ҚР ҰғА-ның Хабарлары. Геологиялығ сериясы. Известия НАН РК.
Серия геологическая. 2006. №6. С. 50–61
Все процессы – это превращения энергии, которые в конечном счете сводятся к тепловы- делению. Тепловая энергия, в свою очередь, так- же совершает работу механическую, электри- ческую и т.д., но термодинамические тенденции сводятся к вырождению любого вида энергии в тепловую.
Тектонические процессы, оставляющие свои записи в геологических формациях, реализуют- ся в литосфере через механическую работу по перемещению плит и более мелких их элемен- тов. Эта работа осуществляется в едином ме- ханизме с конвективным движением и выделяе- мое при этом тепло одной природы с разогревом в мантии и верхней, и нижней. Если считать, что дрейф плит по земной сфере – процесс доста- точно пассивный по отношению к движущим си- лам (гравитационная дифференциация), то рас- ход энергии в этом незначительный в сравнении с энергетикой мантии. Однако он формирует структуру литосферы во многих ее тектоно-маг- матических проявлениях. В частности, в столк- новении плит происходят орогенные процессы, со- здающие свой тектонотермальный стиль, отно- сительно изолированный от мантийного тепло- массопереноса [14].
Подток тепловой энергии из мантии в виде кондуктивного теплопотока и тепломассоперено- са в рифтогенных процессах создает иной текто- УДК 551.24.031 А. Н.
А. Н. ЭСМИНЦЕВ1
ВОПРОСЫ ЭНЕРГЕТИКИ ТЕКТОНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЯ
Литосферадағы градация құрылымының құрылу процесi жəне оның энергия бөлу формасына байланысты: вулканизм, интрузи- ялық процесс, кендердiң қабатталған процесi т.б. Тектоникалық циклдың қҝрылымындағы энергияның бөлiну формаларын iздестiру мəселелерi қарастырылған.
Рассмотрена градация структурообразующих процессов в литосфере в зависимости от форм энерговыделения: вулка- низм, интрузивные процессы, складкообразование, рудные процессы и т.д. Исследуются вопросы положения форм энерго- выделения в структуре элементарного тектонического цикла.
The article deals with gradation of structure forming processes in the lithosphere depending on forms of energy release such as volcanism, intrusive processes, folding, ore processes, etc. Problems of energy release forms in the structure of elementary tectonic cycle are investigated.
1 Казахстан. 050100, г. Алматы, ул. Кабанбай батыра, 69а, Институт геологических наук им. К. И. Сатпаева.
нический механизм, рифтогенный, уже опосредо- ванный через тепло. Находясь в динамопаре, оба механизма геодинамики составляют элементар- ный тектонический цикл (ЭТЦ). Таким образом, в ЭТЦ попеременно чередуются преобладающие процессы – тепловые в рифтогенных и механи- ческие в орогенных [14, 15].
Не вся механическая энергия литосферы пе- реходит прямо в тепловую. Происходит необра- тимый ее расход в работе против силы тяжести в образовании положительных форм рельефа, которые в геологических масштабах времени быстро денудируются. Существенный расход энергии происходит в вязко-пластичных дефор- мациях, в разрывной тектонике, в сейсмических процессах. Однако взвешенный баланс энерге- тики Земли склоняет к представлению, что силы, формирующие литосферу и в особенности зем- ную поверхность, составляют незначительный процент от общих энергозатрат в геодинамике.
Такое представление ставит знаки вопроса над доминантами концептуального состояния в геотектонике начиная от канона Штилле, в кото- ром рассматривается идея о ведущей роли оро- генных процессов, и до дрейфа континентов.
Дрейф континентов подтверждается измерения- ми в GРS, мантия подвижна во всей своей глуби- не [13]. Геологические формации – только след- ствия и записи тектонических процессов. Они
надолго сохраняются только на континентах, со- ставляющих 1/3 земной сферы. Тихий океан – это фонтанирующая мантия в геологических масш- табах времени. Основное энерговыделение про- исходит в океанах. «Формации – записи» на кон- тинентах фиксируют значительно менее 10% ито- гов энерговыделения из мантии.
На этом фоне имеет смысл рассмотрение энергозатрат по различным видам наблюдаемых тектонических процессов. На рис.1 приведены ве- дущие структурообразующие процессы литосфе- ры в порядке убывания их энергонасыщенности.
В данной схеме в координатах (Wv, p), где Wv – удельная энергонасыщенность процесса, р – вероятность его распространения в земной сфе- ре, показано представление об относительной роли каждого из явлений, вызываемых тепловы- делением из мантии. Исходя из того, что каж- дый ЭТЦ по сумме энерговыделения одинаков с
Рис. 1. Диаграмма отношения дифференциальной энергонасыщенности геодинамических процессов к вероятности их распространения в объеме коры – мантии Земли
предыдущими и последующими, нет оснований считать, что в одном цикле будут только сла- бые процессы, тогда как следующий будет бур- ным. Четкий ритм во времени, не выходящий из 42ұ1 млн лет, свидетельствует о равных мощно- сти и энергозатратах на протяжении рассмотрен- ных 800 млн лет в каждом цикле. Не столь оче- видное обстоятельство равенства энерговыделе- ния в мантии из цикла в цикл, в частности, под- тверждается Н. И. Николаевым, со ссылкой на А.Н. Тихонова и др. [8] (с.54, рис. 2). В [11] так- же приводятся доказательства хоть и усреднен- ного, но очень полого убывающего энерговыде- ления Земли на протяжении рифея и фанерозоя, без глобальных катастроф, подобных позднеар- хейским (с. 182, рис. 5,3).
