Этап ослабления вулканизма в докембрии

Начальный вулканизм на Земле и планетах земной группы завершился после исчерпания источников энергии — короткоживущих изотопов. В геохронологии этот рубеж определяется границей между катархеем и поздним археем (4,0—3,9 109 лет). Он характеризуется резким спадом (более чем в 100 раз) интенсивности вулканизма, годовой объем которого в катархее был 15км3/год, в позднем архее снизился до 0,13 км3/год (см. табл. 17, с. 123), а к концу протерозоя и этот объем сократился до 0,06 км3/год (см. рис. 13, с. 100). Столь значительное уменьшение интенсивности вулканизма объясняется выработкой к рубежу 2,62-109 лет, т.е. к началу протерозоя, изотопа 40К, имеющего период полураспада 1,31 109 лет. Часть его радиогенного тепла пошла на разогрев нижней мантии на границе с металлическим ядром и формирование ЗРТ, часть диффундировала на периферию планеты, где, скапливаясь под подошвой сиалического слоя алдания, способствовала разогреву и переработке пород верхней мантии, а также питала очаговый вулканизм протерозоя.

Общий объем вулканогенных образований в протерозое и большей части фанерозоя составил 0,45 • 109 км3 [50; 56], или по массе 1,35-1024 г; 10% от этой массы пришлось на образование воды, т.е. 1,35-1023 г (см. табл. 17, с. 123):

1,35 • 1023 г/3,9-109 лет=3,5 • 1013 г/год. (VI.45)

Увеличение содержания воды в магматических породах и газовых экс-галяциях обусловлено насыщением ею подстилающей верхней мантии за счет гидратации диффундируемых летучих и тепла, генерируемого К40 в ЗРТ. Значительное уменьшение воды в продуктах начального вулканизма (до 0,5%) подтверждается анализом изверженных пород Луны, характеризующихся существенным недостатком воды [69; 75].

Подсчитаем среднюю мощность вулканогенных образований, поступивших на земную поверхность в течение большей части докембрия и фа-нерозоя, полагая ее среднюю площадь равной 5,2 • 108 км2:

0,45 • 109 км3/5,2-108 км2 = 0,86 км, (VI.46)

т.е. средние темпы прироста коры были ничтожно малы — 2,5 • 10 4 мм/год.

Теперь проанализируем, какие водные ресурсы имелись на рассматриваемом этапе докембрия и фанерозоя. Столь небольшие объемы вулканизма свидетельствуют, что в отличие от катархея в остальной части докембрия он, конечно, не мог быть повсеместным. Долгоживущие изотопы основное тепло стали давать в фанерозое. Одним из наиболее вероятных источников такого вулканизма могли быть гидролитические реакции при участии воды, которая начала поступать из ЗРТ в зону формирующейся, пока локальной астеносферы. Будучи экзотермическими, эти реакции активизировали вулканизм в зонах выноса летучих и тепла, и поэтому он имел ограниченное по площади распространение.

Положим площадь морских бассейнов равной половине тогдашней поверхности Земли — 2,6-108 км2 — и найдем их среднюю глубину:

h0K = 1,35 • 108 км3/2,6 • 108 км2 = 0,5 км. (V1.47)

Из приведенного видно, что к концу протерозоя на земной поверхности мог образоваться обширный, но сравнительно мелководный океан (500 м). Масса воды в первичном (катархейском) океане была почти на порядок меньше, чем в протерозойском (9 1022 г). И он мог быть тоже мелководный (340 м).

Время жизни такого океана при Fn 1,3 • 107 г/год было бы равно 2,6 • 107 лет. Здесь Fn — нормированная константа фотолиза, значение которой приведено в таблице 20.

Таблица 20

Нормированное значение константы фотолиза (Fn) в зависимости от состояния Солнца

Температура (К) и спектральный класс Солнца

6000 желтый

5000 оранжевый

4500 красный

3500 типа Т-Тельца переменного блеска

Нормированная константа фотолиза Fn (г/км2 • год • град. • К)

2,5 • 107

2,1 • 107

1,9 • 107

1,3 • 107

Время действия константы (Fn- 106лет)

0 400

400—600

600—2300

23004000

Таким образом, уже через 30 млн лет катархейский океан исчез с поверхности Земли.

