Концепции современной геофизики

Земля – третья планета от Солнца, которой присущи все характерные черты планет земной группы. Она относительно мала по размерам, имеет значительную плотность. Современные представления о строении Земли сложились в первой половине XX в. Однако и сейчас в общей модели появляются всё новые и новые элементы.

Вследствие вращения форма Земли отлична от формы шара, такую форму называют «геоид». По оси, соединяющей полюса, радиус геоида 6356,777 км, а в экваториальной плоскости больше – 6378,160 км. Для Земли, как и всех планет, характерно многооболочечное строение, причем это относится как к внутренним подповерхностным, так и к внешним (атмосфера) слоям. В каждом слое протекают относительно автономные, характерные процессы, а между слоями существуют специфические процессы массо- и теплопереноса.

Во внутренней части Земли выделяют слои:

– внутреннее ядро – железо-никелевое, его средняя плотность 12,5 г/см³, твердое из-за высокого давления, несмотря на значительную температуру, его граница находится на «глубине» 5120 км (напомним, что средний радиус Земли 6370 км);

– внешнее ядро – также железо-никелевое, но жидкое, плотность 10 г/см³, его верхняя граница находится на глубине 2900 км;

– нижняя мантия – относительно жидкая, состоит из более легких пород (кремний, кальций), плотность около 5 г/км, ее верхняя граница находится на глубине 670 км;

– верхняя мантия – также относительно жидкая, непосредственно примыкает ко внешней оболочке – коре Земли, по специфическому изменению скорости распространения в мантии звуковых волн внутри мантии на глубине 410 км выделяют дополнительную границу – раздел Мохоровича;

– земная кора – твердая внешняя оболочка, толщина которой варьируется от 75 км на материках до 5 км на дне океанов, средняя плотность около 3,5 г/см³, состав ее еще более сложен, в ней присутствуют алюминий, магний, кремний, железо, разнообразные окислы.

Земную кору вместе с верхней мантией называют литосферой. Во второй половине XX в. модель Земли приобрела еще более дробное строение, а современная сейсмотомография выделяет уже внутри слоев ячеистую структуру, масштаб которой различен для разных слоев.

Качественные эмпирические данные о структуре земной коры были получены в послевоенные годы, когда была открыта система серединноокеанских хребтов с рифтовыми долинами в середине, заполненными молодыми базальтовыми породами, подтверждено отличие океанской коры от континентальной, обнаружены линейные магнитные аномалии в намагниченности базальтовых пород, параллельные серединным хребтам. Это подтвердило высказанную Альфредом Вегенером в 1912 г. гипотезу о дрейфе материков и о том, что около 200 млн. лет назад все материки были соединены в единый материк Пангею. Дополнительную информацию принесло глубокое бурение, которое проводится с 1967 г. В итоге в 60-х гг. родилась мобилистская концепция тектоники литосферных плит. Основные ее положения таковы:

1. Литосфера Земли, в которую входят кора и самая верхняя часть мантии, расположена на более пластичной и менее вязкой оболочке – астеносфере, включающей среднюю часть мантии.

2. Литосфера разделена на ограниченное число относительно жестких плит: крупных, с характерным размером в несколько тысяч километров, и средних – около тысячи километров. В настоящее время выделяют 16 таких литосферных плит: Тихоокеанскую, Северо-Американскую, Южно-Американскую, Евразиатскую, Африканскую, Австралийскую, Антарктическую, Кокос, Наска, Аравийскую, Индостанскую, Филиппинскую, Карибскую, Хауан-де-Фука, Индокитайскую, Охотскую.

3. Литосферные плиты перемещаются друг относительно друга в горизонтальном направлении. Выделяются следующие виды движений:
а) раздвиг (спрединг) с заполнением трещин новой корой океанского типа, б) поддвиг (субдикция) океанской плиты под континентальную или океанскую же, с возникновением вулканической дуги или окраино-континентального вулкано-плутонического пояса, в) скольжение одной плиты относительно другой с формированием трансформных разломов.

4. Перемещение литосферных плит представляет собой скольжение по сферической поверхности астеносферы.

5. В планетарном масштабе объемы процессов субдикции и спрединга одинаковы, так что объем земной коры не меняется.

6. Источником энергии для перемещения литосферных плит являются конвективные движения в мантии, включая астеносферу: в областях спрединга они идут снизу вверх, затем горизонтально параллельно поверхности Земли, а в зонах субдикции – вниз. Причиной же конвекции является выделение тепла в недрах Земли при распаде радиоактивных элементов.

