Причина сосредоточения тектоно-магматической активности литосферы приграничным областям литосферных плит

Согласно современным моделям, твердая земная оболочка — литосфера — представляет собой мозаику из отдельных плит, ниже находится слой астеносферы. Массивы материков и литосфера в целом сложены твердыми упруго-хрупкими породами. Астеносфера представлена пластично-вязким веществом. Ее вязкость в тысячу (и даже более) раз меньше вязкости литосферы, что допускает течение типа конвективных потоков, которые способны переносить литосферные плиты.

Переосмысление идей А.Вегенера привело к тому, что вместо дрейфа континентов вся литосфера стала рассматриваться как подвижная твердь Земли. Но причины движения литосферных плит, энергетическая основа глобальной тектоники и закономерности, определяющие направление движения плит, по-прежнему остались предметом дискуссий. Опять все свелось к эндогенной энергии. Материки в составе литосферных плит (согласно новой гипотезе) пассивно и свободно перемещаются по поверхности земного шара за счет непрерывного движения конвективных потоков вещества в мантии. Иными словами, процесс тектогенеза не должен бы иметь закономерностей ни во времени, ни в пространстве. Тектонику плит стали уточнять и корректировать.

Новые геологические материалы о наличии вертикальных флюидомагматических струй, поднимающихся от границ самого ядра и мантии к земной поверхности, легли в основу построения новой, так называемой, "плюмовой тектоники" или гипотезы плюмов. Она опирается на представления о внутренней (эндогенной) энергии, сосредоточенной в нижних горизонтах мантии и во внешнем жидком ядре планеты. Ее запасы, как считают сторонники плюмовой тектоники, практически неисчерпаемы.

Высокоэнергетические струи (плюмы) пронизывают мантию и устремляются в виде потоков в земную кору, определяя тем самым все особенности тектоно-магматической деятельности. Некоторые приверженцы плюмовой гипотезы склонны даже считать, что именно этот энергообмен лежит в основе всех физико-химических преобразований и геологических процессов. В развитие теплофизических идей появились различные модели конвекции, которые позволили процессы структурообразования на земной поверхности связать с эндогенной энергией в нижних горизонтах мантии и во внешнем жидком ядре планеты.

Вместе с тем, с мобилистских позиций феномен упорядоченности структуры современной Земли практически необъясним, так как отсутствуют четкие представления о закономерностях тектогенеза в целом. К тому же и сам исходный постулат о неисчерпаемости глубинной (эндогенной) энергии, заключенной в недрах Земли, далеко не безупречен. Объяснения изменений природной среды, климата, эволюции биосферы и пр. через периодичность отрыва мантийных плюмов от границы ядра и мантии (под воздействием регулярно "перегревающегося" внешнего ядра) мало убедительны. Они не раскрывают ни природы движущих сил, ни самих причин такой периодизации.

В последнее время многие исследователи все больше стали склоняться к мысли, что неравномерным распределением эндогенной энергии Земли, как и периодизацией некоторых экзогенных процессов, управляют внешние по отношению к планете (космические) факторы. Из них наиболее действенными силами, непосредственно влияющими на геодинамическое развитие и преобразование вещества Земли, пожалуй, служит эффект гравитационного воздействия Солнца, Луны и других планет.

Эффект гравитационного влияния наиболее результативно должен сказываться, прежде всего, на эндогенных процессах, протекающих в ядре и мантии, где сосредоточена основная масса планеты. Ритмы глубинной жизни Земли (в том числе и периодичность мантийных плюмов), во-первых, должны подчиняться законам небесной механики. Во-вторых, нельзя не учитывать инерционных сил вращения Земли вокруг своей оси и ее движение по орбите

Противоречия, возникающие при допущении решающей роли радиоактивного тепла и тепла при гравитационной дифференциации в качестве основных источников внутреннего тепла планеты.

