научная статья по теме ОПЫТ ПОДХОДА К ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ГЕОСФЕР МАНТИИ ЗЕМЛИ Геология

Текст научной статьи на тему «ОПЫТ ПОДХОДА К ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ГЕОСФЕР МАНТИИ ЗЕМЛИ»

ГЕОТЕКТОНИКА, 2007, № 1, с. 6-15

УДК 551.14

ОПЫТ ПОДХОДА К ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ГЕОСФЕР МАНТИИ ЗЕМЛИ

© 2007 г. Ю. М. Пущаровский1, Д. Ю. Пущаровский2

Геологический институт РАН, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7 2Геологический факультет МГУ, 119899, Москва, Воробьевы горы Поступила в редакцию 26.05.2006 г.

Геосферы, образующие мантию Земли, а именно верхняя, средняя и нижняя мантии, а также зоны их раздела, представляют обособленные геологические тела, геологическая история которых не исследована. На основе данных об эволюции магматизма на планете и о минеральных преобразованиях по ее радиусу, термобарических сведений о глубинах и новых геодинамических построений в работе намечаются пути к выяснению геологической истории глубинных геосфер. В общем виде представления авторов сводятся к тому, что в первую очередь, после дифференциации, образовались слой D" и нижняя мантия, а также первичная базитовая земная кора (катархей). Сиалическая кора возникла в начале архея. Система слой D" - нижняя мантия - зона раздела II сформировалась позднее —2.6 млрд. лет, а система верхняя мантия - зона раздела I —1.6-1.7 млрд. лет назад. Таким образом, зарождение и оформление внутримантийных геосфер в их современном облике было разновременным и процесс этот был длительным.

ВВЕДЕНИЕ

В данной работе авторы имеют ввиду подойти к проблеме эволюции мантийных геосфер с того времени, когда определилась современная система мантия-ядро. К этому побудило то обстоятельство, что благодаря глубинной сейсмотомо-графии мантию Земли оказалось возможным расчленить на несколько оболочек, отличающихся особенностями строения [12, 13]. Тем самым мантия определилась как совокупность зонально расположенных обособленных геологических тел, изучение геологической истории которых представляет исключительный научный интерес.

Относительно времени образования системы мантия-ядро в ее современном виде не существует однозначного суждения. Самый молодой возраст оценивается в 2.6 млрд. лет (рубеж архея и протерозоя) [16]. Но и в этом случае необходимо заключить о большой длительности процесса эволюции мантийных геосфер. Априори можно принять, что в этом процессе происходили изменения строения и вещественного состава мантийных масс. Имеющиеся разработки дают основание полагать, что строение мантийных геосфер и структурная зональность мантии определяются глубинной энергетикой. Она индуцирует тепло-массопотоки в мантии и, как следствие, тектонические движения в ней, меняющие структуру геосфер. Что касается вещественного состава, то на его дифференциацию, наряду с физическими свойствами материала, оказывают столь же важное влияние термобарические условия. Соответственно, созидание современных мантийных геосфер (структурно-вещественной неоднородности мантии) следует рассматривать как сложный, не-

прерывно-прерывистый процесс, занявший большое время в геологической истории планеты. Приоткрыть завесу в этой проблеме и составляет задачу авторов. Ориентация на проведение исследований в данном направлении дана в статье [13].

СТРУКТУРА МАНТИИ

Традиционно мантия Земли подразделяется на верхнюю и нижнюю и разделяющую их переходную зону, находящуюся между глубинными сейсмическими границами 410 и 670 км. Соответственно, из ее общей мощности на нижнюю мантию приходится 2200 км. Но еще в 1995 г. одним из авторов структура мантии была представлена в существенно более дробном делении [13]. Появившиеся к тому времени глобальные сейсмото-мографические карты для разных глубинных срезов позволили обособить в мантии шесть геосфер. Соответствующая схема воспроизведена на рис. 1. В дальнейшем эта схема с некоторыми уточнениями и вариациями в оформлении публиковалась в ряде работ, из которых наиболее значимой является статья 1999 г. [14]. В ней дается корреляция выделенных геосфер с уровнями минеральных преобразований в мантии, выявившая их большое совпадение. Наблюдающиеся некоторые отклонения навели на мысль о возможном выделении внутригеосферных подразделений, подобно обособлению локальных сейсмических границ. Один из более поздних вариантов схемы лежит в основе данной публикации (рис. 2).

Главную особенность нашей схемы составляет обособление средней мантии и зон раздела между нею и верхней и нижней мантиями. Верхняя ман-

тия распространена до рубежа 670 км, при этом по уровню "410" делится на верхнюю и нижнюю части (геосферы). Мощность средней мантии определена в 900 км, а нижней - 600 км, т.е. уменьшена по сравнению с традиционной в 4.4 раза. Значительную часть последней составляет перекрывающий ядро Земли слой D".

Ранее, из-за слишком обобщенного представления о структуре мантии, фактически не стоял вопрос о геологической истории ее оболочек. Выполненное дробное расчленение выдвигает такую проблему и создает возможности для ее разработки. Начать следует с термобарических данных.

ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ В ГЛУБИНАХ ЗЕМЛИ

В работе [28] приведены данные о давлениях на разных глубинах Земли. Они таковы:

км 0Г

Кора Мощность,

на глубинах 10-50 км 400 км 660 км 2900 км 5200 км

1.5-2.5 ГПа 15 ГПа 25 ГПа 130 ГПа 300 ГПа

Если взять область мантии в целом, то получается, что давление на 1 GPa возрастает в среднем через 24 км. Отправным моментом в соответствующих расчетах послужили экспериментальные данные об условиях минеральных преобразований на глубинах.

В работе [16] к определению мантийных давлений авторы подошли от плотностных неодно-родностей, определяемых в свою очередь данными глубинной сейсмики. В конечном счете примененная метода привела к довольно дробной характеристике давлений на разных глубинах, сведенных в виде таблицы. Ниже приводятся эти характеристики (табл. 1).

Рассмотрение таблицы показывает, что до уровня 430 км увеличение давления в мантии составляет 1 кбар на 3.5-3.3 км. В более глубоких частях, до уровня 2600 км, давление нарастает быстрее: 1 кбар на 2.0-2.2 км. В слое D" в интервале 2600-2886 км увеличение давления на 1 кбар происходит через 1.7 км, а на глубине 3000 км (жидкое ядро) - через 1.1 км.

Из сопоставления данных, приведенных в обеих цитированных работах, видно, что между ними имеются расхождения, но не столь значительные.

400 800

1200 1600

2000 2400

2800 3000

Верхняя мантия

650

Зона раздела I

Средняя мантия

Зона раздела II

Нижняя мантия

Ядро

км

170

900

500

650

Рис. 1. Схема строения мантии Земли, по данным сей-смотомографии. Возможное отклонение в мощности ±10%, по: [11]

В общем близкие результаты получены и авторами книги [6].

Однако в каждом случае это усредненные значения. Но если принять, что в мантийных геосферах существует тектоническое течение, а именно неравномерное движение масс по латерали с образованием локальных зон сжатия и растяжения, а для этого есть много оснований, то давление от места к месту должно меняться. В открытой, в большей или меньшей степени неравновесной системе, где происходит обмен веществом и энергией, давление по определению не может быть устойчивым и постоянным. Но именно такими системами являются мантийные геосферы.

Таблица 1. Изменения давлений на разных глубинных уровнях мантии Земли

Глубина, км 200 430 670 800 1000 1200 1400 1600 1800 2200 2600 2886 3000

Давление, кбар 65.5 138 247.2 305.7 397.7 491.7 587.8 686 786.3 994.9 1216.2 1384 1503

Рис. 2. Глубинные геосферы Земли, по: [12]; геосферы внешнего ядра, по: [28]

Рис. 3. Графики, отражающие изменения плотности, давления и температуры от поверхности до центра Земли, по: [30]

В этой связи представляют интерес данные об изменении плотности мантийного материала по радиусу Земли. Они отображены на графике (рис. 3). До глубины 800 км происходит ступенчатое увеличение значений плотности. Скачки приурочены к границе Мохо и уровням 200, 410, 670 км, но также и 840 км [16]. Отметим, что уровень "840" соответствует верхней границе средней мантии (в нашем понимании). В ходе геологической истории плотность, как и другие физические характеристики (давление, температура), эволю-

ционировала. В книге [16] приведены кривые изменения плотностей для первичной (недифференцированной) и современной Земли (рис. 4).

Возвращаясь к таблице современных давлений, необходимо отметить, что некоторые отклонения даже в усредненных цифрах на разных уровнях глубины все же имеются, причем строгой линейности в этом не усматривается.

Если провести сопоставления изменения величин давления с выделенными нами основными подразделениями мантии, то выясняется следую-

щее. Для интервала, отвечающего верхней части верхней мантии (200-430 км), увеличение давления на 1 км составляет 0.31 кбар, для нижней ее части - 0.44, для зоны раздела I - 0.45, в средней мантии давление увеличивается от 0.46 до 0, 49, в зоне раздела II - 0.50-0.52, в нижней мантии - увеличение до 0.55, а в слое Б" - 0.59. Ядро Земли отделено значительным ростом 1.04 кбар. Таким образом, каждая геосфера имеет собственные характеристики Р.

Похожая ситуация выявляется и в отношении распределения температур в области мантии. Данные о них приведены в уже цитированной книге [16] и сведены в таблице 2.

Из таблицы следует, что в пределах первых 200 км температура нарастает быстро, в среднем 7.4 К на 1 км. Но далее лишь в интервале 430600 км ее среднее значение составляет 1.1 К на 1 км, а на остальных глубинах оно < 1 К. Вариации в значениях таковы: в зоне раздела I оно минимальное - 0.27 К, в средней мантии и в зоне раздела II - 0.5-0.45 К, в нижней мантии - 0.48 К. В слое Б'', согласно таблице, значение оказывается 0.42, что понять трудно, тем более, что в следующем интервале глубин (2886-3000 км) рост температуры на 1 км составляет 1.58 К. Если рассматривать мантию в целом, то порядок изменения температур с глубиной виден определенно.

Здесь мы снова отмечаем, что имеем дело с усредненными значениями. Внутригеосферные тектонические процессы в обстановке мощных сил трения могут вызывать существенные локальные отклонения и даже закритическое состояние систем. Температурную картину осложняют также сквозьмантийные плюмы, являющиеся проводниками тепловой энергии ядра.

На рис. 3 показана кривая изменения тем

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком