Глава 06. ПРИРОДА ТЕКТОНИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ЗЕМЛИ (1119268), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Конвектирующая мантия представляет собой открытуюдиссипативную систему, охваченную сильными положительными и отрицательнымиобратными связями. Это позволяет предполагать существование в мантии тенденции ксамоорганизации конвективных процессов с возникновением промежуточныхквазиустойчивых состояний, определяемых ее наиболее общими характеристиками,например массой мантии, концентрацией в ней “ядерного” вещества, генерируемой в нейэнергией, а также балансом действующих в мантии положительных и отрицательныхобратных связей.Итак, будем исходить из того, что процесс конвективного массообмена в мантиирегулируется действием сильных положительных и отрицательных обратных связей всистеме.
Примером положительных связей может служить зависимость скоростиконвекции от теплогенерации: с повышением температуры мантии экспоненциальноуменьшается вязкость ее вещества и соответственно возрастает скорость химикоплотностной конвекции. Одновременно увеличивается скорость диффузии окислов железаиз кристаллов силикатов в межгранулярные пространства и, следовательно, скоростьперехода “ядерного” вещества в земное ядро (см. раздел 4.3), а это, в свою очередь,приводит к возрастанию плотностных неоднородностей в мантии и к новой активизациимантийного массообмена.Сильная отрицательная обратная связь возникает за счет теплопотерь Земли.
Так, сувеличением скорости конвективного массообмена увеличиваются скорости движенияокеанических литосферных плит, возрастают тепловые потоки через океаническое дно иувеличиваются общие потери тепла Землей. Благодаря этому уменьшается средняятемпература мантии, повышается вязкость ее вещества, а это, в свою очередь, приводит кснижению конвективного массообмена в мантии. Другой механизм отрицательнойобратной связи заложен в самом процессе бародиффузионной дифференциациимантийного вещества. Диффузия окислов железа из кристаллов силикатов вмежгранулярные пространства происходит только в нижней мантии на глубинах,превышающих 2000 км (см. раздел 4.3).
Поэтому чем выше скорость конвекции, темменьшее время мантийное вещество будет пребывать в деятельном слое нижней мантии,тем меньше за это время “ядерного” вещества успеет диффундировать из кристалловсиликатов и перетечь в земное ядро, а замедление процесса дифференциации неизбежноприведет к снижению скорости и самой конвекции.Таким образом, тепловая машина Земли представляет собой открытую,нелинейную диссипативную систему с обратными связями, определяющими возможностьвозникновения в ней процессов самоорганизации геодинамических процессов. Однакохимико-плотностная конвекция в мантии по своей природе – нестационарный процесс с159постоянно меняющимся распределением концентрации тяжелой фракции в мантийномвеществе и связанной с этим постоянно видоизменяющейся структурой конвективныхячеек.
Поэтому следует ожидать, что самоорганизация конвективных ячеек в мантиибудет постоянно нарушаться нестационарностью процесса. Тем не менее такиесамоорганизующиеся состояния, соответствующие минимальным скоростям рассеиванияэндогенной энергии, время от времени все-таки должны возникать.В работе О.Г. Сорохтина и С.А. Ушакова (1993) показано, что при постоянноймассе мантии и отсутствии ее разогрева или охлаждения средняя скорость конвективногомассообмена в этой геосфере на больших интервалах времени остается постоянной, хотяее флуктуации, связанные с перестройками структуры конвективных ячеек, могут бытьвесьма заметными.
Если же мантия после архейского перегрева в среднем все-такиостывает, то постепенно будет снижаться средняя скорость конвекции, а следовательно,постепенно станут возрастать и периоды полных конвективных циклов массообмена вмантии. В противоположном случае разогрева мантии конвективный массообмен в этойгеосфере ускоряется.
Отсюда следует важный геодинамический закон: энергетическийбаланс Земли в среднем стабилизирует развитие конвективных процессов в мантии.Однако периоды конвективных циклов должны быть пропорциональны массемантии. Масса же мантии после образования земного ядра в конце архея, постепенноуменьшалась за счет выделения из нее “ядерного” вещества и роста самого ядра. Этомогло приводить к постепенному сокращению со временем продолжительностиконвективных, а следовательно, и тектонических циклов. Как происходило вдействительности и какой из факторов (остывание мантии или уменьшение ее массы)оказывался определяющим – можно определить по геологической летописи Земли. Так,моменты формирования суперконтинентов Моногея, Мегагея, Мезогея и Пангея следуетсопоставлять со временами завершения кеноранской, свекофеннской, гренвильской игерцинской тектонических эр (орогений), соответственно 2600 ± 100; 1800 ± 100; 1010 ±70 и 230 ± 10 млн лет назад.
Если это так, то периодичность формированиясуперконтинентов в докембрии слабо менялась от 800 до 780 млн лет. Как видно,периодичность мегациклов в послеархейское время с точностью до определения возрастоворогений оставалась приблизительно постоянной.Следовательно, эффект затухания тектонической активности Земли и остываниямантии в реальных условиях во многом компенсировался уменьшением массы мантии,тем самым стабилизируя периодичность тектонических событий на Земле.
Однако вбудущем из-за истощения энергетических запасов Земли и замедления процессадифференциации мантийного вещества фактор остывания мантии начнет играть болееважную роль. В результате замедлится конвективный массообмен в мантии и заметноувеличатся периоды тектонических мегациклов.Как уже отмечалось, архейская история завершилась формированием у Землинастоящего плотного ядра и возникновением в ее мантии мощнейшей одноячеистойконвективной структуры. Поэтому за начало отсчета послеархейской геологическойистории, отвечающей главной последовательности развития Земли, удобно принятьименно этот естественный рубеж – момент окончательного формирования в недрах нашейпланеты тяжелого ядра около 2,6 млрд лет назад.
Это оправдано еще и тем, что в концеархея сформировался первый в истории развития Земли суперконтинент – Моногея.Рубеж этот наиболее четко фиксируется в геологической летописи, поскольку с нимсвязано изменение механизмов и геохимии формирования континентальной коры и,кроме того, ему непосредственно предшествовал мощнейший тектонический процессобразования первого в истории Земли суперконтинента Моногея (см. рис. 8.2).В этом случае с учетом чередования одноячеистых и двухъячеистых конвективныхструктур в мантии и приведенных геологических данных о времени образованиясуперконтинентов можно уточнить полученную выше оценку числа конвективных цикловв протерозое и фанерозое: оказывается, что до настоящего времени завершилось 6,58конвективных циклов продолжительностью от 380 до 420 млн лет каждый.
Есликеноранский орогенез, завершивший собой тектонические события архейской эпохи,принять за начало отсчета всех последующих конвективных циклов, то оказывается, что160при N0 ≈ 6,58, целочисленным значениям NC = 0; 1; 2; 3; 4; 5; 6 в послеархейское времясоответствуют возрасты 2,6; 2,22; 1,84; 1,45; 1,05; 0,65 и 0,23 млрд лет назад, близкоотвечающие возрастам главных тектонических событий протерозоя и фанерозоя (рис. 6.6).В этом уточненном варианте периодичность формирования суперконтинентов слабовозрастала от 0,76; 0,79 до 0,82 млрд лет. Откуда видно, что в протерозое и фанерозое напериодичность тектонических движений в бóльшей мере все-таки сказывались факторыистощения энергетических запасов Земли и остывания мантии.
В будущем, эти факторыснижения тектонической активности Земли начнут играть еще более важную роль, чтоеще более существенно замедлит конвективный массообмен в мантии и как следствиеэтого – заметно увеличит периоды тектонических мегациклов.Рис. 6.6 Зависимость числа конвективных (тектонических) мегациклов в фанерозое NC(t) от времени:сплошные кружочки – одноячеистые структуры и моменты формирования суперконтинентов; прозрачныекружочки – двухъячеистые конвективные структуры и время максимального раскола суперконтинентовЗначению NC = 0 отвечает время формирования первого суперконтинента Моногея(см.
