50. Идея региональной тектоники малых и маломощных литосферных плит палеозоя

В публикациях, в которых Земля рассматривается в историче­ском аспекте, как правило, учеными подразумевается специфич­ность докембрийской земной литосферы (в частности, ее коры), резко отличной от фанерозойской. Исходя из этого, не все ученые отстаивают представление о приемле­мости концепции тектоники литосферных плит применительно к ранней (архейской) истории Земли. Большинство же сторонников плитной тектоники воз­держивается от такого крайнего мнения, но допускает мысль о приложимости тектоники плит к проблеме развития планеты, начиная с неопротерозоя (позднего рифея), т.е., по крайней мере, за последний миллиард лет [10, 65].

Как это не странно, и первый и второй варианты этих представ­лений, как правило, не подкреплены основополагающей теорети­ческой базой, и по сей день остается открытым главный вопрос, почему же проявление плитной тектоники со временем неизмеримо возрастает (ведь так называемые зеленокаменные пояса архея, если даже допустить их плитную природу, нельзя сравнить с любой конвергентной границей кайнозоя, например Альпийско-Гималайским поясом) или почему преобразование земной коры было подчинено законам плитной тектоники только в последние эпохи развития планеты, ограниченные 1 млрд. лет? Другими словами, пока нет однозначного ответа на вопрос: какое же качественное или количественное изменение могла претерпеть наша планета на пути своего долгого развития или какой качественный или количественный скачок в ее развитии произошел на рубеже 1 млрд. лет тому назад. Поскольку принято считать, что основной движущей силой перемещаемых в пространстве и во времени континенталь­ных (да и океанических) литосферных блоков являются конвек­ционные течения в астеносфере, возможный ответ на эти вопросы может оказаться в прямой зависимости от природы этих течений.

Понятие «конвекционное течение», как известно, приемлемо только для жидкости. Соответственно, когда мы говорим о конвек­ционных течениях в мантии, мы подразумеваем эту мантию как некоторое жидкое тело. Такое понимание содержания мантии не противоречит действительности в том смысле, что, как было дока­зано не раз, в природе нет вещества, которое не реагировало бы на постоянно действующее в течение длительного времени напря­жение. «Ни одно вещество, каким бы твердым оно ни было, не в состоянии бесконечно долго сопротивляться действию приложен­ных к нему сил» [24, с.175].

Таким образом, если мы возьмем даже полный объем мантин (от кровли ядра до границы М), то ее содержание в принципе отвечает условиям некоторого течения. Однако известно, что вещество мантии в целом, в отличие от идеальных ньютоновских жидкостей, обладает слишком большой вязкостью и способно течь только при достижении так называемого порога текучести. Вязкопластичное тело, обладающее способностью течь только при определенных условиях, называется, как известно, телом Бингама. Исходя из этого, как отмечалось выше, многие ученые не исключают, что конвекционные течения охватывают мантию целиком, от ее подошвы до кровли (см. 6-ю лекцию). В то же время некоторые ученые все же склонны считать, что постоянно действующему конвекционному кругообороту подвержен только астеносфериый слой верхней мантии как наиболее полно отвечающий условиям течения в силу частичной расплавленности его вещества, а значит, легко удовлетворяющий условию порога текучести. Второй вариант наиболее логичен, и в дальнейших своих рассуждениях мы будем исходить именно из такого понима­ния природы конвекционных течений в мантии Земли.

Природа конвекционного течения открыта в начале XX столе­тия французским ученым Бенаром. Смысл этого физического явле­ния предельно прост: любая жидкость при повышении температу­ры расширяется, становится легче и начинает подниматься вверх: остыв на поверхности, она становится снова тяжелее (плотнее) и опускается вниз. Эти движения жидкости, по существу, и есть конвекционное течение. Поскольку разность плотности противопо­ложных частей жидкости создается благодаря разности темпера­тур, данный тип конвекции называется тепловой конвекцией.

Теоретический анализ и обоснование физической сущности опытов Бенара осуществлены Рэлеем в 1916 г. Он установил, что не всякое количество тепла, поступающее в жидкость, вызывает конвекцию. Пока это тепло может передаваться через жидкость путем обычной теплопроводности, конвекция не протекает; как только тепло начинает поступать в слишком больших количествах и обычная теплопроводность не обеспечивает передачу всего коли­чества тепла через жидкость, у ее дна накапливается определенное количество высокотемпературных разуплотненных частиц этой жидкости, которые, поднимаясь вверх, создают конвекционное течение [24].

