Современные концепции развития геосферных оболочек
Существует выражение - земная твердь. Оно выражает мнение большинства людей о том, что Земля нечто основательное, статичное. На самом деле Землю можно приравнять к живому организму, так как она находится в постоянном внешнем и внутреннем движении, перемещении и количественном и качественном изменении отдельных частей.
Частично эти процессы определяются энергетикой поверхности Земли, которая представляет собой тепловую машину: ее "нагреватель" - Солнце, "холодильник" - безвоздушное пространство, "рабочая жидкость" состоит из атмосферы и гидросферы. Изменения в поступающей солнечной радиации определяют сезоны года и температурные различия между экватором и полюсами. Для сохранения энергетического баланса Земли происходит перенос тепла в направлении полюсов. Различия в нагревании Земли обусловливают ее действие как тепловой машины. Результатом переноса тепла являются течения в атмосфере и океанах, возникающие вследствие различного нагревания земной поверхности. Солнечная энергия, частично поглощаясь внешними геосферными оболочками, в основном отражается ими же в космос. Прогревание Солнцем распространяется на глубину, не превышающую 28-30 м. Значит, основу энергетики Земли составляют ее собственные процессы.
Также происходит перемещение и химическое изменение вещества в глубинах Земли. С некоторым приближением Землю можно представить в виде закипающего супа, где в кастрюле есть твердые части (мясо - ядро), восходящие и нисходящие потоки жидкости (обмен между внутренними геосферными оболочками), плавающие на поверхности масляные пятна (литосферные плиты), пар (атмосфера), внешняя среда (космос). При этом в кастрюле происходят и химические процессы.
Энергетическая эволюционная динамика Земли определяется в основном тремя составляющими: энергией гравитации (около 82%), энергией радиоактивного распада (около 12%), приливной энергией (около 4%). В масштабах Земли подобные процессы обозначаются как геотектонический механизм эволюции планеты. За счет работы этого механизма Земля представляет собой сложную динамическую (то есть существующую в движении) структуру, возникшую и развивавшуюся естественным путем - еще один пример широкомасштабного эволюционного процесса.
В основе работы геотектонического механизма лежит продолжающийся процесс дифференциации вещества Земли. На границе между мантией и ядром за счет высокой температуры происходят химические процессы, похожие на те, что человек использует в металлургических печах: из соединений железа восстанавливается чистое железо. Тяжелое железо тонет, а более легкий "шлак", образующийся в тех же реакциях, всплывает вверх, к земной коре. Возникает конвекция. При этом восходящие потоки более легкого и нагретого вещества должны компенсироваться нисходящими потоками более тяжелого и холодного, которое заполняет освобождающееся внизу место. Восходящие и нисходящие потоки в мантии пространственно разделены. Поэтому у верхней ее границы, под земной корой, возникают горизонтальные потоки, направленные от точек выхода восходящих движений к зонам опускания вещества. Вот на этих-то горизонтальных потоках скользят плиты, на которых расположены материки Земли.
Всю мантию можно представлять себе как систему конвективных ячеек, в каждой из которых вдоль одной стенки вещество поднимается из недр и течет вдоль поверхности к другой стенке. Там оно опускается вниз и вновь возвращается к первой стенке. Таким образом, движение вещества в земных недрах упорядочено в пространстве, и упорядоченность эта возникла естественным путем. Размеры конвективных ячеек должны быть сравнимы с толщиной мантии. Но отсюда вытекает, что существовали они не всегда, ибо расслоение Земли на ядро, мантию и т.д. заняло какое-то время после формирования нашей планеты. По расчетам геофизиков, интенсивность конвективных потоков в мантии стала достаточно интенсивной, чтобы разломать первичную земную кору на отдельные плиты, когда Земле исполнился почти миллиард лет. И последующая геологическая история Земли отражает конвективные движения в мантии, которые, как выясняется, обладают достаточно строгой периодичностью. Вновь мы сталкиваемся с самопроизвольным, естественным возникновением упорядоченности из первоначально однородного неупорядоченного состояния.
Тепловая энергия из поверхности планеты постепенно разогревала все ее вещество, переводя его в расплавленное состояние. Вещества, обладавшие наибольшей плотностью (в основном железо и никель), стали диффундировать в центр планеты. Этот процесс обуславливал химическую эволюцию земной материи, которая привела к распределению элементов по геосферным оболочкам на основании теории гетерогенной аккумуляции.
В геодинамической теории выделяют эндогенные процессы, связанные с внутренней динамикой Земли. Это горообразование, тектоника горных пород, вулканизм, метаморфизм, землетрясения, образование ловушек для нефти и газа и т.д. Процессы, связанные с внешней динамикой, порождаемые поступающей на Землю солнечной энергией, называются экзогенными. К ним относятся: выветривание, заболачивание, работа ветра, деятельность атмосферных вод, водных потоков, морей, озер, ледников, а также оползни, лавины, обвалы, криогенные процессы и др.
Литосферные плиты постоянно движутся как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях. Оценки показывают, что средние скорости смещения в зонах повышенной сейсмической активности достигают 0,3 мм в год, в спокойных - 0,05 мм в год. Горизонтальные движения земной коры осуществляются крупными блоками. Гипотеза дрейфа континентов, получившая развитие уже в наше время, возникла в XIX веке (Снайдер).
Зоны, ограничивающие плиты, образованы срединноокеаническими хребтами и глубокими океаническими желобами. Здесь расположено большинство действующих вулканов. Длина цепей вулканов составляет около 37 тыс. километров. На каждом километре за 1 миллион лет извергается до 40 кубических километров нового силикатного материала. Сегодня известно до 15 жестких плит. Из них 6-7 - крупные, сталкивающиеся, погружающиеся и надвигающиеся одна на другую. Эти плиты, имеющие толщину 75-150 км, "плавают" на мантии. Вместе с плитами перемещаются и континенты. Установлено, что Красное море расширяется со скоростью 1 см в год, Хребет Петра Великого на Памире движется в сторону Гиссарского хребта со скоростью около 2 см в год. По палеомагнитным данным, Великобритания за последние 200 миллионов лет развернулась по часовой стрелке примерно на 30° и сместилась к северу. Это периодический процесс, в котором главной движущей силой служит тепловая конвекция в нижней мантии, а источником энергии является радиоактивный распад. Казалось бы, естественная радиоактивность как монотонно ослабевающий процесс не может вызвать расщепления и соединения континентов, но здесь важна особенность распространения тепла через земную кору и ухода его в окружающее пространство.
Океаническая кора проводит тепло вдвое более эффективно, чем континентальная. Поэтому если некоторую часть поверхности занимает суперконтинент, под ним должно накопиться тепло мантии, ведущее к его вздыманию и разрушению. После раздвижения осколков тепло уходит под образующиеся между ними новые океанические бассейны. Поэтому при непрерывном подведении тепла к поверхности из-за малой теплопроводности континентов оно "прорывается" через нее лишь в отдельные и достаточно короткие отрезки времени. По схеме, разработанной Дж. Уилсоном, сначала в недрах континента образуются "горячие точки" вулканов, потом они соединяются в рифтовые долины, вдоль которых происходит раскол континента. Рифтовые долины готовят место новому океану, а через сами рифты горячее вещество мантии поступает к поверхности, готовя океанское дно. С течением времени дно уплотняется, охлаждается, опускается вниз, углубляя океан, и этот процесс длится примерно 200 млн. лет. Затем самая древняя часть нового океанического дна, примыкающая к континентальным осколкам, настолько уплотняется, что погружается под континентальную кору - начинается процесс субдукции. Далее океан закрывается, а континенты сближаются. При этом силы сжатия порождают горы.
Современные данные позволили сформулировать гипотезу, что в истории Земли континенты не менее пяти раз объединялись в суперконтиненты, образуя поочередно Лаурентию (1,9 млрд. лет назад), безымянный (1,5 млрд. лет назад), Роднию (1 млрд. лет назад), Гондвану (650 млн. лет назад) и Пангею (250 млн. лет назад). Суперконтинентальный цикл длится около 440 млн. лет. Суперконтинент устойчив около 80 млн. лет, накапливающееся тепло вызывает зарождение рифтов. Через 40 млн. лет континент раскалывается. Через 160 млн. лет дрейфующие континенты максимально удаляются. Затем они начинают сближаться и суперконтинент восстанавливается. Если сейчас Атлантический океан находится еще в стадии раздвижения, то потом, когда его кора состарится и начнет погружаться под соседние континенты, он может закрыться.
