Глубинная дифференциация вещества, представления В.В.Белоусова

РАДИОМИГРАЦИОННАЯ ГИПОТЕЗА В. В. БЕЛОУСОВА

Опубликованная в 1942—1943 гг.  геотектоническая гипотеза является попыткой учесть и объяснить в  максимально широком объеме  закономерности в развитии тектонических движений земной коры.

Тот взгляд на происхождение  складчатости, в пользу которого мы здесь аргументировали, делает возможным  рассматривать в данной гипотезе на первых порах причины лишь вертикальных колебательных движений земной коры, поскольку складкообразование представляет собой следствие именно вертикальных сил, вызывающих колебательные движения. В качестве основного энергетического фактора тектогенеза мы, как и многие другие современные авторы, принимаем радиоактивность. При этом, существеннейшей чертой нашей гипотезы является представление о неравномерном и меняющемся распределении радиоэлементов в Земле. Этой предпосылкой, как нам кажется, могут быть преодолены те трудности, которые возникали перед другими авторами, исходившими из представления о постоянном и равномерном распространении радиоэлементов. Аналогичные тенденции проявляются, как это уже отмечалось, и в гипотезе Виллисов.

Наша трактовка механизма  колебательных движений внешне довольно близка к волновой гипотезе Беммелена, но если последний подчиняет этот механизм лишь пассивным изостатическим силам, возникающим в результате стремления к гравитационному равновесию, то мы вводим в действие, в случае поднятий, более активные силы, вызываемые расширением подкоровых масс в результате их радиоактивного разогревания. Этим объясняется большая динамичность всего процесса, больший размер давления в земной коре, что, как нам кажется, лучше соответствует тем интенсивным механическим преобразованиям, которые наблюдаются в земной коре.

Каждый геотектонический цикл сопровождается, как мы знаем, формированием гранитных интрузий. В каждой складчатой зоне, преимущественно во внутренних ее областях, на некоторой стадии ее развития, в сравнительно поверхностных частях земной коры образуются гранитные интрузивные тела, общий объем которых не доступен пока учету, но не подлежит сомнению, что он весьма велик.

Граниты представляют собой  породы, наиболее богатые радиоэлементами по сравнению со всеми другими горными породами, имеющими широкое распространение. Среднее содержание радия в гранитах по крайней мере в три раза превосходит его содержание в базальтах и не менее чем в два раза больше содержания его в наиболее радиоактивных из числа широко распространенных осадочных пород.

Из этих соотношений следует, что в связи с формированием  гранитных интрузии, происходит изменение в распределении радиоэлементов внутри нашей планеты: относительно поверхностные зоны, которые являются местом проявления интрузивного процесса, обогащаются этими элементами, тогда как более глубокие зоны должны их при этом, очевидно, в той же степени терять. С каждой новой гранитной интрузией среднее содержание радиоэлементов на единицу объема в верхней оболочке Земли возрастает, что неминуемо должно быть связано с уменьшением того же среднего содержания для глубинных подкоровых зон планеты. Поскольку интрузивный процесс необратим, приобретает необратимый характер и это перемещение радиоэлементов снизу вверх.

Отсюда необходимо прийти к выводу о существовании в аспекте геологического времени необратимого процесса центробежной миграции радиоактивных элементов в недрах Земли, т. е. миграции их из внутренних частей планеты к ее периферии.

Формирование гранитных  интрузий распределено во времени неравномерно. В каждом цикле оно приурочено к некоторому сравнительно ограниченному промежутку времени, совпадающему с главной эпохой

складкообразования, тогда  как за пределами этой эпохи гранитная  интрузивная деятельность почти  не проявляется.

В связи с этим и процесс  центробежной миграции радиоэлементов развивается неравномерно во времени, распадаясь на отдельные фазы (толчки), повторяющиеся от цикла к циклу  и разделяемые длительными периодами, в которых миграция в указанной  форме почти отсутствует.

Кроме того, мы знаем, что  гранитные интрузии распределяются неравномерно и в пространстве. В каждом цикле формирование их приурочено лишь к некоторым областям, а именно к внутренним частям складчатых зон, тогда как периферийные части тех же зон и лежащие за их пределами огромные площади платформ совершенно не затрагиваются процессом образования гранитных интрузий. Это явление, в свою очередь, создает пространственную неравномерность миграции радиоэлементов.

Следовательно, центробежная миграция радиоэлементов в Земле  происходит неравномерно как во времени, так и в пространстве.

Концентрация радиоэлементов близ поверхности, происходящая в результате их центробежной миграции, с необходимостью должна вызвать изменение теплового состояния Земли.

Простой математический анализ показывает, что для термического режима тела далеко не безразлично, будет  ли данное количество радиоэлементов рассеяно по всему его объекту или же оно окажется сосредоточенным лишь в поверхностной зоне.

Легко высчитать, что температура  должна возрастать по мере углубления от поверхности планеты к ее центру до тех пор, пока мы находимся еще в области присутствия радиоактивных элементов. Это возрастание будет зависеть от количества радиоэлементов и характера их распределения в данном объеме вещества.

В том случае, если радиоэлементы  распространены во всей толще планеты, максимальная температура будет  наблюдаться в ее центре. Если те же элементы сосредоточены в некотором слое, ограниченном с одной стороны поверхностью Земли, а с другой — внутренним ядром, лишенным радиоэлементов, то максимальная температура, очевидно, будет приурочена к основанию «радиоактивного слоя»- При этом простая математическая зависимость показывает, что при данном постоянном количестве радиоактивного вещества максимальная температура прямо пропорциональна квадрату мощности радиоактивного слоя. Таким образом, если радиоактивное вещество было распространено сначала в пределах слоя мощностью Н, а затем сконцентрировалось ближе к поверхности и занимает слой, мощность которого равна ¹/2 Н, то после установления нового равновесия максимальная температура внутри Земли, приуроченная в обоих случаях к основанию радиоактивного слоя, будет меньше в четыре раза. Это уменьшение максимальной возможной температуры связано с тем, что концентрация радиоэлементов близ поверхности облегчает и ускоряет процесс отдачи тепла через поверхность за пределы системы.

При этом охлаждение наступит, конечно, не только в подошве радиоактивного слоя или под ним, но и на любом уровне внутри планеты.

Повсеместное падение  температуры внутри земного шара будет наблюдаться и в том  случае, если первоначальное более  или менее равномерное распределение  радиоэлементов во всем объеме планеты  изменяется в сторону обогащения ими поверхностных ее частей при  одновременном соответственном  обеднении ими же внутренних зон, хотя бы это обеднение и не приводило  к полному уходу оттуда всех радиоактивных элементов.

Для некоторых наиболее простых  условий характер уменьшения температуры  в глубине Земли в последнем  случае может быть пред- сказан, но в более сложной обстановке, когда концентрация радиоэлементов по направлению к поверхности развивается неравномерно, математические трудности для решения такой задачи становится большими.

Мы пытаемся дать здесь  лишь логическую основу гипотезы, не вдаваясь в математические расчеты.

Сейчас мы ограничимся  лишь констатированием того, что отмеченное выше явление центробежной миграции радиоэлементов неминуемо должно иметь своим следствием охлаждение внутренних частей Земли. Размер этого охлаждения остается пока неизвестным. Но если оно имеет ощутимые масштабы, то мы вправ!е ожидать проявления в связи с ним каких-либо вторичных эффектов, которые могут быть констатированы, по крайней мере частично, поверхностными наблюдениями.

Наиболее вероятный результат  охлаждения состоит, естественно, в  сокращении объема вещества, в его  сжатии. Посмотрим теперь, имеем  ли мы основания говорить, что в  результате центробежной миграции радиоэлементов и вызываемого этим явления охлаждения происходит сжатие внутреннего вещества Земли.

Рассмотрим сначала, в  каких условиях, согласно нашим теоретическим предположениям, должно происходить сжатие внутриземного вещества в связи с центробежной миграцией радиоэлементов.

Поскольку миграция является неравномерной, ожидаемая контракция должна также развиваться неравномерно во времени и в пространстве. Она  должна проявляться толчками или  фазами, причем основные ее фазы должны приурочиваться в каждом цикле ко времени, следующему за эпохой формирования гранитных интрузий.

Движение радиоэлементов к периферии в связи с гранитными интрузиями происходит, как и сам интрузивный процесс, быстро (в масштабе геологического времени). Более или менее значительное охлаждение должно наступить с некоторым запозданием, так как для установления нового распределения температур требуется некоторое время.

Охлаждение и сжатие должны развиваться главным образом  там, где процесс образования  гранитных интрузий является наиболее сильным, т. е. в центральных областях складчатых зон.

Знаем ли мы в геотектоническом цикле движения, которые могли  бы отвечать глубинной контракции вещества и которые по своему проявлению во времени и на площади соответствовали бы требованиям нашей теории?

На этот вопрос следует  ответить утвердительно. Движения, удовлетворяющие поставленным условиям, существуют. Мы имеем в виду образование внутренних впадин.

Эти впадины образуются в  каждом цикле позже гранитных  интрузий и складчатости. Выражаясь в опускании некоторых участков земной коры, они свидетельствуют о явлении сжатия вещества в подкоровых частях планеты.

Получив, таким образом, первое подкрепление нашей идеи в фактическом материале, рассмотрим, с какими подкоровыми явлениями с точки зрения излагаемой здесь концепции может быть связана вся известная нам последовательность событий в геосинклинали в течение цикла. Под геосинклинально мы будем здесь понимать одну простую интрагео- синклиналь, расположенную между геоантиклинальными площадями.

Перед наступлением нового цикла на месте будущей геосинклинали  происходило поднятие земной «коры  во второй половине предыдущего цикла. Поскольку поднятие мы связываем с расширением подкоровых масс, которое, в свою очередь, должно быть вызвано нагреванием, необходимо прийти к выводу, что перед началом цикла в рассматриваемой области в подкоровых частях планеты отсутствовало термодинамическое равновесие. В некоторой зоне подкоровые массы находились в состоянии большего нагревания, чем по соседству. Это обстоятельство, в свете нашей концепции, следует объяснить неравномерным распределением радиоэлементов. А именно, необходимо предполагать, что в зоне, где земная кора испытывает поднятие, радиоактивные элементы рассеяны шире по направлению радиуса Земли, чем в соседних областях. В последних радиоактивные элементы сконцентрированы ближе к поверхности. Мы можем изобразить указанные соотношения так, как это сделано на рис. 1 (стадия А). На этом рисунке сплошными линиями проведены условные линии равного содержания радиоэлементов под земной корой в веществе, называемые в дальнейшем изорадами.

Так как повсеместное уменьшение концентрации радиоэлементов с глубиной не может сейчас, по- видимому, вызывать сомнений, то очевидно, что численное значение изорад также уменьшается в глубину.

В центральной части чертежа  изорады располагаются на более глубоком уровне, чем справа и слева. Этот прогиб изорад изображает в данном случае более широкое рассеяние радиоэлементов под земной корой по направлению радиуса Земли.

Пунктирными линиями на том же чертеже  показаны условные изотермы. В противоположность  изорадам, численное значение их с глубиной возрастает, так как температура в глубь земли растет.

Рис. 1. Развитие геосинклинали (по радиомиграционной гипотезе В. В. Белоусова)

1 — земная кора; 2 — изотермы; 3—изорады; 4—места скопления кислой магмы; 5—области пониженного содержания радиоэлементов’, 6 — осадки; 7 — сбросы

В первом приближении можно  считать, что за пределами зоны будущей  геосинклинали (т. е. на месте платформ), перед началом нового цикла не происходит ни значительного поднятия, ни значительного опускания земной коры. Следовательно, указанное слева и справа на чертеже положение изотерм отвечает для подкорового вещества состоянию, близкому к термодинамическому равновесию, т. е. при таком распределении температур это вещество не обнаруживает стремлений ни к расширению, ни к сжатию.

В средней же части, изображенной на рис. 1, области термодинамическое равновесие нарушено, и более высокая температура вызывает здесь в подкоровом веществе тенденцию к расширению.

Следующая схема (рис. 1, стадия В) изображает момент, когда в средней части нашей области, ввиду глубинного расширения, произошло интенсивное поднятие земной коры. Последняя, подвергаясь сильному растяжению, испытала растрескивание. Через образовавшиеся трещины подкоровое вещество, устремляется наружу в форме магматических излияний.

Это — эпоха значительной потери внутренней энергии земного  шара. Последняя затрачивается на механическую работу расширения при  излиянии магмы и особенно на разжижение и превращение в газ ранее твердого подкорового вещества.

Примем пока без доказательств, что общая потеря энергии достаточна для того, чтобы вызвать значительное охлаждение подкорового вещества в той зоне, где все рассматриваемые явления имеют место. Охлаждение выразится образованием температурной воронки.

Мы предполагаем, что это  резкое охлаждение, вызванное магматическим взрывом, в дальнейшем в течение длительного времени распространяется в форме волны в подкоровой зоне, захватывая все новые участки ее как на глубине, так и в стороны.

Охлаждение вызывает сжатие глубинных масс, что, в свою очередь, ведет к прогибанию земной коры. Так образуется геосинклиналь на месте предыдущего большого поднятия (рис. 1, стадия С).

Возникновения каких процессов следует ожидать в эту стадию в подкоровых глубинах?

Данные современной петрологии достаточно убедительно показывают, что максимальной однородности магматическое  вещество достигает при относительно высокой температуре¹, тогда как охлаждение ведет к дифференциации того же вещества и к распадению его на фракции, различающиеся химическим составом. Способствует дифференциации в значительной степени также и уменьшение давления.