Ротационный и космический факторы в геодинамике

Лекция 13

В наших предыдущих рассуждениях мы исходили из пред­ставления, разделяемого подавляющим большинством современных исследователей, что наша планета подобна тепловой машине, источник энергии которой находится в ее недрах. Придерживаясь справедливости этого представления, нельзя было, тем не менее, не отметить его опреде­ленную неполноту, заключающуюся в недоучете влияния на динамику планеты.

Во-первых, того факта, что Земля представляет собой тело, непре­рывно вращающееся вокруг своей оси и обращающееся вокруг Солнца. Движение происходит вместе с планетами Сол­нечной системы вокруг центра нашей Галактики. При этом параметры всех этих движений испытывают определенные изменения во времени, как вековые, так и периодические.

Во-вторых, следует учитывать гравитаци­онное и иноевлияние на нашу Землю других тел, как самой Солнечной системы, так и более далекого Космоса.

В последние годы оба эти фак­тора — ротационный и космический — привлекают все большее внима­ние исследователей, поскольку технические возможности их изучения неизмеримо возросли. Это обязывает нас кратко остановиться на их су­ществе и значении, оговариваясь при этом, что многие высказываемые по данной проблеме соображения остаются пока в той или иной, иногда большой степени, гипотетичными.

Ротационный фактор.Земля испытывает, как известно, постоянное вращение вокруг своей оси. Скорость этого вращения в течение исто­рии Земли обнаруживала вековое замедление вследствие тормозящего действия лунно-солнечных твердых приливов. Но, кроме того, скорость вращения Земли испытывает разного масштаба периодические измене­ния под влиянием различных внешних факторов, о следствиях которых будет сказано ниже.

Осевое вращение Земли влечет за собой проявление двух сил. Одна из них центробежная; в наибольшей степени она проявляется на эк­ваторе, способствуя перемещению масс из глубоких недр планеты к ее поверхности. С действием этой силы исследователи связывают повышен­ную контрастность рельефа Земли и сейсмическую активность в приэква­ториальной зоне, в полосе между 35° северной и южной широты, причем то же наблюдается на Марсе и Венере. Более того, высказано предполо­жение (В. М. Моралев, М. 3. Глуховский), что образование ядер протоконтинентальной коры в раннем архее началось именно в этой зоне.

Изменение скорости вращения сказывается на форме Земли, по­скольку ее сплюснутость — превышение экваториального радиуса над полярным — есть прямое следствие этого вращения. Чем больше его скорость, тем форма Земли ближе к эллипсоиду, и наоборот. Изменение скорости вызывает, следовательно, перестройку формы Земли, а эта пе­рестройка — напряжения в литосфере.

Именно этим объясняется образование регматической сети линеаментов и планетарной трещиноватости. Ротационный механизм регмагенеза может рассматриваться в двух вариантах:

1) изменение степени полярно­го сжатия Земли в связи с изменением скорости ее вращения (М. В. Стовас);

2) перестройка фигуры Земли в связи с изменениями положения оси ее вращения (К. Ф. Тяпкин, А. В. Долицкий). В обоих случаях воз­никающая регматическая сеть должна приспосабливаться к ранее обра­зованной и фиксированной в литосфере, и таким образом представление о регмагенезе увязывается с тектоникой плит (В. С. Буртман, В. А. Буш).

Вторая сила, связанная с осевым вращением Земли, — это так назы­ваемая сила Кориолиса, выражающаяся в смещении материков в направ­лении против часовой стрелки, т. е. с востока на запад. Еще в одной из основополагающих работ по тектонике плит — Кс. Ле Пишона — было отмечено, что по отношению к относительно неподвижной Антарктиче­ской плите все остальные литосферные плиты испытывают смещение к западу со скоростью 5 см/год. В дальнейшем это было, как бы забыто, но в последние годы роль силы Кориолиса вновь стала привлекать внимание. Предполагается, что она вызывает течение астеносферы по отношению к перекрывающей ее литосфере и подстилающей мезосфере (рис.), а литосфера отстает в этом смещении вследствие тормозящего влияния твердых приливов. Действием силы Кориолиса объясняют, в частности, разительную диссимметрию Тихого океана, развитие по его западной пе­риферии широкой системы островных дуг и окраинных морей и ее от­сутствие с противоположной стороны, приближенность спредингового хребта к этой последней и поглощение здесь в зоне субдукции всей ме­зозойской океанской коры. Правда, всему этому может способствовать надвигаиие обеих Америк на Тихий океан вследствие раскрытия Атлан­тики, а система островных дуг и окраинных морей существовала на востоке в мезозое и палеозое. Но, вероятно, тут играло роль совокупное действие обоих факторов.

