Процесс плотностной дифференциации Земли

Начало плотностной дифференциации Земли

Анализируя причины возникновения первичной тектономагматической активизации Земли, В. Е. Хаин справедливо отмечал, что интенсивная гранитизация на рубеже около 4 млрд лет назад (по последним и более надежным определениям - 3,8 млрд лет назад), вероятно, была стимулирована внешними по отношению

Земле причинами, поскольку крупные аналогичные тектонические события разыгрались в то же время и на Луне. Возможно, что именно в эту эпоху впервые сформировалась астеносфера, игравшая в дальнейшем исключительно важную роль в тектонической жизни Земли. Возникновение первой в истории Земли эпохи гранитизации В. Е. Хаин объясняет результатом плавления и дифференциации первичной базальтовой коры или ее метасоматическими преобразованиями при дефлюидизации ювенильной мантии.

Такой внешней причиной возбуждения тектономагматической активности Земли могло послужить "накачивание" приливной энергии в возникшую около 4 млрд лет назад земную астеносферу, поскольку именно ее образование и быстрое расширение с возможным сильным перегревом астеносферного вещества должно было послужить реальным толчком к началу развития главного энергетического процесса на Земле - химико-плотностной дифференциации земного вещества.

Таким образом, начало процесса выделения земного ядра правомерно связывать с моментом резкого усиления приливного взаимодействия Луны с Землей, т.е. с началом второго этапа ускоренного отодвигания Луны от Земли на рубеже катархея и архея. Именно этому этапу соответствовала вторая интенсивная бомбардировка лунной поверхности крупными космическими телами - спутниками и микролунами, "выметавшимися" тогда из околоземного пространства ускоренным отодвиганием Луны от Земли. Начало этих катастрофических событий на Луне, судя по определению абсолютных возрастов лунных базальтов, датируется приблизительно 4,0 109 лет назад. Поэтому процесс выделения земного ядра начался примерно в то же время.

Возраст достоверно определенных наидревнейших земных горных пород - фрагментов первичной и древнейшей земной коры - не превышает 3,7 109-3,8-109 лет. Обращает на себя внимание полный "провал памяти" в геологической летописи Земли от момента ее образования около 4,6 Ю9 лет назад до упомянутого возраста 3,8-109 лет. Это можно объяснить только тем, что молодая Земля первоначально в течение около 600-800 млн лет действительно была сравнительно холодной и в ее недрах тогда не развивались процессы дифференциации, приводящие к выплавлению легких коровых пород (базальтов, анортозитов или плагиогранитоидов). После начала процесса выделения земного ядра, когда Земля прогрелась настолько, что в ее недрах появились первые расплавы, а возникшие конвективные течения сломали первозданную литосферную оболочку, на земной поверхности появились и первые изверженные коровые породы. При этом вся первозданная литосфера, по существу являвшаяся аналогом примитивных океанических литосферных плит, должна была быстро и полностью погрузиться в мантию. Полному уничтожению ее следов на поверхности молодой Земли способствовало и то обстоятельство, что первозданная литосфера была сложена богатым железом и тяжелым (до 4 г/см3) первичным веществом, а плотность верхней мантии после начала процесса выделения ядра и ее дифференциации стала быстро снижаться (до 3,5 - 3,6 г/см3). Изверженные породы, в ту пору представлявшие собой крайние дифференциаты земного вещества основного состава, должны были быть значительно более легкими (с плотностью около 2,9-3,0 г/см3). Поэтому они сохранились, сформировав на поверхности Земли древнейшие участки земной коры.

Совокупность приведенных аргументов позволила с большей уверенностью утверждать, что процесс выделения земного ядра начался где-то около 4 млрд лет тому назад, а тектономагматическая активность Земли заметно проявилась на ее поверхности уже через 200 млн лет (т.е. около 3,8 109 лет назад) в виде возникновения древнейших изверженных пород, первой воды и осадков, а также начала формирования земной атмосферы. К тому же периоду, вероятнее всего, относится появление первых и наиболее примитивных форм жизни на Земле.

Согласно модели Сорохтина-Ушакова, первая астеносфера на Земле могла возникнуть где-то в низах верхней мантии только в результате частичного плавления силикатов. Но существовавшие тогда интенсивные приливные возмущения за счет концентрация приливной энергии в слоях пониженной добротности должны были поднять температуру в астеносферном слое еще выше, вплоть до плавления свободного железа, возбудив тем самым в слое первичной астеносферы процесс плотностной дифференциации земного вещества.

Как только содержавшееся в веществе молодой Земли свободное железо (а его начальная концентрация достигала 13,1 %) стало плавиться, процесс дальнейшей дифференциации земного вещества уже смог распространяться в верх и в глубь Земли самопроизвольно, только за счет высвобождения гравитационной энергии дифференциации земного вещества. Процесс этот устойчив и может поддерживаться в незатухающем режиме.

В верхней мантии температура плавления силикатов существенно ниже температуры плавления железа и его оксидов, а легкоплавкий состав Fе2 О при господствующих в этой геосфере давлениях еще не образуется. Поэтому первичная дифференциация земного вещества на этих уровнях могла протекать либо по механизму обратной флотации (погружение твердых фаз железа и его оксидов через слой расплавленных силикатов), либо по механизму зонной плавки.

Термодинамический расчет процесса зонной плавки в верхней мантии молодой Земли показывает, что процесс этот сопровождался выделением значительной гравитационной энергии благодаря сепарации плотного железа от сравнительно более легких силикатов. Высвобождавшаяся таким путем энергия полностью обеспечивала самоподдерживание и развитие этого процесса в пределах всей верхней мантии. Приливная энергия, рассеивавшаяся тогда в зонах плавления вещества, лишь ускоряла и усиливала процесс зонной плавки. Поэтому весьма вероятно, что в раннем архее процесс зонной плавки действительно развивался в верхней мантии молодой Земли и привел к выплавлению наиболее древних порций континентальной коры анортозитового или базальтоидного состава. В более глубоких частях мантии, где температура плавления силикатов существенно превышала температуру плавления железа, дифференциация земного вещества могла происходить только за счет простой сепарации расплавленного железа от твердых силикатов. Процесс зонной дифференциации земного вещества должен был сопровождаться возникновением в этой же части мантии (уже прошедшей первичную дифференциацию) интенсивной тепловой конвекции.

Процесс зонной сепарации расплавленного железа от силикатной матрицы земного вещества не мог распространяться глубже некоторого предельного уровня, начиная с которого высвобождавшейся гравитационной энергии уже не хватало для поддержания незатухающего режима развития процесса. Очевидно, Для обеспечения самоподдерживающегося развития процесса необходимо было, чтобы выделявшаяся при этом энергия была достаточной для прогревания вещества нижележащей среды до уровня расплавления содержащегося в нем металлического железа.

Процесс дифференциации исходного земного вещества по механизму зонной сепарации расплава металлического железа от силикатов мантии хорошо объясняет исключительно важную и очень интересную особенность мантийного магматизма в архее - выплавление в то время перегретых коматиитовых лав.

В результате перехода процесса первичной дифференциации земного вещества от сепарации металлического железа к выделению его оксидов и возникновению в мантии химико-плотностной конвекции перегрев мезосферы и верхней мантии должен был достаточно быстро снизиться с выравниванием температуры по адиабате в соответствии с температурой плавления "ядерного, вещества Fе2 О на глубине развития процесса дифференциации и данный момент времени. Этот теоретический вывод неплохо соответствует эмпирическим данным о достаточно быстром исчезновении высокотемпературных коматиитов в конце архея.

Рассмотрим некоторые глобальные характеристики развития процесса зонной дифференциации земного вещества. Обращает на себя внимание вывод, что образование в недрах Земли сферического слоя, заполненного плотной жидкостью и окружавшего собой менее плотную, но очень жесткую центральную "сердцевину", приводит к возникновению ситуации гравитационной неустойчивости во всей планете. При этом простого стекания расплавов к центру планеты не происходило по двум причинам. Во-первых, потому что вязкость холодной "сердцевины" молодой Земли была исключительно высокой и, во-вторых, скорость продвижения вниз фронта дифференциации в механизме зонной сепарации железа и тем более расплавов Fе-FеО заметно превышает скорость образования каплевидных структур. Кроме того, распад металлического железа ниже критического уровня 1900 км полностью кристаллизуется, превращаясь в твердое вещество. После начала действия механизма сепарации оксидов железа и нормализации температуры мантии существование расплавленного железа в недрах Земли вообще полностью исключалось.

Каким же образом тогда разрешалась отмеченная выше ситуация гравитационной неустойчивости в Земле? Только единственным способом - путем выталкивания стекающим к центру "ядерным" веществом жесткой сердцевины Земли к ее поверхности, и это показано на рис.1. Однако постепенного выталкивания холодной сердцевины молодой Земли к ее поверхности по мере развитии процессов дифференциации земного вещества происходить тоже не могло. Объясняется это существенной неравномерностью прогрева молодой Земли. Действительно, после захвата Протолуны, образования Луны и дальнейшей эволюции ее орбиты в катархее основная доля приливной энергии, а она была огромной - около (4-5) - 1037 эрг, выделилась преимущественно в экваториально кольцевом поясе Земли. В результате к началу архея Земля в низких широтах оказалась разогретой в заметно большей мере, чем в приполярных секторах. Поэтому первая астеносфера и связанная с ней зона сепарации железа должны были возникнуть именно под экваториальным поясом нашей планеты (см. рис.1, А).

этапы (А - Г) развития процесса зонной дифференциации земного вещества и формирования плотного ядра Земли

Рис.1. Последовательные этапы (А - Г) развития процесса зонной дифференциации земного вещества и формирования плотного ядра Земли. Черным цветом показаны расплавы железа и его оксидов; белым - мантия, обедненная железом, его оксидами и сидерофильными элементами; черточками - первичное земное вещество; радиальной штриховкой - континентальные массивы

Отсюда следует, что в самом начале архея (около 4,0 - 3,8 млн лет назад) кольцевой слой плотных расплавов "ядерного" вещества мог существовать и окружать собой холодную и жесткую сердцевину молодой Земли только со стороны экваториального пояса, тогда как через полярные секторы пласты, также сложенные холодным и жестким первичным земным Веществом, эта сердцевина оказывалась фиксированной в центре Земли. В дальнейшем в течение почти всего архея зонная дифференциация земного вещества уже подпитывалась в основном только гравитационной энергией, но продолжала развиваться как бы по Наследству все в том же приэкваториальном поясе Земли, хотя Положение ее самой по отношению к оси вращения могло меняться в связи с изменениями распределения масс в теле планеты. Известно, что свободное (инерционное) вращение тела может бы устойчивым и стационарным только в том случае, когда ось его вращения совпадает с осью максимального или минимального значения главного момента инерции тела. Но с изменением распределения масс в теле меняется и его момент инерции, а также появляются дополнительные и неуравновешенные центробежные силы, действующие на это же тело. Поэтому и тело Земли под влиянием возникших в процессе дифференциации ее вещества центробежных сил должно было повернуться так, чтобы наиболее плотные и удаленные от центра тяжести планеты массы земного вещества располагались на ее экваториальной плоскости. Только в этом случае ось максимальной компоненты главного момента инерции Земли совпадает с осью ее вращения (см. рис.1, Б)и само вращение становится устойчивым.

Оценки показывают, что около 2,9 - 2,8 млрд лет назад у Земли началось формирование плотного ядра. Причем, раз начавшись, процесс должен был развиваться лавинообразно и достаточно быстро, поскольку разность плотности между "ядерным", т.е. железным, и первичным недифференцированным земным веществом достигала 3 - 3,5 г/см3, а к концу архея в кольцевой зоне дифференциации уже скопилась большая масса тяжелых оксидно-железных расплавов (до 15 - 17 % от массы самой Земли). Скорость развития этого процесса в ту пору сдерживалась только высокой вязкостью первичного вещества бывшей земной сердцевины, растекавшегося по активному поясу верхней мантии под влиянием гигантских избыточных давлений, действовавших на эту сердцевину со стороны формировавшегося тогда ядра Земли. Тем не менее очень вероятно, что весь процесс формирования земного ядра по предложенной схеме занял не более 100-200 млн лет.

Если описываемый процесс выделения земного ядра действительно происходил в конце архея, то он должен был сопровождаться выделением огромной дополнительной энергии около 1 1037 эрг и возникновением в мантийном поясе интенсивных конвективных течений, полностью перестроивших весь существовавший до того тектонический план литосферной оболочки Земли. Уже в самом позднем архее должна была возникнуть одноячеистая конвективная структура с одним восходящим потоком над местом всплытия бывшей сердцевины Земли и одним нисходящим потоком над участками стока "ядерного" вещества. Поэтому есть все основания полагать, что именно над этим нисходящим мантийным потоком на рубеже архея и протерозоя около 2,6-109 лет назад образовался и первый в истории суперконтинент, названный Моногеей.

Учитывая сказанное, весьма интересно связать описанную геодинамическую катастрофу с наиболее выдающейся эпохой кеноранского тектономагматического процесса, завершившего собой архейский этап развития Земли, в результате которого возникла Моногея. Смещением первозданной сердцевины Земли к периферии и заполнением центральных областей нашей планеты "ядерным" веществом завершилась первая и наиболее бурная стадия формирования земного ядра (см. рис.1, Г).

Интересно отметить, что в начале этой стадии, около 2,7 - 2,6 млрд лет назад, под влиянием избыточных давлений, действовавших со стороны формирующегося ядра на бывшую земную сердцевину, последняя должна была не только всплыть к поверхности Земли, но и высоко (на многие километры) подняться над ней (см. рис.1, В).В свою очередь это должно было привести к новому изменению ориентации и величины главного момента инерции Земли. После возникновения новой ситуации ось наибольшей компоненты этого момента уже должна была ориентироваться перпендикулярно к плоскости, проходящей через центры тяжести выжатой к периферии сердцевины Земли и ее "плотных секторов" с еще сохранившимся в них первичным веществом. Поэтому есть основания полагать, что и суперконтинент Моногея начал формироваться в низких широтах (рис.2).

Реконструкция Моногеи на время около 2,5-2,4 млрд лет назад в проекции Ламберта

Рис.2. Реконструкция Моногеи на время около 2,5-2,4 млрд лет назад в проекции Ламберта:

1 - тиллиты и тиллоиды; 2 -консолидированная континентальная кора. Стрелкой показано направление ледниковой штриховки; белым цветом обозначена область кровного оледенения. Ав - Австралия; САм и ЮАм - Северная и Южная Америка; ан - Антарктида; ЗАф - Западная Африка; Аф - Африка; Ев - Европа; Ин - Индия; К - Северный и Южный Китай; Сб – Сибирь

Итак, в архее выделяются два периода повышенной конвективной, а следовательно, и тектонической активности Земли. Первый из них, связанный с зонной дифференциацией металлического железа, приходится на самое начало архея. Конвективный массообмен в то далекое время имел в основном тепловую природу и охватывал собой только верхнюю мантию и переходный слой Голицына, поскольку фронт дифференциации земного вещества за первые 500 млн лет геологического развития Земли успел погрузиться до глубин около 700 км. Поэтому первый всплеск конвективной (и тектонической) активности Земли возник не столько благодаря большой скорости выделения энергии дифференциации, сколько из-за того, что вся эта энергия тогда рассеивалась в малых объемах верхней мантии и переходного слоя. В связи с этим существовавшие в раннем архее конвективные структуры неизбежно должны были быть мелкими, не превышающими по своим размерам нескольких сотен километров. Причем развивалась конвекция тогда только под низкими широтами Земли (см. рис.1).

Второй период резко повышенной конвективной и тектономагматической активности Земли был связан с процессом зонной дифференциации более легкоплавких сплавов железа с его октетами. Второй всплеск активности продолжался приблизительно от 3,2 до 2,6 млрд лет назад, но на этот раз он стимулировался уже значительным повышением скорости выделения "ядерного" вещества и пропорциональным этому увеличением скорости генерации гравитационной энергии дифференциации. Размеры конвективных ячеек в раннем-среднем архее должны были существенно возрасти, достигнув, может быть, первых тысяч километров, но все равно в течение большей части той эпохи одноячеистых структур еще формироваться не могло. К тому времени пояс конвекции уже расширился и занял меридиональное положение (см. рис.1).

Новое проявление эндогенной активности

После окончания процесса выделения плотного земного ядра на рубеже архея и протерозоя Земля перешла к новому этапу проявления эндогенной активности - к главной последовательности тектонического развития нашей планеты. На этом этапе основным механизмом - двигателем глобальной эволюции Земли становится процесс бародиффузионной дифференциации мантийного вещества. Благодаря этому механизму в протерозое и фанерозое продолжался плавный рост оксидно-железного ядра (его масса за это время увеличилась приблизительно на 37 %), а в остаточной силикатной мантии развивался процесс нестационарной химико-плотностной конвекции.

Процесс конвективного массообмена в мантии регулируется действием сильных положительных и отрицательных обратных связей в системе. Примером положительных связей может служить зависимость скорости конвекции от теплогенерации: с повышением температуры мантии экспоненциально уменьшается вязкость

ее вещества и соответственно возрастает скорость химико-плотностной конвекции. Одновременно увеличивается скорость диффузии оксидов железа из кристаллов силикатов в межгранулярное пространства и, следовательно, скорость перехода "ядерного" вещества в земное ядро, а это приводит к возрастанию плотностных неоднородностей в мантии и к новой активизации мантийного массообмена.

Сильная отрицательная обратная связь возникает за счет теплопотерь Земли. Так, с увеличением скорости конвективного массообмена возрастают тепловые потоки через океанское дно, увеличиваются общие потери тепла Землей, благодаря этому уменьшается температура мантии, повышается вязкость ее вещества, а это в свою очередь приводит к снижению конвективного массообмена в мантии. Другой механизм отрицательной обратной связи заложен в самом процессе бародиффузионной дифференциации мантийного вещества. Действительно, диффузия оксидов железа из кристаллов силикатов в межгранулярные пространства происходит только в нижней мантии на глубинах, превышающих 2000 км. Поэтому чем выше скорость конвекции, тем меньшее время мантийное вещество будет пребывать в деятельном слое нижней мантии и меньше за это время "ядерного" вещества успеет диффундировать из кристаллов силикатов и перетечь в земное ядро, а замедление процесса дифференциации неизбежно приведет к снижению скорости и самой конвекции.

Таким образом, "тепловая машина" Земли представляет собой открытую нелинейную диссипативную систему с обратными связями. Но в таких системах возможна самоорганизация геодинамических процессов с возникновением устойчивых осредненных состояний системы. Однако химико-плотностная конвекция в мантии по своей природе нестационарный процесс с постоянно видоизменяющейся структурой конвективных ячеек. Поэтому следует ожидать, что самоорганизация конвективных течений в мантии постоянно будет нарушаться нестационарностью процесса. Тем не менее равновесные состояния, соответствующие минимальным значениям рассеиваемой в мантии энергии (при заданной скорости генерации эндогенной энергии), время от времени должны были возникать.

К таким квазиустойчивым состояниям относятся последовательно возникающие друг за другом одноячеистые и двухъячеистые конвективные структуры. (Численное моделирование химико-плотностной конвекции подтвердило это предположение.)

Идущее из мантии глубинное тепло в основном выделяете через океанические литосферные плиты и оно обратно пропорционально корню квадратному из средней продолжительности жизни литосферных плит.

При отсутствии разогрева или охлаждения мантии средняя скорость конвективного массообмена в этой геосфере на больших интервалах времени остается постоянной, хотя ее флуктуации связанные с перестройками структуры конвективных ячеек, могут быть весьма заметными. Если мантия после архейского перегрева постепенно остывает, то соответственно будет снижаться и средняя скорость конвекции, а следовательно, столь же постепенно станут возрастать и периоды полных конвективных циклов массообмена в мантии. В противоположном случае разогрева мантии конвективный массообмен в этой геосфере ускоряется. Отсюда следует важный геодинамический закон: энергетический баланс Земли в среднем стабилизирует развитие конвективных процессов в мантии.

