Парадоксы геофизики-2. Геофизика с химической точки зрения.

Эта статья является дополнением к помещенной выше статье "Парадоксы геофизики". Расставляя пропущенные там "точки", прежде всего подчеркнем, что геосинклинальный процесс, посредством которого многие сотни миллионов лет шло последовательное разрастание континентальной коры, нельзя считать процессом скучивания продуктов разрушения двух плит с привносом осадочного и магматического вещества. Суть орогенеза в геосинклиналях состоит в том, что мощное боковое сжатие коры уплотняет осадочную массу прогиба, стимулируя процессы межзеренного сращивания и цементации, обеспечивающие литификацию массы, что приводит в итоге к резкому росту теплопроводности. На локальный рост теплопроводности коры и сопутствующий этому уход изотерм вглубь Земля отвечает локальным же (и в пространстве и во времени) мощным наращиванием коры снизу за счет серпентинизации остывшего мантийного вещества, подавляя тем самым рост теплопотерь.

Роль "антиизостатической силы" выполняют т.о. силы химического взаимодействия воды с мантийным веществом, несравнимо более интенсивные, чем силы бокового сжатия. Молекулы воды встраиваются в кристаллические структуры преимущественно в виде лигандов, образуя координационные связи. При этом происходит существенное снижение плотности, - материал "всплывает", что и определяет появление горных хребтов на месте прогибов, заполненных осадками. Складкообразование, сопутствующее "всплыванию", происходит позднее бокового сжатия и имеет характерные особенности, сопутствующие подъему диапиров, - т.е. совершенно не похожие на складчатость бокового смятия (скучивания). Так - через равновесные химические реакции - реализуется самоподдержание теплового равновесия Земли наряду с самоподдержанием изостатического равновесия. Т.е. в согласии с принципом Ле Шателье - Брауна Земля с некоторым запаздыванием развивает изнутри противодействие изменениям навязанным извне. Боковое сжатие в орогенезе играет роль триггерной силы.

Игнорируя или "упрощая" многое из сказанного выше, сторонники господствующей мобилистской парадигмы загнали себя в "беличье колесо", и одна из целей данной работы состоит в вызволении их оттуда.

Начнем с того, что в рамках изложенной выше концепции находит естественное решение "парадокс архейского метаморфизма" а также загадка образования архейских серых гнейсов. Как известно, глубина преобразования архейских пород такова, что требуемые для этого РТ - условия могли возникнуть (по осторожным оценкам) лишь на глубинах 25 - 40 км, тогда как общая геологическая обстановка указывает на глубины 5 - 8 км. К тому же, требуемые скорости погружения, воздымания и денудации таких огромных наслоений нереально велики даже для фанерозоя, и непонятно куда в этом случае исчезли гигантские массы осадков. Наконец, в метаморфитах архейских осадочных пород найдены алмазы и коэсит, что окончательно выводит ситуацию за пределы обычной литостатики земной коры.

Учитывая, что в ходе геологической эволюции метаморфизм постепенно угасал, химик предположил бы, что в архейской коре повсеместно присутствовал катализатор, который со временем иссяк, - нечто такое, что трудно представить геологически. Но на роль такого катализатора хорошо (и безальтернативно) подходит водород, доля которого в современной коре составляет 17 атомных процентов (практически целиком в связанных формах), а архейская кора была перенасыщена как связанным, так и свободным водородом при существенно меньшем содержании кислорода.

Обладая уникальной проникающей способностью и способностью образовывать соединения со многими химическими элементами (среди них много летучих), водород, кроме того, стоит вне конкуренции как глубинный теплоноситель. Но, быть может, самая замечательная его особенность в данном контексте состоит в том, что катион атома водорода является элементарной частицей и практически не имеет объема. Поэтому, вступая в химическое взаимодействие с другими атомами, он часто присоединяется к ним не снаружи, а изнутри, вызывая при этом значительное сжатие атомов, в которые внедряется. (Например, ион хлора имеет радиус 1,81 А, а расстояние между ядрами водорода и хлора в молекуле НСl равно 1,28 А.)

