Тяпкін К.Ф. Фізика Землі

Подождите немного. Документ загружается.

+ *

+ + н

+ +

+ • -

".-"-Т.-Г-

АН

/ N

| «

у у у у у 1

У »

М^тю

У У

ятя

м,

М,

ність кореляхш висот геоїда з

сучасними структурними пла-

нами материків і океанів при-

зводить до висновку про те,

що протягом геологічної істо-

рії ці плани неодноразово

змінювались. Початок фор-

мування сучасного плану ма-

териків і океанів, мабуть, на-

лежить до кінця палеозою —

початку мезозою.

4. Кора океанічного типу

формується із звичайної

континентальної в процесі

утворення океанічних запа-

дин. Розглянемо наслідки,

до яких призводить опус-

кання одного з блоків на

величину АЯ (рис. 71). Якби

опускання блока могло від-

буватися без викликання

певних фізико-геологічних

явищ, зокрема без зміни фі-

зичних умов у районі межі

Мохоровичича М, остання

виявилася б опущеною на

величину А Н. Насправді

внаслідок опускання океаніч-

них блоків, що відбувається

в режимі розтягу, порушує-

ться рівноважний стан Зем-

лі, що обертається (геоізо-

стазія [199, 279]). Це пору-

шення, як уже зазначалось, частково компенсується шаром

води, а решта — підводними магматичними виливами, що

утворюють другий океанічний шар [19]. Виникнення магми

зумовлено декомпресією глибинних частин тектоносфери вна-

слідок проникнення в них розломів, які одночасно є й кана-

лами для транспортування її до поверхні Землі. Законом, що

регулює цей процес, є закон збереження моменту кількості ру-

ху в межах секторів Землі, що обертається, вирізаних однако-

вими центральними тілесними кутами [199, 279].

Рис. 71. Сейсмогеологічні моделі конти-

нентальної (ліва частина рисунка) і океані-

чної (права частина рисунка) земної кори:

1—3

—

відповідно верхній, проміжний і нижній

поверхи, що характеризуються швидкістю поши-

рення поздовжніх пружних хвиль від 5,5 до 6,3—

6,4 (і), 6,4 -6,7 (2) і 6,8-7,7 км/с (3) (К

сейсмічні межі між поверхами; М,

—

межа М, що

відповідає підошві континентальної земної кори;

—

межа М,

5— 7 —

шари океанічної кори (5

—

водний, 6 — шар 1, представлений переважно

глибоководними осадами, 7

—

шар 2, сформова-

ний переважно базальтовими лавами); 8

—

дай-

коподібні утвори, що пронизують верхні поверхи

колишньої континентальної кори і перетворюють

їх на аналог її нижнього поверху (М

—

нове

положення межі М)

199

Описаний вище процес призводить до насичення дайкоподіб-

ними матеріалом верхнього шару континентальної кори (див. рис.

71, права частина), внаслідок чого змінюються його фізико-

геологічні характеристики: збільшується швидкість поширення

пружних хвиль, що досягають значень, які відповідають швидко-

стям у так званому «базальтовому» шарі континентальної кори;

виникає нова сейсмічна межа М

, із властивостями, аналогічними

властивостям межі М у континентальній корі. На основі цього

сучасні дослідники приймають верхню частину колишньої конти-

нентальної кори, розміщену вище від нової межі М

, за так звану

«океанічну» кору.

Описаний вище механізм утворення океанічної кори пояс-

нює багато її особливостей. Зокрема, стає зрозумілою відсут-

ність так званого «гранітного» шару в океанічній корі і мала її

потужність. Наявність дайкоподібних утворів у перетвореній

корі практично не порушує балансу порід кислого й основного

складу, з яких вона складається, а отже, не змінює величину

теплового потоку крізь неї.

Водночас доцільно звернути увагу на проблеми, що виника-

ють у зв'язку з викладеним.

