Тяпкін К.Ф. Фізика Землі

Подождите немного. Документ загружается.

зробити висновок, що система розломів з азимутами простягання

17 і 287° за часом закладання є останньою з відомих шести

систем. Звідси зрозумілі її найчіткіший геологічний вияв, а також

відносно добра збереженість структур, пов'язаних із формуван-

ням розломів цієї системи.

З аналізу геометричних особливостей Уральської структурно-

фаціальної зони, як уже зазначалось, можна зробити висновок

про те, що системи розломів з азимутами простягання 305 і 35°,

332 і 62°, 347 і 11° повинні були існувати до початку закладання

ортогональної системи розломів. Досить цікаві азимутальні харак-

теристики різновікових елементів Уральської структурно-фаціаль-

ної зони в районах: Уральського виступу Східно-Європейської

платформи, Пай-Хоя і Північної Землі, детальний аналіз яких

міг би дати додаткові відомості про послідовність активування

досліджуваних розломів у часі. Сукупність відомих даних дає

змогу зробити висновок, що початкове виникнення ортого-

нальної системи розломів належить, безумовно, до докембрій-

ського часу і є п' я т о ю з неодноразово згадуваних шести си-

стем розломів.

Важливість цього висновку безсумнівна, однак він потребує

перевірки. Зокрема, деякі сумніви викликають дані про роль сис-

теми розломів з азимутами простягання 332 і 62° у формуванні

Уральської структурно-фаціальної зони. Може виявитись, що з

цією системою пов'язане утворення накладених структур і тоді

вони поміняються місцями за часом утворення з ортогональною

системою. Потрібні додаткові детальні дослідження цього питан-

ня, зокрема пошук інших прийомів визначення послідовності за-

кладання систем розломів та їхнього активування. Незалежно від

результату перевірки пропонованого висновку в разі остаточного

вирішення питання про порядок виникнення ортогональної сис-

теми розломів і системи розломів з азимутами простягання 332 і

62° буде зроблений ще один крок у з'ясуванні послідовності тек-

тонічних активувань тектоносфери, важливість якого важко пере-

оцінити.

2. Другий прийом грунтується на уявленні про те, що розломи

новоутворюваної системи, перетинаючи існуючі блоки, як прави-

ло, мають різні геологічні характеристики. У межах різних блоків

об'єднувальною ознакою таких розломів повинна бути витримана

за напрямком осьова лінія, а зміна характеристик повинна відбу-

ватися на межах блоків раніше виниклої системи (див. рис. 76, б).

Скориставшись цими уявленнями, на прикладі досить добре

вивченого Девладівського розлому можна показати, що закла-

239

давня ортогональної системи (0 і 270°) відбулося пізніше, ніж ді-

агональної (45 і 315°). Пізніше виникнення ортогональної систе-

ми порівняно з діагональною підтверджується і в інших районах

Українського щита [196].

3. Поряд з описаними вийте прийомами можна порекоменду-

вати ще один досить добре відомий прийом, що складається з

аналізу порущеності структурно-фадіатьних зон розломами пев-

них систем. .Якшо час утворення струклурно-фаціальних зон ві-

домий, то можна зазначити відносний час виникнення відповід-

ної системи розломів. Однак цей прийом потребує делікатнішого

поводження у зв'язку з можливими помилками внаслідок того,

що за час утворення розломів легко можна прийняти час одного з

їхніх активувань.

На завершення зазначимо, що сукупність відомих даних,

частину з яких наведено вище, дає змогу зробити висновок

про таку найвірогіднішу послідовність виникнення шести ві-

домих систем докембрійських розломів з азимутами простя-

гання: 305 і 35°, 315 і 45°, 332 і 62°, 347 і 77°, 0 і 270°, 17 і 287°.

Природно, що в зв'язку з надзвичайною важливістю цього ви-

сновку для теоретичної геотектоніки він потребує ретельної і

неодноразової перевірки на прикладах структур різних віку і

масштабу у різних регіонах.

б.4.Обертання Землі

і фізичні поля

Гравітаційне поле. У п.2.2 наведено основні співвідношен-

ня, що пов'язують елементи гравітаційного поля з формою

Землі, тому тут обмежимось лише відомостями, що характери-

зують її стиснення. Наявність стиснення Землі є є однією з

неодмінних умов справедливості Нової ротаційної гіпотези

структуроутворення. Воно визначається сукупним впливом по-

тенціалу притягання і потенціалу відцентрових сил. Величина

стиснення Землі, обчислена за даними аналізу орбіт штучних

супутників, виявляється такою, що дорівнює Уі9^> 25' ®

она

відрізняється від теоретичної величини стиснення гідростатич-

но зрівноваженої Землі (є

= всього на 0,5 %. Цей па-

раметр визначає глибину проникнення розломів у тектоносфе-

ру і характеризує супутні розломоутворенню геологічні явища.

Отже, знання законів зміни є впродовж геологічної історії дає

240

змогу оцінити інтенсивність тектонічних процесів на Землі в

різні теологічні епохи.

Різниці між величинами є і є

відповідає екваторіальне зди-

мання приблизно на 200 м більше за те, яким воно повинно бути

за гідростатичної рівноваги Землі. Уявлення про причини такого

явища у різних дослідників далеко не однакові. Так, У. Манк і

Г. Маклональд [115] вважають, що негідростатична форма еква-

торіального здимання викликана запізнюванням у набутті Земтею

рівноважної форми при поступовому зменшенні швидкості її

обертання у зв'язку зі значною в'язкістю нижньої мантії. З таким

трактуванням рішуче не погоджуються Голдрейх і Тумр [19]. Сам

факт існування «викопного» гідростатично незрівноваженого ек-

ваторіального здимання вони піддають сумніву на тій підставі, що

результати обчислень перебувають на межі їхньої точності. Для

наших цілей важливо підкреслити: 1) деякі відхилення реальної

форми Землі від її ідеальної гідростатичної моделі практично ніяк

не позначаються на геотектонічній концепції, яка розвивається;

2) у майбутньому, зі зростанням точності вимірювання гравіта-

ційного поля Землі, можна сподіватися на використання різниці

значень с і є

для оцінювання фізичних параметрів внутрішніх

оболонок Землі.

Магнітне поле. Пропонована модель магнітного поля Землі є

альтернативою найпоширенішій нині моделі гідромагнітного ди-

намо [21, 266 та ін.]. Вона сформувалася в процесі розробляння

Нової ротаційної гіпотези структуроутворення в тектоносфері і

грунтується на тому самому механізмі, що й текгогенез. Деякі її

елементи запозичені з моделі В.В Кузнецова [97]. Перш ніж ви-

класти її суть, сформулюємо основні вимоги, яким повинна задо-

вольняти будь-яка модель магнітного поля Землі. Вони грунтую-

ться на результатах вивчення особливостей земного магнітного

поля. Коротко ці вимоги полягають у такому.

1. Джерело магнітного поля повинне перебувати всередині

Землі і бути тісно зв'язаним з її ротаційним режимом.

Ця вимога випливає з відомих уявлень про те, що частка зов-

нішнього магнітного поля не перевищує 1 % спостережуваного на

поверхні Землі [243]. Взаємозв'язок магнітного поля з ротаційним

режимом Землі є наслідком певних закономірностей взаємного

розміщення магнітних полюсів Землі і полюсів її обертання. Зо-

крема, в п. 2.4 було показано, що вони не просто близькі між со-

бою, а середнє положення магнітних полюсів за інтервал часу

порядку 10

років відповідає середньому положенню полюсів

обертання за цей самий інтервал часу. Природно, модель повин-

241

на припускати можливість пояснення і різниці в їхньому поло-

женні.

2. Джерелом головного магнітного поля Землі може бути сис-

тема електричних струмів, які проходять всередині Землі.

Логіка цієї вимоги грунтується на тому, що температура у

внутрішніх оболонках Землі практично виключає феромагнітну

природу поля. У кращому разі залізо-нікелеве ядро Землі може

бути магнітним провідником. Отже, залишається єдина можли-

вість виникнення магнітного поля — внаслідок спрямованого пе-

реміщення електричних зарядів (електричних струмів).

3. Система електричних струмів у першому наближенні по-

винна відповідати магнітному полю центрального диполя.

Ця вимога випливає з основних властивостей головного маг-

нітного поля. Магнітне поле, що спостерігається на поверхні Зем-

лі, у першому наближенні відповідає полю магнітного диполя,

вміщеного у центрі Землі, й ускладнюється полем світових магні-

тних аномалій Т

, інтенсивність яких досягає чверті максималь-

них значень дипольного поля.

4. Модель магнітного по.ля повинна пояснювати інверсії поля

га його варіації в часі.

Інверсії магнітного поля Землі — це експериментально вста-

новлений факт. Тому не можна визнати модель правомірною,

якщо за її допомогою неможливо пояснити це явище. Відомо, що

магнітне поле Землі зазнає періодичних варіацій зі спектром пе-

ріодів, починаючи від добових, річних, 11- і 22-річних і закінчую-

чи багатомільйонними. Більше того, для наших цілей важливо

підкреслити, що періоди варіацій земного магнітного поля збіга-

ються з періодами багатьох геологічних явищ на Землі й астроно-

мічних — у Космосі. Магнітний момент Землі також не залишає-

ться сталим. Усі ці особливості повинні знайти своє пояснення.

