Член-корреспондент РАН В. П. ТРУБИЦЫН, Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН
В России разработана новая концепция глобальной геодинамики - тектоника плавающих континентов. Она опирается на данные сейсмического "просвечивания" (томографии) планеты, идею немецкого геофизика А. Вегенера о дрейфе континентов (1912 г.) и теорию конвективных круговоротов мантийного вещества, впервые выдвинутую английским геофизиком А. Холмсом (1945 г.). Внесены существенные изменения и уточнения в ставшую популярной за последние десятилетия глобальную тектонику литосферных плит.
Статьи данной рубрики отражают мнение автора (прим. ред.)
стр. 34
Распределение температуры и скоростей мантийных течений. Разрез Земли вдоль 15 в. д. на основе модели конвекции. Видны два горячих восходящих потока под Африкой и Тихим океаном (красный цвет), а также затягиваемые в мантию фрагменты океанических плит (зеленый).
Наш корреспондент Р. Тимофеев взял интервью у автора этой концепции В. П. Трубицына.
- Валерий Петрович, в построениях глобальной титотектоники континентам отводится пассивная роль. Однако известно, что именно континентальная литосфера наиболее активна, о чем свидетельствуют ее строение, состав и особенности эволюции. А как обстоит дело в вашей модели?
- В отличие от тектоники плит, теория плавающих континентов по- новому описывает динамику мантийного вещества. При этом континентальная литосфера, как выясняется, существенно влияет на конвекцию в мантии. В результате можно объяснить законы движения материков, что до этого не удавалось сделать, и причины глобальных этапов геологической истории Земли.
- На чем основаны ваши доказательства?
- Прежде всего на математическом моделировании. Численно решалась система дифференциальных уравнений переноса энергии, массы и импульса для взаимодействующих вязкой мантии и твердых континентов...
- А нельзя ли пояснить проще?
- Сейсмическая томография позволяет получить распределение скоростей сейсмических волн. По этим данным было найдено распределение плотности и температуры в теле нашей планеты. Используя уравнения энергии, массы и импульса, рассчитали конвективные течения в неоднородно нагретой вязкой мантии. Полученную систему уравнений перевели в компьютерную программу. Эту работу выполнил кандидат физико-математических наук В. В. Рыков. Созданные таким образом компьютерные фильмы (кинотомография) демонстрируют глобальные процессы, происходящие в недрах Земли, движение материков, изменение рельефа дна Мирового океана. Результаты получились фантастические! Компьютер показал распределение потоков тепла, выходящих из мантии, совпадающее с результатами измерений, проведенных в 100000 точках планеты.
Атлантический океан стал расширяться, а континенты двигаться в точности так, как показывают спутниковые измерения: Евразия - на восток с вращением по часовой стрелке, Южная Америка - на север, Северная Америка - на запад с вращением против часовой стрелки,
стр. 35
Рассчитанный тепловой поток, выходящий из мантии, и векторы скоростей перемещения континентов и дна океанов. Повышенный мантийный тепловой поток идет вдоль океанических хребтов (коричневый и красный цвета).
Африка - на северо-восток. На экране дисплея автоматически появились глубокие "корни" континентов, природу которых до сих пор никто не мог объяснить. Оказалось, достаточно было учесть движение континентальной литосферы, чтобы получить картину поверхности и недр современной Земли, а также понять механизм глобальных процессов, оказывающих огромное влияние на геологическую историю, изменение лика планеты. Появилась возможность дать прогноз распределения материков и океанов в далеком будущем.
- А нельзя ли начать с прошлого? Все-таки мы знаем о нем больше, чем о геологическом будущем планеты. Да и можно как-то проверить, совпадают ли теоретические построения с реальностью, чего не скажешь о миллионолетиях будущего. И как же соотносятся реконструкции, полученные на основе вашей модели, с тем, что уже известно специалистам?
- Думаю, прежде всего надо познакомиться с принципиальными положениями этой модели. Еще раз подчеркну: она является математической, опирается на геофизические данные, описывает наиболее общие закономерности геодинамики и не претендует, во всяком случае пока, на разработку деталей. Одно из ее достоинств - наглядность. В этом можно убедиться, взглянув на дисплей.
На экране высвечивается картинка, напоминающая схему циркуляции атмосферы: потоки нагретого воздуха поднимаются вверх, перемещаются горизонтально и, охлаждаясь, опускаются вниз, а затем замыкают круговороты, возвращаясь к участкам подъема.
- Вас не должно смущать, - продолжил Трубицын, - сходство этой картины с глобальной циркуляцией атмосферы. Речь идет об одном и том же физическом процессе конвективного перемещения вещества, разогреваемого снизу и охлаждающегося сверху. В результате образуются ячейки круговоротов. В отличие от атмосферных потоков, мантийное вещество по нашим привычным меркам циркулирует чрезвычайно медленно - со скоростью 2 - 3 см в год. Но поскольку геологическая история исчисляется миллионами лет, то с учетом таких масштабов времени результаты получаются впечатляющими. Хотя вязкость мантии на двадцать порядков выше, чем у обычных жидкостей, она температурно неоднородна. Поэтому в ней формируются турбулентные течения, которые пронизывают ее в виде горячих восходящих и холодных нисходящих струи. Кроме того, возникают отдельные "завихрения" и локальные потоки, устремленные вверх, называемые "плюмами".
- Примерно так же обосновываются мантийные круговороты и в глобальной плитотектонике. А в чем отличие вашей модели?
- Смотрите. На экране появляется изображение конвективных ячеек с плавающей пластинкой-континентом. И дальнейшее чередование кадров позволяет видеть, что произойдет потом. Океаническая литосфера принципиально отличается от континентальной, потому что только первая вовлечена в мантийные круговороты. Разогретое на границе с ядром мантийное вещество поднимается к поверхности. Здесь этот поток становится горизонтальным, и по мере удаления от срединно-океанического хребта охлаждается постепенно. При этом, становясь тяжелее, океаническая литосфера погружается вблизи зоны субдукции, на подходе к континенту. В связи с тем, что она вовлечена в круговорот, ее пребывание на поверхности обычно не превышает 200 млн. лет. Компьютер впервые показал, что континентальная литосфера "примерзает" снизу к континенту, образуя единое целое. Поэтому она существует не менее 3 млрд. лет.
- Удалось ли решить все проблемы, связанные с динамикой океанической литосферы?
стр. 36
Динамическая модель образования Пангеи. Движение мантийного вещества к нисходящему потоку вызывает сближение материков и объединение их в суперконтинент (время - в млн. лет, за единицу расстояния принята толщина мантии 3 тыс. км).
- Нет. Теория количественно описывает подъем магмы в океанических хребтах, ее остывание, раздвижение дна океана, утолщение океанической литосферы со временем и ее погружение в зонах субдукции. Но пока еще не удается рассчитать процесс раскалывания литосферы на плиты с образованием глубинных трансформных разломов.
- Не означает ли это, что ваша роль свелась к некоторым математическим уточнениям и придании модели наглядности?
- Не совсем так. Обратите внимание на одно очень важное обстоятельство: на существующих тектонических картах литосферных плит ни одна из них не является чисто континентальной, т.е. их границы полностью не совпадают. Предполагается,
стр. 37
Динамическая модель распада Пангеи. Из-за перегрева мантии возникает горячий восходящий поток, разрывающий суперконтинент. Между его расходящимися частями возникает структура типа Атлантического океана, а вне - Тихого.
что континенты - пассивные образования, "впаянные" в литосферные океанические плиты, подобно тому, как в полярные ледяные поля вморожены отдельные глыбы айсбергов. Действительно, континенты благодаря своей плавучести не могут погружаться в мантию. Они дрейфуют под действием сил вязкого сцепления с течениями в последней. И в отличие от океанической литосферы, толщина которой не превышает 100 км, литосферные "корни" континентов могут быть гораздо глубже. Все эти глобальные закономерности не объясняет классическая плитотектоника. Иное дело - теория плавающих континентов.
- Что еще помогает понять ваша модель?
- За последние 3,5 млрд. лет материки несколько раз собирались вместе, образуя суперконтиненты типа Пангеи, которые всегда распадались. Если бы сближались только два континента, это можно было бы объяснить с позиций мантийной
стр. 38
конвекции: они пассивно стягиваются к месту наибольшего нисходящего в недра потока. Но почему объединялись почти все континенты? И почему Пангея быстро распалась? Более того, классическая плитотектоника не объясняет, почему сближались и расходились именно материки, а не литосферные плиты как таковые. А теория плавающих континентов позволяет понять, как все происходит без не очень убедительных ссылок на случайность.
Надо исходить из того, что не только мантия влияет на континенты, но и они, в свою очередь, могут перестраивать мантийные течения. Проще всего это наблюдать на моей модели, имитирующей две континентальные плиты, которые перемещаются навстречу друг другу к месту нисходящего мантийного потока. Расчеты показывают: после того, как они сомнутся, начнет сказываться эффект теплового экрана. Им служит самая крупная континентальная плита. Примерно через 200 млн. лет, как видно из компьютерной модели, под суперконтинентом вместо нисходящего возникает гигантский восходящий тепловой поток. Он засасывает тепло со дна мантии. Начинает формироваться новое мощное течение мантийного вещества. Еще через 250 млн. лет, согласно нашим расчетам, суперконтинент раскалывается и две образовавшиеся части расходятся от центрального восходящего мантийного потока. По мере их движения последний усиливается, а сами они
стр. 39
раздвигаются со скоростью приблизительно 1 см в год.
В результате через 900 млн. лет после начала сближения материков они окажутся на расстоянии более 10 тыс. км друг от друга (эта стадия эволюции Земли соответствует появлению Атлантического океана). Расчеты, проделанные для трехмерной модели, определяют полный цикл между формированием суперконтинентов в 500 млн. - 1 млрд. лет.
Расходящиеся материки попадают на охлажденные участки мантии, поэтому под большинством из них возникают аномально низкие тепловые потоки в сравнении с океанами. Эту закономерность трудно объяснить с позиций классической тектоники плит в отличие от теории плавающих континентов.
- Судя по вашей схеме, континентальные плиты перемещаются по горизонтали, не претерпевая никаких изменений. В действительности же мощность земной коры у них меняется примерно от 30 до 80 км при более значительном колебании толщины литосферы как таковой, что принято объяснять с позиций изостазии: отдельные блоки земной коры погружены в менее вязкую астеносферу на разную глубину, в зависимости от веса и размера. А как вы объясняете такую закономерность?
- В моей модели континентальная литосфера вначале задается схематично в виде ровной пластины. Однако в процессе горизонтального движения она увеличивается в мощности, ибо к ней снизу прилипает высоковязкое вещество верхней мантии, образуя неоднородную континентальную литосферу с глубокими "корнями". Дело в том, что под континентом существуют застойные холодные области, перемещающиеся вместе с ним.
- Но под суперконтинентом, как вы говорили, формируется тепловой поток, который хотя бы отчасти расплавляет плиту, делает ее тоньше.
- Сначала так и происходит. Однако после раскола обе части суперконтинента перемещаются на охлажденные участки верхней мантии. Это очень важно. Как и то, что в процессе движения континентальная литосфера может проходить в тех местах, где существуют, например, плюмы. Здесь она расплавляется, а значит, становится тоньше. Выходит, размеры континентальной плиты должны сильно варьировать при общем увеличении толщины.
- Хорошо известно, что континентальная кора меняется по толщине вполне закономерно: она тонка на стабильных участках, платформах, достигая максимума в горных странах. Насколько это учитывает ваша концепция?
- Я рассматриваю эволюцию континентальной литосферы в целом, а что происходит в ее верхней части, в земной коре, изучают геологи. Так что с этим вопросом лучше обратиться к ним.
- На геохимические закономерности вы, судя по всему, не обращаете большого внимания. Но ведь энергетический потенциал биосферы, использующей лучистую солнечную энергию, огромен. Она же производит колоссальную геологическую и геохимическую работу.
- Безусловно, поток энергии нашего светила примерно на три порядка превышает количество тепла, поступающего из глубоких недр Земли. На ее поверхности происходят значительные геохимические преобразования, сказывающиеся на составе и структуре коры планеты. Все это так. Но теория плавающих континентов в основе своей геофизическая. Она исходит из того, что мантия нагревается на границе с ядром планеты, в результате чего в ней образуются конвективные потоки. Для процессов в мантии решающее значение имеет глубинное тепло Земли. Таковы наши исходные условия. Дальше начинаем расчеты, строим математическую и компьютерную модели. И самое главное - мои положения во многом соответствуют целому ряду глобальных закономерностей. Например, под Африкой находится гигантский горячий восходящий мантийный поток. Почему и как он возник? Почему этот континент сравнительно долго стоит над ним, не разламываясь на части?
Мы провели дополнительное моделирование вместе с кандидатом физико- математических наук А. М. Бобровым. Сравнительно небольшую континентальную плиту поместили над нисходящим тепловым потоком. Оказалось: если она стоит на месте, то приблизительно через 300 млн. лет под ней возникает горячий восходящий поток, подобный африканскому. Наткнувшись на эту плиту, тепловой поток расщепляется и начинает омывать ее с двух сторон. И действительно, в настоящее время Африка с востока, юга и запада окружена океаническими хребтами с высокими тепловыми потоками. Вроде бы они должны сдвигать ее на север. Но здесь находится Евразия, тормозящая этот процесс. В итоге - на контакте двух континентальных плит создается гигантский горный пояс.
- На востоке Африку меридионально раскалывает рифтовая зона. Согласно вашей модели, ее можно объяснить тем, что расщепившийся тепловой поток растягивает континент, не так ли?
- Судя по всему, да.
- А почему ничего подобного не наблюдается под Австралией?
- Благодаря своей плавучести континент не может погрузиться в недра. А из-за того, что невелик по размерам и быстро перемещается, под ним не формируется, во всяком случае достаточно быстро, тепловая аномалия.
- Учитывает ли ваша модель процессы, происходящие внутри континентальной литосферы, например, изостазию, вертикальные движения геоблоков, геологическую и геохимическую эволюцию земной коры?
- Все это выходит за рамки решаемых нами задач на основе теории плавающих континентов. Мы ведь затронули только часть из них, к тому же не вдаваясь в некоторые детали. В дальнейшем я планирую включить в модель конвекции процессы глобальной химической дифференциации вещества. Соответствующую компьютерную программу уже удалось создать. Еще раз повторю: предложенная модель не претендует на высокое звание общей теории Земли. Ее достоинства в сравнении с пользующейся широкой популярностью глобальной тектоникой литосферных плит мы уже обсудили. Ну, а более детальные исследования впереди.
New publications: |
Popular with readers: |
News from other countries: |
![]() |
Editorial Contacts |
About · News · For Advertisers |
![]() 2009-2025, ELIBRARY.COM.UA is a part of Libmonster, international library network (open map) Keeping the heritage of Ukraine |