно связаны с конвективными движениями вещества в глубинах мантии. Главными из них можно считать дрейф континентов; молодость дна океанов; наличие глобальной системы рифтовых зон, в которых на поверхность поднимается мантийное вещество и образуется молодая океаническая кора; существование глобальных поясов сжатия, под которыми океаническая кора погружается в мантию. Имеется ряд других фактов, подтверждающих этот вывод, часть из которых будет рассматриваться подробнее в последующих разделах этой монографии.
Рассматривая природу мантийной конвекции, следует учитывать ведущую роль в её возникновении процесса химико-плотностной дифференциации земного вещества. Однако при этом не следует забывать и о вкладе тепловой составляющей конвекции. Этот вклад определяется как разогревом вещества благодаря диссипации энергии конвективных течений в вязком веществе мантии, так и дополнительным разогревом мантийного вещества благодаря распаду радиоактивных элементов и воздействию приливных возмущений. Судя по энергетическим оценкам, вклад радиогенного тепла в энергетику конвективного массооборота мантийного вещества в настоящее время не превышает 10%, а вклад приливных деформаций в разогрев этого вещества сейчас менее 1%. Главная же часть эндогенной энергии, питающей тектоническую активность Земли (почти 90%), черпается из процесса дифференциации земного вещества. Учитывая приведённые оценки, природу тектонической (или, точнее, тектономагматической) активности Земли следует связывать не просто с гравитационной, а с гравитационно-тепловой конвекцией. В дальнейшем, как синоним этого понятия, мы будем широко использовать термин «химико-плотностная конвекция», понимая под ним, что плотностные неоднородности в мантии возникают не только за счёт изменений химического состава вещества, но и благодаря её температурным неоднородностям.