Рассчитаем длительность существования протерозойского океана, полагая Fn = 1,8- 107 г/км2 • год, F = 4,6 • 1015 г/год, t = 2,9 • 107 лет, т. е. время существования протерозойского океана было бы такое же, как катархей-ского. В реальности эти океаны, скорее всего, превращались в многочисленные мелководные моря и озера, продолжительность существования каждого из которых была еще меньше. В целом возраст увеличивается пропорционально уменьшению площади и глубины бассейна (табл. 21).

Таблица 21

Время фотолитической ликвидации бассейнов докембрия в зависимости от их площади

S бассейна, км2

6,5 • 108

6,5 • 107

1,3 • 107

6,5 • 106

3,3 • 106

2,0 • 106

1,5 • 106

t (лет)

107

108

5,0 • 108

109

2,0 • 109

3,0 • 109

4,0 • 109

h (км)

~0,2

2,0

2,6

20

39

65

86

Из таблицы 21 видно, что скорость фотолитической диссипации гидросферы возрастает с увеличением площади зеркала испаряемого бассейна, но одновременно с этим (вследствие постоянства объема вынесенной за рассматриваемый промежуток времени воды) уменьшается глубина морских бассейнов. Так, при площади 1,3 • 107 км2 глубина бассейна будет 2,6 км, а время его диссипации 5,0- 108лет. Бассейн площадью 6,5 млн км2 будет иметь глубину 2 км и время диссипации 109 лет. Наконец, предельный случай — бассейн площадью 6,5-108 км2, фактически покрывающий всю поверхность Земли (площадь Земли в архее и протерозое была 5,2-108 км2). Оказывается и такой, можно сказать, Всемирный океан глубиной 200 м полностью исчезает за 10 млн лет. Бассейны, длительность существования которых исчислялась бы от 1 до 4 млрд лет, должны были бы иметь площадь порядка 106 км2 и глубину от 20 до 86 км. Однако рельеф земной поверхности в позднем архее и протерозое, вследствие слабого вулканизма и неразвитой гидросферы, имел незначительную дифференциацию с перепадами высот не более первых сотен метров. Поэтому существование таких бассейнов нереально.

Морские бассейны протерозоя формировались по периферии гигантских овальных структур алдания, где происходило заложение первых геосинклиналей [61]. Интересно рассмотреть диссипацию небольших по площади бассейнов. В качестве примера возьмем ежегодные поступления воды с вулканизмом в протерозое, равные 0,04 км3 (3,5-1013 г/год) для разной глубины и, соответственно, площади испаряемого зеркала бассейна, при значении Fn= 1,8 • 107 г/км2 год (табл. 22).

Таблица 22

Расчетное время фотолитической диссипации годового объема водных поступлений в протерозое в зависимости от площади и глубины бассейна

V (км3)

0,04

0,04

0,04

h (км)

0,1

0,05

0,025

0,0125

S (км2)

0,4

0,8

1,6

3,2

F (г/км2 • год)

0,72 • 107

1,44 • 107

2,8 • 107

5,8 • 107

t(лет)

4,86 • 106

2,4 • 106

1,25 • 106

6,0 • 105

Как следует из таблицы 22, испарение с небольших по площади бассейнов идет медленнее, чем с обширных морских пространств. Но эти малые бассейны существуют длительное время и будут неизбежно соединяться с новыми, такими же небольшими бассейнами, и в течение, например, миллиона лет их площадь увеличится настолько, что скорость фотолитической диссипации станет здесь значительно выше, чем с малых бассейнов.

Из приведенного следует, что на громадных пространствах Земли в протерозое воды было очень мало. Она наполняла многочисленные мелководные морские бассейны, тысячи мелких озер, болот, речек, разбросанных более или менее равномерно по поверхности Земли; эти водоемы периодически высыхали или покрывались льдом, так как Солнце было значительнее холоднее современного, а пары воды, вулканические газы, обеспечивающие парниковый эффект, практически отсутствовали. Повсеместное отсутствие в протерозое следов оледенений (тиллитов) объясняется малым количеством воды и отсутствием крупных морских бассейнов, а следовательно, атмосферных осадков, которые могли бы питать ледники. Этот фактор, однако, остается без внимания у сторонников докембрийских ледниковых эпох, которые якобы чередуются с периодами жаркого климата. Во всяком случае, до конца рифея (0,9 • 109 лет) на Земле преобладали суровые условия с отрицательными температурами за пределами экваториальной зоны. Смена в разрезе тиллитов и красноцветов, эвапоритов и каолиновой коры выветривания свидетельствует, что в конце рифея светимость Солнца на краткое время значительно возрастала, а затем снова уменьшалась. Следует отметить, что из 2,92-1024 г воды, вынесенной за геологическую историю на поверхность, 1,38 -1024 г диссипировало в результате фотолиза в космическое пространство, т. е. вся вода, образованная до кайнозойского глобального вулканизма за всю предыдущую историю Земли, не сохранилась на земной поверхности. Вода в современном Мировом океане в объеме 1,44-109 км3 возникла за последние 65—70 млн лет, и никаких иных древних или космических вод на современной поверхности Земли не существует.

Поверхность докембрийского фундамента лежит на различных гипсометрических уровнях относительно земной поверхности. Она обнажается на щитах, погружена на 2—4 км под осадочной толщей на платформах и опущена на глубину 8—10 км в пределах глубоководных бассейнов океанов. Путем измерения амплитуды погружения поверхности фундамента была определена длина земной окружности и радиус на конец катархея (4,0-109 лет), которые были сравнены с результатами теоретических расчетов гравитационного сжатия Земли. Расхождения между ними составили всего 1 км, или 0,03 • 10 3 см/год. 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 происходит, а их роль в изменении объема планет сильно преувеличена.
  • 2. С установлением преобладающего возраста кристаллического фундамента, равного 4,0-109 лет, будет уместно обозначать его не традиционным названием «докембрийский», так как оно не содержит реального и отныне известного возраста, а называть катархейским.
  • 3. Существование в океанических бассейнах погруженного на глубину 8—10 км катархейского фундамента позволило установить это удивительное совпадение параметров сжатия, определенных двумя независимыми методами. Следовательно, никакой «океанической» коры под дном океанов не существует. Общепланетарный характер начального вулканизма, и повсеместного образования сиалического слоя фундамента распространяется и на океанические сектора.

Возникает вопрос: почему после завершения начального вулканизма в течение последующего громадного интервала времени (3,4-109 лет) фундамент не был перекрыт толщей более молодых осадочно-вулканогенных пород? Средняя мощность алдания составила 11,5 км. В неоархее и протерозое средняя мощность вулканических пород составила всего 0,86 км, т.е. их ежегодные поступления не превышали 2,5 • 10-4 мм/год.

Нетрудно представить, что этот материал мог локализоваться лишь в депрессиях фундамента, а также в геосинклинальных прогибах по окраинам архейских гранито-гнейсовых куполов. Поэтому на большей части земной поверхности катархейский фундамент оставался обнаженным и длительное время подвергался размыву. При этом выносимая вода (0,04 км3/год) исключала возможность образования сколько-нибудь крупных и глубоко водных 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 было бы срезано 12 км пород, т.е. весь фундамент, чего на самом деле не наблюдается. Поэтому темпы дезинтеграции, равные 10“4 мм/год, очевидно, являются оптимальными. В среднем размыву могло подвергнуться не более

3,4-109 лет-10“4 мм/год = 3,4 км.

Появляется вопрос: из чего поставлялся терригенный материал в фа-нерозойские морские бассейны в пределах будущей континентальной суши? На первый взгляд, поставщиками могли быть 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 будет ~ 10“3 мм/год. За 500-106 лет объем терригенного материала будет 107 км3, т.е. срезу подвергнется 0,5 км пород. В настоящее время средняя мощность осадков на платформах равна 2 км. Соотношение биогенного осадконакопления и терригенного составляет 50 на 50%, т.е. объем терригенного материала на платформах на площади 150 -106 км2 будет 150 -106 км3. Сравнивая эту цифру с объемом материала, поступившего со щитов (10 • 106 км3), убеждаемся, что щиты не являлись основным поставщиком терригенных осадков на платформах. 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 возвышенность. Ее площадь могла составлять 200—250 • 106 км2. Она занимала срединную область Атлантического и Индийского океанов и области вокруг центральной части Тихого океана. Приведенное служит еще одним подтверждением существования в пределах секторов будущих океанов на протяжении значительной части фанерозоя обширной континентальной суши, которая в кайнозойскую эпоху океанизации погрузилась в астеносферу на глубину более 8 км. Объем опустившейся в астеносферу коры составил 2,72-109 км3, вытесненных в формирующиеся впадины океанов воды, пла-тобазальтов и образовавшихся осадков — 2,689 км3. Таким образом, погружение в разуплотненную мантию консолидированной коры сопровождалось вытеснением равного объема вулканического материала и воды.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >