ПЕРИОДИЧЕСКОЕ И НЕПЕРИОДИЧЕСКОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЭПОХ ТЕКТОГЕНЕЗА

Пушкин А.А. ¹,  Римкевич В.С. ²

¹кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института геологии и природопользования Дальневосточного отделения Российской академии наук

²кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, заведующий лаборатории наукоемких технологий переработки минерального сырья  Института геологии и природопользования Дальневосточного отделения Российской академии наук

ПЕРИОДИЧЕСКОЕ И НЕПЕРИОДИЧЕСКОЕ ИЗМЕНЕНИЕ

ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЭПОХ ТЕКТОГЕНЕЗА

Аннотация

В статье проведено изучение вопроса о движущих силах процессов тектогенеза на Земле, периодической смене его этапов, продолжительности эпох тектогенеза. Показано влияние галактик Местной группы на тектонические процессы, определены напряженности гравитационных полей, создаваемых этими галактиками на Земле и силы, действующие со стороны этих галактик на ядро и мантию Земли. Периодическое изменение продолжительностей эпох тектогенеза объяснено изменением положения Земли относительно галактик Местной группы, а непериодическое раскалыванием литосферных плит и остыванием земли.

Ключевые слова:  конвекция, литосферная плита, мантия, ядро, напряженность гравитационного поля, галактика

 Pushkin A.A. ¹, Rimkevich V.S. ²

¹candidate of physical-mathematical sciences, senior stuff of Institute of geology and nature management of Far Eastern Branch of RAS

²candidate of geological-mineralogical sciences, senior stuff, head of department of high technologies of mineral processing of Institute of geology and nature management of Far Eastern Branch of RAS

PERIODICAL AND NONPERODICAL CHANGES OF TECTOGENESIS STAGE DURATION

Abstract

The question of driving forces on tectonic activity on the Earth and the periodic change of duration of tectogenesis stage was studied. The influence of local group galaxy on tectonic activity was showed. The local group galaxies gravitational field strengths on the Earth and forces acting on the mantle and core of the Earth were calculated. Periodical changes of the durations of tectogenesis stage were explained by change position of the Earth relative to local group galaxies, but nonperodical by the splitting of lithospheric plates and by the cooling of the Earth.

Key words: convection, lithospheric plate, mantle, core, gravitational field strength, galaxy

Взаимодействие вещества ядра и мантии, значительно отличающихся по плотности и находящихся в условиях наличия радиального градиента температур в несколько тысяч градусов, образует неравновесную систему. Вследствие высокой вязкости вещества мантии эта система могла бы сохранять своё состояние в течение длительного времени.По современным представлениям Земная кора состоит из литосферных плит, плавающих по поверхности мантии, которая может быть представлена как твердое тело, обладающее некоторой текучестью. Движущей силой литосферных плит являются конвекционные процессы, происходящие в мантии. Известно, что  плотность вещества мантии значительно ниже, чем ядра, кроме того увеличивается с глубиной. Температура также увеличивается с глубиной.

Зарождение конвекционного потока в мантии происходит вблизи поверхности ядра под действием Архимедовых сил [1] в момент опускания фрагментов более плотного вещества из мантии (реститов из зоны субдукции) или в результате выделения газов из ядра (H₂, CH₄, KH и др.) [2].

Рис. 1 - Схема мантийных течений

Восходящие конвекционные потоки приводят к возникновению мантийных  течений, начинающихся на поверхности  ядра и охватывающих нижнюю и верхнюю мантию. На рис. 1 показана схема двухслойной конвекции. Первый конвективный слой охватывает нижнюю мантию, второй – верхнюю.  Конвективные потоки в нижней мантии образуют конвективные ячейки с размерами около 1000 км и придают конвекции в нижней мантии мозаичную структуру. В астеносфере конвективные ячейки имеют протяженность, сопоставимую с размерами плит (3000 – 10000км). Потоки в астеносфере играют основную роль, так как они являются движущей силой литосферных плит [2].

Трение между потоками вещества в астеносфере и литосферными плитами приводит к перемещению последних. При столкновении движущихся плит образуются складки земной коры, которые приводят к возникновению гор. Известным примером является столкновение Евразийской и Северо-Американской плит, приведшее в позднемеловый период к образованию гор Чукотки и Сихотэ-Алиня, или столкновение Индостанской и Евразийской плит, вызвавшее в палеогене образование Гималаев.

Известно, что тектонические процессы на Земле наблюдаются с некоторой периодичностью, проходя продолжительные пассивную и активную фазы.  Продолжительность периодов, с которой повторяются эры тектогенеза на Земле, составляет величину по порядку равную сотням миллионов лет, и, как полагают ученые, связанную с периодом обращения Солнечной системы вокруг центра нашей галактики [3].

Очевидно, что силы, определяющие тектонические процессы, имеют гравитационную природу. Периодичность действия этих сил, по-видимому, связана с периодическим изменением расстояния до тел, создающих гравитационное поле. В случае, если орбита Солнечной системы в её движении вокруг центра галактики является эллипсом с заметной величиной эксцентриситета, то таким телом является внутренняя часть галактики, охватываемая орбитой Солнечной системы, и периодичность в этом случае может объясняться различным удалением Земли от центра галактики в афелии и перигелии. Однако, если орбита все-таки, как считается в настоящее время, является круговой, то сила, действующая со стороны нашей галактики на Землю, практически не меняется при движении Солнца по орбите. В таком случае, периодичность должна определяться космическими объектами, находящимися за пределами нашей галактики. Для того, чтобы прояснить этот вопрос, изучим объекты, окружающие нашу галактику и гравитационные поля, создаваемые ими на Земле.

Наша галактика Млечный путь (МП) входит в Местную группу галактик. Местная группа галактик [4], в свою очередь, входит в Местное сверхскопление галактик (Сверхскопление Девы [5]) размером около 200 миллионов световых лет (1,89*10²⁴м) и массой 2·10⁴⁵кг.  Крупнейшим объектом сверхскопления является Скопление Девы. Напряженность гравитационного поля, создаваемого Скоплением Девы в Солнечной системе, оценим по закону всемирного тяготения

                  (1)

Наиболее крупными галактиками местной группы являются Туманность Андромеды (ТА) [6], галактика Млечный Путь (МП) [7], галактика Треугольника (Т) [8] и галактики Большого [9] и Малого Магеллановых облаков [10] (БМО и ММО). Напряженность гравитационного поля местной группы галактик, создаваемая в Солнечной системе, складывается из полей этих галактик.

Радиус орбиты Солнечной системы, т.е. расстояние до центра галактики, составляет 26 тыс. световых лет, Диаметр галактики 100000 световых лет, т.е. Солнечная система находится на расстоянии чуть большем половины радиуса галактики от её центра.  Период обращения Солнца вокруг центра Галактики считается равным 200 – 230 млн. лет. От центральной плоскости МП Солнце находится на расстоянии около 10 Парсек, причем Солнце с периодом 30 - 35 млн. св. лет пересекает центральную плоскость МП.

По современным данным в центре МП находится сверхмассивная черная дыра с массой 4,3*10⁶ масс Солнца. В центре черной дыры находится радиоисточник, звезда Стрелец А.  Масса галактики составляет 3*10¹² солнечных масс или 6*10⁴²кг. Массу внутренней части галактики радиусом 26000 св.лет оценим, полагая плотность звездного вещества равномерно распределенным по галактическому диску радиусом 50000 св.лет.   Тогда она будет приблизительно равна 6*10⁴²*(26/50)²=1,6*10⁴² кг.

Поскольку применение закона всемирного тяготения к вычислению напряженности гравитационного поля, создаваемого Галактикой МП в Солнечной системе, недопустимо, вычислим её с использованием теоремы Гаусса, принимая расстояние до центра галактики R = 26000*9,46*10¹⁵=2,45*10²⁰, а расстояние до центральной плоскости H=10*31*10¹⁵=3,1*10¹⁷ м,  которая дает следующий результат

               (2)

Напряженность гравитационного поля, которое создает ТА в Солнечной системе, определим по закону всемирного тяготения

                    (3)

Напряженность гравитационного поля, которое создает Галактика Треугольника в центре Млечного Пути, определяем по закону всемирного тяготения

                   (4)

Угол между направлениями на ТА и на Т составляет примерно 11⁰. Напряженность суммарного гравитационного поля созвездия Треугольника и ТА:

             (5)

Таким образом, суммарное поле ТАТ немного больше, чем поле ТА. Поле Скопления Девы в Солнечной системе на порядок слабее поля ТАТ, кроме того величина этой силы меняется при движении Солнечной системы по орбите вокруг ядра МП в пределах ±3*10^-7%, направление меняется на ±0,007⁰. Поэтому влияние Скопления Девы на геотектонику мы далее рассматривать не будем.

 Ввиду того, что МО являются самой близкой к нам галактикой, их влияние на геотектонику велико. Для расчета возьмем следующие данные: масса БМО равна 2*10⁴⁰, а ММО – 1,4*10⁴⁰кг, расстояние БМО от МП равно 163 тыс.св.лет, а ММО – 193 тыс. св. лет. Поскольку облака движутся взаимосвязано и находятся близко друг от друга (в одном водородном пузыре), то рассчитав напряженности полей, создаваемых каждым из облаков, суммарное поле найдем простым сложением. При расчете рассмотрим случаи, когда Солнечная система находится на минимальном и максимальном расстоянии от облаков. В итоге, используя закон всемирного тяготения, получим, что напряженность полей, создаваемых облаками меняется от

                     (6)

Величина напряженности гравитационного поля Солнца составляет   Это поле значительно превосходит все рассматриваемые выше поля. Однако, при усреднении за период в 1 год эта сила обращается в нуль.

Напряженность гравитационного поля Земли в её центре в силу симметрии равна нулю, а далее почти линейно возрастает до величины 9,8 м/c². Расчет величины возвращающей силы при смещении ядра сложен ввиду наличия жидкого ядра. Так, при расчете по теореме Гаусса (  где М, R – масса и радиус Земли, r – расстояние от центра Земли до расчетной точки) напряженность поля уже на расстоянии 3,5мкм от центра Земли сравнивается с напряженностью поля галактики МП, полученной по формуле (2). Учет наличия жидкого ядра при оценке величины смещения твердого ядра, при котором величина возвращающей силы будет равна силе, действующей на ядро со стороны МП даст цифру немного большую.

Гравитационное поле галактики МП всегда направлено к центру галактики и за период обращения Солнечной системы вокруг галактики принимает все направления от 0⁰ до 360⁰. При этом по абсолютной величине не меняется. Эта сила, по-видимому, играет важную роль, хотя периодичность и не определяет.

Поле ТАТ направление изменяет в пределах от _, а величина силы притяжения ТАТ меняется в пределах орбиты Солнечной системы на ±0,05% . Учет этой силы необходим.

Поле МО направлено в сторону облаков и за интересующие нас промежутки времени в сто миллионов лет играет одну из главных ролей.

Результаты расчетов напряженностей полей упомянутых выше объектов, а также силы, действующие с их стороны на ядро и мантию Земли приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты расчетов напряженностей полей некоторых космических объектов, а также сил, с которыми они действуют на ядро и мантию Земли.

На рис. 2 показаны проекции орбит основных космических тел, определяющих, на наш взгляд, периодичность тектонических процессов на Земле. Проведем прямую линию TS через проекцию ТАТ на плоскость МП и ядро МП (звезду Стрелец А). Построим проекцию орбиты Солнечной системы на плоскость МП. Через точки O и P пересечения проекции орбиты

Солнечной системы c линией TS проведем прямые линии MN, M1N1, KL, K1L1, перпендикулярные линии TS, одну в плоскости МП, другую плоскости MNKL и M1N1K1L1, перпендикулярные линии TS. Эти плоскости разбивают траекторию МО на три области. Слева от плоскости MNKL находится область пространства, при нахождении в которой МО тянут Землю и составляющие её элементы в ту же сторону, что и ТА. Когда МО находятся справа от плоскости M1N1K1L1, то их воздействие на Землю противоположно воздействию ТА. В области между плоскостями возможны различные взаимные положения Земли и МО.

 

Рис. 2 - Проекции орбит рассматриваемых космических объектов на плоскость МП.

 

Проекции орбит планет на рис. 2 выполнены не в масштабе, поэтому вопрос о точном местоположении МО в настоящий момент остается открытым. Для решения этого вопроса необходимо дополнительное исследование. Тем не менее, из рис. 2 видно, что несколько десятков миллионов лет назад Земля находилась между МО и центром МП. Вполне возможно, что в это время имела место наиболее активная фаза альпийской складчатости.

Каким образом гравитационные силы, действующие на Землю со стороны этих космических объектов, связаны с тектоническими процессами, происходящими в ней? Твердое ядро, находясь в полости мантии и окруженное жидким внешним ядром, удерживается в центре Земли гравитационными силами со стороны мантии. Когда ядро находится в центре Земли, гравитационные силы со стороны мантии в силу сферической симметрии равны нулю. Но при смещении твердого ядра из центра Земли в любом направлении возникает возвращающая сила и эта сила быстро возрастает с увеличением смещения.

Если два тела, различные по массе, находятся в одном гравитационном поле (например, МО), то силы, действующие со стороны данного поля на эти тела, согласно второму закону Ньютона отличаются и пропорциональны их массам.

Различные силы, действующие на мантию и твердое ядро, приводят к смещению твердого ядра от центрального положения. На некотором расстоянии от центра сила, вызывающая смещение, сравнивается с возвращающей силой, после этого ядро некоторое время продолжает двигаться по инерции, потом останавливается и начинает смещаться в обратном направлении. На некотором расстоянии от центра возвращающая сила снова сравняется с силой вызывающей смещение. Далее ядро продолжает движение по инерции до точки останова, от которой под действием смещающей силы ядро начинает следующее колебание. Таким образом, устанавливается колебательный режим, аналогичный режиму пружинного маятника, который представляет собой электрически заряженное тело, подвешенное на пружине и помещенное в продольное однородное электрическое поле. Частоту такого колебания оценим по формуле

                                  (7)

Тогда период колебаний равен

Колебания ядра возбуждают в жидком ядре акустическую волну. Хотя амплитуда волны мала, энергия такой волны может быть значительной ввиду того, что масса ядра значительна. Кроме того, при распространении этой волны может наблюдаться фокусировка волны на неоднородностях плотности вещества. В таких местах энергия будет накапливаться и будет происходить разогрев вещества. Накопление энергии в течение продолжительного времени может вызвать грандиозные процессы в результате локального разогрева и появления напряженных состояний в Земной коре, а также уменьшения вязкости мантии. Поскольку колебания возникают под действием некоторого  объекта (в настоящее время это, возможно, МО), то амплитуда колебаний, а, следовательно, и волны зависит от расстояния до этого объекта. Что же касается того, что амплитуда колебаний мала, то ведь и смещения литосферных плит измеряются сантиметрами в год.

В таблице 2 перечислены эпохи тектогенеза, наблюдавшиеся на Земле, и их продолжительности [11]. Первый, Гренландский этап тектогенеза, имел протяженность более миллиарда лет и характеризовался тем, что земная кора ещё не была разбита на литосферные плиты. Последующие докембрийские эпохи имели продолжительности в несколько сотен миллионов лет, фанерозойские около сотен миллионов лет. Средняя продолжительность периода тектогенеза, которую определяют отбрасывая первый и последний этапы, составляет 3450/19=182 миллиона лет. Отклонения продолжительностей отдельных периодов от средней цифры, по-видимому, связаны с различиями в расположении основных действующих объектов: ядра МП, ТАТ и МО. Поскольку период оборота ТА и МП вокруг их центра масс чрезвычайно велик, мы можем рассматривать положение других планет относительно линии, соединяющей эти галактики.  Период обращения МО более двух миллиардов лет (по разным данным 2,3 или 2,5 млрд. лет), а период обращения Солнечной системы (а, значит, и Земли) 200 - 230 млн. лет. Следовательно, прохождение Земли между МО и ядром МП происходит не менее 10 раз за оборот МО. При каждом таком прохождении Земля занимает новое положение относительно ТАТ, что, безусловно, должно влиять на продолжительность периода складко- и горообразования.

Таблица 2 - Эпохи тектогенеза (складчатости)

На рис. 3 показана зависимость продолжительности периодов тектонической активности от времени, начиная с момента образования Земли. На фоне общего убывания продолжительностей периодов наблюдаются отдельные их увеличения. Хронологически первым был чрезвычайно длительный этап Гренландской складчатости, во время которого кора молодой Земли, ещё неразбитая на плиты, претерпевала первичное разбиение. Это  наталкивает на мысль, что общая тенденция к уменьшению продолжительности периодов тектогенеза, отраженная на рис. 3

Рис. 3 - Зависимость продолжительности периодов тектонической активности в зависимости от времени с момента образования Земли.

Но тектонические процессы зависят и от других природных явлений. В частности, вследствие наличия теплового потока из недр Земли к поверхности, наблюдается остывание недр Земли. Величина этого потока в настоящее время по данным [12] составляет 0,05Вт/м², в то время как в архее составляла 0,22Вт/м² [2]. Остывание Земли неизбежно приведет к увеличению вязкости мантии, что, в свою очередь, приведет к уменьшению скорости конвективных потоков и далее, к уменьшению сил, движущих литосферные плиты. Поэтому движение плит будет начинаться позднее и оканчиваться раньше. Следовательно, будет наблюдаться уменьшение продолжительности периодов тектогенеза и общее уменьшение геологической активности Земли. линией тренда, возможно, связана с уменьшением порога складкообразования. Порог складкообразования может уменьшаться вследствие раскалывания плит и уменьшения их среднего размера. Действительно, плита меньших размеров и меньшей массы будет смещаться под действием меньшей силы. В первые два миллиарда лет, когда литосферные плиты были чрезвычайно велики, видно что этап складкообразования не успевал завершиться за период обращения Солнца вокруг галактики МП. Эту мысль подтверждают почти монотонно уменьшающиеся продолжительности докембрийских этапов,  начиная с Белозерского и до Гуронского, так как, по-видимому, уменьшение размеров плит в первые два миллиарда лет сделало возможным протекание одного этапа в течение оборота галактики МП.

В любом случае, из рассуждений приведенных выше, следует вывод, что периодическое изменение периодов тектогенеза связано с периодическим движением Земли вместе с Солнечной системой, а также галактики МО вокруг МП. Установленное учеными непериодическое уменьшение докембрийских периодов тектогенеза может быть объяснено раскалыванием, и, следовательно, уменьшением размеров литосферных плит. В последующие время продолжительность периодов тектонической активности, по-видимому, убывала в связи с остыванием недр Земли.

 

Литература

1. Короновский Н.В. Общая геология. – М.: Издательство МГУ. – 2002. - 405с.
2. Н.Л. Добрецов. Глобальная геодинамическая эволюция земли и глобальные геодинамические модели. Геология и геофизика, 2010, т. 51, № 6, с. 761–784.
3. Перельман А.И. Геохимия. – М.: Высшая школа. – 1989. – 528с.
4. И. Дроздовский. Местная группа галактик. URL: http://www.astronet.ru/db/msg/1169715
5. И. Дроздовский. Местное Сверхскопление. URL: http://www.astronet.ru/db/msg/1169717
6. Ribas Ignasi, Jordi Carme, Vilardell Francesc, Fitzpatrick Edward L., Hilditch Ron W., Guinan Edward F. First Determination of the Distance and Fundamental Properties of an Eclipsing Binary in the Andromeda Galaxy. URL: http://adsabs.harvard.edu/abs/2005ApJ...635L..37R
7. Млечный Путь потяжелел в два раза. URL: http://lenta.ru/news/2009/01/06/milkyway/
8. Myung Gyoon Lee, Minsun Kim, Ata Sarajedini, Doug Geisler, and Wolfgang Gieren. Determination of the Distance to M33 Based on Single-Epoch I-Band Hubble Space Telescope Observations of Cepheids. Url: http://iopscience.iop.org/0004-637X/565/2/959/
9. Pietrzyński, D. Graczyk, W. Gieren, I. B. Thompson, B. Pilecki, A. Udalski, I.Soszyński, S. Kozłowski, P. Konorski, K. Suchomska, G. Bono, P. G. Prada Moroni, S. Villanova, N. Nardetto, F. Bresolin, R. P. Kudritzki, J. Storm, A. Gallenne, R.Smolec, D. Minniti, M. Kubiak, M. K. Szymański, R. Poleski, Ł. Wyrzykowski, K. Ulaczyk, P. Pietrukowicz,^2,
10. Górski^2,
11. & Karczmarek^2,
12. et al. An eclipsing-binary distance to the Large Magellanic Cloud accurate to two per cent. URL: http://www.nature.com/nature/journal/v495/n7439/full/nature11878.html
13. Hilditch R.W., Howarth I.D., Harries T.J. Forty eclipsing binaries in the Small Magellanic Cloud: fundamental parameters and Cloud distance. URL: http://adsabs.harvard.edu/abs/2005MNRAS.357..304H
14. Игорь Гаршин. Структурная геология (изучение нарушений земной коры). URL: http://www.garshin.ru/evolution/geology/geosphere/geo-tectonics/crust-structures.html.
15. В.З.Распопов. Магнитное поле Земли, тепловые потоки и тектоника. URL: http://www.cherubicsoft.com/_media/raspopov/geomagnit_5.pdf