Состав первичного вещества Земли и современной мантии

(по О.Г. Сорохтину и С.А. Ушакову)

 

Элементы и окислы	Состав первичного вещества Земли проценты	Состав современной мантии проценты	Соседний состав углистых хондритов Проценты
SiO2	31,11	45,7	33,0
TiO2	0,14	0,2	0,11
Al 2O3	2,56	3,7	2,53
Fe2O3	-		-
FeO	23,81		22,0
MnO	0,07	0,1	0,24
MgO	26,14	38,4	23,0
CaO	1,57	2,3	2,32
Na2O	0,16	0,3	0,72
K2O	0,02	0,1	-
Cr2O3	0,27	0,4	0,49
P2O5	-	-	0,38
NiO	0,07	0,1	-
FeS	0,55	-	13,6
Fe	13,21	-	-
Ni	0,20	-	-

 

 

Как видно из табл. 1.1, первичное вещество Земли примерно на 75 % было сложено оливином (MgFe)₂SiO₄. По сравнению со средним составом протопланетного вещества, оно было обеднено водой в 200 – 250 раз, калием – в 4 – 5 раз, углеродом – приблизительно в 1000 раз. Такие соединения, как метан или аммиак, по-видимому - были практически выметены солнечным ветром из области формирования планеты и не попали на Землю. Дефицит благородных газов на Земле достигает 10^-6 – 10^-14. Все эти элементы и соединения в небольших количествах все же могли попасть на Землю, но только в связанном состоянии: вода с гидросиликатами, СО₂ в виде карбонатов, азот в составе нитритов и нитратов и т.д. И лишь самые ничтожные количества первичных газов, в том числе и благородных, попадали на Землю, адсорбируясь на поверхностях рыхлых и пористых частиц исходного протопланетного вещества. Относительно среднего состава планет Земля была обогащена железом и его окислами (на 50 – 60 %) и обеднена серой (в 10 раз).

В те далекие годы на Земле не существовало ни земной коры, ни мантии, ни земного ядра. Все это появилось значительно позже, после начала геологического развития Земли. Плотность вещества на поверхности молодой Земли достигала 3,9 – 4,0 г/см³, а к центру повышалась до 7,2 г/см³. У современной Земли плотность на поверхности составляет 3,3 г/см³, а в ее центре – 14,38 г/см³.

Поверхностные слои Земли в течение всего периода ее формирования состояли из мелкопористого реголита. Поскольку сорбционная способность такого грунта исключительно высока, он активно поглощал все остатки летучих элементов и соединений, которые захватывались Землей из протопланетного облака. Это полностью относится к воде и углекислому газу, освобождавшимися при испарении падавших на Землю планетезималей, которые сразу же связывались с ультраосновным по составу реголитом, например, благодаря реакции серпентизации:

4Mg₂SiO₄ + 4H₂O +2CO₂ ® Mg₆[Si₄O₁₀](OH)₈ + 2MgCO₃.

Поскольку, как уже указывалось ранее, протопланетное вещество было обеднено Н₂О и СО₂, то такой процесс серпентизации и аналогичные ему реакции гидратации реголита полностью поглощали и погребали под новыми наслоениями земного вещества практически все поступавшие на Землю количества воды и углекислого газа. Из всех поступивших элементов лишь тяжелые благородные газы (Ne, Fr, Kr и Xe), попадавшие на Землю в исключительно малых количествах, еще могли сохраняться в газовой фазе.

Из всего сказанного вытекает важный вывод – первичная Земля не имела ни гидросферы, ни настоящей атмосферы. В тот период молодая Земля могла обладать лишь разреженной атмосферой из благородных газов и быть может только со следами азота. Давление в такой примитивной атмосфере не превышало (1,5 - 2)· 10^-5 атм. или 0,011 – 0,015 мм ртутного столба.

 

1.4. Догеологическое развитие Земли в катархее

 

На ранних этапах планетарной эволюции Земли ее строение, состав, тепловое состояние и “приливная” тектоника настолько резко отличались от всех последующих режимов геологического развития Земли, что эту уникальную эпоху, продолжавшуюся около 600 млн. лет, от момента рождения нашей планеты (приблизительно 4,6 млрд. лет тому назад) до начала раннего архея (4.0 млрд. лет тому назад), принято выделять в качестве самостоятельного периода истории нашей планеты – катархея.

