ТЕПЛОВОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ

Температура поверхностной части земной коры почти полностью зависит от солнечного излучения, но суточные и сезонные колебания температуры не проникают глубже нескольких десятков — сотен мет­ров. Вся история геологического развития Земли связана с выделением или поглощением тепла. Земля — это огромная тепловая машина, рабо­та которой продолжается более 4 млрд лет, но теплопроводность Земли крайне мала. Поэтому тепло, передаваемое от ядра через мантию и ко­ру, может еще даже не достигнуть земной поверхности. Каждый год планета выделяет в космическое пространство примерно 10²¹ Дж тепла, а за 1 сек. Солнце излучает во много раз больше — примерно 5,5 ■ 10²⁴ Дж в год, или 340 Вт/м². Не вся солнечная энергия достигает поверхности Земли, и треть ее рассеивается за счет отражения атмосферой.

Среднепланетарное значение кондуктивного теплопотока, т. е. по­тока тепла, возникающего за счет соударения молекул вещества, поступающего из недр Земли, в среднем равно 59 мВт/м², или 1,41 ЕТП, где ЕТП (единица теплового потока) = 1 • 10-4 кал/см²/с, а пол­ный вынос глубинного тепла равен 3,1 ■ 10¹³Вт, или 1 ■ 10^L8 эрг/год, по данным Д. Чапмена и X. Поллака, полученным в 1976 г.

Глубинные источники тепла. Наиболее важными процессами, ге­нерирующими тепло в недрах нашей планеты являются: 1) процесс

Распадаясь, каждый радиоактивный изотоп образует длинный ряд про­межуточных продуктов распада и конечный стабильный изотоп свинца. Глав­ное уравнение геохронологии применительно к данной изотопной системе имеет следующий вид (на примере отношения ^mPb/^23SU):

t(^MGPb/^mU) = 1/Я ln[(^mPb/^M4Pb)ms - (^MPb/^MPb)i/(^ml)/ⁱ⁰-^,Pbms)] + 1,

где t (^жРЬ/^Л1<и) — возраст образца по данному отношению; (^mPb/²⁰⁴Pb)ms, (²Щ]/^гс"^;Ph)ms — измеренные изотопные отношения; (^MPb/^J04Pb)i — перво­начальное отношение. Аналогичным образом рассчитывается возраст и по отношениям ²⁰⁷РЬу²³⁵!] и ^шРЬ/^тТк. Кроме того, для уран-свинцовых се­мейств принято вычислять возраст еще и по отношениям радиогенных изо­топов свинца — (^M7Pb/^mPb)rad. Если в итоге по всем четырем изотопным отношениям получены одинаковые датировки, то можно считать, что воз­раст определен надежно. Исследуемый минера.;! на протяжении всего вре­мени существования оставался замкнутой системой относительно U, Th и РЬ. Однако нередки случаи, когда по разным изотопным отношениям получаются разные цифры возраста. Чаще всего t (²⁰⁷Pb/^20(,Pb) > t (²⁰⁷РЬ/

²³⁵U) > t (^2(l6Pb/²³⁸Pb) > t C²⁰⁸Pb/²³²ThY Такие соотношения свидетельству­ют о потере минералом радиогенного свинца. Влияние потери меньше все­

го сказывается на отношении *"^:Рb/'""Pb в связи с тем, что фракционирова­ние изотопов свинца при этом процессе почти не происходит. Поэтому возрастная датировка по свинцово-свинцовому отношению принимается обычно в качестве наиболее близкой к действительному возрасту образца.

В последние годы в U-Th-Pb-изотопном датировании цирконов удалось достичь значительного прогресса благодаря применению ионного микро­зонда (SHRIMP), сконструированного профессором У. Компстоном в Ав­стралийском национальном университете. Этот прибор сочетает высокие чувствительность и разрешение с локальностью анализа (30 мкм). На этом приборе были проанализированы обломочные зерна циркона из метаоса- дочных пород позднеархейского зеленокаменного пояса блока Илгарн (Зап. Австралия), показавшие возраст 4,1—4,3 млрд лет.

Калий-аргоновый метод. Калий состоит из трех изотопов — ⁴⁰К и⁴¹ К, из которых только ⁴⁰К обладает естественной радиоактивностью. Не­мецкий физик К. Ф. Вейцзеккер (1937) установил, что ⁴"К претерпевает двойной распад — в ⁴⁰Аг и ⁴⁰Са (рис. 3.9). В ⁴⁰Са путем (3"-распада переходит 89,05 % ядер ⁴⁰К, а в ⁴⁰Аг посредством К-захвата — 10,95 %. Двойной распад ⁴⁰К позволяет определять возраст К-содержащих минералов и пород по двум геохронометрам. Но распад ⁴⁰К в ⁴⁰Са широкого применения в геохроноло­гии не получил, т. к. природный кальций, содержащийся во многих породах и минералах, имеет то же массовое число, что и радиогенный ⁴⁰Са, и отли­чить их очень трудно. Наиболее надежной оказалась К-Аг-ветвь распада. Учитывая идеальную длительность периода полураспада ⁴⁰К — 1250 млн лет и широкое распространение К-содержащих минералов в природе, этот метод оказался пригодным для определения возраста во всех интервалах геологи­ческого времени — от архея до антропогена и почти для всех типов горных

движущаяся от экватора к полюсу, смещалась к востоку по сравнению с неподвижными частицами, а от полюса — к экватору к западу, т. е. они отклоняются вправо по отношению к направлению движения. В Южном полушарии их движение будет, естественно, противополож­ным. Несмотря на то что ускорение Кориолиса мало — 1,5 ■ 10-4 V sincp см/с^;, где V — скорость, а ср — широта, его влияние на воды океана и атмосферу очень велико, т. к. ускорение Кориолиса действует в гори­зонтальной плоскости. Поэтому ускорение Кориолиса играет важную роль в движении океанских вод.

Так как вода в океанах стратифицирована, то даже небольшие раз­личия в ее плотности приводят воду в движение, и сразу же она под­вергается влиянию ускорения Кориолиса. Течения, где градиент дав­ления, т. е. перепад плотностей, соответствует ускорению Кориолиса, называют геострофическими (плотностными). Обычно они направле­ны вдоль зон воды с разной плотностью. В результате нагона воды из- за дующих ветров и течений уклон поверхности воды может достигать

тивных вулканов, извергавшимися за последние 500 лет и давшими около 330 км²тефры.

Извержения, происходящие непосредственно на дне океана, например в рифтовых зонах срединно-океанских хребтов, поставляют очень мало пирокластики, т. к. высокое гидростатическое давление не дает развиться эксплозивному процессу. А. П. Лисицын выделяет три главных типа вы­падения пеплов: 1) локальный (несколько сотен километров от источни­ка); 2) тропосферный (до нескольких тысяч километров от источника) и

эвфотическая зона • . - . .

- ,_______________________________________________________________

' / * *

' , ' ' сестон-«дождь'»из

' * j * . живого планктона и

* , , мертвого детрита

4 *

«вмтог ' ' биоэрозия лт,

^бветос - Щ-щ^щ

_ __ ___ _____ О

ПОДВИЖНЫЙ |fi &

" ^-^r ^{7 инфеунэ}

скальное дно

' дшпУ-Р^Ц"* ' ' ; ■ ; '

. осадки

Рис. 14.50. Главные типы биоса в океанах

продуктивностью, в то время как фитопланктон дает всего 100 г угле­рода на 1 м² в год.

Бентосные организмы могут вести неподвижный, прикрепленный об­раз жизни — кораллы, губки, мшанки. Они называются сессилъным бенто­сом. Другие, наоборот, передвигаются по дну — вагилъный бентос, напри­мер морские звезды и ежи, крабы, черви, двустворки. Все эти организмы могут жить либо на поверхности дна — это эпифауна, либо внутри ниш в каменистом дне в высверленных дырках, в осадках — инфауна. Эпифауны насчитывается более 125 тыс. видов, тогда как инфауны всего 30 тыс.

Плавающий в поверхностном слое воды планктон, постепенно от­мирая, превращается в детрит, который вместе с еще живыми орга­низмами медленно оседает на дно подобно дождю — сестону, служаще­му пищей для бентоса. Этой взвесью питаются организмы — сестонофаги, которые фильтруют через себя воду.

Организмами на дне производится большая работа Часть из них свер­лит и растворяет скальные породы, производя биоэрозию; другая — пропус­кает через себя ил на дне (илоеды): третья зарывается в ил (двустворки). В результате верхняя часть осадков мощностью 1-1,5 м перерабатывается, уплотняется, и получается так называемое «твердое дно» (hard ground), не­редко встречающееся в ископаемом состоянии и свидетельствующее о том, что во время переработки дна осадконакопления не происходило.

В поверхностных водах шельфа биос потребляет фосфор, азот, крем­ний, железо, молибден, поэтому воды он объединяет. Когда отмершие планктонные организмы опускаются глубже эвфотической зоны, раз-

лагаясь, они освобождают биогенные элементы. Верхняя поверхность термоклина на уровне 100 м — это рубеж между бедной и богатой биогенными элементами зонами. Нарушение термоклина, вызванное апвеллингом, сильным волнением, способствует возвращению вод, обо­гащенных биогенными элементами, в эвфотическую зону.

В экваториальной зоне бентос дает огромное количество материала. Так, в районе Флориды в Северной Америке макробентос производит 1 кг карбонатов на 1 м² в год в приливной зоне, а в более глубоких горизонтах — до 0,4 кг/м² в год.

Наиболее распространенные осадки на шельфе представлены мак- рофоссилиями, кораллово-водорослевыми рифовыми известняками, известняками-ракушечниками и мшанковыми известняками. Микро- фоссилии в зоне шельфа мало.

Коралловые рифы распространены в современной тропической зоне океанов и, следовательно, являются индикаторами подобной палеоге­ографической обстановки в геологическом прошлом. Так называемые коралловые рифы могут быть построены не только кораллами, но и мшанками. Кораллы разных типов растут со скоростью до 2,5 см в год, образуя каркас рифового массива, в котором обитают многочисленные и разнообразные другие организмы, например, в Индийском и Тихом океанах в рифах обитает до 3 тыс. видов. Эти же обитатели и разруша­ют риф, превращая его в известковый ил.

Среди рифов различают три основных типа: 1) окаймляющие, или береговые; 2) барьерные; 3) атоллы (рис. 14.51).

1. Окаймляющие, или береговые, рифы располагаются недалеко от береговой полосы или непосредственно примыкают к ней, дости­гая в ширину нескольких сотен метров, а в длину десятков километ­ров (рис. 14.52).

2. Барьерные рифы хотя и простираются вдоль берегов, но отделе­ны от них мелководным пространством — лагунами. Наиболее извест­ным и протяженным, более 2 тыс. км, является Большой Барьерный риф у северо-восточного побережья Австралии в Коралловом море. Это гигантское сооружение шириной до 180 км и мощностью около 200 м отделено от континента лагуной шириной от 30 до 250 км при глубине в несколько десятков метров.

3. Атоллы представляют собой рифовое кольцо, которое чуть выс­тупает над поверхностью океана и сложено рифовым детритом. Внутри кольца располагается лагуна. Коралловые рифы растут на глубине в не­сколько десятков метров в теплой освещенной воде, а мощность рифов, выявленная путем бурения, достигает 1,5 км. Это свидетельствует о том, что рифы растут сверху вниз, за счет опускания океанского дна, что впервые было показано в 1842 г. Ч. Дарвином (рис. 14.53). Ширина

1 2 Рис. 15.11. Действие магморазрыва при внедрении дайки. 1 — малая вязкость магмы;

^[1] Если X — длина волны излучающего источника, то эффект Допплера выражается

формулой: X г. лТ77'. где V — скорость удаления объекта, С — скорость света. При

удалении объекта X' > X, т. е. спектральные линии смещаются в красную сторону, при приближении X' < X — в голубую.

^[2] АЕ — астрономическая единица, равная 150 млн км — расстоянию от Земли до Солнца.

^[3] Значения углш больше 90^J у <ааывают на обратное вращение например 177 3° для показывает, что экваториальная плоскость наклонена к плоек оти орбить Венеры ча 2 1' (180-177 3 = 1), но Bei ера врата тся в обратную сторону.

На Марсе весьма разреженная углекислая атмосфера с давлением у поверхности 0,03-0,1 кг/см². Такое низкое давление не позволяет су­ществовать воде, которая должна либо испариться, либо замерзнуть. Температура на Марсе изменчива и на полюсах в полярную ночь дос­тигает -140 °С, а на экваторе —90°С. Днем на экваторе температура от 0 °С до +25 °С. Атмосфера Марса содержит белые облака из мелких кристаллов СО, и Н₂0. Ветры на поверхности Марса могут достигать 60 км/час, перенося пыль на большие расстояния.

Поверхность Марса подразделяется на базальтовые равнины в се­верном полушарии и возвышенности — в южном, где распространены большие ударные кратеры. На Марсе существуют очень крупные вул­каны, например Олимп высотой до 21 км и диаметром 600 км. Это самый крупный вулкан на всех планетах Солнечной системы. Олимп принадлежит к вулканическому массиву Фарсида, состоящему из мно­гочисленных базальтовых вулканов щитового типа, слившихся своими основаниями. В этом же массиве есть очень крупные вулканические кальдеры с диаметром до 130 км. Образовались эти базальтовые вулка­ны примерно 100 млн лет назад, и сам факт их существования свиде­тельствует о большой прочности марсианской литосферы и мощности коры, достигающей 70 км (рис. 3 на цветной вклейке).

В южном полушарии Марса располагается грандиозный каньон Доме­ны Маринер, представляющий собой глубокий, до 10 км, рифт, протянув­шийся на 4 тыс. км в широтном направлении. Таких структур на Земле нет. Большой интерес на поверхности Марса представляют явные следы флювиальной деятельности в виде сухих речных русел (рис. 4 на цветной вклейке). Несколько миллиардов лет назад, когда атмосфера Марса не была такой разреженной, шли дожди и снег, существовали реки и озера. Присут­ствие воды и положительные температуры могли стимулировать возникно­вение жизни в виде прокариотов, цианобактерий. Недаром ведь в метеори­те Мурчисон, найденном недавно в Австралии, имеющем абсолютный возраст 4,5 млрд лет, обнаружены возможные следы цианобактерий внеземного (!) происхождения.

Американские космические аппараты «Оппортьюнити» и «Паффайн- дер» обнаружили на поверхности Марса слоистые горные породы, которые могут свидетельствовать об отложении в водной среде. В атмосфере Марса есть метан (СН₄), и области его концентрации совпадают с концентрацией водяного пара в трех широких экваториальных областях, где метана в три раза больше, чем в остальных районах планеты. Там же космический аппа­рат «Одиссей» обнаружил участки льда, под которым может быть вода, а в ней могут жить метанопродуцирующие бактерии. Похожая ситуация есть на Земле в торфяных болотах в криолитозоне.

В наши дни установлен факт падения на Землю метеоритов, представ­ляющих собой осколки марсианских пород, выбитых сильным ударом

^[5] Правило Тициуса—Боде гласит, что расстояния планет от Солнца увеличивают­ся в геометрической прогрессии: R - 0,4 + 0,3 • 2" (АЕ), где п = 0 для Венеры, п = 1 для Земли, п = 2 для Марса, п = 4 для Юпитера, а п = 3 как раз соответствует поясу астероидов. Планеты Меркурий, Нептун и Плутон этому правилу не подчиняются.

[6] м на 100 км. Такое явление наблюдается в поперечном сечении Гольфстрима.

Течения, вызванные деятельностью ветра, уменьшают свою скорость с глубиной ввиду трения слоев в водной толще. На поверхности океана вода не движется точно по направлению ветра, а с действием ускоре­ния Кориолиса течение будет направлено под углом 45° к направлению ветра, причем чем глубже расположен слой воды, тем отклонение от направления ветра будет больше. Подобная закономерность была уста­новлена в 1902 г. В. В. Экманом и получила наименование спирали Эк- мана.

Апвеллинг представляет собой очень важное явление и заключа­ется в подъеме воды в океанах с уровня термоклина или более глу­боких слоев воды в силу разных причин. Это и ветер, сгоняющий теплую воду с поверхности; и действие ускорения Кориолиса; и кон­фигурация береговой линии; и разница в плотности воды (рис. 14.12). Значение процесса анвеллинга заключается в выносе к поверхности вод, относительно богатых разнообразными питательными вещества­ми, обогащающими поверхностные слои компонентами, увеличива­ющими биопродуктивность. Поэтому апвеллинг, помимо других фак­торов, контролирует тип биогенных осадков: карбонатных, кремнистых, фосфатных. С апвеллингом связана низкая температу­ра воды у побережий Калифорнии и Южной Америки, Северо-За- падпой и Юго-Западной Африки. В этих случаях важную роль игра­ют пассаты, которые, дуя с востока на запад, постоянно сдувают нагревающийся поверхностный слой воды, а на смену ему поднима­ются холодные глубинные воды.

[7] глобальный, охватывающий всю поверхность земного шара и характе­ризующийся очень мелкими (0,3-1 мкм) пепловыми частицами.

Выпавший на дно пепел может переотлагаться донными течениями и турбидными потоками, а ветер и льды разносят тефру далеко от мест извержения.

Металлоносные осадки, образующиеся из высокотемпературных рудоносных растворов в рифтовых зонах океанов, были открыты со­всем недавно. Значение этого открытия для геологов трудно переоце­нить, т. к. впервые была получена возможность наблюдать образование современных медно-колчеданных месторождений, аналоги которых так широко распространены в разновозрастных складчатых областях, на­пример на Урале.

Только за последние 15-20 лет стало возможным непосредственно исследовать участки выхода высокотемпературных рудоносных раство­ров на поверхность океанического дна с помощью автономных под­водных обитаемых аппаратов — маленьких глубоководных подлодок, хотя сведения о металлоносных осадках поступали и раньше (рис. 19 на цветной вклейке).

Эти осадки развиты вблизи активных спрединговых хребтов в риф­товых зонах и характеризуются повышенным содержанием железа, мар­ганца и других элементов. В настоящее время известно более 100 ак­тивных гидротермальных полей, которые окружены металлоносными осадками (рис. 14.47). Большая их часть сосредоточена в пределах Во­сточно-Тихоокеанского срединно-океанического хребта и в ряде дру­гих мест.

Особый интерес представляют собой металлоносные осадки Красно­го моря, которое является молодым позднекайнозойским рифтом с низ­кими скоростями спрединга, до 1,6 см/год. В его центральной, наиболее молодой рифтовой зоне известен ряд впадин, в том числе знаменитая впадина Атлантис II, в которых находятся высокотемпературные (+66 °С) рассолы с высокими концентрациями Fe, Mn, Zn, Си, Pb, Со, Ва, Li, Si.

Рассолы впадины Атлантис II обладают очень низким содержани­ем кислорода, а в придонном слое он полностью отсутствует. Рассолы появляются в связи с тем, что в этом районе известны горизонты

Ц «83

[8] — большая вязкость магмы. Давление магмы превышает минимальное сжимающее напряжение всего лишь в 1,2 раза. Чем больше вязкость магмы, тем толще дайка