5. Для підтримання магнітного поля Землі потрібне постійне

джерело енергії.

Це стандартна вимога для будь-якої енергетичної системи.

Важливо, щоб це джерело мало реальну фізичну природу і його

енергії вистачало для підтримування процесу генерування магніт-

ного поля Землі.

Розглянемо фізичний зміст пропонованої моделі. За джерело

електричних струмів приймемо електричні заряди, що виникають

на двох внутрішніх межах Землі (рис. 87, а): 1) на межі внутріш-

нього ядра із зовнішнім (шар Р у моделі Булл єна); 2) на межі зов-

нішнього ядра з мантією. Ці межі (тонкі шари) є зонами стикан-

ня твердої і рідкої фаз внутрішньої речовини Землі. Розділення

242

Пн

Рис. 87. Фізична модель Землі (в) та її параметри, іцо використовуються для

розрахунків (б):

—

внутрішнє ядро; II — зовнішнє ядро; III

—

мантія; IV — атмосфера

ня зарядів на них можливе внаслідок перебігу будь-якого процесу

дифузії або тепдомасоперенесення [97]. Не зупиняючись на цьо-

му детально, зазначимо, що таке розділення зарядів зумовлює

утворення подвійного електричного шару. Якщо обкладки такого

подвійного шару переміщуватимуться одна відносно одної, то ви-

никне система двох різноспрямованих електричних струмів. За

сталої щільності зарядів на поверхні подвійного електричного

шару сила струму буде пропорційною швидкості відносного про-

вертання його обкладок.

Крім цього, можливе виникнення електричних зарядів на пев-

них межах в атмосфері, зокрема в іоносфері. Судячи з того, що

на сусідніх планетах земної групи простежуються глобальні пере-

міщення атмосферних шарів, не виключена можливість віднос-

ного провертання іоносфери Землі, внаслідок якого виникають

струми — джерела магнітного поля. Водночас зрозуміло, що вне-

сок іоносфери у формування магнітного поля Землі не може бути

більшим за компоненту зовнішнього поля, яке, як уже зазнача-

лось, оцінюється величиною порядку 1 %. Отже, надалі цим еле-

ментом магнітної моделі Землі в першому наближенні можна

знехтувати.

!6«9-38

243

Обговоримо насамперед модель генерування сучасного

магнітного поля Землі. З цією метою виберемо механізм провер-

тання одних оболонок відносно інших. За такий механізм можна

взяти той самий, що й для тектогенезу (див. розд. 2). Виходячи з

сучасних уявлень про будову Землі, можна назвати декілька по-

верхонь всередині Землі, вздовж яких можливі відносні перемі-

щення (див. рис. 87, а): 1) межа внутрішнього ядра із зовнішнім

(у межах шару Л; 2) весь інтервал зовнішнього ядра; 3) межа яд-

ро—мантія; 4) межі в атмосфері, зокрема в іоносфері. Мабуть пе-

реміщення можуть відбуватися на всіх перелічених межах, однак

їхня роль в утворенні магнітного поля Землі різна. Розглянемо це

детальніше.

З раніше записаних рівнянь (5)—(8) випливає, шо зміна кутової

швидкості обертання внутрішнього ядра Аоі. відносно середньої

швидкості обертання Землі ш

на три порядки більша за зміну куто-

вої швидкості обертання решти Землі Лш

2+3

. За величину Аш, можна

взяти кутову швидкість так званого «західного дрейфу» магнітного

поля, значення якої, за даними різних дослідників, коливається від

0,05 до 0,3 °/рік. За найвірогідніше значення звичайно беруть

0,18 °/рік. Величина Лм

2+3

, мабуть, має складнішу природу. Зокрема,

вона змінна. Це пов'язано з можливим проковзуванням шарів у ме-

жах квазірідкого зовнішнього ядра (див. рис. 87, а). Закон зміни ку-

тової швидкості в межах зовнішнього ядра невідомий. Найвірогідні-

ше монотонне її зменшення від 0,13 • 10

°/рік на межі внутріш-

нього ядра до якоїсь величини Дю^ на межі зовнішнього ядра і ман-

гії. Мінімальне значення Асо

1+2

— це сповільнення обертання Землі,

що фіксується нині (порядку' 10

°/рік), а максимальне значення

Дш

1+2

можна отримати, прийнявши, що провертання ядра відносно

мантії відбувається саме на цій межі. І хоча це припущення далеке

від реальності, однак навіть у цьому разі швидкість провертання ядра

відносно мантії Дю

1+2

перевищуватиме величину зміни кутової швид-

кості зовнішньої оболонки (поверхні Землі) всього у 8,4 раза. У

зв'язку з цим можливе граничне значення сили струму на межі ядра

і мантії (з припущенням однакової щільності електричних зарядів,

які виникають на поверхнях зовнішнього і внутрішнього ядер і з

урахуванням різниці радіусів) не може перевищувати 1 % сили стру-

му на межі внутрішнього ядра (шару Р). Отже, у першому набли-

женні ним також можна знехтувати.

