В.Н. Жарков - Внутреннее строение Земли и планет (1119250), страница 52
Текст из файла (страница 52)
ХонсюМарианские о-вао-ва ТонгаГлубина, км100200300400500600700аАБВГНизкая прочностьВозрастающая прочностьВысокая прочностьбРис. 63. а) Тип напряжений, ориентированных по падению сейсмической зоны, какфункция глубины для 14 различных районов. Черными кружками обозначено растягивающее напряжение, светлыми — сжимающее; крестиками обозначены случаи, когдаориентация напряжений не отвечает ни тому, ни другому виду. Маленькими кружкамипоказаны напряжения, ориентация которых определена неточно; прямоугольниками —приблизительное распределение очагов землетрясений в зависимости от глубины (показана максимальная глубина и наличие промежутков между отдельными скоплениямиочагов). б) Схемы возможного распределения напряжении в блоках литосферы, погружающихся в астеносферу (А) и упирающихся в ее основание (Б и В).
На схеме Г показаны блок литосферы и оторвавшийся от него кусок. Обозначения для различных видовнапряжений те же, что и на а. На схемах Б и Г показаны предполагаемые промежуткимежду скоплениями очагов. Показаны также направление поддвига и растягивающиенапряжения, возникающие в верхней части блока вследствие его изгибания под желобом. Данные получены путем анализа механизмов мелкофокусных землетрясении(дальнейшие пояснения см. в тексте)232ЛитосфераРис. 64. Модель Эльзассера конвекции в верхней мантииАргументация Айзекса и Молнара была усилена в 1979 г. американским геофизиком Фрэнком Рихтером.
Рихтер рассмотрел не только механизмы очаговземлетрясении в плите, погружающейся в мантию в районе желоба Тонга –Кермадек, но и распределение выделяемой сейсмической энергии в этой плитепо глубине. Оказалось, что наибольшее выделение сейсмической энергии наблюдается на глубинах 500–700 км.
Рихтер интерпретировал этот результат какуказание на то, что погружающийся блок встречает на глубине ∼ 700 км непреодолимый барьер. Если бы прекращение сейсмичности на глубинах ∼ 700 кмбыло обусловлено тем, что погружающаяся литосфера размягчается за счет разогревания по мере своего погружения в горячую мантию, то выделение сейсмической энергии к предельной глубине ∼ 700 км должно было бы равномерно спадать, а не иметь максимум в зоне 500–700 км. Тем самым мы видим,что крупномасштабная мантийная конвекция, частью которой является рождающаяся у срединных хребтов литосфера, которая затем у желобов погружаетсяв мантию, не проникает в нижнюю мантию (глубже ∼ 700 км) и циркулируетв наружном слое мощностью ∼ 700 км. Погружающийся литосферный блок,достигнув глубины ∼ 700 км, должен уходить в сторону, с тем чтобы замкнуть«течение» литосферы в мантии, а на его место должна попадать очередная порция достаточно холодного литосферного материала, способного обнаруживатьсейсмичность.К нарисованной выше картине циркуляции литосферного «потока» в верхнеймантии близка модель конвективных течений, предложенная в 1971 г.
известным американским геофизиком Эльзассером (рис. 64). В этой модели жесткаялитосферная плита движется по вязкой астеносфере. «Тянет» плиту ее блок, погружающийся в верхнюю мантию. Закон сохранения массы требует существования в мантии конвекции обратных потоков. Эти потоки показаны на рис. 64стрелками, идущими от погружающегося конца литосферы к истокам срединноокеанических хребтов. Модель Эльзассера еще не означает, что нам удалось найти механизм тектоники плит. Эта модель дает естественное описание данныхнаблюдений, но она совершенно не вскрывает физических причин мантийныхтечений.
Прежде чем продолжить изложение, рассмотрим вопрос об источниках энергии в недрах Земли, так как в конечном счете именно их величинаи распределение в значительной мере определяют характер течений в мантии.2338.4.2. Источники энергии и их распределение. Эволюционная геохимическаямодель. Вопрос об источниках энергии и их распределении в недрах Земли частично затрагивался в гл. 5, посвященной геотермике.
