VIVOS VOCO: В.Е. Хаин, "Cовременная геодинамика: достижения и проблемы"

Cовременная геодинамика:
достижения и проблемы

В.Е.Хаин

Виктор Ефимович Хаин, академик РАН, гл. научн. сотр. Института литосферы РАН,
заслуженный профессор геофака МГУ им.М.В.Ломоносова

Геодинамика как самостоятельная дисциплина в области наук о Земле оформилась в 70-е годы прошлого столетия. Ее развитию в основном способствовало появление и быстрое распространение новой тектонической концепции - теории тектоники литосферных плит, которая вытеснила господствовавшее в середине века представление о ведущей роли в смещениях и деформациях земной коры вертикальных движений. Она вывела на первое место горизонтальные перемещения литосферных плит, включавших не только кору, но и верхи мантии. Объяснялись такие перемещения тепловой конвекцией в астеносфере. Дальнейшая разработка теории тектоники плит стала предметом новой синтетической науки - геодинамики, изучающей физические процессы, которые обусловливают развитие твердой Земли в целом, и силы, их вызывающие. Геодинамика привлекает данные не только всех разделов геофизики (от гравиметрии до сейсмологии), но и всех собственно геологических (геотектоники, петрологии, литологии), а также геохимических (изотопной геохимии в особенности) дисциплин.

Наука не стоит на месте, а ее прогрессу способствует в основном появление новых методов и инструментов исследований. В этом смысле последние десятилетия ушедшего века были для наук о Земле, и следовательно для геодинамики, достаточно успешными. Суперкомпьютеры дали возможность быстро обрабатывать десятки и сотни тысяч записей прохождения через земную твердь колебаний, вызываемых землетрясениями. Обнаружилось, что такие колебания распространяются через различные оболочки твердой Земли и ее ядро с различной скоростью, т.е. их вязкость, а следовательно, и температура изменяются не только по вертикальному разрезу (что, естественно, предполагалось и ранее), но и в латеральном направлении. Последнее же возможно в случае активного перемещения вещества. Иначе бы давно установились равновесие и однородность распределения вязкости и температуры в горизонтальном сечении.

Принципиально важным и новым было то, что эти наблюдения касались не только верхней мантии, но и нижней, лежащей на глубине более 660-670 км. А ведь еще сравнительно недавно интересы ученых ограничивались верхней мантией. Выдвинутый по инициативе В.В.Белоусова в 60-е годы международный проект так и назывался “Проект верхней мантии”, а в 70-е его сменил проект “Литосфера”, затрагивающий еще меньшие глубины. Данные сейсмического “просвечивания” Земли, получившего название “сейсмотомография”, показали, что активные процессы, приводящие в конечном счете к изменениям структуры земной коры и рельефа, зарождаются значительно глубже - в нижней мантии и даже на ее границе с ядром. Да и само ядро, как совсем недавно выяснилось, участвует в этих процессах, и к тому же его твердое “ядрышко”, оказывается, ведет себя достаточно самостоятельно - вращается с большей скоростью, чем остальная планета.

Появление сейсмотомографии определило переход геодинамики на следующий уровень, и в середине 80-х годов она породила глубинную геодинамику, ставшую самым молодым и перспективным направлением в науках о Земле. В решении новых задач на помощь, кроме сейсмотомографии, пришли и некоторые другие науки: экспериментальная минералогия, благодаря новой аппаратуре имеющая теперь возможность исследовать поведение минерального вещества при давлениях и температурах, отвечающих максимальным глубинам мантии; изотопная геохимия, изучающая, в частности, баланс изотопов редких элементов и благородных газов в разных оболочках Земли и сравнивающая его с метеоритными данными; геомагнетизм, пытающийся раскрыть механизм и причины инверсий магнитного поля Земли; геодезия, уточняющая фигуру геоида, и некоторые другие ветви наших знаний о Земле.

