В.Н. Жарков - Внутреннее строение Земли и планет (1119250), страница 41
Текст из файла (страница 41)
46). В §7.6мы видели, что температурное распределение, согласованное с распределениемвязкости в мантии, дает оценку температур на границе мантия – ядро порядка3400–3500 K. Эту оценку скорее следует отнести к нижнему, чем к верхнемупределу. В связи с этим при расчете пробных адиабатических температур ядра,которые приведены на рис.
47, значения Tад 0 в (106) принимались равными 3500,4000 и 4500 K. Соответствующие температуры на границе внешнего и внутреннего ядра легко определить с помощью (106), и они оказываются равны 4700,5360 и 6030 K. Последние цифры можно рассматривать как некоторые пробные значения температуры плавления на границе внешнего и внутреннего ядра.Подставляя эти значения для Tm 0 в формулу для кривой плавления ядра (107),где индекс “0” теперь отнесен к границе внутреннее – внешнее ядро, мы получаем возможность рассчитать соответствующие кривые плавления внешнегоядра, которые также приведены на рис. 47 (прерывистые линии).182Как видно из рис.
47, значения температуры плавления внешнего ядра уграницы с мантией оказываются равными 2980, 3400 и 3830 K соответственно.Зная кривую плавления и скачок плотности при переходе от внешнего ядрак внутреннему (см. табл. 5), можно с помощью (103) и (107) определить теплотуплавления( )v2 ΔρΔρ Tm0dP= P= 2.09 ⋅ 1010 эрг/г,(109)q=dT m ρ1 ρ22.24 ρ2где ρ1 = 12.139 г/см3 , ρ2 = 12.704 г/см3 , vP = 10.258 км/с.
Используем (109)и оценим теплоту кристаллизации внутреннего ядра Земли:QК =4π 3R ρв я q = 2 ⋅ 1036 эрг,3 вягде Rв я = 1217 км, ρв я = 12.8 г/см3 . Подсчитаем теперь тепловой поток, выносимый из ядра Земли за счет механизма теплопроводности, Qя . Для этогоумножим dTад /dl (108) у границы с мантией на коэффициент теплопроводностиядра LT σя (73) (L = 0.245 эрг⋅с−1 ⋅Ом⋅град−2 , σя = 3⋅103 Ом−1 ⋅с−1 , T = 4000 K),ϰя = 0.294 ⋅ 107 эрг/(см ⋅ с ⋅ град) и площадь поверхности ядра 4π R2я . В результате получим Qя ≈ 4.34 ⋅ 1019 эрг/с ≈ 1.4 ⋅ 1027 эрг/год.
Таким образом, тепловойпоток из ядра за счет механизма теплопроводности выносит теплоту кристаллизации ядра заQКτК =≈ 0.46 ⋅ 1017 с ≈ 1.5 ⋅ 109 лет.(110)QЯИнтересно отметить, что тепловой поток из ядра в мантию примерно в 7.3 раза меньше полного теплового потока Земли (∼ 1028 эрг/год).Распределение температуры во внутреннем ядре Земли еще недостаточнохорошо изучено.
Видимо, в настоящее время разумно предположить, что и вовнутреннем ядре температуры близки к адиабатическим. Адиабатический росттемпературы во внутреннем ядре также показан на рис. 47. Он рассчитан с помощью формулы (106) и γ = 1.3. Следует только помнить, что энтропия внутреннего ядра меньше энтропии внешнего ядра на величину энтропии плавления.Существует еще один параметр, который можно рассчитать, если построенамодель Земли (табл. 5), и который можно сравнить с предсказаниями, вытекающими из физики твердого тела. Мы имеем в виду производную модуля сжатияK по давлению dK/d p как функцию плотности ρ . Для химически однороднойзоны планеты производная должна медленно убывать с ростом плотности, и присверхвысоких давлениях, больших 103 Мбар, где электронные оболочки атомов«раздавлены» и электроны образуют ферми-газ, указанная производная должна стремиться к постоянному значению 5/3.
