Радиоактивные источники энергии внутри Земли: данные о тепловом потоке

Уже несколько столетий известно, что температура внутри Земли возрастает с глубиной (это можно наблюдать во многих глубоких шахтах) и что она растет с глубиной довольно равномерно. Не имея лучших данных, ученые XIX в., например лорд Кельвин, сделали вывод, что Земля просто остывает от первоначального нагретого состояния. Эта точка зрения резко ограничивала геологию как науку, поскольку продолжительность временной шкалы для просто остывающей Земли была совсем небольшой и в рамках этой шкалы невозможно было объяснить все геологические процессы. Она ограничивала жесткими рамками и эволюционное учение Дарвина.

Когда А. Беккерель открыл, что уран испускает “лучи”, которые действуют на фотопластинки даже в полной темноте, а Мария Кюри в 1903 г. открыла радий, наука оказалась на пути, позволившем преодолеть ограничения, налагаемые представлением об остывающей Земле. В 1906 г. Рэлей подсчитал, что современный тепловой поток из недр Земли можно объяснить тем теплом, которое выделяют сами радиоактивные минералы в земной коре. Кроме того, это тепло, вероятно, генерируется постоянно, так что современные процессы находятся “в состоянии устойчивого равновесия” и не зависят от того, когда “началась” Земля. Эти успехи физической химии оказали большую поддержку дарвиновской теории, позволив экстраполировать “геологическое время” гораздо дальше в прошлое, чем это было возможно прежде. И даже более того, они нашли тот самый источник энергии, который мог подтвердить теории разрастания океанического дна и дрейфа континентов.

Тепло, высвобождавшееся в мантии Земли за счет радиоактивного распада, может вызвать образование магматических струй (“плюмов”), из которых и образуется новая кора в зонах срединно-океанических рифтов. Отсюда следует, что океанские воды над “теплыми” хребтами должны получать больше тепла, чем в любом другом месте. В течение 1960-х годов ученые много раз измеряли тепловой поток, направленный вверх через осадочные слои, покрывающие дно океанов. Согласно полученным результатам, тепловой поток над срединно-океаническими хребтами достигает 5 мккал/(см2 * с) против всего I мккал/(см2 * с) или около того в районах океанического дна, удаленных от хребтов, и, таким образом, эта гипотеза в принципе подтвердилась. Однако теоретически тепловой поток в зонах срединно-океанических хребтов должен быть гораздо выше; проблема этого “дефицита” оставалась нерешенной еще десятилетие, пока ученые, используя подводные аппараты, не открыли “гидротермальные источники” рифтовых зон (см. также гл. 19).

Сейсмические пояса.В середине 1950-х годов, вслед за созданием водородных бомб и проведением испытательных ядерных взрывов, при поддержке правительств разных стран по всему земному шару были размешены многочисленные сейсмические станции, на которых стали проводить непрерывные наблюдения. Одним из самых полезных результатов развития сети сейсмических станций было накопление весьма точных данных о расположении эпицентров землетрясений (исчисляемых тысячами). Зарегистрированные в 1961—1967 гг. по всему миру землетрясения с очагами на глубинах до 100 км показаны на рис. 21.9,а.

Бросается в глаза концентрация эпицентров в кольцевом поясе вокруг Тихоокеанскогобассейна — особенность, которая совпадает со старым описанием Тихого океана как океана “в огненном кольце”.

Не менее важно то, что, как свидетельствует рис. 21.9,в, во всех океанических бассейнах существуют обширные площади, где землетрясения почти или вовсе не происходят. Все землетрясения приурочены к узким зонам, которые точно совпадают с осевыми линиями срединно-океанических хребтов и со связанными с ними зонами разломов. В пределах собственно океанической коры, уже сформировавшейся, вдоль зон разломов происходят лишь относительные перемещения и, следовательно, лишь на короткие расстояния от самого хребта. Отсюда мы делаем вывод, что океаническая кора вдали от области своего возникновения перемешается, как правило, в виде единой плиты. Это важнейший элемент в построении глобальной теории тектоники плит.

Итак, умозаключения Вегенера стали приносить плоды. Он выдвинул предположение, что континенты раздвигаются, и эта его гипотеза наконец завоевала широкое признание. Но он полагал, кроме того, что континенты “продираются” через дно океанов почти так же, как плуг по пашне. Представления о разрастании морского дна положили конец спорам о том, каким образом континенты могут двигаться по литосфере Земли, — движется сама литосфера. В то же время принятие теории разрастания морского дна выдвинуло новую проблему — объяснить исчезновение древней океанической коры. Путь к решению этой проблемы и стал той дорогой, по которой ученые подошли к возникшей в самое последнее время (а некоторые считают, что и заключительной) главе в развитии глобальной геологии — к теории тектоники плит.

Тектоника плит

 

По мере того как возрастал объем данных в пользу теории континентального дрейфа и связанной с ней теории разрастания морского дна, росло желание выработать общую теорию, с помощью которой можно было бы объяснить глобальные геологические и геофизические процессы. Новые данные о землетрясениях привели к другим интересным соображениям. Например, на рис. 21.9,б показано распределение очень сильных сейсмических толчков — тех, для которых оценка магнитуды превышает 7,5 по шкале Рихтера. В окрестностях срединно-океанических хребтов почти не отмечены сильные землетрясения. Вместо этого если сравнить рис. 21.9,б с расположением крупных глубоководных желобов на рис. 4.7, то мы увидим почти точное совпадение между расположением гипоцентров сильных землетрясений и подводных желобов. Землетрясения, зарегистрированные вдоль хребтов и зон разломов, были, во-первых, слабее, а, во-вторых, очаги их располагались на меньших глубинах.

Формирование крупных блоков — “плит” океанической коры.Как указал в 1962 г. Г. Хесс в ставшей классической статье [9], при изучении распространения звуковых волн в океанической коре было обнаружено, что она является тонкой, однородной и разделенной на слои. Более того, во всех крупных океанических бассейнах кора устроена одинаково. Однородную слоистую структуру океанической коры можно считать свидетельством того, что кора движется как единое целое, а не дробится на куски и не сминается в складки. В результате дальнейших исследований была создана модель формирования нового морского дна в зоне срединноокеанических хребтов (рис. 21.10).

В центре рис. 21.10 показана струя поднимающегося горячего пластичного вещества астеносферы — размягченной части мантии Земли. По мере того как самые верхние части этого потока остывают и затвердевают, глыбы новой коры отрываются и сползают вниз по обеим сторонам поднятия. Новые порции магмы внедряются в узкие вытянутые трещины — рифты. Часть магмы прорывается наружу и приходит в соприкосновение с вышележащей морской водой, эта часть магмы быстро остывает и формирует характерные шаровые лавы, которые так часто встречаются на поверхностях срединноокеанических хребтов. Хотя мощность быстро застывшего слоя лавы всего несколько сотен метров, в ней отпечатывается влияние магнитного поля Земли, с чем связано появление полосовых магнитных аномалий. Ниже слоя шаровых лав находится слой, образованный повторяющимся растрескиванием и внедрением даек. Обычно его мощность достигает 1500 м, он перемещается в стороны от хребта и вниз по его склонам.

Вместе с верхним лавовым покровом в движении находится и гораздо более мощная консолидированная часть расслоенной плиты. Она сложена в основном грубозернистой базальтовой породой, называемой габбро. Крупная зернистость породы обусловлена более медленным остыванием. Мощность этого слоя обычно равна около 5000 м. Следовательно, общая мощность литосферы до данного уровня составляет около 7000 м. Ниже него находится переходная зона изменчивой мощности, а под ней лежит собственно верхняя мантия. Подошва верхней мантии, находящаяся на глубине примерно 50 км, отмечает самый нижний уровень консолидированной литосферной плиты.

Переходная зона — сама по себе интересный объект. Ее открытие стало возможным благодаря развитию сейсмического зондирования. Сначала устанавливается группа чувствительных приемников звуковых волн (называемых сейсмометрами), а затем на некотором расстоянии от них производится взрыв. Энергия звуковых волн распространяется через Землю и улавливается чувствительными приемниками.

