Проблемы Эволюции |
Электронная публикация
Как отмечает Н.В. Тхоровская, "вопрос внутреннего строения земли не продвинулся в своем решении со времен Канта и Лапласа. Причина тому – ошибочность исходной космогонической посылки".
Гипотеза Канта-Лапласа, бытующая в различных вариантах до настоящего времени, предполагает формирование планет из уже "готового" материала (в виде пыли, газа и метеоритов), но никак не объясняет его происхождение. Также не объясняются наличие в составе Земли химических элементов всего спектра таблицы Менделеева, в то время, как в космосе наблюдается абсолютное преобладание лишь первых 28 элементов таблицы. И, наконец, не объясняется факт появления и эволюционного развития (вот уже на протяжении 3х млрд. лет) на Земле органической формы материи.
Вслед за Н.В. Тхоровской, мы считаем, что появление в составе Земли всех (после Ni) "тяжелых" химических элементов, а также органической формы материи можно объяснить лишь с позиции признания факта ее саморазвития.
Известно, что общий ход развития материи сформулирован академиком В.А. Амбарцумяном на основе своих астрофизических наблюдений: "развитие материи идет от простого к сложному, от более плотного к менее плотному состоянию". При этом, им предполагается наличие в космосе тел ультрасжатого протовещества, состоящего из элементарных частиц, которое и дает начало образованию атомов, в первую очередь водорода, что сопровождается выделением огромного количества тепловой энергии. Результатом этого процесса является появление новых звезд.
Исходя из этой концепции, можно предположить, что и планеты образуются по такому же принципу: от протовещества, к атомному, а затем и к молекулярному состоянию. С этих позиций можно также допустить, что "загадочное" внутреннее ядро земли является одним из микроскопических (в масштабах космоса) объектов протовещества, а оболочки (геосферы) вокруг него - это результат его поэтапного развития. Вероятно, в ходе первого этапа сформировалось так называемое "внешнее ядро", состоящее из водорода и гелия. Его аномальный разогрев (по данным некоторых авторов до 5000°С) может быть следствием действия двух факторов: во-первых, освобождения энергии при переходе вещества из ультрасжатого состояния, в менее сжатое. Во-вторых, выделения огромного количества тепловой энергии в ходе "водородного цикла".
В настоящей статье нами не ставилась задача раскрытия всего архисложного и весьма длительного процесса образования всех оболочек Земли, а затрагивается лишь завершающий его этап: образование литосферы, сделана попытка раскрыть в нем роль верхней астеносферы, и показана связь этих процессов с кимберлитовым вулканизмом.
В статье показана роль верхней астеносферы в процессе развития литосферы в связи с явлением, именуемым «дегазацией Земли». Неравномерность по латерали влияния дегазации на процессы, протекающие в верхней астеносфере, возможно, являются причиной неравномерного развития литосферы, как в планетарном, так и в региональном масштабах. Наличие на дневной поверхности следов кимберлитовых эксплозий рассматривается как результат наиболее интенсивного прохождения процесса дегазации.
Известно, что Земля состоит из нескольких геосфер, отличающихся друг от друга своими физическими свойствами. Среди них особого внимания заслуживает верхняя астеносфера, где происходит понижение скорости сейсмических волн, что позволило ряду исследователей предположить ее «пластичное» состояние, вызванное, возможно, аномальным разогревом [2]. Подтверждением предположения об аномальном разогреве являются сведения о тепловом потоке на поверхности Земли, по которым выявляется следующая закономерность: чем ближе верхняя граница астеносферы к поверхности Земли, тем интенсивнее тепловой поток. Среднее измеренное значение теплового потока по всем континентам, где эта граница проходит на глубинах 100-250 км, составляет, по данным А. Д. Дучкова, ~ 56,5 мВт м-2, в то время как под океанами, где эта граница может располагаться на глубине лишь первых десятков км, среднее значение теплового потока составляет ~ 78,2 мВт м2 [3]. Еще одним подтверждением вышеуказанной закономерности является результат сравнения теплового потока Сибири [4] с недавно созданной в СНИИГГ и МСе картой подошвы литосферы этого региона [5]. Как видно из рис.1,2, здесь так же, но уже на региональном уровне, проявляется указанная закономерность. Таким образом, главным источником тепла, по всей видимости, является верхняя астеносфера. Этот вывод особенно правомочен для океанов, радиоактивность коры под которыми вносит не более 2% всего океанического теплового потока [3].
При интерпретации физико-химической обстановки в астеносфере необходимо в первую очередь учитывать фактор давления. Штернхаймер [15] для металлического цезия, пользуясь квантовой теорией металлического состояния, развитой Вигнером и Зейтцом рассчитал работу перехода электрона с 6s-уровня на 5d-уровень Для этого, по его расчетам, необходимо давление не менее 45 000 атм., что по данным А.Ф. Капустинского, отвечает глубинам 100-120 км, то есть самой верхней части астеносферы. Естественно, что на меньших глубинах порог аномального состояния атома (в данном случае цезия) будет преодолен, и электроны займут тот уровень, который отвечает классическим законам физики. При этом должно выделиться количество энергии, адекватное тому, что было затрачено на удержание их на более низких уровнях энергии.
Рисунок 1. Строение верхней части Земли в пределах материков.
А - Современная модель [2], Б - Новые данные о строении верхней астеносферы [5,11,12]
В - Современные геофизические характеристики [2], Г - Предполагаемое состояние вещества. 1 - Предполагаемые участки нижней астеносферы, наиболее проницаемые для выхода мантийных газов, 2 – Участки верхней астеносферы с интенсивным процессом доразвития атомов, 3 – Мегаблоки фундамента коры (а), архоны (б).
Как известно, цезий обладает шестью электронными оболочками. У других химических элементов, имеющих меньшее количество электронных оболочек, порог аномального состояния атома, очевидно, располагается на больших глубинах в соответствии с количеством этих оболочек, поскольку, чем ближе внешняя оболочка располагается к атомному ядру, тем большие усилия требуются на удержание ее электронов на более низких уровнях энергии. В настоящее время нет расчетов, произведенных с учетом квантовой специфики аномальных электронных структур всех химических элементов таблицы Менделеева, по которым можно было бы судить о глубине расположения порога их аномального состояния и количестве энергии, выделяемой при его преодолении. Поэтому судить о «начальной глубине» процесса появления «нормальных» атомов можно лишь по косвенным признакам. Учитывая физическое состояние верхней астеносферы, то есть ее аномальный разогрев (1300-1500о) [2], начало смены условий существования атомов приурочено к ее подошве, то есть к глубинам в 400 км, где установлена геофизическая граница Лемана (рис.1). Таким образом, мы предполагаем что, граница Лемана является рубежом двух принципиально различных сред. Ниже этого уровня, где давление по приблизительным расчетам более 50 ГПа, электроны внешней оболочки атомов, которыми, как известно, определяются их химические свойства, находятся, по мнению А.Ф. Капустинского, на более глубоких уровнях энергии в «соответствии с тем, что дозволено принципом Паули» [8]. Следовательно, химические свойства таких атомов являются радикально иными, в силу чего, здесь существует обстановка «аномального химизма» [8], и, следовательно, аномального физического состояния вещества. Если это так, то вопрос о применении к такому веществу законов классической химии и физики следует, по нашему мнению, считать открытым.
Выше границы Лемана находится среда, именуемая верхней астеносферой, где протекает процесс перехода атомов в «нормальное» состояние. Появление указанных атомов делает возможным образование различных их соединений в соответствии с законами классической химии с образованием минералов и, в конечном счете, горных пород, что, вероятно, происходило и происходит в кровле верхней астеносферы. Здесь вещество мантии, физическое состояние которого ниже границы Лемана можно условно назвать «аморфным», переходит в качественно новое - кристаллическое, устойчивое, образуя жесткую оболочку Земли, получившую название литосфера. Из вышеизложенного следует, что литосфера «прирастает» снизу, постепенно замещая собой астеносферу. «Поставщиком строительного материала» для литосферы является, по всей видимости, нижняя астеносфера, откуда и происходит миграция атомов, претерпевающих в верхней астеносфере вышеуказанные преобразования. Таким образом, верхняя астеносфера выступает в роли связующего звена, или переходной зоны между веществом мантии и литосферой.
Состав по вертикали пород литосферы позволяет предполагать определенную последовательность в процессе перехода атомов в «нормальное» состояние. Так кора, то есть верхняя часть литосферы, сложена, как известно, химическими элементами всего спектра таблицы Менделеева. В то же время, изучение ксенолитов из кимберлитовых трубок всего мира [7], а так же газовых, жидких и минеральных включений в алмазах [6] показало отсутствие одной трети из химических элементов в подкоровой части литосферы (глубины от 30 до 200 км). Большая часть из них (16 элементов) – это представители всего седьмого периода, часть (9 элементов) – шестого периода, семь элементов пятого и три четвертого. Таким образом, в указанном интервале глубин литосферы отсутствуют главным образом элементы с наибольшим количеством электронных оболочек, то есть те элементы переход которых в «нормальное» состояние в условиях верхней астеносферы мог происходить раньше доразвития других элементов. Вероятно, эти элементы в числе первых стали участвовать в образовании верхней литосферы, будущей коры. Как уже говорилось, литосфера «прирастает» снизу и в какой-то момент в ее формировании стали преобладать элементы с меньшим количеством электронных оболочек. Это обеспечило более плотную «упаковку» атомов и, следовательно более плотное состояние вещества, вызвавшее появление геофизической границы «М».