Изложенные там основные понятия классической геотермики сложились в эпоху, предшествовавшуютектонике плит, когда еще не была осознана роль гидродинамического переносатепла (ковекции) в недрах Земли. Эти представления, рассуждения и оценкиинтересны и теперь, но, занимаясь проблемой механизма тектоники плит, намнеобходимо приступить к их ревизии и более глубокому анализу проблемы, чемэто было сделано в пятой главе.Прежде всего сейчас поставлено под сомнение то, что Земля находится в стационарном состоянии и ее теплопотеря компесируется радиогенным тепловыделением.
Теплопотеря Земли, отнесенная к ее массе, близка к тепловыделениюна грамм в углистых хондритах (см. конец гл. 5), однако из этого факта совсемне следует, что тепловыделение в Земле и хондритах одинаково. Дело в том. чтоуглистые хондриты образовывались из первичного газопылевого облака в поясеастероидов на расстоянии, в 2.7 раза большем от Солнца, чем наша планета и ееестественный спутник Луна. В зоне формирования Земли и Луны температурыбыли заметно выше, чем в поясе астероидов, поэтому оба космических телапотеряли заметное количество летучих элементов по сравнению с углистымихондритами.
Сейчас выяснено, что из трех важнейших радиоактивных элементов U, Th и K Земля и Луна обеднены K по сравнению с углистыми хондритами.Все имеющиеся данные для Земли подтверждают оценку отношения по массеK/U ≳ 1 ⋅ 104 , полученную еще в 1964 г. Вассербургом, Макдональдом, Хойломи Фаулером. В углистых хондритах это отношение составляет K/U ≳ 2 ⋅ 104 ,а для Луны оно на порядок меньше. Отношение Th/U ∼ 4 для всех трех систем — хондритов, Земли и Луны — примерно одинаково.Далее, при сравнении тепловыделения на единицу массы в Земле с тепловыделением в хондритах следует принимать во внимание ряд обстоятельств.Во-первых, Земля является большим телом. При своем образовании и при дифференциации на силикатную мантию и железное ядро (см.
конец гл. 5) онамогла разогреться на (2–3) ⋅ 103 K, и это начальное тепло до сих пор можетдавать определенный вклад в тепловой поток Земли. Далее, в §7.7 было установлено, что поток тепла из жидкого адиабатического ядра в мантию составляетне менее 1/7 части полного теплового потока Земли. Такой поток из ядра в мантию на протяжении последних 1.5 ⋅ 109 лет мог поддерживаться за счет энергиикристаллизации внутреннего ядра. Следовательно, если в конвективной Землевремя выноса тепла из недр наружу мало, скажем ∼ 2 ⋅ 108 лет, т.е. порядка времени жизни океанической литосферы, то уже из этого факта вытекало бы, чтовыделение радиогенного тепла в Земле на единицу массы меньше, чем удель234ная теплопотеря Земли.
Далее, если время тепловой релаксации Земли велико,скажем больше (1–2) ⋅ 109 лет, то в настоящее время мы наблюдаем тепловойпоток, который выносит радиогенное тепло, выделившееся несколько миллиардов лет тому назад, когда радиоактивное тепловыделение в недрах Земли былозаметно больше современного. На все только что поднятые вопросы труднодать однозначный ответ. Однако без обсуждения этих вопросов вряд ли можнопродвинуться в понимании механизма тектоники плит.Важные указания по интересующей нас теме были получены О’Нионсом,Ивенсеном и Гамильтоном в 1979 г.
при геохимических моделированиях процессов дифференциации мантии и роста земной коры. Прежде всего, большойматериал, накопленный но радиоактивному датированию горных пород материков, показывает, что образование континентальной коры происходило в среднемпостепенно но крайней мере на протяжении последних 3.8 ⋅ 109 лет (возрастдревнейших горных пород).