В 70 – 80-х гг. теория тектоники (движения) литосферных плит была дополнена теорией дополнительной активности внутри плит – «плюм-теорией», или теорией горячих струй. Основная идея ее состоит в том, что выход энергии из внутренних слоев Земли (внутренней мантии и даже внешнего ядра) происходит не равномерно, а в форме горячих струй различных масштабов. Эти струи могут быть не связанными с литосферными плитами, и тогда, выходя на поверхность, такая струя может «прожигать» литосферную плиту по мере ее перемещения в различных точках, образуя цепочки вулканических островов, как, например, Гавайский архипелаг с продолжением Императорским хребтом до Камчатки.

Современная геофизика утверждает, что до глубины в 300 – 400 км основные процессы определяет тектоника плит, а ниже – конвективная плюм-тектоника. В историческом плане в формировании облика Земли плюм-тектоника играла основную роль до момента формирования современной земной коры, т. е. около 1 млрд. лет назад (поздний протерозойский период докембрийской эры), а тектоника плит – позже и по настоящее время.

Более детальное представление о процессах, формировавших современный облик Земли, дает следующая геохронология:

1. С момента формирования Земли как планеты (около 4,5 млрд. лет назад) в результате остывания внешних слоев сформировались первичная базальтовая кора и первичная гидросфера – тонкий слой воды, более-менее равномерно распределенный по земной поверхности. Внутренняя часть Земли – жидкое неструктурированное ядро – занимала весь объем Земного шара.

2. Около 4 – 3,2 млрд. лет назад из первичной коры в результате ее растрескивания и заполнения трещин базальтами сформировалась проконтинентальная кора, представленная в настоящее время серыми гнейсами.

3. В конце археозойского периода, т. е. 2,7 – 2,5 млрд. лет назад, в результате активных процессов взаимодействия коры и ядра сформировалась континентальная кора и образовался единый суперконтинент Пангея.

4. В начале протерозойского периода, около 2,3 – 2,2 млрд. лет назад, произошел разлом суперконтинента на перемещающиеся малые континенты. В полной мере заработала тектоника малых плит.

5. К концу протерозоя, около 1,7 млрд. лет назад, в результате дрейфа материки вновь соединились, образовав суперконтинент –
Новую Пангею.

6. Очередной распад Новой Пангеи происходил от 1,0 до 0,6 млрд. лет назад. Это соответствовало полномасштабной тектонике литосферных плит. В эту эпоху возникли Тихий океан и континент Северная Америка. Образовался широтный океан Тетис, разделивший континенты на северную и южную группы.

7. К началу палеозойской эры, около 600 млн. лет назад, материки вновь соединились, образовав вегенеровскую Пангею.

8. Распад вегенеровской Пангеи происходит по настоящее время.

Таким образом, слияние и разбегание материков имеет характерный период – 500 – 600 млн. лет, что может быть объяснено системой двухъярусной общемантийной конвекции. Кроме того, такая теория предполагает периодические пульсации объема Земли с постепенным его уменьшением в среднем в результате затухания внутренней активности.

По характеру преобладающих процессов в недрах земли в настоящее время можно выделить три зоны: тектоносферу (включает кору, верхнюю мантию и переходную зону), нижнюю мантию и ядро. В тектоно-сфере основной механизм – тектоника плит, в нижней мантии – плюм-тектоника, в ядре – тектоника роста (внутреннего ядра за счет внешнего). Процесс тепло- и массопереноса в Земле представляется следующим образом: остывание внешней оболочки Земли вследствие излучения тепла в космос (солнечное излучение не компенсирует потери тепла) приводит к погружению холодного материала земной коры в мантию в зонах субдикции. Достигнув переходной зоны на глубине 670 км, эти пласты холодного материала задерживаются, пока не накопится достаточная масса для дальнейшего погружения. Он как бы «проваливается» в нижнюю мантию и достигает поверхности ядра. Внедрение материала в ядро нарушает режим конвекции в нем и вызывает подъем струй от границы ядра, т. е. формирует гигантские плюмы. Эти теплые массы поднимаются от ядра и, достигнув уровня 670 км, расщепляются на плюмы более мелких масштабов и проникают в верхнюю мантию, где и формируют оси спрединга литосферных плит. Так происходит переход от плюм-тектоники к тектонике плит.

В историческом, а также «космическом» плане на первых этапах формирования оболочек планеты основную роль играла тектоника роста с образованием ядра, затем господствовала плюм-тектоника, а начиная с археозоя в верхних слоях – тектоника плит, а в средних и нижних – плюм-тектоника. Предполагается, что такие процессы сейчас идут на Венере, более молодой по отношению к Земле планете земной группы.
В дальнейшей геологической перспективе тектоника плит перейдет в контракционную тектонику, или тектонику сжатия, когда активные конвекционные процессы закончатся. Такую стадию развития сейчас проходит Марс. Наконец, финалом эволюции планет земной группы является терминальная тектоника, т. е. остывание планеты без каких-либо активных процессов. В такой стадии находятся Меркурий, Луна и почти все спутники планет.

Дата добавления: 2015-07-08