ГЕОДИНА́МИКА

ГЕОДИНА́МИКА (от гео... и греч. δύνα­μις – сила), нау­ка о си­лах и про­цес­сах, воз­ни­каю­щих в ре­зуль­та­те эво­лю­ции Зем­ли как пла­не­ты и оп­ре­де­ляю­щих из­мене­ния в её строе­нии, со­ста­ве и рель­е­фе. Тер­мин пред­ло­жен англ. учё­ным Дж. Дар­ви­ном (1887), в совр. по­ни­ма­нии су­ще­ст­ву­ет с по­след­ней четв. 20 в. Г. син­те­зи­ру­ет дан­ные гео­ло­гич. на­ук, гео­фи­зи­ки и гео­хи­мии, а так­же гео­де­зии (фор­ма гео­ида) и тем са­мым за­ни­ма­ет осо­бое ме­сто сре­ди на­ук о Зем­ле. Г. под­раз­де­ля­ет­ся на эн­до­ген­ную, ис­сле­дую­щую про­цес­сы, про­те­каю­щие в не­драх «твёр­дой» Зем­ли, и эк­зо­ген­ную – про­ис­хо­дя­щие на её по­верх­но­сти.

Эндогенная геодинамика

Для её по­ни­ма­ния прин­ци­пи­аль­ное зна­че­ние име­ет раз­де­ле­ние твёр­дой Зем­ли на верх­нюю (до по­дош­вы верх­ней ман­тии Зем­ли) и ниж­нюю (до яд­ра Зем­ли) гео­сфе­ры; про­цес­сы, про­те­каю­щие в яд­ре Зем­ли, за­слу­жи­ва­ют осо­бо­го рас­смот­ре­ния. В верх­ней час­ти пер­вой гео­сфе­ры вы­де­ля­ют тек­то­но­сфе­ру (или тек­то­сфе­ру), объ­е­ди­няю­щую ли­то­сфе­ру и ас­те­но­сфе­ру. Про­ис­хо­дя­щие в ней тек­то­ни­че­ские про­цес­сы на­хо­дят не­по­средствен­ное от­ра­же­ние на по­верх­но­сти Зем­ли и про­сле­жи­ва­ют­ся сейс­мо­то­мо­гра­фи­ей до по­дош­вы верх­ней ман­тии. Вто­рая гео­сфе­ра го­раз­до боль­ше по объ­ё­му и ещё не­до­статоч­но изу­че­на. В неё вхо­дят пе­ре­ходная зо­на от верх­ней к ниж­ней ман­тии, за­ни­маю­щая глу­би­ны от 410 до 660–670 км, и соб­ст­вен­но ниж­няя ман­тия; ино­гда в ин­тер­ва­ле глу­би­ны 410–1000 км вы­де­ля­ют сред­нюю ман­тию. Про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие в тек­то­но­сфе­ре, ки­не­ма­ти­ка ли­то­сфер­ных плит опи­сы­ва­ют­ся тек­то­ни­кой плит. За­да­ча Г. – ус­та­но­вить си­лы, дви­жу­щие ли­то­сфер­ны­ми пли­та­ми и при­во­дя­щие к их ди­вер­ген­ции (раз­дви­гу) и кон­вер­ген­ции (сбли­же­нию). Ме­ха­низм это­го дви­же­ния свя­зан с ман­тий­ной кон­век­ци­ей – основным спо­со­бом те­п­ло­мас­со­пе­ре­но­са в не­драх Зем­ли. Воз­мож­ность про­яв­ле­ния кон­век­ции за­ви­сит от раз­но­сти тем­пе­ра­тур в кров­ле и по­дош­ве ман­тии, а так­же от её вяз­ко­сти и оп­ре­де­ля­ет­ся т. н. Рэ­лея чис­лом, при пре­вы­ше­нии кри­тич. зна­че­ния ко­то­ро­го (10³) воз­ни­ка­ет кон­век­ция. Это­му так­же спо­соб­ст­ву­ет раз­ность плот­но­стей ве­ще­ст­ва в кров­ле и по­дош­ве слоя, оп­ре­де­ляемая раз­но­стью тем­пера­тур, а так­же мощ­ность слоя, от ко­то­рой за­ви­сит объ­ём кон­век­ти­рую­ще­го ве­ще­ст­ва. Кон­век­ции пре­пят­ст­ву­ет по­вы­ше­ние вяз­ко­сти и уве­ли­че­ние те­п­ло­про­вод­но­сти ве­ще­ст­ва. Кон­век­ция вы­зы­ва­ет те­че­ние ве­ще­ст­ва ман­тии, в ча­ст­но­сти в пре­де­лах ас­те­но­сфе­ры. Под ося­ми спре­дин­га (но­во­об­ра­зо­ва­ния океа­нич. ко­ры), про­ис­хо­дя­ще­го на ди­вер­гент­ных гра­ни­цах ли­то­сфер­ных плит, дей­ст­ву­ют вос­хо­дя­щие и рас­хо­дя­щие­ся вет­ви кон­век­тив­ных ячей; под зо­на­ми суб­дук­ции (по­гру­же­ния ох­ла­ж­дён­ной океа­нич. ли­то­сфе­ры в глубь ман­тии) на кон­вер­гент­ных гра­ни­цах – нис­хо­дя­щие, а в про­ме­жут­ке – го­ри­зон­таль­ные. Та­кое те­че­ние ве­ще­ст­ва ман­тии под­твер­жда­ет­ся изу­че­ни­ем её ани­зо­тро­пии: кри­стал­лы оли­ви­на, в осн. сла­гаю­ще­го верх­нюю ман­тию, ори­ен­ти­ру­ют­ся длин­ной осью по на­прав­ле­нию те­че­ния. Сов­па­де­ние это­го на­прав­ле­ния с на­прав­ле­ни­ем пе­ре­ме­ще­ния ли­то­сфер­ных плит сви­де­тель­ст­ву­ет, что пли­ты дей­ст­ви­тель­но ув­ле­ка­ют­ся ман­тий­ным те­че­ни­ем. Это те­че­ние не яв­ля­ет­ся един­ст­вен­ным ме­ха­низ­мом дви­же­ния ли­то­сфер­ных плит. Пред­по­ла­га­ет­ся рас­тал­ки­ва­ние плит под­ни­маю­щи­ми­ся на осях спре­дин­га ба­заль­то­вы­ми рас­пла­ва­ми и гра­ви­та­ци­он­ное «спол­за­ние» плит со спре­дин­го­вых хреб­тов, а так­же за­тя­ги­ва­ние плит в зо­ны суб­дук­ции под влия­ни­ем си­лы тя­же­сти и их уп­лот­не­ния в ре­зуль­та­те эк­ло­ги­ти­за­ции основ­ных по­род ко­ры, на­чи­наю­щей­ся на глу­би­не ок. 60 км от по­верх­но­сти.

