Глава 03. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЗЕМЛИ И ЕЕ ДОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИСТОРИЯ (1119266), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Сафронова, А.В. Витязева, Х. Альвена, Г.Аррениуса и др.Эволюция расстояния между Луной и Землей. Существенное влияние наприливное взаимодействие планет оказывает эффективная механическая добротность Qцентральной планеты. Напомним, что под фактором добротности понимается степеньприближения реологических свойств реальных тел к идеальной упругости: чем вышемеханическая добротность тела, тем его свойства ближе к идеально упругим материалами, наоборот, чем ниже фактор добротности, тем это тело больше проявляет свои вязкиесвойства. Ярким примером тела с высокой добротностью может служить долго звучащийбронзовый колокол, если же такой колокол сделать из пластилина, то вообще никакогозвучания не будет, так как в этом случае вся энергия удара полностью переходит впластические деформации. Численно безразмерный фактор добротности равенотношению общей энергии, затрачиваемой на деформацию тела (например, за счетприливных взаимодействий планет), к той ее части, которая благодаря процессамвнутреннего трения в материале этого тела, превращается в тепло.Теория приливных взаимодействий планет показывает, что если угловая скоростьосевого вращения центральной планеты превышает угловую скорость орбитальногообращения спутника (как это и наблюдается в системе Земля–Луна), то благодаря такимвзаимодействиям осевое вращение центральной планеты будет тормозиться, а спутникбудет от нее отодвигаться.

При этом скорость удаления спутника от центральной планетыоказывается пропорциональной его массе, обратно пропорциональной факторудобротности центральной планеты и расстоянию между ними в степени 5,5.76Таким образом, для расчета эволюции системы Земля–Луна и определениязависимости расстояния между планетами от времени предварительно необходимовыяснить, как менялась эффективная механическая добротность Земли Q, определяемаявыражением (3.5), за всю историю ее развития. Задача эта непростая, однако, в первомприближении, на уровне оценок вполне решаемая.Молодая Земля сразу же после своего образования была холодным космическимтелом, и в ее недрах температура еще нигде не превышала температуру плавлениявещества.

Об этом, в частности, свидетельствует полное отсутствие на Землеизверженных (да и любых других) пород старше 4 млрд лет. Об этом же говорятизотопно-свинцовые отношения, показывающие, что процессы дифференциации земноговещества начались значительно позже образования самой Земли и (в противоположностьЛуне) протекали без существенного плавления. Кроме того, на земной поверхности тогдане было ни океанов, ни атмосферы. Поэтому эффективная механическая добротностьЗемли в тот ранний период ее развития, который в дальнейшем будем называтькатархейским, была сравнительно высокой. По сейсмическим данным, в развитойокеанической литосфере, т.е.

в холодном земном веществе мантийного состава, фактордобротности находится в пределах от 1000 до 2000, тогда как в частично расплавленнойастеносфере под океанами его значение снижается до 100. В холодной верхней мантииЛуны этот фактор приблизительно равен 5000, а в более прогретой средней мантииснижается до 1500 (Жарков, 1983).В отличие от современных условий молодая Земля, как уже отмечалось, быласущественно холоднее, лишена астеносферы и ядра, и даже могла характеризоватьсяотрицательным градиентом температуры в нижней мантии (рис. 3.8).

Поэтому в тедалекие времена механическая добротность Земли в ее глубинных недрах скорее всегосущественно превышала фактор добротности современной литосферы. Однако следуетучитывать, что на приливное взаимодействие планет в основном влияют слои снаименьшими значениями фактора добротности. Учитывая сказанное и дляопределенности расчетов, примем, что в течение всего катархея, т.е. от моментаобразования Земли, приблизительно 4,6 млрд лет назад, и вплоть до начала развития в нейгеологических процессов в самом начале архея, около 4 млрд. лет назад, значениеприливного фактора добротности Земли равнялся 1500.Приведенная оценка фактора добротности Земли в катархее позволяет определить,что за этот период Луна благодаря приливным взаимодействиям с Землей оказаласьотброшенной от предела Роша (около 17 тыс. км) на расстояние до 160 тыс. км (рис.

3.5).При этом отодвигание Луны от Земли было неравномерным: вначале очень быстрым, азатем более спокойным.Количественная модель изменения фактора добротности Земли в остальныепериоды геологического времени может быть рассчитана с привлечением эмпирическихданных. В частности, средние значения фактора добротности в фанерозое и протерозоемогут быть определены по палеонтологическим данным, позволяющим найти длянекоторых моментов времени этих эпох число дней в году или, что то же, угловуюскорость собственного вращения Земли. Так, по суточной микрослоистости девонскихкораллов Дж. Уэллс (1963) показал, что в среднем девоне год состоял приблизительно из400 сут., а продолжительность суток не превышала 22 ч.

В дальнейшем аналогичныеопределения были выполнены и для других периодов фанерозоя, а также длястроматолитов – отложений бактериальных и микроводорослевых пленок раннегопротерозоя (рис. 3.7).Зная современное расстояние Луны от Земли (384,4 тыс. км), далее удается ужерассчитать среднее значение фактора добротности в фанерозое, т.е.

за последние 600 млнлет. Оно оказалось приблизительно равным 12. Полученная оценка неплохо совпала снезависимым определением приливного фактора добротности Земли около 13,77выполненным Г. Макдональдом (1964) на основании обработки данных по современнымприливам в океанах и морях. Низкие значения приливного фактора добротности вфанерозое объясняются широким развитием в эту геологическую эпоху мелководныхэпиконтинентальных морей, покрывающих сейчас на шельфах около 30%континентальной коры. Но именно в мелководных морях и происходит основноерассеивание энергии приливов за счет трения приливных течений о дно мелководныхбассейнов.Аналогичным путем по суточной микрослоистости строматолитов в раннемпротерозое возрастом около 2,2 млрд лет Г. Паннелла (1972) определил, что тогда в годубыло 445 сут., а продолжительность самих суток была менее 20 ч (рис. 3.7). Откудаудается определить, что в протерозое фактор приливной добротности Земли равнялсяприблизительно 75.

Повышенное значение фактора добротности в протерозое вполнепонятно, поскольку в ту далекую эпоху уже образовался глубокий океан, а мелководныхэпиконтинентальных морей тогда еще почти не существовало. Но диссипация приливнойэнергии в глубоком океане мала, поскольку в этом случае не возникают сильныепридонные течения – основная причина приливного торможения Земли.В архее приливная добротность Земли, как и в фанерозое, должна была бытьдостаточно низкой по двум причинам. Во-первых, тогда сами океаны еще были мелкими ив них рассеивалась значительная часть приливной энергии и, во-вторых, в архее ужепроисходило расплавление верхней мантии (во всяком случае на низких широтах) ссущественным ее перегревом.

Учитывая теперь неразрывность процесса отодвиганияЛуны от Земли и связывая его воедино в катархее, архее, протерозое и фанерозое, можноопределить, что в архее фактор приливной добротности Земли в среднем равнялся 26.Итак, полученная упрощенная модель изменения фактора добротности Земли Q,основанная на комбинации теоретических соображений с расчетами по эмпирическимданным, выглядит следующим образом: в катархее (от 4,6 до 4,0 млрд лет назад) Q = 1500;в архее (от 4,0 до 2,6 млрд лет назад) Q = 26; в протерозое (от 2,6 до 0,6 млрд лет назад) Q= 75: в фанерозое (приблизительно от 600 млн лет назад до настоящего времени) Q = 12.Реальное распределение фактора добротности по времени, безусловно, могло меняться поболее сложному закону, но основные его черты в приведенном распределении, повидимому, определены все-таки правильно.Уточнить приведенную модель возможно, если учесть, что результирующаяприливная добротность Земли определяется суммой диссипативных функций мантии игидросферы, а сами эти функции обратно пропорциональны факторам добротностирассматриваемых геосфер.

Кроме того, следует отдельно учитывать приливныедиссипативные функции для мантии под океанами (Q ≈ 150) и континентами (Q ≈ 500), атакже для глубоких океанов и мелководных эпиконтинентальных морей, при этомфакторы добротности для них можно считать пропорциональными содержащимся в нихмассам воды. В предыдущих работах (Сорохтин, Ушаков, 1991, 1993) были рассчитанымассы континентальной коры, воды в океанах и средние глубины океанов для всехпрошлых геологических эпох.

Это позволило нам рассчитать количественную модельзависимости фактора добротности Земли от времени, причем отдельно для гидросферы,мантии и всей Земли в целом. При этом принималось, что в архее и протерозое еще несуществовало мелководных эпиконтинентальных морей, происхождение же архейскихмелководных морских бассейнов на океанической коре просто объясняется малымиколичествами воды в океанах того времени. Объемы эпиконтинентальных морейфанерозоя были оценены по палеореконструкциям континентов и площадямраспространения морских осадков на континентах.Построенная по этим условиям уточненная кривая распределения факторадобротности во времени приведена на рис. 3.4. Рассчитанная по этой модели зависимостьрасстояния между центрами тяжести Земли и Луны от времени приведена на рис. 3.5.78Рис. 3.4.

Зависимость фактора приливной добротности Земли от времени, построенная с учетом данных понакоплению воды в океанах и по распространению эпиконтинентальных морей в фанерозоеРис. 3.5. Эволюция расстояния между Луной и Землей.

Интервал I – время развития на Луне анортозитовогомагматизма; интервал II – время развития базальтового магматизма на Луне (пояснения в тексте).Первое, на что следует обратить внимание в рассматриваемой модели, этосовпадение времени эволюции лунной орбиты с возрастом самих планет. Такой выводсегодня представляется естественным, но не следует забывать, что классические моделиприливного взаимодействия Луны с Землей обычно приводили к слишком короткойпродолжительности их нормальной эволюции (около 1,8 млрд лет). Связано это было стем, что в таких моделях современное низкое значение фактора добротностираспространялось на всю историю развития Земли.

Характеристики

Список файлов книги