В те далекие времена на нашей планете мы увидели бы только неприветливую, суровую и холодную пустыню с черным небом, яркими немерцающими звездами, желтым слабо греющим Солнцем (его светимость тогда была приблизительно на 25 % ниже современной) и непомерно большим диском Луны. Однако из-за сильных и практически непрерывных приливных землетрясений этот рельеф был существенно сглажен и сложен только монотонно темно-серым первичным веществом.

Пустынный пейзаж Земли временами нарушался еще беззвучными взрывами падавших на Землю остаточных планетезималей. На короткое время после их ударов в образовавшихся кратерах появлялись расплавы, образуя подобия лавовых озер, но и они, лишенные источников подпитывающей их энергии, быстро остывали. Частота падения протопланетных планетезималей со временем быстро сокращалась. Только в экваториальной зоне молодой Земли в то время еще продолжали выпадать из спутниковых роев недавно разрушенной Протолуны обильные потоки мелких каменных и железных обломков. Поэтому земная поверхность в экваториальной зоне в течение нескольких первых тысяч лет оставалась раскаленной.

Удивительным было тогда стремительное движение Солнца по небосводу: всего за три часа оно пересекало небосвод, а еще через 3 часа снова всходило на востоке. Лунный диск был в 300 – 350 раз больше современного. Фазы Луны менялись буквально на глазах. В самом начале своего существования Луна была еще существенно горячей Земли, и излучала свою тепловую энергию в красной и инфракрасной частях спектра. Поэтому днем и ночью помимо отраженного солнечного света она светилась темно-красным светом и в связи со своими огромными видимыми размерами заметно обогревала земную поверхность.

Поразительным было и наличие у Земли диска мелких частиц, вращавшихся вокруг нее на близких орбитах к экваториальной плоскости. Траектории отдельных частиц сливались воедино и создавали иллюзию существования у Земли сплошных полупрозрачных колец типа дисков Сатурна.

В момент своего образования, как уже указывалось, Луна вращалась вокруг Земли по очень близкой орбите (L _4,6» 4R» 25,5 тыс. км). В настоящее время Луна удалилась от Земли на расстояние 384,4 тыс. км. Поэтому высота приливов на Земле в те далекие времена составляла 1,5 км. Приливные деформации буквально сотрясали Землю. Но уже через миллион лет после образования Луны приливы на Земле снизились до 130 м, еще через 10 млн. лет – до 45 м, а через 100 млн. лет – до 15 м. К концу катархея, около 4,0•10⁹ лет тому назад, приливы достигали уже 7 м. Современные приливы в твердой оболочке нашей планеты достигают примерно 46 см.

Стремительное удаление Луны от Земли в раннем катархее и, как следствие, резкое снижение приливной энергии, рассеиваемой в недрах молодой Земли, спасло ее не только от перегрева, но и быстро снизило уровень приливной сейсмичности нашей планеты. В начале катархея энергия приливных землетрясений примерно в 17 000 раз превосходила энергетический уровень современной сейсмичности Земли. Через 100 млн. лет оно снизилось более чем в 1000 раз, а к концу катархея еще в шесть раз. Необходимо помнить, что природа и характер проявления сейсмичности на молодой Земле в тот период принципиально отличались от сейсмичности современной Земли. Это были землетрясения исключительно экзогенного происхождения, связанные с перемещением в теле Земли приливной волны. Кульминации землетрясений происходили дважды за каждый оборот Земли относительно Луны и достигали наибольшей интенсивности в экваториально-тропическом поясе Земли.

 

 

1.5. Энергетика Земли

 

К основным первичным источникам энергии Земли, запасенным ею еще в процессе своего образования, можно отнести часть энергии гравитационной аккреции земного вещества и энергию сжатия земных недр.

За время образования Земли порядка 10⁸ лет энергия аккреции, равная потенциальной энергии первичной Земли, взятой с обратным знаком, оценивается Е_а = 23,61·10³⁸ эрг. Часть полной энергии аккреции ушла на упругое сжатие земных недр Е_е» 3,48·10³⁸ эрг. Остальная часть энергии Еθ₀» 20,13·10³⁸ эрг перешла в тепло. Если бы Земля не теряла интенсивно тепло через поверхность в космос, то ее температура могла бы подняться до Т» 30 000 ^ОС, и земное вещество полностью испарилось бы. Однако в действительности такого интенсивного разогрева не возникло, поскольку формирование Земли происходило в течение 100 млн. лет, а энергия ударов планетезималий выделялась только в приповерхностных слоях растущей Земли и поэтому быстро терялась с тепловым излучением планеты. Первичный разогрев Земли скорее всего не был большим, а максимальная температура наблюдалась на глубинах 700–1000 км и достигала 1600–1800 ^оК.

После образования Земли к основным энергетическим процессам, развивающимся в недрах нашей планеты, можно отнести три процесса. Первый – процесс приливного взаимодействия Луны с Землей, который начал действовать с момента захвата Землей Протолуны. Второй – процесс распада радиоактивных элементов. Третий – процесс гравитационной дифференциации земного вещества. Все остальные источники несоизмеримо меньше. Значительно больший тепловой поток солнечного излучения после ряда преобразований в атмосфере, гидросфере и биосфере и поверхностных слоях земной коры почти полностью отражается Землей, и поэтому он активно влияет только на процессы на поверхности Земли.

 

1.5.1.Энергия приливного взаимодействия Земли и Луны

 

Поскольку после образования Земли и Луны последняя находилась недалеко от Земли, то и ее приливное воздействие на нашу планету было значительно более сильным.

Не вдаваясь в детали, нетрудно посчитать по разности кинетических энергий, потерянных Землей и приобретенных Луной за 4,6 млрд. лет, что за это время в Земле должно было диссипировать приблизительно 3,3•10³⁷ эрг приливной энергии. Скорость выделения энергии была очень неравномерна. Сразу после образования Луны скорость выделения приливной энергии достигала гигантских значений – 5,5•10²⁴ эрг/с, что почти в 13 000 раз превышает скорость генерации эндогенной энергии в современной Земле.

Однако уже через 1 млн. лет приливная теплогенерация снизилась в 1000 раз, а еще через 100 млн. лет достигла уровня 7•10²⁰ эрг/с и в дальнейшем снижалась до 1,2•10²⁰ эрг/с в конце катархея - около 4,0•10⁹ лет назад. За это время выделилось 2,1•10³⁷ эрг тепловой энергии приливного происхождения, и поскольку Земля в этот период еще не была стратифицирована, то приливная энергия распределялась практически по всей массе Земли и целиком уходила на ее разогрев. В результате только за счет энергии приливного взаимодействия за этот период Земля должна была прогреться на 500 ^ОС.

Второй “тепловой” удар приливного происхождения пришелся на начало архея, сразу после появления у Земли за счет ее прогрева астеносферы. Объясняется это тем, что приливные деформации планеты, в основном, концентрируются в слоях с наименьшими значениями модуля жесткости и вязкости, т.е. в слоях, наиболее легко поддающихся деформациям. После предварительного прогрева Земли в катархее и начала формирования астеносферы в раннем архее примитивные деформации стали концентрироваться, в основном, в слое верхней мантии (гидросферы тогда еще не было). Амплитуда второго пика была значительно меньше – приблизительно 10²² эрг/с.

Всего за ранний архей, (4,0 – 3,2)·10⁹ лет назад, в верхней мантии Земли выделилось около 1•10³⁷ эрг тепловой энергии, причем большая часть – за первые 100 млн. лет –0,6•10³⁷ эрг. Этой энергии хватило бы на разогрев верхней мантии еще на 500 ^ОС; однако, существенного разогрева ее тогда, по-видимому, еще не происходило, поскольку начавшийся процесс химико-плотностной дифференциации земного вещества приводил к тому, что тепло опускалось вниз и способствовало разогреву первоначально относительно холодных нижних слоев Земли.

Количество выделяющейся в Земле приливной энергии далее уменьшалось, особенно после образования океанов с обширными шельфами, где сейчас и расходуется основная часть энергии приливного взаимодействия Луны и Земли. Всего за первые 30 % жизни Земли выделилось 94 % приливной энергии, а за последующие 70 % - всего 6 %.

Можно сказать, что приливная энергия сыграла свою исключительную роль именно на самом первом этапе жизни нашей планеты. Затем в энергетике Земли, начиная с архея и во все последующие эпохи, доминировала энергия гравитационной дифференциации Земли.

 

1.5.2. Энергия распада радиоактивных элементов в Земле

 

Идеи о радиогенных источниках тепла в Земле сыграли важную положительную роль в становлении современных взглядов на образование и эволюцию Земли. Гипотеза О.Ю. Шмидта о “холодном” происхождении Земли и других планет Солнечной системы могла появиться, безусловно, тогда, когда был открыт новый мощный источник энергии, способный расплавить земные недра (без привлечения концепции “горячего” происхождения планет) и обеспечить тектоническую активность Земли. Однако трудности с оценкой концентрации радиоактивных элементов в мантии Земли привели к значительному завышению величины выделившейся энергии за счет этого источника, а, следовательно, и его роли в геологической истории Земли.

По современным оценкам за все время существования Земли выделилось около 4,27•10³⁷ эрг радиогенной энергии, причем в катархее за 600 млн. лет выделилось приблизительно 1,13•10³⁷ эрг, т. е. меньше, чем выделилось энергии за счет приливного взаимодействия Земли и Луны за то же время. За весь архей, с 4•10⁹ до 2,6•10² лет назад, в Земле выделилось приблизительно 1,65•10³⁷ эрг радиогенной энергии. За остальные 2,6 млрд. лет выделилось 1,49•10³⁷ эрг энергии.

Вклад радиоактивных элементов в энергетические источники, питающие собой начало тектонической активности Земли и ее дальнейшее развитие, оказался более скромным по сравнению с приливной энергией в катархее и, как увидим далее, энергией дифференциации вещества в теле Земли. Но тем не менее этот вклад достаточно заметен как в догеологический период развития Земли, так и в последующие годы. И в настоящее время он лишь в два с небольшим раза меньше энергии дифференциации вещества Земли при том, что вклад в энергетику Земли приливного взаимодействия Земли и Луны ничтожно мал.

 

1.5.3. Энергия гравитационной дифференциации вещества Земли

 

Энергия гравитационной дифференциации земного вещества возникла тогда, когда начался процесс дифференциации земного вещества на плотное окисно-железное ядро и остаточную более легкую силикатную оболочку – земную мантию. Численно энергия гравитационной дифференциации равна разности между потенциальной энергией U_4,0 однородной Земли, которой она обладала непосредственно перед началом процесса выделения земного ядра (т.е. около 4,0•10⁹ лет назад), и потенциальной энергией U_0,0 современной расслоенной Земли

E_g = U_4,0 – U_0,0.

 

По современным последним оценкам полная энергия гравитационной дифференциации Земли E_g = 1,46·10³⁸ эрг, т.е. значительно превышает как энергию радиоактивного распада элементов, так и приливного взаимодействия Земли и Луны. Выделяющаяся в недрах Земли энергия гравитационной дифференциации ее вещества в большей своей части переходит сначала в кинетическую энергию конвективных движений, а затем в тепло, а часть энергии расходуется на дополнительное сжатие земных недр, возникающее благодаря концентрации плотных фаз в центральных зонах Земли.

Повышенная скорость выделения гравитационной энергии наблюдалась уже в самом раннем архее (около 4,0 - 3,8•10⁹ лет назад) – в то время выделялось в виде тепла примерно 8,5•10²⁰ эрг/с гравитационной энергии, или почти в 3 раза больше, чем сейчас (около 3•10²⁰ эрг/с).

После некоторого снижения скорости выделения гравитационной энергии в среднем архее уже в позднем архее вновь наблюдался существенный всплеск выделения гравитационной энергии, достигший пика 3•10⁹ лет назад - 33•10²⁰ эрг/с. С максимальной же скоростью эта энергия выделялась около 2,6•10⁹ лет назад во время формирования у Земли плотного ядра. В то время Е _{gT »} 46,5·10²⁰ эрг/с, т.е. превышала современную скорость выделения гравитационной энергии более чем в 15 раз. В это время тектоническая активность Земли была наибольшей за всю историю Земли.

