Концепции современного естествознания. Часть 2. Биология и геология - Елена Гороховская

Вместе с тем за истекшие четверть века, по мере накопления нового и все более разнообразного фактического материала, добытого с помощью новых инструментов и методов, становилось все более очевидным, что тектоника плит не может претендовать на значение всеобъемлющей, подлинно глобальной модели развития Земли» (Геология… с. 43). Поэтому «довольно скоро после своего оформления тектоника плит стала превращаться в основу других наук о твердой Земле» …Очень большое взаимовлияние… обнаружилось между геотектоникой и геофизикой с одной стороны, и петрологией (наука о горных породах) и геохимией – с другой. Синтез этих наук уже к началу 70-х годов породил новую, комплексную науку – геодинамику, изучающую всю совокупность глубинных, эндогенных (внутренних) процессов, изменяющих литосферу и определяющих эволюцию ее структуры» [Хаин 1997, 156–157], изучающей физические процессы, которые обусловливают развитие твердой Земли в целом, и силы, их вызывающие. «Данные сейсмического «просвечивания» Земли, получившего название «сейсмотомография», показали, что активные процессы, приводящие в конечном счете к изменениям структуры земной коры и рельефа, зарождаются значительно глубже – в нижней мантии и даже на ее границе с ядром. Да и само ядро, как совсем недавно выяснилось, участвует в этих процессах…

Появление сейсмической томографии определило переход геодинамики на следующий уровень, и в середине 80-х годов она породила глубинную геодинамику, ставшую самым молодым и перспективным направлением в науках о Земле. В решении новых задач на помощь, кроме сейсмотомографии, пришли и некоторые другие науки: экспериментальная минералогия, благодаря новой аппаратуре имеющая теперь возможность исследовать поведение минерального вещества при давлениях и температурах, отвечающих максимальным глубинам мантии; изотопная геохимия, изучающая, в частности, баланс изотопов редких элементов и благородных газов в разных оболочках Земли и сравнивающая его с метеоритными данными; геомагнетизм, пытающийся раскрыть механизм и причины инверсий магнитного поля Земли; геодезия, уточняющая фигуру геоида (а также, что не менее важно, горизонтальные и вертикальные перемещения земной коры), и некоторые другие ветви наших знаний о Земле…

Уже первые результаты сейсмотомографических исследований показали, что современная кинематика литосферных плит вполне адекватна лишь до глубин 300— 400 км, а ниже картина перемещений мантийного вещества становится существенно иной…

(Однако) теория тектоники литосферных плит продолжает удовлетворительно объяснять развитие земной коры континентов и океанов на протяжении по крайней мере последних 3 млрд лет, а спутниковые измерения перемещения литосферных плит подтвердили наличие перемещений для современной эпохи.

В настоящее время вырисовывается следующая картина. В поперечном сечении земного шара существуют три наиболее активных слоя, каждый мощностью в несколько сотен километров: астеносфера и слой D'' в основании мантии. По-видимому, им принадлежит ведущая роль в глобальной геодинамике, превращающейся в нелинейную геодинамику Земли как открытой системы [Геология…], т.е. синергетические эффекты типа эффекта Бенара (см. Часть 1, гл. 9), могут иметь место в мантии и жидком ядре.

Для объяснения непонятного в рамках теории тектоники литосферных плит явления внутриплитного магматизма, и в особенности образования линейных вулканических цепей, в которых возраст построек закономерно увеличивается по мере удаления от современных активных вулканов, была выдвинута в 1963 г. Дж. Вилсоном и обоснована в 1972 г. В. Морганом Гипотеза восходящих мантийных струй (рис. 12.1, 12.5), выступающих на поверхность в «горячих точках»5 (размещение «горячих точек» на поверхности контролируется ослабленными, проницаемыми зонами в коре и литосфере, классический пример современной «горячей точки» – о. Исландия. ). «Эта плюм-тектоника с каждым годом все более популярна [Геология…].

Она становится… почти равноправным партнером плейт-тектоники (тектоники литосферных плит). Доказывается, в частности, что глобальный масштаб выноса глубинного тепла через «горячие точки» превосходит тепловыделение в зонах спрединга срединно-океанских хребтов… Имеются серьезные основания предполагать, что корни суперплюмов достигают самых низов мантии… Главная проблема – соотношение конвекции, управляющей кинематикой литосферных плит, с адвекцией (горизонтальным перемещением), вызывающей подъем плюмов.