А. Межа М ідентифікується з підошвою кори не лише в сейс-

мологічній моделі, айв інших. Зокрема, в петрологічній моделі

межу кора — мантія розглядають як межу поширення певних

комплексів або їхніх модифікацій. Як пов'язати у цій моделі пе-

рехід з однієї межі

(

Л/,) на іншу (М

Б. За будь-яких глобальних тектонічних побудов для відтво-

рення історії розвитку земної кори шуканим повинно бути поло-

ження межі М

{

, а не заново утвореної М

. Однак сучасний підхід

до вивчення глибинної будови тектоносфери орієнтований на ви-

значення межі М

. Завдання пошуку межі Л/, у принципі можли-

ве, але воно навіть не ставиться.

5. Стосовно подібності і відмін тектонічних процесів на мате-

риках і в океанах, зазначимо, що під час викладення принципів

структуроутворення в тектоносфері ніде не використано особли-

вості, пов'язані з відмінністю материків і океанів. Більше того,

підкреслюється, що місцеположення, форма і розміри як матери-

ків і океанів, так і локальних структур у їхніх межах, практично

визначаються не фізико-геологічними особливостями частини

тектоносфери, що деформується, а особливостями поля планетар-

них напруг у тектоносфері, з розряджанням якого пов'язане утво-

рення цих структур. Іншими словами, закони структуроутворення

в межах усієї нашої планети багато в чому однотипні.

200

До наведених вище конкретних прикладів єдності формуван-

ня тектонічних структур на материках і в океанах можна додати

таке. Описаний процес перетворення «материкової» кори на

«океанічну» відбувається і в типово континентальних умовах.

Утвори типу другого океанічного шару на материках подані тра-

пами або платобазальтами. Більше того, як довела Г.Ф. Макарен-

ко [110], у декількох прибережних провінціях трапи з материка

безпосередньо переходять у другий океанічний шар. Деякі відмі-

ни, що виявляються у складі океанічних і континентальних база-

льтів, зумовлені різною глибиною проникнення розломів, що іні-

ціюють виникнення магми в тектогенезі,

5.3. Можливі причини переміщення ПОЛЮСІВ

і основні постулати Нової ротаційної гіпотези

стру кту роутво ре н н я

В основу Нової ротаційної гіпотези структуроутворення по-

кладено уявлення про розряджання напруг, які виникають у тек-

тоносфері переважно внаслідок зміни положення осі (полюсів)

обертання Землі відносно її поверхні Дані про ш переміщення

отримано експериментально і їх можна було б використовувати

без з'ясування причин, які призводять до таких переміщень. Од-

нак вони мають деякі особливості. Зокрема, положення географі-

чних полюсів визначається в дуже обмеженому інтервалі часу

(друга половина минулого і протягом нинішнього століття). Тому

можливість перенесення встановлених закономірностей на гео-

логічні епохи потребує доказів. Патеомагнітні полюси власне й

належать до певних геологічних епох, однак виникає проблема

їхньої ідентифікації з географічними полюсами (полюсами обер-

тання). Звідси важливість з'ясування причин переміщення полю-

сів по поверхні Землі не викликає сумнівів.

Земля є частиною Сонячної системи, яка, в свою чергу, с од-

ним із елементів Галактики. Отже, будь-які висновки про зако-

номірний розвиток Землі повинні грунтуватися на рівняннях ди-

намічної рівноваги, що визначають взаємодію Землі з фізичними

полями Галактики. Зокрема, Земля — магніт, переміщуючись у

змінному магнітному полі Галактики, повинна зазнавати певного

обертального моменту. Водночас Земля — гіроскоп, момент кіль-

кості руху якого у просторі повинен зберігатися. Задовольнити

обом цим вимогам одночасно можна лише за умови відносного

переміщення різних частин Землі. Переміщення полюсів обер-

тання по поверхні Землі можливе ли ше за діє/ умови.