Если это так, то показанные на рис. 1 процес- сы стандартно повторяются из цикла в цикл. Но распределение их на земной сфере случайно в
Рис. 2. Периодичность плавления в мантии Земли. (По А.Н. Тихонову и др. [8].
Циклы по 170 млн лет от раннего протерозоя до кайнозоя)
математическом смысле. Имеет место унасле- дованность – понятие, всегда присутствующее в геологических построениях, однако в данном контексте это просто высокая мера вероятнос- ти.
Континенты, дрейфующие над мантией, про- ходят все возможные ситуации теплообменных процессов под собой, и следует признать, что и самые долгоживущие унаследованные пояса и зоны в своей активности едва переживают че- тыре-пять циклов ЭТЦ. В этом же контексте становится неопределенной и унаследованность даже и в двух последующих ЭТЦ, поскольку возникает новая вероятность для фрагментов коры – плит, террейнов, микроконтинентов и т.д.
участвовать в иных ансамблях или взаимоотно- шениях. Эта математическая вероятность мо- жет быть самой разной:
Р{0ё1}.
Удельная энергоемкость процесса в случае рис. 1 отнесена к единице
объема
Wv= dW dv ,
где Wv – удельная энергоемкость, W – энергия, Дж, v – объем горной массы в ходе данного про- цесса.
На рис. 1 вулканизм рассматривается как наименее распространенное явление на земной сфере, сосредоточенное в узких, но протяженных вулканических поясах. Высшая концентрация энергии в виде вулканических явлений наиболее локально представлена на земной сфере как маг- матический и в нашем случае энергетический процесс, дошедший доверху.
Сколь ни впечатляющи своей грандиознос- тью вулканические извержения, каждый вулкан представляет собой на земной сфере точечный объект расхода энергии. И даже вулканические цепи и пояса мировой рифтовой системы – это линейные объекты магматизма, дошедшего до- верху. Энергонасыщенность вулканизма макси- мальна в дифференциальном выражении, но ми- нимальна относительно земной сферы. Вулканизм – свидетельство особо интенсивных процессов в коре и мантии вдоль протяженных узких зон.
Разломы по происхождению многообразны и в общем случае, независимо от механизмов их образования, свидетельствуют о мгновенном до- стижении предела прочности горной массы. Это-
му сопутствуют сейсмические явления.
Интрузивные процессы в ЭТЦ в рифтоген- ной и орогенной фазах противоположны по своей природе: одни мантийные и это I – граниты, дру- гие коровые, и это S – граниты, и все сопровож- дающие их формации, или какие бы формации они сами ни сопровождали [16]. Приближение к это- му пониманию уже вызвало волну идей нелиней- ной тектоники [9], что, на наш взгляд, обуслов- лено затруднениями в теории тектоники плит.
В теле Земли, вероятно, нет ни одного эле- ментарного объема, который хотя бы один раз не прошел точку плавления в магматических процессах. Однако, это также точечные момен- ты в геологической истории, далекие от ведущих процессов энерговыделения. Такое представле- ние отрицает идею изначально расплавленной Земли, так как приводит к пониманию, что в каж- дый момент геологической истории в магмати- ческих процессах бывала расплавлена только незначительная часть ее.
Складчатость – все механические процес- сы в горной массе, в полях напряжений: а) мгно- венно достигающих предела текучести, но еще не до предела прочности; б) в пределах упругих напряжений, но существующих длительно, доль- ше, чем время релаксации горной массы (104 лет и более). Напротив, все сейсмические явления происходят внутри этого временного интервала, в динамике полей напряжений.
Тектонотермальный прогрев как феномен обнаруживается в изотопной геохронологии. Если из одной и той же пробы на абсолютный возраст проанализированы цирконы на Pb и амфибол, и биотит на K-Ar, то нередко обнаруживается, что по циркону и амфиболу возраст определен в 420 млн лет, а по биотиту – 210 млн. лет. Опыт изотопной геохронологии свидетельствует, что амфиболы хорошо удерживают аргон при прогре- ве до 400°С, а биотит его теряет до 320 °С.
И если по циркону и роговой обманке возраст со- впадает, то K–Ar – часы в биотите были оста- новлены 210 млн. лет назад достаточным для этого прогревом, который мало чем еще мог быть обнаружен, возможно, например, по синх- ронным с ними сульфидам, по их модельному возрасту. Но так или иначе прогрев был, и он является свидетельством более масштабных процессов в коре и мантии, но проявился в дан-
ной точке только таким образом.
Зафиксированный этим способом тектонотер- мальный прогрев в данной местности должен коррелироваться по времени с явными тектоно- магматическими событиями как в этом же ре- гионе, так и во всем мире в силу найденной цик- личности (ЭТЦ). Случай тектонотермального прогрева вполне отвечает практической ситуа- ции отбора соответствующего аналитического материала в градиентах геотермального палео- поля. Возможны магматические образования данного возраста, создавшие соответствующий прогрев в этом районе. Информация об эпохе тектонотермальной проработки особенно ценна для построения металлогенограмм, корреляции рудных процессов и вообще в металлогении. На этой основе возможно построение моделей руд- ных процессов некоторых телетермальных мес- торождений.
Рудные процессы – средоточие внимания геологической теории и практики – в основном завершают магматизм и тектонотермальные импульсы. Они энергетически менее насыщены, но по структуре своих механизмов весьма слож- ны и имеют широкое распространение, соизме- римое с распространением магматических про- цессов, а также продолжаются в осадочных про- цессах. Многоступенчатая эволюция рудного вещества начинается в рифтогенных процессах (колчеданы) и завершается редкометалльным рудооброзованием. Этим определяется рудный мегаряд, растягивающийся по рифтовой вер- тикали как по хроматографической колонке в химии. И если колчеданное оруденение фор- мируется сразу в рифтовом осадконакоплении, то редкометалльное от него отстает на два-три ЭТЦ, хотя стартовали из подкоровой рифтовой камеры вместе.
Перерывы в осадкокоплении – геологичес- кие явления, наименее инерционные во времени.
Основное значение имеет трансгрессивное на- легание, имеющее четкое структурное выраже- ние. Менее информативна поверхность размы- ва, поскольку может достигать любой глубины.
Проблему составляют скрытые перерывы, оп- ределяющие собой потери информации. Найден- ная высокая вероятность совпадения перерывов с тектоническими фазами на материалах Казах- стана свидетельствует об их единстве в дина-
мике литосферы [15]. Анализ перерывов осад- конакопления имеет значительный исследова- тельский потенциал для геодинамики, еще не ис- пользованный.
Подъемы фронта геотермального поля.
Импульсы теплового потока, волнообразно сле- дующие друг за другом, особенно четко фикси- руются в процессах рудогенеза, но сопровожда- ют и интрузивные, и вулканические процессы, охватывая площади, большие, чем тектоно-маг- матические пояса.
Усиление дегазации мантии (He, Rn, CO2, H2O и др.). Основной агент тепломассоперено- са, достигающего дневной поверхности, охваты- вает всю сферу Земли.
Термальные процессы на границе кора–
мантия. Условия растяжения в литосфере в риф- тогенную эпоху активизируют тепловые процес- сы пассивного и активного рифтогенеза. Пассив- ный рифтогенез [4, 5], не достигающий океани- ческой стадии, имеющий широкое распростра- нение в континентальной литосфере, чаще всего не достигает дневной поверхности, хотя на гра- нице кора-мантия происходят активные процес- сы, формирующие магматические камеры, ман- тийные валы и рифтовые подушки, образующие перидотитовые, анортозитовые, эндербитовые и чарнокитовые массивы, однако не достигающие и средних уровней коры. Они сопровождаются диссипативными процессами тепломассоперено- са [2].
Кондуктивный теплопоток проходит через полную поверхность земной сферы и составляет базис теплового излучения Земли, наименее под- верженного колебаниям в ЭТЦ; входит состав- ной частью в теплоперенос в восходящих вет- вях и погружении.
В перечисленных моментах представлена грубая градация явлений, вызываемых теплопо- токами из мантии. И если энергонасыщенность сверху вниз (рис.1) убывает параболически, то их глобальное значение по всей литосфере, на- против, возрастает логарифмически. Основной тепломассопоток реализуется в океанах, где в восходящих потоках выносит 90% тепловой энер- гии Земли [11].
Все перечисленные факторы имеют единый источник – тепловой механизм в мантии, рабо- тающий по циклу Карно [15].
Каждый из указанных способов теплопере- носа, по-видимому, так или иначе подвержен ко- лебаниям в доле от суммарной тепловой энер- гии. Их взаимодействие представляет большой исследовательский интерес и, по-видимому, со- ответствует всем узлам и трансмиссиям тепло- вой машины Земля.
Пусть континенты составляют меньшую часть поверхности земной сферы, но они в силу дрейфа бывают на ней повсеместно и благопри- ятны уже тем, что на них записывается в фор- мациях история энерговыделения и сохраняется надолго, тогда как у океанической коры такие возможности резко ограничены.
На этом фоне вопрос Г. Штилле о глобаль- ности фаз орогенеза как важнейших событий в истории Земли теряет такой их статус, но и не отрицается. Любой фазе на одном континенте, выраженной как угодно интенсивно, можно най- ти соответствие и на других континентах, по- скольку полной неподвижности в земной коре практически нигде и никогда не было. И в этом смысле фазы Штилле глобальны. Но в них пока- зан только орогенез как событие несколько вто- ростепенной важности в сравнении с рифтогене- зом в обстановке глобального растяжения в ли- тосфере.
Вообще глобальными можно считать обста- новки растяжения и сжатия в литосфере, вызы- вающие в земной коре соответственно рифтоген- ные и орогенные обстановки. Фиксируемые в формациях, их фазы становятся событиями произ- водными от энерговыделения в мантии. Тем са- мым история Земли – это история энерговыде- ления, записанная в формациях.
Тектоническая активность проявляется им- пульсивно, короткими периодами. События та- ких импульсов фиксируются в вулканизме, в раз- ломной тектонике. Более медленные процессы реализуются в складкообразовании, в темпе пол- зучести–релаксации горной массы. Последнее обстоятельство ныне привлекает все большее внимание и определяется в концепции реидной деформации в тектонической эволюции [6].
Объемная текучесть земной коры составляет вторую гармонику, реализующуюся плавно, вол- нообразно, на кривую которой накладываются последующие гармоники пиков тектонических импульсов, достигающих мощности разломной
тектоники и вулканизма. Таким образом, запи- сываются модуляции на циклическую кривую.
События критических точек тектонических циклов достигают интенсивности разломной тектоники, но не везде. Вероятнее и шире эти собы- тия фиксируются в перерывах в осадконакоплении.
Фаза складчатости реализуется в литосфер- ных полях напряжений, на некоторых пороговых значениях, не достигающих пределов прочности горной массы. Даже и ползучесть горной массы как твердого тела, возникающая в медленных деформационных процессах при напряжениях зна- чительно ниже предела текучести, также имеет свое минимальное пороговое значение, ниже ко- торого не начинается. Это может указывать на отсутствие явной складчатости и тем более раз- рывов, что еще не отрицает существование поля напряжений. Напротив, складчатость и разрывы могут формироваться в основном в градиентах поля напряжений. Неявными свидетельствами этих полей могут быть скрытые стратиграфичес- кие несогласия, иногда фиксируемые только фа- унистически.
Если принимать за фазу проявления тектоно- термального прогрева и даже только увеличен- ную дегазацию мантии, то такая фаза с необхо- димостью выглядит глобальной. В любом слу- чае, начиная от вулканизма и достигая слабых проявлений тепловой активности мантии, все они коррелируются с пульсациями теплового пото- ка, излучаемого в космическое пространство через земную сферу. Но начиная с вулканизма и до магматических процессов на границе кора – мантия это надпороговые события, которые ре- ализуются при достаточном энергетическом эф- фекте в данном месте, достигая температур плавления.
Видимая кратковременность орогенической эпохи в том, что медленно и долго развивающи- еся усилия, создающие поле напряжений, разре- шаются в складчатости, тогда как разрывы и особенно разрушительно-катастрофические со- бытия происходят по достижении предела проч- ности литосферы, что бывает кратковременно.
Это затем сменяется по убывающей слабо и вяло развивающимися усилиями, ведущими к склад- кообразованию, но не к разрывам. Однако фик- сируются в основном эпохи горообразовательного катастрофизма. Они также сопровождаются сво- ими импульсами магматизма как процессы осо-
бой мощности, достигающие плавления горной массы.
Если считать складчатостью ее структурное проявление в геологической позиции, то это след- ствие энергетических процессов глобального ха- рактера, но сама складчатость в конкретном про- явлении локальна или региональна. Ее возраст- ное положение фактически маркирует эпохи энер- говыделения как причины своего происхождения.
Напротив, геотектонические циклы, кимме- рийский, герцинский, каледонский, байкальский и др., имея свои начала, максимумы и заверше- ния в энергетике тектономагматических процес- сов, на фоне стабильного энеговыделения из ман- тии, являют собой только факты перераспреде- ления теплового потока скорее во флюидо-тер- мальные процессы, чем в кондуктивный тепло- поток.
Признание дрейфа континентов поставило вопрос о случайности направлений их передви- жения и случайности сочетаний их в новых ан- самблях. Безусловно, существующие закономер- ности складываются из множеств случайных событий, почему-либо получающих направлен- ную тенденцию.
На этом фоне ведущей глобальной законо- мерностью остается элементарный тектоничес- кий цикл, заданный параметрами и свойствами фигуры Земли в целом. Ее мантийный двигатель работает ровно, с тенденцией к слабо убываю- щей мощности в ходе геологической истории.
Цикл в 42 млн лет и его квартеты по 170 млн лет не вписываются симметрично-кратным об- разом в галактический год Солнца 230 млн лет.
Кроме того, согласно астрофизическим данным спиральные галактики закручиваются с тенден- цией к уменьшению радиуса вращения и к уве- личению угловой скорости, закономерно сокра- щающей галактический год. Поэтому предыду- щий год Солнца мог быть продолжительнее, ве- роятно, на 3–5 млн лет – и так во всей истории Солнечной системы. На этом фоне жестко вы- держанный во времени цикл не может прямо за- висеть от элементов орбиты по Галактике, в ее годовых, полугодовых, квартальных и других элементах.
В [11] Сорохтин и Ушаков дают оценку воз- можного влияния галактических гравитационных полей. Они считают, что «градиент силы тяжес- ти лунных приливов приблизительно в 1017 раз
больше градиента, создаваемого галактическим гравитационным полем. Поэтому ни о каких вли- яниях «галактического года» на тектонику Зем- ли говорить не приходится».
Когда континенты с кратонизированной ли- тосферой объединяются в суперматерик, они со- ставляют обширный и прочный литосферный сег- мент над погружающейся ветвью одноячейной конвекции. Мощность литосферы достигает 400 км, а убегающая вниз ветвь конвекции умень- шает скорость восходящего теплового потока.
Таким образом, под суперконтинентом создает- ся обстановка пониженного теплового потока и преобладающая обстановка сжатия в поле тек- тонических напряжений, дополнительно блокиру- ющая тепломассопотоки из мантии. В этих ус- ловиях основой энергообмен соединен с океана- ми. На суперконтинентах тектономагматические процессы ослаблены и в силу его повышенной механической прочности, и в силу отвода основ- ного потока энергии в океаны на противополож- ной стороне фигуры Земли, в восходящей ветви одноячейной конвенции. Хотя в каждом цикле расход энергии «в киловаттах» примерно одина- ков.
Распад суперконтинента приводит в движе- ние его фрагменты как угодно далеко, и они дрей- фуют над самыми разнообразными конвектив- ными обстановками в «кипящей», турбулентной мантии, перестраивающейся в двухэтажную или многоэтажную конвекцию. В этих условиях кра- тоны претерпевают раздробление, сталкивают- ся и проходят через статистически случайные тектонотермальные ситуатции, которые форми- руют складчатые пояса, орогены, плиты и щиты.
В каждую геотектоническую эпоху закладыва- ются свои структуры, занимающие в общем не- значительную площадь от сферы Земли, разви- ваются несколько циклов унаследованно и отми- рают, пересекаясь затем новыми подвижными зонами или сочленяясь с ними более или менее случайным образом.
Стояние суперконтинента, его период распа- да и формирование следующего – явление био- графии поверхности земной сферы, в объеме цик- ла Вилсона. Это ведомые процессы, зависящие от движений во всем теле планеты. Реперные события, обозначающие окончание цикла и на- чало нового, в данном случае следует ожидать в мантии. Вопрос состоит в том, каковы эти ре-
перные события и какие формации они генериру- ют в литосфере, чтобы можно было это уста- новить во времени. При этом, в достигнутом понимании определение времени такого про- цесса не должно выходить из интервала 1 млн лет, т. е., в пределах притязаний предложенной концепции.
Интуитивно представляется, что следует вести отсчет от начала распада суперконтинен- та и до следующего такого начала. В то же вре- мя для подобного рода выбора могли бы послу- жить любые значимые тектонические события, почему-либо кажущиеся предпочтительными. В некотором смысле проблема выбора особо зна- чащих точек в циклических процессах представ- ляется достаточно непростой, поскольку они так или иначе поочередно повторяются.
В предлагаемой модели реперным моментом, означающим начало очередного цикла Вилсона, принимается ЭТЦ, в рифтогенной обстановке ко- торого начинается распад «пангеи». Он как ве- домый, вследствие быть производным от про- цессов в мантии, маркирует в продуктах форма- ций возраст событий изменения процессов дан- ного ранга, монотоно прослеживающихся далее около 800 млн лет до следующего распада.
Для примера, цикл Вилсона можно было бы проследить от максимума разбегания континен- тов, до следующего максимума, т. е., сместить синусоиду этого циклического процесса на фазу, тогда бы эти события отметились в минимумах процессов, в гранитоидах, по цирконам которых зафиксированы возрасты тектоноактивных эпох.
На рис. 3 приведено сопоставление диаграмм, отображающих самые общие черты тектоничес- кой эволюции Земли. Верхняя диаграмма харак- теризует расход энергии на тектонические про- цессы в геологическом времени [11]. Экстре- мально выраженный пик расхода энергии, опре- деливший кеноранский цикл, О. Т. Сорохтин и С.
А. Ушаков объясняют становлением земного ядра, которое в эту эпоху приобрело закончен- ные очертания и далее только наращивает свою массу. Полого и почти линейно нисходящая ветвь этой диаграммы характеризует медленное и рав- номерное сокращение расхода энергии на каж- дую тектоническую эпоху, что, на первый взгляд, не согласуется с представлениями о смене эпох покоя и катастроф в геологической истории. Но
взвешенное на соотношении масштабов механи- ческих и термальных процессов в мантии и коре это представление кажется понятным как резуль- тат ровной циклической работы мантийного дви- гателя, где каждый последующий цикл ненамно- го слабее предыдущего. В масштабах земной коры и в особенности в ее верхних наблюдае- мых горизонтах итоги этих движений, записан- ные в формациях и дислокациях, отражают цепь случайных и флюктуативных ситуаций энерговы- деления.
В статистике эти ситуации выстраиваются в закономерности, наиболее общие из которых можно видеть в приведенной сводке независимо полученных результатов. На рис. 3 смонтирова- ны восемь диаграмм, приведенных с возможной точностью к единому масштабу времени. Две верхние диаграммы взяты из [11]. Гистограмма
«коллизионной магматической активности» по- строена нами на основе разноски изотопных да- тировок по миллионнолетней шкале, в основном по цирконам и K-Ar, на мировом материале.