Официальная геологическая наука предполагает два главных источника внутреннего тепла Земли; 1) тепло, выделяемые при самопроизвольном распаде радиоактивных изотопов (превращение урана в свинец, рубидия в стронций, тория в свинец, калия в аргон и т.д.), имеющихся в той или иной концентрации в «теле планеты», при котором должно выделяться огромное количество тепла; 2) тепло, выделяемое при гравитационной дифференциации внутреннего вещества Земли по плотности, особенно при главной аккреции Земли (отделение плотного ядра планеты от ее мантии).

Согласно расчетам ряда ученых (Е.А.Любимова, Сорохтин О.Г., Г.В.Войткевич и др.), суммарное количество тепла, выделенное двумя указанными выше источниками в принципе достаточно для обеспечения эндогенной активности планеты. Однако, в данном вопросе имеется ряд противоречий. Дело в том, что тепло, выделяемое при самопроизвольном распаде радиоактивных веществ со временем должно уменьшаться, поскольку в ранней стадии развития Земли наряду с, так называемыми, долгоживущими изотопами были и короткоживущие изотопы, которые свое «превращение» уже закончили и в настоящую геологическую эру выделяют тепло только долгоживущие изотопы, периоды полураспада которых исчисляются сотнями миллионов и миллиардами лет. Если это так, то ранняя история Земли должна характеризоваться более сильной эндогенной активностью, чем сейчас. Однако, специальные исследования известного вулканолога Мархинина Е.К. показали, что магматическая активность планеты, являющейся составной частью ее эндогенной активности как таковой, с истечением геологического времени увеличивается. Другими словами, в результате целенаправленного изучения вулканизма нашей планеты Е.К.Мархинин пришел к однозначному выводу о том, что архейский магматизм был слабее протерозойских, протерозойские – палеозойских, палеозойские – мезозой-кайнозойских и т.д. Данное обстоятельство противоречит представлениям о ведущей роли радиоактивного тепла в обеспечении эндогенной активности Земли, поскольку если в ранних этапах тепло выделялась за счет распада как короткоживущих, так и долгоживущих, а в последующие стадии развития Земли «работают» только долгоживущие изотопы, то интенсивность магматизма с истечением геологического времени должна не увеличиваться, а уменьшаться. Более того, и долгоживущие изотопы со временем должны были убывать, поскольку за 4 млрд. лет геологического развития Земли определенная часть изначально отпущенной природой для нашей планеты долгоживущих радиоактивных изотопов уже успели превратиться в другие изотопы и сумма выделяемых тепло изотопных превращений со временем должна уменьшаться. Имеется еще одна неувязка. Исследованиями установлено, что количество радиоактивных изотопов в кислых магматических породах (в гранитах и риолитах) на порядок больше, чем в основных магматических породах (в базитах), а в базитах масса таких изотопов на порядок превышает массу изотопов в ультрабазитах (в перидотитах, пироксенитах, дунитах и т.д.). А это значит, что определяющая часть ответственных за выделение внутреннего тепла планеты радиоактивных изотопов сосредоточена не в глубинных оболочках планеты, как это следовало бы ожидать, а в разрезе самой земной коры, причем доля этих радиоактивных веществ увеличивается снизу вверх (из ультрабазитов лиосферной мантии, или перидотитового слоя к гранитному слою земной коры через базальтовый слой), а не наоборот.

Приведенные неувязки заставляют сильно сомневаться в ведущей роли радиоактивного тепла в обеспечении эндогенной активности нашей планеты.

Вторым источником внутреннего тепла Земли является тепло, выделяемое при гравитационной (плотностной) дифференциации ее внутреннего вещества. Действительно, вещество Земли как бы «сепарировано» по плотности, то есть Земле свойственен, так называемый, плотностной градиент (чем ниже в разрезе Земли расположен слой, тем его вещество плотнее вещества вышележащего). А это значит, что при таком «сепарировании» может быть выделено определенное количество тепла. Однако и в таком представлении имеется определенная неувязка.