201

Виходячи з сучасних уявлень про внутрішню будову Землі,

модель якої подано на рис. 72, а, найвірогідніше провертання

внутрішнього ядра відносно мантії, відокремлених одне від од-

ного зовніїїшім ядром, що перебуває у квазірідкому стані.

Для отримання уявлення про можливий порядок відносних

переміщень запишемо вираз моменту кількості руху Землі М

вигляді суми моментів кількості руху внутрішнього ядра і зовніш-

нього ядра разом з мантією

= /, «і + /

2+3

а>2+з, (26)

де /І — момент інерції внутрішнього ядра; /

2+3

— момент інерції

решти Землі; со

— кутова швидкість обертання внутрішнього яд-

ра; о>2+з

—

кутова швидкість обертання решти Землі.

Якби на систему, що обертається з середньою швидкістю <в

не діяли зовнішні сили, то жодних відносних переміщень її обо-

лонок не спостерігалося б. Величина М

зберігала б суворо стале

значення за величиною і напрямком. Дія зовнішніх сил порушує

суворість цього рівняння, справедливого лише для замкнених ме-

ханічних систем. Тому для нашої мети вираз (26) умовно можна

записати у вигляді

і о»,

+ /

2+3

-> соп5і. (27)

До відносного переміщення оболонок Землі призводить праг-

нення до збереження сумарного моменту кількості руху в просто-

рі. Якщо одна частина Землі під дією певних сил змінить свою

кутову швидкість на Ао)!, то інша її частина повинна також зміни-

ти свою кутову швидкість на величину АШ

2+3

, але в протилежному

напрямку:

1 -

0 +

А©!

(28)

® 2+3 = ®0 ~

®2+З.|

Прагнення зберегти величину М сталою повинно призводити

до зміни кутових швидкостей, що визначаються співвідношенням

„

2+3 ^ ,

А©

10". (29)

2+3

Іншими словами, прискорення або сповільнення обертання внут-

рішнього ядра відносно середньої швидкості обертання Землі ю

характеризується величинами, які на три порядки перевищують

величини зміни кутової швидкості зовнішньої оболонки. Отже,

однією з можливих причин переміщення полюсів по поверхні

202

о.

Землі є її взаємодія з навколишнім магнітним полем Галактики,

яке складається із впливу найближчої зірки —- Сонця та решти

зірок.

Відомо, що магнітне поле міжзоряного простору в районі

Сонячної системи характеризується значеннями від часток до

і нТл, а магнітне поле Сонця в районі Землі — приблизно на

один-два порядки вище [1]. Цим, зокрема, можна пояснити

перші (річні) петлі на траєкторії полюса, швидкість перемі-

щення вздовж яких на один-два порядки вища порівняно з

компонентою поступального переміщення, на фоні якого вони

спостерігаються (див. рис. 5).

Проблема переміщення полюсів широко обговорювалася в

літературі. Особливу гостроту дискусії викликало запитання

про можливість значних переміщень полюсів упродовж гео-

логічних епох. Зокрема, висловлювалась думка про відсутність

у природі зовнішніх сил, здатних змінити орієнтацію Землі

відносно осі її обертання. Для цього використовуватись ре-

зультати численних розрахунків моменту, потрібного для роз-

вертання земної кулі. Мабуть, цим самим слід пояснювати і

той факт, що навіть прибічники залучення ротаційних сил [80,

105, 183, 224 та ін.] у своїх гіпотезах використовують, в основ-

ному, параметр зміни кутової швидкості Землі за умови ста-

лого положення осі її обертання.