Часть энергии отражается непосредственно от границ между слоями разного вещественного состава, например между интрузивным лайковым комплексом и слоем габбро на рис. 20.10. В результате определяются мощности этих слоев. Часть энергии звуковых волн, напротив, распространяется вдоль слоя на некоторое расстояние, перед тем как оказаться рассеянной и вновь выйти на поверхность, достигнув принимающей установки. Это позволяет оценить минеральный состав и кристаллическую структуру пород таких слоев, поскольку через каждый тип горных пород звуковые волны проходят с характерной для него скоростью. Что касается только что описанной переходной зоны, то продольные волны распространяются со скоростью более 8,1 км/с ниже ее, т. е. в веществе верхней мантии, и со скоростью всего 6,2—6,7 км/с выше ее. Эта зона называется разделом Мохоровичича; считают, что она соответствует фазовому переходу в материале мантии.

В течение 1960-х годов были начаты работы по проекту, названному “Мохол”, с целью пробурить скважину в верхнюю мантию и поднять на поверхность образцы ее вещества. Этот проект не был выполнен, но вызвал такой огромный интерес, что были организованы и продолжаются по сей день весьма продуктивные исследования по другой программе — Проекту глубоководного бурения (DSDP) морского дна.

Хесс выдвинул также идею, что где бы ни сближались при своем движении плиты, одна из них затягивается под другую. Таким поддвиганием, вероятно, можно объяснить, например, формирование глубоководных желобов, а то, что погружающаяся плита снова попадает в астеносферу, возможно, компенсирует образование коры в центрах разрастания морского дна. Эта идея способствовала дальнейшему утверждению революции в глобальной геологии.

Теория взаимодействия плит на их границах.В принципе, поскольку вся Земля “покрыта коркой”, крупные плиты могут взаимодействовать друг с другом только тремя способами: они могут сталкиваться (сближаться, находиться в процессе конвергенции), скользить одна относительно другой (трансформное скольжение) или отодвигаться друг от друга (расходиться). Разрастание морского дна стало общепризнанным объяснением для дивергентного движения (расхождения) плит, а существование на океаническом дне глубоководных желобов, по-видимому, непосредственно связано с конвергентным типом движения (сближением) плит. В 1968 г. Морган [14] указал, что давно уже существует теория, способная объяснить, как должны взаимодействовать плиты. Знаменитый математик Леонард Эйлер (1707—1783) доказал, что относительное перемещение двух жестких плит на поверхности сферы можно описать как вращение обеих плит вокруг некоторой общей оси.

Это замечание стало “поворотным пунктом” в развитии науки. Геологи начали собирать и использовать данные о вращении существующих границ плит; появилась модель с шестью крупными плитами (рис. 21.11), медленно вращающимися одна относительно другой.

При любом конкретном виде сочленения плит их относительное движение может быть конвергентным, дивергентным или продольным скольжением либо представлять собой сочетание скольжения с одним из двух других типов движения. Другая классификация основана на том, является ли граница активной, что обычно означает наличие сейсмической активности и периодических относительных перемещений. Эти классификации приведены в табл. 21.1, а также проиллюстрированы примерами движения плит на рис. 21.11.

Пассивные окраины — континентальная и океаническая кора.Вероятно, лучше всего изученный пример пассивной окраины — сочленение между восточным побережьем США и западным краем морского дна Северной Атлантики. На рис. 21.12 показан геологический разрез через этот регион от океанического хребта и рифтовой зоны (подробно показанной на рис. 21.10) до собственно Северо-Американского континента.

Он иллюстрирует по меньшей мере два из наиболее интересных аспектов тектоники плит: во-первых, что океаническая кора остается наклонной на любом расстоянии от “центра спрединга” и, во-вторых, то, как на разрастающейся океанической коре накапливаются осадки.

Наклон океанической коры. Этот наклон очень хорошо виден на разрезе, приведенном на рис. 21.12. Вблизи рифтовой зоны остывшая и затвердевшая кора, образовавшаяся из поднимающихся мантийных плюмов, легко растаскивается в стороны, что связано с двумя причинами: во-первых, здесь океаническое дно наклонено наиболее круто, так что остывшая кора подвергается растяжению из-за тенденции сползать вниз; во-вторых, затвердевшая кора здесь тоньше всего и легче разрывается. Это служит основной причиной появления многочисленных даек, образующихся в результате того, что дополнительная магма внедряется в рифты и цементирует куски коры в единое целое. С удалением от осевой зоны рифта остывание и затвердевание захватывают более глубокие области астеносферы, и литосферная плита становится толще, но мощности самых верхних ее слоев не меняются. В конце концов даже этот процесс утолщения коры прекращается, так как магма все сильнее изолируется от охлаждающих океанических вод.

По мере остывания и затвердевания магма уменьшается в объеме. Следовательно, произойдет одно из двух: либо более плотная твердая кора утонет в менее плотном пластичном веществе расположенной ниже астеносферы, либо она будет плавать, все глубже погружаясь в это вещество. Поскольку твердая литосфера представляет собой цельную структуру, она не распадается на куски и погружается, как погружался бы тонущий корабль. Тем не менее, если где- либо в пределах плиты появится рифт, огромный вес вышележащих пород выдавливает магму наверх, и часто такие выходы магмы образуют подводные горы, как показано на рис. 21.12. Эти горы сначала выступают над поверхностью моря, затем под действием эрозии они становятся более плоскими и позднее совсем скрываются под водой в результате непрерывного погружения первичной коры с удалением от центра спрединга. На рис. 4.1 видно, что на дне Тихого океана подводных гор намного больше, чем в Атлантике.

Очевидно, океаническая кора погружается до тех пор, пока не достигнет глубины около 6000 м ниже уровня моря, что происходит примерно через 75—100 млн. лет после ее образования [20]. На рис. 21.12 это приблизительно соответствует глубине кровли коры там, где она соприкасается с Американским континентом. В этой точке кора перекрыта несколькими километрами осадков.

Осадконакопление на океанической коре. На рис. 21.10 показано, что первые осадки, накапливающиеся на новообразованной океанической коре, — это “илы”, образованные сульфидами металлов. Эти химические соединения растворимы в горячей морской воде; среди них — сульфиды железа, марганца, меди, никеля, свинца и кобальта (гл. 19, рис. 19.15). Хотя есть причина считать, что этот илистый осадок присутствует по всему дну океанов, только вблизи хребтов он достаточно обнажен, чтобы его можно было добывать.

По мере того как кора все дальше отодвигается от рифтовой зоны, на ней накапливаются биогенные осадки — главным образом в форме известковых раковин морских организмов. Еще дальше от рифтовой зоны и глубже по водному столбу накопление известковых осадков на океаническом дне уже не происходит, поскольку раковины, как правило, растворяются в холодной воде на глубине более 4000 м. Это явление, называемое компенсацией карбонатонакопления на глубине, препятствует дополнительному накоплению такого осадка (гл. 5). Однако уже отложившиеся известковые осадки иногда сохраняются и постепенно перекрываются лютитами — красноватыми глинами, типичными осадками более глубоких частей океанических бассейнов.

Ближе к окраине континента характер осадков резко меняется от довольно однородных илов до беспорядочной смеси материалов разного типа — от илов до обломочных частиц, образовавшихся при размыве на континентах. Это турбидиты — отложения турбидных потоков, которые время от времени проносятся по континентальному склону и подводным каньонам, вынося неотсортированные осадки на дно абиссальных равнин континентального подножия.

Пассивное сочленение континентальной и океанической плит. Как показано на рис. 21.12, зона соединения континентальной и океанической плит имеет настолько сложное строение, что для его общего описания используют термин “переходная зона”. Здесь накапливается огромная масса грубого материала, сносимого с континента. Сам континент по периметру нарушен разломами. Но наиболее важные особенности этого сочленения таковы: 1) сейсмически оно совершенно неактивно; 2) нарушенная разломами, раздробленная, иногда смятая в складки зона сочленения вполне приспособлена для накопления органических осадков, которые впоследствии естественным путем превращаются в углеводороды; 3) как шельф, так и сам берег, как правило, имеют большую ширину, обширные прибрежные равнины и сложные, обладающие высокой продуктивностью системы эстуариев.

Активные окраины: океаническая плита поддвигается под континентальную.На рис. 21.13 показан обобщенный разрез зоны субдукции, в которой океаническая кора затягивается под континентальный блок.

Существует много разновидностей этой зоны, но некоторые наиболее важные особенности характерны для них всех.

Поддвигание и эпицентры землетрясений. Океаническая кора, будучи тоньше и плотнее, чем континентальная, либо заталкивается, либо затягивается вниз и поддвигается под континент. В районе, где океаническая кора испытывает изгиб, часто фиксируются неглубокие очаги землетрясений. Следовательно, сейсмическая активность, по крайней мере частично, — результат эпизодического образования срывов и сбросов в коре.

Во время поддвигани океаническая кора бывает уже довольно древней и вполне остывшей. По мере погружения она получает тепло от окружающего вещества, но в пластичную астеносферу входит, вероятно, все еще в сравнительно консолидированном состоянии. Трение между океанической и континентальной плитами в самой нижней части, на глубине, скажем, 100 км, — один из источников глубокофокусных землетрясений (см. также рис. 21.9).

Глубоководные желоба и аккреционные призмы. Как видно на рис. 21.13, при поддвигании океаническая кора изгибается и оставляет в морском дне “пустой клин” — так образуются глубоководные желоба, проходящие почти по всей периферии Тихого океана. В зависимости от многих условий такие желоба могут быть или не быть в значительной степени заполнены осадком. Фактически имеются два главных механизма, посредством которых осадки могут поступать в желоб. Первый и наиболее очевидный — это просто соскабливание осадка с верхних слоев океанической коры, пока она скользит и уходит своим путем под континент. Если относительное перемещение плит происходит эпизодически, как обычно и бывает, мы обнаруживаем, что эти осадки наращивают край континента в виде масс, имеющих форму клиньев, — в виде аккреционных призм.

Иногда нарастившие континент клинья надстраиваются вверх и выступают над поверхностью моря. Тогда впадина, образовавшаяся со стороны суши от этого хребта, может заполняться осадками, сносимыми с континента. В конце концов такие заполненные впадины могут превратиться в прибрежные равнины, прибрежные возвышенности или стать частью шельфа в зависимости от отношения скорости аккреции к скорости эрозии и от других факторов.

Глубинное плавление и андезитовые вулканы. Когда поддвигающаяся океаническая кора целиком проходит под основание континента и попадает в толщу астеносферы, она плавится, и расплавленная магма может снова подняться к поверхности. Это источник вулканической деятельности, которая вызывает формирование горных цепей на суше на значительном расстоянии от зоны столкновения плит, например Анд в Южной Америке и горных цепей Центральной Америки. Важно то, что извергающиеся из этих вулканов лавы по минеральному составу резко отличаются от лав, извергающихся вдоль срединно-океанических хребтов. Вулканы на континентах являются андезитовыми, т. е. их лава значительно богаче кремнеземом (50—60%), чем базальты подводных гор и хребтов (до 50%). Андезитовый характер вулканического материала, извергающегося вблизи зон субдукции, давно известен и изучается по меньшей мере столетие. Открытие подводных гидротермальных источников вдоль срединно-океанических рифтов частично объясняет, почему океанические базальты имеют особый минеральный состав. Не только отдельные металлы выносятся из остывающей магмы в виде сульфидов, но и некоторые ионы удаляются из просачивающейся морской воды, в результате чего внутри блоков коры образуются карманы с повышенным содержанием сульфидов. Среди них — сульфиды железа, серебра, золота, меди и свинца. По мере того как древняя океаническая кора испытывает субдукцию (рис. 21.13), часть чехла, образованного биогенными осадками, часто богатыми кремнеземом, также оказывается в зоне субдукции. Когда смесь древней коры и осадка расплавляется, образующаяся в результате этого новая магма будет содержать больше кремнезема, а следовательно, ее состав будет андезитовым. По мере того как эта магма извергается, формируя горные цепи, подобные Андам, концентрации сульфидов увеличиваются — образуются руды минералов, которые мы добываем, чтобы извлечь медь, золото и т. п.

Активные окраины — океаническая плита поддвигается под другую океаническую плиту.Более столетия назад геологи обратили внимание на то, что островные “дуги” столь многочисленны и похожи по форме, что их трудно считать результатом случайных процессов. “Первое” объяснение их образования было дано в 1968 г., когда Франк [7] указал, что геометрия тонкой жесткой оболочки на сфере налагает ограничения на то, как эта оболочка может искривляться. Если надавить на шарик от пинг-понга, то вмятина на нем будет иметь характерную дугообразную форму. На рис. 21.11 можно различить три наиболее крупные островные дуги: цепь Алеутских островов, Марианские острова и дугу Скоша в Южном океане.

Строение островных дуг представляет особый интерес не только потому, что они часто встречаются, но и потому, что они удалены от непосредственного влияния континентов. Более того, вулканический материал, формирующий острова в этих дугах, очень похож на материал, слагающий континенты, так что четкое представление об этих островных дугах может способствовать лучшему пониманию происхождения континентов. На рис. 21.14 приведен профиль через Алеутскую дугу, построенный по данным, которые были получены тремя разными способами.

1. Прежде всего геофизики использовали сейсмические волны для зондирования верхних нескольких километров земной коры. Они показали, что сами вулканы поддерживаются утолщенным слоем того же вещества, которое слагает океаническую кору; плотность его 2,9 т/м3. Другая информация, полученная в результате сейсмического зондирования, показала, что плотность океанической коры ниже поверхности Мохо равна 3,4 т/м3, т. е. чуть больше плотности астеносферы, равной 3,35 т/м3; это подтверждает идею о том, что океаническая кора, начав погружаться, должна продолжать “тонуть” в мантии благодаря своей большей плотности.

2. Затем исследователи нанесли на разрез гипоцентры землетрясений. Их расположение свидетельствует о том, что сейсмический рой возникает на глубине около 60 км между глубоководным желобом и вулканической островной дугой. Показаны также глубокие очаги — до 250 км ниже уровня моря.

3. Прямо за областью, где теснятся гипоцентры землетрясений, исследователи обнаружили вертикальную зону, в которой плотность вещества немного меньше плотности окружающего материала на этом же уровне; это свидетельствует о том, что легкая магма вытесняется вверх и питает вулканы.

4. С противоположной от желоба стороны вулканической дуги располагается другой океанический бассейн — Берингово морс. Его единственной отличительной особенностью является то, что он несет более мощный слой осадков.

Активные окраины — океаническая плита, скользящая вдоль границы другой океанической плиты.Окраины, где две океанические плиты скользят относительно друг друга, активны повсюду в океанических бассейнах, где только существуют разломы. Можем отослать читателя к рис. 21.7 как к примеру очень крупного, приблизительно на 1150 км, проскальзывания между участками коры севернее зоны разлома Мендосино и корой, расположенной непосредственно к югу от него.

Активные окраины — проскальзывание между окраинами двух континентальных плит.Классический пример проскальзывания между двумя континентальными плитами Северной Америки представляют движения по разлому Сан-Андреас в Калифорнии. Здесь два континентальных блока перемешаются в северо-западном направлении, но южный блок движется примерно на 6 см/год быстрее, что время от времени вызывает мелкофокусные землетрясения. Непосредственно к югу от разлома Сан-Андреас проходит особая рифтовая зона между Нижней Калифорнией и континентальной территорией Мексики; эти континентальные блоки, по-видимому, раздвигаются.





Дата добавления: 2020-03-22; просмотров: 191;


Поделитесь с друзьями:

Вы узнали что-то новое, можете расказать об этом друзьям через соц. сети.

Поиск по сайту:

Введите нужный запрос и Знаток покажет, что у него есть.
Znatock.org - Знаток.Орг - 2017-2021 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.013 сек.