Главной «сепарацией» вещества планеты по плотности считается «отделение сверхплотного ядра от менее плотной первичной мантии» (плотность ядра колеблется в пределах 9,4-13,5 г/см³, тогда как плотность сегодняшней мантии ограничивается пределами 3,3-5,9 г/см³). Отделение сверхплотного ядра от менее плотной мантии называется «главной аккрецией Земли». По логике, именно этот процесс должен выделить большое количества тепла. Однако, главная аккреция Земли к настоящему времени в целом завершена, но эндогенная активность планеты не только продолжается, но и увеличивается со временем, как это было указано выше. Более того, ряд ученых считает, что в геологической истории Земли вообще не было процесса, имя которого «главная аккреция Земли». Согласно их представлениям, ядро Земли было обособлено изначально – при образовании Земли как планеты. Иными словами, согласно представлениям указанных ученых, при образовании Земли как планеты сначала было сформировано плотное, преимущественно железное ядро, а затем это ядро «обволакивалось» менее плотной, преимущественно силикатной мантией в силу гравитационного притяжения уже сформированного плотного ядра. Такой процесс изначального расслоения планеты Г.В.Войткевич назвал «гетерогенной аккумуляцией» Земли.

Приведенный вариант формирования Земли более логичен чем вариант с допущением «главной аккреции» Земли с предполагаемым «отделением» плотного ядра от менее плотной первичной мантии в ходе ее геологического развития (после образования планеты), поскольку в твердом «теле» Земли «сепарирование» вещества по плотности в таком громадном масштабе вряд ли возможно. Отсюда напрашивается вывод: если в геологической истории земли не было ее «главной аккреции», то не было и огромного количества тепла, выделяемого при отделении ядра от мантии. А это значит, что тепло, выделяемое при гравитационной (плотностной) дифференциации внутреннего вещества планеты, также не оправдывает возложенные на него большие надежды в качестве одного из основных источников внутреннего тепла Земли, обеспечивающих эндогенную активность планеты.

Расширяется ли Земля во времени? Если да, то каков возможный механизм расширения планеты на ее нижнем(ядерном) и верхнем(астеносферно-литосферном) уровне?

Расширение планеты во времени происходит на двух уровнях разреза Земли – на ядерном и астеносферно-литосферном уровнях. Начнем со второго (верхнего) уровня расширения планеты, соответствующего астеносферному и литосферному слоям Земли.

Астеносферный слой Земли оказывается преобретением планеты, образованный за счет конвективных течений вверх энергии и вещества, «высвобожденных» в результате дигидридизации внутренного первичного гидридного ядра и накопившийся под «своеобразной покрышкой», представленной жесткой литосферой. Обособление этого слоя в качестве самостоятельной сферы Земли с течением геологического времени должно сопровождаться некоторым увеличением планеты, поскольку плотность вещества астеносферы (пиролиты Рингвуда) (порядка 3,3-3,4 г/см³) намного меньше, чем плотность вещества «своих прародителей» – подастеносферной мантии (плотность до 5,5-5,8 г/см³ на уровне границы внешнего ядра с нижней мантией), тем более ядер Земли (от 9,5 г/см³ на уровне жидкого внешнего ядра до 13,5 г/см³ в твердом внутреннем ядре).

Если менее плотные вещества астеносферы является «производными» более плотных веществ подастеносферной мантии и ядер Земли, то литосферный слой Земли, в т.ч. земная кора оказываются в свою очередь продуктом выплавления вещества астеносферы (пиролита Рингвуда) в течение 4-х млрд. лет развития планеты в качестве геологического объекта. При этом, согласно положениям ТЛП, в результате «прямого выплавления» пиролита астеносферы образуются свойственный дну океана ультрабазит-базитовый ряд горных пород, взаимодействие этих пород с породами континентальной литосферы в процессе субдукции ведущее значение будет иметь породы среднего состав (диориты-андезиты) и при окончательной «континентализации литосферы» путем коллизии континентов образуются преимущественно кислые разновидности горных пород (граниты-риолиты). Показатели плотности всех этих пород (от 3,2 г/см³ у ультрабазитов литосферной мантьии до 2,7-2,8 г/см³ у гранитов-риолитов) оказываются намного меньше плотности своих «прародителей» –астеносфеного пиролита (порядка 3,3-3,4 г/см³). Такое представление однозначно предполагает расширение планеты во времени, поскольку образование менее плотных веществ за счет более плотных безусловно должно сопровождаться увеличением объема объекта.

Что касается первого (нижнего) уровня расширения планеты, то суть этого процесса также связана с разуплотнением исходного более плотного вещества и обособлением разуплотненных веществ в качестве самостоятельной сферы планеты. Тут разговор идет об образовании жидкого чисто металлического внешнего ядра с плотностью вещества порядка 9,5 г/см3 за счет дегидридизации металлов твердого первично гидридного ядра (плотность – до 13,5 г/см3) согласно гипотезы В.Н.Ларина о «первично гидридной Земле». Очевидно, что этот процесс сопровождается увеличением суммарного объема двух ядер сегодняшней планеты по сравнению с объемом первичного чисто гидридного ядра, поскольку удаление водорода из ядер не в состоянии компенсировать увеличение объема внешнего ядра за счет «раскрепощения» металлов от гидридной связи, обладающего большими потенциальными возможностями для расширения. Такое увеличение объема суммарного ядра планеты непременно должно привести к «растрескиванию» плотно прилегающей к нему твердой подастеносферной мантии и образованию в ее разрезе радиально направленных зон и каналов повышенной теплопроводности. Таким образом, именно гидридная модель изначального ядра Земли и его дальнейшее рсширение, на наш взгляд, не исключают существование в подастеносферной мантии сквозных каналов, связывающих ядро с астеносферой.

С помощью каких методов определены состав и строение Земли, из чего состоит и какими основными физическими свойствами характеризуются основные геосферы планеты?

Строение планеты определено в основном с помощью сейсмических исследований. Выявление особенностей внутреннего строения планеты основано на регистрации, изучении и анализе изменений скоростей прохождения сейсмических волн через вещество различной плотности и различного физического (прежде всего, реологического) состояния. При прохождении сейсмических волн через границы, где контактируют две поверхности с различными показателями плотности, возникает резкое изменение скорости проходящих сейсмических волн, а также на этих границах возникают отраженные и преломленные волны. Именно фиксация таких границ дала возможность расчленить земной разрез на два главные составляющие – на ядро земли и на мантию земли

Ядро земли начинается на глубине 2900 км и состоит из двух основных частей – внешнего ядра, состоящего из жидких веществ, и внутреннего ядра, состоящего из твердых веществ; твердое внутренне ядро начинается на глубине 5120 км. Жидкое состояние вещества внешнего ядра установлено фактом исчезновения поперечных сейсмических волн на указанной выше глубине (2900 км), беспрепятственно проходящих до этого уровня, т.е в разрезе мантии земли

Мантия земли начинается с глубины 2900 км и охватывает верхнюю часть разреза Земли вплоть до подошвы земной коры, имеющей среднюю мощность 35-40 км на континентах, около 10 км под океанскими водами. Мантия земли расчленяется на три части. Промежуток глубин от 2900 км до примерно 950 км занимает нижняя мантия. Плотность вещества нижней мантии земли на уровне контакта с внешним ядром земли составляет порядка 5,6-5,9 г/см³. Нижнюю мантию иногда называют «областью D» мантии земли. Промежуток глубин между значениями 950 км и порядка 450 км (400-500 км) занимает, так называемый, «промежуточный слой», или «переходной слой» мантии. Эту часть мантии иногда называют «средней мантией» или «областью С» мантии. Вещественный состав нижней мантии и «переходного слоя» однозначно не установлен, однако считается, что эти уровни мантии сложены различного рода силикатами. Принято считать, что граница переходного слоя с нижней мантией обособлена фактом наличия фациальных переходов вещества, свойственных этой границе.