Сейсмотомографические модели земных недр для глубин 100 и 310 км (Montagner J.-P., 2000). Вверху: на глубине 100 км верхняя мантия разогрета под границами плит и в особенности под срединно- океанскими хребтами (мы наблюдаем низкие сейсмические скорости). Напротив, под континентами верхняя мантия холодная. Внизу: на глубине 310 км корреляция с поверхностной тектоникой отсутствует. Амплитуда аномалий ниже 300 км заметно уменьшается. В зонах субдукции сейсмические скорости повышены (в мантию погружаются холодные плиты). Только быстроспрединговые хребты еще характеризуются медленными скоростями.
Здесь и далее на рисунках оттенками синего цвета показаны повышенные (относительно средних, в %) скорости распространения сейсмических волн, а оттенками красного цвета - пониженные скорости.

Уже первые результаты сейсмотомографических исследований показали, что современная кинематика литосферных плит вполне адекватно отражается лишь до глубин 300-400 км, а ниже картина перемещений мантийного вещества становится существенно иной. Это породило мнение о том, что теория тектоники литосферных плит не может претендовать на подлинно глобальное значение и ее пора заменить новой концепцией. Хотя такие высказывания во многом справедливы, следует тем не менее отметить два важных положения. Во-первых, теория тектоники литосферных плит продолжает удовлетворительно объяснять развитие земной коры континентов и океанов на протяжении по крайней мере последних 3 млрд лет. Во-вторых, для современной эпохи это подтвердили спутниковые измерения перемещения литосферных плит с помощью системы GPS (Global Positioning System). А в отношении позднего архея, отстоящего от нашего времени на 2.5-3.0 млрд лет, убедительные данные были недавно получены в Северной Карелии экспедицией Геологического института РАН, обнаружившей разрез древней океанской коры - офиолитов, включающих такую характерную компоненту, как комплекс параллельных даек. Аналогичное открытие только что сделано и в Северном Китае.

Успехи сейсмотомографии и других дисциплин в исследовании глубинной геодинамики не только существенно продвинули наши знания, но, как всегда бывает, породили новые и обострили существовавшие проблемы.

Таинственный Д-дубль-прим и строение нижней мантии

К середине прошлого века в геофизике утвердилась модель оболочечного строения твердой Земли, предложенная австралийским ученым К.Булленом (модель Буллена-Джеффриса). В ней отдельные оболочки и ядро обозначены заглавными латинскими литерами: кора - А, верхняя мантия - B, переходный слой к нижней мантии - C, нижняя мантия - D (между 660-670 и 2900 км), внешнее ядро - E, внутреннее - F. Довольно скоро, в 60-70-е годы, возникло подозрение, что в самых низах мантии существует слой с особыми свойствами: появились признаки нарушения монотонного возрастания скоростей сейсмических волн к границе ядра. Однако только в 80-е годы сейсмотомография получила достаточно убедительное подтверждение существования такого слоя, который получил обозначение D'', или Д-дубль-прим (поскольку вышележащая нижняя мантия обозначалась индексом D', т.е. Д-прим).

Схема возможной динамики переходного слоя в нижней мантии. Глубина кровли слоя изменяется от ~1600 км почти до границы мантия-ядро, куда она смещается под действием погружающихся слэбов. Стрелками показано движение вещества. Циркуляция в слое происходит из-за внутреннего разогрева (Kellogg L.H. et al., 1999).

Слой D'' действительно оказался примечательным. Его верхняя граница с мантией неровная, и мощность меняется от 200 до 300 км. Эти значения в общем сопоставимы с мощностью переходного слоя от верхней к нижней мантии, залегающего на глубинах 410-660 км. Вязкость слоя D'', судя по сейсмическим скоростям, также заметно варьирует в широтном направлении, указывая не только на температурные, но и химические различия в составе вещества. И наконец, в подошве этого слоя выявлена зона ультранизких скоростей, что говорит о возможном частичном плавлении вещества.

С открытием слоя D'' у исследователей возникло вполне резонное предположение о его исключительно важной роли в глубинной и вообще глобальной геодинамике. Скорее всего именно в нем находят свой “могильник” погружающиеся пластины океанской литосферы, так называемые слэбы (slab - ломоть по-английски), а по соседству с ними зарождаются мощные восходящие струи разогретой и обогащенной легкими литофильными элементами мантии - мантийные плюмы (plume - перо, оперение по-английски).

