CC BY
42
УДК 551.1
В. В. Орленок
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕОБЛАДАЮЩЕГО ВОЗРАСТА КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ФУНДАМЕНТА КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ И ОКЕАНИЧЕСКИХ ПЛАТФОРМ
Приводятся доказательства древности формирования кристаллического фундамента платформенных областей Земли, образованного в результате глобального вулканизма в катархейскую эру (более 4 млрд лет назад). На рубеже мезозоя и кайнозоя (65 — 70 млн лет назад) еще одна вспышка вулканизма и дегидротации земных недр завершилась значительными опусканиями континентальных масс (на 8 — 10 км) и формированием Мирового океана.
This article presents the evidence of the ancient origin of crystalline basement of the platform areas of the Earth developed as a result of global volcanism in the Hadean (more than 4 Ga). In the late Mesozoic-early Cenozoic, another outbreak of volcanism and dehydration of subsoils led to a significant subsidence (8 — 10 km) of continental masses and the formation of the World Ocean.
Ключевые слова: начальный вулканизм, катархей, кристаллический фундамент, алдоний, Мировой океан.
Key words: initial volcanism, Hadean, crystalline basement, aldanium, World Ocean.
Кристаллический фундамент континентальных и океанических платформ, обнажающийся на докембрийских щитах, — древнейшее геологическое образование на Земле. Имеются
немногочисленные определения его абсолютного возраста, прежде всего комплекса алдания, слагающего его основной массив — (4,3—4,0) • 109 лет [11; 12]. Аналогичный и даже более древний возраст — (4,5—4,0) • 109 лет — у вулканитов горных областей Луны [14], где более молодые базальты (3,92— 3,5) • 109 лет, — заполняющие огромные кратеры, были образованы в результате интенсивной метеоритной бомбардировки. Благодаря мощной реликтовой атмосфере Земля избежала подобной бомбардировки, поэтому первичная структура алдания: сохранилась на докембрийских щитах всех континентов [11].
Образование гранитно-метаморфического комплекса алдания произошло в результате начального вулканизма, возникшего одновременно на всех планетах после завершения их аккреции 4,5 • 109 лет назад [6; 9]. Его энергетическим источником стали короткоживущие изотопы 235U, 10Be, 26Al и другие, лавина которых накрыла остатки пылегазовой туманности вокруг планет в финале их аккреции, после взрыва молодой сверхновой, развивавшейся по азотно-углеродному циклу [6; 13]. Этим объясняются всепланетный характер, одновременное начало и завершение начального глобального вулканизма, что регламентируется периодом распада короткоживущих изотопов (106—108 лет) [1; 2].
Поверхность фундамента лежит на различных гипсометрических уровнях относительно уровня моря. Она обнажается на щитах, погружена на 2—4 км под осадочной толщей на платформах и опущена на 8 — 10 км в глубоководных бассейнах океанов [5]. Таким образом, возможно путем измерения амплитуды погружения поверхности фундамента определить длину земной окружности и радиуса на конец катархея (4,0 • 109 лет) и сравнить результат с теоретическими расчетами гравитационного сжатия Земли, что позволит решить проблему преобладающего возраста этой поверхности. Одновременно выявляется действительная роль тепломассопотерь в изменении объема Земли. Как оказалось, она сильно преувеличена гипотезой широкой термохимической дифференциации протовещества во внешнем ядре и мантии Земли [3;
4].
Воспользовавшись ньютоновским потенциалом, автором была рассчитана энергия гравитационного сжатия Земли на единицу длины (1 см), величина которой равна [7]
dF
— = 3,6 • 1023 Дж/ см.
dR
Для нахождения энергии гравитационного сжатия в единицу времени (год) в структуре наблюдаемого на поверхности Земли теплового потока Q = 8,3 • 1020 Дж/год потребовалось
Вестник Российского государственного университета им. И. Канта. 2011. Вып. 1. С. 43 — 49.
выделить радиогенную составляющую, обусловленную распадом долгоживущих изотопов 238и, 232ТЬ, которая оказалась = 3,6 • 1020 Дж/год. Оставшаяся величина Орав=4,7 • 1020 Дж/год
обусловлена гравитационным сжатием. Было составлено уравнение для определения скорости гравитационного сжатия [7]:
дЕ
— / Ограв = 4,7 • 1020 Дж/ год/3,6 • 1023 Дж/ см = 1,30 • 10- 3 см/ год.