Отмечая эти и другие уникальные особенности водорода, В.Н. Ларин в своей гипотезе изначально гидридной Земли подчеркивал [ 1 ], что внедрение протонов "должно резко понизить энергию активации диффузии, в результате чего... внутренняя подвижность атомов может возрасти настолько, что агрегатное состояние системы будет больше отвечать вязкой жидкости, чем твердому телу". Добавим к этому, что на языке катализа это означает и резкое снижение энергий (порогов) активации химических реакций. Сжимая электронные оболочки атомов изнутри, водород компенсирует недостающее внешнее давление.

Свидетельством присутствия мощного потока водорода в архейской коре являются гигантские кольцевые структуры (нуклеары) на всех архейских щитах. Они характеризуются такими особенностями, как большая глубина заложения, трубообразный характер структуры и приуроченность к их центральным частям кимберлитов и других ультраосновных пород. Отмечая это, И.А. Резанов резюмирует [2] : "катархейские гнейсовые овалы возникли в результате прорыва сквозь земную кору гигантских газовых пузырей во время исключительно мощной дегазации Земли в эпоху после 4.0 млрд лет назад". Отметим, что такая, насквозь пропитанная водородом планета, мало похожа на тот образ, который следует из предлагавшихся до сих пор физических и химических моделей.

Но в конце архея - начале протерозоя поток водорода из недр ослабел настолько, что окислительная компонента, существовавшая, очевидно, всегда и являющаяся продуктом химического взаимодействия водорода с окислами металлов и пр., вышла на первый план, - произошла смена восстановительного режима на окислительный. Примерно в это же время сошли со сцены и безводный метаморфизм и безводная гранитизация, - вода с этих пор становится главным "действующим лицом". С этих общих позиций посмотрим на такое загадочное явление, как "корни континентов".

Имея приблизительно коническую форму, эти уплотнения мантии уходят, сужаясь, на глубины 400 - 650 км, т.е. далеко за пределы отсутствующей под континентами "астеносферы", причем их температура понижена на сотни градусов по сравнению с аналогичными глубинами под океанической корой. На первый взгляд, их существование означает торжество фиксистских представлений: и движение и коллизию таких континентов трудно представить, в особенности же - их деление через рифтогенез. Покажем, что описанный выше "дрейф верхушек континентов" хорошо совмещается с наличием "корней".

Для этого необходимо допустить, что под континентами, наряду с образованием всплывающих наверх серпентинитов, происходит также образование веществ более плотных, чем вещество мантии, которые просто тонут. Этими веществами могут быть гидриды металлов или, скорее, гидриды интерметаллических соединений. Доходя до более нагретых глубин, они испытывают термическое разложение, поэтому коническая форма и пониженные температуры закономерны: гидриды, погружающиеся вблизи оси конуса, имеют наибольшую вероятность уцелеть в этом эндотермическом процессе и достигнуть максимальных глубин.

Если посмотреть на образование гидридов и серпентинитов как на единый процесс, то зоны, находящиеся под континентами вблизи поверхности М, выглядят как проточные реакторы, в которых идет окислительно-восстановительная реакция: водород, взаимодействуя с окислами металлов, восстанавливает их до металлов и далее образуются гидриды, а другим продуктом является вода, которая соединяется с гидрофильными компонентами мантийного вещества, образуя серпентиниты. Избыток воды уходит наверх, в мировой океан, вынося в кору сиалические элементы.

"Привязанность" уплотненных зон мантии к континентальной коре обусловлена тем, что малопрочная, иссеченная разломами и трещинами континентальная кора гораздо более проницаема для флюидов, чем океаническая (причем в ходе своего развития она становилась все менее прочной, а потому все более разрушенной и все более проницаемой, что определило, например, эволюцию металлогении и эволюцию радиоактивности гранитов). Т.е. континенты являются "разгрузочными окнами" для потоков флюидов, и непрерывный отвод воды из зоны реакции является условием безостановочности этого процесса, - в противном случае обратная равновесная реакция выводит избыточную воду из зоны реакции химическим путем. "Корни континентов", разумеется, не дрейфуют, а разрастаются в направлении дрейфа, отмирая в покинутых местах. Этот процесс, до мезозоя функционировавший в стационарном режиме, судя по всему, породил земную кору, состоящую на 90 объемных процентов из атомов кислорода, и он же внес вклад в формирование ядра Земли.

Саму способность гидридов погружаться на значительную глубину через упругое и прочное вещество мантии можно объяснить тем, что водород, выделяющийся при распаде гидридов, "газирует" среду, придавая ей некоторую текучесть (о ней писал В.Н Ларин), отдаленно напоминающую текучесть вулканической лавы. Именно в эти подвижные и проницаемые сегменты мантии устремляются потоки флюидов из глубоких недр. Это означает, что под континентами, в приповерхностных горизонтах мантии существует конвекция, восстанавливающая убыль веществ, отводимых с продуктами окислительно - восстановительной реакции. Этот механизм обеспечивает континенты неистощенной (глубинной) андезитовой магмой и определяет наличие большого избытка летучих веществ в земной коре.

Один из наиболее поразительных парадоксов геофизики состоит, однако, в том, что геофизики- мобилисты до сих пор не замечают того, о чем много лет на всех "перекрестках" говорил В.В. Белоусов: "с начала мезозоя в истории тектоносферы наступает новый этап, отмеченный резким изменением всей направленности развития". Не стану перечислять общеизвестное. Это - "лес" фактов, почти каждое "дерево" в котором пронумеровано и занесено в доступный всем реестр. Незамеченным почему-то оказался сам "лес", вследствие чего проявления тектоники плит энергично ищут и "находят" даже в архее. Между тем А.Б. Ронов еще 30 лет назад обнаружил факт, который сам по себе ставит крест на этой "беличьей" суете [3]. Проанализировав данные об эволюции элементного и петрографического состава всех основных пород континентов от раннего архея до наших дней (десятки тысяч анализов из наиболее надежных источников), он установил, что с раннего архея до мезозоя наблюдаются однообразные, медленно выполаживающиеся со временем зависимости, свидетельствующие о монотонно углубляющемся истощении (по некогерентным элементам) мантийного материала, поступающего на формирование новых сегментов континентальной коры. Но с мезозоя эти зависимости испытывают инверсию или, по выражению А.Б.Ронова, "ретроградное развитие". При этом речь идет не о смене слабо выраженного тренда на такой же слабый, но противоположный по знаку. "Ретроградное развитие" происходит в беспрецедентно высоком темпе, почти рывком.

С учетом проведенного выше анализа этот факт получает однозначную интерпретацию: в результате начавшегося в мезозое дрейфа "корни континетов" внезапно получили доступ к практически неограниченным ресурсам неистощенного или слабо истощенного глубинного вещества мантии, что привело к беспрецедентному ускорению и качественному изменению многих процессов в земной коре, и этот переворот ("мезозойскую революцию") осуществило живое вещество планеты, - поверхностный, а не глубинный фактор.

Подведем общий итог. Изложенное выше подтверждает (в смягченном виде) почти забытую и изгнанную в последние десятилетия из научного обихода точку зрения В.И. Вернадского: " Земная кора является самодовлеющим целым, обладает определенной организованностью; процессы в ней начинаются и в ней заканчиваются(курсив мой)" . Будучи избыточно категоричной в отрицании активности основной, глубинной массы Земли, она, тем не менее, несравненно точнее выражает суть геологических процессов фанерозоя и венда (на материале которых сформировалась), чем предельно геоцентричные построения плейт-тектонистов, напоминающие своей искусственностью и почти бесконечной вариативностью "эпициклы" и "деференты" "системы Птолемея".

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Ларин В.Н. Гипотеза изначально гидридной Земли. М. Недра. 1980.
  2. Резанов И.А. К дискуссии о природе концентрических структур раннего архея.// Геотектоника. 1990. № 2.
  3. Ронов А.Б. Осадочная оболочка Земли. М. Наука. 1980.

                             

 

Статьи:

Обратная связь