Прошло не так много времени, как стали появляться высказывания и о неоднородности нижней мантии: слоя D' [1, 2]. Вскоре сейсмотомография подтвердила - на глубине около 1700 км свойства мантии испытывают определенные изменения, свидетельствующие о вариациях минерального и даже химического состава. Эти данные имеют большое принципиальное значение. Однако они пока не столь определенны, чтобы уверенно проводить границу между верхней и нижней частями слоя D'.

Профиль через различные зоны субдукции, показывающий вариации скоростей поперечных сейсмических волн (Hilst R.D. et al., 1997). Стрелками показаны глубоководные желоба. СМВ - граница между мантией и ядром. По изменениям скоростей можно судить о поведении погружающихся слэбов.

Изменение скоростей продольных (вверху) и поперечных мантийных волн вдоль профиля через южную часть США (Hilst R.D., Widiyantoro S., 1977). Широкая голубая пластина аномалии, пересекающая всю нижнюю мантию, вероятно, отвечает плите Фараллон, которая погружалась в течение последних 100 млн лет.

И наконец, уже в самое последнее время стало высказываться мнение о существовании непосредственно за верхней границей нижней мантии слоя с более низкой вязкостью, который тоже может играть значительную роль в распределении мантийных течений.

Таким образом, в настоящее время вырисовывается следующая картина. В поперечном сечении земного шара существуют три наиболее активных слоя, каждый мощностью в несколько сотен километров: астеносфера, верхний слой нижней мантии и слой D'' в основании мантии. По-видимому, им принадлежит ведущая роль в глобальной геодинамике [3].

Слэбы становятся зримыми

В споре, разгоревшемся в связи с появлением теории тектоники литосферных плит, ее противники довольно скоро вынуждены были признать реальность спрединга (по крайней мере в пределах современных срединно-океанских хребтов), но достаточно долго отрицали субдукцию. Они склонялись к гипотезе расширяющейся Земли в качестве альтернативы тектонике плит. Однако данные сейсмотомографии свидетельствуют о погружении глубоко в мантию наклонных зон повышенных сейсмических скоростей - пластин-слэбов океанской литосферы. Эти данные совпадают с давно установленными по гипоцентрам землетрясений сейсмофокальными поверхностями, достигающими кровли нижней мантии. Впервые было обнаружено, что в ряде случаев слэбы опускаются и на большие глубины, проникая в нижнюю мантию. Поведение погружающихся слэбов оказывается неоднозначным: одни из них, достигая нижней мантии, не пересекают ее, а отклоняются вдоль поверхности, принимая практически горизонтальное положение; другие - пересекают кровлю нижней мантии, но затем образуют раздув и не погружаются глубже; третьи же уходят на большие глубины, в некоторых районах достигая ядра. Последнее было впервые обнаружено в начале 90-х годов на тихоокеанской плите Фараллон и произвело сенсацию в научных кругах. В дальнейшем оказалось все же, что большинство слэбов пересекают кровлю нижней мантии, не проникая в нее глубже 1000-1300 км, и дальше как бы расплываются.

Интересный и важный результат сейсмотомографических исследований последних лет - обнаружение ископаемых зон субдукции, которые ранее, по геологическим данным, только предполагались. Такие зоны были выявлены под Монголо-Охотским подвижным и Охотско-Чукотским вулкано-плутоническим поясами, под Тибетом. Здесь, как и в случае плиты Фараллон, речь идет о слэбах, погружавшихся в мезозое и кайнозое (начиная со 180 млн лет). Именно тогда плита Фараллон могла достигнуть поверхности ядра, уйдя глубоко под Северо-Американский континент (что, кстати, раньше, по геологическим данным, также предполагалось).

Другой, не менее важный, результат новейших сейсмотомографических исследований - открытие отрыва нижней части погружающегося слэба. Это явление также не было полной неожиданностью. Сейсмологи констатировали в отдельных регионах исчезновение на некоторой глубине очагов землетрясений, а затем их возникновение вновь еще глубже. Одним из таких мест было море Альборан. И сейсмотомография действительно обнаружила там отрыв нижней части слэба, связанный с нарастанием растягивающих напряжений, возникновению которых способствуют дегидратация и дальнейшая метаморфизация (эклогитизация) базальтового и габбрового слоев. Подобный отрыв нижней части слэба представляет достаточно распространенное явление (как в недавнем, так и в более отдаленном геологическом прошлом) и имеет одно важное следствие: в зону отрыва снизу проникает материал астеносферы. Образуется астеносферное окно, дающее начало мантийному магматизму, который нередко следует за субдукционным и коллизионным. Причина возникновения мантийного магматизма ранее не находила удовлетворительного объяснения. Между тем с ним нередко связано значительное промышленное оруденение - например, платиноидное на Урале и золоторудное в Альпийском поясе Европы.

Схемы отрыва нижней части погружающегося слэба Африканской литосферной плиты под морем Альборан (Blanco M.J., Spukman W., 1993). Отрыв связан с нарастанием в нижней части слэба растягивающих напряжений, возникновению которых способствует дегидратация и дальнейшая метаморфизация базальтового и габбрового слоев.

Говоря вообще о субдукции, нельзя не упомянуть еще об одной стороне, значение которой стало выясняться только недавно. В классической тектонике плит под субдукцией понималось погружение океанской коры и литосферы под островодужную или континентальную кору (в так называемых зонах Беньофа). Между тем сам этот термин был впервые предложен швейцарским геологом А.Амштутцем для погружения коры предгорного прогиба Альп под саму горную структуру. Впоследствии А.Балли предложил называть это субдукцией типа А, в отличие от классической субдукции типа Б (Беньофа). Но субдукция А не привлекала особого внимания, так как считалось, что ее масштабы весьма ограничены в связи с повышенной плавучестью континентальной коры. Однако сейсмопрофилирование методом отраженных волн, в частности, в Альпах и Карпатах показало, что континентальная кора платформ может уходить под смежные горы на расстояние более 100 км и погружаться на глубину более 150 км. А далее последовали совсем неожиданные открытия. В древних зонах субдукции обнаружили породы первично континентального происхождения, содержащие минералы, образующиеся в условиях сверхвысоких давлений, - коэсит (высокобарическую модификацию кварца), алмазы и др. Последние могут говорить о погружении литосферы в зонах субдукции до переходной зоны от верхней к нижней мантии, а затем выходе на поверхность. Возникла и оживленно дискутируется проблема образования пород ультравысоких давлений и их эксгумации (как стали называть этот процесс). Подобные породы обнаружены на Урале и в Центральном Казахстане. Предложен ряд моделей эксгумации, в общей форме предусматривающих заклинивание зоны субдукции, выжимание и всплывание континентальной части погружающейся литосферной плиты с отрывом ее от океанского продолжения.

На еще большую глубину, оказывается, способна погружаться океанская кора. В обломке эклогита (глубинной метаморфической породы) из одной южноафриканской алмазоносной кимберлитовой трубки опять-таки найден коэсит. Это рассматривается как свидетельство происхождения эклогита из субдуцированной океанской коры и участия последней в формировании литосферы. Одновременно подтверждается и гипотеза о роли субдукции в образовании алмазоносных кимберлитов, впервые выдвинутая российским ученым О.Г.Сорохтиным. Другая любопытная находка - характерный для нижней мантии минерал магнезиовюстит, обнаруженный в алмазах. Предполагается, что он происходит из пограничной зоны верхней и нижней мантий.

Плюмы, плюмы, где ваши корни?

Гипотеза восходящих мантийных струй, выступающих на поверхность в “горячих точках”, выдвинута в 1963 г. Дж.Вилсоном и обоснована в 1972 г. В.Морганом. С ее помощью объясняется внутриплитный магматизм, и в особенности образование линейных вулканических цепей, в которых возраст построек закономерно увеличивается по мере удаления от современных активных вулканов. Эта плюм-тектоника с каждым годом все более популярна [4]. Она становится если не альтернативной, то почти равноправным партнером плейт-тектоники (тектоники литосферных плит). Доказывается, в частности, что глобальный масштаб выноса глубинного тепла через “горячие точки” превосходит тепловыделение в зонах спрединга срединно-океанских хребтов.