Периоды конвективных циклов пропорциональны массе мантии. Масса мантии после образования земного ядра в конце архея постепенно уменьшалась за счет выделения из нее "ядерного" вещества и роста самого ядра. Со временем это обстоятельство могло приводить к постепенному сокращению продолжительности конвективных, а следовательно, и тектонических циклов. Как происходило в действительности и какой из факторов (остывание мантии или уменьшение ее массы) был определяющим, можно установить только по геологической летописи Земли. Так, моменты формирования суперконтинентов Моногея, Мегагея, Мезогея и Пангея можно сопоставлять с временами завершения кеноранской, свекофеннской, гренвильской и герцинской тектонических эр (орогений), соответственно 2600 ± 100; 1800 ± 100; 1000 ± 70 и 230 ± 10 млн лет назад. Если это так, то периодичность формирования суперконтинентов в докембрии была равна 800 ± 100, а на рубеже с палеозоем - 770 ± 70 млн лет. Как видно, периодичность мегациклов в послеархейское время с точностью до определения возрастов орогений сохранялась приблизительно постоянной.

Следовательно, эффект остывания мантии в реальных условиях почти полностью компенсировался уменьшением ее массы, стабилизируя тем самым периодичность тектонических событий на Земле. Однако в будущем благодаря истощению энергетических запасов Земли и замедлению процесса дифференциации мантийного вещества фактор остывания мантии начнет играть более важную роль, в результате чего существенно замедлится конвективный массообмен в мантии и значительно увеличится продолжительность каждого последующего тектонического мегацикла.

С постепенным угасанием бародиффузионного механизма дифференциации мантийного вещества за счет исчерпания запасов ядерноного" вещества в мантии постепенно должна снижаться интенсивность и мантийной конвекции. Согласно расчетам, активноссть конвективного массообмена, определяемая рассеиваемой в мантии энергией, в настоящее время по сравнению с пиком в раннем архее уменьшилась приблизительно в 12 раз, а по сравнению с позднеархейским пиком - в 7 раз. Начиная с раннего протерозоя удельное значение рассеиваемой в мантии энергии уменьшилось еще приблизительно в 2,5 - 3 раза.

Как уже отмечалось, архейская история завершилась формированием у Земли настоящего плотного ядра и возникновением в ее мантии мощнейшей одноячеистой конвективной структуры. Поэтому за начало отсчета послеархейской геологической истории, отвечающей главной последовательности развития Земли, удобно принять именно этот естественный рубеж - момент окончательного формирования в недрах нашей планеты тяжелого ядра около 2,6 109 лет назад. Такое допущение оправдано еще и тем, что в конце архея уже сформировалась одна из форм нормального режима развития конвективного массообмена в мантии, возбуждаемого бародиффузионным механизмом дифференциации земного вещества, характерного именно для всего послеархейского этапа эволюции Земли. Рубеж этот наиболее четко фиксируется в геологической летописи, поскольку с ним связано изменение механизмов формирования континентальной коры и, кроме того, ему непосредственно предшествовал мощнейший тектонический процесс образования первого в истории Земли суперконтинента Моногеи (2,8-109 лет назад).

Путем сопоставления численных расчетов для архейского и послеархейского интервалов времени можно оценить, что начиная с 3,8 109 до 2,7 109 лет назад в архейской мантии должно было существовать около 16 полных конвективных циклов. При этом периоды таких циклов менялись от 20 - 50 млн лет в начале архея до 200 млн лет в конце.

Несмотря на приближенность оценок, общая закономерность изменения конвективных циклов и продолжительности периодов Полных конвективных циклов, по-видимому, правильно передает картину развития конвекции в архее и послеархейское время. В частности, из этих оценок вытекает, что в раннем архее могли формироваться только мелкие конвективные ячейки с короткими Циклами. При этом в связи с мелкомасштабностью раннеархейской конвекции (порядка сотен километров) отдельные циклы во времени перекрывались друг другом, создавая тем самым процесс, состоящий из непрерывной череды пульсирующих и не корррелируемых по отдельным ядрам циклов растущих континентов. Соответственно этому и многочисленные тектонические циклы раннего архея на древнейших ядрах разных континентов создали мозаичную картину проявлений отдельных и не синхронных друг с другом всплесков тектонической активности.