Источники энергии глубинных геологических процессов

Тектонические движения и деформации непосредственно обусловлены механической, кинетической энергией, но эта энергия представляет собой продукт преобразования тепловой энергии, порождающей явления разуплотнения или уплотнения, растяжения или сжатия вещества верхних твердых оболочек Земли. Отсюда крылатое выражение: «Земля — это тепловая машина». То обстоятельство, что тепло, приводящее в действие эту машину, поступает из глубоких недр, подтверждается возрастанием температуры с глубиной и непрерывным выделением через поверхность твердой Земли в окружающее пространство теплового потока, оцениваемого в современную эпоху в 4, 2× 10¹³W. Возникает естественный вопрос: что порождает этот тепловой поток?

До открытия радиоактивности на рубеже XIX—XX вв. внутреннее тепло Земли считалось остаточным от ее первоначального огненно-жидкого состояния, согласно космогонической гипотезе Канта—Лапласа. Но при этом требовалось допустить, что время остывания Земли, т.е. ее возраст, не превышало 100 млн лет. Открытие явления радиоактивности и содержания естественно-радиоактивных элементов в земной коре опрокинуло эти представления, и с тех пор подавляющее большинство исследователей считают основным источником внутреннего тепла Земли распад радиоактивных элементов, прежде всего урана, тория и калия, содержащихся в коре и мантии. Между тем еще в 1971 г. справедливость этого заключения была поставлена под сомнение О.Г. Сорохтиным, высказавшим мысль, что не радиоактивный распад, а гравитационная дифференциация на границе мантии и ядра является главным источником разогрева Земли. В настоящее время правота этого взгляда находит подтверждение в том факте, что реальный тепловой поток, оценка величины которого значительно возросла после открытия интенсивного тепловыделения в осевых зонах срединно-океанских хребтов, т.е. вдоль осей спрединга, намного превышает тепловой поток, генерируемый распадом естественно-радиоактивных элементов.

По подсчетам американского геофизика В. Вакье, радиогенное тепло может обеспечить лишь около одной четверти наблюдаемого теплового потока, а именно 1, 14× 10¹³ из 4, 2× l0¹³W. Основной запас естественно-радиоактивных элементов (около 90%) сконцентрирован в верхнем слое континентальной коры, что независимо подтверждается очень низким выделением гелия — другого продукта радиоактивного распада в океанах, составляющим всего 5% того количества, которое должно было бы наблюдаться, если бы тепловой поток был порожден здесь радиоактивным распадом. К тому же если основная масса радиоактивных элементов сосредоточена в верхах континентальной коры, выделяемое ими тепло не может играть сколько-нибудь существенной роли в более глубинных тектонических процессах.

Таким образом, радиогенное тепло не является основной компонентой той тепловой энергии, которая затрачивается на поддержание тектонической активности Земли. Очевидно, существуют другие, более важные и более глубинные ее источники.

Одним из них служит тепло, приобретенное Землей в период ее аккреции и частично унаследованное от протопланетного диска, который, вопреки прежним представлениям, уже успел подвергнуться некоторому разогреву — до 1000—1200 К — в области будущего образования Земли. В процессе самой аккреции, как отмечалось в предыдущей главе, благодаря соударению планетезималей Земля испытала существенный разогрев, вероятно, приведший к образованию «магматического океана» на ее поверхности или на небольшой глубине. Однако трудно рассчитать, какая доля этого аккреционного тепла сохранилась до современной эпохи и, следовательно, какова его роль в энергетическом балансе планеты.

Следующий, более мощный и, очевидно, важнейший источник внутреннего тепла Земли — это энергия глубинной гравитационной дифференциации, т.е. выделение тепла при перераспределении вещества Земли по плотности при его химических и фазовых превращениях. Главным здесь является процесс разделения вещества на силикатную и металлическую или, точнее, металлизированную (скорее всего Fe₂O или FeO) часть на границе мантии и ядра, в слое Д". Впервые на ведущую роль этого процесса в глубинной дифференциации Земли указали О.Г. Сорохтин еще в 1971 г., а также В.А. Дубровский и В.Л. Панькин в 1972 г., а в настоящее время она стала практически общепризнанной. Причем начало этой дифференциации, по современным представлениям, относится уже ко времени завершения аккреции, если даже не совпадает с ним, т.е. аккреционный разогрев Земли непосредственно сменяется дифференциационным. Вместе с тем признается, что наиболее энергично эта дифференциация протекала в раннем докембрии, а точнее в архее, до рубежа 2, 8—2, 5 млрд лет назад, когда могло произойти ее резкое усиление, а затем ее интенсивность заметно снизилась и продолжала снижаться, хотя не монотонно, а с некоторыми временными остановками и даже обратными повышениями, вплоть до современной эпохи. Обо всем этом можно косвенно судить по темпам роста континентальной коры.