На думку автора, непорозуміння полягає у невдалому виборі

моделі Землі для розрахунків. Землю вважали цілком твердою. У

цьому разі справді важко уявити сили, здатні спричинити пере-

міщення осі обертання відносно земної поверхні. У моделі, яку

використовує автор (див. рис. 72, а), йдеться про відносне змі-

щення ядра і мантії. Причому це зміщення відбувається за раху-

нок інерційного намагання зберегти момент кількості руху систе-

ми «Земля» у просторі, а додаткові зусилля потрібні лише для по-

долання сил зчеплення речовини квазірідкого зовнішнього ядра,

що на декілька порядків менше від зусилля, потрібного для роз-

вертання всієї Землі загалом. Елементарні розрахунки показують,

що для цього цілком достатньо сили взаємодії земного диполя з

космічним магнітним полем інтенсивністю порядку 1 нТл. Отже,

це заперечення не можна визнати по суті.

Мабуть, найліпшим підтвердженням можливості значних пе-

реміщень полюса можуть бути палеокліматичні і палеогеологічні

дані, що безсумнівно свідчать про такі переміщення полюсів, які

зумовлювали б зміну місць полярних і екваторіальних областей.

Причому пояснення цих явищ прибічниками Нової глобальної

204

тектоніки (тектоніки плит) диференціальними переміщеннями

окремих плит для нашої мети формально не змінює суті справи,

оскільки в Новій ротаційній гіпотезі структуроутворення викори-

стовуються напруга, що виникають за рахунок відносних перемі-

щень певних ділянок тектоносфери і полюса. Цілком байдуже,

переміщується окрема плита відносно полюса чи полюс відносно

плити. Не обговорюю™ у цьому разі запитання про справедли-

вість концепції тектоніки плит по суп, зазначимо, що наявність

чи відсутність диференціальних переміщень окремих ділянок тек-

тоносфери не може бути запереченням значних переміщень по-

люсів.

Вважаємо доречним навести висновок М.М. Страхова [185]

відносно переміщень осі обертання Землі, якого він дійшов на

основі вивчення палеокдіматичної зональності: нині ці перемі-

щення є вже не домислом, не смішвим здогадом, як це було до-

недавна, не умоглядною концепцією, яку можна було ігнорувати

під час суто емпіричного вивчення деформацій земної кори; те-

пер — це факт. І як будь-який вірогідно встановлений, до того ж

достатньо вагомий факт, його не можна більше ігнорувати під час

вивчення тектогенезу; він повинен привернута до себе активну

увагу дослідників.

Багато дослідників шукало причини значних переміщень по-

люсів у межах самої Землі. Зокрема, як такі причини аналізували:

сезонні варіації розподілу повітряних мас [115, 175 та ін.], взає-

модію атмосфери з океаном [113 та ін.], денудацію земної повер-

хні [122 та ін.], деформацію земної поверхні, переміщення окре-

мих її частин [142, 254 та ін.], землетруси [251 та ін.], конвективні

течії в мантії [272 та ін.] та інші причини.

Отримано досить суперечливі результати, однак більшість до-

слідників дійшла висновку, що розглядуваний ними фактор не

може бути самостійною причиною значного переміщення полю-

сів, оскільки енергетичний внесок цього фактора становить лише

частку потрібної енергії. І це не випадково. З погляду автора, у

наведеній вище постановці завдання причина і наслідок

помінялись місцями. Усі перелічені явища не можуть відбуватися

самовільно, без усякої на те причини. Більше того, спрямованість

усіх цих явищ повинна бути такою, щоб забезпечувати мінімум

внутрішньої енергії нашої планети, а в цьому разі, навпаки, йде-

ться про їхнє активування. Все стає на свої місця, якщо дефор-

мацію тектоносфери, її розломи, землетруси, глобальні перемі-

щення водних і повітряних мас на земній поверхні вважати реак-

ціями на зміну ротаційного режиму Землі, зумовленого зовнішні-

205

ми силами. У цьому разі сумарна енергія перелічених процесів

повинна дорівнювати енергії, викликаній варіацією ротаційного

режиму Землі.

