0700620_0CA3B_tyapkin_k_f_fizika_zemli

Стосовно незбітання магнітної і географічної осей Землі, зазначимо таке. Вище розглянуто механізм генерування магнітного поля Землі за рахунок її взаємодії з компонентою космічного поля, орієнтованою в напрямку, перпендикулярному до осі обертання Землі. Внаслідок впливу компонент космічного поля, що відрізняються за напрямком від розглянутого више, відбувається провертання внутрішнього ядра і в цих напрямках, внаслідок чого утворюються додаткові компоненти магнітного поля Землі. Останні характеризуються магнітними моментами, орієнтація яких відрізняється від напрямку осі обертання Землі. Сумарний вектор магнітного моменту Землі, зумовлений сукупним провертанням її внутрішнього ядра, визначає напрямок маїнітної осі Землі.

Відмінною особливістю додаткових компонент магнітного поля Землі є їхня мала величина порівняно з головною, оскільки на провертання внутрішнього ядра в напрямках, що відрізняються від напрямку осі обертання Землі, потрібні додаткові зусилля на подолання коріолесових сил. Наслідком цього є відносно малий кут між магнітною і географічною осями. Нині цей кут становить -11,5 У зв'язку зі спонтанністю напрямків додаткових компонент магнітного поля Землі середнє значення різниці кутів між магнітною і географічною осями за інтервал часу порядку 104 років прямує до нуля. Причиною асиметричного розміщення магнітних полюсів Землі відносно її поверхні є ексцентричне розміщення внутрішнього ядра Землі.

Світові магнітні аномалії Гт (якщо знехтувати локальними аномаліями) є різницею між спостережуваним магнітним полем Землі і полем центрального осьового диполя. їх можна розділити на дві складові: Тт1 і Тт2. Аномалії Тт1 є різницею магнітних полів між ексцентричним диполем, орієнтованим вздовж магнітної осі, і центральним диполем, орієнтованим у напрямку осі обер-

значеннями, що досягають декількох відсотків інтенсивності магнітного поля на полюсі, і плавними змінами у просторі. Аномалії Тт2 характеризуються і більшими значеннями, і досить контрастним виявленням на поверхні Землі, Спираючись на ці особливості а також враховуючи корелювання їх з аномаліями геоїда, можна зробити висновок, що вони зумовлені неоднорідностями в тектоносфері. Цей висновок не лише не суперечить основним особливостям пропонованої моделі магнітного поля Землі, а, мабуть,

єєдино можливим.

Умежах пропонованої моделі розглянемо відомі явища вікових варіацій магнітного поля Землі: !) вікові зміни магнітного

249

моменту Землі, встаноалювані за палеомагнітними даними; 2) аномалії вікового ходу напруженості сучасного магнітного поля Землі.

1.Із пропонованої моделі випливає, що в разі зміни ротаційного режиму внутрішнього ядра (прискорення або сповільнення) пропорційно повинен змінюватись магнітний момент Земті, що відбувається насправді. Вище (див. рис. 16, б) було показано, що за останні 500 млн років магнітний момент Землі зазнавав періодичних змін, що простежувались на фоні деякого його зростання.

Уцьому разі період коливань магнітного моменту Землі дорівнював галактичному' року. Тенденція до поступового збільшення магнітного моменту Землі може бути одним із підтверджень висновку про те, що в початковий момент виникнення магнітного поля Землі її магнітний момент був мінімальним, а його циклічні зміни з періодом у галактичний рік є прямим доказом фундаментальної залежності магнітного моменту від ротаційного режиму Землі.

2.На карті ізопор вікового ходу вертикальної компоненти напруженості магнітного поля (див. рис. 22, б) привертає увагу контрастна зміна цієї компоненти, що характеризується різкими зламами ізоліній і навіть їхньою ортогональністю. Ці особливості поведінки ізопор виключають можливість віднесення їхніх джерел до межі ядро — мантія. Найвірогіднішим джерелом аномалій вікового ходу магнітного поля є відносні переміщення магнітоактивного шару тектоносфери (магнітної оболонки за О.С. Семеновим [174]) вздовж тектонічних порушень. Про це саме свідчить і досить добре корелювання аномалії вікового ходу з аномаліями висот геоїда, джерелами яких є неоднорідності в тектоносфері. Отже, у межах пропонованої моделі аномалії вікового ходу можна подати як відображення блокових переміщень магнітоактивного шару тектоносфери в індукції земного магнітного поля.