Но граница мантии и ядра — не единственный возможный уровень гравитационной дифференциации. Более глубинным уровнем может являться граница внешнего и внутреннего ядра, поскольку внутреннее ядро состоит скорее всего из «чистого» железа (с примесью никеля), а внешнее, вероятно, содержит заметный процент таких элементов, как кислород, сера, кремний. Соответственно рост внутреннего твердого ядра, связанный с вековым охлаждением Земли, должен сопровождаться «выталкиванием» этих легких примесей во внешнее ядро.

Другой уровень дифференциации — граница нижней и верхней мантии, если между ними существует различие в химическом составе (нижняя мантия, по-видимому, сильнее обогащена железом, чем верхняя).

Еще один уровень — граница астеносферы и литосферы. Здесь происходит выплавление базальтовой фракции из перидотитового мантийного вещества и наращивание за его счет земной корм. Но дифференциация продолжается и в самой коре — идет образование гранитных выплавок в нижней (или средней) коре и соответственный рост верхнего, гранитогнейсового, слоя коры. Все эти процессы должны вносить свой вклад в тепловой баланс Земли.

В последние годы справедливо обращено внимание еще на один источник тепла Земли, связанный уже с внешним по отношению к ней фактором — твердыми приливами, обусловленными гравитационным воздействием на Землю ее соседки — Луны и в значительно меньшей степени Солнца. Переход кинетической приливной энергии в тепло происходит вследствие внутреннего трения вещества в приливных горбах, вслед за Луной обегающих Землю и деформирующих ее тело (рис. 18.1). По расчетам О.Г. Сорохтина и С.А. Ушакова, в настоящее время доля приливной энергии, рассеиваемой в «твердой» Земле, не превышает 2% полной тепловой энергии, генерируемой в ее недрах, а основная часть этой энергии выделяется в мелководных морях и значительно меньше — в океанах и астеносфере. В данном случае речь идет о лунных приливах; эффект солнечных приливов оценивается теми же учеными в 20% от эффекта лунных.

Рис 18.1. Приливообразующие силы в плоскости экватора и схема, поясняющая отставание приливного выступа в твердом теле Земли вследствие приливного трения. По Р. Бострому, 1979

Обе эти предпосылки спорны (см. выше.).

Однако в геологическом прошлом, когда расстояние между Луной и Землей было меньше современного, роль приливного тепла в общем тепловом балансе Земли была соответственно более значительной. В особенности это касается наиболее ранней стадии развития Земли — до середины архея. Допуская почти одновременное образование Земли и Луны и отсутствие астеносферы на этой стадии¹, О.Г. Сорохтин и С.А. Ушаков считают, что сразу после образования Луны скорость генерации приливной энергии в 13 тысяч раз превышала скорость генерации эндогенного тепла в современной Земле, а высота приливов превышала 1 км. Согласно тем же авторам, в интервале 4, 6—4, 0 млрд лет назад за счет лунных приливов Земля могла дополнительно прогреться приблизительно на 500 °С. Даже если эти цифры преувеличены, они все же свидетельствуют о том, что в раннем и среднем архее тепло, генерируемое лунными приливами, представляло существенную добавку к эндогенному теплу Земли. Положение изменилось в позднем архее, протерозое и фанерозое в связи с увеличением расстояния между Луной и Землей и появлением обширных континентальных морей, общий вклад приливного тепла в суммарный глубинный тепловой поток уже не превышал 1—2%.

Некоторые исследователи придают лунно-солнечным приливам еще большее значение, считая, что они могут непосредственно вызывать крупные тектонические деформации. Так, по мнению Ю.А. Косыгина и В.П. Маслова, с ними может быть связан западный дрейф земных оболочек, могущий трансформироваться в их вертикальные перемещения и даже образование шарьяжей. Ю.Н. Авсюком выдвинута интересная гипотеза, согласно которой расстояние от Луны до Земли и соответственно интенсивность лунных приливов испытывают долгопериодические изменения. В течение фанерозоя должно было смениться три цикла прихода — ухода Луны. В свою очередь эти периодические изменения сказываются и в изменениях скорости вращения Земли и могут вызывать перетекание вещества в мантии (астеносфере) и трещинообразование в коре (литосфере). Эти соображения представляют определенный интерес в связи с поисками объяснения периодичности тектонических процессов (см. ниже)¹.

1 Автор данной гипотезы выводит из нее и другие следствия, пытаясь объяснить характер магнитного поля океанов, не прибегая к идее спрединга, но эти его построения представляются сомнительными.

Легко видеть, что все перечисленные выше источники внутреннего тепла Земли должны были проявляться с максимальной интенсивностью на самых ранних стадиях развития нашей планеты, во всяком случае в первые 2 млрд лет ее истории, т.е. до конца архея. На протяжении своей истории Земля должна была испытывать охлаждение и если в момент ее рождения средняя температура мантии могла быть порядка 2000°С, то в настоящее время она составляет 1350°С. Это охлаждение не может не продолжаться и дальше, и в перспективе нашей Земле суждено превратиться в такую же мертвую планету, как Меркурий и Марс. По расчетам О.Г. Сорохтина и С.А. Ушакова, это должно будет произойти через 1—1, 5 млрд лет.

