Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Строительная теплофизика
Прочность сплавов
Основания и фундаменты
Осадочные породы
Прочность дорог
Минералогия глин
Краны башенные
Справочник токаря
Цементный бетон




13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017





Яндекс.Метрика
         » » Гипотеза эволюции Земли В.П. Мясникова и В.Е. Фадеева

Гипотеза эволюции Земли В.П. Мясникова и В.Е. Фадеева

15.10.2017

Эта модель построена математиками для Земли как двухэлементного (ядро, мантия) планетного тела без привязки к очень тонкой (менее 1 % радиуса Земли) коре и запечатленного на ее поверхности геологического рисунка. Целью авторов было рассмотреть на уровне современных физических знаний возможные модели эволюции Земли и выбрать из них наиболее вероятную и согласующуюся с фактическими (в том числе экспериментальными) данными. В основу разработок кладется теория конвективных движений вещества. Большая длительность геологических процессов в сочетании с относительно быстрым установлением локального термодинамического равновесия заставляет обратиться к изучению процессов эволюции пространственной неравновесности вещества в недрах Земли. В качестве неравновесных свойств здесь рассматриваются вязкость, теплопроводность и т. д., т. е. свойства, проявляющиеся только при временных изменениях.
Реологические свойства мантии включают как упругие (быстрые реакции на сейсмические процессы), так и необратимые деформации, обеспечивающие медленное изменение напряжений, соответствующие скоростям геологических процессов на поверхности Земли; в накоплении таких деформаций главную роль играет ползучесть, сходная с наблюдаемой в металлах. Основываясь на экспериментальных данных и теоретических расчетах, делается основной реологический вывод, что горные породы при постоянных внешних нагрузках можно рассматривать как вязкие жидкости при всех температурах и давлениях в мантии. Однако при анализе движений у поверхности Земли и в зоне перехода от мантии к ядру может быть существенным учет релаксационных процессов и моделей вязкоупругого поведения вещества.
Для суждения о физико-химических превращениях в мантии геологических законов нет, и поэтому выход заключается в применении физических моделей. Экспериментальные данные говорят о вероятности существования зон полиморфных фазовых переходов. Характер таких фазовых переходов должен меняться с изменением химического состава мантии в связи с эволюцией планеты, т. е. должен быть тесно сопряжен с эволюцией химического и фазового состояния ядра. Однако существующие физико-химические схемы образования ядра Земли далеко не однозначны и очень противоречивы (отсутствуют необходимые экспериментальные данные). Отсюда — важность построения строгой механической модели переноса вещества в глубинах Земли; в пределах такой модели можно было бы раскладывать различные физикохимические и геолого-геофизические «пасьянсы» и получать косвенные представления о возможной физико-химической эволюции. Основой механической (динамической) модели являются условия возникновения и свойства конвективных движений. Простейшей является задача о конвекции в плоскопараллельном зазоре, на противоположных границах которого поддерживается постоянная разность температур, а сила тяжести направлена перпендикулярно к ограничивающим плоскостям. Возникновение конвекции связано с критическими значениями безразмерного параметра Рэлея, который прямо пропорционален коэффициенту объемного расширения среды, ускорению силы тяжести, кубу толщины зазора и разности температур на ограничивающих плоскостях и обратно пропорционален коэффициенту кинематической вязкости и температуропроводности. Анализируя характер решений, определяемых числами Рэлея и Прандтля, можно определить в системе координат, построенной на этих числах, области отсутствия конвекции, наличия двумерных валов как основной формы конвекционного течения, стационарной трехмерной конвекции (в очень ограниченном диапазоне чисел Рэлея), нестационарной трехмерной конвекции и турбулентных течений. Характерными режимами являются двумерные валы и нестационарные трехмерные движения. Процессы эти во времени нерегулярны и проходят локальными и значительно реже глобальными вспышками. Такое основанное на математических расчетах представление о сложности конвекционных течений в недрах Земли не может быть оставлено без внимания при исследовании темпов локальной и глобальной периодичности, а также пространственного распределения тектонических движений на протяжении геологической истории, реконструируемой по наблюдениям в гипергенной оболочке. Мало того, при решении всех этих вопросов в локальных и глобальных масштабах могут оказаться весьма полезными более конкретные расчеты в рамках теории, построенной В.П. Мясниковым и В.Е. Фадеевым. Думается, что уже в ближайшее время такие расчеты могут быть приняты в тектонических исследованиях.
Гидродинамическая модель эволюции Земли при неопределенности начального распределения вещества и состояния геофизических полей основывается на вполне правомерном допущении, что первичные неоднородности должны были бы вызывать конвекционные процессы, которые ведут к расслоению Земли на концентрические оболочки, в первую очередь мантию и ядро, что соответствует общим свойствам планет. Такая теория должна объяснять характер переходов между оболочками и обязательно включать описание термической истории Земли. Избранный авторами метод разложения геофизических полей, названный асимптотическим методом, позволяет ввести понятия о быстром (конвекция и, следовательно, тектонические движения) и медленном (изменения сферически-симметрических составляющих геофизических полей, расширение и сжатие Земли) временах, а также прийти к выводу о существовании ядра планеты и ее расслоения на оболочки с постоянным в каждой из них химическим составом. Доказывается необходимость существования верхнего термически неравновесного слоя (до 100 км). Отмечается весьма важное обстоятельство, которое следует правильно оценить при «стыковке» рассматриваемой глубинной модели с геологическим строением и развитием гипергенной оболочки. А именно: реология поверхностного пограничного слоя, находящегося при относительно низких температурах, может уже существенно отличаться от реологии вязких жидкостей, а зависимость реологических характеристик от температуры может существенно сказаться на поверхностных движениях.
