Эндогенная активность земли

 

http://injzashita.com/endogennaya-aktivnost-zemli.html

 

Эндогенная активность земли

Земля, как планета, является открытой неравновесной и динамической системой. Ее особенностью является необычайно длительный период эндогенной активности, продолжающийся более 4 млрд. лет. Следствием эндогенной активности являются практически все процессы, отражающие формирование гидросферы и атмосферы, протекание магматической активности, внутриплитовой сейсмотектонической активности и вулканизма, проявление глубокофокусной сейсмичности и многое другое. В более узком плане с эндогенной активностью Земли связывают глобальные геодинамические процессы, на основе которых строят модели "плитотектоники" (тепловой и термохимической конвекции в мантии) и вертикальных движений (модель "фиксизма"). Широко известна дискуссия между представителями этих направлений, например, [Спорные ..., 2002], которую мы касаться не будем. В то же время наибольший интерес представляют проблемы, имеющие общую основу для представления обеих моделей. К ним относятся проблемы глубокофокусной сейсмичности, внутриплитовой тектоники и вулканизма материковой и океанической литосферы. Эти проблемы рассматривают на основе развития магматической активности, обусловленные процессами в верхний мантии (так называемые "горячие точки") и нижней мантии ("мантийные плюмы"). Причем во втором случае обсуждаются процессы, протекающие непосредственно в пограничном слое между нижней мантией и внешним жидким ядром (слой "Д") [Добрецов и Кирдяшкин, 1994; Проблемы ..., 2000]. Однако, как отметил В.Н. Жарков, "наши представления о слое "Д" еще долго будут оставаться весьма неполными". Поэтому дискуссии о процессах образования в зоне "Д" плюмов также будут продолжаться долго и остро, как и дискуссии по проблемам плитотектоники. Тем не менее существование мантийных плюмов не вызывает сомнений [Проблемы .., 2000] и деструкцию литосферы связывают с действием "всплывающих мантийных плюмов".

Обсуждаются несколько моделей образования мантийных плюмов. В наиболее известной модели образование мантийных плюмов рассматривают на основе процессов дифференциации вещества по плотности в "Д" слое и "всплытие" более легкой фракции. Причем здесь речь идет о химической конвекции, движущей силой которой является разность в плотностях между всплывающей фракцией и нижней мантией.

Из альтернативных моделей плюмов наибольший интерес представляет "газовая" модель [Летников и Дорогокупец, 2001; Летников, 2001]. В последние 10-15 лет разрабатываются новые идеи, обосновывающие значительную роль в эндогенной активности Земли водородно-гели- евых флюидов, содержащие также другие газовые компоненты (CO, CH4, H2S, HCl, HF ...) [Маракушев, 1990, 1992, 1999; Летников, 2001]. Имеются основания говорить о том, что в земном ядре сконцентрированы водородно-гелиевые флюиды. Проблема возникновения у Земли насыщенного флюидом земного ядра является наиболее дискуссионной. Проблемы состоят не в том, чтобы удержать водород в ядре, а в том, чтобы объяснить процесс, приведший к огромной концентрации водорода в ходе формирования Земли. Для этого необходимо очень высокое давление водорода, под которым "Протоземля" находилась только на протопланетной стадии развития. Протоземля формировалась в быстро вращающемся небулярном диске путем аккреции ледяных и водородных планетезималий с последующим гравитационным сжатием, частичным плавлением и расслоением на железо-каменное ядро и гигантскую флюидную оболочку. В ходе потери этой оболочки под воздействием Солнца происходила и дегазация Земли. Отмечалось, что эти представления об образовании Земли согласуются с представлениями об аккреции Юпитера и Сатурна [Маракушев, 1999].

Представляет интерес рассмотреть обоснование насыщенности внешнего ядра флюидами по Летникову [Летников и Дорогокупец, 2001]. Что является очевидным?

Во-первых, на границе мантии и жидкого ядра имеет место скачок плотности вещества от 5,55-5,68 до 9,89-9,91 г/см3 [Добрецов, Кирдяшкин, 1994]. Это, судя по наблюдательным данным, обусловлено не только фазовыми переходами, но и изменением состава вещества. В мантии это сравнительно "легкие" элементы (Si, Al, Mg, Ca), а во внешнем ядре блее тяжелые (Fe, Cu, Ni, Cr).

Во-вторых, на этой границе происходит скачок вязкости с 1020 до 103-105 Пз. Именно это указывает на переход твердого субстрата к маловязкому жидкому состоянию.

Сочетание в жидком внешнем ядре высокого давления (порядка 1400 кбар) и низкой вязкости может быть результатом высокой степени его флюидизации. Плотность от границы мантии до твердого ядра увеличивается от 9,9 до 12,15-12,7 г/см3, а вязкость - от 103-105 до 107-1010 Пз [Добрецов и Кирдяшкин, 1994]. Поэтому можно сделать вывод, что внешние слои жидкой части ядра более флюидизированы. Как отмечает Ф.Летников, о составе флюида в жидкой части ядра можно только гадать, но общепринятым является представление о том, что с глубиной происходит возрастание восстановленности флюидов при исчезающе низкой фугитивности кислорода. Это относится и к внешнему ядру. Учитывая это, были проведены расчеты физико-химических свойств для восстановленных бескислородных флюидов: H2, He, CH4, N2. Компоненты флюида по уменьшению плотности располагались следующим образом: N2>CH4>He>H2. Плотность водорода на максимальных глубинах не превышала по расчетам 0,5 г/см3. То есть, если из рассмотренных газов образуется "плюм" с достаточными размерами для всплывания, то наибольшей подъемной силой будет обладать "плюм" из водорода [Летников и Дорогокупец, 2001]. Однако этот вывод нельзя считать достаточно обоснованным.

Восходящие потоки водорода будут выносить в мантию наибольшее количество тепла. Если величина теплосодержания водорода от границы внешнего ядра до литосферы изменяется в пределах от 1000 до 200 кДж/г, то восходящий поток водорода "прожигает" мантию. Существенно восстановленный флюидный поток за счет экзотермических реакций (с кислородом) будет компенсировать убыль тепловой энергии. В связи с этим полагают, что высокоэнергичный флюид будет вызывать деструкцию литосферы и различные флюидомагматические реакции [Летников, 2001].

Процесс дегазации Земли, судя по анализу эндогенной активности от архея до кайнозоя, разбивается на две ветви [Летников, 2002].

  1. Монотонно исчезающая общепланетарная дегазация с истощением по флюидным компонентам верхних горизонтов литосферы и погружением флюидного фронта на глубину. Источником общепланетарной дегазации Земли являются верхние горизонты литосферы в пределах первых сотен километров.

  2. На фоне монотонной общепланетарной дегазации проявляются импульсы интенсивной дегазации жидкого ядра Земли, интерпретируемые в настоящее время как "плюмы". Основу "плюмов" составляют восстановленные газы и прежде всего водород. Отделение "плюмов" от жидкого ядра происходит по механизму "теплового взрыва". Тепловое воздействие "плюмов" на литосферу может длиться до сотен миллионов лет.

Ф.А. Летников отмечает, что за счет взаимодействия водородных потоков с кислородом матрицы и протекания экзогенных реакций, происходит восполнение убыли тепловой энергии. Это позволяет "плюмам" достигнуть литосферы и активизировать флюидные системы астенос- ферных слоев. Заметим, что восходящие потоки восстановленных газов могут изменять также параметры твердой фазы на глубинах от 30-40 до 5 км [ Гуфельд и др.,1998]. Возникает вопрос, в каких наблюдательных геофизических данных проявляется действие восходящих потоков легких газов на твердую фазу литосферы и атмосферу?

Здесь необходимо выделить локализованную вертикальную магматическую деятельность в "горячих точках" и вулканах. Именно локализованная вертикальная зональность является подтверждением действия высоко энергичных восходящих водородных "струй". Подчеркивается также связь "озоновых дыр" с водородной дегазацией Земли [Сывороткин, 1996] и сопряженность "озоновых дыр" с "горячими точками", а также с зонами действия вулканических рифтовых структур, например, [Маракушев, 1999; Сывороткин, 1996].

В то же время исследования скоростей распространения продольных волн в мантии показывают особенности структуры и процессов в ней, отражающие в большей мере реакцию среды на взаимодействие с высоко энергичными восходящими потоками легких газов. Так, например, показано чередование зон с повышенными и пониженными скоростями продольных волн в пределах глубин 80-300 км [Павленкова, 2001]. Причем число таких зон существенно превышает количество границ, на которых возможны фазовые переходы. Обнаружены вариации времен пробега продольных сейсмических волн на трассах подземный ядерный взрыв (Невада, США) - сейсмическая станция "Боровое". Время пробега Р-волны было не постоянно и изменялось с периодами 6-7 и 9-11 лет [Ан и Люке, 1992; Адушкин и др., 1998]. Оба отмеченных явления могут быть связаны с изменением плотности мантии. Следует отметить еще один факт. В глубокофокусной сейсмической активности Земли также наблюдаются временные вариации с периодами 7-9 и 12-14 лет [Поликарпова и др., 1995]. Рассматриваются разные гипотезы для объяснения этих фактов, в том числе гипотеза об изменениях плотности мантии, связанное с движением внутреннего ядра Земли под воздействием планетарных сил в системе Земля-Луна-Солнце [Авсюк, 1996]. Однако комплекс этих данных, свидетельствующий о быстрых вариациях параметров среды, лучше связывать с общей дегазацией Земли и взаимодействием восходящих потоков водорода и гелия с твердой фазой.

В 1982 г. в работе [Гамбурцев и др., 1982] с использованием в качестве источников упругих волн ядерных взрывов было показано, что, независимо от тектонической активности района и эпицентрального расстояния, в кинематических и динамических параметрах сейсмических волн в литосфере содержатся гармонические составляющие с периодами 4-6 лет. В более поздней работе на эпицентральных расстояниях 800-3500 км были выделены ритмы в параметрах сейсмических волн с периодами 2 и 4 года. Эти данные указывают на региональные особенности геодинамических процессов [Адушкин и др., 1998], которые также лучше связывать с ритмикой процессов дегазации Земли.

При исследованиях и поисках "предвестников" сильных землетрясений наблюдалась короткопериодная вариабельность геофизических и гидрогеохимических полей в литосфере (деформации, наклоны, проводимость, уровень воды, геохимические поля и др.). То есть, в литосфере в условиях постоянных градиентов литостатического давления и температуры и весьма медленных тектонических движений наблюдались несинхронные вариации различных полей, например, в одной локальной зоне, представляемые набором гармоник с периодами от часов-суток до многих лет [Лукк и Юнга, 1994]. Еще ряд фактов. В сейсмоактивных и асейсмичных регионах плотность потока энергии слабых землетрясений различается на три порядка, а вариации объемного деформирования, с которыми связывают подготовку сильных сейсмических событий, лежат в пределах одного порядка [Невский и др., 1994]. Эти данные указывают на существование накачки среды дополнительной упругой энергией, причем масштаб этой накачки меняется от локального до регионального. С накачкой среды дополнительной упругой энергией необходимо связывать колебательный (в определенном смысле ритмичный) режим слабой сейсмичности, проявляющийся в любых, в том числе асейсмичных, регионах мира [Динамические .., 1994].

Какова может быть природа таких вариаций различных полей? Разномасштабность, несинхронность и широта спектра изменений различных параметров в литосфере исключает преимущественное действие тектонических деформаций и метаморфизма. При этом действующий фактор должен иметь планетарный характер. Таким постоянным действующим фактором могут быть процессы непрерывного взаимодействия восходящих потоков легких газов (водорода, гелия) с твердой фазой литосферы, при которых меняются объемы различных элементов среды, что приводит в различных местах к несинхронным вариациям объемно-напряженного состояния (ОНС) среды [Гуфельд и др., 1993, 1996, 1998].

На проявление эндогенных явлений в Земле указывают также особенности поверхностных структур. Как показывают космические снимки и геологогеофизический мониторинг на Земле (так же как и на других планетах земной группы ) существуют "кольцевые структуры" - кратеры. Часто происхождение таких структур связывают с ударами метеоритов или крупных космических тел. Однако исследования последних тридцати лет показывают, что значительная часть "кольцевых структур" имеет чисто земную природу, обусловленную вулканической деятельностью или динамикой флюидов из мантии [Маракушев, 1999]. "Кольцевые структуры" называют также кольцевыми взрывными структурами, имея ввиду, их относительно быстрое по геологическим меркам образование (образование таких структур за счет "взрывов" ювенильных газов [Взрывные.. , 1985] носит упрощенный характер).

Показано, что многие кольцевые структуры занимают строго определенное положение на поверхности Земли, совпадают с глубинными разломами, что не может быть объяснено случайным падением космических тел. Кольцевые структуры обнаружены также на дне океанов. Существуют одновозрастные кольцевые структуры, отдаленные друг от друга на 180° (кайнозойский возраст) [Песков, 1992]. Следует подчеркнуть, что эндогенная природа кольцевых структур подчеркивается их размерами, составляющими в поперечнике десятки километров, в отличие от метеоритных кратеров с диаметром не более первых километров.

