СОВРЕМЕННАЯ ГЕОЛОГИЯ: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

ДВА ГЛАВНЫХ НАПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Глубинная геодинамика

    В последнее десятилетие определились два главных направления исследований в науках о Земле - глубинная геодинамика и ранняя история Земли. В задачу глубинной геодинамики входит изучение физических и химических процессов, протекающих в недрах Земли ниже уровня 400 км, т.е. границы собственно верхней мантии, образующей вместе с корой тектоносферу - основную область проявления тектоники плит. Для решения этой задачи в настояшее время применяются три метода: сейсмическая томография, экспериментальная минералогия и математическое моделирование. Применение двух из них стало возможным с появлением современных суперкомпьютеров, а эксперименты над минералами в условиях давлений и температур, господствующих в мантийных глубинах, - с созданием аппаратов, воспроизводящих эти термодинамические условия. Дополнительные материалы для суждения о том, что происходит с веществом на соответствующих глубинах, дают алмазоносные кимберлитовые трубки, которые, как недавно выяснилось, выносят минералы с этих глубин.
    Основное внимание исследователей в наши дни приковано к двум глубинным уровням: границе на 670 км между нижней мантией и переходной зоной к верхней мантии и к границе на 2900 км между мантией и ядром, к так называемому слою D'', по общепринятой терминологии, впервые предложенной австралийским геофизиком К. Булленом. Некоторое внимание уделяется также границе на 400 (410)км между собственно верхней мантией и переходной к нижней мантии зоной (слой Голицына, названный так в честь основоположника русской сейсмологии). На всех этих границах наблюдается заметный скачок в изменении скорости распространения сейсмических волн, свидетельствующий о соответствующем изменении фазового состояния вещества, о смене одних минеральных видов с глубиной другими. На границе мантия-ядро происходит не только смена твердого состояния, характерного для мантии, жидким, характерным для внешнего ядра, но и замещение силикатов, слагающих мантию, железо-никелевым, с небольшой примесью некоторых других элементов, веществом ядра.
    Менее ясно положение с границей на глубине 670 км. Очевидно, что это в основном фазовая граница, но существуют данные, свидетельствующие о том, что здесь может происходить и некоторое изменение химизма, в частности увеличение содержания железа с глубиной. Вопрос этот приобрел кардинальное значение. Дело в том, что в классической тектонике плит принималось, что конвекция в мантии охватывает ее целиком. Между тем, если сведения об изменении химического состава на данной границе достоверны, конвекция должна протекать раздельно в нижней и верхней (включая переходную зону) мантии. Моделирование, в частности проведенное в нашей стране, показывает, что это вполне возможно, но прямые доказательства в данном случае дает сейсмотомография, которая стала главным инструментом глубинной геодинамики. Конкретно речь идет о том, пересекают ли эту границу погружающиеся вдоль зон субдукции холодные пластины океанской литосферы, которые характеризуются повышенными скоростями распространения сейсмических волн. Исследования, проведенные на нескольких участках таких зон, окружающих Тихий океан, не дали, однако, однозначного результата. Оказалось, что в одних случаях субдуцируемые плиты останавливаются на этой границе, загибаясь вдоль нее в направлении своего наклона; в других случаях пластины ее пересекают, испытывая различные изгибы и как бы встречая сопротивление; в третьих погружаются почти отвесно, достигая границы ядра. Наиболее правдоподобное объяснение этих сложностей, предложенное французскими и японскими исследователями, заключается в том, что данная граница "полупрозрачна", субдуцируемый материал на ней задерживается на какое-то время (его определяют цифрой примерно в 500 млн. лет, значение которой см. ниже), и когда его накопление достигает некоторой критической массы, проваливается в нижнюю мантию и может достигать ядра.
    Границе мантия-ядро придается исключительно важное значение: она рассматривается как базальный уровень зарождения мантийных струй - плюмов. Как показывают опять же данные сейсмотомографии, это справедливо на крайней мере для наиболее крупных из них, так называемых суперплюмов, проявляющихся на поверхности Земли не в виде горячих точек, а целых горячих полей, как их назвали Л.П. Зоненшайн и М.И. Кузьмин. Наиболее типичное такое поле известно в юго-западной части Тихого океана; сейсмотомография установила под ним область разуплотнения мантии вплоть до ее границы с ядром. Однако другие мантийные струи могут подниматься и с меньших глубин, в частности с границы 670 км, и питаться за счет накапливающегося здесь субдуцируемого материала, как предположил австралийский геохимик А. Рингвуд.
    Происходящие в слое D'' процессы некоторые исследователи привлекают для объяснения такого замечательного явления, как периодические инверсии магнитного поля Земли, выражающиеся в быстрой смене магнитных полюсов на полюсы противоположного знака. Обнаружена определенная корреляция между частотой таких инверсий и активностью мантийных струй - эпохи появления суперплюмов отвечают эпохам спокойного магнитного поля, т.е. отсутствия инверсий, подобно середине мелового периода.

Назад| Следующая страница