Лекции_Общая геохимия. Геохимия как наука
 Скачать 6.86 Mb.
|
|
3.2. Происхождение земных оболочек В последние три десятилетия прошлого века астрофизики и космохимики поддерживают гипотезу о формировании Земли из холодного протооблака путем агломерации частиц и последующего частичного расплавления, сопровождавшегося дифференциацией вещества Земли. Впервые подобные взгляды высказал в х годах О. Ю. Шмидт. Он, в частности, одним из первых рассчитал возраст Земли, исходя из числа метеоритов, ежегодно поступающих на Землю, приняв во внимание те вероятные сроки, которые были бы необходимы для образования планеты, равной Земле. Полученная цифра (7,6 млрд. лет) лишь в полтора раза превысила ныне установленный возраст Земли. Для расчета была использована формула 6 3 1 3 lg 2 1 3 lg 3 где А — константа t — возраст Земли ∆ — масса метеоритного вещества, падающего на Землю за год m t — масса современной Земли. Таким образом, гипотеза о холодном протовеществе Земли получила частичное подтверждение. Ключевым вопросом, определяющим направленность эволюции протопланетного вещества Земли, является вопрос о природе ее оболочечного строения. При этом необходимо в первую очередь решить, являются ли оболочки производными физико-химических процессов, возникающих в недрах однородно 34 конденсированного холодного пылегазового материала, или же основы зонального строения были заключены при первичном формировании планеты В первом случае при однородной консолидации, вследствие равномерного распределения по всему объему планеты радиоактивных элементов (урана, тория, калия, а также некоторых недолговечных изотопов с меньшим периодом полураспада, неизбежно произошел бы равномерный разогрев всей планеты. С учетом низкой теплопроводности силикатных пород охлаждение недр путем нормальной диссипации тепла происходило бы крайне медленно, главным образом за счет охлаждения самых верхних слоев. Если же учесть, что генерация тепла осуществлялась не только за счет энергии сжатия протовещества вращающейся планеты и энергии, возникшей при этом дифференциации, в результате сильного приливного воздействия близкой Луны, а также начавшихся процессов физико-химических реакций, то общий баланс тепла был бы существенно положителен (табл. 3.2). Отсюда неизбежен значительный разогрев планеты с переходом протовещества в пластичное состояние, лишенное отмеченных выше особенностей оболочечной дифференциации ив частности, твердой нижней мантии. Таблица 3.2 Баланс тепла на Земле (по Орлёнку, 1980) Источник тепла Q кал эрг Радиоактивный разогрев только долгоживущие изотопы) 1,4 – 4,5 10 30 0,6 – 1,2 10 Гравитационная дифференциация 6-20 10 31 1,5 – 5 10 Сжатие Земли 3 10 31 1,2 10 39 Физико-химические реакции 4 10 30 1,7 10 Приливное трение 0,9 10 30 0,36 10 Всего 9 10 31 3,4 10 39 Во-вторых, потребовался бы длительный, порядка миллиарда лет, интервал времени для разогрева недр до температур, необходимых для осуществления физико-химических реакций и механизма дифференциации протовещества на геосферы (Любимова, 1968). Это, в свою очередь, противоречит данным о возрасте древнейшей земной и лунной коры равном 4,5-4,7 млрд. лет (Ботт, 1974) и указывает на ее образование сразу же после формирования планетных тел. В-третьих, нет никаких оснований полагать, что формирование Земли происходило из однородного газопылевого облака. Вполне вероятно наличие первичного ядра конденсации в виде конгломерата крупных астероидов, имевших к тому же большую, чем окружающие частицы, плотность. Приведенные соображения свидетельствуют в пользу принятия второй гипотезы, а именно – прообраз современного оболочечного строения Земли в основных чертах был заложен в самом первоначальном механизме формирования планеты. Согласно В. Руднику и Э. Соботовичу (1973), впервые предложившим зональную гипотезу аккреции протовещества, центром конденсации Земли служили крупные 35 реликтовые фрагменты типа железных (а, возможно, каменных и даже ледяных) астероидов, практически не содержащих радиоактивности. По мере расходования крупных реликтовых тел уменьшался вызываемый ими общий термальный эффектна поверхности растущей Земли и над возникшем расплавом (пластичное ядро) образовалась термоизоляционная покрышка (нижняя мантия. Таким образом были сформированы протогеосферы Земли – твердое внутреннее ядро и твердая холодная мантия, между которыми, как в термосе, сохранился расплав. Существуют и другие модели. В модели В. Рудника и Э. Соботовича природу слоя Гутенберга, характеризующегося, пониженной вязкостью, можно объяснить как зону вторичного разогрева и аккумуляции радиогенного тепла, вследствие концентрации здесь основной массы радиоактивных, в том числе короткоживущих изотопов 10 Ве, Аи др. с периодом полураспада 106 – 108 лет (Войткевич, 1973). Следовательно, эти изотопы впервые же десятки миллионов лет после образования планетного тела способствовали быстрому разогреву и первоначальному поддержанию тепла в областях внешнего ядра и зарождающейся астеносферы. Изотопы 238U, 232Th и 40K, имеющие период полураспада соответственно 4, 5; 13,9 и 1,3 10 9 лет, основное тепло дали в первый миллиард лет после образования планеты в последующем их вклад должен был уменьшаться. На основании детального изучения данного вопроса В.В. Орленок (1980) (http://tululu.ru/sam/doc/23143/) к важному выводу, а именно – астеносфера есть зона накопления глубинного тепла Земли. Последующая разгрузка его осуществляется посредством тепломассопереноса сквозь твердую литосферу. При этом диссипация тепла – тепловое дыхание планеты – осуществляется двумя способами – посредством нормальной теплопроводности со средней скоростью 1,2 кал/см 2 с и через глубинные разломы и вулканические аппараты. 3.3. Строение океанической коры Мощность океанической коры меньше, чем континентальной. Об этом говорит возрастающее ускорение силы тяжести над океанами, позволяющее судить о сравнительно высоком положении поверхности Мохо и соответственно о малой мощности сиалической оболочки (5-6 км). Исследования, проведенные на судне экспедиции «Гломар Челленджер» (1969 г, оборудованном установкой для разбуривания дна океана на больших глубинах, показали, что на дне Атлантического и Тихого океанов нет осадков древнее верхней юры. Из 30 скважин, пройденных с целью пересечения осадочного чехла, покрывающего базальтовое основание дна, четыре скважины достигли базальта. В остальных случаях они пересекли осадки мелового возраста, лишь водном достигнув титонского яруса. Нив одной из скважин не было выявлено более древних отложений. При геофизическом исследовании дна океана были установлены так называемые зебровые структуры — параллельно вытянутые магнитные аномалии, следующие в субмеридиональном направлении. Эти серии аномалий повторяли 36 все изгибы, характерные для главной рифтовой долины, подобно швам, рассекавшим Тихий, Атлантический и Индийский океаны и соединенных на юге опоясывающей Антарктиду зоной (рис. 3.5). При детальном исследовании магнитные аномалии этой зебровой структуры оказались структурными швами, залеченными базальтовыми излияниями, строго повторяющими контуры береговых линий континентов. Рис. 3.5. Главные тектонические структуры Земли по АС. Монину) докембрийские платформы, щиты, 3- древние ядра платформ, первичные дуги, 5- срединно-океанические хребты, рифтовые долины (зоны растяжения, поперечные разломы, глубоководные желоба. Абсолютный возраст этих базальтов симметрично возрастал по мере удаления от центральной рифтовой долины в стороны и достигал 120 млн. лет. Более древние породы не найдены. Возраст пород в районе самой рифтовой долины оказался близким к современному млн. лет. В настоящее время рифтовые зоны Индийского и Атлантического океанов изучены достаточно хорошо. Большой вклад сделали советские ученые вовремя экспедиции на судне ИВ. Курчатов, проследив подобные структуры в Индийском океане на протяжении почти 1000 км. Сплошное драгирование рифтовых долин на дне океана, имеющих глубину по сравнению с уровнем дна 3-4 км при такой же ширине и огромном протяжении по простиранию, дало ценные результаты. Большая часть материала, поднятого с глубин, оказалась породами ультраосновного и основного состава — гарцбургитами 6 , лерцолита- 5 Существует несколько основных причин, по которым рифтовые озера, в частности озеро Танганьика стало вторым по глубине и крупнейшим по площади пресноводным озером в мире (после озера Байкал в Сибири. Главная из них заключается в том, что озеро находится в зоне тектонических разломов. Озеро расположено в Западной части долины разломов, известной как Великая рифтовая долина и включающей в себя также Восточ- но-Африканскую рифтовую долину, и ограничено гористыми склонами тектонических разломов. 