big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

О температуре недр Земли

В. И. Вернадский допускал, что глубины земного шара не нагреты до высокой температуры. Он писал: «Возможно, что подобно тому, как в тропосфере инверсионный слой — слой наиболее низкой температуры — отделяет ее от стратосферы, так и нижняя граница земной коры определяется слоем максимальной температуры, тоже «инверсионным» слоем — максимальной температуры, отделяющей ее от нижележащей геологической оболочки — «эклогитовой».

Основанием для такого предположения служили данные о неравномерном распределении радиоактивных веществ в недрах Земли. Эти вещества, как следует из экспериментальных исследований и расчетов, сконцентрированы в гранитной оболочке земной коры материков и почти отсутствуют в остальных оболочках Земли и ее ядре.

Рассматривая этот вопрос, В. И. Вернадский писал: «Еще очень много неясного; однако вопрос поставлен, наконец, на новую плоскость, выявляется концентрация радиоактивных элементов в земной коре и становится вопрос о том, каким процессом освобождаются от них внутренние части планеты».

Не отходя от существующих представлений о процессах образования Земли и земной коры, можно предложить несколько вариантов объяснения причин отсутствия радиоактивных веществ в недрах и высокого содержания их в земной коре. Радиоактивные вещества могли, например, накопиться преимущественно на поверхности, если на последней стадии образования Земля находилась в богатой радиоактивными веществами части пылевого облака. Они могли подняться к поверхности из глубин, если земля находилась в огненно-жидком состоянии. Они могли, находясь в условиях высоких температур и давлений, быстрее чем на поверхности претерпеть распад. Не исключена возможность образования радиоактивных веществ на поверхности Земли, если она попадала в условия, в которых возможны ядерные превращения.

Могут быть предложены и другие гипотезы, которые трудно опровергнуть, но не менее трудно найти доводы, говорящие в их пользу.

Гипотезы о всплывании радиоактивных веществ из недр к наружной поверхности требуют допущения о длительном пребывании земного шара в расплавленном состоянии, что не находит подтверждения в истории Земли. Не согласуется с экспериментальной проверкой и возможность дифференциации расплава на вещество мантии и вещество земной коры. Гипотезы о возможности неполного плавления вещества недр с образованием относительно тонких расплавленных слоев, постепенно поднимающихся и выносящих на поверхность наиболее плавкие вещества по принципу зонного выплавления, значительно полнее и убедительнее объясняют многие особенности оболочечного строения земного шара. Однако и эта гипотеза не может быть привлечена для объяснения выноса радиоактивных элементов, ибо она не объясняет процессов формирования гранитного слоя земной коры, в котором они содержатся в наибольших количествах.

Предлагаемая читателю гипотеза о роли воды, как уже было показано, дает объяснение процессов образования гранитов, она может быть полезной и для понимания выноса радиоактивных веществ в земную кору.

Естественно допустить, что по мере выделения радиогенного тепла росла и температура недр Земли, причем наивысшая температура тогда господствовала в ее центре. Когда температура там достигла критической для воды, то именно в центре Земли возникли слои с постоянной вертикальной циркуляцией водяных паров и жидких растворов. По мере дальнейшего роста температуры, эти слои постепенно поднимались все выше и выше. В настоящее время они находятся у поверхности Земли в виде дренажной оболочки земной коры. Как уже было показано, постоянная вертикальная циркуляция воды ведет к накоплению в верхних горизонтах дренажной оболочки летучих с паром веществ, к числу которых кроме кремнезема, щелочных силикатов, галоидных солей относятся и радиоактивные элементы. Длительное существование и постепенное движение этой оболочки от центральных частей Земли к ее наружной поверхности, с одновременным выносом воды, накопившейся в океане, не могло не сопровождаться уменьшением содержания радиоактивных веществ в ядре и мантии Земли и обогащением ими земной коры.

Вследствие этого дальнейшее повышение температуры недр Земли шло неравномерно, быстрее там, где больше выделялось радиогенного тепла, т. е. в верхних горизонтах мантии и особенно в земной коре. Однако и глубинные недра мантии и ядра все же могли нагреваться и далее как за счет выделения тепла, так и за счет теплопередачи от верхних более нагретых слоев. После достижения температуры, достаточной для плавления пород, могли образоваться расплавленные слои, которые, например, по механизму зонной плавки могли подниматься кверху. Этот механизм также ведет к выносу пород, богатых примесями, в том числе радиоактивными веществами, т. е. также ведет к уменьшению выделения радиогенного тепла в глубинах Земли и к увеличению у ее поверхности.

Рассматривая этот вопрос, В. И. Вернадский писал: «Исходя из того, что теплота земной коры создается, прежде всего, радиоактивным распадом, допустимо представление, что при дальнейшем углублении благодаря уменьшению их содержания в планетном веществе температура планеты будет не повышаться, а понижаться».

Заслуживает внимания и второй постоянно действующий в наружных слоях Земли источник энергии, способный вызывать как повышение температуры недр, так и некоторые процессы, требующие затраты энергии. Речь идет о приливной волне, образующейся под влиянием лунного и солнечного притяжения и бегущей с востока на запад в результате вращения Земли.

Приливная волна затрагивает не только атмосферу и гидросферу, но она образует два горба и две впадины и в твердой оболочке Земли. По своей природе приливообразующие силы способны действовать главным образом на самые верхние слои Земли, а самые верхние слои Земли — земная кора и ее дренажная оболочка, будучи трещиноватыми и гетерогенными, наиболее способны изменять свой объем под действием приливообразующих сил. Поэтому наиболее вероятно, что и тепло, генерируемое трением, вызываемым перемещением приливных волн, выделяется, так же как и радиогенное, главным образом в земной коре, а не в пределах мантии и ядра.

В качестве энергетических источников вулканической деятельности, как и источников выбросов, состоящих из водяного пара, газов и твердого вещества, в настоящее время нередко привлекается гипотеза расплавления вещества мантии при снижении давления. Принято считать, что вещество мантии перегрето выше температуры его плавления, но оно не переходит в жидкое состояние из-за высокого давления. Когда же вследствие образования глубокой трещины или другой причины в недрах произойдет снижение давления, вещество мантии станет жидким и устремится кверху, где оно может скопиться, образуя очаги магмы.

Очаги магмы по глубине их залегания делят на подкоровые, внутрикоровые и приповерхностные, но считается, что все они обязаны своим происхождением выходу жидкой магмы из глубин мантии, измеряемых первыми сотнями километров. Подкоровые очаги магмы, как правило, залегают непосредственно у поверхности Мохоровичича. По расчетам Г. С. Горшкова подкоровый магматический очаг под Ключевской сопкой имеет диаметр до 40 км и мощность 15—20 км. Считается, что такой очаг может длительно питать группу вулканов.

Однако расчетами нельзя подтвердить такую возможность. Объем такого очага равен 25 тыс. км3. Если бы породы очага выделяли даже столько радиогенного тепла, как граниты, то они ежегодно давали бы энергию, равноценную теплоте горения 75 тыс. т условного топлива, т. е. энергию, способную вызвать одно извержение на протяжении 5—10 лет. Физического тепла в породах очага в миллионы раз больше, чем радиогенного, но нелегко предложить приемлемый механизм изъятия этого тепла из пород очага так часто и в таких количествах, какие необходимы для обеспечения длительной деятельности вулканов.

Рассеянное органическое вещество, как энергетический источник удовлетворяет требованиям с количественной точки зрения. Оно может считаться приемлемым и с точки зрения постоянного возобновления, ибо органическое вещество в условиях, господствующих в нижних слоях земной коры, преобразуется под влиянием давления и температуры в газообразные и летучие вещества. В среднем осадочные накопления содержат —1 % органического вещества. Это значит, что в 1 км3 пород содержится ~20 млн. т органического вещества, что по теплотворности соответствует n•1024 эрг и в 100 раз больше, чем теряется при среднем извержении.

Следовательно, с точки зрения мощности источника энергии, радиоактивные вещества мало подходят для объяснения таких локальных проявлений энергии, какими являются вулканические извержения. Больше с количественной стороны удовлетворяет этому требованию органическое вещество, особенно его газообразные разновидности. Выделение газов и скопление их при высоких давлениях, которые господствуют в низах земной коры, может объяснить некоторые особенности вулканической деятельности лучше, чем энергия радиоактивного распада. Это прежде всего часто наблюдающееся зарево над кратером вулкана, затем явно восстановительные условия в канале вулкана, проявляющиеся в том, что значительная доля железа в вулканических выбросах восстановлена до двухвалентного.

Соображения о том, что именно газообразные горючие вещества, такие, как С12, Н2, С, SO, F2, Br, H2S, CH4, являются причиной и энергетическим источником вулканической деятельности, высказал И. И. Гущенко, который считает, что возможные взрывы скоплений таких газов могли бы дать необходимую энергию для выполнения работы по преодолению давления вышележащих пород и по выбросу твердых пород и измельченной лавы.

Таким образом, энергия рассеянного органического вещества, так же как и энергия горючих газов, с количественной стороны могла бы удовлетворительно объяснить проявление вулканизма. Но этот энергетический источник, так же как и радиоактивный распад, не может объяснить многочисленных качественных особенностей вулканической деятельности — их повторяемость, сходство и часто их взаимосвязь..

Известно, что на Земле ежегодно в среднем происходит 20 катастрофических, 150 разрушительных, 800 сильных, 6200 довольно сильных и свыше 100 000 слабых землетрясений, а также 4—5 крупных вулканических извержений. При этом твердо установлены случаи взаимосвязи землетрясений с вулканической деятельностью. Например, во время сильного землетрясения в Перу и Чили 10 апреля 1952 г. пришли в действие одновременно 25 вулканов. Там же в мае 1960 г. после землетрясения оживилась деятельность 14 вулканов. И, конечно, любая гипотеза прежде всего должна объяснять происхождение огромных количеств водяного пара, который к тому же, как будет показано, должен иметь высокую температуру и содержать в растворенном состоянии многие вещества, в том числе железо, магний, ванадий и др.

С точки зрения гипотезы, развиваемой в данной работе, вулканическая деятельность может получить следующее объяснение.

Циркуляция паров и растворов в дренажной оболочке земной коры при наличии зоны, ослабленной трещиноватостью или тектоническими передвижками, может привести к образованию канала. При встрече его с разломом, сообщающимся с дневной поверхностью, произойдет выброс высокотемпературного пара, водных и надкритических растворов, поскольку они находятся в дренажной оболочке под высоким давлением. Резкое снижение давления и температуры приведет к снижению растворимости и к выпадению веществ, находившихся в растворах.

Образующиеся при этом густые, гелеобразные массы будут по мере действия вулкана накапливаться как в дренажной оболочке, так и в устье канала и в самом канале. При последующих вулканических выбросах паровых растворов густые массы будут увлечены вверх по каналу, где они будут измельчаться и образовывать те выбросы песка и пеплов, которые, остывая, превращаются в рыхлые пирокластические массы.

Если принять во внимание, что вода, заполняющая глубокие разломы в горных областях, создает и постоянно поддерживает значительное гидростатическое давление в дренажной оболочке, то этот энергетический источник, производящий выбросы горячих водных и надкритических растворов, должен заслужить более серьезное внимание.

 

Предыдущая главаа ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.