Эволюционная геохимическая модель строится поданным о дочерних продуктах радиоактивных изотопов 40 K, 87 Rb, 147 Sm, 232 Th,235 U и 238 U, которыми соответственно являются 40 Ar, 87 Sr, 143 Nd, 208 Pb, 207 Pbи 206 Pb. В настоящее время имеется много данных о распределении этих изотопов в земной коре и атмосфере. Данные по метеоритам и базальтам позволяютсудить о первичном составе Земли и составе мантии, из которой выплавляются базальты.
Модель строится так, чтобы удовлетворить наблюдаемым отношениям изотопов 40 Ar/36 Ar, 87 Sr/86 Sr, 143 Nd/144 Nd, 208 Pb/204 Pb, 207 Pb/204 Pb и206 Pb/204 Pb в земной коре, атмосфере и мантии.Считается, что Земля образовалась 4.55 ⋅ 109 лет тому назад с химическиоднородной силикатной компонентой.С этого момента из первичного силикатного резервуара, который кратко называется мантией (M), начал формироваться внешний 50-километровый слойЗемли (кратко — резервуар L) за счет постепенного поступления в него из M радиоактивных нуклидов и сопровождающих их близких по физико-химическимсвойствам элементов, которые легче растворяются в породах земной коры, чемв ультраосновных силикатах мантии. В современную эпоху L включает всю континентальную и океаническую кору, которые по массе в этом слое составляютпримерно 30%.
Эволюционная модель основана на уравнениях баланса (скорости изменения) для каждой компоненты i в резервуарах L и M. Эти уравненияаналогичны основному уравнению радиоактивного распада (112). Так, если обозначить через nLi число молей i-гo компонента в коровом резервуаре, то скоростьизменения nLi подчиняется дифференциальному уравнению первого порядкаdnLiL= α (t)nMi − β (t)ni ,dt(129)235где t — время, nMi — число молей i-й компоненты в мантии (M), а α (t) и β (t) —коэффициенты переноса i-й компоненты из M в L и из L в M соответственно.В случае, если имеет место радиоактивный распад, например 87 Rb → 87 Sr, (129)принимает видd 87 SrL= α (t)87 SrM − β (t)87 SrL + λ 87 RbL .dt(130)Уравнение (130) означает, что скорость изменения числа молей изотопа 87 SrLв коре пропорциональна числу молей этого изотопа в мантии (M) 87 SrM (т.е.
87 SrLв коре растет за счет выноса туда из мантии изотопа 87 SrM в процессе непрерывного роста континентального сегмента Земли) и уменьшается (знак “−” в (130))пропорционально имеющемуся числу молей 87 SrL (за счет разрушения литосферы — погружения литосферных плит, частично с осадочным чехлом, сновав мантию). Кроме того, число 87 SrL в резервуаре L растет за счет радиоактивного распада рубидия 87 RbL (λ 87 — постоянная радиоактивного распада 87 Rb).Коэффициенты переноса α и β считаются экспоненциальными функциями времени (так же как выделение радиоактивного тепла в недрах Земли, которое ивызывает конвекцию) с характерными временами τα и τβ , гдеα = α0 e−t/τα ,β = β0 e−t/τβ .(131)Земля начала свою эволюцию, согласно уравнениям (129)–(131), 4.55⋅109 летназад в момент t = 0.
Предэкспоненциальные множители α0 и β0 имеют разныезначения для каждого элемента, но одинаковы для всех изотопов одного и того же элемента. Коэффициент α0i подбирается так, чтобы получить известнуюконцентрацию i-й компоненты в L при t = 4.55 ⋅ 109 лет, β0 принимается одинаковым для всех элементов, исключая Ar, который просачивается в атмосферу,а все остальные элементы уходят в мантию при разрушении литосферы.Чтобы построить эволюционную модель, необходимо выбрать начальное химическое состояние, т.е. задать обилия K, Ar, Rb, Sr, Sm, Nd, U, Th и Pb иизотопные составы Ar, Sr, Nd и Pb в недифференцированной мантии или всейЗемле 4.55 ⋅ 109 лет назад. Для описания современного химического состоянияЗемли, с которым сравниваются выводы теории, требуется знание обилия элементов во внешнем 50-километровом слое и в остаточной (обедненной) мантии,из которой часть элементов перешла в резервуар L.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