После выделения земного ядра в самом конце архея скорость генерации гравитационной энергии в раннем протерозое резко упала до 9•10²⁰ эрг/с. Дальнейший процесс гравитационной дифференциации Земли протекал уже значительно спокойнее, постепенно снижаясь до современного уровня выделения энергии Е_gт » 3·10²⁰ эрг/с. В будущем это затухание процесса выделения энергии продолжится.

Таким образом, на первом этапе развития Земли в катархее определяющую роль в ее энергетике сыграли два основных источника: приливное взаимодействие Земли и Луны и распад радиоактивных элементов в Земле. Начиная с момента начала дифференциации вещества в теле Земли, т.е. начиная с 4,0•10⁹ лет назад определяющую роль в энергетике нашей планеты стали играть именно эти процессы, т.е. тепловая составляющая энергии гравитационной дифференциации Земли.

 

1.6 Общие представления о бародиффузионной модели

конвекции мантии

Расслоение первоначально однородной и холодной Земли на плотное ядро и остаточную силикатную оболочку – ее мантию показывает, что, начиная с 4 млрд. лет тому назад начал действовать эффективный механизм химико-плотностной дифференциации земного вещества. Изучение энергетического баланса Земли показало, что и сегодня этот процесс не только продолжает действовать, но и является наиболее мощным из всех других эндогенных энергетических процессов.

Благодаря действию механизма гравитационной дифференциации земного вещества в мантии Земли возникает и развивается интенсивная конвекция, приводящая к перемешиванию ее вещества и дрейфу литосферных плит по поверхности Земли.

Одной из сложностей при разработке теории выделения земного ядра было то, что температура плавления силикатов значительно превышает температуру мантии. При тех давлениях, которые существуют на ее подошве, необходима температура, превышающая 5000°. Температуры же в действительности на этих глубинах близки к 2800°. Это затруднение заставило сделать предположение, что выделение окислов железа из силикатов мантии происходит благодаря распаду твердых растворов под влиянием высоких давлений и диффузии окислов железа в межгранулярные пространства мантийного вещества. Окислы железа, диффундировавшие из кристаллов и зерен силикатов при высоких давлениях господствующих в нижней мантии, уже не могут вернуться обратно и должны постепенно накапливаться в межгранулярных пространствах.

Fe2SiO4 ® 2FeO + SiO2 ® Fe2O + SiO2 + O.

При подъеме 3FeO + O ® Fe3O4.

В докембрийское время, когда еще сохранялось железо в мантии, кислород расходовался на окисление железа

Fe + O ® Fe O.

Выделение окислов железа в ядро Земли происходит благодаря их диффузии из кристаллов и зерен мантийного вещества при их приближении к ядру. Отдельные выделения расплавленных окислов железа сливаются между собой в единую систему связанных друг с другом жидких пленок, обволакивающих отдельные кристаллы и зерна мантийного вещества, образуя что-то напоминающее магматическую кашу.

Под нисходящими конвективными потоками, под более тяжелыми участками мантии обязательно должны возникать мантийные выступы или корни нисходящих потоков, а под восходящими потоками, наоборот, должен наблюдаться подъем поверхности ядра.

В настоящее время с помощью сейсмической томографии ядра получены доказательства реальности этого вывода - такие неровности на границе мантия - ядро действительно существуют и перепады рельефа в них достигают до ±10 км.

Большие перепады плотности на границе между ядерным и мантийным веществом (dr» 4г/см3) приводит к появлению в корнях нисходящих потоков значительных растягивающих напряжений. Они не возникают только потому, что происходит выравнивание рельефа за счет перетекания мантийного вещества под подошву восходящих потоков, что компенсируется новыми нисходящими порциями вещества.

Под влиянием давления из межгранулярных пространств дезынтегрированного мантийного вещества в ядро постепенно отжимается большая часть окислов железа. При этом силикатные кристаллы и зерна за счет развивающихся в них пластических деформаций и процессов межгранулярной диффузии вновь постепенно спаиваются между собой в “сплошное” вещество. Но железа в нем оказывается меньше и потому плотность в восходящих потоках заметно меньше, чем в нисходящих потоках. Возникающая за счет этого в гравитационном поле Земли подъемная (архимедова) сила в конечном итоге и приводит в движение конвективный массообмен в мантии.

Диффузия окислов железа в кристаллах, попавших в восходящие потоки, должна теперь развиваться в обратном направлении. Из межгранулярных пространств в силикаты постепенно диффундируют все остатки окислов железа.