Вышеизложенное согласуется с концепцией «анатомии Земли», предложенной Н.В. Тхоровской [13], согласно которой все более глубокие геосферы Земли составлены химическими элементами со все меньшим количеством электронных оболочек. Возможно, что такое закономерное распределение атомов на различных уровнях Земли является отражением общего хода развития материи, установленного в процессе астрофизических наблюдений академиком В.А. Амбарцумяном: «...Развитие материи идет от простого к сложному, от более плотного к менее плотному состоянию» [1]. Процессы, происходящие в верхней астеносфере и затем в литосфере являются, на наш взгляд, финальным этапом развития ультросжатого протовещеетва, заключенного, возможно, во внутреннем ядре Земли. От ядра до глубины 400 км от дневной поверхности продукт этого развития представляет собой вещество, состоящее из сильно сжатых и, по этой причине, недоразвитых и, следовательно, химически не связанных между собой атомов, то есть находящееся на «атомном» уровне своего развития. Освободившиеся в условиях верхней астеносферы из «плена» давления атомы, в литосфере формируют уже иную - «молекулярную» среду, то есть среду, где вещество Земли находится на более высоком организационном уровне.
Представляется вполне обоснованным допущение, что процесс перехода атомов в «нормальное» (я называю этот процесс доразвитием) состояние в верхней астеносфере не является равномерным по латерали. Вероятнее всего, в пределах верхней астеносферы имеются разнородные по «активности» участки. Подтверждением этого является наличие контрастного рельефа подошвы литосферы как в планетарном (океан - континент), так и в региональном масштабах. На карте «рельефа подошвы литосферы Сибири», фрагмент которой приведен в работе В И. Епифанова [5], показано положение границы литосферы с верхней астеносферой, которая находится здесь на уровне от 100 до 200 км от дневной поверхности (рис.2). Вероятно, над «активными» участками верхней астеносферы, то есть там, где процесс перехода атомов в «нормальное» состояние происходит быстрее, интенсивнее, литосфера и приобретает большую мощность.
Обращает внимание факт приуроченности алмазоносных кимберлитовых трубок именно к «активным» участкам верхней астеносферы (рис. 1,3). Это обстоятельство указывает на то, что в подстилающей ее толще, то есть в нижней астеносфере имеются участки, где возможно более активное проникновение летучих из нижних геосфер Земли (рис.1)
Как известно, для образования алмаза необходим постоянный приток большого количества углерода [9]. Кроме того, изучение газовых включений в алмазе позволило выявить еще одну особенность образования этого минерала: Вместе с углеродом поступает большое количество и других летучих компонентов: Н, Не, N, О, Аг, [6].
Рисунок 2. Зависимость теплового потока от глубины залегания верхней астеносферы в северной части Сибирской платформы. 1. Изопахиты мощности литосферы в км [5]. 2 Изолинии теплового потока в мВТм-2 [4].
Таким образом, напрашивается вывод о том, что степень интенсивности процесса доразвития атомов в верхней астеносфере зависит от интенсивности процесса дегазации нижних геосфер Земли. Возможно, именно этим объясняются различия по латерали в скорости «прироста» литосферы и, следовательно, контрастность рельефа ее подошвы. Примером наивысшей степени интенсивности процесса дегазации мантии, по-видимому, нужно считать образование локальных магматических очагов, периодически возникающих, вероятно, в кровле верхней астеносферы над ее активными участками, где и образовывалась так называемая кимберлитовая магма, перенасыщенная летучими компонентами [11]. Отсюда можно сделать вывод, что скопления на дневной поверхности кимберлитовых трубок (так называемые кимберлитовые поля) это не что иное, как следы наиболее активного вида процесса, известного под названием «дегазация Земли» (рис.3-4).
Рисунок 3. Связь расположения архонов относительно районов верхней астеносферы с активной дегазацией Земли в северной части Сибирской платформы.
1 - Изопахиты мощности_литосферы в км [5]. 2 - Районы активной дегазацией Земли.
3 - Границы древнейших, наиболее мощных мегаблоков (архонов) фундамента коры [12]:
I - Анабарский, II - Алданский, Ш - Ангарский, IV - Иркинеевский. 4 - Следы наиболее активного вида процесса дегазации Земли (алмазоносные кимберлитовые поля).
Также обращает на себя внимание и особенность в расположении мегаблоков фундамента коры [12] относительно участков верхней астеносферы, имеющих различную степень интенсивности указанного процесса: наиболее древние и мощные из них, так называемые архоны, расположены над районами верхней астеносферы c активной дегазацией Земли (рис 1, 3). Тем самым, высказанное нами ранее предположение о том, что платформенная гетерогенность является следствием различий во времени и пространстве физико-химических процессов, протекающих в недрах мантии [14] получает объяснение причины этой гетерогенности.
Появление и формирование архонов означало начало появления новой геосферы, то есть верхней литосферы, или земной коры. Рассмотрение данных о времени стабилизации архонов показывает, что этот процесс протекал на Земле крайне не равномерно. Так, если наиболее ранний из них - Каапвальский (юг Африки) стабилизировался более 3 миллиардов лет тому назад [11, 12, 14] то стабилизация Анабарского архона произошла 2,5-2 миллиарда лет тому назад. Общей и весьма характерной чертой формировавшихся архонов является то, что их становление, в той или иной степени было связано с неоднократной активизацией процесса дегазации нижних геосфер Земли, о чем свидетельствует наличие разновозрастных кимберлитовых трубок в пределах площади одного и того же архона [14].
1. Начало привлечения достижений квантовой механики для изучения глубинных геологических процессов было положено А.Ф. Капустинским на основе разработок немецкого физика Р. Штернхаймера. Исключительное значение этого начинания заключается в том что оно позволяет рассматривать планету Земля как саморазвивающуюся на атомном, а затем на молекулярном уровне систему.
2. Доразвитие атомов в верхней астеносфере приводит к тому, что вещество мантии из «аморфного» приобретает в кровле верхней астеносферы качественно новое – кристаллическое состояние, формируя так называемую литосферу.
3. Литосфера не может считаться частью мантии. Являясь ее «продуктом», она, тем не менее, стала самостоятельной структурой, где закончен процесс атомных преобразований и начинается процесс развития вещества Земли по законам классической химии.
4. Установление связи кимберлитового магнетизма с моментами активизации процесса дегазации нижних геосфер Земли открывает возможности для изучения этого глобального явления. Кроме того, установленная связь кимберлитового магнетизма с районами активной дегазации Земли позволяет осуществлять достоверное прогнозирование новых алмазоносных районов.
1. Амбарцумян В.А. Научные труды, т.2. Ереван, Изд-во АН Арм.ССР, 1960г.
2. Аплонов С.В. Геодинамика. Изд. С.-Петербургского университета. 2001г., с. 352.
3. Добрецов Н.Л., Кидряшкин А.Г. Глубинная геодинамика. Новосибирск: Изд. НИЦОИГГМ СО РАН. 1994, с. 296.
4. Дучков А.Д. и др. Температура, криолитозона и радиогенная теплогенерация в земной коре Северной Азии. Новосибирск: Изд. НИЦОИГГМ СО РАН. 1994, с. 143.
5. Епифанов В.А., Родин Р.С. Рельеф подошвы литосферы – определяющий фактор размещения траппового и кимберлитового магматизма на Сибирской платформе. Материалы научно-практической конференции, посвященной 30-летию ЯНИГП ЦНИГРИ АК «АЛРОСА», Мирный, 1998 г., с. 258-260.
6. Зинчук Н.Н., Пизнюр А.В. Включения в минералах кимберлитов – надежный источник информации об их генезисе. Материалы научно-практической конференции, посвященной 30-летию ЯНИГП ЦНИГРИ АК «АЛРОСА», Мирный, 1998 г., с. 130-131.
7. Илупин И.П. и др. Геохимия кимберлитов. Москва, «Недра», 1978, с. 350.
8. Капустинский А.Ф. Геосферы и химические свойства атомов // Геохимия. 1956. № 1. с. 53-61.
9. Касимова Ф.И., Мельников Ф.П. Об углеводородных включениях в минералах-спутниках алмаза из кимберлитовых трубок Якутии // Вестник Моск. ун-та. Сер.4. Геология. 1997. № 5, с. 56-59.
10. Метелкина М.П. и др. Докембрийские алмазоносные формации мира. М. 1976.
11. Петрохимия кимберлитов. М., 1991, с. 303.
12. Савинский К.А. Глубинная структура Сибирской платформы по геофизическим данным. М., 1972, с.167.
13. Тхоровская Н.В. Анатомия Земли. Материалы Международной конференции памяти ак. П.Н.Кропоткина, 20-24 мая 2002 г., г.Москва, ГЕОС, Москва, 2002 г., с. 454-455.
14. Фомин Ю.М., Мельников Ф.П. Связь кимберлитового магматизма с мегаблоками древних платформ // Вест. Моск. ун-та. Сер.4. Геология. 2000 г. №3, с. 56-58.
15. Sternheimer R. Compressibility of metallic cesium. Phys.Rev. 78. , 235. 1950.