В области ферми-газа зависимостьдавления и модуля сжатия от плотности имеет очень простой вид183dK/dp3.53.02.52.01011ρ, г/см3Рис. 48. Производная dK/d p как функция плотностив ядре Земли для модели PEMp = Aρ 5/3 ,K=55p = Aρ 5/3 ,33откуда и следует указанный выше результат. Для области давлений в недрахdKdK∼ 4. График= f (ρ ) для ядра Земли по даннымЗемли (p ≲ 3.5 Мбар)dpdpмодели РЕМ (табл. 5) показан на рис. 48. Мы видим, что при плотностях, больших 11 г/см3 , производная начинает резко убывать. С физической точки зрения,для химически однородного жидкого ядра это представляется абсолютно невозможным. Отсюда можно сделать вывод, что или ядро химически неоднородноили же модель PEM в ядре неточна и ее нужно улучшить.
По-видимому, нетолько модель PEM, но и ряд других современных моделей в ядре Земли недостаточно надежны.Глава 8ТЕКТОНИКА ПЛИТ1«В настоящей статье рассматривается геометрическая модель, с помощью которой может быть описан современный процесс континентального дрейфа. Предложенные авторомпостроения представляют собой приложениеконцепции трансформных разломов Уилсона(1965 г.) к сферической поверхности».В.
Морган,«Океанические поднятия, глубоководныежелоба, большие разломы и блокиземной коры», 1968 г.«Если плиты способны непрерывно изменятьсвою форму и величину и могут обнаруживать любую комбинацию типов своих границ,то отсюда следует, что не может быть простого взаимно однозначного регулярного соответствия между нисходящими и восходящимимантийными течениями. Картины мантийныхвосходящих питающих хребты течений и нисходящих течений под желобами должны бытьчастями очень сложной, нестационарной циркуляции; в некоторых случаях должны иметьместо противотечения на протяжении многихтысяч километров».Е.Р. Оксбург и Д.Л. Туркотт.«Механизмы дрейфа континентов», 1978 г.1 Подробноепопулярное изложение тектоники плит дано в книге: Уеда С.
Новый взгляд на Землю, — М.: Мир. 1980.1858.1.Введение. История вопросаЕще совсем недавно, каких-нибудь 20 лет назад, концепция тектоники плитпредставлялась настолько чуждой нормальному человеческому рассудку, что мало кто из ведущих специалистов принимал ее всерьез. Так, сэр Эдвард Буллардв своих воспоминаниях о выдающемся американском геофизике Морисе Юингеписал, что в ответ па его вопрос об этой теории Юинг просто сказал: «Эдди!Как ты можешь верить этой чепухе!».Сейчас же представления тектоники плит никого не удивляют. К ним привыкли, и они кажутся естественными и понятными.О тектонике плит написаны горы литературы, и становится трудным сказатьне только новое, но даже свежее слово об этой теории.
Нас в этой книге впервую очередь интересуют физические принципы, на которых основана тектоника плит, а также те изменения в представлениях о внутреннем строенииЗемли, которые связаны с данной темой.Создание новой глобальной тектоники было бы невозможным, если бы, с одной стороны, не были сделаны основные открытия о строении океаническогодна и, с другой, — с позиций физики твердого тела не были установлены реологические свойства материала мантии (см.
§7.6). Оба указанных обстоятельстваявились объективными причинами того, почему Альфред Вегенер в 20-е годыне смог добиться успеха в создании теории дрейфа материков и почему еготеория была оставлена на многие годы. Это, конечно, не означает, что деятельность Вегенера прошла бесследно. Безусловно, Вегенер оставил глубокий следв истории геофизики, а мы здесь хотели только подчеркнуть, что его неудача небыла случайной, а обусловлена объективными обстоятельствами.В послевоенные годы возрождение идей «мобилизма» связано в первую очередь с палеомагнитными исследованиями, выполненными английскими магнитологами во главе с Блеккетом и Ранкорном.
Сделанные ими палеомагнитныереконструкции подтверждали дрейф континентов в духе идей Вегенера. Создание тектоники плит, как и большинство других крупных открытий современнойгеофизики, является плодом коллективного творчества. Приведем изложение истории становления этой теории, следуя в основном Ле Пишону1 , который в товремя был в центре событий.Тектоника плит пришла на смену гипотезе дрейфа континентов, которую связывают с именем Вегенера (1912 г.) и его последователей Аргана (1924 г.) и ДюТойта (1937 г.). Следующей важной идеей на пути к тектонике плит была гипотеза спрединга — раздвигания океанического дна в стороны от срединно-океа1 Ле186Пишон К., Франшто Ж., Боннин Ж. Тектоника плит.
