Природа тектонической активности земли возможные причины тектонической активности Земли



Pdf просмотр
страница7/23
Дата28.01.2019
Размер0.78 Mb.
ТипГлава
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   23

158
При химико-плотностном конвективном массообмене в мантии, по-видимому, происходит чередование одноячеистых и двухъячеистых конвективных структур
(Сорохтин, 1974; Монин и др., 1987). Тогда можно ожидать, что после архея существовали, например, три одноячеистые и четыре двухъячеистые структуры.
Поскольку при возникновении одноячеистых конвективных структур в мантии должны формироваться единые суперконтиненты, то можно ожидать, что после архейского суперконтинента Моногея, т.е. уже в протерозое и фанерозое, должно было существовать еще три суперконтинента: Мегагея Штилле, Мезогея (или Родиния) и Пангея Вегенера
(всего же за время жизни Земли с учетом Моногеи – четыре суперконтинента). Во время функционирования двухъячеистых конвективных структур, такие суперконтиненты должны были разрушаться, а их “осколки” – обособившиеся материки – должны были центробежно дрейфовать друг от друга.
Приведенная оценка числа конвективных циклов в мантии, безусловно, является приближенной, но и она может быть уточнена, например, путем использования синергетического подхода к проблеме и согласования результатов расчета с геологическими данными. Конвектирующая мантия представляет собой открытую диссипативную систему, охваченную сильными положительными и отрицательными обратными связями. Это позволяет предполагать существование в мантии тенденции к самоорганизации конвективных процессов с возникновением промежуточных квазиустойчивых состояний, определяемых ее наиболее общими характеристиками, например массой мантии, концентрацией в ней “ядерного” вещества, генерируемой в ней энергией, а также балансом действующих в мантии положительных и отрицательных обратных связей.
Итак, будем исходить из того, что процесс конвективного массообмена в мантии регулируется действием сильных положительных и отрицательных обратных связей в системе. Примером положительных связей может служить зависимость скорости конвекции от теплогенерации: с повышением температуры мантии экспоненциально уменьшается вязкость ее вещества и соответственно возрастает скорость химико- плотностной конвекции. Одновременно увеличивается скорость диффузии окислов железа из кристаллов силикатов в межгранулярные пространства и, следовательно, скорость перехода “ядерного” вещества в земное ядро (см. раздел 4.3), а это, в свою очередь, приводит к возрастанию плотностных неоднородностей в мантии и к новой активизации мантийного массообмена.
Сильная отрицательная обратная связь возникает за счет теплопотерь Земли. Так, с увеличением скорости конвективного массообмена увеличиваются скорости движения океанических литосферных плит, возрастают тепловые потоки через океаническое дно и увеличиваются общие потери тепла Землей. Благодаря этому уменьшается средняя температура мантии, повышается вязкость ее вещества, а это, в свою очередь, приводит к снижению конвективного массообмена в мантии. Другой механизм отрицательной обратной связи заложен в самом процессе бародиффузионной дифференциации мантийного вещества. Диффузия окислов железа из кристаллов силикатов в межгранулярные пространства происходит только в нижней мантии на глубинах, превышающих 2000 км (см. раздел 4.3). Поэтому чем выше скорость конвекции, тем меньшее время мантийное вещество будет пребывать в деятельном слое нижней мантии, тем меньше за это время “ядерного” вещества успеет диффундировать из кристаллов силикатов и перетечь в земное ядро, а замедление процесса дифференциации неизбежно приведет к снижению скорости и самой конвекции.
Таким образом, тепловая машина Земли представляет собой открытую, нелинейную диссипативную систему с обратными связями, определяющими возможность возникновения в ней процессов самоорганизации геодинамических процессов. Однако химико-плотностная конвекция в мантии по своей природе – нестационарный процесс с