Верхняя мантия, расположенная между глубинами порядка 450-35 км (от кровли «переходного слоя» мантии до подошвы земной коры). Эту часть мантии иногда называют «областью В» мантии. Верхняя мантия расчленяется на две резко различные по реологическому состоянию вещества части: нижняя часть называется астеносферой, она состоит из частично расплавленных веществ; такие тела в физике называются телами Бингама; Вещество астеносферы А.Э.Рингвуд предложил назвать "пиролитом" (от названий минералов «пироксен» и «оливин»). Верхняя часть верхней мантии называется литосферной мантией, или перидотитовым слоем. Литосферная мантия (перидотитовый слой) состоит из твердых, хрупких и вязких горных пород, состав которых соответствует составу ультраосновных магматических пород типа перидотитов, пироксенитов, гарцбургитов, дунитов и т.д.;. Литосферная мантия (перидотитовый слой) слагает нижнюю часть литосферы. Верхняя часть литосферы югославским сейсмологом Мохоровичичем обособлена в качестве земной коры. Она неоднородна как по вертикали, так и по горизонтали: вертикальная неоднородность земной коры заключается в условном расчленении ее на три слоя (снизу вверх): базальтовый, гранитный и осадочный; Сумма верхней мантии и земной коры, или сумма астеносферы и литосферы в геологической литературе называется тектоносферой. Тектоносфера – внешняя оболочка Земли, охватывающая земную кору и верхнюю мантию, в которой происходят тектонические и магматические процессы, обусловливающие вертикальную и горизонтальную неоднородность состава и (или) физических свойств их вещества.

Силы, возникающие на границе океана и континента согласно представлениям С.Уеды и Е.Е.Артюшкова.

Как видно из приведенного ниже рисунка, на пододвигающуюся океаническую и нависающую континентальную плиты литосферы действуют силы разной природы и разных направлений. В результате сравнительного изучения скорос­тей спрединга 12 крупных литосферных плит с учетом природы каждой из 8 действующих на литосферные плиты сил С.Уеда пришел к заклю­чению о том, что наиболее значительными по мощности и поэтому наи­более дееспособными являются силы тяги опускающейся (субдуцирующей) пластины (F_SP) и континентального сцепления (F_CD). При этом выяснилось, что если F_SP способствует успешному протека­нию субдукции, то F_CD является наиболее значительной силой, пре­пятствующей мобильности литосферных плит как таковых. Оказалось, что остальные шесть сил вследствие их малой мощности не играют су­щественной роли в обеспечении мобильности литосферных плит.

В выводах С. Уеды обращают на себя внимание два момента. Во-первых, спрединг – одно из самых важных и центральных положе­ний концепции ТЛП – оказывается практиче­ски без движущей силы. Во-вторых, в обеспечении мобильности лито­сферных плит тепловая конвекция в астеносфере никак не играет, как этого следовало бы ожидать, ведущую роль. Однако он не исключает ту или иную роль конвекционных течений в обеспечении мобильности литосферных плит, поскольку все рассмотренные им силы, в конечном счете, являются производными конвекционных потоков в астеносфере. Исходя из этого, С.Уеда делает вывод о том, что в системе конвек­ционных потоков астеносферы литосферные плиты являются не «пассив­ными пассажирами», а полноценными составными частями этой систе­мы.

плита

Рисунок. Возможные силы, действующие на литосферные плиты (по С Уеде [293]). F_DF – сцепления океанической плиты с астеносферой; F_CD – континентального сцепле­ния; F_RP – сжатия океанического хребта; F_8Р – натяжения субдуцирующей плиты; F_SR – противодействующая погружению плиты; F_CR – сопротивления столкновения плит; F_TF – сопротивления трансформных разломов; F_SU – всасывания (Эльзассера).

С выводами С. Уеды почти полностью согласуются представ­ления Е. В. Артюшкова. Сомневаясь в наличии больших горизон­тальных перемещений вещества в астеносфере, он пишет: «...Даже если бы они и имели место, то не могли бы создать в литосфере силы, срав­нимые с теми, которые существуют под океанами в действительности. Поэтому источники больших напряжений, действующих в литосфере, а следовательно, и причина ее больших перемещений должны быть рас­положены в самой литосфере или непосредственно под ней. Такого типа механизмами являются растекание неоднородностей мощности коры и аномальной мантии в горизонтальном направлении, погружение в мантию литосферных плит и гравитационное сползание».