Вязкость ядерного вещества на внешней границе ядра сравнительно низкая. При низкой вязкости и больших перепадах плотности между “ядерным” веществом и взвешенными в нем кристаллами и зернами силикатов, текущими по поверхности ядра потоки распавшегося на гранулы мантийного вещества должны быть достаточно стремительными и относительно тонкими. Вероятнее всего, эти потоки разбиваются на отдельные струи, текущие по подошве мантии (по поверхности ядра) подобно рекам. Скорость таких струйных потоков может достигать многих сантиметров и даже метров в секунду.

При столь высоких скоростях течений на эти потоки, очевидно, действует кориолисово ускорение, отклоняющие их к экваториальным зонам, а движение захваченного ими проводящего вещества приводит к появлению мощнейших электрических потоков и магнитных полей. Вероятно, что геомагнитное поле обязано своим происхождением именно таким струйным течениям на поверхности ядра, замыкающим конвективный массообмен в мантии. Во всяком случае, такой связью геомагнитного поля с конвективными движениями в мантии можно объяснить существующую зависимость частоты перемагничивания поля с тектонической периодизацией истории Земли. Кроме того, только этот механизм позволяет совместить дифференциационно-конвективную модель развития Земли с самим фактом существования магнитного поля. В этой модели разогрев ядра происходит только с его поверхности. Следовательно, в ядре существует устойчивая стратификация, препятствующая возникновению в нем конвективных течений, с которыми ранее обычно связывали происхождение магнитного поля Земли в наиболее популярных гипотезах геомагнитного динамо.

Подчеркнем еще раз, что основная энергия при барродиффузионной сепарации “ядерного” вещества от силикатного сопровождения выделяется на подошве мантии. Поэтому в мантии наблюдается неустойчивая температурная стратификация, а в ядре – устойчивая.

 

1.7. Формирование литосферы и тектоническая активность Земли

 

После образования астеносферы начался процесс выделения земного ядра. В это время произошло новое резкое усиление приливного взаимодействия Луны с Землей. Сейчас можно достаточно уверенно утверждать, что это произошло около 4 млрд. лет назад.

После начала процесса выделения земного ядра Земля прогрелась настолько, что в ее недрах появились первые расплавы. Процесс сепарации плотного ядерного вещества от силикатов должен был начаться сразу же после того как температура Земли за счет приливного взаимодействия с Луной и распада радиоактивных элементов поднялась до уровня начала плавления железа и его окислов в области локального максимума температуры. Как только содержавшееся в веществе молодой Земли свободное железо стало плавится, процесс дифференциации земного вещества смог уже распространятся и в верх и в глубь Земли самопроизвольно, только за счет высвобождения гравитационной энергии дифференциации земного вещества. Процесс этот устойчив и может поддерживать себя в незатухающем режиме действия.

Возникшие конвективные течения сломали первозданную литосферную оболочку. После этого разломанная первоначальная литосфера должна была быстро и полностью погрузиться в мантию. Она, будучи богатой железом, была достаточно тяжелой (до 4 г/см³) по сравнению с верхней мантией, которая благодаря начавшейся дифференциации вещества уже была менее плотной (3,5 – 3,6 г/см³). В это же время (около 3,8•10⁹ лет назад) появились и первые изверженные породы (плотностью около 2,9 - 3,0 г/см³), которые начали формировать на поверхности Земли древнейшие участки Земной коры. Таким образом, вся первичная литосфера Земли за время около 100 млн. лет полностью погрузилась в расплавленную верхнюю мантию и переплавилась. Из геологической истории планеты были полностью стерты все следы катархейского периода ее развития. Фрагменты первичной и древнейшей земной коры в основном характеризуются возрастом, не превышающими (3,75 – 3,8)•10⁹ лет.

В итоге, процесс выделения земного ядра начался около 4 млрд. лет тому назад, а тектоно-магматическая активность Земли проявилась на ее поверхности уже через 200 млн. лет в виде появления древнейших изверженных пород, первой воды, начала формирования атмосферы и наиболее примитивных форм жизни.

Описывая специфику тектонических процессов в архее, важно подчеркнуть, что “накачка” приливной энергии в астеносферу тогда происходила, в основном, в экваториальном поясе Земли. Поэтому и первые зачатки континентальных массивов могли возникнуть лишь в приэкваториальных областях. Однако после начала действия гравитационной энергии данной дифференциации земного вещества, пояс тектонической активности Земли постепенно расширялся. К концу архея, около 2,6•10⁹ лет назад, тектоническими движениями оказалась охвачена уже вся Земля в целом.

Но первые, наидревнейшие зародыши будущих континентов могли образоваться только в низких широтах. По-видимому, их было несколько, и образование их происходило, начиная с раннего архея. В конце позднего архея, около 2,8 - 2,6 млрд. лет назад, когда в недрах Земли стал развиваться катастрофический процесс образования земного ядра, в мантии Земли установилась одноячеистая конвективная структура с исключительно интенсивными течениями мантийного вещества, направленными от одного полюса планеты к другому. В результате в конце позднего архея все обособленные до этого континентальные массивы стали стремительно перемещаться к одному из полюсов Земли, сталкиваться друг с другом, существенно деформироваться и объединяться в единый континентальный массив. По-видимому, именно таким путем и возник первый в истории нашей планеты суперконтинент Моногея в районе южного полюса Земли.

По оценкам около 70 % континентальной коры было сформировано уже 2,6•10⁹ лет назад, т.е. в архее. При этом за первые 700 лет, (3,9 – 3,2)•10⁹ лет назад, образовалось только около 15 % земной коры, остальная часть образовалась в последующие 600 млн. лет. За оставшиеся 2,6 млрд. лет образовалось около 30 % земной коры, при этом за последние 600млн. лет - немногим более 3 %. В дальнейшем рост коры прекратится, и наступит фаза ее необратимого разрушения.

Тектоническую активность Земли можно хорошо представить на основе анализа потерь идущего из мантии глубинного тепла или эволюции средней скорости движения океанических литосферных плит, которые связаны между собой выражением

,

где Q_m - глубинный тепловой поток, S_ОКК - площадь океанической коры.

На рис. 1.9 изображен график `V_l (t), рассчитанный О.Г. Сорохтиным. Как видно из этого графика, в позднем архее наблюдался резкий всплеск тектонической активности, и скорость движения тектонических плит достигала 250 – 270 см/год, т.е. в 50 – 55 раз превышала их современную скорость движения. В раннем архее скорость перемещения плит была заметно ниже. Особенно заметно снижалась тектоническая активность в среднем архее, что связано с расходом тепла на разогрев первозданного вещества на глубинах свыше 800 – 1000 км.

Начиная с раннего протерозоя, скорость движения плит последовательно снижалась с 40 см/год до ее современного значения - около 5 см/год. Не так давно получены количественные оценки, подтверждающие концепцию глобальной тектоники, горизонтальных движений литосферных плит на основе спутниковых технологий. С помощью лазерной локации скорости горизонтальных движений определяются с точностью до ± 1 мм/год. Снижение средней скорости движения плит будет происходить и далее, вплоть до того момента, когда благодаря увеличению мощности океанических плит и их трению друг о друга оно не прекратится вообще. Произойдет это, по-видимому, через 1 – 1,5 млрд. лет

Со скоростью движения плит связана и средняя продолжительность их жизни. Так, в современную эпоху средняя продолжительность жизни океанических плит составляет около 120 млн. лет, а в позднем архее она снижалась до 4 млн. лет.

В целом тектоническое развитие Земли, начиная с протерозоя, проходило по законам тектоники литосферных плит и принципиально не отличалось от тектонического режима современности. Тектоническое развитие Земли в архее более сложное и определялось малой продолжительностью жизни литосферных плит (меньше 16 млн. лет), их малой мощностью (менее 30 км), существенной перегретостью (на 400 – 500 ^ОС) верхней мантии по сравнению с ее современным состоянием. Плотность литосферных плит в течение всего позднего архея была меньше плотности верхней мантии, и поэтому они в тот период не могли погружаться в мантию. В результате вместо привычных сейчас зон субдукции в области сжатия литосферной оболочки (т.е. над нисходящими конвективными течениями мантийного вещества) возникали зоны торошения тонких океанических литосферных пластин. Поэтому иногда процессы в архее в отличие от более позднего периода определяют термином – тектоника тонких литосферных пластин. И именно эти процессы привели в конечном итоге к образованию архейской континентальной коры.

После завершения в конце архея бурного процесса выделения в недрах Земли окисно-железного ядра, в котором тогда оказалось сосредоточенным до 65 % массы современного ядра, дальнейший тектонический режим развития планеты стал более спокойным. Резко увеличилось время жизни и мощности литосферных плит. Плотность плит в результате стала выше плотности мантии, и, как следствие, на смену зонам торошения и скучивания тонких литосферных пластин появились нормальные зоны поддвига плит современного типа. Кроме того, около 2,5×10⁹ лет назад существенно изменились состав и строение океанической коры, и вместо чисто базальтовой коры архея уже в самом начале протерозоя сформировался ее серпентинитовый слой – основной резервуар содержащейся в океанической коре связанной воды. Начиная с протерозоя, существенно изменился и сам процесс формирования континентальной коры.

Определяющей чертой тектонического развития Земли в протерозое, фанерозое и будущем является постепенное затухание ее эндогенной активности, хотя на этом фоне в отдельные периоды времени и происходили всплески активности и, наоборот, наблюдались ее локальные ослабления. Всплески тектонической активности обычно вызывались установлением в мантии одноячеистых конвективных структур. Именно в такие периоды времени формировались и все суперконтиненты прошлого: докембрийские Моногея (2,6 млрд. лет назад), Мегагея (1,8 млрд. лет назад) Лавразия с Гондваной (около 1 млрд. лет назад) и Палеозойская Пангея (450 – 350 млн. лет назад). Не исключено, что примерно еще через 300 млн. лет на Земле возникнет один или два суперконтинента типа Лавразии и Гондваны, поскольку можно ожидать возникновения на Земле в это время одно - или двухячеистой конвективной структуры. Наконец, в будущем, приблизительно еще через 1 – 1,5 млрд. лет, ожидается, если хватит энергии, возникновение последнего в геологической истории Земли гипотетического суперконтинента Гипергея. Однако все, без исключения, возникавшие в прошлом суперконтиненты всегда оказывались неустойчивыми образованиями. Уже через 100 – 150 млн. лет после своего образования под центральными областями суперконтинентов начинали действовать мощнейшие восходящие конвективные потоки, раскалывавшие гигантские континентальные плиты на части, которые дрейфовали затем в центробежных направлениях от этих восходящих потоков.

Последний, завершающий этап в геологической истории Земли будет связан с ее предстоящей тектонической смертью приблизительно через 1 – 1,5 млрд. лет, после почти полного исчерпания источников энергии в земных недрах. Доля “ядерного” вещества уже перешедшего в ядро сейчас равняется 86,3%. Таким образом, процесс гравитационной дифференциации вещества в теле Земли осуществился на 86,3%. После его полного перехода прекратятся взаимные перемещения литосферных плит, ослабнет сейсмическая активность (в охлаждающейся и сжимающейся литосферной оболочке будут происходить лишь слабые термические землетрясения); усилится проявление разрушающих земную кору экзогенных факторов выветривания пород и выравнивания рельефа.

Однако самые большие “неприятности” в будущем ожидают Землю со стороны Солнца. Звезды, подобные Солнцу, по мере исчерпания своего ядерного горючего (водорода, гелия, углерода и некоторых других элементов) постепенно расширяются за счет перемещения зоны “ядерного горения” из центральных областей звезды ближе к поверхности, а это приводит не только к увеличению ее радиуса, но и к повышению поверхностной температуры и, как следствие, - светимости. За 4,6×10⁹ лет своего существования светимость Солнца уже увеличилась приблизительно на 25 - 30 %. В дальнейшем светимость Солнца будет возрастать еще быстрее (Рис. 1.10), что неизбежно приведет вначале к сильному парниковому эффекту на Земле, а затем и к вскипанию океанов и их полному испарению. Оканчивают звезды солнечной массы свой эволюционный путь приблизительно через 9 – 10 млрд. лет гигантским взрывом, превращаясь при этом в белый карлик. Сброшенная же звездами оболочка, гигантским шквалом проносясь мимо нашей планеты, полностью сдует с нее атмосферу и гидросферу и частично испарит верхние слои земной коры. Однако произойдут эти события еще очень не скоро.

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: