геотектоника

Индийского океана, а также широтного океана опоясывающего Антарктиду. К середине мела это привело к сокращению Тетиса, началу формирования Альпийско-Гималайского складчатого пояса. Это формирование резко усилилось в конце эоцена. Панталасса сокращалась, превращаясь в современный Тихий океан.

На рубеже эоцена и олигоцена завершилось формирование основных черт структуры и рельефа Земли. Это позволяет выделить особую неотектоническую стадию развития земной коры в рамках позднеме- зозойского-кайнозойского этапа.

Общая тенденция в развитии Земли выражается в неуклонном снижении теплового и флюидного потоков, направленных к ее поверхности. В архее тепловой поток был в 3–4 раза больше современного, а его снижение не было плавным. Происходило периодическое накопление и сброс этого эндогенного тепла. На фоне охлаждения и сжатия планеты происходило ее разделение на оболочки. Периодичность развития Земли выражается и циклами создания и разрушения суперконтинентов, образования океанов (циклов Вилсона).

Литература к разделу 5: [1, 6, 10]

6.ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИМЕХАНИЗМЫ ТЕКТОНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Земля постоянно испытывает сложное силовое воздействие, обусловленное наложением и кооперацией многообразных процессов, протекающих как за ее пределами, так и внутри нее самой на самых различных иерархических уровнях.

6.1. Ротационный и космический факторы в геодинамике

При анализе сил внешнего воздействия на планету необходимо выделить две стороны этого явления: собственное вращение Земли вокруг своей оси и то воздействие, которое оказывает окружающая среда на это вращение, обусловливая неоднородность его скорости.

Силовые поля, обусловленные ротационными силами, возника-

ют в связи с тем, что Земля испытывает осевое вращение, скорость которого нестабильна и в целом убывала во времени из-за тормозящего влияния приливов. При вращении возникает центробежная сила, величина которой определяется из соотношения:

71

F = mω²R,

где, m – масса элементарного объема, ω – угловая скорость вращения Земли, R – радиус окружности, соответствующей широтному положению элементарного объема.

Одним из следствий вращения является эллипсоидальная форма планеты. Происходят периодические изменения параметров вращения – наклона оси к плоскости эклиптики (период 40 тыс. лет), прецессии(период20 тыс. лет), эксцентриситетаорбиты(период100 тыс. лет). Инструментальныминаблюдениями, крометого, установленапериодичность изменения скорости вращения трех порядков; суточная, сезонная, декадная. С помощью спутниковой локации установлено, что с этой периодичностью согласуется периодичность изменения фигуры Земли. А. Л. Яншин предполагает, что продолжительность суток на границе силура и девона не превышала 18 час, а скорость вращения Земли в начале рифея была в два раза больше современной. На изменение скорости осевого вращения Земли оказывают влияние особенности ее движения по орбите вокруг Солнца, ееперемещение вместе с Солнечной системой вокруг ядра Галактики, гравитационное взаимодействие с Луной.

Поскольку при перемещении Земли в составе Солнечной системы от апогалактия к перигалактию ее скорость и масса возрастают, планета испытывает сжатие. При движении от перигалактия к апогалактию она расширяется. Такая пульсация объема Земли, ее среднего радиуса и средней плотности приводят к изменению скорости осевого вращения. Поскольку в ходе геологической истории Земля претерпевает общее гравитационное сжатие, то при интерференции этих процессов сжатие преобладает над расширением. По астрономическим и геофизическим данным скорость векового сжатия планеты в среднем за столетие составляет 2,6 см, а в современную эпоху по расчетам А.Т. Асланяна – до 6,4 см за 100 лет. Тем не менее, скорость вращения уменьшается, поскольку приливное вековое замедление в три раза больше векового ускорения. Устанавливаемое по астрономическим данным увеличение длины суток за 100 000 лет (+2 с) – результат сложения приливно обусловленного роста суток (+3 с) и уменьшения периода осевого вращения за счет векового сжатия (–1 с). М. В. Стовас (1962), а затем и Г. Н. Каттерфельд (2000) показали, что при полярном сжатии планеты, которое сопряжено с растяжением в экваториальной плоскости, с учетомтрехосностигеоида, выделяютсяэкстремальныеикритическиекруги. Экстремальные круги – параллели 0°, 62°, 90°; меридиан 105–75°. Здесь наиболее велики нормальные радиальные напряжения. Критиче-

