Трицкий. общая геология. лекция.тема 2

систем, а точечные аномалии океанических островов с одиночными плюмами. Аномальное термическое поле активных континентальных окраин и горных систем большинство исследователей коррелирует с тепловым режимом астеносферы. Наконец, платформенные регионы отличаются крайне низкими теплопотерями. Тепловое поле является отражением термического режима астеносферы и мантии и развитием конвективных течений.

Строение геотермического поля Земли отражает причинно-следственные связи между оболочками Земли, между ядром, мантией, литосферой и земной корой, что подтверждается результатами сейсмотомографии и других методов изучения глубинного строения Земли. Однако необходимо иметь в виду, что в геологическом прошлом масштабы генерации тепловой энергии и положение ее источников были иными, что вызывает необходимость при геоисторических реконструкциях использовать косвенные методы. Главными показателями теплового режима недр прошлого являются масштабы генерации магм различного состава, места проявления магматизма и метаморфизма. Тепловой режим недр неоднократно менялся и необратимо эволюционировал во времени.

Энергетика Земли.Земля первоначально была однородной по составу, отвечающему составу метеоритов. В настоящее время она расслоена на кору, мантию и ядро. Следовательно, на планетарной стадии развития должен был действовать эффективный механизм разделения вещества. Поиски источников энергии, контролировавших темпы и общую направленность процессов подобной дифференциации вещества Земли, является важнейшей задачей геологии. Решение этой проблемы служит ключом к правильному пониманию общего хода геологических процессов истории Земли за 4,6 млрд. лет ее эволюции. Образное выражение: «Земля - это тепловая машина» - подтверждается многочисленными примерами поступления тепловой энергии к поверхности планеты. К их числу относятся проявления магматизма в виде излияния лавы в вулканических областях, периодическая поставка к поверхности нагретых вод гейзерами, общее повышение температуры недр, замеренной непосредственно в скважинах и глубоких шахтах и многие другие примеры. Глубокие недра Земли не только генерируют тепловую энергию, но и осуществляют ее выход к поверхности. Благодаря генерации тепловой энергии формируются различные магматические расплавы и флюиды. С ними непосредственно связано образование магматических и метаморфических пород, разуплотнение и уплотнение, растяжение и сжатие вещества оболочек Земли. Преобразование тепловой энергии в кинетическую предопределяет характер тектонических движений и деформацию горных масс. Через поверхность Земли в окружающее пространство в современную эпоху поступает энергия, оцениваемая в

41

4,2 103W. В каких частях недр Земли генерируется эта энергия? Каков механизм ее генерации и, наконец, каким путем она поставляется к поверхности? Решение этих вопросов всегда составляло ключевую проблему на всех этапах развития наук о Земле.

Первоначально, в XIX в, согласно теории Канта-Лапласа, предполагалось, что тепловой режим Земли отражает лишь ее постепенное остывание, в ходе которого из расплавов происходили кристаллизация минералов и образование оболочек твердой Земли. Исходя из параметров теплопотерь, ее возраст оценивался в пределах первой сотни млн. лет. Согласно современным космогоническим представлениям Земля образовалась из холодного протовещества, а ее разогрев и обусловленные им процессы эндогенной дифференциации произошли позднее на планетарном этапе ее эволюции. Крупнейшим открытием в естествознании, сделанном на рубеже XIX и XX столетий, явилось обнаружение радиоактивных элементов и их радиоактивный распад, сопровождаемый выделением тепловой энергии. Именно с ней, вплоть до 70- х годов ХХ в исследователи связывали энергетику Земли и большинство геологических процессов, проходивших в ее недрах,и отвергавшим представления об остаточном тепле ранее раскаленной планеты.

Радиогенная энергия. До открытия радиоактивности на рубеже XIX—XX вв. внутреннее тепло Земли считалось остаточным от ее первоначального огненножидкого состояния. Открытие явления радиоактивности опрокинуло эти представления. На этой основе сложились представления, что основным источником внутреннего тепла Земли является распад радиоактивных элементов, содержащихся в коре и мантии.