Сопоставление времен интенсивного горообразования и развития рифтов обнаруживает удивительные закономерности. Середины периодов горообразования падают примерно на 2600, 2100, между 1800 и 1600, 1100, 650 и 250 млн. лет назад. Интервалы между ними порядка 400-500 млн. лет. Примерно через 100 млн. лет после каждого из них наступала пора рифтогенеза. Возрасты большого числа вынесенных из мантии пород группируются на отрезки времен со средними значениями 2500, 2000, 1700-1500, 1000 и 600 млн. лет. Период образования гор, протекавший около 250 млн. лет назад, сменился рифтогенезом и разрушением Пангеи. Таким образом, период эволюции суперконтинента - порядка 500 млн. лет. Эта периодичность отражается и в колебаниях уровня океанов.
Тектоника плит, оставаясь основной концепцией анализа истории Земли как планеты, в настоящее время оказывается частным элементом более общей теории развития Земли или глобальной геодинамической модели гесосферных оболочек. Эта модель должна учитывать многооболочечное строение Земли и в то же время автономность протекающих в этих оболочках процессов, а также их взаимодействие, которое может носить переменный характер. В ней должно найти отражение равноправие в объеме всей Земли конвективного (горизонтального) и вертикального тепломассопереноса. Модель должна также учитывать существование различных периодов изменения тепловыделения Земли, а также общую тенденцию к его снижению в связи с исчерпанием запасов внутреннего тепла. Иначе говоря, искомая модель должна учитывать временное развитие структуры Земли. Наконец, следовало бы учесть и то, что Земля - это планета, являющаяся открытой системой и подверженная влиянию космических процессов (метеориты и астероиды, облака космической пыли, излучения и т.п.).
Выражаясь образно, геодинамические процессы можно суммировать следующим образом. Атмосфера оказывает давление на литосферу и гидросферу, две последние упруго сжимают мантию планеты, которая в свою очередь спрессовывает ядро Земли. Если же идти от центра планеты к ее периферии, то динамическая картина оказывается другой. Ядро Земли притягивает к себе вещество всех других геосферных оболочек, охватывает их обручем инициированного им магнитного поля, нагревает мантию и достигающие ее оболочки литосферы. Мантия Земли передает мощные потоки тепловой энергии литосфере, раздвигает океанское дно и перемещает литосферные плиты. Литосфера и гидросфера оказывают тепловое воздействие на атмосферу. Выветриваясь и испаряясь, они передают ей также огромные массы вещества. Таким образом, геодинамическая активность Земли также имеет свою историю: она находится в полном соответствии с историей эволюции геосферных оболочек.
Резюме
· В науках о Земле широко используются эволюционные представления. В этой связи большое внимание уделяется понятию "геологическое время". При измерении геологического времени желательно сочетание различных методов - стратиграфического, биостратиграфического, изотопного.
Для неклассической геологии характерна концепция глобальной эволюции Земли. Оно базируется на понимании энергии, выделяемой при химико-плотностной дифференциации вещества в мантии и ядре планеты, в качестве главного динамического фактора. Специфику геологических процессов определяет в первую очередь именно упомянутая выше дифференциация вещества.
· Каждая геосферная оболочка имеет свою собственную историю. Коэволюция геосферных оболочек образует историю Земли в целом.
Normal 0 false false false MicrosoftInternetExplorer4 st1\:*{behavior:url(#ieooui) } /* Style Definitions */ table.MsoNormalTable {mso-style-name:"Обычная таблица"; mso-tstyle-rowband-size:0; mso-tstyle-colband-size:0; mso-style-noshow:yes; mso-style-parent:""; mso-padding-alt:0cm 5.4pt 0cm 5.4pt; mso-para-margin:0cm; mso-para-margin-bottom:.0001pt; mso-pagination:widow-orphan; font-size:10.0pt; font-family:"Times New Roman"; mso-ansi-language:#0400; mso-fareast-language:#0400; mso-bidi-language:#0400;}