Лекция 2. Энергетика тектоногенеза Земли

Проблемы происхождения Земли и ее раннего геологического имеют принципиальное значение для объяснения химического состава и внутреннего строения нашей планеты, а также современных геодинамических процессов на ней происходящих. Естественно, что рассмотрение центральной проблемы начального образования планеты должно исходить из представления о начальном состоянии планетного космического тела /протоземли/ и причине появления его в пространстве. На этот счет существует две альтернативные концепции: “холодная” начальной Земли и “горячая” начальной Земли.

Еще не так давно в космогонии безраздельно господствовала гипотеза Канта-Лапласа образование солнечной системы в результате конденсации протосолнечного газопылевого облака. При этом допускалось, что с момента своего возникновения Солнце и планеты не подвергались в космосе сколько-нибудь существенному воздействию извне. Сейчас доказана ошибочность взгляда на эту изолированность. Оказалось что через 20-37 млн. лет Солнечная система подвергается мощным бомбардировкам галактическими кометами, и примерно раз в миллиард лет Солнце взаимодействует с другими звездами Галактики, меняя параметры своей орбиты. Предполагается, что в Солнечной системе крупные события произошли 4.5 млрд. лет назад /II цикл планетообразования/. Когда произошло разрушение планеты фаэтон и образование пояса астероидных тел из обломков этой планеты. Этому событию предшествовали процессы аккреции и образование планеты Земля за счет соударений и слияния в единое целое крупных и мелких холодных /твердых/ астероидов и последующего радиогенного разогрева ядра Земли с дифференциацией его на оболочке разной плотности. Такова концепция “холодной” Земли.

В концепции “горячей” Земли рассматривается два варианта:

1) планеты образуются из холодного газопылевого облака и достигают горячего состояния при гравитационном коллапсе за счет мощного уплотнения вещества;

2) планеты представляют собой уже в начальном состоянии горячие тела-сгустки плазмы, оторвавшиеся от Протосолнца тем или иным способом. Сейчас концепция “горячей“, Земли приобретает все больше сторонников как наиболее согласующаяся с современными астрономическими астрофизическими данными. Сторонники этой концепции считают, что представление о плазменном начальном состоянии планет и образовании их путем отрыва от Протосолнца наиболее реально. В начальный момент образования звезды представляют собой весьма неустойчивые в динамическом плане образования и до перехода их в свое стационарное состояние из них может вытекать или выбрасываться часть вещества в виде низменных сгустков, которые имея большую скорость начинают вращаться вокруг родоначальной звезды. Это быстровращательное движение и новое термодинамическое состояние (космический холод) приводит к концентрации основной части газового вещества в центральной части формирующегося тела и максимальному гравитационному уплотнению.

Молодая планета вступает в период последовательного остывания и консолидации ее верхней оболочки: газ – жидкое – твердое состояние. Возникли первые коматиитовые зародыши (ядра) континентальной коры. В архее началась их сиалическая проработка флюидами, и возникшие ядра прирастали участками скал.

О таком пути развития Земли, видимо, свидетельствует схематическое отображение тепловой истории мантии Земли. На нем констатируется факт длительного прогрессивного остывания недр Земли и факт вторичного разогрева верхней мантии в фанерозое.

Остывание характерно для всех планет земной группы, оно привело к глобальному оледенению Земли в период 900-650 млн. лет назад, следы которого известны на всех континентах. Но энергетика “вторичного разогрева” и беспрецедентного по масштабу мезозой-кайнозойского магматизма базальтового состава не получила сколько-нибудь серьезного объяснения. Это период специфического климата Земли с его “океанизацией“, когда не было оледенений, когда до конца третичного периода почти до параллели 80^о успешно развивались древесная флора, а температура придонных вод океанов существенно превышала современную. Некоторые исследователи полагают, что “вторичный разогрев” имеет внешние причины и он охватил все планеты Солнечной системы.

1) Вклад галактических воздействий в энергетику тектогенеза

Современные геодинамические явления, связанные с движением литосферных плит, горообразованием, вулканической и сейсмической деятельностью Земли представляют собой весьма энергозатратные процессы. Еще недавно основным поставщиком этой энергии считалась глубинная дифференциация недр планеты, а также распад радиоактивных изотопов, присутствующих в породах, включая земное ядро.

Известно, что для объяснения наблюдаемого геотермального потока Земля должна ежегодно производить около 10²¹ дж/в год и примерно столько же энергии должно выделяться в земном ядре для генерации геомагнитного поля. Понятно, что связь такого энерговыделения с радиоактивным распадом проблематична. Другим источником эндогенной энергии планеты может вступать приливное воздействие Луны. Его мощность оценивается на уровне 3∙10¹⁹ дж/в год.

Но на Землю еще воздействуют и процессы в галактике. При своем движении в ее просторах Солнце со своими планетами эпизодически пересекает струйные потоки и при этом каждый раз в такие эпохи все планеты подвергаются интенсивным бомбардировкам галактическими кометами, и примерно раз в миллиард лет Солнце взаимодействует с другими звездами галактики, меняя параметры своей орбиты. Все это влияет на Земные процессы.

Геологические данные свидетельствуют, что в историческое время имел место ряд очень крупных событий 3.6; 2.6; 1.65 и 1.05 млрд. лет назад, которые астрофизики трактуют как результат пролета Солнечной системы сквозь звездные облака. В истории Земли эти события выделяются как эпохи самых сильных геологических и биологических катастроф, с которыми связывают наиболее крупные подразделения геохронологической шкалы.

Рассматривается два основных механизмов воздействия звезд:

а) Это скачкообразное изменения направления движения Солнца и его системы в Галактике. Земля при этом может получить большой энергетический импульс (порядка 10³⁵дж) часть которого превращается в тепло земных недр;

б) Это бомбардировка Земли астероидными телами. Наиболее массивное их падение на Землю в эпохи 3.6 и 2.6 млрд. лет назад. В последующие эпохи астероидов было гораздо меньше, но в фанерозое (после эпохи 1.05 млрд. лет) преобладали кометные ливни, которые повторялись циклично с интервалами от 20 до 35 млн. лет. Их могло выпасть до нескольких десятков тысяч и конечно же они привнесли не малую энергию. Однако все крупные импактные кратеры на Земле созданы астероидами с высокой энергией. Расчеты показывают, что например астероид с диаметром в 3.5 км несет кинетическую энергию в 10²² Дж. Такие бомбардировки ранней Земли привели не только к очень сильному разогреву нашей планеты, вплоть до так называемого “магматического океана”, но и способствовали началу образования атмосферы и гидросферы. Бомбардировки продолжались с разной интенсивностью и в последующем, о чем свидетельствуют кратеры, некоторые весьма значительные, на поверхности Земли. Так недавно открытый под льдом кратер Антарктиды кратер имеет диаметр 500 км..

Кратер Чикскулуб на полуострове Юкотан и в Мексиканском заливе имеет диаметр более 180 км. Как предполагают, космическое тело, образовавшее этот кратер, упало около 65 млн. лет тому назад, имело диаметр 10 км и выбросило в атмосферу огромное количество вещества от взрыва, что снизило предельно необходимый уровень Солнечной энергии для фотосинтеза и повлекло массовое вымирание биоты. Около 35.5 млн. лет назад на территории нынешнего Красноярского края упал метеорит, от которого осталась Полигайска впадина (котловина) диаметром в 100 км.

Относительно роли космического фактора в решении проблем тектогенеза сегодня существует два мнения:

1) влияние космоса не определяет динамику твердой Земли, и сводиться лишь к роли спускового механизма, синхронизатора эндогенной активности планеты;

2) космические воздействия в полнее могут быть предложены в качестве альтернативы принятым в геологии взглядам, связывающим причины тектонических процессов с конвекцией мантии Земли.

Все же превалирует мнение, что бомбардировка Земли галактическими телами является более действенным средством поддержания тектонической активности планеты, чем механизм глобальной мантийной конвекции.

С каждым годом в геодинамике открывается все новые явления, указывающие на цикличность, инверсию, упорядоченность тектонических процессов.