159
постоянно меняющимся распределением концентрации тяжелой фракции в мантийном веществе и связанной с этим постоянно видоизменяющейся структурой конвективных ячеек. Поэтому следует ожидать, что самоорганизация конвективных ячеек в мантии будет постоянно нарушаться нестационарностью процесса. Тем не менее такие самоорганизующиеся состояния, соответствующие минимальным скоростям рассеивания эндогенной энергии, время от времени все-таки должны возникать.
В работе О.Г. Сорохтина и С.А. Ушакова (1993) показано, что при постоянной массе мантии и отсутствии ее разогрева или охлаждения средняя скорость конвективного массообмена в этой геосфере на больших интервалах времени остается постоянной, хотя ее флуктуации, связанные с перестройками структуры конвективных ячеек, могут быть весьма заметными. Если же мантия после архейского перегрева в среднем все-таки остывает, то постепенно будет снижаться средняя скорость конвекции, а следовательно, постепенно станут возрастать и периоды полных конвективных циклов массообмена в мантии. В противоположном случае разогрева мантии конвективный массообмен в этой геосфере ускоряется. Отсюда следует важный геодинамический закон: энергетический баланс Земли в среднем стабилизирует развитие конвективных процессов в мантии.
Однако периоды конвективных циклов должны быть пропорциональны массе мантии. Масса же мантии после образования земного ядра в конце архея, постепенно уменьшалась за счет выделения из нее “ядерного” вещества и роста самого ядра. Это могло приводить к постепенному сокращению со временем продолжительности конвективных, а следовательно, и тектонических циклов. Как происходило в действительности и какой из факторов (остывание мантии или уменьшение ее массы) оказывался определяющим – можно определить по геологической летописи Земли. Так, моменты формирования суперконтинентов Моногея, Мегагея, Мезогея и Пангея следует сопоставлять со временами завершения кеноранской, свекофеннской, гренвильской и герцинской тектонических эр (орогений), соответственно 2600 ± 100; 1800 ± 100; 1010 ±
70 и 230 ± 10 млн лет назад. Если это так, то периодичность формирования суперконтинентов в докембрии слабо менялась от 800 до 780 млн лет. Как видно, периодичность мегациклов в послеархейское время с точностью до определения возрастов орогений оставалась приблизительно постоянной.
Следовательно, эффект затухания тектонической активности Земли и остывания мантии в реальных условиях во многом компенсировался уменьшением массы мантии, тем самым стабилизируя периодичность тектонических событий на Земле. Однако в будущем из-за истощения энергетических запасов Земли и замедления процесса дифференциации мантийного вещества фактор остывания мантии начнет играть более важную роль. В результате замедлится конвективный массообмен в мантии и заметно увеличатся периоды тектонических мегациклов.
Как уже отмечалось, архейская история завершилась формированием у Земли настоящего плотного ядра и возникновением в ее мантии мощнейшей одноячеистой конвективной структуры. Поэтому за начало отсчета послеархейской геологической истории, отвечающей главной последовательности развития Земли, удобно принять именно этот естественный рубеж – момент окончательного формирования в недрах нашей планеты тяжелого ядра около 2,6 млрд лет назад. Это оправдано еще и тем, что в конце архея сформировался первый в истории развития Земли суперконтинент – Моногея.
Рубеж этот наиболее четко фиксируется в геологической летописи, поскольку с ним связано изменение механизмов и геохимии формирования континентальной коры и, кроме того, ему непосредственно предшествовал мощнейший тектонический процесс образования первого в истории Земли суперконтинента Моногея (см. рис. 8.2).
В этом случае с учетом чередования одноячеистых и двухъячеистых конвективных структур в мантии и приведенных геологических данных о времени образования суперконтинентов можно уточнить полученную выше оценку числа конвективных циклов в протерозое и фанерозое: оказывается, что до настоящего времени завершилось 6,58 конвективных циклов продолжительностью от 380 до 420 млн лет каждый. Если кеноранский орогенез, завершивший собой тектонические события архейской эпохи, принять за начало отсчета всех последующих конвективных циклов, то оказывается, что



Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   23


База данных защищена авторским правом ©genderis.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница