Тектоника плавающих континентов
В.П. Трубицын
Земля состоит из мантии и ядра. Половину планеты занимает железное ядро, состоящее из твердо7го внутреннего и жидкого внешнего ядра. Ближе к поверхности находится силикатная мантия - монолитный твердый и очень горячий камень. Если ударить по нему, то пойдет сейсмическая волна- как в твердом теле, а если давить в течение миллиона лет, то он будет деформироваться и течь. Поскольку мы будем рассматривать медленные глобальные геологические процессы, то для нас мантия - это тоже жидкость, но с очень высокой вязкостью. Внешнее ядро имеет вязкость воды, а вязкость мантии на 20 порядков больше. Она сильно меняется по глубине и по латерали. Поскольку вязкость зависит от температуры, а температура на поверхности низкая, то на Земле возникает твердый жесткий литосферный слой, который, в свою очередь, делится на две части. Нижняя часть состоит из мантийного вещества, но более холодного и жесткого. Верхняя часть - это тонкая кора, выплавка, отличающаяся химико-минералогическим составом от вещества мантии. Толщина океанической коры везде равна 6 км, а толщина континентальной коры меняется от 20 до 70 км.
Температура на границе ядро-мантия на глубине 3000 км равна 4000°К. Как это определили? По сейсмическим данным известно, что мантия для обычных быстрых процессов - твердая, а внешнее ядро - жидкое. В этих условиях температура плавления железа составляет 3500 °К, а температура начала плавления силикатов - 4500°К, поэтому температура на границе ядро - мантия должна быть около 4000°К. В центре Земли температура около 5000°К.
Мантийная конвекция и тектоника плит.
Из Земли идет тепловой поток, равный примерно 0.1 Вт/м2. Если бы тепло выносилось с помощью теплопроводности, то его поток был бы равентемпературе 3700°С, деленной на толщину мантии Н - 3000 км и умноженной на коэффициент теплопроводности 3 Вт/мК. В результате получается приблизительно 0.004 Вт/м2, что в 25 раз меньше наблюдаемой величины. Следовательно, тепло выносится не только кондуктивно, но и конвективно. При этом число Нуссельта, характеризующее эффективность конвективного тепло-переноса, Nu = 25. В теории конвекции по числу Нуссельта можно вычислить скорость конвективных течений V ~ 8(£/#)Nu2. При коэффициенте температуропроводности к = Ю-6 м/сек2 скорость течений равна 5 см/год, что соответствует данным наблюдений. Тепловой баланс Земли включает несколько составляющих: 15% тепла дает радиоактивность коры, 50% - радиоактивность мантии, 10% - тепло затвердевания растущего внутреннего ядра, 25% - первичный нагрев В результате ученые сделали вывод, что Земля остывает со скоростью 80 К/млрд. лет.
Во второй половине XX в. Сформировалась концепция, названная тектоникой литосферных плит. Ее суть в том, что в мантии идет конвекция, и океаническая литосфера участвует в конвективном кругообороте вещества. Эта литосфера возникает в срединно-океанических хребтах при застывании магмы, движется по поверхности в виде океанического дна, охлаждается и затем, становясь все более тяжелой, погружается в мантию в зонах субдукции. При этом, благодаря жесткости, литосфера раскалывается продольными (трансформными) разломами на плиты.
Концепция тектоники плит, объясняющая, что большая часть землетрясений происходит на стыках плит, господствует в науке с 1965 г., то есть уже в течение 40 лет. Концепция была сформулирована западными учеными, а в России в первое время многие ее не принимали. Сейчас теория тектоники плит хотя и устаревает, но не отвергается, необходимо только очертить пределы ее применимости. Подобно механике Ньютона и теории относительности, теорию тектоники плит нужно обобщить на процессы другой длительности, только не на быстрые, а наоборот, очень мед-
ленные.
Современная тектоника плит не дает объяснения некоторым принципиально важным проблемам. Например, по наблюдениям, мантия под континентами холоднее, чем под океанами. Но континенты можно считать своеобразными тепловыми крышками. Поток, выходящий из мантии через кониненты, равен 30 мВт/м2, а через океаны -90 мВт/м2. Но как же под крышками может быть холоднее?
Далее, континенты за историю Земли объединялись 3-4 раза и потом всегда расходились. Почему? Согласно теории тектоники плит, континенты жестко зафиксированы в океанических плитах. Действительно, на рисунке 2 видно, что континенты находятся внутри плит и своими границами совпадают с границами плит лишь на активных окраинах. Поэтому в теории тектоники плит континенты - это пассивные легкие включения в плиты, не оказывающие влияния ни на плиты, ни на конвекцию. Но если континенты зафиксированы в океанических плитах, то, что заставляло их плотно объединяться?
На Земле существуют океаны двух типов. В обоих типах на дне в середине находятся хребты, где из недр выдавливается магма, раздвигающая дно океанов. При этом на западной и восточной окраинах Тихого океана имеются глубоководные впадины, где дно уходит в мантию. В Атлантическом океане таких впадин нет, литосфера под ним приморожена к континентам. Она еще недостаточно тяжелая и плавает на мантии. В Атлантическом океане хребет проходит посередине, а в Тихом океане он резко приближен к Южной и Северной Америке (рис. 2).
По геологическим реконструкциям океаны преобразуются друг в друга и смещаются в пространстве. Тектоника плит объясняет это хаосом интенсивной конвекции в мантии Земли. Но хаос или закономерность управляет глобальной тектоникой Земли?
Тектоника плавающих континентов.
В течение последних 50 лет наряду с моделью плит накапливались данные, подтверждающие идею Вегенера о независимом глобальном дрейфе континентов. Новой моделью, обобщающей существующую торию тектоники плит с учетом идеи Вегенера, стала модель мантийной конвекции с континентами, плавающими на мантии среди океанических плит . Океаническая литосфера намораживается или приваривается сначала к откалывающемуся континенту, а затем по мере расхождения континентов последовательно наращивается на затвердевшую часть океанической литосферы. Со стороны Атлантики к Южной Америке плита примерзла, а со стороны Тихого океана оторвалась и погружается в мантию.
Каждая океаническая плита существует на поверхности Земли в среднем 60 млн. лет, а плавучие континенты - более 3 млрд. лет. Тектоника плит объясняет только процессы на временах до 100 млн. лет в уже сформировавшихся глобальных структурах, считая их как данные. Новая модель обобщает теорию тектоники плит на времена в миллиарды лет.
Континенты - тепловые крышки, мантия - котел, плиты - шатуны, - это было известно. Но все забывали о клапанах-регуляторах. Оказывается, континенты являются подвижными регуляторами, перераспределяющими тепловой поток и управляющими глобальными процессами (в частности,тектоникой океанических литосферных плит).
Уравнения переноса для системы "мантия-континенты".
Сформулировать новую модель недостаточно, нужны уравнения для количественного описания глобальной тектоники Земли.
Система уравнений конвекции в гравитирующей сфере с переменной вязкостью без континентов известна - это уравнения переноса импульса,энергии и массы для вязкой жидкости. Уравнение
Навье-Стокса - это уравнение Ньютона для вязкой жидкости: масса на ускорение равна силам, действующим на элемент жидкости (сила давления со всех сторон, сила вязкого трения и сила тяжести), - тяжелое опускается, легкое поднимается. Уравнение переноса тепла показывает, как
меняется температура, если тепло подводится, диффундирует и генерируется источниками. Уравнение сохранения массы показывает, как изменяется плотность, если вещество сжимается и со стороны притекает масса. В систему уравнений входит тензор вязких сил, зависящих от градиентов скоростей течений. Эта система конвекции известна уже целый век и интенсивно решается. Геофизики нашли новые методы решения, которые в ряде случаев даже превосходят методы, применяемые в технике.
Вышеуказанные уравнения конвекции описывают также возникновение океанической литосферы, потому что вязкость зависит от температуры и давления. Внутри мантии вязкость меньше, а вблизи холодной поверхности становится аномально высокой, поэтому океаническая литосфера возникает в мантии как слой с аномально высокой вязкостью. Отмечу, что в теории она пока не разбита на плиты, а представляет собой сплошную тягучую высоковязкую часть жидкой
мантии. (Ведущие ученые США и Европы активно занимаются построением теории конвекции с
эффективной вязкостью, учитывающей пластичность и разрушение вещества, чтобы включить в
расчеты процесс трансформных расколов океанической литосферы на плиты.)
Однако уравнения конвекции не включают континенты. Чтобы найти уравнения для движения континентов, нужно знать силы, действующие на континент (кроме силы тяжести и выталкивающей силы). До тех пор, пока эти силы не были известны, ученые пытались определить траекторию движения континента с помощью пассивного маркера в потоке жидкости. Но рассчитать вращение трехмерных континентов и их обратное влияние на мантию очень сложно. Если же мы будем использовать модель плавающих континентов, то силы легко найти по аналогии с теорией корабля. Подобно кораблю, на погруженную в мантию часть поверхности континентов действуют силы сцепления с жидкой мантией. Интеграл от сил вызывает поступательное движение континента вдоль осей х и у, а интеграл от их момента способствует вращению континента. Также используются кинематические соотношения, связывающие скорости и местоположение континентов. Скорости зависят от мантийных течений, а последние зависят от скоростей и место- нахождений континентов. Получается сложная, но замкнутая система уравнений . Причем температуру внутри континентов нужно также рассчитывать с учетом их движений. Система уравнений рассчитывается самосогласованно. Теперь можно узнать, как ведут себя твердые предметы, плавающие на нагреваемой конвективной жидкости с учетом всех механических и тепловых взаимодействий. Причем континентов много, поэтому учитываются также силы их взаимных столкновений и всевозможные повороты, что можно рассчитывать по точным уравнениям даже на сферической Земле.