На завершення підкреслимо істотне значення єдності механізмів генерування магнітного поля і тектогенезу, покладених в основу Нової ротаційної гіпотези структуроутворення. Ця єдність відкриває додаткові можливості аналізу енергетичного балансу фізико-геологічних явищ, що відбуваються всередині Землі в тектоносфері, з метою вивчення їхнього взаємозв'язку.

Теплове поле. Земля безперервно випромінює теплоту в космічний простір. Середній тепловий потік через одиницю площі поверхні континентів і океанів приблизно однаковий і характеризується величиною порядку 60 МВт/м2. Після того як було доведено, що джерело теплоти не може бути пов'язаним з охолодженням первісно розплавленої речовини Землі, покладалися сподівання на пояснення його за рахунок енергії радіоактивного

250

Розділ 7

ОЦІНЮВАННЯ СУЧАСНОГО СТАНУ ГЕОТЕКТОНІЧНИХ ГІПОТЕЗ

7.1. Основні вимоги до геотектонічних гіпотез

Геотектонічні гіпотези — одна з форм обмірковування розрізнених фактичних геологічних даних, спрямованого на відтворення історії розвитку Землі та основних її закономірностей. В основу більшості з них покладено або деякі геологічні закономірності, установлені в частинах Землі біля її поверхні, наприклад відносні переміщення блоків, явища стиснення і розширення, або фізикохімічні явища, наприклад конвекція речовини, її фазові і поліморфні переходи з одного стану в інший тощо. Зміст цих гіпотез, починаючи з найраніших, можна знайти в огляді Л.О. Пухлякова [167]. їм присвячені розділи монографій з геотектоніки В.В. Білоусова [11], В.Ю. Хаїна [217], Ю.О. Косигіна [92]. Методологічно цікаві думки висловлені Л.К. Алексєєвою [2], а на сторінках Геологічного журналу — в серп статей І.І. Чебаненко [227].

Мета цього розділу — не повторювати результати раніше проведеного аналізу переваг і недоліків одних гіпотез порівняно з іншими і тим більше не вступати в полеміку з названими вище авторами, а спробувати сформулювати основні принципи (критерії), яким повинна задовольняти будь-яка гіпотеза, що претендує на можливість пояснення виникнення тектонічних структур і явищ, що їх супроводжують, у тектоносфері.

Всі геотектонічні гіпотези умовно можна поділити на дві групи, що стосуються: 1) початкового (догеологічного, або астрономічного) етапу розвитку Землі; 2) геологічного етапу розвитку Землі, під яким розуміють етап, що розпочався з епохи виникнення оболонкової будови Землі й донині. Тут розглянемо лише гіпотези другої групи. Вони характерні тим, що є більш визначеними, залишають менше ступенів свободи для наукової фантазії. Зокрема, в разі їхнього аналізу зникає потреба вибору «гарячого» або «холодного» походження Землі, оскільки на певних етапах її розвитку і те, й інше повинне приводити до утворення її ядра й оболонок, що його оточують. За цієї умови основним призначенням будь-якої геотектонічної гіпотези є потреба пояснення умов ви-

2 5 2

никнення неоднорідностей у межах еліпсоїдних оболонок. Нижче

2. Гіпотеза повинна пояснювати ц и к л і ч н і с т ь геологічних процесів на Землі, що відбуваються на фоні ї ї с п р я м о в а н о г о р о з в и т к у .

Необхідність дотримання цієї вимоги досить всебічно обгрунтована вище в п. 1.3. Додамо до сказаного таке. Вся фанерозойська хроностратиграфічна шкала є даниною уявленням про циклічність геологічних процесів, що відбуваються на фоні незворотного розвитку Землі. Конкретні вияви циклічності в седиментогенезі, тектогенезі, магматизмі і метаморфізмі взаємозв'язані. Більше того, надійно встановлений зв'язок між геологічними і астрономічними циклами дає змогу зробити висновок про спільність причин цих явищ.