Як бачимо, намічається найпростіший генератор магнітного

поля, що складається з ротора (внутрішнє ядро) і статора

(сукупність зовнішнього ядра і мантії). За поверхню, по якій про-

244

ходить струм, беруть шар Р, на межі якого виникає подвійний

електричний шар. Причому обидві різнойменно заряджені об-

кладки подвійного електричного шару в системі координат, що

обертається разом із Землею, рухаються назустріч одна одній

(див. рис. 87, а), але з різною кутовою швидкістю: внутрішня зі

швидкістю А®. = 0,18 °/рік, а зовнішня — зі швидкістю приблиз-

но на три порядки меншою, що досить мало відрізняється від ку-

тового сповільнення обертання Землі. Отже, магнітне поле на по-

верхні Землі створюється, в основному, електричним струмом,

зумовленим переміщенням зарядів, пов'язаних із внутрішньою

обкладкою подвійного електричного шару. Внесок електричного

струму зарядів, пов'язаних із зовнішньою обкладкою подвійного

електричного шару, менший за 1 % і в цьому разі не враховується.

Вище було розглянуто модель генерування існуючого сучас-

ного магнітного поля Землі. А який же механізм виник-

нення магнітного поля Землі на початковому етапі її розвитку?

В рамках пропонованої моделі це можна уявити так. Магнітне

поле Землі могло виникнути лише з моменту утворення в ній яд-

ра, здатного провертатися відносно мантії. Необхідна початкова

намагніченість залізо-нікелевого ядра могла бути дуже незнач-

ною, і для її виникнення, мабуть, достатньо було індукції магніт-

ного поля Галактики. Наступна взаємодія слабкомагнітної Землі з

магнітним полем Галактики, відповідно до описаної вище моделі,

довели магнітне поле Землі до величини, сумірної сучасній.

Для обгрунтування пропонованої моделі розглянемо, насам-

перед, її енергетичний баланс. Відомо, що енергія сучасного маг-

нітного поля Землі оцінюється величиною порядку З • 10

і9

Дж.

Енергію тіла, що обертається, IV можна обчислити за формулою

1Г=Д/со

, (30)

де І

—

момент інерції тіла; а — кутова швидкість тіла.

Прийнявши для внутрішнього ядра ю = Асо, = 0,18 °/Рік і

врахувавши його момент інерції, з виразу (30) знайдемо кіне-

тичну енергію відносного провертання внутрішнього ядра. Во-

на виявляється такою, що дорівнює 4,2 - 10

Дж. Іншими сло-

вами, кінетична енергія відносного провертання внутрішнього

ядра не лише збігається за порядком величини з енергією маг-

нітного поля Землі, а й виявляється навіть дешо більшою за

неї. Важливість цього результату важко переоцінити, оскільки

задовільне співвідношення енергетичних балансів провертання

245

внутрішнього ядра і земного магнітного поля є необхідною

умовою справедливості пропонованої моделі. Отже, з енерге-

тичних позицій пропоновану модель можна вважати

обгрунтованою.

Зіставимо поле пропонованої моделі з полем центрального

диполя. З цією метою, користуючись відомою формулою Ло-

ренца для обчислення напруженості магнітного поля, зумовле-

ного зарядами, що обертаються, запишемо вирази його раді-

альної II

і тангенціальної //

компонент у сферичних коорди-

натах К, 0, X з початком у центрі Землі і полюсом на осі обер-

тання. В точках на поверхні Землі з координатами К і 0] вира-

зи компонент напруженості магнітного поля, зумовленої внут-

рішньою обкладкою подвійного електричного шару, матимуть

такий вигляд (див. рис. 87, б):

де со — кутова швидкість провертання внутрішнього ядра, яка бе-

реться такою, що дорівнює ДсО]; а — поверхнева щільність зарядів

обкладки подвійного електричного шару; с — коефіцієнт, що

чисельно дорівнює швидкості світла (решта позначень див. на

рис. 87, б).