Таким образом, и по мнению Е. В. Артюшкова, в обеспечении мобильности литосферных плит в латеральном и нисходяще-наклонном направлениях ведущая роль принадлежит не конвекции в астеносфере, а определенным силам, вырабатываемым самими литосфериыми плита­ми или рождаемым непосредственно под ними. При этом он особо под­черкивает роль трех механизмов в выработке этих сил: а) силы погружения (субдуцирования) в астеносферу литосферных плит; б) силу гравитационного сползания с океанического хребта; в) силу растекания неоднородностей из-за разности мощностей литосферных блоков.

Нетрудно заметить, что сила погружения в понимании Е.В.Артюшкова не что иное, как сила натяжения субдуцирующей плиты (F_8Р) в понимании С.Уеды, а сила гравитационного сползания – силы сжатия океанического хребта (F_RP). Что касается действия третьего механизма Е. В. Артюшкова (растека­ние неоднородностей из-за разности мощностей литосферных блоков) в обеспечении их мобильности в монографии С. Уеды [24] не рассмотрено, т. е. ни одну из 8 описанных С. Уедой сил нельзя связать с растеканиями веще­ства из-за разности мощностей литосферных блоков. Од­нако роль этой силы игнорировать, вероятно, нельзя. Она, по нашему мнению, действительно может иметь немаловажное значение в сочле­нении океан–континент. Такое заключение напрашивается не столько из-за разительных отличий в мощностях океанической (50 км) и континентальной (150–200 км) литосфер, сколько из-за наличия в этом ареале специфических геодинамических и морфологических условий.

Таким образом, мы пришли к выводу о том, что ареал сочленения океан–континент располагает необходимыми для изначального «запус­ка» субдукции геодинамическими и морфологическими условиями. Субдукции обязательно должен предшествовать дрейф континентов, по­скольку ответственные за начало субдукции силы F_PH и Fcd противодействуют силе спрединга F_СПР только с момента ее появления, а она на начальном этапе расширения океана обеспечивает не только спрединг океанической литосферы, но и дрейф «припаяного» к переднему краю этой литосферы континента. Перерождение спрединга в субдукцию, со­провождающееся переориентацией горизонтального движения океани­ческой литосферы (спрединг) в ее наклонно-нисходящее погружение (субдукция), является, вероятно, следствием действия больших сил на линию спаивания океан–континент в результате постоянного противо­борства F_PH (сила растекания на границе тел с неодинаковой мощ­ностью) и F_CD (сила континентального сцепления), с одной стороны, и F_СПР (сила спрединга) – с другой, приведшего в итоге к образова­нию специфической зоны разлома, называемой зоной Заварицкого–Беньофа–Вадати. С началом субдукции на погружающуюся океани­ческую литосферу начинает действовать сила тяги самой субдуцирующей плиты (F_SP), которая, стягивая литосферу вниз, способствует ус­пешному продолжению субдукции и даже ускоряет скорость спрединга. Последнее замечание подтверждается фактами, свидетельствующими о более быстром спрединге дна Тихого океана (12 см/год), на побережье которого имеет место субдукция, чем дна Атлантики (не более 4 см/год), где субдукция отсутствует. Эти отличия в скоростях спредин­га в океанах с пассивными и активными окраинами можно понять, если учесть, что в первом случае силе спрединга (F_СПР) приходится преодо­левать суммарное значение сил F_PH и F_CD и двигать перед собой ог­ромную массу припаянного к океанической литосфере континента, а во втором, наоборот, суммарная сила спрединга усиливается за счет F_SP.

Таким образом, движущие механизмы как дрейфа континентов, так и субдукции океанической литосферы под континент в известной мере оказываются производными спрединга. Без спрединга не было бы не только дрейфа и субдукции, но и ставилось бы под сомнение действие механизма тектоники литосферных плит в целом, предполагающей высокую мобильность отдельных литосферных блоков и объясняющей об­щие закономерности изменения лика планеты. Тем не менее, природа движущей силы спрединга по сей день однозначно не выяснена, что яв­ляется причиной для критики ее основ многочисленными оппонентами. Действительно, пока не будет однозначно выяснена природа движущих сил процессов тектоники, вероятно, нельзя будет говорить не только об общей теории Земли, но и ни о какой твердо установленной теории во­обще.