Модели мантийных плюмов (Arndt N., 2000). Плюмы ответственны за бурные вулканические процессы на поверхности Земли, которые формируют обширные изверженные провинции. Плюм А, поднимающийся от границы нижняя-верхняя мантия образует головку после достижения литосферы. Широкая головка плюма В, поднимающегося с границы мантия-ядро, более холодная. Находка Р.Томпсоном и С.Гибсоном примитивных оливинов в вулканических породах, видимо, подтверждает первую модель, согласно которой головка плюма горячее ее хвоста. Модель С показывает, что плюм задерживается на границе нижней и верхней мантии и дает начало меньшим “плюмикам”.

Классический пример современной “горячей точки” - о.Исландия, расположенный на пересечении оси спрединга Срединно-Атлантического хребта и зоны поперечных разломов. Действие плюма в Северной Атлантике началось на рубеже мела и палеогена, а в районе Исландии он сфокусировался в миоцене. Мощность коры океанского типа под этим островом достигает 40 км. Палеоаналоги Исландии - океанские плато, распространенные в Тихом и Индийском океанах: поднятия Шатского, Хесса, Онтонг-Джава, Кергелен и др. Область концентрации вулканических островов и подводных вулканов в центрально-западной части Тихого океана, выделенная в свое время Г.Менардом, - поднятие Дарвина - после работы американского геофизика Р.Ларсона рассматривается как проявление гигантского суперплюма, “работавшего” в середине раннего мела. Наши исследователи Л.Зоненшайн и М.Кузьмин обозначили этот регион в качестве “горячего пятна”, а не отдельной точки, современную же проекцию суперплюма усматривают в юго-западной части океана, в Полинезии. Последнее подтверждается и данными сейсмотомографии. Второй подобный современный суперплюм, по тем же данным, существует под Восточной Африкой и смежной частью Индийского океана. Имеются серьезные основания предполагать, что корни суперплюмов достигают самых низов мантии.

Не подлежат сомнениям реальность существования, а следовательно и значительная роль плюмов в развитии литосферы и магматизма как внутриплитного, так и на дивергентных (расходящихся) границах плит (Исландия только один из примеров). Эта роль была, вероятно, особенно высока на ранних стадиях истории планеты. Вместе с тем возникает ряд проблем, пока не нашедших убедительного решения. К ним относятся: глубина заложения плюмов (иначе говоря, положение их корней в мантии); их локализация относительно границ литосферных плит и внутри последних; стационарность - абсолютная или относительная; длительность проявления. И главная проблема - соотношение конвекции, управляющей кинематикой литосферных плит, с адвекцией, вызывающей подъем плюмов. Они уже в принципе не могут быть независимыми процессами.

Прежде всего нужно заметить, что с выявлением положения корней плюмов дело обстоит сложнее, чем с выявлением слэбов субдуцируемой литосферы, поскольку каналы, по которым поднимаются мантийные струи, более узкие. Примером возникающих трудностей может служить та же Исландия. Первоначально указывалось, что Исландский плюм имеет корни в нижней мантии, однако в недавней работе британских ученых категорически утверждается, что нет сейсмотомографических признаков его подъема из нижней мантии *.

* Недавно известный американский геофизик Д.Андерсон вообще высказал сомнение в реальности существования плюмов, полагая, что на сегодняшний день сейсмических данных для их выделения недостаточно.

Представляется наиболее вероятным выделение двух уровней зарождения плюмов: в низах мантии, слое D'', и у границы верхней и нижней мантии. Первый - источник суперплюмов, второй - более второстепенных. Сначала допускали, что второй уровень располагается над границей 660 км, теперь высказывается мнение, что он может находиться под ней.

С только что рассмотренной проблемой связана еще одна: все ли фиксируемые на поверхности горячие точки - производные самостоятельных плюмов? На примере Восточной Африки сделано совершенно справедливое допущение, что крупные плюмы, достигая подошвы литосферы, могут расщепляться с накоплением расплава под участками утоненной рифтингом литосферы или даже непосредственно внедряться в рифтовые зоны. Такое расщепление может, очевидно, происходить на границе верхней и нижней мантии, которая должна служить полупроницаемым барьером не только для субдуцируемых слэбов, но и для поднимающихся горячих струй.