Ось вращения [Z]Широта, град.

Ротационная нестабильность

(блуждающие полюса)

Рис. Земля как серия оболочек, вращающихся вокруг центральной оси. (По К. Доглиони, 1990)

Силу Кориолиса в сочетании с твердыми приливами и мантийной конвекцией М. А. Гончаров привлек для объяснения не только запад­ного, но и северного дрейфа материков — их преобладающего смещения к северу по отношению к той же Антарктиде. Вместе с Н. А. Божко он допускает крупнопериодическую смену северного дрейфа материков на южный.

Ряд исследователей полагают, что в процессе вращения Земли мо­жет иметь место дифференциальное вращение отдельных оболочек и их смещение друг относительно друга, считая, что это может иметь важные следствия для глубинной динамики Земли. К настоящему времени по­добное уже достаточно строго доказано для внутреннего, твердого ядра Земли, которое вращается с несколько иной скоростью, чем остальная планета. По соображениям Б. В. Левина, перемещение внутреннего ядра может приводить к возникновению при вращении Земли дополнитель­ной силы инерции, воздействующей на подвижность литосферы, причем преимущественно в приэкваториальной области. Б. В. Левин именно с этих позиций объясняет повышенную сейсмическую активность и рас­члененность рельефа в приэкваториальной зоне.

Другие исследователи идут дальше в том же направлении, допуская смещение мантии относительно внешнего ядра, верхней мантии относи­тельно нижней. Астроном Ю. В. Баркин полагает, что подобные диффе­ренциальные смещения земных оболочек вызываются гравитационным влиянием Солнца, Луны и других планет Солнечной системы и влекут за собой перераспределение масс внутри Земли, изменение ее момента инерции, геопотенциала, скорости вращения Земли, что вызывает нако­пление напряжений на границах оболочек, силы тяжести, а также имеют своим более отдаленным следствием тектонические движения, магма­тизм, колебания уровня Мирового океана. Все эти процессы, согласно Ю. В. Баркину, развиваются циклически.

О. В. Петров обосновывает проявление на границах оболочек твердой Земли внутренних гравитационных волн и выводит из нее наблюдаемую в литосфере блоковую делимость — фрактальность.

Помимо изменения скорости осевого вращения Земли, изменяются во времени и некоторые другие параметры ротационного режима пла­неты, а именно наклон оси вращения относительно плоскости эклипти­ки, эксцентриситет земной орбиты и положение полюса вращения в теле планеты (т. н. прецессия). Периодическое изменение этих параметров, как отмечалось выше, было в свое время привлечено сербским геофизи­ком М. Миланковичем для объяснения смены ледниковых и межледни­ковых эпох в плейстоцене, а впоследствии не только получило полное подтверждение, но и оказалось применимо и для объяснения ритмично­сти строения осадочных толщ любого возраста.

Таким образом, роль ротационного фактора в эндогенной, и не толь­ко эндогенной, динамике Земли практически неоспорима. Но поиски причин периодического, циклического изменения ротационного режи­ма нашей планеты выводят нас на необходимость рассмотрения другого, более внешнего фактора — космического, и это естественно, поскольку Земля — открытая система.

Космический фактор.Наиболее наглядно этот фактор проявляется в гравитационном воздействии на Землю Луны и Солнца, выражающем­ся в образовании твердых приливов. При этом роль Луны значительно больше вследствие ее близости к Земле; Луну и Землю нередко рассма­тривают теперь как двойную планету. Традиционно считалось, что, во-первых, механические усилия, вызываемые приливами, диссипируются в литосфере подобно тому, как это происходит в океане, не приводя к ее деформации, и, во-вторых, что в течение геологического времени про­исходило последовательное уменьшение амплитуды приливов в связи с монотонным удалением Луны от Земли. В настоящее время оба эти по­ложения серьезно оспариваются.

Так, ряд исследователей полагают, что твердые приливы могут при­водить к существенным движениям и деформациям литосферы, по мнению американского геофизика Р. Бострома, — в сочетании с силой Кориолиса. Российский геофизик Ю. Н. Авсюк разработал концепцию, согласно которой расстояние между Землей и Луной не монотонно воз­растает, а периодически изменяется, и соответственно изменяются и амп­литуда твердых приливов и скорость осевого вращения Земли. Процесс тем самым носит колебательный, циклический характер. Выделенные Ю. Н. Авсюком в фанерозое циклы приливной эволюции увязывают­ся с тектоническими циклами, именуемыми нами циклами Бертрана (рис.). По мнению автора рассматриваемой концепции, она объяс­няет и многие другие стороны эндогенной динамики Земли — чередо­вание трансгрессий и регрессий, горообразования инверсии геомагнит­ного поля — и, таким образом, представляет альтернативу конвекции и тектонике плит, что нам представляется, по меньшей мере спорным преувеличением.

