Процесс плотностной дифференциации Земли и архейская палеогеография
Информация - География
Другие материалы по предмету География
?енения. 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 при-роду 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.
плотностная дифференциация земля архейская
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 глу