— М.: Мир. 1977.нических хребтов, опоясывающих весь земной шар. Гипотеза спрединга былавыдвинута Хессом в 1960 г. и далее развита Дитцем (1961–1963 гг.), Baйноми Мэтьюзом (1963 г.), Морли и Ларошеллем (1964 г.), Хессом (1965 г.), Уилсоном (1965 г.), Вайном (1966 г.), Питменом и Хейрцлером (1966 г.) и Сайксом(1967 г.).По гипотезе спрединга расширение океанического дна обусловлено конвективными потоками вещества в подстилающей кору (точнее, литосферу) мантии,горячее вещество которой выносится наружу в осевой зоне океанических хребтов — местах расположения рифтов. Поскольку площадь земной поверхностиостается постоянной, рождение коры (правильнее, литосферы) в зоне океанических хребтов должно сопровождаться ее уничтожением в каких-то других зонах.Такими зонами являются океанические желоба, расположенные вблизи островных дуг или так называемых активных континентальных окраин (характерныйпример — западное побережье Южной Америки).
Согласно гипотезе спрединга,в области желобов происходит погружение океанической литосферы, котораявначале уходит под островную дугу, а затем дальше под континент на глубину,достигающую ∼ 700 км.Существенным шагом в разработке тектоники плит или, как ее часто и более удачно называют, новой глобальной тектоники (НГТ) была гипотеза Вайна и Мэтьюза (1963 г.), объясняющая природу линейных магнитных аномалийв океане.
Чередующиеся положительные и отрицательные полосы магнитныханомалий параллельны осям хребтов, причем соответствующие друг другу полосы располагаются симметрично по обе стороны от оси хребта. Для объяснения полосчатой структуры магнитных аномалий океанического дна необходимопривлечь явление смены полярности геомагнитного поля на протяжении геологической истории. В новейшее геологическое время (∼ 4 ⋅ 106 лет) продолжительность эпох одной полярности составляла в среднем ∼ 2 ⋅ 105 лет. В болеедревнее геологическое время эти эпохи были более протяженными и достигали106 и даже 107 лет. Явление смены полярности геомагнитного диполя послужилоосновой для создания геомагнитной хронологической шкалы (см. §8.2).
Эта шкала указывает, какую полярность и на протяжении какого периода времени имелмагнитный диполь. Полосчатая структура магнитных аномалий, расположенных симметрично относительно срединно-океанических хребтов, с помощьюгеомагнитной шкалы позволяет оценить скорость раздвигания океаническогодна в стороны от хребтов.Согласно гипотезе Вайна – Мэтьюза, когда расплавленный мантийный материал охлаждается на гребне океанического хребта ниже точки Кюри, вновь образованные базальтовые породы намагничиваются в соответствии с полярностьюгеомагнитного поля, существующего в данный период. Последующее раздвига187ние вновь образованной коры в стороны от оси океанических хребтов приводитк «магнитной записи» поля, существовавшего во время формирования коры нагребне хребта.
Определенная таким образом скорость спрединга океанического дна составляет величину порядка нескольких см/год. Идеи Хесса и Вайна –Мэтьюза о раздвигании океанического дна в настоящее время разделяются большинством исследователей. Описывая историю становления этой замечательнойидеи, необходимо отметить английского геолога Артура Холмса, который ещев 1929 г. для объяснения дрейфа континентов предложил механизм тепловойконвекции в мантии. Предлагавшиеся Холмсом картины тепловой конвекциив мантии, восходящие потоки в которой приводили к раскалыванию континентаи образованию нового океана, удивительно близки к схемам, принимаемым внастоящее время. Однако, если перенестись в эпоху 30-х годов, когда небольшое число ведущих геофизиков стояло на твердых позициях классической механики и им значительно больше по душе были статические представлениягеологов-фиксистов, чем динамические представления геологов-мобилистов, тостановится совершенно ясно, что представления Холмса воспринимались в лучшем случае как очень смелая фантазия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