фіі-уру. Проте абсолютна бітьшість авторів геотектонічних гіпотзз не визнає це явище сіє І'асіо або, принаймні, не враховує його впливу. Річ у тім, що Земля, яка обертається (якщо на неї не діють зовнішні сили), повинна зберігати момент кількості руху у просторі. Тому будь-які зміни положення мас у Землі (рух плит, переміщення блоків або астенолітів тощо) повинні супроводжуватись зміною ротаційного режиму Землі, а, отже, деформацією, спрямованою на пристосування її фігури рівноваги до нового ротаційного режиму. Більше того, як підкреслювалось вище, переміщення мас у тектоносфері є наслідком зміни ротаційного режиму Землі. Досить яскравим прикладом цього процесу може бути описане в п. 5.2 перетворення континентальної кори на океанічну. З викладеного вище зрозуміло, що нехтувати обертанням Землі не можна.

4. Будь-яка геотектонічна гіпотеза повинна бути спроможною пояснити виникнення латеральних неоднорідностей у межах раніше сформованих порівняно однорідних сфероїдальних оболонок.

Мабуть, не буде перебільшенням вважати цю вимогу головним призначенням будь-якої геотектонічної гіпотезі?. Річ у тім,

253

що «оболонкова» будова Землі може сформуватися під дією сил, зумовлених будь-якою групою процесів, які відбуваються в Землі спонтанно і призводять до диференціювання речовини. У цьому разі практично виключається збереження неоднорідностей догеологічного етапу розвитку Землі, а процеси, що відбуваються в Землі спонтанно, в принципі не можуть створювати латеральних неоднорідностей. Однак, якщо сили, які виникають внаслідок перебігу спонтанних процесів, не можуть створювати латеральних неоднорідностей у сфероїдальних оболонках, то виникає потреба звертання до зовнішнього джерела сил. Без залучення зовнішніх сил практично неможливо пояснити утворення латеральних неоднорідностей у межах тектоносфери. Отже, до першої вимоги про чітке визначення сил, що беруть участь у переміщеннях мас, додається умова, щоб ці сили (або, принаймні, їх частина) мали зовнішнє джерело.

Слід спеціально зауважити, що автори деяких гіпотез замість пошуку джерела зовнішніх сил звертаються до «заборонених» прийомів. Вони припускають споконвічне існування неоднорідностей в оболонці, що вивчається, у вигляді розломів, ослаблених зон і подібних до них структурних елементів без пояснення механізму їхнього виникнення. Отже, гіпотеза позбувається свого головного призначення.

Цю вимогу умовно можна розділити на дві частини. Одна з них — можливість інтерпретації аномалій фізичних полів з позицій гіпотези, що розглядається, рівноцінна можливості пояснення структурних неоднорідностей у тектогенезі і в число основних вимог може не включатися, а використовуватись (поряд з геологічними особливостями в тектоносфері) для оцінювання практичної значимості гіпотези. Друга частина вимоги полягає в тому, що природа головного магнітного, гравітаційного і теплового полів, з одного боку, і тектогенезу — з другого, повинні бути тісно взаємозв'язаними. Поле сейсмічних хвиль у дотриманні цієї умови бере участь опосередковано. З усіх полів воно найефективніше дає змогу визначати параметри внутрішніх оболонок Землі, які можуть бути використані в геотектонічних гіпотезах.

Наведені вище о с н о в н і критерії оцінювання геотектонічних гіпотез далеко не вичерпують усіх вимог, які слід ставити перед ними. Як додаткові вимоги можна назвати можливість пояснення: 1) виникнення і законів формування основних структур тек-

2 5 4

тоносфери (геосинкліналей, орогенів і платформ; материків і океанів; острівних дуг і глибоководних жолобів); 2) механізму складкоутворення; 3) взаємозв'язку розломів тектоносфери з осадонагромадженням, складчастістю, магматизмом і мінеральними родовищами. П'ять основних вимог належать до обов'язкових. Недотримання будь-якої з них у геотектонічній гіпотезі позбавляє останню можливості бути науковою основою для пояснення структуроутворення в тектоносфері.

7.2. Гіпотези, що грунтуються на використанні явищ фазових, поліморфних і

електронних перетворень речовини

Як уже зазначалось, сили, що виникають у Землі внаслідок спонтанного перебігу фізико-геологічних і геохімічних процесів у вигляді фазових, поліморфних і електронних перетворень речовини за умов високих температур / і тисків Р, а також радіоактивного розпаду, можуть призводити до спрямованого перетворення геосфер у радіальному напрямку: зміни їхніх радіусів, значень фізичних характеристик і навіть агрегатного стану речовини в них. Останнє досить наочно демонструється процесами ультраметаморфізму порід у верхній частині тектоносфери Землі. Внаслідок ультраметаморфізму з плином часу первинно-осадова теригенна товща перетворюється на кристалічні утвори. Це один із прикладів участі спонтанних фізикогеологічних і геохімічних процесів у Землі, що визначають її спрямований розвиток.