Радиогенная энергия образуется при распаде радиоактивных элементов, прежде всего урана, тория, калия. Идея об особой роли радиогенного тепла была прогрессивной для того времени. При оценке энергетического баланса Земли она позволила использовать реальные данные об энергии, выделявшейся при радиоактивном распаде. На них базировались теория общей эндогенной эволюции Земли и, прежде всего, господствовавшая в то время геосинклинальная теория формирования земной коры.

Вместе с тем все попытки объяснить глубинное тепло Земли на этой основе встречали определенные трудности. Изучение степени радиоактивности мантии и коры показало, что максимальные концентрации радиоактивных элементов сосредоточены в породах кислого ряда (гранитах и их излившихся аналогах). Их меньше в базальтах, ничтожно мало в мантийных породах. Незначительные концентрации характерны для метеоритов - исходного вещества Земли. (Рис.2.30).

Следовательно, из общего вклада радиогенного тепла в энергетику

42

дифференциации Земли максимум приходится на (алюмосиликатную) земную кору и является весьма скромным за счет мантии, а тем более ядра Земли.

Рис.2.30.Радиогенное тепло, генерируемое в породах

Радиогенное тепло не является основной компонентой той тепловой энергии, которая затрачивается на поддержание тектонической активности земли. Очевидно, существуют другие, более важные и более глубинные ее источники. Отсюда возникает необходимость поиска других источников энергии.

Энергия глубинной гравитационной дифференциации - важнейший источник тепла Земли. В основе его механизма лежат процессы выделения тепла при перераспределении вещества Земли по плотности при его химических и фазовых преобразованиях. Намечается несколько энергетических уровней. Важнейшим уровнем генерации энергии является граница между мантией и ядром. На глубинах 2700-2900 км в слое Д11 развивается процесс разделения вещества мантии на силикатную и металлическую (точнее металлизированную) части. В условиях больших давлений и температур в этой зоне запускается механизм стекания железа в ядро Земли. Реакции сопровождаются выделением большого количества гравитационной энергии и перегревом мантии.

На долю энергии при выделении ядра Земли приходится 3,0 1020 эрг/сек или около 75% от общей теплогенерации Земли. Одновременно формирующиеся высоко нагретые и более легкие массы вместе с растворенными в них литофильными элементами в виде потоков устремляются к поверхности, представляя восходящие струи конвективных потоков (плюмов).

Кроме радиоактивности и гравитационной дифференциации большую роль играли и другие виды энергии.Однако они проявились масштабно только на самых

43

ранних стадиях развития Земли.К их числу относятся энергия приливного торможения,а также аккреционная и импактная виды энергии.

Энергия приливного торможения генерируется гравитационным взаимодействием между Луной и Землей.Не случайно сейчас Землю и Луну рассмотривают как двойную планету. В результате взаимного притяжения на поверхности Земли возникают волны приливного торможения. В настоящее время они проявляются ежесуточно в виде океанических приливов и отливов. Их амплитуда в мелководных морях и на суше незначительная. Однако в прошлом благодаря гравитационному взаимодействию приливные волны интенсивно раскачивали Землю. 4,5 млрд. лет назад орбита Луны находилась на расстоянии не более трех радиусов Земли и совершала оборот вокруг своей оси всего за два часа. В эоархее (4,0 млрд. лет) продолжительность суток Земли 3 часа, а высота орбиты - 150 тыс. км. В начале протерозоя с увеличеним высоты орбиты до 340 тыс. км продолжительность суток составила 17, в девоне – 22.

Рис.2.31.Энергия приливного торможения:1-,2- выделение энергии,3- изменение расстояния между Землей и Луной,4,- изменение числа дней в году

44

В настоящее время высота орбиты – 380 тысяч км, а продолжительность суток - 24 часа. Таким образом, влияние Луны на развитие Земли особенно сильно сказалось на самых ранних стадиях ее эволюции. Трудно себе представить, что амплитуда приливных волн достигала 1,0-1,5 км, которые повторялись через каждые 2-3 часа. Подобное раскачивание Земли приводило к выделению огромного количества тепловой энергии, являвшейся важным вкладом в общую энергетику Земли. После образования Луны масштабы генерации приливной энергии в 13 тыс. раз превышали генерацию тепла в современной Земле. Доля приливной энергии в сегодняшнем суммарном тепловой потоке не превышает 1-2%.