Стосовно можливості використання палеомагнітних даних для

відтворення траєкторії руху полюсів обертання Землі, нагадаємо

вже викладену теорему. Середнє положення магнітних полюсів за

інтервал часу порядку 10

років відповідає середньому положенню

географічного полюса [259, 264 та ін.]. Її можна розглядати як

статистичний взаємозв'язок між положеннями магнітних і гео-

графічних полюсів. Функціональний взаємозв'язок між ними буде

викладено в наступному розділі.

Встановлений статистичний взаємозв'язок між положеннями

магнітних і географічних полюсів відкриває принципову можли-

вість використання палеомагнітних даних для відтворення траєк-

торії перемицення географічних полюсів по поверхні Землі. Цей

висновок підтверджується також результатами сумісного аналізу

палеомагнітних і палеокліматичних даних [172, 208 та ін.]. Де-

тальний аналіз палеомагнітних і палеокліматичних даних по кар-

бону і пермі Східно-Європейської платформи наштовхнув

М.М. Форш і О.М. Храмова на такий висновок [214]. Зміна гео-

графічних широт відбувалася не лише на межах між каледонсь-

ким, герцинським і альпійським циклами, що переконливо об-

грунтовано М.М. Страховим, а й стало постійним фактором гео-

логічної історії, що істотно виявляється від віку до віку і навіть у

середині окремих віїсів. Коментарі до цього висновку зайві.

Водночас слід підкреслити, що реалізація можливості викори-

стання палеомагнітних даних для відтворення траєкторії руху

географічного полюса по поверхні Землі є далеко не простим за-

вданням. Воно наштовхується на низку складних проблем,

пов'язаних з практичними прийомами визначення палеомагніт-

них полюсів, урахування похибок таких визначень за рахунок

впливу недипольних компонент магнітного поля Землі в давні

геологічні епохи зі зміною форми геоїда, що відбулися за час від

досліджуваної епохи до наших днів [222 та ін.].

Суперечливі уявлення дослідників про можливість значних пе-

реміщень полюсів по поверхні Землі, мабуть, вплинули й на хід тео-

ретичної думки. Ситуацію, що склалася на початок 60-х років на-

шого століття, В. Манк [271] схарактеризував так. Вони (фізики) на-

вели незаперечні докази, що рух полюса неможливий, коли палео-

магнітні дані слабко його підтримували; а тепер, коли з'явилися до-

сить переконливі палеомагнітні дані, вони знайшли не менш неза-

перечні причини, згідно з якими інакше й бути не могло.

206

Дещо збоку від досліджуваної проблеми переміщення по-

люсів знаходиться зауваження академіка Ю.О. Коситіна стосо-

вно суті Нової ротаційної гіпотези структуроутворення

(особисте повідомлення), зміст якого полягає в такому. Якби

тектонічні активування здійснювались лише за рахунок рота-

ційних сил, то всі структури на Землі, як це випливає з рис. 61, а,

розміщувалися б симетрично відносно її центра, а це насправ-

ді не спостерігається.

Варто погодитись з Ю.О. Косигіним, що ротаційні сили не

можна вважати єдиними, за рахунок яких відбувається структуро-

утворення в тектоносфері. Однак, виходячи з того, наскільки ві-

домі емпіричні закономірності структуроутворення відповідають

теоретичній концепції, внесок ротаційних сил у цей процес по-

винен бути значним.

До цього слід додати, що формування тектонічних структур у

тектоносфері, симетрично розміщених відносно полюсів, перед-

бачається, виходячи з уявлень про симетричну будову Землі. На-

справді це лише перше наближення. Як випливає з праць Г. Вар-

та [247], І.М. Пудовкіна [161, 215 та ін.], внутрішнє ядро, з яким

пов'язують так званий «магнітний центр», розміщується не в гео-

метричному центрі Землі, а зміщене відносно нього на 436 км.

Ця особливість, безперечно, повинна впливати на розподіт на-

пруг у тектоносфері і закономірності їхнього розряджання. Як

вона позначиться на геометричному розподілі структур, що фор-

муються в тектоносфері, не зрозуміло.