рис. 8.2). Однако суперконтиненты – неустойчивые образования, и после своегоформирования они быстро раскалываются и дробятся на отдельные части(соответствующие возможные реконструкции суперконтинентов и материков –фрагментов их распада рассмотрены в гл. 8). Это связано с изменением структурыконвективных течений в мантии и возникновением вместо нисходящего мантийногопотока под бывшим суперконтинентом нового восходящего потока – непосредственнойпричины его разрушения и распада (см. рис. 6.10). Поэтому можно полагать, что при NC =1 к моменту времени 2,22 млрд лет назад в мантии установилась более сложная,возможно, двухячеистая конвективная структура.
При этом в соответствии с законамимеханики, требующими для устойчивого вращения Земли совпадения ее главной осимомента инерции с осью ее собственного вращения (см. раздел 4.2), Земля должна былаповернуться таким образом, чтобы большинство материков того времени – осколковМоногеи – оказалось в низких и умеренных широтах.Следующий суперконтинент, Мегагея Штилле (см. рис. 8.4), начал формироватьсяоколо 2,0−1,9 млрд лет назад, но окончательно образовался только 1,84 млрд лет назад врезультате глобальной свекофеннской (карельской) орогении.
Следовательно, в это жевремя, с которым можно сопоставить значение параметра NC = 2, в мантии должна былавновь функционировать одноячеистая конвективная структура. При этом, учитываяприведенный в разделе 4.2 вывод о зависимости ориентации момента инерции Земли отрасположения континентальных масс на земной поверхности (Монин, 1988), можнозаключить, что и второй суперконтинент, Мегагея, сформировался на низких широтах.
Обэтом же свидетельствуют и геологические данные (см. раздел 8.3).161Существование Мегагеи также было непродолжительным: уже начало рифеяознаменовалось общим дроблением континентальной коры. Значение же параметра NC = 3по времени (1,45 млрд лет назад) соответствует раннему рифею. Начало же расколаМегагеи происходило несколько раньше, около 1,6 млрд лет назад, и близко совпадает соследующей выдающейся тектонической эпохой великого обновления структурного планаЗемли, с которого иногда отсчитывают начало эпохи неогея.Значение NC = 4 отвечает времени 1,05 млрд лет назад, что близко соответствуетстоль же радикальной гренвильской эпохе тектономагматической активизации, врезультате которой из осколков Мегагеи начал формироваться новый, третий по счетусуперконтинент, Мезогея, или, как его иногда называют, Родиния (см. рис.
8.6). Новыйсуперконтинент, как и Мегагея, располагался вблизи экватора и просуществовалсравнительно недолго – около 100−150 млн лет. Вскоре после этого одноячеистаяконвекция в мантии Земли сменилась на двухячеистую конвективную структуру с двумянисходящими потоками вблизи полюсов Земли и одним кольцевым восходящим потокомпод ее экваториальным поясом. Такой ситуации соответствовало значение параметра NC =5 и время 650 млн лет назад (см. рис.
8.7). Однако уже около 600 млн лет назад подсеверным фрагментом Мезогеи – Лавразией возник вторичный восходящий мантийныйпоток, буквально разорвавший на части и этот суперматерик с образованиемПраатлантического океана Япетус и Палеоуральского океана. Гондвана же при этомиспытала лишь частичную деструкцию, но уже в катангскую (панафриканскую) орогениюона вновь спаялась в единый суперматерик (см.
раздел 8.5).Четвертый раз в Земле возникла одноячеистая конвективная структура и вновьсформировался единый суперконтинент – вегенеровская Пангея (см. рис. 8.10) в концепалеозоя, около 250−230 млн лет назад. Этому событию отвечает значение параметра NC =6 и расчетное время 230 млн лет назад, а также максимум тектонической активностигерцинской орогении в фанерозое. Пангея, как и все другие суперконтиненты, тоже долгоне просуществовала и уже в начале мезозоя (около 200 млн лет назад) испытала первыеимпульсы деструкции, а приблизительно 190 млн лет назад возникли и первыетрансматериковые расколы, переросшие затем в молодые океаны: Атлантический,Индийский и Северный Ледовитый.Приведенные оценки NC(t), безусловно, являются приближенными, особенно еслиучесть существенную нестационарность мантийной конвекции, но все-таки они, повидимому, правильно отражают главную особенность развития тектонической активностиЗемли – ее цикличность.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