Исходя из этой закономерности, Рэлей обосновал конкретное условие протекания тепловой конвекции. По его представлению, конвекция начинает действовать только тогда, когда некоторая безразмерная функция от многих характеристик подверженной конвекции жидкости достигает критической величины, равной примерно тысяче. Эта функция, как известно, называется числом Рэлея и выражается следующим уравнением:

R = α · β · g · h ⁴ / k · η,

где: R – число Рэлея; α – температурный коэффициент объемного расширения, т. е. приращение объема жидкости при повышении температуры на один градус; β –температурный градиент, т. е. скорость возрас­тания температуры с глубиной; g – ускорение силы тяжести; h – глубина (толщина) слоя жидкости, в которой протекает кон­векция; k – коэффициент температуропроводности; η – вязкость жидкости.

Как можно заметить из приведенной формулы, значение числа Рэлея в решающей степени зависит в основном от двух показа­телей – толщины слоя (h) и вязкости жидкости (η). Другие пока­затели, безусловно, также играют большую роль, но значения указанных выше величин являются решающими в обеспечении конвекционного течения как физического явления. При этом коли­чественное выражение числа Рэлея находится в прямой зависимо­сти от значения толщины слоя, тогда как с вязкостью среды оно имеет обратную зависимость. Очевидно, чем толще слой жидкости и чем меньше вязкость среды, тем больше значение числа Рэлея и соответственно тем сильнее конвекционный поток в мантии. Такому условию лучше всего отвечает астеносферный слой верх­ней мантии, отличающийся сравнительно низким значением вяз­кости его вещества и имеющий толщину от десятков (под океа­нами) до первых сотен километров (под континентами).

Тут необходимо оговорить один важный момент. Согласно опытам Бенара и теоретическим обоснованиям Рэлея, одним из главных условий протекания конвекции является примерное равенство горизонтальной и вертикальной составляющих конфекционной ячейки; другими словами, для того, чтобы осуществлялось конвекционный кругооборот, отношение сторон каждой конвекционной ячейки, т.е. ее толщины к ширине, должно быть равно единице. Нетрудно догадаться, что имеющиеся данные о маштабах горизонтальных движений литосферных блоков (дрейф континентов и спрединг океанского дна), составляющих первые тысячи км при толщине астеносферы в первые сотни км не удовлетворяют данному условию. Получается, что горизонтальная составляющая конвекционной ячейки Бенара на порядок превосходит ее вертикальный размер. В чем же дело?

По свидетельству японского ученого С. Уеды [24], этот вопрос занимал умы приверженцев плитной тектоники, пока японские ученые X.Такеучи и М.Саката, наконец-то, не нашли надлежащей ответ. Они построили соответствующую модель и показали, что «главное течение будет сосредоточено в верхнем мягком слое, а обратный поток будет распределяться по всей глубине нижележа­щего слоя высокой вязкости. Это означает, что горизонтальный размер всей ячейки может быть значительно больше, чем глубина астеносферы» [24, с. 180].

Таким образом, мы пришли к выводу о том, что в астеносферном слое верхней мантии может протекать конвекционное течение ее вещества, и оно в принципе может обеспечить латеральную подвижность «мягко посаженных на нее» литосферных блоков на несколько тысяч километров. Заметим, что толщина вовлекаемых конвекционным течением в латеральное перемещение литосферных блоков составляет от в среднем от 50 км под океанами до 200 км под конти­нентами, тогда как толщина самой астеносферы – от 30–50 до 200–300 км, соответственно.

Ни для кого не секрет, что приведенные величины толщины астеносферы и литосферы соответствуют сегодняшнему четвертич­ному периоду кайнозойской эры. Вероятно, не будет большим отклонением от истины, если допустить, что в неопротерозойско-палеозойскую эру эти параметры астеносферы и литосферы имели несколько иные значения.

Практически все сторонники гипотезы расширяющейся Земли единогласны во мнении об утолщении литосферы во времени, по крайней мере, за счет утолщения коры. Имеются и другие данные, свидетельствующие об утолщении коры во времени. Так, одного из знатоков геологии, В. Е. Хаина, «уличить в пристрастии» к гипотезе расширяющейся Земли трудно. Однако именно В. Е. Хаиным с соавт. была опубликована интересная статья об увеличении мощности океанической коры от протоокеанов к современным «нарастании площади эпиплатформенного орогенеза по мере раз­растания молодой океанической коры». Эти данные основаны на анализе результатов количественной обработки «Тектонической карты Мира» и характеризуются глобальностью прив­леченного к анализу материала и корректностью решения постав­ленной задачи. Эти обстоятельства тем более повышают значи­мость данной публикации, однозначно констатирующей увеличение мощности океанической коры со временем, а значит и толщины земной коры в целом. Авторы статьи так и пишут: «Мощность океанической коры образует нарастающий ряд: в протоокеанах от 0,9 до 3 км; в палеоокеанах от 2,7 до 3,5 км; в современных океа­нах в среднем до 10 км».

Утолщение литосферы со временем предопределяет и утолщение слоя астеносферы, подстилающей первую. Данный вывод совер­шенно очевиден и особых доказательств не требует: если мы при­знаем эндогенное тепло Земли, постоянно выделяемое из ее глубинных слоев (ядро и подастеносферная мантия), а также доподлинно знаем термическую характеристику земной коры, препятствующей переда­че тепла в атмосферу (гидросферу) путем всех трех механизмов переноса тепла — теплопроводности, теплового излучения и тепло­вой конвекции, то вывод о возможной прямо пропорцио­нальной связи между толщиной литосферы и астеносферы не вызывает сомнений. Кстати, данные о соизмеримости толщины литосферы и астеносферы современности свидетельствуют о том же (от 50 км под океанами до 200 км и более под континентами).

Логический ход рассуждений приводит к следующему, главно­му в аспекте рассматриваемого вопроса, выводу: в ранней истории планеты астеносферный слой Земли имел толщину несравнимо меньшую, чем сейчас. Этот вывод, на наш взгляд, предвещает большие перспективы в понимании особенностей исторической эволюции Земли как геологического объекта, поскольку толщина астеносферы, в которой протекает конвекционное течение, явля­ется, как мы выяснили выше, самым главным показателем. Посмотрим еще раз на формулу Рэлея: значение толщины жидко­сти (в нашем случае астеносферы), возведенное в четвертую степень (h), находится в числителе дроби уравнения. Это значит, что от уменьшения или увеличения толщины слоя в решающей степени зависит мощность конвекционных потоков; более того, при сравнительно низком значении h, число Рэлея может оказаться ниже своего критического значения (как указывалось выше, это критическое значение равняется примерно тысяче) и в таком слу­чае конвекционного течения не будет вообще.

Дальнейший ход рассуждений ясен. Поскольку история Земля есть история постепенного утолщения литосферы и астеносферы, в какую-то раннюю эпоху планеты толщина ее астеносферы была настолько мала, что она не смогла обеспечить конвекционное течение. Земля соответственно развивалась по какому-то другому механизму, отличному от механизма плитной тектоники. Заметим, что и тот механизм также «работал» в направлении утолщения литосферы и астеносферы, иначе никогда не наступила бы «эра господст­ва» конвекционных течений, а значит никогда не вступил бы в силу положения плитной тектоники. «Работа» же плитной тектоники началась в тот период, когда тол­щина астеносферы смогла обеспечить рождение первых конвек­ционных течений (число Рэлея достигло критического значения, равного примерно тысяче), «растаскивающих» литосферные блоки в горизонтальном направлении. Этот период действительно могла соответствовать началу неопротеро­зоя (позднего рифея). Как бы то ни было, проявление плитной тектоники этих начальных периодов не идет ни в какое сравнение с ее сегодняшним проявлением: вовлекались в движение небольшие блоки литосферы и масштабы этих движений, вероятно, были ограниченными. Вот почему в сравнительно раннюю (неопротерозойско-палеозойскую) эру развития Земли проявления плит­ной тектоники имели региональное значение, тогда как в мезозой-кайнозойское время они носят глобальный характер.

Таким образом, модель неопротерозойско-палеозойских микроокеанов теперь уже приобретает не умозрительный характер, а вполне реальное и конкретное очертание. Однако за этой реальной моделью лежит признание гипотезы расширяющейся Земли, которую не признают практически все сторонники геотектонической концепции «Тектоники литосферных плит» (ТЛП). Общий механизм возможности расширения Земли во времени был предметом обсуждения 11-ой лекции данного методического комплекса, теперь же постараемся показать не альтернативность этих двух концепций (гипотез), а, наобоот, их взаимодополняемость друг друга.