Водночас процеси фазових, поліморфних і електронних перетворень речовини можуть виявлятися і під час формування структур тектоносфери, але для цього необхідні певні умови. Зокрема, однією з них є можливість локалізації названих вище процесів у межах структур, що формуються. Розглянемо це на прикладі геотектонічних поглядів С.І. Субботіна. Коротко вони полягають у такому [188].

Утворення основних структур у верхній частині тектоносфери, представлених глибинними розломами, платформеними западинами і підняттями, западинами внутрішньоконтинентальних морів, геосинкліналями і складчастими гірськими спорудами, тісно пов'язане з ущільненнями й розущільненнями речовини на глибинах, починаючи від 50 км до основи тектоносфери. Над зонами ущільнень утворюються структури типу западин, над зонами розущільнень — типу піднять, а в межах перехідних зон -— глибинні розломи (детальніше див. [І88]).

255

Причину виникненню ущільнень і розуїшльнень автори вбачають у фазових і поліморфних, а можливо й електронних і хімічних перетвореннях речовини при високих термодинамічних (Рї) параметрах, які відбуваються в тектоносфері. Відомо, що стан речовини, форма її кристалічної гратки або розподіл електронів на енергетичних рівнях в атомі залежать від Рї-умов, за яких перебуває в даний момент речовина. Для поліморфного електронного або фазового перетворення речовини потрібна зміна термодинамічних умов. Мабуть, зміни відбувалися в початковий (догеологічний) період утворення Землі і відігравали істотну роль у формуванні її оболонкової будови. В період геологічного етапу розвитку Землі, початок якого суміщений з епохою, коли Земля набула оболонкової будови, немає підстав вважати, що ці процеси припинились. Однак, оскільки процеси, що відбуваються у Землі спонтанно, неспроможні створити латеральні неоднорідності в її оболонках, зокрема в тектоносфері, то С.І. Субботін порушує питання про локалізацію цих процесів у певних ділянках тектоносфери.

Одну з головних причин, що зумовлює концентрування додаткових напруг в одних частинах тектоносфери і знімання їх в інших її частинах, С.І. Субботін вбачає у зміні ротаційного режиму Землі, наслідками якого є перерозподіл геодинамічних напруг і зміна термодинамічних умов в окремих зонах. Зміни геодинамічних напруг, пов'язані з варіюванням швидкості обертання Землі, мають планетарний характер і є закономірністю, спільною дія всіх континентів і океанічних западин. З цим пов'язана синхронність виникнення і розвитку елементів діастрофізму на усій земній кулі. Як на підтвердження цієї думки С.І Субботін посилається на досить закономірне розміщення на Землі складчастих споруд

— цих складно побудованих структурних зон, — де відбувалися різноманітні процеси і на розвиток яких, безсумнівно, були «витрачені» величезні порції енергії. Це свідчить про те, що вони зумовлені таким самим велетенським джерелом енергії. Таким джерелом може бути тільки явище планетарного масштабу — обертальний рух Землі і його нерівномірність [188].

Для наших цілей важливо підкреслити таке.

1. С.І. Субботін, розглядаючи роль спонтанних внутрішньо земних процесів у структуроутворенні, одним із перших сформулював умову їх виникнення або активування — наявність сил іншої природи.

2. Як одне з джерел таких сил він називає зміну ротаційного режиму Землі. І хоча він не наводить конкретного механізму ви-

256

никнення цих сил та їхньої ролі у локалізації спонтанних процесів, що беруть участь у структуроутворенні, сам факт залучення зовнішнього джерела сил досить примітний. Більшість авторів геотектонічних гіпотез, що використовують спонтанний перебіг процесів у Землі, цього не роблять, віддаючи перевагу легшому, але менш законному шляху — локалізації цих процесів за допомогою неоднорідностей у тектоносфері, які виникли раніше. Цієї спокуси частково не уникнув і С.І. Субботін. Він назвав подібні неоднорідності ще однією з можливих причин локалізації процесів у Землі, які відбуваються спонтанно, однак підкреслив, що головною причиною локалізації цих процесів є зміна ротаційного режиму Землі.