Кольцевые структуры по существу фиксируют катастрофические периоды в жизни Земли и коррелируют по возрасту с эпохами развития "взрывного" кимберлитового магматизма на платформах [Маракушев, 1999]. Минералопетрографические особенности кольцевых структур отражают исключительно высокий энергетический уровень эндогенных воздействий, чем собственно обусловлено их образование. Эта специфика параметров и состава кольцевых структур не возникает при вулканических извержениях, в том числе катастрофических. Поэтому образование кольцевых структур связывается с флюидными плюмами, всплывающими от жидкого металлического ядра. Циклы геологических событий, фиксирующие различные катастрофические явления на Земле, включая ледниковые периоды, отражают энергетику дегазации земного ядра [Маракушев, 1999]. При этом корни глобальных геодинамических процессов опускаются в рамках современных представлений с уровня верхней мантии до внешнего ядра Земли.

В связи с этим резко усилилось внимание к исследованиям роли глубинных флюидов, и прежде всего восстановленных флюидов, в энергетике тектонических и петрологических процессов. В последние 15 лет был получен большой фактический материал, касающийся процессов дегазации Земли [Дегазация Земли: геодинамика.., 2002; Дегазация Земли: геофлюиды...2006], и который является основанием для пересмотра или изменения взглядов о роли восходящих флюидов на устойчивость земной коры и процессов в атмосфере, гидросфере и биосфере. Весьма существенным для развития многих работ стало понимание того факта, что взаимодействие восходящих геофлюидов с литосферой и гидросферой может изменить условия функционирования природных систем в планетарном, региональном или локальном (например, мегаполис) масштабах.

И здесь возникает один из главных вопросов, на который при оценке экологических ситуаций необходимо отвечать. Что является первичным в изменении объемно-напряженного состояния литосферы: геодинамика или дегазация планеты. В рамках современных представлений об эндогенной активности Земли [Маракушев, 1999; Летников, 2002 ] основную роль следует приписать процессам дегазации.

Как уже отмечалось, дегазация Земли происходит непрерывно с различной скоростью. Однако скорость дегазации контролируется в литосфере структурами с повышенной проницаемостью. Здесь речь идет о разрывных структурах, а начиная с глубин 20-30 км и выше - о разрывных структурах, насыщенных жидким флюидом. Вопрос о проницаемости для водорода мантии требует специального обсуждения.

Априори ясно, что неустойчивость литосферы будет определяться особенностями процессов взаимодействия восходящих потоков водорода с твердой фазой. Здесь необходимо учитывать также восходящие потоки изотопов гелия 4He и 3He. Причем действие водорода и изотопов гелия на кристаллические структуры, где они химически не взаимодействуют с их элементами, идентично. Изменения устойчивости твердой фазы в условиях литостатического давления и действия приливных напряжений будут связаны с вариациями объема кристаллической структуры, которые могут достигать заметных значений уже при концентрациях водорода и гелия, зафиксированных в геологической среде. Наибольшие внешние проявления этих эффектов будут на поверхности в зонах разрывных нарушений. Для уменьшения экологических рисков, связанных с деформациями (медленными или быстрыми, землетрясениями) поверхности, необходимо достаточно детально выявлять разрывные нарушения. Здесь неоценима роль гелия. Гелий является наиболее активным элементом, легко проникающим через кристаллические структуры. Гелий является трассером [Азбель и Толстихин,1988], за ним следует водород, взаимодействующий с кислородом, вызывая таким образом появление субмикроскопической трещиноватости. Роль гелия в выявлении разрывных структур подчеркивал еще В.В. Белоусов [Белоусов, 1934].

Вариации напряженного состояния среды могут быть также связаны с экзотермическими и эндотермическими реакциями водорода, серы, фтора и других элементов в поверхностных слоях коры, что окажет влияние на экологическую ситуацию.

Роль дегазации планеты в ее жизни, по-видимому, еще до конца не понята. В связи с этим направления работ, посвященных исследованиям воздействий дегазации на процессы в литосфере, атмосфере и гидросфере , также привлекают широкое внимание. Мы же будем рассматривать в основном процессы взаимодействия восходящих потоков легких газов с подвижной блоковой литосферой и последствия этого взаимодействия, реально контролирующие сейсмотектонический процесс.