Обращаясь теперь к верхним оболочкам твердой Земли, к собственно тектоносфере, следует прежде всего указать, что помимо возмущений, связанных с воздействием конвективных течений, генерируемых в глубоких недрах планеты, большое значение здесь приобретают процессы, вызванные возникновением инверсии плотностей на границе астеносфера — литосфера и в самой литосфере. Одним из проявлений такой гравитационной неустойчивости служит мантийный, точнее астеносферный, диапиризм в основании континентальных рифтов, приводящий к их расширению, погружению и сопровождаемый магматической деятельностью. Другое проявление — формирование гранитогнейсовых куполов в связи с развитием палингенного гранитообразования в средней части консолидированной коры.

В широком смысле формирование метаморфических ядер в складчатых системах (орогенах) также должно рассматриваться как проявление глубинною диапиризма, как и считал В.В. Белоусов. Другой формой глубинного диапиризма является образование магматических, в основном гранитоидных, диапиров, прорывающих неметаморфизованные или слабометаморфизованные (в зеленокаменных поясах архея) осадочно-вулканогенные толщи и не вызывающих в них конформных деформаций.

Упомянем еще серпентинитовый диапиризм, свойственный рифтовым зонам и зонам трансформных разломов океанов, зонам субдукции на их периферии, а также древним зонам столкновения плит — сутурам, в строении которых участвуют офиолиты. Эта форма диапиризма связана с высокой пластичностью серпентинитов и их пониженной плотностью по сравнению с породами нижней коры.

Аналогичное явление, но уже в осадочном слое коры, представляет солянокупольный диапиризм (галокинез), обязанный низкой плотности и высокой пластичности эвапоритовых толщ по сравнению с перекрывающими их образованиями. Несколько иной характер носит глиняный диапиризм; в этом случае инверсия плотностей обусловлена разуплотнением глинистых толщ при эпигенетическом изменении заключенного в них органического вещества и возникновением в этих толщах аномально высокого, превышающего литостатическое, пластового давления.

Все перечисленные формы диапиризма, вызванного инверсией плотностей в коре и литосфере, могут проявляться как автономно, что более характерно для внутриплитных обстановок (в частности, для центральных частей континентальных платформ), так и совместно с действием горизонтально ориентированных сжимающих напряжений, типичных для конвергентных границ плит, для зон субдукции и коллизии. В последнем случае возникает линейная ориентировка дислокаций в отличие от изометрического рисунка дислокаций первого типа, чисто диапировых.

Гравитационная энергия близ поверхности Земли может переходить непосредственно в кинетическую, порождая гравитационную складчатость и гравитационные шарьяжи. Несомненно, что и тому и другому типу дислокаций принадлежит лишь подчиненная роль в строении орогенов, но несомненно также, что в последнее время эта роль скорее недооценивалась, чем переоценивалась. Особенно широко распространены гравитационные шарьяжи, причем во многих случаях они являются конседиментационными и по периферии, в дистальном направлении, переходят в протяженные олистоплаки, включенные в мощные олистостромы. Отдельные олистоплаки нередко достигают таких размеров (несколько квадратных километров), что становится неясным, как их классифицировать — как шарьяжные пластины или как элемент олистострома. Такие образования эффектно и крупномасштабно проявлены в верхнем палеозое Южного Тянь-Шаня, в миоцене Бетской Кордильеры, Рифа и Телля в Западном Средиземноморье и ряде других регионов, причем чаще всего олистоплаки сложены карбонатами. Гравитационная складчатость не менее масштабно выражена по северной периферии впадины Сигсби и вдоль северо-восточной, атлантической, окраины Бразилии. Она связана с соскальзыванием верхней части осадочного чехла на континентальном склоне с соленосной толщи юрского возраста.

Гравитационные деформации на периферии орогенов, подобно диапировым, сочетаются с тангенциальными деформациями коллизионного происхождения. Шарьяжи, возникшие под влиянием горизонтального сжатия, затем могут испытывать дальнейшее перемещение вниз по склону горного сооружения уже под действием силы тяжести.

Итак, энергетический баланс Земли слагается, в порядке убывающего значения, из тепла гравитационной дифференциации, остаточного тепла аккреции Земли, радиогенного тепла, приливного тепла, механической энергии гравитации, включая проявления гравитационной неустойчивости в мантии и коре. По существу, роль лишь одного из этих факторов — радиогенного тепла — поддается относительно строгой количественной оценке, для остальных основные параметры весьма неопределенны.

В заключение необходимо упомянуть еще один фактор, вызывающий структурные изменения в верхней части земной коры, — космогенный, а именно кратерообразующий эффект метеоритных бомбардировок. Действие этого фактора, как и ряда других, эндогенных, было наиболее значительным на ранней стадии развития Земли, но не прекратилось вплоть до современной эпохи.