Как определить вязкость Земли. Земной магнетизм. Интрузии гранитной магмы

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ:

За последние годы было проведено много исследований в области петрографии, геохимии и сейсмологии, касающихся вопроса о том, из чего состоят различные слои Земли. В настоящее время этот вопрос находится еще в такой стадии изучения, что между различными исследователями пока не существует какого-либо единого мнения. Поэтому, не высказывая собственного мнения, мы ограничимся кратким обзором довольно противоречивых результатов.

Вначале повсеместно исходили из того, что достаточно предположить под континентальным сиалическим слоем, который, бесспорно, состоит из гнейса или гранитного материала, симатический слой, достигающий 1200 км глубины. Это мантия Земли. Под ней до глубины 2900 км лежит промежуточный слой, а затем идет ядро, состоящее в основном из никеля и железа. Промежуточный слой состоит либо, по аналогии с метеоритами, из мезосидерита (палласита), лйбо, если искать аналогию с опытами в металлургии, из пирита и других руд (шлаков). То, что это действительно важнейшие слои земного шара, установлено, пожалуй, раз и навсегда.

Однако на вопрос, однороден ли симатический слой или его следует считать разделенным на более тонкие слои, мы получаем различные ответы. Ф. М. Гольдшмидт считает типичным представителем симы — эклогит, Вилльямсон и Адаме — перидотит или пироксенит, другие авторы — дунит. Во всяком случае, основная масса симы должна быть чрезвычайно основной или «ультраосновной» породой, т. е. самой основной по сравнению с базальтом; таким образом, этот последний материал, вероятнее всего, занимает самый верхний слой в симе. Поднятый здесь вопрос обсуждается в многочисленных статьях и книгах Джеффриса [53], Дэли [54], С. Мохоровичича [55], Джоли [56], Холмса [57], Пуля [58], Гутенберга [59], Нансена [222] и других авторов. При этом следует подчеркнуть особенно примечательный факт, что книга Дэли (Our mobile Earth. London, 1926) полностью основана на теории дрейфа. Д. Джоли в своей книге (The surface history of the Earth. Oxford, 1925), хотя и высказывается против теории дрейфа материков, фактически приводит новые существенные данные в ее пользу в связи с изучением выделения радиоактивного тепла внутри Земли.

По-видимому, у всех авторов существует единое мнение, что под гранитом континентальных глыб сперва залегает базальт. Но граница между этими слоями ныне не идентифицируется большинством исследователей с главной геологической границей, проходящей на глубине 60 км и установленной по данным о землетрясениях. Принимается, что граница гранитного и «базальтового» слоев на материках лежит на глубинах от 30 до 40 км, где землетрясения также позволяют определить другую геологическую границу, хотя и менее значительную. Одной из основных причин того, что гранитный слой не может достигать глубины 60 км, является то, что слой такой толщины содержал бы слишком много радия и поэтому выделял бы слишком много тепла. На 60-километровой глубине тогда должен был бы сразу начинаться слой ультраосновного материала (дунита и пр.).

Кроме того, Мохоровичич подчеркнул, что 60-километровая граница не обнаруживает вариаций своего глубинного положения под горами, с одной стороны, и равнинами — с другой, тогда как более высоко расположенная граница между гранитом и базальтом дает разные значения толщины. Поэтому возникает вопрос, не следует ли при таких обстоятельствах рассматривать в качестве нижней границы континентального блока границу гранитного слоя на глубине 30—40 км вместо 60 км. С другой стороны, еще не выяснено, как обстоит дело с последней границей слоя под океанами. Гутенберг предполагает, что расположенная на глубине 60 км главная граница слоя образует также субповерхность Тихого океана, где, таким образом, ультраосновной материал (дунит) выходит на поверхность дна. Мохоровичич, напротив, полагает, что дно океана образовано базальтом.

Для получения законченной картины надо подождать результатов дальнейших исследований. Но весьма возможно, что появятся большие затруднения при объяснении природы дна океана, если будет учтено большее число слоев, как уже отмечалось выше в другой связи.