Что касается закономерностей локализации плюмов, то их расположение во многих случаях совершенно очевидно: одни, подобно Исландии, находятся на пересечении оси спрединга с крупными разломами. Например, Азорский плюм в Атлантике, вулканические острова Сен-Поль и Амстердам на Юго-Восточном Индоокеанском хребте и др. Поднятие Шатского и ряд аналогичных океанских плато возникли на древнем тройном сочленении осей спрединга. Другие плюмы приурочены к внутриплитным, внутриконтинентальным рифтовым системам, тяготея опять-таки к их тройным сочленениям (например, район Афара в Восточной Африке) или пересечению крупными зонами разломов. Отсюда очевидно, что размещение “горячих точек” на поверхности контролируется ослабленными, проницаемыми зонами в коре и литосфере. Но корни этих плюмов ниже литосферы могут иметь и иное положение.

Очень важен вопрос о стационарности плюмов. Краеугольным камнем гипотезы Вилсона-Моргана было представление о фиксированном положении корней плюмов в подлитосферной мантии и о том, что образование вулканических цепей, с закономерным увеличением возраста построек по мере удаления от современных центров извержений, обязано “прошиванию” движущихся над ними литосферных плит горячими мантийными струями. Это положение было использовано для определения абсолютных векторов относительного перемещения плит. Позднее стало допускаться отклонение верхушки плюма в направлении течения астеносферы.

Однако совершенно бесспорных примеров вулканических цепей гавайского типа не так уж много. Например, нет четкого увеличения возраста в весьма протяженной цепи о-вов Лайн в Тихом океане. Эти трудности обусловили возникновение альтернативных гипотез образования линейных вулканических цепей. Основная их идея заключается в том, что подобные структуры приурочены к зонам разломов, а их закономерное “старение” (далеко не везде проявленное) может объясняться течением астеносферы, зависящим от вращения Земли. К этим представлениям мы еще вернемся ниже.

Таким образом, в проблеме плюмов остается еще много неясного. А как они вписываются в общую картину мантийной конвекции?

С плюмами, расположенными на осях спрединга, все более или менее ясно: они отвечают участкам более интенсивного восходящего конвективного тепломассопереноса, причем глубинные плюмы подпитывают верхнемантийную конвекцию. На основных плюмогенерирующих уровнях погружение субдуцируемых слэбов провоцирует подъем соседних плюмов, которые используют поступающий из слэбов материал. Такой сценарий в частности предполагается для слоя D''. По идее А.Никишина, возникновение суперконтинента, опоясанного зонами субдукции, вызывает формирование под ним суперплюма. Последний в конечном счете стимулирует рифтинг и распад суперконтинента с образованием многочисленных “горячих точек”. Этот процесс наглядно иллюстрирует пример отдельных разновозрастных сегментов Атлантики, в пределах которых континентальный рифтинг с роем даек и плато-базальтовыми полями закономерно предшествовал началу спрединга и образованию океана. В Центральной Атлантике это происходило в конце триаса-начале юры, в Южной Атлантике - в конце юры-начале мела, в Северной Атлантике - в самом конце мела и палеоцене.

Конвекция - тепловая или термохимическая, общемантийная или двухъярусная?

В теории тектоники литосферных плит в качестве движущего механизма была привлечена мантийная конвекция. Однако прямых доказательств ее реального проявления не было до тех пор, пока сейсмическая томография не обнаружила в мантии чередование разогретых и охлажденных участков, устойчивое сохранение которых без конвекции невозможно. Но сама природа конвекции понималась и все еще понимается неодинаково: одни считают ее чисто тепловой (как в ранних версиях тектоники плит), другие (также достаточно давно) отстаивают ее термохимическую природу [5]. Тепловая составляющая несомненно играет если не исключительную, то ведущую роль, и это подтверждается успешным компьютерным моделированием кинематики плит [6]. Но уже простые соображения показывают, что определенное значение имеет химическая компонента. Ведь по химическому составу и погружающиеся слэбы океанской литосферы, и поднимающиеся мантийные струи плюмов отличаются от окружающей мантии. А данные сейсмотомографии указывают на такие различия и в физических свойствах мантийного вещества, которые только температурными условиями объяснить нельзя. Поэтому и некоторые зарубежные исследователи склоняются к представлению о термохимической конвекции, наиболее последовательно в настоящее время развиваемому у нас Л.Лобковским в Институте океанологии РАН [7].

Еще большие разногласия существуют по вопросу о мантийной конвекции - общая она или проявляется раздельно в верхней и нижней мантии (выше или ниже 660 км). Здесь наиболее объективный показатель - поведение субдуцируемых слэбов. А они, как отмечалось выше, ведут себя по-разному: одни задерживаются выше указанного раздела, другие его пересекают и образуют под ним скопление субдуцируемого материала (вероятно, для того чтобы потом обрушиться подобно лавине ниже), третьи достигают низов мантии. Все это свидетельствует о том, что раздел 660 км играет роль полупроницаемого барьера для конвективных течений. Таким образом, возможны и общемантийная, и двухъярусная конвекция. Отсюда и успешное моделирование той и другой, в частности, двухъярусной - Н.Добрецовым и А.Кирдяшкиным в Новосибирске [8]. Дело в том, что вероятность той или иной формы конвекции зависит в основном от вязкости мантии, а последняя - от температуры. В раннем докембрии, особенно в архее, мантия была горячее современной. В то время могла преобладать двухъярусная конвекция, а с охлаждением Земли она должна была смениться общемантийной, господство которой мы в настоящее время, видимо, и наблюдаем. Однако скорее всего процесс носил более сложный характер. Образование суперконтинентов стимулировало переход к общемантийной конвекции, а их распад - к двухъярусной. Так они чередовались во времени, не заслоняя, однако, полностью общей тенденции.

Исторически сложилось, что в этом споре геофизики (в своем большинстве) оказались сторонниками общемантийной конвекции, а геохимики - двухъярусной. Позиция геохимиков объясняется тем, что состав продуктов магматизма, в особенности океанских островов, требует существования в глубинах мантии резервуара, отвечающего примитивной мантии, сохранившей свой состав со времени аккреции планеты. Первоначально допускалось, что вся нижняя мантия может быть таким резервуаром, но это представление не выдержало томографической проверки. Однако ныне геофизики предположили, что такой “заповедник” - самая нижняя часть мантии, ниже 1300 и даже 1700 км. Дальнейшие исследования должны подтвердить или опровергнуть это предположение.

А все-таки она вертится!

В классической мобилистской гипотезе А.Вегенера в качестве движущей силы дрейфа материков рассматривалось осевое вращение Земли, а дефицит этой силы был одной из причин отторжения данной гипотезы геофизиками. В классической же тектонике плит фактор вращения Земли вообще не принимался в расчет. В дальнейшем на его возможную роль, пусть и второстепенную, стали обращать внимание, а в последние годы появился ряд серьезных работ, рассматривающих его влияние на кинематику плит.

Одним из основных аргументов служит заметная диссимметрия окраин Тихого океана: на западе развита система окраинных морей и островных дуг, которые подстилаются крутонаклоненными зонами субдукции, на востоке окраинные моря и островные дуги отсутствуют, а зоны субдукции преимущественно полого наклонены. Сторонники влияния ротационного фактора (сил Кориолиса) объясняют это тем, что течение в астеносфере с запада на восток, вызываемое вращением Земли, в первом случае ориентировано навстречу субдукции, а во втором - в том же направлении. Следует, однако, заметить, во-первых, что подобная картина строения окраин Тихого океана сложилась лишь примерно 35 млн лет назад, а до этого она была противоположной.

Во-вторых, американские континенты надвигаются на Тихоокеанскую впадину в связи с раскрытием Атлантики и отходят от оси спрединга Срединно-Атлантического хребта. Тем не менее независимые наблюдения у берегов Центральной и Южной Америки подтверждают существование здесь направленного к востоку течения в астеносфере.

Наиболее разработанная модель кинематики литосферных плит с учетом ротационного фактора предложена А.Смитом и Ч.Льюисом [9]. Ее суть представлена на схеме. Надо добавить, что ротационный фактор привлечен этими исследователями и для объяснения образования линейных вулканических цепей в Тихом океане. В общем представляется, что в подлинно глобальной и полной геодинамической модели учет ротационного фактора обязателен.

Модель вращения оболочек Земли вокруг центральной оси. Передача напряжений через астеносферу (с пониженной вязкостью) в сочетании с действием на подошве плит порождает отставание литосферных плит относительно мезосферы (зоны между астеносферой и нижней мантией) в западном направлении. Это отставание обусловливает дифференциальное вращение мантии и литосферы (Du), которое может рассматриваться как течение мантии в восточном направлении. Значение Du достигает 5 см·год^-1, уменьшаясь как cosf к полюсам. Волновые изгибы мантийного течения возникают вследствие смещения оси вращения (блуждания полюсов) в ответ на смещение масс на поверхности Земли (по К.Доглиони из работы [9]).

Космический фактор в геодинамике

Специалисты в области наук о твердой Земле, в отличие от метеорологов и гидрологов, далеко не всегда осознают, что наша планета представляет открытую систему, существующую не в абстрактном, а в конкретном космическом пространстве и взаимодействующую с ним. Пожалуй, признается лишь импактный эффект от столкновения с астероидами и кометами. Между тем виды взаимодействия Земля-Космос достаточно разнообразны и, вероятно, немаловажны. Один из них - взаимодействие в системе Земля-Луна. Эта система фактически представляет двойную планету, барицентр которой лежит вне Земли, а уменьшение амплитуды вызываемых притяжением Луны твердых приливов и замедление вращения Земли носят, вероятно, не монотонный колебательный характер, а могут находиться в резонансе с тектонической цикличностью [10]. Р.Бостром считает, что проявление на Земле субдукции, и вообще тектоники плит, практически не известной на других планетах земной группы, было обусловлено именно взаимодействием Земли и Луны [11].

Достаточно давно было обращено внимание на совпадение длительности крупномасштабных тектонических циклов, установленных еще в самом конце XIX в. французским геологом М.Бертраном, со временем обращения Земли и всей Солнечной системы по галактической орбите. На этом пути Земля пересекает струйные потоки газопылевого галактического вещества, которое может оказывать определенное воздействие на происходящие в ее недрах процессы. Иными словами, речь идет об определенном резонансе между космическими и глубинными геодинамическими процессами. И эта проблема заслуживает самого пристального внимания.

Совсем недавно французские исследователи М.Греф-Лефтц и И.Легро [12] показали, что осцилляции в жидком ядре и лунно-солнечные приливы могли оказываться в резонансе 3.0·10⁹, 1.8·10⁹ и 3·10⁸ лет назад и вызвать дополнительный разогрев ядра, дестабилизацию слоя D'' и генерацию глубинных плюмов, что привело к усилению образования континентальной коры, плато-базальтовому вулканизму и резкому изменению частоты инверсий геомагнитного поля.

Итак, несмотря на очевидный прогресс наших знаний о процессах в недрах Земли, многие вопросы еще далеки от однозначного решения и представляют заманчивый объект для дальнейших исследований.

Литература

1. Пущаровский Ю.М., Пущаровский Д.Ю. // Геотектоника. 1999. №1. С.3-14.

2. Пущаровский Ю.М. Глубины Земли: строение и тектоника мантии // Природа. 2001. №3. С.13-15.

3. Kido M., Yuen D.A. // Earth a.Planet. Sci. Lett. 2000. V.181. P.573-583.

4. Геология на пороге новой научной революции // Природа. 1995. №1. С.33-51.

5. Tackley P.J. // Science. 2000. V.288. P.2002-2007.

6. Трубицын В.П. Глобальные тектонические процессы, формирующие лик Земли // Геофизика на рубеже веков. М., 1999. С.80-92.

7. Лобковский Л.И., Котелкин В.Д. Двухъярусная термохимическая модель конвекции и ее геодинамические следствия // Пробл. глобальн. геодинамики. М., 2000. С.29-53.

8. Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г. Глубинная геодинамика. Новосибирск, 1994.

9. Smith A.D., Lewis Ch. // J. Geodyn. 1999. V.28. P.96-116.

10. Авсюк Ю.Н. Глобальные изменения среды и климата в сопоставлении с приливной моделью эволюции системы Земля-Луна // Геофизика на рубеже веков. М., 1999. С.93-106.

11. Bostrom R.C. Tectonic Consequences of the Earth’s rotation. Oxford, 2000.

12. Greff-Lefftz M., Legros H. // Science. 1999. V.286. P.1707-1709.