Эволюция недр Земли
Попытаемся выяснить, как изменялась в течение истории Земли ее внутренняя структура. Главным процессом в эволюции недр планеты является гравитационная дифференциация веществ различного веса, при которой более тяжелые (т. е. имеющие при том же давлении большую плотность) вещества опускаются вниз, к центру планеты, а более легкие поднимаются наверх. В результате этого процесса планета должна расслоиться на оболочки так, чтобы более глубокие оболочки состояли из более тяжелых веществ.
В нижней мантии вещество находится в особенно плотном кристаллическом состоянии и имеет очень высокие температуры плавления. Как же осуществляются там вертикальные перемещения легких и тяжелых веществ в процессе их гравитационной дифференциации? Для ответа на этот вопрос надо учесть, что вещество в мантии Земли ведет себя как твердое тело только при быстро меняющихся нагрузках, а при очень долго действующих нагрузках оно обретает способность течь как вязкая жидкость. Поэтому, например, под действием центробежных сил, создаваемых вращением, Земля приобрела форму сжатого по оси эллипсоида вращения, почти в точности такого, как равновесная фигура вращающейся самогравптнругощей жидкости.
Крошечная разница между фактическим сжатием Земли (0,0033528) и чуть меньшим сжатием (0,0033370) фигуры равновесия жидкости при современной скорости вращения Земли объясняется тем, что мантия течет как жидкость с очень большой вязкостью, порядка 1026 пуаз, и поэтому из-за приливного трения не вполне успевает приспосабливаться к вековому замедлению вращения Земли, составляющему около 0,2% за 107 лет; вследствие этого сейчас фигура Земли совпадает с фигурой равновесия при большей скорости вращения — такой, как 107 лет тому назад.
В интересующих нас процессах долгодействующими нагрузками являются архимедовы силы плавучести, действующие на объемы мантии, потерявшие часть «ядерного» вещества при контакте с поверхностью ядра и потому обладающие пониженной плотностью и положительной плавучестью, а также па объемы, уплотнившиеся в результате выплавки из них в верхних слоях Земли некоторой доли легкого вещества земной коры и охлаждения из-за теплоотдачи наружу, а потому обладающие отрицательной плавучестью. Под действием архимедовых сил в мантии могут развиваться очень медленные конвективные движения (со скоростями, по-видимому, порядка всего лишь нескольких сантиметров в год).
Установившиеся (т. е. не изменяющиеся со временем) медленные конвективные движения в том или ином слое вещества организуются по горизонтали в ячейки. По краям так называемых открытых ячеек происходит подъем, а в центрах — опускание вещества; у верхней границы слоя в открытых ячейках вещество движется от их краев к центрам, а у дна слоя — от центров к краям (возможны также закрытые ячейки с противоположным направлением движения).
Конвективные движения должны, по-видимому, пронизывать всю мантию от поверхности ядра до астеносферы. Движения вещества мантии в верхнем слое конвективных ячеек должны увлекать литосферные плиты вместе со «впаянными» в них континентами, заставляя их двигаться по горизоптали от областей подъема к областям опускания вещества маптии. Таким образом, если наблюдаются горизонтальные перемещения литосферных плит, по ним можно пытаться восстанавливать очертания мантийных конвективных ячеек.
Простейшим случаем будет одна конвективная ячейка, охватывающая всю мантию, с одним полюсом подъема вещества и одним полюсом опускания и с движениями литосферных плит от полюса подъема к полюсу опускания, благодаря которым континенты должны собираться воедино вокруг полюса опускания, освобождая океанское полушарие вокруг полюса подъема. Таким могло быть, например, происхождение гипотетической Мегагеи Г. Штилле в конце среднего протерозоя и Паигеи А. Вегенера в палеозое.
Следующим по сложности случаем будет пара конвективных ячеек, например открытых, с двумя приблизительно противоположными полюсами опускания вещества и с зоной подъема приблизительно по соответствующему экватору между ними или но линии, получающейся в результате волнообразного изгибания экватора с образованием на нем двух гребней и двух ложбин,— так выглядит шов на поверхности теннисного мяча, склеенного из двух лоскутов. По этому шву должна образовываться глобальная зона растяжения с цепочкой срединно-океанских хребтов, а континенты должны собираться в две группы по осям лоскутов. Нечто похожее мы наблюдаем на современной Земле, где одну группу континентов образуют Африка, Евразия и Австралия, а другую — Северная и Южная Америка и Аптарктида, и эти два континентальных «лоскута» разделены глобальным «швом» срединно-океанских хребтов.
При одноячеистой конвекции в мантии образуется застойная область, в которой вещество не теряет железа и поэтому постепенно оказывается тяжелее окружающей среды. Его оседание превращает конвекцию в двухъячеистую, постепенное ослабление которой приводит к обратной перестройке в одноячеистую конвекцию. Такие перестройки можно сопоставить с тектоно-магматическими эпохами. Промежутки времени между ними должны быть сравнимы с периодом полного перемешивания мантийного вещества (т. е. его прохождения через слой активной дифференциации у поверхности ядра), которое можно назвать конвективным циклом.
|
|
Читайте в рубрике «Планета Земля»: |