Ниже расположены гистограммы из публи- кации Ю. А. Балашова и В. Н. Глазнева (2004 г.). На них отображены дифференцированно:
«гранулиты и эклогиты», «коровые субвулкани- ты», «щелочные породы», «дайки, траппы»,
«мантийные магматиты».
Техника построения всех гистограмм в прин- ципе одинакова, но приведение их к одному мас- штабу времени создало разницу в масштабах частости. Поэтому имеет смысл рассматривать только относительные значения в сопоставлении с двумя верхними диаграммами (по Сорохтину – Ушакову, 2001).
Нами выполнено построение гистограммы по мировым материалам в отображении миллион- но-летней шкалы, построчно по 5 млн лет. Ста- тистика построена в частости попадания цифр в 5-миллионнолетние интервалы. Использовано около 6000 цифр. Материал определений по цир- конам и K-Ar относится к гранитоидам (грани- ты-гранодиориты, реже диориты). Они представ- ляют в значительном преобладании S-граниты орогенно-коллизионного происхождения (по Чап- пелу-Уайту).
Таким образом, гистограмма отображает в основном интенсивность орогенных процессов во времени. В исполненной технике отсутствовала
возможность отобразить подробности оригина- ла (чертеж длиной 5 м). Показаны основные тен- денции. Подъемы и понижения гистограммы вполне определенно повторяют размещение во времени формирования и распада суперконтинен- тов. Выведенная О. Г. Сорохтиным и С. А. Уша-
ковым закономерность четкой периодической повторяемости образования суперконтинентов
«пангей» через 780–800 млн лет, в зависимости от числа конвективных циклов, в смене одноячей- ной конвекции на двухъячейную и обратно нахо- дит отражение в очертаниях гистограммы. Эти
Рис. 3. Сводная диаграмма основных тектономагматических событий в истории Земли (по О.Г. Сороктину, А.С. Ушакову, 2002; Ю.А. Балашову и В.Н. Глазневу, 2004; гранитоиды – авторский вариант). Ведущий процесс в литосфере континен-
тов – их ассимиляция в суперконтиненты и последующий распад (циклы Вилсона)
периоды цикличности соответствуют циклами Вилсона [12]. Использованы названия циклов, применяемые на Американском континенте, так как в силу слабой разработанности геотектони- ческой шкалы докембрия пока нет определенно- сти в рангах беломорского, кольского, карельс- кого и других циклов тектогенеза. Из гистограм- мы, в частности, видно, что байкальский, кале- донский и герцинский циклы, в том числе пред- шествующий им цикл без названия (или условно гренвильский), – это циклы Бертрана, некоторым образом нарушающие периодичности предыду- щих трех циклов Вилсона и совпадающие с ожи- даемым в этом периоде спадом орогенной ак- тивности [12].
Максимумы орогенной активности отме- чают сближение и столкновение континен- тов и определяются в коллизионных процес- сах. По-видимому, данная статистика отобража- ет в конечном счете суммарную протяженность зон столкновения континентов в ходе их слияния в «пангею», и затем и в ходе ее распада. Эпохи стояние Моногеи, Мегагеи и Мезогеи (Родинии) совпали с пиками орогенной активности. После- дующий их распад и максимальное разбега- ние континентов соответствуют минимума- ми орогенной активности.
Напротив, очертания послегренвильских со- бытий от миллиарда лет назад (поздний рифей) до мезозоя осложнены активностью байкальс- кого, каледонского и герцинского циклов Берт- рана. Каледонский цикл в своем максимуме (ор- довик–силур) совпадает с положением континен- тов, соответствующим по схеме их ожидаемому максимальному разбеганию. Наоборот стояние Пангеи в пермо-триасе соответствует в действи- тельности минимуму глобальной орогенной ак- тивности. Такое нарушение мотива тектоники, сложившегося в докембрии, пока не находит объяснения. Следуя этому мотиву, можно было бы ожидать, что байкалид, каледонид и герци- нид не было, а слияние в Пангею в мезозое толь- ко началось. Таким образом налицо аномальный ход тектонических событий в фанерозое, если это нельзя объяснить методическими ошибками дан- ного исследования.
Ошибки могут состоять в том, что банк дан- ных по датированию не учитывает разную со- хранность датируемых объектов в докембрии и
фанерозое. Если использовать равновеликие вы- борки из архея, протерозоя и фанерозоя, то рас- пределение по гистограмме может принять иные очертания. Возможно введение поправочных ко- эффициентов, учитывающих соотношения площа- дей архея, протерозоя и фанерозоя по континен- там. Также, чем древнее подразделение, тем более глубокий эрозионный срез оно представ- ляет, тем больше информации о нем безвозврат- но потеряно. Напротив, фанерозойские подразде- ления занимают господствующее положение по поверхности континентов. По крайней мере, в гистограмме «коллизионной магматической ак- тивности» (рис. 3) это не учитывалось. Но веро- ятно иное объяснение: в добайкальскую эпоху в позднем рифее начал формироваться Тихий оке- ан и он постепенно «согнал» все континенты в одно полушарие, что вызвало их интенсивное столкновение в каледонидах – герцинидах.
Сопоставление рассмотренной гистограммы с результатами исследований Балашова–Глазне- ва значительно дополняет и уточняет изложен- ные представления. Прежде всего, подтвержда- ется аномально мощный тектогенез байкалид- герцинид; подтверждаются пять экстремумов гистограммы в мантийных магматических про- цессах в «гранулит-эклогитах» и «коровых суб- щелочных сериях», хотя в последних картина более сложная и размытая. Ценность представ- ленного материала также в дифференцированном подходе по типам магматизма [1].
Наблюдается полное совпадение минимумов в гистограммах нашей и Балашова–Глазнева.
Совпадают и выводы об их природе в периодах деструктивных процессов суперконтинентов.
Однако максимумы не столь согласованы, хотя наилучшее сходство наблюдается с гистограм- мой «гранулитов и эклогитов». Менее корреля- тивна «гистограмма мантийного магматизма».
Сами авторы находят свои гистограммы вполне коррелятивными, в особенности подчеркивает- ся согласованность верхнемантийного и субще- лочного гранитоидного магматизма. Действи- тельно, визуально наблюдается определенное сходство этих гистограмм в грубых деталях (рис.
3). Однако, вероятно, опыт ранговой или парной корреляции не дал бы коэффициента корреляции
<0,5, так как сходные детали распределения сдвинуты по времени. В нашем представлении
принципиально важным является сдвиг по вре- мени, равный элементарному циклу тектоноге- неза 42 млн лет, или его фазе 21 млн лет. Имела бы смысл корреляция числовых рядов датиро- вок, градуированная между одновременными со- бытиями: только орогенные фазы; только риф- тогенные фазы [15]. Рифтогенные события ге- нерируют мантийный магматизм, орогенные маг- матические процессы в основном внутрикоровые.
Инверсионные процессы, доорогенные обра- зуют габбро-диорит-гранодиоритовые формации, а субсеквентные – субщелочной кислый и сред- ний магматизм. Они, вероятно, постепенно пере- ходят в предрифтовый основной и ультраоснов- ной щелочной магматизм со щелочными пиро- ксенитами в подвижных зонах, с лампроитами и кимберлитами в кратонах.
Все же видимая коррелятивность построений Ю. А. Балашова и В. Н. Глазнева может объяс- няться тем, что в каждом элементарном текто- ническом цикле генерируются все типы магма- тизма, но каждый в свою очередь. И дело слу- чая зафиксировать их продукты в достаточном количестве датировок, равно, как и попадание датировок в банк данных.
С другой стороны, закон больших чисел в статистике все же обнаруживает объективные закономерности, и приведенные материалы хо- рошо согласуются в отображении с соответству- ющими тектоническими событиями. Так, во всех гистограммах, включая и автора, с хорошей точ- ностью отмечен пик тектонической активности на рубеже архея – протерозоя. Хотя и в нем на- блюдаются сдвиги во времени между мантий- ными магматизмом и другими видами магма- тизма, в пределах ~100 млн лет. По крайней мере, в пределах точности данных построений это под- тверждает последовательности их генерации в ЭТЦ.
В трактовке Ю. А. Балашова и В. Н. Глазне- ва эволюция тектонических процессов зависит от остывания Земли, хотя из очертаний их гистог- рамм такого вывода не вытекает. Напротив мак- симальные пики магматической активности как расхода тепловой энергии показаны в кайнозое (Рис. 3).
В тепловую энергию по ее природе вырож- даются все остальные виды энергии в силу вто- рого закона термодинамики. Поэтому тепловая
энергия является следствием основных процес- сов и генерируется ими, а не определяет их в меру своего убывания. Ю. А. Балашов и В. Н. Глаз- нев принимают версию общего охлаждения как концептуальное положение (со ссылкой на Wlaar N.Y., van Keken P.E e. a. 1994), но в своих пост- роениях приходят к противоположному резуль- тату. В то же время с иных позиций О. Г. Сорох- тин и С. А. Ушаков показывают, что расход тек- тонической энергии в истории Земли, начиная с раннего протерозоя, тоже почти линейно и поло- го убывает (рис. 3, верхняя диаграмма). Это иная концепция, принимая которую, все же требуется объяснить максимумы расхода тектонической энергии именно в кайнозое.
Выскажем предположение, что объем банка данных в некоторой мере зависит от конъюнкту- ры научных интересов геологов, вследствие чего количество датировок по молодым магматитам оказалось завышенным относительно всех ос- тальных.
Из этих соображений постепенно складыва- ется опыт отношения к банку данных для пост- роения подобных гистограмм в последующих при- ближениях.
Чрезвычайно неравномерный ход тектони- ческих событий, отображенных в гистограммах на рис. 3, и вообще вся культура геологического мышления, построенная на представлениях о гео- тектонических циклах, эпохах и фазах складча- тости, согласно противостоят трактуемому нами представлению о ровном и спокойном темпе ра- боты тепловой машины Земля по циклу Карно.
Но в пользу равномерности энерговыделения свидетельствует представление о постоянной природе основных источников тектонической энергии – гравитационной неустойчивости в поле Земли, энергии радиоактивного распада и энер- гии вращения фигуры Земли. Сложившееся про- тиворечие, вероятно, является ключевым мо- ментом геодинамики, поскольку ориентиру- ет на механизмы – преобразователи посто- янной энергии в переменную, подобно колеба- тельному контуру в радиоэлектронике или подоб- но механическому маятнику.
В [15] нами обосновывается существование элементарного тектонического цикла – 42 млн лет, который в выполненных построениях ста- бильно повторился без заметной поправки 17 раз
от позднего рифея до кайнозоя на протяжении 800 млн лет. Сколько-нибудь заметные колебания в мощности каждого цикла неизбежно создали бы отклонения от указанной цифры. Реально проис- хдящие тектонические события, конечно, ослож- нили столь правильную цикличность, но в пред- ставлении о гармоничных колебаниях в механи- ке определяется их свойство фильтроваться че- рез любые линейные системы без нарушения свой периодичности. Факт существования элементар- ного тектонического цикла, прослеженный по фазам Штилле, свидетельствует как о существо- вании циклично действующего механизма ман- тии, так и о линейности систем, через которые фильтруется его цикличность в понятиях меха- ники. Основным механизмом, запускающим цик- личность, является порог механической сопро- тивляемости массы мантии постепенно и равно- мерно накапливающимся флюидным плюмам в слое Dұұ». После преодоления этого порога в ка- тегории чисел Рэлея [3,7,11] начинается восхож- дение плюмов, дающих начало активным риф- тогенным процессам. Пассивные рифтогенные процессы в литосфере, видимо, начинаются еще задолго до апвеллинга плюмов, с момента суб- секвентной инверсии, когда земная сфера из со- стояния сжатия переходит в состояние растяже- ния. Тем самым создается предрифтовая обста- новка, постепенно переходящая в рифтовую. В ходе ее возникают обстановки декомпрессии в верхней мантии, провоцирующие частичное плав- ление легкоплавких фаз ультращелочного, щелоч- ного и субщелочного состава на больших глуби- нах (по А. Рингвуду) [10]. Если бы континенты со своей литосферой не двигались по земной сфе- ре, а стояли впаянные в неподвижную мантию, то тектонические процессы происходили бы по внутриплитному варианту, т. е. пассивно. Но столкновение континентальных плит порождает широкий спектр коллизионных процессов. На при- веденных гистограммах определяется зависи- мость интенсивности тектонических процессов от взаимодействия континентальных плит. Стол- кновение континентов приводит к росту, разбе- гание – к сокращению объема «записей в маг- матических и других формациях».
Распад суперконтинентов и их дрейф, веро- ятно, чаще происходили по атлантическому типу, с пассивными окраинами, без магматизма и это
не создавало повода для изотопных датировок, по какой причине они и не вошли в статистику гистограмм, что отчасти определяет их минимумы.
Учитывая, что при любых обстоятельствах расход энергии Земли на 90% [11] происходит в океанах, на долю континентов ее остается не более 10%, и все они также распределяются в соотношениях, приведенных на рис.1. На долю континентальных магматических процессов рас- ход энергии составит, примерно 2–3%, и те в ли- тосфере будут подвержены многочисленным слу- чайным ситуациям, по глубине, по площади, по вариациям механических полей напряжений меж- ду плитами и внутри них. Этим, возможно, объяс- няется весьма неровный характер контуров гис- тограмм. Например, эпохи тектонической пассив- ности мантии, показанные крылоподобными зна- ками (рис. 3), объясняются тем, что в записях магматических формаций континентов эта инфор- мация минимальна и энергия расходовалась в океанах. Хорошая согласованность в положени- ях этих моментов во всех гистограммах, пост- роенных независимо, подтверждает их достовер- ность.
Расход энергии в каждом элементарном цик- ле в целом по Земле почти полностью воспроиз- водился. На очертания контуров гистограмм вли- яли многие факторы, но основной из них – пере- распределение энергии тектонических процессов между континентами и океаном. Записи в кон- тинентальных геологических формациях фик- сируют только долю континентов.
В масштабах миллиардов лет континенты представляют собой эфемерную шлаковую кор- ку над бурлящей мантией, но только в корке фик- сируются события времени ее существования.
Тем не менее если Тихий океан существует с докембрия, но даже и в нем кора не древнее юр- ской, не говоря уже о других, более молодых оке- анах, то только континенты остаются единствен- ным свидетельством доюрского прошлого Зем- ли, составляя не более 1/3 площади земной сфе- ры. Но это все уже достаточно далеко от веду- щей роли эпох орогенеза.
ЛИТЕРАТУРА
1. Балашов Ю.А., Глазнев В.Н. Влияние плюмового маг- матизма на динамику докембрийского корообразования //
ДАН. 2004. Т. 395, № 1. С. 78-81.