72

ские круги – это зоны параллели 35° и меридианов 60–120° и 150–30°, где максимального значения достигают касательные напряжения. При этом в процессе общего замедления скорости вращения и связанного с ним векового уменьшения полярного сжатия Земли Северное полушарие опережает Южное и возникает полярная асимметрия фигуры Земли. На севере параллель 62° ограничивает Северный Ледовитый океан, а на юге – Антарктиду.

Трехосность Земли, ее разделение по меридиану малой оси экватора 105–75° на океаническое и континентальное полушария, объясняются развитием системы Земля–Луна. Большая ось трехосного эллипсоида проходит по направлению Тихий океан – Африка. Асимметричный трехосный эллипсоид стремится к устойчивой сферической форме. Следствием этого является уменьшение векового экваториального сжатия в восточно-западной асимметрии Земли.

При вращательном движении происходит вековое относительное отставание северных зон и опережение южных, нарастающее от экватора и полюсов к параллелям 62°, чем объясняется относительный сдвиг обоих полушарий по указанным параллелям и S-образное искривление меридиональныхосейАмерики, Австралииипреобладаниенабольшей части литосферы разломов северо-западного простирания.

Большое значение имеет гравитационное влияние Луны.

Ю. Н. Авсюк (2001) отметил, что, характеризуя орбитальное ускорение небесного тела, принято выделять невозмущенную (Кеплерову) часть и возмущения. При оценках приливных сил необходимо учитывать влияние не только Луны (невозмущенная составляющая), но и Солнца (возмущенная составляющая). Масса Луны составляет 1/81 долю от массы Земли. Она вместе с Землей образует единую планетную систему (двойную планету), центр (барицентр) которой расположен на расстоянии 0,8 земного радиуса (глубина примерно 1270 км от поверхности Земли). Эклиптика Земли – это плоскость орбиты барицентра. Система Земля – Луна, вращаясьвокругбарицентра, сообщаетЗемлеприливнуюсилукаксо стороныЛуны0,000056 см/с², такисостороныСолнца0,00002 см/с². Отношение лунной части гравитационного влияния к солнечной составляет 0,34. Угловая скорость планеты существенно больше угловой скорости движения спутника по орбите. Под воздействием приливов гидросфера деформировалась и приобрела форму эллипсоида, большая полуось которого из-за разницы угловых скоростей оказалась смещенной относительно линии, соединяющей центры Земли о Луны на угол ε. При положительном значении этого угла гравитационное взаимодействие ускоряет орбитальное движение спутника и замедляет вращение пла-

73

неты. Если угол отрицательный, то замедляется орбитальное движение спутника и ускоряется вращение планеты.

Для структурно неоднородной Земли, состоящей из атмосферы, гидросферы, коры, мантии, жидкого внешнего ядра, внутри которого «взвешено» твердое ядро, по модулю приливной силы, действующей в центре планеты, с учетом коэффициента жесткости связи ядра, можно оценить смещения внутреннего ядра для разных расстояний Земля– Луна (в диапазоне от 127 400 км до 509 600 км) и соответствующие смещениям изменения силы тяжести на поверхности. Оценки показывают, что изменение силы тяжести на поверхности играют определенную роль в формировании динамической фигуры гидросферы. Можно установить расстояние r между Луной и Землей, при котором прямое приливное воздействие станет равным соответствующему изменению силы тяжести из-за смещения внутреннего ядра. На этом расстоянии Луна будет продолжать удаляться, но с уменьшением скорости по радиусу орбиты, пока скорость не изменит знака, и не начнется возвратное движение. При возвратном движении Луна пройдет рубеж r с максимальной скоростью, и будет продолжать приближаться к Земле, но уже затормаживаясь прямым приливным воздействием, пока не достигнет наибольшего сближения, где скорость вновь изменит знак. Диапазон «ухода – прихода» зависит от кинетической энергии вращения планеты, и поэтому он ограничен величиной 8 радиусов Земли (50 960 км). Современное расстояние Земля-Луна равно 60 радиусам – 380 000 км. Исходя из этих данных, можно оценить изменение периода вращения Земли, продолжительность сидерического месяца. Флуктуация энергии в цикле достигает нескольких процентов от кинетической энергии вращения Земли. При ее изменении на 1 % и постоянном значении момента инерции, период вращения планеты вокруг оси увеличивается или уменьшается в диапазоне 10 минут, что влечет за собой изменения центробежного ускорения в пределах 0,02 см/с². Это значительно превышает вариации приливной силы (современный модуль – 0,0002 см/с²) и может сказаться на динамическом сжатии Земли и отношении экваториальной и полярной оси в диапазоне порядка сотен метров.

Продолжительность сидерического месяца для крайних орбитальных положений Луны составляет (в сутках): для 350 350 км – 24; для 382 200 км (современное) – 27, для 414 050 км – 30. В зависимости от этогоизменениянаклонаэкваторакэклиптикенаходитсявпределах10°.

Согласно схеме эволюции системы Земля – Луна ось вращения изменяет свое положение, изменяется и модуль скорости вращения. При медленных перемещениях оси и малых приращениях скорости время

74

изменения напряженного состояния больше времени упруго-вязкой релаксации напряжений в породах, и ослабление напряжений реализуется механизмами пластической деформации. При быстром изменении режима вращения Земли (прохождение Луной среднего положения), характерное время меньше времени упруго-вязкой релаксации – происходит разрушение пород.

Рассматриваемая схема предусматривает цикличность, когда периоды относительно плавного развития сменяются периодами активизации. Существует принципиальная возможность объяснить инверсии магнитного поля. За время цикла оболочки находятся то в режиме ускорения, то в режиме торможения, а значит, течение в жидком ядре будет менять свой знак.

Приливные силы приводят к вынужденному перемещению внутреннего ядра Земли, в результате чего смещается центр тяжести планеты. Перемещение центра тяжести приводит к смещению полюсов и деформациям поверхности со скоростью до 2 см/год. Приливные силы и скачки скорости вращения служат триггерами разрядки напряжений, влияя на суточную и более крупную периодичность тектонической активности.

Луна удаляется в непостоянном режиме и причина этого заключается в смещении внутреннего ядра Земли. Сближение ее с Землей приводит к уменьшению наклона плоскости экватора к эклиптике, что изменяет характер распределения солнечной радиации на поверхности планеты. Изменение сжатия Земли при изменении скорости вращения порождает дополнительные напряжения. Крайне слабые, но постоянно действующиеприливыврежимесжатия– растяженияраскачиваютблоки коры, увеличивая проницаемость зон разломов для флюидов, водорода, гелия. Энергияприливовсоставляетпримерно10 втридцатойстепени эргов, что в 10 тысяч раз меньше энергии ротационных сил. Приливы действуют, как своеобразная вибрация. Но в прошлом их влияние было более существенным. Лунные приливы вызывают напряжения в тонкой поверхностной оболочке Земли, и при этом амплитуда вариаций максимальна на экваторе и минимальна на полюсах.

Кроме центробежной силы, большое значение имеет сила Кориолиса. Она проявляется в наблюдаемом отклонении пути тела, перемещающегося во вращающейся системе координат. Таким образом, Кориолисово смещение – это результат движения элементарного объема, изменения при этом его широтного положения и вращения Земли вокруг своей оси. Вектор силы Кориолиса определяется из соотношения:

75

F ¯ = 2m [ω¯ V ¯],

где m – масса элементарного объема, ω¯ – вектор частоты вращения Земли (направленный на Полярную звезду), V ¯ – вектор скорости движения элементарного объема.

При взаимодействии центробежной силы, направленной перпендикулярноосивращения, силытяжести, ориентированнойкцентрупланеты, силы Кориолиса, вызывающей отклонение пути, возникает сложная структура поля напряжений.

Если западная компонента дрейфа относительно постоянна и объясняется действием ротационно-приливных сил, замедляющих вращение вышележащих геосфер относительно нижележащих, то северная компонента должна убывать по мере скопления континентов в северной полярной области. Она вполне может объяснить отмеченную асимметрию фигуры Земли. Предполагается, что северная компонента дрейфа континентов обусловлена тектоническим течением подконтинентальной мантии и кинематически связанного с ней внешнего «жидкого» ядра. С учетом компенсационной организации тектонического течения можно предположить, что поверхностный северный (направленный вдоль меридианов) поток должен компенсироваться в тылу глубинным южным горизонтальным противопотоком. Таким образом, в мантии осуществляется осесимметричная одноячейковая конвекция. Предполагается, что такая конвекция является вынужденной, поскольку данные сейсмотомографии не позволяют считать, что в зоне восходящего потока под Южным полюсом существует аномально горячая мантия. Конвекцию можно увязать с упомянутой западной компонентой дрейфа. Поскольку эта компонента выглядит как вращение континентов вокруг земной оси (со стороны Южного полюса против часовой стрелки, а со стороны Северного полюса – по часовой стрелке), то, по известному из физики «правилу буравчика», такое вращение должно сопровождаться восходящим потоком под Южным полюсом и нисходящим – под Северным. Таким образом, ротационно-приливные силы могут рассматриваться в качестве единой геодинамической системы, которая охватывает все оболочки Земли и состоит из систем меньшего размера и иного («компенсационного») качества – ячеек. Они, в свою очередь, подразделяются на еще меньшие системы – домены, обладающие своим качеством (однородностью деформаций). Одноячейковая конвекция содержит один восходящий, один нисходящий и два горизонтально направленных потока. Любая ячейка делится на четыре домена: два домена горизонтального сжатия и два домена горизонтального растяжения,

76

которые расположены в шахматном порядке. В ячейке верхний домен горизонтальногорастяжениянаходитсявпределахЮжногополушария. Его граница с нижним доменом горизонтального растяжения располагается на неизвестной глубине. Неясно и положение подошвы нижнего домена. Верхний домен горизонтального сжатия расположен в Северном полушарии. Его границы также не известны. Одним из признаков возможного восходящего потока и горизонтального растяжения в области Южного полюса является наличие радиальных по отношению к полюсуграбенов, возникших нанеотектоническомэтапе. Для Северной полярной области возможен нисходящий поток и обстановка горизонтального сжатия. Среди признаков нисходящего потока – специфический рифтовый и пострифтовый режимы с формированием глубоких впадин, а также весьма медленный спрединг в хребте Гаккеля.

На фоне ротационно-приливной геодинамической системы и в кооперации с ней действуют системы, обусловленные силами, возникающими в результате процессов внутреннего саморазвития планеты, ее важнейших оболочек.

Степень динамического воздействия географической оболочки

на развитие тектонических движений еще мало изучена. Атмосферные процессы в основном определяются солнечной радиацией. Динамическое состояние атмосферы зависит от неравномерного распределения тепла, которое обусловливает распределение давления. Приземная атмосферамощностью1,5 кмназываетсяпланетарнымпограничнымслоем. Она подвержена влиянию трения о земную поверхность. Именно в этом слое происходит обмен теплом и водяным паром с земной поверхностью и с поверхностью океана, возникает облачность, а скрытая теплота конденсации порождает мощные атмосферные возмущения. Под общей циркуляцией атмосферы понимают крупномасштабные воздушные течения. Выделяются области высокого давления над полюсами, низкогодавлениянаширотах60–65°, средниешироты, гдепреобладают циклоны и антициклоны; области высокого давления субтропических антициклонов на широтах 30–35°, низкого давления на экваторе. Крупномасштабная циркуляция воздуха является геострофической. Движение воздушных масс направлено по изобарам, кроме пограничного слоя, где сказывается трение о земную поверхность. В экваториальной зоне условия геострофичности не выполняются, и в циркуляции преобладают широтные направления.

Важнейшей характеристикой океанов являются течения. Это горизонтальные перемещения огромных масс воды. Например, только одно течение Гольфстрим в продолжение года переносит 750 тыс куб. км

77

воды, чтов20 разбольшегодовогостокавсехрекмира. Всеглавнейшие течения Мирового океана являются фрикционными (дрейфовыми). Они подчиняются перепаду температур и постоянно движущимся воздушныммассамв атмосфере. Крометого, на них действуетсила Кориолиса, которая в Северном полушарии отклоняет их к востоку, а в южном – к западу. Течения этого типа относят к геострофическим. Скорость течения прямо пропорциональна скорости ветра и уменьшается с увеличением широты местности. Геострофические течения образуют систему гигантских круговоротов. В частности, мощное круговое течение (течение Западных ветров) омывает Антарктиду. Предполагается, что оно достигает дна, и его конфигурация определяется подводным рельефом. Антарктическое циркумполярное течение характеризуется наибольшим среди всех течений расходом воды – около 200 млн кубометров в секунду. Кроме названных течений в океанах выделяются стоковые течения, возникающие в результате обильных атмосферных осадков, при интенсивном таянии ледников. Плотностные течения обусловлены неравномерным распределением температуры и солености воды по горизонтали.

Рассмотренные течения относятся к поверхностным. Кроме них выделяются промежуточные по глубине (подповерхностные), глубинные (придонные) и донные течения. Они тесно связаны с поверхностными, образуя конвективные системы различных рангов. В местах погружения масс воды формируются обширные водовороты. В местах подъема возвратных потоков возникает апвеллинг.

Несомненно, перемещения водных масс способны порождать еще мало изученные силы, воздействующие на планету в целом.

Хотя солнечная энергия, получаемая в настоящее время Землей за год (около 100 млрд МВт), примерно равна лишь двум миллиардным долям всей энергии, излучаемой Солнцем, ее количества достаточно для обеспечения большинства экзогенных процессов, протекающих в географической оболочке, а также для существования биосферы. Солнечная энергия во взаимодействии с потенциальной энергией вертикальных тектонических движений литосферы, питает экзогенные процессы, направленные на денудацию суши, на перемещение продуктов денудации к основанию склонов материков. Впоследствии эти продукты становятся важнейшей частью вещества, из которого в зонах конвергенции образуется новая континентальная кора. Таким образом, в географической оболочке осуществляется своеобразная «конвекция», при которой происходит активный обмен веществом и энергией между внешними геосферами и геосферами твердой Земли.

78

6.2.Некоторые представления

оглубинных механизмах тектонических движений

Источники энергии глубинных геологических процессов связа-

ны с тепловой энергией, порождаемой уплотнением – разуплотнением, сжатием – растяжением, а также трением, возникающим при взаимном перемещении масс твердого вещества. То, что это тепло поступает из глубины, подтверждается непрерывным выделением через поверхность твердой Земли в окружающее пространство теплового потока величиной 4,2 × 10¹³ W. В настоящее время признается, что главным источником тепла внутри Земли является гравитационная дифференциация вещества на границе литосферы и астеносферы, верхней и нижней мантии, ядра и мантии, внутреннего и внешнего ядра. К этому источнику добавляется радиогенное тепло, которое составляет около четверти от общего теплового потока. Оно генерируется в основном в верхнем слое континентальной коры, где сосредоточено примерно 90 % радиоактивных элементов. В баланс теплового потока входит также то остаточное тепло, которое приобретено Землей во время аккреции и тепло, унаследованное от протопланетного диска, от эпохи интенсивной метеоритной бомбардировки. Источником тепла являются и твердые приливы, связанные с гравитационным взаимодействием Солнца, Луны и Земли, доля которых составляет около 2 % полной тепловой энергии Земли.

