Дрейф континентов

     Глобальные  сейсмические исследования начинаются с изучения времен прихода упругих  сейсмических волн, которые распространяются от очага землетрясений и пронизывают  всю Землю по различным направлениям. Зная время прихода волны и  путь, пройденный ею, сейсмологи определяют скорость волны в каждой "точке" мантии (под "точкой" понимается трехмерный блок со сторонами 100-200 км). Этот метод, известный как глобальная сейсмическая томография, похож на компьютерную томографию, используемую в медицине, где рентгеновские лучи, просвечивающие, скажем, голову человека, рисуют картину его мозга.

     Японский  геофизик Ш. Маруяма в 1994 г. предложил  теоретическое объяснение сейсмическим наблюдениям, назвав свою гипотезу тектоникой плюмов (от английского plume - перо, на которое по форме похож мантийный материал). Он считает, что литосферные плиты, погружаясь в глубь Земли, застревают на границе между верхней и нижней мантией. Холодный материал плит копится здесь сотни миллионов лет, пока не прорвет границу. Погружаясь до границы ядра, он охлаждает железо-никелевый расплав, который опускается во внешнее жидкое ядро Земли. Вытесненный им наверх горячий суперплюм вызывает континентальный раскол и дрейф вновь образовавшихся континентов. После этого тектоника плит становится независимой от тектоники плюмов еще на несколько сот миллионов лет, когда процесс повторится. Маруяма считает, что холодные плюмы образуются в нижней мантии достаточно случайно, на ранней стадии континентального дрейфа после раскола суперконтинента. А холодный суперплюм может развиваться под формирующимся суперконтинентом, вроде Лавразии, существовавшей 200 миллионов лет назад.

     Тектоника плит описывает процессы, происходящие на глубинах до 1/10 радиуса Земли, в  то время как тектоника плюмов охватывает всю мантию, объясняя ее конвекцию, возникновение и раскол континентов, конвективные течения во внешнем ядре. Тектоника плит, таким образом, становится частью тектоники плюмов.

     Однако  и эта новая теория (скорее, гипотеза), нарисовав интересную картину возможного развития процессов внутри мантии, не дала ответов на вопросы о том, как суперплюмы реально согласуются с горизонтальными движениями континентов или почему суперконтинент, образовавшийся над нисходящим потоком, раскалывается.

     Основной  недостаток и тектоники плит, приводимых в движение мантийной конвекцией, и тектоники плюмов, ответственных за движения в мантии, заключается в том, что обе теории не принимали во внимание влияние движущихся континентов на мантийные процессы. А роль их в динамике Земли неожиданно оказалась очень большой.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     4 Роль континентов в динамике Земли  
 

     Долгое  время было распространено мнение, что движение плит определяется главным  образом тепловой конвекцией в мантии. При этом считалось, что континенты пассивно дрейфуют под действием вязких течений и их обратное влияние на конвекцию мантии не существенно. Однако, как впервые установлено американским геофизиком М. Гурнисом, континенты могут существенно влиять на структуру мантийной конвекции. Проведенный им численный эксперимент показал, что континенты соединяются в местах нисходящего потока вещества. Мощная континентальная плита перекрывает поток тепла из мантии, ее температура растет, под плитой возникает восходящий поток, и континенты расходятся в разные стороны. Эта модель, будучи двумерной, не могла показать всей сложной картины движения континентов.

     И тогда российские ученые В. Трубицын и В. Рыков предприняли попытку  создать трехмерные численные модели мантийной конвекции с плавающими континентами. Эта попытка оказалась успешной. В качестве модели Земли была принята коробка с вязкой жидкостью, нагреваемая снизу и изнутри. В такой коробке при достаточном перепаде температуры между дном и поверхностью возникает тепловая конвекция, при которой горячее вещество устремляется вверх, а холодное погружается на дно. Возникают так называемые ячейки Бенара. На поверхность коробки накладывались контуры континенов. Математически задача сводилась к совместному решению уравнений сохранения импульса, энергии и массы, а также уравнений движения твердого тела, описывающих движение континентов. Моделирование показало, что континенты устремляют ся в направлении нисходящего потока, стягиваясь друг к другу. Собранные вместе над нисходящим потоком вещества континенты начинают играть роль крышки, не выпускающей тепло на поверхность. Первоначально холодное, нисходящее вещество начинает нагреваться, становится легче и приблизительно через 100-200 миллионов лет на этом месте образуется восходящий мантийный поток, который и приводит к расколу "суперконтинента". Таким образом, континенты меняют существующую систему конвективных движений и оказывают влияние на потоки вещества вплоть до самого ядра. Образовавшиеся "осколки" расходятся в стороны, чтобы вновь собраться через сотни миллионов лет над другим нисходящим потоком. Хотя модель не учитывала сферичности Земли, что существенно при моделировании континентального дрейфа, она выявила много примеров, наблюдаемых в природе. Так, на на одном из рисунков можно разглядеть прообраз Тихого океана с огромным грибом восходящего мантийного вещества, очень похожим на обнаруженный с помощью глобальной сейсмической томографии.