6 Гарцбургит — глубинная ультраосновная горная порода нормального ряда. Является одним из типов перидо- тита. Сложена оливином и ортопироксеном (ромбическим пироксеном) 37 ми либо базальтами. Отдельные обломки отличались высоким содержанием шпинели, хромитов. При исследовании таких зон в Атлантике (1969 г) установлено развитие среди них подводного вулканизма, сопровождавшегося значительным обогащением придонных води окружающих пород фтором, медью, свинцом и другими элементами (до 0,1 %). Стало очевидным, что океаническое дно представляет собой не только особый, в значительной степени утонченный тип земной коры, но что, кроме этого, эта кора местами раскрывается, обнажая таящиеся под ней породы явно мантийного происхождения. И, что самое главное, началось это раскрытие сравнительно недавно -120 млн. лет назад, в мезозое. В х годах прошлого столетия большой популярностью пользовалась концепция А. Вегенера, рассматривавшего континенты как сиалические айсберги, плавающие на поверхности мафических пород мантии. Доказательства, приведенные Вегенером, легко убедили его современников. Довольно точное совпадение контуров Южной Америки и Африки, прослеживание мезозойских пород с американского континента на африканский и далее в Индию и Австралию, казалось служили бесспорным доказательством того, что материки эти составляли в недавнем прошлом единое целое. Однако этой гипотезе, вошедшей в геологические науки под названием «мобилизм», не удалось просуществовать достаточно долго. Другая школа — «фиксистов» — приводила не менее веские доказательства того, что, например, очаги современных вулканических поясов лежат на больших глубинах, за пределами земной коры, что глубокофокусные землетрясения, сопровождающиеся извержениями вулканов, зарождаются на глубинах 600—700 км, и, следовательно, так просто континенты переместить не удастся. Тем не менее идее движения континентов суждено было вновь появиться на свет под названием гипотезы «неомобилистов». Со временем были получены данные, подтверждающие движение континентов, например, было доказано, что Калифорнийский полуостров перемещается со скоростью 1 мм/год в западном направлении от североамериканского континента, что Северная Америка отходит от Европы со скоростью 1 см/год; было установлено разрастание Красного моря и т. д. Поданным Э. Бул- ларда, скорость разрастания Тихого океана достигает 16 см/год, те. весь бассейн Тихого океана должен был бы возникнуть за 100 млн. лет. Исследования, в частности геохронологические, атлантического побережья Южной Америки и Африки показали поразительное сходство структур этих континентов, а многие из них служили продолжением друг друга. Оказа- 7 Лерцолит - магматическая интрузивная порода ультраосновного состава нормального ряда из семейства перидотитов, сложенная оливином (40-80%), орто- и клинопироксеном (пос примесью роговой обманки (до 5 Разновидности лерцолит плагиоклазовый (до 10% плагиоклаза, гранатовый (> 5%) граната. 38 лось, что если повернуть Южную Америку напротив часовой стрелки, то очертания ее шельфа достаточно точно совпадут с границей шельфа Африки. Простое перечисление структур Южной Америки и Африки позволяет говорить об их былом единстве и внезапном разрыве, происшедшем сравнительно недавно (по-видимому, в мезозое. Так, Гвианский щит, датируемый млн. лет, имеет продолжение в Африке в виде Гвинейского щита. Ка- рирский ороген, датируемый 600 млн. лет, охватывающий восточный выступ Южной Америки, является синхронной структурой панрифейской геосинклинали Африки, к которой относится Нигерия и Северный Камерун. При этом в ядре этой геосинклинали развиваются два относительно юных разлома Нигерийский меридионального простирания и Фамбел (Камерун) — северо- восточного простирания, с которыми связаны молодые граниты (160 млн. лет. Точно такие же структуры в виде двух зон — Пернамбуко и Патос — известны в Карирском орогене. И с учетом поворота Южной Америки на 15° они действительно вытягиваются в один гигантский разлом Пернамбуко — Фамбел. Не менее интересны другие случаи совпадения структур древних масси- вов-Сан-Франциско в Южной Америке и Габона и Конго в Африке, обоюдно прерываемых на юге мощным развитием молодого магматизма около 600 млн. лет назад в районе Рио-де-Жанейро и Анголы. Общий характер магматизма подтверждается и тем, что вдоль зон субширотного простирания по обеим сторонам Атлантического океана развиты карбонатитовые месторождения. Итак, подобие континентов установлено. В чем причина разрыва единого некогда материка Этой проблеме было посвящено специальное совещание Дрейф континентов, состоявшееся в Монтевидео в 1967 г. В частности, интересные данные были приведены палеомагнитологами, измерявшими по намагниченности образцов пород положение магнитного полюса в эпоху образования этих пород. По их данным, в показаниях подобного индикатора имели место существенные противоречия. Все результаты измерений, проведенных в Южной Америке, свидетельствуют о миграции Южного магнитного полюса от экваториальной зоны Атлантического океана к югу по оси океана к современному положению полюса. В тоже время, поданным исследований Африканского континента, подобная миграция Южного магнитного полюса должна была происходить параллельно с американским вариантом от экватора через центральную часть Африки на юг. В меловой период положения полюса вблизи берегов Антарктиды совпадали как по американским, таки по африканским данным. Нетрудно догадаться, что для примирения обеих точек зрения достаточно было сдвинуть оба континента. Итак, мы выяснили, что современный океан имеет сравнительно юный возраст — около 120 млн. лет, что до самого последнего времени в его фундаменте происходили крупные деформации, указывающие на тенденцию к его расширению, сопровождавшиеся расколами и внедрением магматических пород мантии. 39 Эта тенденция характерна для развития любого океана земного шара, как об этом свидетельствуют приведенные выше факты. Следовательно, говорить о миграции материков бессмысленно. Материк структурно прикован к определенным участкам планеты, поэтому неподвижен. В связи с подробным изучением океанического дна и полученными геофизическими данными некоторые зарубежные исследователи (Э. Буллард, Г. Менард и др) выступили с гипотезой о пяти жестких плитах мощностью около 100 км, захватывающих, следовательно, часть мантии и сложенных оливином, пироксеном, гранатом и другими минералами. Эти плиты, по мнению авторов гипотезы, могут нести на себе участки земной коры и способны погружаться под надвигающуюся на них другую плиту (рис. 3.6.). Рис. 3.6. Схема столкновения континентов. Этим, например, объясняется строение западного берега Южной Америки, где под перемещающийся в западном направлении континент происходит «подныривание» океанической плиты Тихого океана, опускающейся под углом 45° в астеносферу. С этим же связано перемещение Индийской плиты на север и смятие континентальной толщи Гималаев. Столкновение континентальных плит приводит к смятию коры и образованию горных цепей. Примером коллизии является Альпийско-Гималайский горный пояс, образовавшийся в результате закрытия океана Тетис и столкновения с Евразийской плитой Индостана и Африки. В результате мощность коры значительно увеличивается, под Гималаями она составляет 70 км. Это неустойчивая структура, она интенсивно разрушается поверхностной и тектонической эрозией. В коре с резко увеличенной мощностью идёт выплавка гранитов из метаморфизованных осадочных и магматических пород. Так образовались крупнейшие батолиты, напр, Ангаро-Витимский и Зерендинский. Изложенная точка зрения, не менее фантастичная, чем предыдущая, однако не устраняет главного противоречия о происходящем разрастании океанов и увеличении за счет этого земной поверхности. Очевидно, всe это ведет к выводу о неизменно прогрессирующем во времени увеличении объема земного шара, росте земного радиуса. Рассматривая строение земных оболочек, мы обращали внимание на то, что вещество земной мантии, не говоря уже о ядре Земли, находится в состоянии интенсивного сжатия, отражающегося на минеральном составе вещества. 8 Более 90 % поверхности Земли в современную эпоху покрыто 8 крупнейшими литосферными плитами Австралийская Антарктическая Африканская Евразийская Индостанская; Тихоокеанская Северо-Американская; Южно-Американская плиты. 40 Во всех случаях внедрения этого вещества в верхние слои земной коры, в особенности при его взаимодействии с гидросферой и атмосферой, те. после окончания процессов гипергенеза, результат бывает один — интенсивное разбухание новообразований, уменьшение их плотности. Если при этом учесть мнение некоторых ученых об особом метал- лизованном строении вещества ядра, то станет очевидным процесс медленного, но исключительно ориентированного направленного расширения Земли за счет пополнения ее коры глубинным материалом и его перерождения, уменьшения плотности. При допущении такого геохимического механизма роста объема земного шара за счет понижения плотности части его первичного субстрата многие затруднения в проблеме перемещения различных блоков земной поверхности были бы сняты. Е. А. Любимова отмечает также вероятность теплового расширения недр Земли под воздействием миграции радиоактивных калия и U 285 , допуская увеличение земного радиуса на 100 км впервые миллиарды летжизни Земли (что соответствует 600 км ее окружности. Современная скорость изменения радиуса Земли составляет 3,5 см залет. В росте объема земного шара, увеличении его поверхности, вероятно, заключается причина растущей его асимметрии — возникновения огромных чаш океанов, до того занимавших значительную часть континентов. |