Обидва вирази цієї системи рівнянь є інтегралами еліптич-

ного типу і в загальному випадку у кінцевому вигляді не беруться.

Точні значення Н

і //

можна отримати лише в двох випадках: на

полюсі (0, = 0°) і на екваторі (8і = 90°):

Компоненти напруженості магнітного поля центрального

диполя з магнітним моментом М у вибраній системі координат

мають вигляд

2коа\со | 5іп

0(/?соз0

- а

соз0)(Л - асозО] созв)сЮ

о (К

+ а? соз

0 - 2Кщ СО50! СО80)%

лаКаїм зіпО ї зіп

0(7? а

созО; созО)^

0 (К

\ аі соз

0 - 2Яа, соз0! соз0)

, (31)

(32)

246

(33)

Результати зіставляння компонент напруженості магнітного

поля пропонованої моделі й осьового диполя наведено на рис. 88.

Для зручності порівняння і ті, й інші зображено в одному віднос-

ному масштабі — в одиницях ІІ

(Є] = 0°). Значення П

і Я

моде-

лі у довільних точках обчислені наближено. Відносна похибка об-

числень не перевищує і %. З рис. 88 випливає, що обидва порів-

нювані поля (моделі і диполя) практично ідентичні. Максимальна

відносна розбіжність компоненти Н

не перевищує 4 %, а Д, — 2 %.

Отже, магнітне поле пропонованої моделі задовольняє ще одній

із зазначених вище вимог. Правомірність пропонованої моделі

певною мірою можна оцінити й за тим, наскільки розумною буде

потрібна щільність електричних зарядів, що виникає в шарі Р,

необхідна для генерування сучасного магнітного поля Землі.

Прийнявши у полюсі обертання II

- 10

А/м, з першого

виразу системи рівнянь (32) отримаємо значення а

—

1 • 10

Кл/м

За товщини шару /'"порядку 100 км середня щільність електричних

зарядів у кожній його половині становить порядку 2 • 10

Кл/м

Це цілком досяжна величина.

Для пояснення інверсій магнітного поля звернемося знову

до виразу (28). Він записаний для випадку гальмування зовнішніх

оболонок Землі II і III (див. рис. 87) і відповідного йому приско-

рення внутрішнього ядра /. Якщо сповільнення зовнішніх оболо-

нок змінюється на прискорення, то зміна знака перед Лю

+з авто-

матично викличе зміну знака перед значенням Лга,, тобто напря-

мок електричного струму зміниться на протилежний. Отже, змі-

ниться полярність магнітного поля. В процесі переходу від

сповільнення до прискорення (і навпаки) кутові швидкості внут-

рішнього ядра і зовнішніх оболонок будуть проходити через

значення ю

. У цей час проковзування внутрішнього ядра не буде

і магнітне поле щезне. Судячи з результатів вивчення інверсій

магнітного поля, це явище триває порядку 10

років, а сам процес

інверсії здійснюється впродовж 10

років.

Природно, виникають запитання: чи відбуваються такі зміни

у кутових швидкостях обертання Землі й окремих її оболонок та

яка їхня природа? Позитивну відповідь на перше запитання да-

ють сучасні інструментальні вимірювання кутової швидкості

обертання Землі, що проводяться впродовж останніх 200 років.

Простежуються коливання тривалості доби з періодом порядку

4л

247

Рис. 88. Графіки виносної зміни компонент напруженості магнітного поля прий-

нятої моделі Землі і значення цих компонент для центрального осьового диполя

(зображено точками )

70 років, на які накладаються їх зміни з річним періодом. Одним

із джерел варіювання кутової швидкості обертання Землі з дов-

шими періодами є зміна положення внутрішнього ядра відносно

геометричного центра Землі. За уявленнями І.М. Пудовкіна і

Г.Є. Валуєвої [162, 163], вони відбуваються з періодами порядку

600 або 1 200 років. Зміна положення внутрішнього ядра відносно

осі обертання Землі змінює її момент інерції. Отже, для збере-

ження моменту кількості руху у просторі повинна змінюватись

кутова швидкість обертання Землі.

Із довгоперіодних змін кутової швидкості обертання Землі

можна назвати її варіювання з періодом у галактичний рік. Як

довів В.А. Цареградський [224], впродовж галактичного року від-

буваються послідовно сповільнення і прискорення обертання Зем-

лі з деяким переважанням сповільнення над прискоренням. Ма-

буть, з цим пов'язане переважання прямої полярності магнітного

поля над зворотною. Визначення природи циклічних варіювань

кутової швидкості обертання Землі з коротшими періодами — за-

вдання найближчого майбутнього.

248