Концепция Ю. Н. Авсюка была использована Ю. А. Морозовым для объяснения открытой им закономерной смены ориентировки подвиж­ных поясов литосферы, начиная с раннедокембрийских, в целом подчи­няющихся ортогонально-диагональной решетке, и обращения знака сме­щения по осложняющим эти пояса сдвигам. Вместе с тем Ю. А. Морозов не отрицает роль мантийной конвекции и периодической перестройки систем конвективных ячей. Устанавливается также сокращение длительности циклов в геологическом времени.

Земля в составе Солнечной системы обращается вокруг центра нашей Галактики по сильно вытянутой орбите. Период полного ее обращения составляет несколько больше 200 млн лет (по оценке Н. А. Ясаманова, 215 млн лет). Ряд исследователей уже обращали внимание на то обстоя­тельство, что длительность этого периода, в общем, совпадает с продолжи­тельностью тектонических циклов Бертрана. Во время этого обращения Земля периодически то приближается к центру Галактики (перигалактий), то удаляется от него (апогалактий) и при этом, естественно, испы­тывает большее или меньшее притяжение масс, расположенных в центре Галактики.

Предполагается, что при нахождении в перигалактии Земля испытыва­ет некоторое разуплотнение, скорость ее вращения замедляется, форма ста­новится более шарообразной, что приводит к бореальным трансгрессиям и потеплению климата. Земная кора испытывает преимущественное рас­тяжение с усилением рифтогенеза и спрединга. В апогалактии должна соответственно наблюдаться обратная картина — ускорение вращения, усиление сжатия Земли, процессов субдукции и коллизии.

Таковы примерно рассуждения И. А. Одесского, Н. А. Ясаманова и В. П. Нечаева. Однако, по мнению Ю. Н. Авсюка, они не являются в до­статочной мере физически обоснованными.

Но наиболее ярким и очевидным проявлением воздействия на Землю ее космического окружения являются метеоритные бомбардировки. По аналогии с Луной предполагается, что они достигали наибольшей интен­сивности в период до 3,8 млрд лет тому назад. Тогда крупные метеориты и астероиды могли пробивать еще тонкую литосферу и провоцировать излияния расплавов из магматического океана. Непосредственные сле­ды таких бомбардировок — слои с характерными расплавными сферулами — обнаружены начиная со среднего архея. Метеоритные бомбарди­ровки неоднократно и периодически повторялись позднее, провоцируя, по мнению многих ученых, крупные обновления органического мира, а Д. Эбботт и А. Айсли недавно статистически показали их совпадение с эпохами образования крупных полей платобазальтовых излияний, обя­занных, очевидно, активности мантийных плюмов. Механизм, связыва­ющий активизацию плюмов с метеоритно-астероидными бомбардиров­ками, впрочем, остается невыясненным, хотя эти авторы и предлагают некоторые гипотезы.

С нашей Землей сталкиваются не только метеориты и астероиды, но и кометы, по крайней мере часть которых, по мнению А. А. Баренбаума, приходит к нам из лежащих вне пределов Солнечной системы струйных газопылевых потоков, идущих от центра Галактики. Солнечная система и в ее составе Земля на своем пути по галактической орбите, по мнению того же исследователя, периодически пересекают эти потоки, что и вызы­вает столкновение комет с Землей. Хотя само вещество комет рассеива­ется в плотной атмосфере Земли (в отличие от Марса и Меркурия, такой атмосферой не обладающих), это столкновение вызывает, по А. А. Баренбауму, мощную ударную волну, оказывающую серьезное воздействие на литосферу. Однако все эти соображения А. А. Баренбаума подвергаются сомнению со стороны астрономов Института им. П. Штернберга МГУ.

Как можно было видеть из вышеизложенного в данном параграфе, представления исследователей относительно влияния на геодинамику ротационного и особенно космического факторов весьма противоречивы и во многом гипотетичны. Несомненно одно — это влияние реально, хотя конкретные его формы пока надежно не установлены. Вместе с тем было бы неверно, на наш взгляд, его переоценивать, как это делают некоторые исследователи. По-прежнему наиболее вероятно, что определяющее зна­чение в развитии системы Земля принадлежит ее внутреннему теплу.