     Численные эксперименты, без которых сегодня  практически невозможно описать  течение сложных внутримантийных  процессов, продемонстрировали весь цикл дрейфа континентов от их сближения и объединения в единый "суперконтинент" до его распада и расхождения континентов. И всему виной оказались сами континенты: именно они перестроили структуру мантийных течений. Так с помощью численного моделирования удалось понять механизм формирования наблюдаемых структур земной поверхности.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     5 Вертикальные движения внутри континентов  
 

     Восходящие  потоки вещества мантии сильно растягивают  континентальную литосферу, но порой не в состоянии разорвать ее. В этом случае над восходящим мантийным плюмом образуются впадины, которые со временем заполняются осадочными породами и образуют так называемые осадочные бассейны - области, где располагаются месторождения полезных ископаемых, в частности нефти и газа.

     Наиболее  популярная модель образования впадин на поверхности континентов, предложенная в 1978 году английским геофизиком Д. Маккензи, предполагает наличие двух главных  фаз процесса. Первая фаза - быстрое  растяжение литосферы, приводящее к подъему ее температуры, истончение литосферы и прогибание ее поверхности. Во время второй фазы происходит медленное остывание тонкого участка литосферы, уплотнение вещества и его погружение. Однако эта модель не всегда могла объяснить наблюдаемые явления: характер погружения континентальной поверхности, предсказанный моделью, часто не совпадал с реальностью. Нужна была новая концепция, которая могла бы лучше описывать реальные осадочные бассейны и соответствовать геофизическим наблюдениям.

     Региональная  сейсмическая томография все чаще и  чаще обнаруживает положительные аномалии скоростей поперечных волн на глубинах 70 - 100 километров непосредственно под  осадочными бассейнами. Есть там и  области повышенной силы тяжести. Эти  наблюдения свидетельствуют, что в верхних слоях мантии имеется плотное вещество. Но каким образом оно там образовалось? Ответ дают исследования, недавно проведенные российскими учеными А. Исмаил-заде, Л. Лобковским и Б. Наймарком. Они предложили численную модель развития депрессий на поверхности Земли, которая оказалась применима ко многим регионам Северной Америки и Евразии. В результате растяжения континентальной литосферы, вызванного восходящим плюмом, в верхних частях мантии возникают достаточно крупные линзы базальтовых пород плотностью 3000 кг/м³. При последующем охлаждении эти линзы испытывают фазовый переход, превращаясь в эклогиты - породы с аномально высокой плотностью 3500 кг/м³. Утяжеленные породы погружаются в окружающую их более легкую мантию, вызывая прогибы земной поверхности.

     Эта простая модель смогла объяснить  аномалии сейсмических волн и гравитационного  поля, а также механизм погружения реальных земных структур. Она объединила в себе горизонтальные движения с  вертикальными и указала на значимость тех и других.Так происходит наращивание литосферной плиты в области океанического хребта и ее погружение вблизи океанического желоба.  
 

     6 Движущие силы. 
 

     Первопричиной таких явлений, как землетрясения, дрейф континентов, горообразование, извержения вулканов, в конце концов, является тепло земных недр. Видится несколько основных механизмов превращения этого тепла в механическую энергию, преобразующую земную поверхность:

     А) за счет уменьшения радиуса (и площади  поверхности) планеты вследствие миллиардолетнего уменьшения средней температуры недр Земли.

     Б) изменение плавучести земной коры (более  легкой и тугоплавкой, чем мантия) при увеличении со временем ее средней  толщины, а также при различном  изменении толщины соседствующих  участков коры при ее контакте с  различными частями мантийных конвекционных потоков.

     В) увлечение твердой, плавающей в  мантии коры вязкими мантийными конвекционными потоками вызывает дрейф континентов  и горообразование.

     Здесь перечислены только главные (по нашему мнению) механизмы возникновения  движущих сил тектонических процессов. Другие силы или намного меньше, или возникают вследствие действия уже перечисленных сил в различных условиях, и не могут быть затронуты в рамках короткой работы.

     А) Средняя температура недр нашей  планеты за счет отвода внутреннего тепла через земную поверхность в космос (с геотермическим градиентом порядка 30°С/км) медленно, но неуклонно снижается независимо от природы тепла внутренних областей Земли, будь это остаточное тепло давних процессов, или тепло, генерируемое и сегодня радиационными распадами. Например, генерация тепла за счет распада урана U235 снижается вдвое каждые 0.7 млрд. лет (период полураспада U235). Падение средней температуры недр нашей планеты, скажем, на 100°С, приводит к сокращению линейных размеров (диаметра), объема и площади поверхности планеты. Площадь поверхности жесткой "несжимаемой" земной коры при этом вынуждена уменьшиться примерно на 1 млн. км2, хотя объем вещества коры остается почти неизменным (поскольку температура поверхности планеты (коры) практически не изменилась при уменьшении температуры недр). Поэтому "лишняя" часть вещества оставшейся неизменной по объему коры (вынужденной уменьшить свою поверхность - она не может висеть в воздухе над слегка уменьшившейся планетой) выдавливается в виде гор общим объемом порядка первых млн. км3 за время остывания недр Земли на 100°С ([2], стр. 232) в процессе, казалось бы, ничтожного уменьшения размеров планеты. Линейный коэффициент температурного расширения вещества недр Земли принят равным k = 0.0001*(1/1°С).

     Отметим, что объем гор, образующихся вследствие уменьшения размеров Земли (обусловленного уменьшением средней температуры  недр), очень мал по сравнению  со скоростями эрозионных процессов  и с возможностями двух других механизмов, описываемых ниже.

     Б) Судя по концентрации теплогенерирующих  радиоактивных веществ в земной коре (концентрация известна из измерений) и по инструментально найденной  неизменности темпа роста температуры  по мере углубления в твердую кору ([1]), температура с глубиной растет так быстро, что из-за высокой температуры ниже поверхности Мохо вещество должно находиться уже не в твердом, а в жидком состоянии ([2]). Выше поверхности М глубинное тепло передается за счет теплопроводности в твердой среде (с большим тепловым сопротивлением и термоградиентом), а ниже (из центральных областей Земли к поверхности М) - более эффективным путем переноса тепла конвекционными потоками в жидкой магме (пусть даже в очень вязкой, малоподвижной). Поэтому на поверхности М возможен переход вещества из жидкого состояния в твердое (кристаллизация более легких и тугоплавких составляющих магмы на нижней поверхности коры) и изменение, вследствие этого, плавучести коры. Скорость подъема дневной поверхности за счет этого может достигать долей и единиц миллиметров в год для коры толщиной порядка 30-50 км (для менее толстой коры скорость подъема может быть выше). Скорость подъема верхней поверхности коры, плавающей в мантии, равна скорости увеличения толщины коры, умноженной на отношение разности плотностей вещества мантии и коры и плотности вещества мантии (dмант - dкоры) / dмант. Максимальная скорость изменения толщины коры (скорость кристаллизации вещества мантии на нижней поверхности коры) может быть вычислена, исходя из знания теплового потока через кору и теплоты кристаллизации для случая, когда снизу тепло совершенно не подводится, так что наверх через кору отводится только тепло кристаллизации [2]. На самом же деле, скорости подъема - погружения коры много ниже - скорость кристаллизации далека от максимальной - наверх проводится и тепло кристаллизации, и тепло, подходящее к нижней поверхности коры из глубин. При неравномерном подъеме разных участков коры в ней возникают огромные напряжения изгиба и вертикального сдвига, разряжающиеся в моменты превышения предела прочности пород коры (с землетрясениями [2]). Подъем-опускание коры за счет изменения ее толщины обеспечивает также медленное увеличение-уменьшение ее высоты над уровнем моря за большие промежутки времени, а также восстановление некоторой части объема материковой коры, которого она лишается в процессе эрозии.