Постулати. Будь-яка наукова концепція грунтується на певних

фундаментальних положеннях, що випливають з досвіду попере-

дніх досліджень і приймаються звичайно без спеціальних дове-

день. Ці положення прийнято називати постулатами. В основу

Нової ротаційної гіпотези покладено такі постулати.

1. Джерелом енергії, що зумовлює тектонічне активування Зем-

лі, є сили взаємодії нашої планети з полями Космосу, які її оточу-

ють.

Основою для введення такого постулату стали викладені ниж-

че міркування. Під дією сил гравітації та екзогенних процесів ко-

жна дітянка земної поверхні прагне до пенеплену, а поверхня

Землі загалом — до фігури рівноваги, що має мінімум внутріш-

ньої енергії. Згідно з законами механіки, вивести зі стану рівно-

ваги будь-яку систему і, зокрема, порушити спрямованість проце-

сів, що відбуваються на Землі, внутрішні сили неспроможні. З

позицій геолога до цього самого висновку приводить неможли-

вість пояснення описаних вище закономірностей планетарного

207

розміщення лінійних тектонічних структур та взаємозв'язку гео-

логічних і космічних циклів.

Отже, джерело енергії структуроутворення може бути ТІЛЬКИ

зовнішнім. Природно, його слід шукати у вигляді взаємодії

Землі з фізичними полями, що оточують її: гравітаційним, магні-

тним, електричним, електромагнітним. Ця взаємодія повинна ви-

кликати реакцію всіх елементів Землі, зокрема ядра і мантії Така

природа внутрішніх сил, які іноді вважають за першоджерело.

Мабуть, взаємозв'язок зовнішніх і внутрішніх сил визначає енер-

гетичний баланс будь-яких тектонічних перебудов Землі.

2. Планетарні закономірності структуроутворення, що спосте-

рігаються у верхній частині тектоносфери, визначаються законами

деформацій (реакцією на зовнішні сили) мантії або, принаймні,

всієї тектоносфери потужністю не менш ніж

00 км.

Основою для цього постулату є таке. З позицій механіки на зов-

нішній вплив повинна реагувати кожна оболонка Землі. Зо-

крема, це стосується і мантії, хоча результати реакції окремих

її частин можуть дещо відрізнятися. Мабуть, основну частину

деформацій приймає на себе тектоносфера. Саме ця, найпруж-

ніша частина мантії і визначає закони деформації Землі, тому

що напруги, які виникають у нижній мантії, частково релак-

суються за рахунок більшої її пластичності. Земна кора, хоча й

бере участь сумісно з усією тектоносферою в реакції на зовніш-

ній вплив, не може бути визначальною через відносно малу

потужність (див. рис. 72, б). Отже, виникнення і закономірно-

сті просторового розміщення глибинних розломів, блокування

земної кори, визначатимуться пружними властивостями текто-

носфери. За рахунок більшої крихкості земної кори (порівняно

з рештою тектоносфери), у ній повинні бути додаткові розриви.

Наведені вище роздуми підтверджуються відомими геологічними

фактами, зокрема, подібністю різночасних систем розломів на

Українському щиті, що відокремлюють блоки першого порядку з

розмірами сторін (140 ± 10) км [75, 203]. Про це саме свідчить і пра-

вильна подільність блоків першого порядку на блоки вищих поряд-

ків, розміри сторін яких досягають перших кілометрів, а результати

вивчення планетарної шпаруватості приводять до ще менших інтер-

валів між окремими розривами, паралельними глибинним роаломам

[239, 240]. Звідси можна зробити висновок про те, що деформація

тектоносфери (разом із земною корою) повинна нагадувати схему,

зображену на рис. 72, в. Про це саме свідчать і східчасті межі блоків,

що спостерігаються в сучасних структурах, зокрема на межі Україн-

ського щита і Дніпровсько-Донецької западини.

208