Отже, узагальнивши наведені вище міркування, ми знову дійшли висновку про те, що будь-яка геотектонічна гіпотеза, яка претендує на пояснення механізму структуроутворення і супутніх йому геологічних явищ у тектоносфері, повинна грунтуватися на використанні двох груп джерел сил. Одну з них можуть становити сили, зумовлені внутрішньоземними фізико-геологічними і геохімічними процесами, другу — сили взаємодії нашої планети з фізичними полями Космосу, що її оточують.

7.3. Гіпотези, що грунтуються на використанні явищ конвекції, адвекції і магматичного діапіризму

Гіпотетичну конвекцію в мантії дослідники спочатку прагнули використати для пояснення механізму перетворення вертикальних рухів на горизонтальні. Схематично модель такого перетворення має такий вигляд. Під впливом різниці температур між основою мантії та її верхньою межею відбувається спливання нагрітого легшого матеріалу мантії в напрямку поверхні Землі, а цей самий матеріал, який охолонув і став важчим, опускається у зворотному напрямку. Встановлюється конвективний колообіг речовини в певних комірках мантії. У цих комірках між висхідними і низхідними гілками повинне відбуватися горизонтальне переміщення матеріалу. Елементи конвективних течій дослідники прагнули пристосувати для пояснення структуроутворення в тектоносфері. Допускалось, що потоки, які рухаються назустріч один одному, створюють стискувальні зусилля, що використовуються для пояснення складкоутворення, а там, де течії розходяться, — виникають розтягувальні зусилля, за допомогою яких пояснюють структури розтягу. Зокрема, деякі дослідники [38 та ці.] намага-

257

лись пояснити утворення геосинкліналей «засмоктуванням» земної кори конвекційними потоками.

А. Ходмс [263 та ін.] застосував уявлення про конвективні течії в мантії длЯ пояснення континентального дрейфу. Ця ж сама ідея використовується в гіпотезах тектоніки літосферних плит [134]. Відмінність полягає лише в тому, що, за уявленнями А. Холмса, сіалічяі континенти плавають зверху симатичної океанічної кори, а згідно з Новою глобальною тектонікою — в процесі переміщення плит формується Нова океанічна кора. Причому уявлення про поверхні переміщення у прибічників цієї групи гіпотез далеко не однакові: одні з них [219 та ін.] вважають, що переміщення літосферних плит відбувається разом з верхньою частиною мантії (включаючи астеносферу), інші [127] притримуються думки, що плити Переміщуються по асгеносферному шару. І це, мабуть, не випадково. Річ у тім, що конвекція в мантії — явище досить проблематичне.

Найгрунтовніше обговорення проблеми виникнення й існування теплової конвекції в мантії можна знайти у М. Ботга [19]. Виявляється, я^ЩО припустити, що мантія має властивості в'язкої ньютонівської рідини, то можливість теплової конвекції в ній визначається величиною безрозмірного числа Релея Яп. Конвекція може спостерігатися за умови Яа > 2380. Не зупиняючись на деталях обчислення Ка, зазначимо, що воно прямо пропорційне нададіабатичному температурному градієнту й обернено пропорційне динамічній в'язкості речовини мантії ті. Отже, щоб виріїпити проблему існування конвекції в мантії, потрібно знати обидві зазначені вище величини, особливо останню.

Динамічну В'язкість речовини верхньої мантії, зокрема астеносфери, і нижньої мантії звичайно визначають кожну окремо. Для оцінювання величини г| речовини верхньої мантії використовують припущення, що під впливом льодовикового навантаження пружна літосфера прогинається в астеносферу, що приймається за в'язку ньютонівську рідину. Швидкість відновлення ізостатичного стану земної поверхні після зняття льодовикового навантаження залежатиме від потужності крижаного покриву і в'язкості астеносфери. Якщо величина навантаження відома, то значення Л можна обчислити [19]. Значення г| астеносфери у різних дослідників коливаються в межах 1021—1023 П а с [19]. Визначенням в'язкості астеносфери за дещо зміненою методикою, але з тих самих вихідних позицій, займався Є.В. Артюшков [5]'. Він отримав значення р'язкості астеносфери, що коливалися в межах

258