Приливная эволюция системы «Земля - Луна» от архея до наших дней

Результаты анализа эмпирических данных о вращениях Земли и Луны с позиций теории Макдональда - Еолдрайха и сопоставление особенностей ротационного режима СЗЛ с геодинамическими ситуациями фанерозоя дают достаточные основания для того, чтобы эту теорию применить для расчета приливной эволюции СЗЛ в докембрии. Очевидно, что на протяжении всего периода существования Мирового океана, а он охватывает фанерозой, протерозой и поздний архей, гидросфера играла определяющую роль в диссипации приливной энергии. Тогда, используя реконструкции положений палеостабильных блоков земной коры в докембрии, с одной стороны, и гео- динамическую теорию образования и развития земной коры и гидросферы - с другой, на основе аналогии между состояниями Мирового океана в определенные периоды фанерозоя и докембрия можно получить оценки приливного диссипативного фактора Q. Такие оценки были сделаны О.Г. Сорохти- ным и С.А. Ушаковым [178], причем вся шкала существования СЗЛ по значениям фактора Q была разделена на четыре интервала: венд-фанерозой (0-0,6 млрд лет назад) с Q = 11,8; поздний архей-протерозой (0,6-3,2 млрд лет назад) с Q = 75; ранний архей (3,2-4,0 млрд лет назад) с Q = 17,2 и, наконец, катархей (4,0-4,6 млрд лет назад) с Q = 1500. Для получения оценок Q в [178] использовался метод реперных точек и уравнения (1.37-1.42) для спутника, вращающегося в экваториальной плоскости планеты.

В представленных ниже расчетах также использована идея разделения всей истории СЗЛ на четыре интервала с границами и названиями их согласно [178] и [255]. Значение Q = 10,3 для фанерозоя получено из анализа эмпирических палеонтологических данных о продолжительности года и синодического месяца (см. табл. 5.1). Чтобы учесть среднее резонансное состояние Мирового океана на протяжении фанерозоя, солнечные приливы были умножены на эмпирический коэффициент 0,6.

Относительно докембрийской истории континентов и океанов единой точки зрения нет, причем расхождения в палеореконструкциях имеют принципиальный характер, а не в отдельных малозначимых деталях, как это имеет место для фанерозоя. Дж. Пайпер [308], основываясь преимущественно на палеомагнитных данных, пришел к выводу, что на протяжении почти всего протерозоя континентальная часть земной коры представляла собой единый блок, который располагался в основном в высоких широтах, некоторую деструкцию испытал около 1,1 • 109 лет назад, а окончательный раскол этого протерозойского суперконтинента произошел только в венде. Это предполагает, что в докембрийской истории не было ярко выраженных регрессивных и трансгрессивных этапов в развитии Мирового океана. Дж. Пайпер полагает, что мелкие моря покрывали большую часть протерозойского суперконтинента (кроме архейских эократонов) между 2,7 • 109 и 1,9 • 109 лет назад. В интервале (1,9-1,0) • 109 лет назад мелководные зоны Мирового океана были ограничены только шельфом, протяженность которого из-за скученности континентальных плит была существенно меньше современной, а планетарная трансгрессия моря началась в конце рифея [309].

По сути дела альтернативный сценарий развития земной коры в докембрии предложен О.Г. Сорохтиным и С.А. Ушаковым [179], реконструкции которых в своей основе имеют не палеомагнитные, а геологические данные [190; 194], а также модель глобальной эволюции Земли с вытекающими из нее следствиями относительно динамики литосферных плит [178].

Первые наиболее древние ядра будущих континентальных щитов появились около 3,8 • 109 лет назад в экваториальном поясе Земли. В середине позднего архея, возможно, существовали 10-12 не связанных друг с другом архейских щитов (эократонов), остатки некоторых из них сохранились до наших дней. Приблизительно в это же время начала формироваться гидросфера, на первых порах представлявшая собой, по всей видимости, сеть изолированных водоемов.

Первый в истории Земли единый суперконтинент Моногея сформировался на рубеже архея и протерозоя около 2,6 • 109 лет назад, когда резко интенсифицировался процесс гравитационной дифференциации земных недр, приведший к стремительному выделению в центре Земли плотного окисно-железного ядра. По модели глобальной эволюции Земли [178] процесс химико-плотностной дифференциации в ее недрах играл определяющую роль и в тектонике литосферных плит. Цикличность перестроек мантийной конвекции (от одноячеистой к двухячеистой) определяла цикличность аккреции и деструкции континентальных блоков земной коры.

В соответствии с представленными в [179] реконструкциями, после Моногеи в докембрии образовывались еще два суперконтинента: Мегагея в конце раннего протерозоя (около 1,8 • 109 лет назад) и Мезогея в среднем рифее (около 1,0 • 109 лет назад). В промежутках между этими событиями континентальные блоки земной коры были разобщены, общая протяженность береговых линий могла быть значительной, что, на первый взгляд, должно было способствовать довольно интенсивному приливному трению. Однако на рубеже архея и протерозоя в связи с активизацией мантийной конвекции заметно возросла плотность верхней мантии за счет кристаллизации составляющих ее пород и подмешивания к ним тяжелой фракции из глубинных недр. С учетом того, что в то время объем воды в гидросфере был заметно меньше современного, все это должно было привести к высокому гипсометрическому стоянию континентов независимо от того, были ли они разобщены или объединены в суперконтинент. По оценке [179] в раннем протерозое континенты вздымались над уровнем океана как минимум на 2-3 км. По геологическим данным первая мировая трансгрессия моря на континенты произошла только в венде [179]. Тогда же возникли и получили широкое развитие мелководные эпиконтинентальные моря, в которых диссипирует основная доля приливной энергии.

Все изложенное выше позволяет предположить, что в отношении приливного диссипативного фактора протерозой в среднем (а вполне возможно, и поздний архей) был адекватен той ситуации, что соответствовала периоду формирования и существования вегенеровской Пангеи, когда 2-фактор был порядка 102. В какой-то степени это подтверждает рис. 5.14, на котором представлены изменения площади эпиконтинентальных морей с конца раннего протерозоя, по данным А.В. Ронова [152].

В раннем архее (4,0-3,2 млрд лет назад) вначале существовали изолированные и неглубокие водоемы, заполнявшие локальные впадины в земной коре, и только в середине этого интервала сформировался первичный мелководный океан со средней глубиной около 300 м, т. е. близкой к глубине шельфовых зон. Поэтому можно предположить, что геодинами- ческая ситуация в архее была аналогична хорошо выраженным трансгрессивным этапам развития океана в фанерозое (в частности, в современную эпоху) и характеризовалась значением Q порядка 10. Более того, можно было бы даже предположить, что вследствие широкого распространения мелководных морей диссипация приливной энергии в архее заметно превышала уровень диссипации в современную эпоху, однако на этот счет имеется одно существенное возражение. Дело в том, что современное низкое значение фактора Q обусловлено не только наличием обширных мелководных зон, но и резонансным состоянием Мирового океана, которое имеет место при достаточно близком совпадении собственных частот колебаний гидросферы и гармоник приливного потенциала. Однако вопрос о конкретной оценке величины Q для раннего архея представляет собой предмет отдельного серьезного исследования. Здесь же мы ограничимся рассмотрением возможных вариантов, которые просто удовлетворяют условию существования системы «Земля - Луна», по крайней мере, до 4 млрд лет назад. Из-за неопределенности оценок для раннего архея катар- хейский этап эволюции СЗЛ анализировать не будем.

Изменения площади эпиконтинентальных морей в последние 1,6 млрд лет (по данным А.В. Ронова [152])

Рис. 5.14. Изменения площади эпиконтинентальных морей в последние 1,6 млрд лет (по данным А.В. Ронова [152])

Как следует из приведенных выше оценок, в геологических масштабах времени основной вклад в изменение полярного момента инерции С вносил процесс формирования земного ядра, который начался около 4,0 • 109 лет назад. Вначале он протекал с небольшой скоростью, хотя и большей, чем в настоящее время, а в интервале (3,0-2,6) • 109 лет назад, согласно модели Сорохтина - Ушакова [178; 179], произошло «обвальное» стекание тяжелой фракции к центру Земли. Упрощенный вариант этой модели показан на рис. 5.15, на котором изображена скорость изменения эволюционного параметра Значения параметров функции d^/dt подобраны так, чтобы они были согласованы с расчетными данными из [178; 179].

Изложенные выше модельные представления об изменении в прошлом диссипативного фактора Q и полярного момента инерции С были использованы при интегрировании уравнений приливной эволюции СЗЛ [61; 98].

Скорость изменения эволюционнго параметра

Рис. 5.15. Скорость изменения эволюционнго параметра

Продолжительность земных суток Р при различных значениях фактора Q в позднем архее - протерозое

Рис. 5.16. Продолжительность земных суток Р при различных значениях фактора Q в позднем архее - протерозое (1 - Q = 115; 2 - Q = 100; 3 - Q = 75) и раннем архее (a - Q = 15; b-Q = 13,4; c-Q = 10). Точки - эмпирические данные

Вначале исследовалась зависимость от времени продолжительности земных суток для различных значений фактора Q в позднем архее - протерозое и раннем архее. В качестве реперных точек за пределами фанерозоя примем значения угловых скоростей П (и соответствующие значения продолжительности суток), вычисленные по суточной микрослоистости строматолитов раннего протерозоя с возрастом около 1,8 • 109 лет [305] и по микрослоистости осадочных отложений с возрастом около 2,0 • 109 лет [352]. На рис. 5.16 представлен набор кривых, отражающих изменения в прошлом продолжительности земных суток с разными значениями фактора Q в позднем архее - протерозое и раннем архее.

Видно, что выбранным реперным точкам протерозоя соответствует кривая со значением Q = 115, поэтому в дальнейшем (рис. 5.17-5.19) рассмотрим только кривые с этим значением диссипативного фактора в позднем архее - протерозое. Процесс «обвального» формирования земного ядра в интервале (3,0-2,6) • 109 лет назад выразился только в сравнительно небольшом дополнительном уменьшении продолжительности суток. В изменениях других параметром СЗЛ он проявился настолько слабо, что на графиках его заметить практически невозможно. Кривые бисна рис. 5.16 следует продолжить до пересечения их с осью абсцисс в точках t = —4,0 и t = —3,8 млрд лет. Они соответствуют времени существования СЗЛ короче 4 млрд лет. Это также следует из рис. 5.17, на котором показан набор кривых изменения расстояния Земля - Луна в прошлом для разных значений диссипативного фактора Q в раннем архее.

Расстояние Земля - Луна в земных радиусах при различных значениях ^-фактора в раннем архее {a-Q = 15; b-Q = 13,4; c-Q = 10)

Рис. 5.17. Расстояние Земля - Луна в земных радиусах при различных значениях ^-фактора в раннем архее {a-Q = 15; b-Q = 13,4; c-Q = 10)

Наклон лунной орбиты к земному экватору. Верхние кривые - s, нижние кривые - ?. Обозначения кривых a, b и с-те же, что и на рис. 5.16 и 5.17

Рис. 5.18. Наклон лунной орбиты к земному экватору. Верхние кривые - smax, нижние кривые - ?min. Обозначения кривых a, b и с-те же, что и на рис. 5.16 и 5.17

Наклон земного экватора у (кривая 1) и лунной орбиты i (кривая 2) к плоскости эклиптики для позднеархейско- протерозойского значения Q = 115 и раннеархейского значения Q = 13,4

Рис. 5.19. Наклон земного экватора у (кривая 1) и лунной орбиты i (кривая 2) к плоскости эклиптики для позднеархейско- протерозойского значения Q = 115 и раннеархейского значения Q = 13,4.

В отношении раннеархейского значения фактора Q, во-первых, была обнаружена, как и следовало ожидать, сильная зависимость от него темпа приливной эволюции СЗЛ, во-вторых, получены предельные значения диссипативных факторов в раннем архее (для соответствующих Q в позднем ар- хее - протерозое), ниже которых время существования СЗЛ согласно расчетам становится короче 4,0 • 109 лет. Для позднеархейского - протерозойского Q = 115 таким предельным значениям диссипативного фактора в раннем архее является Q = 13,4. Естественно, что для меньших Q в позднем архее - протерозое это предельное значение увеличивается.

Как видно из рис. 5.17, предельному Q = 13,4 соответствует расстояние Земля - Луна около 22R на рубеже 4,0 • 109 лет, т. е. то расстояние, на котором лунная орбита начинает заметно прецессировать относительно оси вращения Земли. Это наглядно иллюстрирует рис. 5.18, на котором показаны изменения в прошлом угла наклона плоскости лунной орбиты к экватору для Q = 115 в позднем архее - протерозое и разных Q в раннем архее. При Q = 13,4 в раннем архее на рубеже 4,0 • 109 лет различие между максимальным и минимальным значениями наклонения лунной орбиты к плоскости земного экватора начинает уменьшаться.

Изменения в прошлом углов наклона лунной орбиты i и земного экватора у к плоскости эклиптики показаны на рис. 5.19. Заметное различие в максимальных и минимальных значениях этих углов (наличие двух ветвей в кривых у и i) имело место до 4,0 • 109 лет назад, т. е. когда расстояние Земля - Луна было меньше 22 R (для позднеархейского - протерозойского Q = 115 и раннеархейского Q = 13,4). На рис. 5.19 эта ситуация не отражена. Видно, что угол i очень слабо изменялся на протяжении всего протерозоя и фанерозоя. Современный наклон лунная орбита приобрела, по всей вероятности, в основном в архее. Наклон земного экватора оказался более чувствительным к изменениям Q-фактора.

Анализ кривых, отражающих изменения в прошлом среднего движения Луны и периода ее прецессии, не добавляет ничего нового к тому, что сказано выше и отмечено в п. 5.2, поэтому эти кривые нет смысла приводить. Заметим только, что на рубеже 4,0 • 109 лет назад среднее движение Луны составляло 1,1 • 10-5 рад/с-1, т. е. было примерно в четыре раза больше современного.

Представленные выше результаты расчетов приливной эволюции СЗЛ хотя и носят в какой-то мере рекогносцировочный характер, тем не менее они достаточно информативны в плане дальнейшего исследования этой проблемы. Можно обратить внимание на то, что основные изменения всех параметров СЗЛ произошли, вероятнее всего, на начальном этапе существования системы, т. е. в катархее и раннем архее. Поздний архей - протерозой - это интервал медленной эволюции СЗЛ, что, собственно говоря, и обеспечивает растягивание эволюционной шкалы до необходимых временных пределов. При этом, как следует из расчетов, важно только то, что приливной диссипативный фактор Q в позднем архее и протерозое имел порядок 102, и не очень существенно, какое конкретное значение он принимал. Например, на рубеже 3,2 • 109 лет назад радиус лунной орбиты по расчетам равнялся 53R для Q = 115 и 50R для Q = 75. Однако нет сомнений в том, что геофизически обоснованные варианты изменения Q в протерозое и позднем архее следует в дальнейшем включить в расчеты.

Гораздо сложнее все обстоит с анализом эволюции СЗЛ в раннем архее и катархее. Дело в том, что в своих рассуждениях мы, с одной стороны, основывались на модели упругого статического прилива, характеризующегося эффективным углом запаздывания (или соответствующим значением фактора Q), с другой - предположили подобие геодинамических ситуаций фанерозоя и более ранних геологических эпох. Для протерозоя, на протяжении которого поверхность Мирового океана перекрывала уровень стояния срединно-океанических хребтов, оба эти предположения в той или иной степени оправданы. В раннем же архее (4,0-3,2 млрд лет назад), как уже отмечено выше, гидросфера представляла собой совокупность неглубоких изолированных морей. Приливную диссипацию в такой гидросфере необходимо считать особо. Это тем более актуально, что наши расчеты показали сильную зависимость эволюции СЗЛ от значения фактора Q в архее.

Существенным отличием результатов наших расчетов от представленных в [47] является лишь то, что нами получены более низкие значения угловых характеристик СЗЛ на ранней стадии эволюции. Если предположить, что радиус лунной орбиты никогда не был менее 20 R, что находится в согласии с рассуждениями П. Голдрайха и с расчетами [348], то получается, что в момент образования СЗЛ плоскости земного экватора и лунной орбиты имели малые случайные отклонения от плоскости эклиптики, которые в дальнейшем увеличивались за счет действия приливных сил.

В [348] показано, что более высокая скорость вращения Земли в прошлом обусловливала приливные волны укороченной длины и, как следствие, меньшие по интенсивности моменты приливных сил. В частности, когда земные сутки были вдвое короче, приливной вращательный момент был в шесть раз меньше современного. В данной работе влияние вращения Земли на скорость диссипации приливной энергии в явном виде не учитывалось. Этот эффект, несомненно, должен быть принят во внимание при дальнейшем анализе эволюции СЗЛ.

Еще раз следует подчеркнуть, здесь не приведены результаты расчетов эволюции системы «Земля - Луна» в катархее (4,0-4,6 млрд лет в прошлое), т. е. для догеологического периода истории Земли. Если следовать рассуждениям работ [178; 179], то начальный этап эволюции СЗЛ из-за отсутствия на изначально «холодной» Земле гидросферы характеризовался достаточно высокими значениями фактора Q (~ 1 500). Земная поверхность в катархее представляла собой холодную пустыню, сотрясаемую приливными землетрясениями и падениями остаточных планетезималей, сглаживающими всякий рельеф. Земные недра были нестратифицированы, а Луна стремительно отодвигалась от Земли приливными силами, что спасло планету от перегрева. Как показали наши расчеты, если принять для катархея значение Q~ 1 500, то 4,6 млрд лет назад радиус орбиты Луны составлял (10-12) R, продолжительность земных суток составляла 6-7 часов. Однако все эти выводы основаны на гипотезе «холодного» и одновременного образования Земли и ее спутника Луны. Альтернативных сценариев образования и эволюции системы «Земля - Луна» на ранней стадии ее существования более чем достаточно, и каждый из этих сценариев имеет право на существование. Догеологический этап в истории Земли тем и характерен, что практически не сохранилось документированной в древних породах информации о том, что происходило в земных недрах 4 млрд лет назад и раньше.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >