3. Эндогенные процессы
В геологии принято выделять эндогенные и экзогенные процессы. Первые связаны с внутренней энергией нашей планеты (рис. 3.1). Вторые - с энергией Солнца, органического вещества и гравитацией.
3.1. Источники внутренней энергии Земли
Внутренняя энергия Земли обусловлена существованием расплавленного ядра и обволакивающей его горячей твердо-вязкой мантии и другими менее значимыми источниками. Тепловая энергия передаётся путем диффузии и по крупным глубинным разломам (расколам) земной коры, литосферы и верхней мантии.
Другой тип внутренней энергии Земли получается от вращательного момента, который получился, когда формировалась планета примерно 5 млрд лет назад и раньше во время образования Солнечной системы и всей галактики, что было десятки млрд. лет назад.
Третий источник – энергия гравитирующих масс Солнца, Луны и других космических тел. Хорошо известны лунные приливы. Существуют приливно-отливные энергетические электростанции. Это за счёт Луны – она максимально приближается к Земле и вода океанов и морей к ней притягивается, и наоборот.
Четвертый тип внутренней энергии - энергия фазовых переходов в мантии. Фазовые переходы это изменения внутреннего кристаллического строения одних и тех же химических соединений. Считается, что мантия состоит в основном из Mg2SiO4 и AlO4-. Их кристаллы могут быть построены весьма плотно или менее и меняться. Такие твёрдофазные переходы сопровождаются изменением объема и выделением тепла.
Пятый вид внутренней энергии Земли представлен теплом радиоактивного распада природных урана и тория.
В результате действия внутренних сил нашей планеты изменяется состав и строение Земной коры и поверхность Земли. Проявления эндогенных источников энергии неравномерны в пространстве. За счет неравномерных выделений тепла и блокового строения Земной коры и литосферы получаются разломы, вертикальные и горизонтальные перемещения, образуются магматические очаги. В участках глубинных разломов Земной коры и магматических расплавов имеются повышенные потоки эндогенного тепла, высокая сейсмичность и активный вулканизм.
Проявления эндогенной энергии во времени сложно периодические. В истории геологического развития нашей планеты, составляющей порядка 4,5 -5,0 млрд, лет были эволюционные и революционные (катастрофические) события, которые также влияли на жизнь. Всё живое на планете Земля приспособилось к этим циклам; к изменению магнитных полюсов, к изменениям фазовых переходов, гравитирующих масс, изменениям скорости вращения Земли, прецессии, лунным приливам, циклам активности Солнца. Например, лунный цикл жизни любого организма.
3.2. Представления об эндогенных процессах
Представление об эндогенных процессах базируется на постулатах. Один из них - слоистое или оболочечное строение планеты Земля (см. рис. 2.5). Выделяют следующие оболочки: внутренняя, представляющаяся расплавленным, гидридизированным металлизированным возможно плазменным ядром (1255 км). Следующее – 1475 км – внешнее ядро, оно менее нагрето обладает другими свойствами. Третья оболочка самая мощная (2900 км) и представлена громадной мантией, находящейся в вязко-твердом состоянии. Верхняя оболочка является твердой и получила название литосферы. Ее мошность колеблется от 8-10 км в океанах до 250-300 км на континентах. Самая верхняя и самая тонкая оболочка - земная кора с толщиной от первых до 70 км, в среднем 30-40 км.
Как определяют границы оболочек Земли и земной коры? Главный метод, на котором основано это представление – сейсмический. Анализируется интерференционная картина прохождения, преломления и отражения продольных и поперечных сейсмических волн. Сейсмический метод – это анализ сигнала, полученного от взрывов, землетрясений или сильных ударов. Если вещество жидкое, то продольная волна гаснет, а поперечная продолжается. Если один материал плотный, например мантийный, а другой менее, например, породы земной коры, то граница между ними получится по сейсмическим данным отчетливая.
При этом надо иметь в виду вращение нашей планеты вокруг своей оси. В этой связи одним из источников сейсмических деформаций является то, что по границам фазовых разделов, особенно ядро-мантия, имеется разная скорость кручения. Когда одна оболочка проскальзывает относительно другой, то выделяется колоссальная энергия.
Земная кора тоже построена как слоёный пирог (рис. 3.1). Нижняя оболочка сложена основными породами базальтами, средняя - кислыми гранитного состава, а самая верхняя и тонкая - чехлом осадочных отложений. Земная кора имеет разную мощность в разных частях планеты. В океанических впадинах она маломощная и не превышает 8-12 км. На континентах, особенно в их внутренних частях, в равнинных областях, которые получили название платформ, кора мощная и составляет 40-70 км. В складчатых (геосинклинальных) областях имеет промежуточные значения.
В целом земная кора наименее плотная оболочка Земли, а ее самые лёгкие части – гранитная и осадочная. В ней преобладают оксиды кремния и алюминия, соединения натрия, калия и кальция. Тяжелая мантия сложена породами ультраосновного состава, обеднёнными оксидом кремния, обогащёнными магнием и железом. Литосфера включает часть хрупкой верхней мантии и земную кору.
Рис. 3.1. Мощности оболочек Земной коры: 1- осадочной; 2 – гранито-гнейсовой; 3 – базальтовой.
Почему же так сложились земные слои? Существует несколько точек зрения. Первая, после холодной аккреции планеты (особого слипания космических частиц) был процесс зонной плавки. Механизм зонной плавки такой. Если проплавлять один конец металлического стержня или стекла, то на границе твердой и расплавленной фаз будут происходить термодиффузионные процессы. В расплавленную зону станут переходить легкоплавкие элементы, а там, где твёрдая фаза, будут накапливаться тяжелые тугоплавкие элементы. Расплавление могло происходить сверху вниз. Считают, что на Землю в древнее время около 4,5 млрд лет назад падало огромное количество метеоритов и за счет эффекта мишени происходило проплавление ее верхней части. Соответственно, внизу накапливались тяжелые тугоплавкие базальты, вверху - легкоплавкие граниты.
По другим представлениям Земля после аккреции была горячей и существовал магматический океан. Во время остывания и кристаллизации из расплавов вверху накапливались легкие гранитоидные породы, обогащенные легкими литофильными элементами, внизу оставались тяжелые ультраосновные и основные породы, обогащенные сидерофильными и халькофильными элементами.
В любом случае во всей планете и в земной коре происходили и происходят тектонические процессы. Они в основном определяют сейсмическую активность, рельеф поверхности планеты и магматизм. Первый тектонический процесс – это мантийные поднятия и прогибы, увеличение или уменьшение объёма мантии. В какой-то части Земли поднимается мантийный материал и он растягивает и раскалывает литосферу и земную кору.
В тектонике, науке о деформациях Земли и их причинах, существует две парадигмы: плюм-тектоника и плейт-тектоника или тектоника плит. Ядро неоднородно, вследствие чего из него в некоторых местах происходят выбросы вещества – плюмы. Скорее всего, это водородные потоки, т.к. у водорода колоссальная проникающая способность. Они доходят до мантии, начинают её перерабатывать и обуславливают образование магматический очагов. Эти выбросы вещества, тепла и энергии происходят из-за турбулентных процессов, происходящих в расплавленном неоднородном ядре. Об этом свидетельствуют данные сейсмотомографии.
Плейт-тектоника базируется на том, что земная кора представляет собой ограниченное число больших (27) и малых (50) плит, которые «ползают» по астеносфере – поверхности мантии. Это происходит без изменения объёма планеты.
Изменения поверхности Земли и ее элементов мы стали наблюдать с появлением космических аппаратов и мощных компьютеров. Из космоса хорошо видны срединно-океанические хребты и протяженные впадины внутри континентов, внутри которых находятся глобально протяженные V-образные так называемые рифтовые долины (рис. 3.2). Они отражают зоны раздвига и проседания океанической коры.
Рис. 3.2. Основные рифтовые зоны Земли (по Соколову и др.,2002).
1 – границы срединно-океанических хребтов; 2 – осевые зоны рифтов (зон спрединга); 3 - океанические впадины; 4 - трасформные разломы (гигантские сдвиги) (по Дж. Ферхугену и др.).
Данные космической геодезии и магнитометрии позволяют оценить скорость раздвигания океанических хребтов до нескольких сантиметров в год. Рифтовые долины считаются зонами спрединга - расширения дна мирового океана. Альтернативный ему процесс сжатия и подвига получил название субдукции. Тяжелая базальтовая океаническая плита поддвигается и погружается под легкую гранитную кору континента (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Схема спрединга и субдукции (по Г.Хессу).
В зонах субдукции в результате огромного трения и срывов часты сейсмические явления и активен магматизм и вулканизм (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Основные плиты литосферы (по Г. Хессу).
1 – эпицентры землетрясений; 2 – границы спрединга; 3 – границы, на которых происходит поглощение плит.
Предполагают ещё процесс обдукции. Это процесс конвективных поднятий и опусканий поверхности мантии. Процессы конвекции – это процессы перераспределения масс по плотности за счёт теплового различия. Поднятия мантии могут быть не обязательно за счёт увеличения планеты. Обдукция – это процесс, происходящий без изменения объёма Земли, просто это волнообразные поднятия и прогибы мантии. Процесс обдукции близок появлению полигональных форм при остывании расплавов (ячейки Бенара). Этот процесс можно рассматривать как структурирование беспорядка. Русский профессор Иван Пригожин разработал термодинамику открытых систем. Все природные процессы диссипативные, т.е. открытые. Пригожин пришёл к выводу, что хаос должен структурироваться, и затем снова переходить в беспорядок и описал это математически.
Поднятия и прогибы блоков земной коры могут быть обусловлены и изменениями их масс. Например, таяние мощных многокилометровых материковых ледников должно обусловить поднятие территории. Аналогично должны «всплывать» и массы гранитоидов над плотными базальтами. Такой механизм получил название изостазии.
К эндогенным относят редко встречающиеся космоударные явления. Космоударные структуры выделяются в виде колец с валами, нарушенных радиальными формами. Они известны в Европейской части России: Воротиловская в районе Нижнего Новгорода, Калужский купол, район Мишиной горы в Псковской области. Гигантский в диаметр более 100 км Попигайский кратер найден в Восточной Сибири. Шарики из расплавленного стекла, образованные во время космических ударов, называемые тектитами, находят даже в древних льдах Арктики.
При тектонических явлениях и ударных деформациях происходят вязкопластические и хрупкие деформации горных пород за счёт горизонтальных и вертикальных сжатий и растяжений. При хрупких деформациях формируются разломы, а при вязкопластических – складки. Разломы могут получаться из-за растяжения, сжатия или срезания горных пород (твердых тел). Одна из разновидностей хрупких нарушений это сдвиги, в которых есть горизонтальная составляющая перемещений. При приложении сдвиговых срезающих деформаций надо в три раза меньше усилий, чем при простом сжатии или растяжении твердых тел. Смещения блоков пород по сдвигам в основном обуславливают землетрясения. Места сдвиговых зон можно дешифрировать на космических снимках.
При поднятии горячих мантийных масс, при снижении давления, при мощном трении в зонах субдукции, при мощных космоударных явлениях может происходить явление магматизма. Магматические очаги представляются некими изометричными "мешками", наполненными алюмосиликатными расплавами. Температура их колеблется от 500-600 до более 20000 С. Очаги магм предполагают в мантии на глубинах до 600 км и в земной коре на 40 – 60 км (нижнекоровые) и выше вплоть до первых километров от поверхности (внутрикоровые и верхнекоровые). В составе нижнекоровых и мантийных очагов преобладают расплавы ультраосновного и основного состава, в верхнекоровых - гранитного. Напомним, что расплавление, перемещение, застывание магм и их кристаллизация, происходящие внутри земных оболочек называются интрузивным магматизмом. Если же магматические расплавы достигают поверхности Земли и в приповерхностных обстановках остывают и превращаются в породы, то такие процессы называются вулканическими. Магматические и вулканические явления всегда связаны с повышенной сейсмической тектонической активностью. Сегодня мы переживаем пик повышенной сейсмической активности.
Для образования гранитных очагов может быть ещё одна причина – погружение масс, пород на большие глубины и рост давления. При глубинах 10 – 20 км и температуре около 500–7000 С может получиться легкоплавкий расплав гранитного состава. Такие условия связывают с метаморфизмом, который также относят к эндогенным процессам. Метаморфизм это процесс любых изменений горных пород в условиях высоких давлений и температур. Различают разные метаморфические процессы. Метаморфизм погружения или региональный, происходящий при значительном погружении породных массивов. Метаморфизм нагревания, когда породы изменяются за счет тепла остывающего магматического очага. Контактовый метаморфизм или термометаморфизм, при котором происходят изменения пород у края интрузии. Динамометаморфизм, происходящий в зонах крупных разломов. При этом в зоне разлома сталкиваются, перемещаются и изменяются породные блоки. Отмеченный выше космоударный метаморфизм.