Современные представления о процессах управления геодинамической историей Земли

1. О тектогенезе Земли и его причинах.

Мы достаточно много говорим о проблемах тектогенеза, в том числе о периоде астрономического развития Земли, но важнее энергетику тектонических процессов для геологического периода развития и для использования этих данных в практической геологии.

За начало истории тектонических процессов примем эпоху, когда на Земле сформировались оболочки подобные современным, и образовалось ядро. Принятие этого условия удобно тем, что отпадает проблема выбора «горячего» или «холодного» происхождения Земли.

При решении рассматриваемой нами проблемы в такой обстановке будем исходить из следующих, достаточно достоверно установленных, положений:

а) можно считать общепринятыми представлениями о циклическом характере тектонической активности Земли, происходящей на фоне ее направленного развития;

б) периоды тектонической активизации хорошо коррелируются с периодами определенных астрономических явлений;

в) каждой тектонической активизации предшествует более длительная по времени эпоха относительно спокойного развития.

Мы уже указывали на то, энергия вращения планеты вокруг своей оси и в Солнечной системе – это огромный практически неисчерпаемый ее источник. Естественно встает вопрос – каков механизм расходования энергии, которая является источником реализации тектонических явлений на Земле?

Чтобы понять это обратимся к современным представлениям о строении Земли. Кратко они сводятся к следующему: Землю можно представить как состоящую из нескольких концентрических слоев систему:

1. Тонкая кора (А), структура которой не решена и очень сложна, мощностью от 10 до 20 км в океанах и до 60-65 на материках;

2. Астеносфера (распространена не повсеместно) мощностью до первых десятков километров;

3. Легкая часть мантии (В), мощностью до первых сотен километров;

4. Переходная зона (С) мощностью около 500 км;

5. Твердая часть мантии (Д), распространена до глубин 2900- 3000 км;

6. Жидкий внешний слой ядра (Е), мощностью около 2200 км;

7. Переходный слой (F) между внешним и внутренним ядром, мощностью порядка 100 км;

8. Твердое внутреннее ядро (G), мощностью около 1200 км.

Для характеристики равновесного состояния Земли введено понятие геоизостазия. Геоизостазия – такое состояние Земли, которое она приняла, если бы слагающий ее субстрат в пределах каждой ее оболочки был жидким и не смешивался. Это была бы система сфероидов с уменьшающимся коэффициентом сжатия.

Источником сил, приводящим к тектоническим активизациям Земли, являются вариации ее ротационного режима (изменение угловой скорости и положения оси вращения), что приводит к нарушению геоизостазии. Каков механизм возникновения этих сил?

1. Земля вместе с Солнечной системой вращается вокруг центра Галактики. Период ее обращения составляет примерно 220 млн. лет и примерно соответствует по продолжительности геологичекой эре;

2. Экспериментально установлено, что в течение последних 500 млн. лет угловая скорость вращения Земли непрерывно уменьшается; установлен эмпирический закон этого уменьшения;

3. Земля представляет собой магнит. Перемещаясь в переменном магнитном поле Галактики, она должна получать дополнительный вращательный момент. Но Земля представляет собой гироскоп, момент количества движения которого в пространстве должен сохраняться. Удовлетворить обоим требованиям одновременно можно только при условии относительного перемещения различных внутренних частей Земли. Наиболее вероятным является поворот ядра относительно остальной части Земли по промежуточному слою (F), что вызовет перемещение полюсов.

Какие следствия в результате изменения геоизостазии Земли?

1. Уменьшенному значению угловой скорости вращения будет соответствовать новый геоид с меньшим сжатием;

2. Непрерывному изменению ротационного режима Земли соответствует непрерывное ее стремление к достижению равновесного состояния;

3. Новое равновесное состояние достигается соответствующей деформацией геоида, приводящей к напряжению в Земле и ее тектоносфере;

4. В эпохи тектонических активизаций, т. е. в интервалы максимальных скоростей перемещения полюса, величины этих скоростей оказываются достаточными для создания напряжений в литосфере превышающих ее прочность, тем самым создаются условия для разломообразования и других тектонических процессов.

Цифры по данным японского за все время эволюционного развития Земли, т. е. за 4,5 млрд. лет на нее из внешних источников поступило энергии 5*10³⁸ эрг, а кинематика энергии вращения Земли только за 1 год составляет 2*10³⁶ эрг.

При наличии такого мощного потенциала любые изменения в скорости вращения планеты и вытекающие из этого тектонические последствия могут всегда быть обеспечены энергией высокого порядка.

2. Чем управляются процессы цикличности?

Мы уже указывали, что по данным сейсмологии, каждая из сфер концентрически расслоенной Земли имеет свою плотность и, естественно, что при изменении скорости вращения планеты моменты инерции этих геосфер будут различны. Это выразится в проскальзывании одной геосферы по другой, и в результате трения на границе между ними будет выделяться колоссальное тепло. Это вызовет растопление субстрата сфер, в том числе и верхней мантии, что и будет представлять собой субстрат астеносферы, плотность которого будет больше чем литосферы. И, как следствие, это означает, что этот астеносферный субстрат, если вращение Земли будет замедлятся, должен смещаться к востоку быстрее литосферных оболочек. Если будет ускорение вращения, то сдвиг будет идти к западу.

Этот процесс должен осложняться еще одним явлением. Известно, что к каждой замкнутой вращающейся системе применим закон сохранения количества движения, выраженный произведением массы частицы на ее окружную скорость и радиус вращения. В нашем случае, при изменении скорости вращения Земли каждая, условно, частица мантийного субстрата стремится сохранить свой момент количества движения (импульс). Поскольку при замедлении вращения планеты линейная скорость частицы уменьшается, а ее масса остается неизменной, то условие сохранения величины момента возможно лишь за счет увеличения радиуса. А это значит, что каждая частица субстрата мантии, помимо продвижения на восток, будет стремиться перейти на больший радиус вращения, т. е. смещаться в сторону экватора. В экваториальной области изменение радиуса в большую сторону уже невозможно и потому частица будет иметь инерционное движение к востоку, но при этом наибольшее, так как здесь имеет место наибольшая потеря линейной скорости, а момент количества движения все равно должен сохраняться.

В области полюса, наоборот, инерционные силы близки к нулю, а сохранить момент импульса можно только за счет изменения радиуса на больший, так как возможность увеличивать его в сторону экватора открыта.

Таким образом, результирующий вектор движения мантийных масс будет изменяться от субширотного в экваториальной области до субмеридионального в области полюсов, через все промежуточные направления. Соответственно при ускорении вращения Земли движение мантийных масс будет иметь обратное направление со всеми тектоническими последствиями. Передвигаясь в том или ином направлении астеносферный субстрой будет стремиться перемещать лежащие на нем отдельные блоки литосферы, подобно тому как по течению речных потоков перемещаются льдины.

Изменения в скорости вращения планеты и стало быть, изменение ускорения силы тяжести влияют не только на тектонические процессы, но и на многое другое. Например, это, видимо, весьма существенно отразилось в изменении животного мира прошлых эпох.

Так, В.Д.Кириллов подметил, что динозавры и другие гиганты прошлого имели такой легкий скелет, который не смог бы их поддерживать в условиях современного поля силы тяжести. Именно потому, что оно стало нарастать, начиная с мела, стали последовательно уменьшаться размеры предельно крупных организмов, произошел вторичных уход в воду некоторых из них. Американский палеонтолог Беккер выполнил удачную палеореконструкцию одной из форм динозавров (барозавра), из которой хорошо видно, что «легкая походка» этого гиганта была бы совершенно невозможна при современной силе тяжести.

Сторонники изложенных взглядов на тектонические процессы многое объясняют особенностями движения Солнечной системы по её галактической орбите. Ещё в 1952 г. советский астроном Паренаго установил и опубликовал свои исследования в области неравномерности галактических движений некоторых звёзд, в том числе Солнца и всей Солнечной системы. Он показал, что Солнце движется вокруг центральных масс Галактики по закону Кеплера, то есть по эллиптической орбите. В перигалактии (удалении) Солнечная система ускоряет свой бег по орбите, а апогалактии (сближении) его снижает.

Вследствие закона сохранения количества движения, Солнечная система, ускоряя свой бег по орбите, должна замедлять собственное вращение, то есть бег своих планет по их орбитам. При этом каждая планета, замедляющая свой бег, опять же, для сохранения момента количества движения должна ускорить собственное вращение. Иными словами: ускорение движения Солнечной системы по её галактической орбите оборачивается ускорением вращения её планет и, собственно, замедление движения Солнечной системы приводит к замедлению такого вращения. В геологической истории Земли установлены проявления цикличности как тектонических, так и климатических процессов. Интервалы в этой цикличности 200-220 млн.лет, геологами рассматривается и более дробная периодичность в 32-40 млн.лет. Это так называемая главная геологическая периодичность, к которой приурочиваются этапы кимберлитового магматизма, высокобарического магматизма, образования взрывных кольцевых структур, максимумы гранитоидного магматизма, инверсия магнитных полюсов и другие явления. Однако они не носят всеобщего характера и проявляются там, где имеется соответствующая подготовленная обстановка. С этим интервалом происходит изменение орбитального движения Луны, что так же сказывается на скорости движения Земли.