Вопрос о «стыковке» моделей надо дополнить представлением о «стыковке» планетарных физико-математических и геолого-геофизических подходов. Авторы гипотезы выводят из своей теории распределение теплового потока на поверхности Земли, а также приходят к заключению о значительном превышении скорости горизонтальных движении относительно скоростей вертикальных движений. Тем самым намечается возможность проверки наблюдениями теории, поскольку данные приповерхностных измерений тепловых потоков и скоростей движений, устанавливаемые повторными нивелировками и триангуляциями, относятся к фундаментальным геологическим фактам и должны быть учтены при построении гипотезы. Нельзя сказать, что выводы авторов неправильны, но они могут оказать гипнотизирующее влияние на геологов, если они будут считать те факты, которые соответствуют данной гипотезе, существенными, а те, которые ей не соответствуют, несущественными. Это можно понять, если провести параллель между «физико-математическим богом» и богом средневекового христианского населения, которое во многих естественных и общественных явлениях видело проявление его воли.
То же можно сказать об утверждении «лоскутности» астеносферного слоя, которое сейчас достаточно хорошо обосновано геофизическими данными и на которое можно было бы уже опираться в построении теории. Заслуживают внимания замечания авторов гипотезы об условности деления поверхностных зон планеты на литосферу и астеносферу, на удобство замены «астеносферы» астенозонами, возможность объяснения астеносферы (астенозон) положением участков дифференциации вещества планеты.
Путем математических выкладок, основанных преимущественно на анализе состояний и процессов, происходящих на границе ядро — мантия, авторы гипотезы приходят к выводу, что на некоторой стадии существования планеты происходит опускание тяжелого вещества в глубь Земли. Перемешивание конвекцией поддерживает адиабатический градиент температуры и постоянство средней концентрации вещества в ядре и мантии с разогревом ядра за счет энергии, привносимой тяжелой компонентой. В результате планета приходит в седиментационное равновесие, характеризующееся конечным размером ядра. Формирование ядра может начаться с поверхности Земли или же в некотором промежуточном слое. Диаметр ядра со временем уменьшается. При таком механизме термическая энергия Земли полностью может быть отнесена за счет гравитационного фактора.
Расчеты авторов гипотезы показывают, что для описания эволюции Земли представления, основанные только на термической конвекции, недостаточны и что необходимо учитывать многокомпонентность состава планет, физико-химические превращения вещества в диффузию. После образования планеты в ее недрах начинается процесс расслоения, обусловленный разделением вещества в ее гравитационном поле. Формируются седиментационный фронт и ядро планеты, что ведет к концентрации тяжелых компонентов в ядре, уменьшению его размеров и нагреванию. С разогреванием может быть связано «поджигание» экзотермических химических реакций. Химические реакции могут активизировать процессы конвекции и вызывать тектоническую активность на поверхности Земли. Гипотеза В.П. Мясникова и В.Е. Фадеева не оставляет без внимания кардинальный вопрос о соотношении конвекции и сферически-симметрической структуры в процессе эволюции Земли. Именно структура и свойства конвекционных движений обусловливают сферически-симметрическую структуру и ее изменения, причем намечаются пути дальнейших теоретических исследований этого процесса и перспективы конкретизации результатов.
Важным достоинством гипотезы является ее масштабность. В ней рассматриваются самые общие следствия, вытекающие их двухкомпонентной структуры Земли. Ведь, действительно, только граница ядро — мантия наиболее четко обозначена в Земле на основе сейсмологических данных; остальные же границы расплывчаты и менее уверенно проводятся. Такой подход позволяет авторам гипотезы прийти к несколько неожиданному заключению о развитии ядра от поверхности Земли книзу. Существует и альтернативная точка зрения о формировании ядра снизу вверх (разрастание) за счет осаждения тяжелого вещества из мантии. Например, О.Г. Сорохтин считает, что под нисходящими потоками мантийного вещества нижние пограничные слои мантии растягиваются, а по возникающим микротрещинам и межгранулярным пространствам окислы железа присоединяются к веществу ядра. Так рисуется рост ядра за счет мантии, причем используются такие физико-химические и структурно-тектонические детали, которые невозможно «разглядеть» (я имею в виду и теорию, и эксперимент, и даже интуицию) с поверхности Земли. В приведенном сравнении гипотеза В.П. Мясникова и В.Е. Федеева выглядит в выгодном свете. Недостатком в ней (вернее, в посвященной ей книге) является «стыковка» физической конвекционной картины, данной для планеты в целом, с прихотливой и тонкой геологической структурой поверхностной пленки Земли. Эта «стыковка» проводится на ощупь без всякой попытки теоретического обоснования связей между глубинными физическими и поверхностными геологическими данными. Под таким теоретическим обоснованием подразумевается равноправное использование физической и геологической теории, по крайней мере, для приповерхностных слоев Земли, для которых имеются геологические данные. Физические планетарные и геологические построения должны находиться в отношениях «обратной связи».