дЯ
В результате удалось рассчитать сокращение радиуса Земли:
1,30 • 10- 3 см/ год • 4,0 • 109 лет = 52,0 км,
или за всю историю Земли (4,5 • 109 лет) — 58,5 км [6; 7].
Для того чтобы понять физическую природу полученного результата, необходимо было независимым методом подтвердить его. В качестве такого метода автор предложил картографическое определение длины окружности Земли по поверхности фундамента путем вычисления амплитуды его проседания на континентальных блоках и в океанических секторах [6]. Первоначально эту задачу не удавалось решить, так как при измерении не было учтено десятикратное увеличение вертикального масштаба (табл. 1).
Таблица 1
Сокращение радиуса Земли, определенное по измерениям ее окружности (Ь)
X Ь2 по амплитуде современного рельефа, км е уде ит У а 2 3 к Іф х В 2 & § ^ к й к ей § И Й о !р и к К ^ п 1 оа _1 « е о Ь-, ^ О ^ ^ Н К ^ 5 К й' сч £ Ф ^ К Я ш II Я ш Л г? а ^ к * ° 8 & пс И1= 11/2п, по амплитуде докембрийского рельефа, км мк '01/(аяоэ*Я - 1Н) = 1НУ м к 0 1/ 2 і о Р?
0 42344 43523 6742 6930,4 56,0 —
30° в. д. 41566 42785 6618 6812,8 44,3 12,4
40° в. д. 40365 42974 6427 6842,9 47,3 31,5
60° в. д. 40899 44079 6511 7018,9 64,8 23,1
70° в. д. 40213 45059(?) 6403 7175(?) 80,4(?) 33,9
Среднее 41077 43340 6489* 6901,0 53,0 25,2**
* Ксовр = 6371 км; данные 70-го меридиана исключены из расчетов из-за большого (40 %) отклонения от средних значений.
** По современным наблюдениям, разность экваториального и полярного радиусов составляет 21,3 км.
В этом масштабе длина окружности в катархее равна Ь1 = 43340 км, радиус И1 = 6901 км, средний современный радиус Иср = 6371 км, откуда сокращение радиуса будет:
ЛИ = 6901 - 6371 = 530 км.
С приведением к исходному масштабу (1 см = 100 км):
ДИ0 = ДК/10 = 530 км/10 = 53,0 км.
Отсюда средняя скорость уменьшения радиуса до катархея (4,0 • 109 лет) равна:
= 53,0 км/4,0 • 109 лет = 1,33 • 10- 3 см/год.
д
Сравнение полученного результата с гравитационным сжатием обнаруживает их поразительное совпадение. Согласно картографическому анализу измеренная величина сжатия ДИо отличается от расчетной величины по гравитационному потенциалу всего на 1 км, или на 0,03 • 10- 3 см/год. Это значит, что преобладающий возраст пород на поверхности кристаллического фундамента действительно составляет 4,0 • 109 лет! Из этого следует ряд важных выводов.
1. Сокращение радиуса Земли в течение большей части ее истории было обусловлено исключительно гравитационным сжатием. Никакого видимого изменения радиуса за счет тепломассопотерь не происходило, а их роль в изменении объема планет сильно преувеличена.
2. С установлением преобладающего возраста кристаллического фундамента, равного 4,0 • 109 лет, уместно называть его не традиционно докембрийским, а катархейским.
3. Существование в океанических бассейнах погруженного на глубину 8 — 10 км гранитнометаморфического фундамента позволило объяснить удивительное совпадение параметров сжатия земного шара, определенных двумя независимыми методами.
Погружение земной коры под секторами будущих океанов [6] началось на рубеже мезозоя и кайнозоя (65 — 70 млн назад) в результате новой вспышки глобального вулканизма и дегазации недр, сопровождавшихся выгносом огромных масс эндогенной воды.
Обратим внимание на величину полюсного сжатия Земли. На 4,0 млрд лет (табл. 2, 3) она составляла всего 4 км, т. е. в 5 раз меньше современного сжатия (21,3 км). Это может служить указанием на то, что объем жидкого ядра к концу катархея был значительно меньше современного.
Таблица 2
Изменение параметров Земли в геологической истории
Время, млрд лет К = ±, 2п км <3 1 1 > Б = 4лК2, км2 М=Ур, г P, 103 кг/м3
Современное 6371 1,083 • 1012 510-106 5,98 • 1027 5,52
Поздний протерозой (РИ2), 1 • 109 6384 1,092 • 1012 513,5 • 106 6,0 • 027 5,50
Алданий (ЛК1), 4 • 109 6423 1,107 • 1012 519,8 • 106 6,02 • 027 5,44
Молодая Земля, 4,5 • 109 6431 1,12 • 1012 521,1 • 106 6,02 • 1027 5,37
По В. Кесареву, 1976 [3] 7150 1,5 • 1012 641,1 • 106 6,01 • 1027 3,84
Таблица 3
Рассчитанные средние параметры Земли
Объект Возраст, лет Длина окружности Ь0, км Радиус, км Полюсное сжатие, км Гравитационное сжатие, ДК км
Молодая Земля 4,5 • 109 40386,6 6431 0 0
Земля в катархее 4,0 • 109 40342,7 6424 4 52
Современная Земля 0 40009 6371 25,3 ~60
По-видимому, долгоживущие радиоактивные 238и, 232ТЬ, 40К с периодом полураспада 1,3 — 4,5 • 109 лет и более, в первые 500 млн лет еще не начали отдавать свое тепло. К началу протерозоя (2,6 • 109 лет) завершился полный распад 40К и увеличилась отдача тепла ураном и торием. В это время, вероятно, начинает формироваться жидкое ядро, которое достигло максимальных размеров, скорее всего, на рубеже мезозоя и кайнозоя. К этому же времени завершается формирование астеносферы под секторами будущих океанов, которая в конце мелового периода стала источником нового этапа глобального вулканизма [6]. Увеличение объема внешнего жидкого ядра до современных размеров способствовало образованию сферичности Земли.
Возникает вопрос: почему после завершения начального вулканизма за последующий громадный интервал времени (3,4 • 109 лет) фундамент не был перекрыт толщей молодых осадочно-вулканогенных пород? Средняя мощность алдания составила 11,5 км, что определяет интенсивность начального вулканизма 15 км3/ год. Однако начиная с конца катархея (4,0 • 109 лет) и до начала фанерозоя (0,57 • 109 лет) интенсивность вулканизма снизилась до 0,13 км3/ год (см. рис.), т. е. более чем в 100 раз [6]! Это объясняется исчерпанием ресурсов короткоживущих изотопов. Объем вулканизма за указанный интервал времени сократился до 0,45 • 109 км3. Средняя мощность вулканических пород, образованных за это время, составила:
4,5 • 108 км3/5,2 • 108 лет = 0,86 км2, откуда ежегодные поступления материала не превыша ли 2,5 • 10-4 мм/год.
млрд лет -|-------------------1-1 Млрд.]
I 4.4 4.2 | 3.8 3.6 3.4 3.2 | 2.8 2.6 2.4 2.2 | 1.8 1.6 1.4 1.2 | 0.8 0.6 0.4 0.2 |
1.6 4.0 3.0 2.0 1.0 0
Рис. Крупнейшие этапы глобального вулканизма на Земле и состояние Солнца; цифрами показаны объемы (х 109 км3) выброшенных на земную поверхность
магматических масс
Нетрудно представить, что этот материал мог локализоваться лишь в депрессиях фундамента, а также в геосинклинальных прогибах по окраинам архейских гранито-гнейсовых куполов [11]. Поэтому на большей части земной поверхности катархейский фундамент длительное время должен быгл подвергаться размыву. Выгносимая со слабыгм вулканизмом вода (0,04 км3/год) исключала возможность образования сколько-нибудь крупных и глубоководных морских бассейнов. Поэтому темпы дезинтеграции гранитно-метаморфических пород были малы (порядка 10- 4 мм/год). При большей скорости эрозии, равной 10- 3 мм/год, за 3,4 млрд лет быгло бы срезано 12 км пород, т. е. весь фундамент, чего на самом деле не наблюдается. Поэтому темпы дезинтеграции, равные 10- 4 мм/год, очевидно, оптимальны. В среднем размыву и переотложению могло подвергнуться не более
3,4 • 109 лет • 10- 4 мм/год = 3,4 км.
Что же быгло поставщиком терригенного материала в фанерозойские морские бассейны? На первый взгляд — массивы докембрийских щитов, возвышавшиеся над уровнем морей на 300—500 м. Оценим объем денудируемого со щитов терригенного материала. При площади щитов 20 • 106 км2 оптимальная скорость такой денудации ~10- 3 мм/год. За 500 • 106 лет объем терригенного материала будет 107 км3, т. е. срезу подвергнется толща пород мощностью 0,5 км. В настоящее время средняя мощность осадочной толщи на платформах равна 2 км. Соотношение биогенного и терригенного комплексов составляет 50 на 50 %, т. е. объем терригенного материала на платформах площадью 150 • 106 км2 будет 150 • 106 км3. Сравнивая эту цифру с объемом материала, поступившего со щитов (10 • 106 км3), убеждаемся, что щиты не были основным поставщиком терригенных осадков на платформы. Значит, основной объем терригенного материала поступал с территории, которая по денудируемой площади была бы сопоставима с объемом 140 • 106 км3. Суша такого размера могла существовать тогда только в секторах будущих океанов, где в фанерозое формировалась мощная астеносфера, а вместе с ней обширная сводовая возвыгшенность. Ее площадь могла составлять 200 — 250 • 106 км2. Она занимала срединную область Атлантического и Индийского океанов и области вокруг центральной части Тихого океана [6; 8; 10]. Приведенное выше служит еще одним подтверждением существования в пределах секторов будущих океанов на протяжении значительной части фанерозоя, обширной континентальной суши, которая служила поставщиком полимиктового терригенного материала в морские бассейны палеозоя и мезозоя. В кайнозойскую эпоху океанизации эта суша погрузилась на глубину более 8 км. Возникающие при этом впадины по мере опускания заполнялись водой, платобазальтами, морскими осадками, суммарный объем которых (2,68 • 109 км3) практически совпадает с объемом опустившейся земной коры (2,72 • 109 км3) [6].
Таким образом, двумя независимыми методами удалось установить сокращение радиуса Земли (1,3 • 10- 3 см/год), обусловленное главным образом гравитационным сжатием. Оно составило около 60 км за 4,5 млрд лет, что не превыгшает 1% от современного радиуса. Тепломас-сопотери, считавшиеся главной причиной уменьшения объема планеты и сокращения ее радиуса на 700 км и более [3], не оказывают влияния на этот процесс. Установлен преобладающий возраст поверхности кристаллического фундамента континентальных и океанических платформ 4,0 • 109 лет. Он совпадает с абсолютным определением возраста алдания и вулканогенных пород Луны и может быть принят как верхняя граница катархея. До кайнозоя на месте современных океанов находилась обширная приподнятая суша [5; 8; 10], поставлявшая терригенный материал в морские бассейны континентальных блоков. Слабый вулканизм в позднем архее и протерозое — основная причина того, что сиалический фундамент длительное время не был перекрыт более молодыми осадочно-вулканогенными породами. Максимальный: эрозионный срез при темпах денудации 10- 4 мм/год составил не более 3,4 км. В депрессиях фундамента возможны находки фрагментов мощной коры выветривания с характерными для них благородными металлами. Установление преобладающего возраста поверхности кристаллического фундамента (4,0 • 109 лет) позволяет заменить общее название фундамента докембрийский на более определенное — катар-хейский.
Список литературы
1. Войткевич Г. В. Происхождение и химическая эволюция Земли. М., 1973.
2. Войткевич Г. В., Закруткин В. В. Основы геохимии. М., 1976.
3. Кесарев В. З. Эволюция вещества Вселенной. М., 1976.
4. Монин А. С. Ранняя геологическая история Земли. М., 1987.
5. Орленок В. В. Основы геофизики. Калининград, 2000.
6. Орленок В. В. Глобальный вулканизм и океанизация Земли. Калининград, 2008.
7. Орленок В. В. Сокращение радиуса и определение теплопотерь Земли и планет в свете новейших данных // ДАН. 2009. Т. 427, № 1. С. 106-111.
8. Пронин А. А. Геологические проблемы современных и древних океанов. Л., 1977.
9. Резанов И. А. Жизнь и космические катастрофы. М., 2003.
10. Рудич Е. М. Мелководные фации Мирового океана / / Океанизация Земли — альтернатива неомобилизма: сб. науч. ст. / отв. ред. В. В. Орленок. Калининград, 2004. С. 218 — 234.
11. Салоп Л. И. Геологическое развитие Земли в докембрии. Л., 1982.
12. Черкасов Р. Ф. Архей Алданского щита. М., 1973.
13. Шкловский И. С. Звезды: их рождение и смерть. М., 1984.
14. Arrhenius G., Lepland A. Accretion of Moon and Earth at the emergence of life / / Chemical Geology. 2000. № 169. P. 69 — 82.
Об авторе
Вячеслав Владимирович Орленок — д-р геол.-минерал. наук, проф., Российский государственный университет им. И. Канта, e-mail: [email protected]
Author
Prof. Vyacheslav Orlyonok, Dean of the Faculty of Geography and Geoecology, IKSUR, e-mail: [email protected]