Однако, как бы ни изменялись в дальнейшем эти представления, ясно, что они развиваются по тем же направлениям, что и теория дрейфа, ибо уже не ставится под сомнение основное различие между дном океана и континентами. Для теории перемещения материков на ее начальном этапе безразлично, состоит ли дно океана из базальта или, может быть, местами из ультраосновного материала. Во всяком случае здесь отсутствует гранитный слой, характерный для континентальных глыб (если не говорить об его остатках).

Нередко против теории дрейфа возражают: Земля так же тверда, как сталь, следовательно, континенты не могут перемещаться. В действительности изучение землетрясений, смещения полюсов и приливных деформаций твердой Земли привели к совпадающему результату, что коэффициент твердости Земли составляет в среднем 2 • 1012 дин/см2; для пород мантии, распространяющихся до глубин 1200 км, коэффициент 7«10й; для металлического ядра — 3 • 1012. Поскольку этот коэффициент для холодной стали составляет 8 • 1011, то, следовательно, Земля действительно такая же жесткая, как сталь. Но что из этого следует? Для нашего вопроса — вообще ничего. Ведь скорость, с которой может двигаться континент под воздействием данной силы, вообще не зависит от твердости симы. Она определяется другой, не зависящей от твердости, константой материала — коэффициентом внутреннего трения или вязкости. Обратная этому коэффициенту величина называется текучестью. Вязкость измеряется в г/(см-с). К сожалению, нельзя с уверенностью судить по величине твердости о вязкости, ее нужно определять специальными исследованиями. Эти измерения вязкости на так называемых твердых телах крайне затруднительны. Даже в лаборатории, где для этого используют затухание упругих колебаний или скорость деформации при изгибе или скручивании либо измеряют так называемое время релаксации; такие определения проводились только на очень немногих материалах. О коэффициенте вязкости Земли нам пока почти ничего неизвестно. Правда, в последнее время были сделаны попытки определить коэффициенты вязкости как для всей Земли, так и отдельных ее слоев, но эти результаты настолько разнятся между собой, что мы можем лишь констатировать наше полное незнание.

С уверенностью можно сказать только то, что Земля по отношению к силам, действующим с коротким периодом, например силам, связанным с сейсмическими волнами, ведет себя как твердое упругое тело. В этом случае текучесть не проявляется. По отношению же к силам, действующим, напротив, на протяжении геологических периодов, Земля должна вести себя подобно жидкости, как это, например, следует из ее сплющивания (полярного сжатия), точно соответствующего периоду вращения. Однако, где нужно искать границу времени, при которой упругие деформации сменяются проявлением текучести, зависит именно от коэффициента вязкости.

Дж. Г. Дарвин при исследовании отделения Луны от Земли предположил, что уже 12- и 24-часовые силы прилива и отлива дают повод к текучим деформациям, и многочисленные авторы использовали эту гипотезу. В одном из новейших исследований Прей [60] приходит все-таки к результату, что предположения Дарвина не учитывают того, что даже в настоящее время земная кора благодаря приливным силам совершает заметное перемещение на запад. Пятьдесят-шестьдесят миллионов лет назад коэффициент вязкости мог еще иметь сравнительно малую величину—около 1013 (примерно такая же вязкость у ледника), и тогда, считает Прей, происходили поэтому большие перемещения коры. Но с тех пор, однако, по его мнению, коэффициент вязкости должен был увеличиться настолько, что теперь такие перемещения уже исключаются. Здесь следует заметить, что Дарвин еще не мог принимать во внимание содержания радия в земной коре. Прей предполагает, игнорируя генерацию радиоактивного тепла при распаде радия, прогрессирующее охлаждение. Однако, по нашим современным сведениям об имеющихся количествах радия, а также по геологическим данным, представляется весьма сомнительным, что в ходе геологических периодов, которые имеют значительно большую длительность, коэффициент вязкости систематически изменялся в значительной мере, не считая флуктуаций.

Геологи часто предполагают, что под твердой земной корой находится слой магмы. Вихерт считал, что подобным образом, допуская наличие жидкого слоя, можно объяснить некоторые особенности сейсмограмм, отмеченные при регистрации землетрясений. Швейдар [61], напротив, на основании измерений приливов и отливов принимает модель твердой Земли. Если бы текучесть заметным образом участвовала в приливах и отливах, то они должны были бы отставать от периодичности появления Солнца и Луны. Но поскольку наблюдения не показывают такого отставания, следует считать, что наблюдаемая величина приливов и отливов вызвана упругими деформациями, а отнюдь не пластичностью или текучестью. Граница ошибки наблюдений — по меньшей мере предельный показатель коэффициента вязкости, который разумеется, будет различным в зависимости от толщины слоя, для которого он подсчитывается. Тонкий слой с пониженной вязкостью обеспечивает такую же величину смещения, как слой с повышенной вязкостью и большей толщиной. Так, Швейдар нашел, что коэффициент вязкости должен быть больше 109, если речь идет о слое толщиной в 100 км, или больше 1013 и 1014, если этот слой имеет толщину 600 км. Разумеется, при этом существенно то, что имеется в виду единый, окружающий всю Землю слой. Изолированные небольшие участки земного шара могли бы быть значительно более пластичными.

Другую попытку определить вязкость Земли сделал в 1919 г. Швейдар в своем исследовании о движении полюсов [62]. Он вычислил, какова была бы величина периода колебания полюсов, если бы половина коэффициента вязкости Земли имела значения 1011, 1014, 1016, 1018 П, и нашел, что при первых двух значениях может иметь место только 80-летний период колебания полюсов. Только при больших значениях вязкости получается короткий период от 470 до 370 дней, т. е. той продолжительности, которой в действительности характеризуются так называемые чэндлеровские колебания полюса. Естественно, что и в данном случае опять-таки решение зависит от того, какая толщина принимается для вязкого слоя. Если рассматривать всю Землю как имеющую одинаковую вязкость, то малый период наступает только при значении вязкости 1018. Величина 1013 допустима, если предположить, что слой между 120 и 600 км глубины пластичный. Поскольку вычисления можно было выполнить только для постоянной плотности Земли, полученные результаты можно рассматривать лишь как первое приближение. Позже Швейцар использовал значение вязкости, равное 1019, предполагаяг что текучим является только слой на глубинах между 100 и 1600 км.

Швейдар — сторонник высоких показателей вязкости. Но все же он приходит к выводу: «Однако, возможно, что континенты под воздействием силы, направленной от полюсов к экватору, перемещаются в этом направлении» [40]. Об указанной силе и вычислениях, приводящих к такому результату, будет сказано ниже.

Джеффрис [53] предложил еще более высокое значение для коэффициента вязкости, а именно 1021, в слое, где это значение минимально. Насколько мне известно, это самое крайнее предположение.

С другой стороны, в последнее время раздаются голоса в пользу поразительно малых коэффициентов вязкости, правда, только в относительно тонком слое. Так, Меерманн [64, 65] исходит из факта неравномерного вращения Земли, доказанного недавно астрономическим путем: «В 1700 г., например, каждая точка земной поверхности находилась примерно в 15 с восточнее, в 1800 г. примерно настолько же западнее, в 1900 г. примерно 10 с восточнее и в 1924 г. свыше 20 с западнее от места, соответствовавшего бы ей при равномерно вращающейся Земле. Поскольку исключено, что Земля как целое осуществляет такие колебания, я усматриваю в этом доказательство того, что земная кора по отношению к ядру совершает дрейф на запад.. . Если трение возрастает, то западный дрейф уменьшается. .. Если трение уменьшается, то, наоборот, земная поверхность движется на запад по отношению к гипотетической Земле».

Как в элементах земного магнетизма, так и в вариациях продолжительности суток заметен период в 270 лет; отсюда Меерманн выводит полный оборот коры, равный удивительно короткому времени — 270 лет, соответственно этому, в случае, когда текучесть ограничивается слоем толщиной 10 км, приходит к коэффициенту вязкости в этом слое, равному лишь 103 (такой коэффициент в 21 раз больше коэффициента вязкости глицерина при 0°). Однако пока следует оставить открытым вопрос о том, согласуется ли его результат с реальными фактами. В этом отношении заслуживает внимания работа Шулера [66], в которой показано, что заметное ускорение вращения Земли должно произойти с увеличением полярных ледяных шапок благодаря происходящему при этом приближению масс к оси вращения Земли и в силу закона сохранения момента количества движения. Наоборот, замедление должно было бы происходить при таянии ледниковых масс, когда массы перемещаются в направлении от оси вращения Земли к экватору.

Вопрос о вязкости слоев, расположенных под континентальными глыбами, тесно связан с вопросом о том, превышает ли или нет температура этих слоев точку плавления. Хотя и вероятно, что расплавленная магма при очень высоком давлении может иметь очень высокую вязкость и вести себя поэтому как твердый материал (ведь поведение вещества при таких высоких давлениях еще неизвестно), все авторы, принимающие существование расплавленно-жидкого слоя, склоняются к предположению, что вязкость в этом слое настолько низка, что оказываются возможными большие перемещения масс и конвекционные под- коровые течения. Но как раз по этому вопросу с учетом содержания радия появились совершенно новые точки зрения.

Подсчитанное Вольфом распределение температуры в верхних 120 км земной коры при различных предположениях о содержании радия в коре (кривые от а до е). Кроме того, на рисунок нанесены две кривые плавления S и А. Представлены различные кривые в зависимости от предполагаемого материала; S соответствует наиболее низкой возможной температуре плавления на различных глубинах. Как видно по изгибу кривых температуры и наклону кривых плавления, на глубине 60—100 км существует интервал, оптимальный для плавления. Возможно, что в этом месте между двумя кристаллическими слоями залегает расплавленный слой. Уместно спросить: не могут ли на этот вопрос дать ответ сейсмические исследования? К сожалению, это невозможно; они могли бы дать ответ лишь в том случае, если бы расплавленное состояние означало соответственно высокую текучесть, ибо в жидко-текучей среде не могут распространиться поперечные волны, каковыми являются волны S. Однако ныне обычно предполагают, что тот материал, который нагрет выше точки плавления и, следовательно, расплавлен, находится в аморфном стеклообразном, т. е. твердом, состоянии. И все же сейсмические исследования дают некоторые сведения по этому вопросу. Замечено, что при самых разнообразных предположениях о плотности материала его упругое сопротивление деформации, обычно возрастающее с глубиной, на глубине 70 км перестает расти и, возможно, даже испытывает временное ослабление. Отмечая этот факт, Гутенберг [104] полагает, что на этой глубине кристаллическое состояние, вероятно, сменяется аморфным^ стекловидным. Если такое состояние следует рассматривать как твердое при анализе распространения сейсмических волн с коротким периодом, то не исключено, что по отношению к силам, которые действуют на протяжении геологических периодов, вещество в таком состоянии обнаружит значительную степень текучести.

В этой связи привлекают внимание также некоторые геологические факты. Некоторые крупные интрузии «гранитной магмы», описанные, например, Клоосом [103] в Южной Африке, показывают, что изотермы плавления гранита в известные периоды истории Земли местами подходили вплотную к ее поверхности. Тем более должны были тогда расплавляться породы на глубинах в 60—100 км. Изотермические поверхности не имеют внутри Земли совершенно определенного положения, а изменяются как во времени, так и пространственно. Джоли [56] видит объяснение этому в том обстоятельстве, что под континентальными глыбами температура постоянно повышается вследствие более значительного образования тепла за счет радиоактивного распада. Это происходит до тех пор, пока такие глыбы вследствие расплавления вещества под ними не станут плавучими. В этом случае они перемещаются по более холодным частям земного шара, т. е. по бывшему дну океана. Действительно, это объяснение подтверждается таким фактом: геотермическая ступень составляет в Европе в среднем 31.7 м (на градус), а в Северной Америке —в среднем 41.8 м. Это примечательное различие, которое в последнее время много обсуждалось, показывает, что более глубокие слои Земли под Северной Америкой холоднее, чем под Европой. Дэли справедливо считает: «Достаточное объяснение этому можно найти в сравнительно недавнем соскальзывании Северной Америки на погрузившуюся кору Тихоокеанского бассейна, который имел прежде более значительные размеры» [67].

Следует, естественно, упомянуть и тех авторов, которые относят явления в самых верхних частях земной коры на счет «подкоровых течений». Это Ампферер [68], Швиннер [69] и др. По Ампфереру, подкоровые течения переместили Америку на запад. Швиннер предполагает, что в жидком слое вследствие неодинаковой теплоотдачи существуют конвективные течения, которые уносят с собой кору и сжимают ее там, где их движение направлено вниз. Кирш [70], опираясь на данные о повышенном радиоактивном теплообразовании в континентальных глыбах, также широко использует идею подобных конвективных течений в жидком слое, вызванных термической неоднородностью. Он предполагает, что под когда-то единой континентальной глыбой происходило избыточное теплообразование (расплавление гранита в Южной Африке), которое привело к циркуляционному движению жидкого субстрата. Последний перемещался по направлению к глубоководному бассейну и здесь погружался вследствие более сильного выделения тепла, в то время как поднятие субстрата происходило посередине континентальной области. При этом благодаря трению материковый покров наконец был разорван, а его части перемещены подкоровыми течениями в разные стороны. Кирш здесь приходит к поразительно большим скоростям течения и соответственно малым показателям вязкости в расплавленном слое.

Все эти работы во всяком случае показывают, что мы не должны теперь догматически подходить к оценкам коэффициента вязкости внутри Земли, а особенно в отдельных ее слоях; фактически мы еще совсем ничего не знаем о них. По этой причине результаты Швейдара не являются решающими, так как они не исключают возможность существования прерывного, относительно жидко-текучего слоя и, конечно, ничего не говорят о том, существовал ли в некоторые древние геологические периоды такой сравнительно пластичный (текучий) непрерывный слой. Однако они ценны тем, что даже при отрицании жидко-текучего слоя все же приводят к таким значениям вязкости, которые допускают перемещение континентов. Следовательно, возможность существования последнего не зависит от того, насколько правы те авторы, которые недавно выступали за существование жидко-текучего основания континентальных глыб по меньшей мере в отдельных районах и в отдельные периоды.

Из сказанного выше видно, что теория перемещения наилучшим образом согласуется с результатами геофизических исследований. Она представляет собой отправную точку для большого числа новых перспективных исследований, которые уже теперь привели к важным результатам. Однако многие детали предстоит выяснить полностью только в будущем.

Можно привести еще некоторые другие факты наблюдений в области геофизики, которые прямо или косвенно подкрепляют теорию перемещения материков. В рамках этой книги не представляется возможным полностью осветить рассматриваемые здесь разнообразные проблемы. Некоторые вопросы будут рассмотрены в последующих главах.

К содержанию книги: О теории дрейфа континентов

Последние добавления:

ГЕОЛОГ АЛЕКСАНДР ФЕРСМАН ИСТОРИЯ АТОМОВ ГЕОХИМИЯ ВОДЫ

ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОШЛОЕ ПОДМОСКОВЬЯ КАЛЕДОНСКАЯ СКЛАДЧАТОСТЬ

Вегенер. Происхождение континентов и океанов

Как определить вязкость Земли. Земной магнетизм. Интрузии гранитной магмы