Рис. 12. 5. Модель основной материальной и тепловой конвекции в современной Земле (по Маруяме С., 1994). [Геология… с. 44]

Они уже в принципе не могут быть независимыми процессами. Однако поскольку каналы, по которым поднимаются мантийные струи, более узкие, пока нет сейсмотомографических признаков его подъема из нижней мантии.

Очень важен вопрос о стационарности плюмов. Краеугольным камнем гипотезы Вилсона-Моргана было представление о фиксированном положении корней плюмов в подлитосферной мантии и о том, что образование вулканических цепей, с закономерным увеличением возраста построек по мере удаления от современных центров извержений, обязано «прошиванию» движущихся над ними литосферных плит горячими мантийными струями… Однако совершенно бесспорных примеров вулканических цепей гавайского типа не так уж много… Таким образом, в проблеме плюмов остается еще много неясного» [Хаин 2002].

12.5. Геодинамика Е. В. Артюшкова

В геодинамике рассматривается взаимодействие сложных процессов, идущих в коре и мантии. Один из вариантов геодинамики, дающий более сложную картину движения мантии, чем описанная выше (рис. 12.2), разрабатывается членом-корреспондентом РАН Е.В. Артюшковым в его книге «Геодинамика» (М., Наука, 1979). На этом примере видно как переплетаются различные физические и химические модели в реальном геодинамическом описании.

Согласно изложенной в этой книге концепции основным источником энергии, для всех тектонических процессов является процесс гравитационной дифференциации вещества, который происходит в нижней мантии. После отделения от породы нижней мантии тяжелой компоненты (железа и пр.), которая опускается в ядро, «остается смесь твердых веществ, более легкая, чем вышележащая нижняя мантия… Расположение слоя легкого материала под более тяжелым веществом неустойчиво… Поэтому накапливающийся под нижней мантией легкий материал периодически собирается в крупные блоки размером порядка 100 км и всплывает в верхние слои планеты. Из этого материала за время жизни Земли сформировалась верхняя мантия.

Нижняя мантия скорее всего представляет собой первичное, еще не продифференцированное вещество Земли. В процессе эволюции планеты происходит рост ядра и верхней мантии за счет нижней мантии.

Наиболее вероятно, что подъем блоков легкого материала в нижней мантии происходит вдоль каналов6 (см. рис. 12.6), в которых температура вещества сильно повышена, а вязкость резко понижена. Повышение температуры связано с выделением большого количества потенциальной энергии при подъеме легкого материала в поле силы тяжести на расстояние ~2000 км. Пройдя через такой канал, легкий материал также сильно нагревается, на величину ~1000°. Поэтому в верхнюю мантию он поступает аномально нагретым и более легким по отношению к окружающим областям.

Рис. 12.6

Благодаря пониженной плотности легкий материал всплывает в верхние слои верхней мантии, вплоть до глубин в 100–200 км и менее. Температура плавления составляющих его веществ с понижением давления сильно падает. Поэтому на небольших глубинах происходит частичное плавление легкого материала и вторичная дифференциация по плотности, после первичной дифференциации на границе ядро – мантия. Выделяющиеся при дифференциации более плотные вещества погружаются в нижние части верхней мантии, а наиболее легкие – всплывают наверх. Совокупность движений вещества в мантии, связанных с перераспределением в ней веществ с различной плотностью в результате дифференциации, можно назвать химической конвекцией.

Подъем легкого материала по каналам в нижней мантии происходит периодически с интервалами примерно в 200 млн. лет. В эпоху его подъема за время в несколько десятков миллионов лет и менее в верхние слои Земли с границы ядро – мантия поступают крупные массы сильно нагретого легкого материала, соответствующие по объему слою верхней мантии мощностью в несколько десятков километров и более. Однако внедрение легкого материала в верхнюю мантию происходит не повсеместно. Каналы в нижней мантии расположены на больших расстояниях друг от друга, порядка нескольких тысяч километров. Они могут образовывать и линейные системы, где каналы располагаются ближе друг к другу, но сами системы также будут сильно удалены друг от друга. Прошедший через каналы легкий материал в верхней мантии всплывает в основном вертикально и заполняет области, расположенные над каналами (см. рис. 12.6), не распространяясь на большие расстояния в горизонтальном направлении. В верхних частях мантии недавно внедрившиеся крупные объемы легкого материала образуют сильно выраженные высокотемпературные неоднородности с повышенной электропроводностью, пониженными скоростями упругих волн и их повышенным затуханием. Горизонтальный масштаб неоднородностей в поперечном направлении ~1000 км…