Падение астероидов и планетезималей вносило не меньший вклад в общий энергетический баланс ранней Земли

Рис.2.32.Падение астероида (1), поверхность Луны со следами падавших на нее тел (2),кратер Аризона в Северной Америке (3)

О масштабах их бомбардировки можно судить по строению Луны и других планет, испещренных многочисленными кратерами. При падении астероидов проникновение ударной волны могло достигать глубины 500-700 км.

Приливное торможение, падение астероидов и радиогенное тепло предопределяли энергетику Земли в ранние этапы ее развития.

Поиски источников энергии эндогенных процессов дифференциации земного вещества привели к открытию этих источников. Определены масштабы генерации тепла и вклад каждого из них в общий энергетически баланс саморазвивающейся Земли (рис.2.33).

По расчетам О.Г.Сорохтина, С.А.Ушакова, Н.Л.Добрецова и др. каждый этап эволюции Земли характризовался специфическими условиями генерации энергии. На самом раннем этапе ведущее значение имели аккреционная, импактная, приливная и

45

радиогенная энергии. Аккреция вещества Земли, падение на ее поверхность космических тел, распад радиоактивных элементов и, наконец, рождение Луны на низкой орбите определяли масштабы генерации энергии, её сосредоточением преимущественно в верхней части разреза Земли.

Рис.2.33.Динамика генерации эндогенной тепловой энергии в геологической истории Земли (О.Г.Сорохтин). Суммарное выделение энергии складывается из различных ее видов на разных этапах эволюции Земли.

Время господства этих процессов не выходит за пределы эоархея. Начиная с позднего эоархея (4-3,5 млрд. лет назад), особенно в архее (3,5-2,5 млрд.лет назад) в связи с запуском механизма гравитационной дифференциации образования ядра Земли ведущим становится распад твердых растворов и диффузии окислов железа из кристаллов в межгранулярное пространство.

Таким образом, в дифференциации вещества Земли участвовали различные виды энергии – аккреционной, импактной, лунных приливов, радиогенной и гравитационной. В последние годы, благодаря изучению феномена качания полюса, разницы скоростей вращения мантии и ядра, а также вынужденного его перемещения под воздействием Луны и Солнца делается вывод, что эти процессы также генерируют энергию. Вклад каждого из видов энергии в общий процесс дифференциации вещества Земли осуществлялся на разных глубинных уровнях, в том числе на границе внутреннего и внешнего ядра, ядра и мантии, нижней, средней и верхней мантии, в астеносфере и земной коре и варьировал во времени. Познание механизма выхода

46

тепловой энергии, определение местоположения каналов ее транспортировки к поверхности являются, наряду с генерацией тепла важнейшей проблемой геологии.

ГРАВИТАЦИОННЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ В РАЗРЕЗЕ ЗЕМЛИ И КОНВЕКТИВНЫЕ ТЕЧЕНИЯ В МАНТИИ

Главную информацию о внутреннем строении Земли получают комплексом геофизических методов. Их дополняют лабораторные эксперименты, позволяющие.

Комплексное использование разных методов (многоканальное сейсмопрофилирование, глубинная сейсмотография, гравиметрия, магнитометрия, магнитотеллургическое зондирование, геотермия, моделирование обстановки поведения вещества оболочек Земли в условиях различных давления и температуры) позволило получить объемную картину глубинного строения Земли. Земля не только расслоена на оболочки, но и сами они имеют сложное внутреннее строение, латерально неоднородны по физическому состоянию и петрохимическому составу. Анализ распространения продольных, поперечных и поверхностных волн позволил получить объемную картину распределения плотностных неоднородностей не только в разрезе Земли в виде слагающих ее оболочек (геосфер), но и по латерали. Они устанавливаются по незначительным изменениям сейсмических скоростей в пределах ±0,5-3,0% по отношению к их средним фоновым показателям.

