научная статья по теме ГЛУБИННАЯ ГЕОДИНАМИКА — ОСНОВНОЙ МЕХАНИЗМ РАЗВИТИЯ ЗЕМЛИ Науковедение

Текст научной статьи на тему «ГЛУБИННАЯ ГЕОДИНАМИКА — ОСНОВНОЙ МЕХАНИЗМ РАЗВИТИЯ ЗЕМЛИ»

ПУБИ

л.

НАЯ

ОСНО

ГЕОД

ной М

ИТИЯ

И

пнМ

АНИС МЛИ

L

М

Академик Михаил КУЗЬМИН, Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН (Иркутск), Академик Владимир ЯРМОЛЮК, Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН (Москва), профессор Вадим КРАВЧИНСКИЙ, Университет Альберты (г. Эдмонтон, Канада)

Большие изменения в геологических знаниях произошли за последние полвека.

Благодаря успехам сейсмической томографии в глубинах Земли обнаружены две огромные области более горячей материи, простирающиеся до самого ядра планеты. Интересно, что их проекции на поверхность практически совпали с так называемыми горячими полями мантии, которые были выделены советскими геологами еще тридцать лет назад по косвенным показателям. Данные открытия легли в основу концепции глубинной геодинамики, позволившей установить взаимодействие глубинных процессов в мантии с геологией, формирующей поверхность нашей планеты.

Внутреннее строение Земли. Граница между верхней и нижней мантией —660 км. В верхней мантии находится частично расплавленное вещество, поэтому она часто сопоставляется с астеносферой.

Глубина (км)

ч Кора (6-70 км) Литосфера (~100-200 км) Верхняя мантия

¡г Переходная зона

Слой й" (150-350 км)

Внутреннее ядро

МОГ

ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

В 30-х годах XIX в. выдающийся британский геолог Чарльз Лайель в фундаментальном труде «Основы геологии» сформулировал положения об актуализ-ме (т.е. современные наблюдения позволяют делать выводы о геологических процессах прошлого) и уни-формизме (при всех преобразованиях в природе законы, их определяющие, остаются постоянными). Несколько позднее американский геолог Джеймс Холл и его соотечественник Джеймс Дэна (иностранный член-корреспондент Петербургской АН с 1858 г.) выдвинули концепцию геосинклиналей (упрощенно говоря, подвижных поясов Земли), объяснявших возникновение складчатых горных массивов. А с именем русского геолога академика Александра Карпинского связано выделение стабильных участков на Земле — платформ (1887, 1894). Работы всех этих ученых стали основой парадигмы геологии конца XIX и первой половины XX в., сменившейся в 1960-х годах концепцией тектоники плит. О ней пойдет речь чуть ниже, а пока обратимся к схеме внутреннего строения Земли.

Наша планета состоит из ряда сфер (оболочек) неодинаковой толщины, имеющих различный минеральный и химический состав и четкие сейсмические границы. Самая верхняя — литосфера (ее мощность от 100 км в океанах до 200 км и более на континентах). Венчает ее земная кора толщиной от 6 до 70 км. Литосфера относительно хрупка и именно в ней происходят землетрясения, вызывающие сколы и разрывы, через которые горячее вещество мантии* может достигать земной поверхности.

*Мантия — часть Земли, расположенная непосредственно под корой и выше ядра, т.е. до глубины ~ 2900 км; в ней разделяют верхнюю мантию (до 660 км) и нижнюю (прим. ред.).

Ниже этого слоя следует астеносфера, отвечающая верхней мантии и характеризующаяся наличием частично расплавленного вещества, в связи с чем в ней возникают конвективные потоки. В срединно-оке-анических хребтах (СОХ) она подходит к поверхности Земли и отвечает за выплавление базальтов СОХ с низким содержанием литофильных элементов*. Астеносфера «потеряла» большинство их ~1,8—2 млрд лет назад, что было связано с массовым образованием земной коры. А нижняя мантия в этих процессах не участвовала, поэтому ее состав в большей степени отвечает первичной мантии Земли. Следует отметить, что почти половина массы нашей планеты состоит из Mg-перовскита, устойчивого в широком интервале давлений. Это основной минерал нижней мантии.

Важное значение для понимания процессов глубинной геодинамики имеет слой D", открытый в 1980-х годах. Он расположен в подошве мантии, имеет мощность 150—350 км и характеризуется высоким градиентом температуры: порядка 4000°С в основании и 3000°С на верхней границе. Именно через этот слой происходит взаимодействие мантии с ядром.

Большим успехом экспериментальной минералогии стало открытие в 2002—2004 гг. постперовскита. Химический состав его такой же, как и у перовскита, а плотность на 1,2% выше. Экспериментальные данные показали: существующие сегодня в недрах Земли температуры соответствуют образованию этого минерала на глубине 2600-2900 км, т.е. в слое D". Оценки термической эволюции недр планеты приводят к выводу, что формирование постперовскита началось после существенного охлаждения Земли примерно

*Литофильные элементы — группа химических элементов (всего их 53), слагающих основную массу минералов земной коры (прим. ред.).

По поверхностным проявлениям внутриплитового магматизма за последние 15 млн лет выявлены 47 «горячих точек». Они группируются в четыре обширные (до 10 тыс. км в поперечнике), но компактные зоны, названные «горячими полями мантии Земли»: Африканскую, Тихоокеанскую, Центрально-Азиатскую и Тасманскую (по Зоненшайну, Кузьмину, 1983).

2,3 млрд лет назад. С этого времени начинают быстрее (почти в 2 раза) расти континенты, т.е. уже работает тектоника плит, приуроченная к верхней мантии.

КОНЦЕПЦИЯ ТЕКТОНИКИ ПЛИТ

В 1961 г. английский геофизик Роберт Дитц и американский геолог Гарри Хесс, анализируя батиметрическую карту дна океанов, пришли к выводу, что протяженные горные хребты, возвышающиеся над абиссальными (глубоководными) долинами на 1—2 км, приурочены к центральным частям океанов. Было показано, что в рифтовых структурах этих хребтов происходит образование новой коры. Процесс разрастания океанического ложа они назвали «sea flow spreading» (растекание морского дна).

В 1963 г. британские геофизики Фред Вайн и Друм Мэтьюз подтвердили спрединг (разрастание) наличием полосовых магнитных аномалий, образование которых определяется намагниченностью пород океанической коры в соответствии с полярностью планетного магнитного поля — она периодически меняется во времени с прямой (современная полярность) на обратную.

В 1965 г. канадский геофизик Джон Вилсон выделил особый тип разломов — трансформных, образующихся при горизонтальном перемещении океанической литосферы в стороны от срединно-океаниче-ского хребта. В 1968 г. американский геофизик Джей-сон Морган и ряд других исследователей показали существенные различия глубинных геофизических структур указанных хребтов и зон островных дуг. Для последних характерен поддвиг — опускание океанической литосферы в мантию до глубин около 600 км. Этот процесс был назван субдукцией.

После окончательного формулирования основных положений тектоники плит, объясняющей современную динамику Земли, эта теория быстро завоевала признание мировой науки. Ее положения достаточно просты для понимания.

Две внешние оболочки планеты — литосфера и астеносфера — взаимодействуют. Вещество последней способно к течению, в связи с чем в ней может возникать конвекция, поддерживаемая энергией из внутренних оболочек Земли. Литосфера представляет собой внешнюю твердокаменную оболочку Земли, пассивно реагирующую на процессы, протекающие в астеносфере. Она рассечена узкими поясами — зонами, характеризующимися высокой тектонической (в частности, сейсмической) и магматической активностью: рифтовыми срединно-океаническими хребтами и зонами субдук-ции. Эти зоны, а также трансформные разломы «разбивают» литосферу на ряд жестких литосферных плит, которые под действием сил вязкого трения, вызванных конвективными (или иными) потоками в астеносфере, перемещаются относительно друг друга.

ГОРЯЧИЕ ТОЧКИ

Еще в 1963 г., когда только закладывались основы тектоники плит, Джон Вилсон обратил внимание на действующие вулканы внутри океанических плит, образующие вулканические цепи, ориентированные противоположно по отношению к вектору перемещения плиты. Было сделано предположение, что эти цепи связаны с горячими точками мантии, прожигающими литосферу по мере ее прохождения над ними.

К началу 1970-х годов гипотеза горячих точек мантии была принята многими исследователями. Предполагалось (а позднее и подтвердилось), что они представляют собой геохимические аномалии, так как их магматические породы (по сравнению с базальтами СОХ) обогащены многими редкими литофильными химическими элементами, а это нетипично для продуктов плавления верхней мантии. Такие породы связаны с «пятнами» разогретой астеносферы, которые неподвижны и, в свою очередь, питаются мантийными плюмами — струями, поднимающимися из глубин нижней мантии, возможно, от границы «ядро-мантия». В

Гоаницы«горячих полей» примерно совпадают с контурами «низкоскоростных мантийных провинций (ИБУР)», называемых также суперплюмами.

Их связь с современными проявлениями вулканизма подтверждается локализацией на поверхности планеты всех известных на сегодня 49 горячих точек, а сами мантийные провинции определены методом сейсмотомографии (по Зоненшайну, 1991;

Бьерку, Торсвику, 2004).

океанах внутриплитовый магматизм представлен главным образом базальтами плато и островов, выделяемых в особый геохимический тип — OIB (Ocean Island Basalt). К их составу близки базальты трапповых* провинций, например, сибирские.

Представления о горячих точках предполагали наличие узких (порядка 150 км в поперечнике) мантийных струй (или столбов), пронизывающих всю толщу мантии, но остающихся неподвижными (по сравнению с литосферными плитами) на протяжении десятков миллионов лет. Внутри такой плиты, проходящей над «пятном» разогретой мантии, формируется вулкан; при смещении плиты относительно горячей точки над ней образуется еще один, а в итоге сегодня мы видим цепь потухших вулканов: они фактически трассируют след, прожигаемый горячей точкой. В этом отношении впечатляющим примером служит Гавайская горячая точка, с которой связано возникновение Гавайско-Императорского хребта в Тихом океане, существующего уже почти 100 млн лет.

Однако ряд исследователей, например, английский геолог Кейт Ранкорн, указывали, что геологические и физико-химические параметры мантии делают маловероятным существование таких столбов, и выдвигали разные гипотезы для объяснения природы горячих точек. Впрочем, все эти гипотезы не предполагали н

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