Глава 04. ПРОЦЕСС ВЫДЕЛЕНИЯ ЗЕМНОГО ЯДРА (1119267), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Снижение температуры мантии после первого максимумаперегрева объясняется постепенным увеличением с глубиной разности температурплавления железа и земных недр на фронте зонной дифференциации. Второй жемаксимум перегрева мантии, прежде всего, был связан с вовлечением в процессвыплавления “ядерного” вещества окислов железа и начавшимся в позднем археепроцессом формирования земного ядра (выжимания из центральных областей Земли еепервозданной сердцевины).В связи со сравнительно низкой температурой глубинных областей первозданнойЗемли вязкость вещества в ее недрах была исключительно высокой, глубже 1000 кмпревышала 1027 П и резко возрастала с глубиной до 1035–1040 П в центре.
При стольвысокой вязкости любая конвекция, в том числе стекание сквозь такую среду плотныхжелезистых расплавов к центру Земли, как это предполагали В. Эльзассер (1963) инекоторые другие исследователи, полностью исключается. По этой же причиненевозможно было быстрое формирование земного ядра сразу после образования самойпланеты.
Лишь благодаря постепенному прогреву холодного вещества глубинных недр100Земли на фронте развития процесса зонной дифференциации земного вещества этотпроцесс мог постепенно продвигаться в глубь Земли. Но сам прогрев относительнохолодного вещества молодой Земли развивается достаточно медленно (со скоростямиоколо 0,2 см/год), поэтому и процесс формирования земного ядра растянулсяприблизительно на 1,6 млрд лет (от 4 до 2,6 млрд лет назад).Рис. 4.2. Эволюция приведенной к поверхности температуры верхней мантии Tm в архее (Н. Сорохтин,2001): Ts – температура солидуса базальтов; Т0 – приведенная к поверхности современная температураверхней мантии; TFe – температура плавления железа в нормальных условиях; I и II – эпохи выплавленияперегретых коматиитовых лав по (Коваленко и др., 1987)Развитие процесса зонной дифференциации земного вещества в архее привело квозникновению резкой гравитационной неустойчивости планеты.
Действительно,образовавшиеся благодаря зонной плавке плотный (тяжелый) кольцевой слойрасплавленного железа и его окиси располагался тогда над более легким веществомпервозданной “сердцевиной” Земли (рис. 4.3).Каким же образом тогда разрешилась отмеченная выше ситуация гравитационнойнеустойчивости в Земле? Только единственным способом – путем выжиманияпервозданной земной “сердцевины” в экваториальном поясе одного из полушарий Землии опускания тяжелых расплавов к центру Земли со стороны противоположногополушария, как это и показано на рис.
4.3. Такое событие, безусловно, создавало сильнуюасимметрию в строении нашей планеты конца архейской эпохи, но одновременно с этимобеспечивало устойчивую ориентацию главной оси инерции Земли вдоль оси еесобственного вращения и, следовательно, устойчивое вращение планеты.Процесс этот должен был развиваться по нарастающему катастрофическомусценарию, с образованием в конце концов у Земли плотного ядра. Объясняется этосущественной неравномерностью прогрева молодой Земли.
Действительно, после захватаЗемлей Протолуны, образования Луны и дальнейшей эволюции ее орбиты основная доляприливной энергии, а она была огромной – около (4–5)⋅1037 эрг, выделиласьпреимущественно в верхних слоях Земли и в ее экваториальном кольцевом секторе. Врезультате Земля в низких широтах оказалась разогретой в заметно большей мере, чем вполярных секторах. Поэтому первая астеносфера и связанная с ней зона сепарации железадолжны были возникнуть именно под экваториальным поясом нашей планеты. Этопривело к тому, что в течение всего архея зонная дифференциация земного веществаразвивалась в мантии только под низкими и умеренными широтами Земли (рис.
4.3). Вэтом же экваториальном поясе возникли и все древнейшие архейские континентальныещиты и платформы.101Рис. 4.3. Последовательные этапы развития процесса зонной дифференциации земного вещества иформирования плотного ядра Земли. Черным показаны расплавы железа и его окислов, белым –деплетированная мантия, обедненная железом, его окислами и сидерофильными элементами; черточками –первичное земное вещество, радиальной штриховкой – континентальные массивы.Одновременно с этим под обоими полюсами Земли температура верхней и среднеймантии оставалась сравнительно более низкой, из-за чего там долгое время не возникалиастеносферные слои. Отсюда следует, что в раннем и среднем архее кольцевой слойплотных расплавов “ядерного” вещества мог существовать, расширяться и окружатьсобой холодную и жесткую (с вязкостью > 1030 П) сердцевину молодой Земли только состороны ее низкоширотного пояса.
В то же время эта сердцевина через высокоширотные иполярные области планеты по-прежнему оказывалась жестко связанной со средней иверхней мантией Земли и поэтому сохраняла свое стабильное положение.Когда же благодаря постепенному прогреву высокоширотных областей за счетэнергии распада радиоактивных элементов и приливных возмущений Земли вязкость ихвещества снизилась ниже уровня 1024–1025 П, жесткая связь холодной сердцевины Землис верхней мантией начала нарушаться. С этого момента возникшая ранее гравитационнаянеустойчивость Земли уже могла разрешаться путем выжимания ее жесткой, но болеелегкой сердцевины к земной поверхности (рис.
4.3, в).В связи с большими массами “ядерного” вещества, накопившимися к серединепозднего архея в кольцевых зонах дифференциации (до 12–13% массы Земли), и высокойплотностной контрастностью этого вещества по сравнению с исходным земнымвеществом (около 4 г/см3) процесс выталкивания сердцевины молодой Земли из еецентральных областей должен был развиваться в ускоренном режиме и носитькатастрофический характер.
При этом по мере подъема первичного вещества к земнойповерхности его вязкость должна была уменьшаться. Тем не менее скорость развитияпроцесса выделения земного ядра все-таки сдерживалась сравнительно высокойвязкостью относительно холодного первичного вещества бывшей земной сердцевины,растекавшейся тогда по активному поясу верхней мантии под влиянием гигантскихизбыточных давлений, действовавших на нее со стороны формировавшегося ядра Земли икрупного нескомпенсированного выступа земной поверхности над областью подъема102глубинного вещества (рис.
4.3, в, г). Этот процесс сопровождался выделением огромнойэнергии – 5,5·1037 эрг, половина из которой пошла на увеличение теплозапаса Земли или,что то же, на дополнительный разогрев мантии и земного вещества бывшей сердцевиныЗемли, а вторая половина (судя по теореме о вириале) перешла в тепловое излучениепланеты.
Прогрев же земных недр, в свою очередь, привел к ускорению процессавыделения ядра. В результате весь процесс формирования земного ядра, занявший около400 – 500 млн лет, развивался в ускоренном режиме и завершился только в конце архея,около 2,6 млрд лет назад, катастрофическим событием образования в центре Землиплотного ядра. О таком развитии сценария, в частности, свидетельствуют ипалеомагнитные данные, показывающие, что дипольное магнитное поле современноготипа у Земли появилось только около 2,6⋅109 лет назад (Hale, 1987), т.е. как раз на рубежеархея и протерозоя (рис.
4.4). До этого времени у Земли также могло существоватьмагнитное поле, но оно должно было быть не дипольным, а тороидальным.Рис. 4.4. Изменения интенсивности магнитного поля Земли по палеомагнитным данным (Hale, 1987).Горизонтальными и вертикальными линиями показаны доверительные интервалы измерений; кружком скрестиком отмечена интенсивность современного геомагнитного поляВыделение земного ядра сопровождалось возникновением исключительноинтенсивных конвективных течений в мантии Земли, полностью перестроивших весьсуществовавший до того тектонический план литосферной оболочки Земли.
Судя порассматриваемому сценарию процесса, в конце архея должна была возникнутьодноячеистая конвективная структура с одним восходящим потоком над местом всплытиябывшей сердцевины Земли и одним нисходящим потоком над областью стока “ядерного”вещества. Поэтому есть все основания полагать, что именно над этим нисходящиммантийным потоком на рубеже архея и протерозоя около 2,6 млрд лет назадсформировался первый в истории Земли суперконтинент, названный нами Моногеей(Сорохтин, Ушаков, 1989).
Предположение о существовании раннепротерозойскогосуперматерика по независимым геологическим данным делали также В.Е. Хаин и Н.А.Божко (1988), назвав его “Пангея 0”.Из механики известно, что свободное (инерционное) вращение осесимметричноготела может быть устойчивым и стационарным только в том случае, когда ось еговращения совпадает с осью максимального значения главного момента инерции тела.Применительно к Земле это значит, что направление оси ее вращения в пространственеподвижных звезд в среднем остается неизменным, тогда как сама Земля должнаповорачиваться относительно этой оси так, чтобы максимум приподнятыхконтинентальных масс оказался на экваторе вращения (Монин, 1988).
В процессеформирования земного ядра ось симметрии Земли лежала в ее экваториальной плоскостии проходила через центры восходящего и нисходящего конвективных потоков, а осьмаксимального значения главного момента инерции Земли располагаласьперпендикулярно к ней.
Следовательно, ориентация Земли по отношению к оси еевращения на рубеже архея и протерозоя должна была быть такой, чтобы центры тяжести103суперматерика Моногея и антиподного ему вздутия земной поверхности над всплывшейсердцевиной Земли располагались тогда строго на экваторе (см. рис. 4.3).Учитываясказанное,представляетсязаманчивымсвязатьописаннуюгеодинамическую катастрофу с наиболее выдающейся эпохой кеноранскоготектономагматического диастрофизма, завершившего собой архейский этап развитияЗемли, в результате которого возник и первый в ее истории суперконтинент Моногея.Заполнением центральных областей нашей планеты “ядерным” веществом и смещениемпервозданной земной сердцевины к периферии Земли завершилась первая и наиболеебурная стадия формирования земного ядра. В это же время закончился и первый этапдифференциации Земли по механизму зонной сепарации железа и его окислов от земноговещества. Дальнейшее выделение “ядерного” вещества и рост самого ядра ужепроисходили по более спокойному бародиффузионному механизму.После образования земного ядра на рубеже архея и протерозоя температура мантиистала постепенно снижаться.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