47

Рис.2.34.Сейсмотомографическая модель мантии. Распределение гравитационных неоднородностей в разрезе мантии (красное-низкоскоростные аномалии-апвелинги или суперплюмы, синее-высокоскоростные аномалии - даунвелинги или слзбы ). Мантия гравитационно неоднородна, что по закону Архимеда обуславливает всплывание легких масс (красное) и опускание тяжелых (синее). Тем самым запускается механизм круговорота вещества мантии и возникновение конвективных течений и плюмов.

Рис.2.35.Сейсмотомографи ческая модель Земли на уровне основания мантии (Д11) для глубины 2850 км.

Модель указывает на распределение температуры и плотности (по данным скоростей сейсмических волн) мантийных пород на

границе мантии и ядра

48

Основными элементами неоднородностей являются высоко- и низкоскоростные аномалии. Они интерпретируются как холодные (высокоскоростные) и горячие (низкоскоростные) потоки вещества.

Рис.2.36.Упрощенная модель гравитационных неоднородностей в разрезе мантии. От ядра над зонами активной сепарации железа путем бародиффузии возникают колонны нагретой мантии. Будучи окруженными более холодными массами они всплывают.

Мантийные породы, несмотря на их высокую вязкость, способны перемещаться в гравитационном поле Земли. Эти движения очень медленные, но, с учетом геологического времени, объекты мантии и блоки литосферы перемещаются на многие тысячи килиметров.

Сквозьмантийные низкоскоростные аномалии, представленные легким горячим материалом, получили название апвелингов или суперплюмов. Им противопоставляются даунвелинги или слэбы с характерными для них скоплениями плотных и более холодных масс вещества погружающейся океанической литосферы.

Их открытие явилось важным объективным подтверждением существования конвективных течений в мантии, поставляющих разогретые массы к поверхности в одних местах и увлекающих охлажденную литосферу в недра планеты вплоть до ядра в других. Доказательство реальности конвективных течений в мантии существенно упрочняет фундаментальные позиции теории литосферных плит и глобальной геодинамики.

Конвективные течения в мантии. Самостоятельной задачей проблемы энергетического баланса Земли является механизм транспортировки энергии. Возможно несколько способов ее передачи. Маловероятно, что эффективным механизмом переноса тепла из глубоких областей Земли могут быть теплопроводность и кондуктивный перенос тепла. Подсчитано, что теплоперенос посредством теплопроводности через мантию потребовал бы около 5 млрд. лет, т.е. больше чем время существования Земли. Перенос тепла излучением также невозможен, так как лучевая энергия поглощается вмещающей средой. Наиболее

49

эффективным способом передачи энергии является конвективный тепломассоперенос.

Под конвекцией понимается движение масс жидкости, возникающее вследствие гравитационной неустойчивости, обусловленной контрастом плотности и температуры в различных частях жидкостей. Перемещение менее плотных масс вверх и более плотных вниз сопровождается выделением энергии, а сами горные массы переносят тепло. Конвективные течения в мантии – единственный механизм, объясняющий глубинную дифференциацию вещества Земли. Если бы глубинное тепло поступало к поверхности кондуктивным путем обычной теплопроводности, то оно за все время существования планеты не достигло бы поверхности, а накапливалось в ее недрах, доведя их до полного расплавления. Конвективный тепломассоперенос гарантирует Землю от перегрева.

Рис.2.37.Три способа передачи энергии

Всплывание легкого и погружение тяжелого вещества будет продолжаться до их полного перераспределения. Конвекция, обусловленная процессами дифференциации на границе ядра и мантии, прекратится после сепарации железа. Все деформации и перемещения вещества, связанные с инверсией плотности в коре и мантии, являются проявлением свободной конвекции.

Конвективные течения принимают форму замкнутых ячей, что можно проверить на простом опыте. Читатель может в этом убедиться, проведя опыт подогрева воды в

кастрюле на газовой горелке (рис.5.16).

50