Конвекция в мантии Земли является важнейшим процессом, обеспечивающим перенос тепла внутри планеты. Условием проявления тепловой конвекции является превышение критического значения числа Рэлея, определяемого из соотношения:

R = Δρ g h³/ρ υ Х,

гдеΔρ – относительная разность плотностей в кровле и в подошве горизонтального слоя; подогреваемого снизу; g – ускорение силы тяжести; h – мощность слоя; ρ – средняя плотность слоя; υ – кинематическая вязкость слоя, равная отношению вязкости к средней плотности; Х – коэффициент температуропроводности, который определяется отношением теплопроводности к плотности и удельной теплоемкости.

В числителе дроби – показатели, способствующие развитию конвекции, а в знаменателе – препятствующие ей. Если число Рэлея больше 1000 (первое критическое число Рэлея) возникает конвекция. При этом конвекция в линейной форме (в виде конвективных валов) является устойчивой при значениях R в диапазоне от 1000 до 10 000 (второе критическое число Рэлея). При значениях R больших, чем второе кри-

79

тическоечислоустойчивойстановитсяконвекциявгексагональной(купольной) форме. Размеры купольных ячеек (ячеек Бенара) закономерно увеличиваются с увеличением мощности конвектирующего слоя.

Результаты математического моделирования трехмерной мантийнойконвекциивсферическомслое, нагреваемомизнутри, показали, что течения самоорганизуются в форме локализованных колец устойчивых в пространстве нисходящих потоков. Они компенсируются восходящими цилиндрическими потоками, значительно более изменчивыми в пространстве и времени. Увеличение числа Рэлея приводит к большей хаотичности конвективных движений при сохранении главной структурной особенности конвекции – глобальных нисходящих колец.

Впоследние годы важный вклад в разработку теории тепловой мантийной конвекции внесли российские ученые (Н. Л. Добрецов и др., 2001; В. П. Трубицын и др., 2000). В работах первой группы исследователейнаосновефизическогоиматематическогомоделированиярассматриваютсярежимыраздельнойтепловойконвекциивверхнейинижней мантии, гидродинамика развития мантийных плюмов, геологические, петрохимические следствия предлагаемой концепции глубинной геодинамики.

Вработах второй группы анализируется влияние континентов на характер тепловой конвекции в мантии. Проведенное моделирование с учетом континентов, частично экранирующих выход тепла из недр Земли, позволилопредложитьмеханизмсменыглобальныхнисходящихмантийных потоков на восходящие, связав этот процесс с циклами Вилсона.

Принципиально иной подход развивается японскими учеными (С. Маруяма и др., 1994), суть которого определяется взаимодействием трех динамических оболочек. В верхней – действуют процессы тектоники плит. В средней, включающей нижнюю мантию и часть подлитосферной верхней мантии, господствует плюм-тектоника. В нижней оболочке (ядро Земли) действует «тектоника роста ядра». Главным механизмом взаимодействия оболочек является механизм накопления тяжелого вещества субдуцируемых плит в области границы верхней

инижней мантии и его внезапный прорыв в нижнюю мантию в виде глобального нисходящего потока – «аваланша», который активизирует образование компенсирующего восходящего плюма. Если этот плюм образуется под суперконтинентом, он вызывает его раскол и заложение новых океанов. Главным отличием этой концепции является привлечение «химической» а не тепловой конвекции.

Модель термохимической двухъярусной конвекции в мантии предложена Л. И. Лобковским (2004). Она учитывает данные сейсмиче-

80