Для объ­яс­не­ния внут­ри­плит­но­го маг­ма­тиз­ма (про­ис­хо­дя­ще­го внут­ри ли­тосфер­ных плит) ка­над. гео­фи­зи­ком Дж. Вил­со­ном в 1963 и амер. гео­фи­зи­ком Дж. Мор­га­ном в 1971 бы­ла пред­ло­же­на ги­по­те­за го­ря­чих то­чек, ис­хо­дя­щая из пред­по­ло­же­ния о подъ­ё­ме из ман­тий­ных глу­бин струй ра­зо­гре­то­го ма­те­риа­ла (ман­тий­ных плю­мов, или ман­тий­ных диа­пи­ров), ко­то­рые «про­ши­ва­ют» дви­жу­щие­ся ли­то­сфер­ные пли­ты и ос­тав­ля­ют на них «след» в ви­де це­пей вул­ка­нов. Кро­ме то­го, не­ко­то­рые внут­ри­плит­ные тек­то­нич. про­цес­сы (см. Внут­ри­плит­ная тек­то­ни­ка) так­же объ­яс­ня­ют­ся дей­ст­ви­ем ман­тий­ных плю­мов (напр., фор­ми­ро­ва­ние внут­ри­плит­ных под­ня­тий зем­ной ко­ры и кон­ти­нен­таль­ных риф­то­вых сис­тем). «Кор­ни» ман­тий­ных плю­мов б. ч. рас­по­ло­же­ны зна­чи­тель­но глуб­же ас­те­но­сфе­ры.

Глу­бин­ная Г. пре­ду­смат­ри­ва­ет уточ­не­ние зна­ний о строе­нии ниж­ней ман­тии Зем­ли, в ко­то­рой ус­та­нов­ле­но и пред­по­ла­га­ет­ся су­ще­ст­во­ва­ние не­сколь­ких сло­ёв с разл. ми­не­ра­ло­ги­че­ским, а воз­мож­но, и хи­мич. со­ста­вом и разл. рео­ло­гич. свой­ст­ва­ми. Их гра­ни­цы про­хо­дят на глу­би­нах ок. 1000 и 1700 км от по­верх­но­сти Зем­ли. По мне­нию др. ис­сле­до­ва­те­лей, пред­ме­том глу­бин­ной Г. яв­ля­ет­ся вся под­ли­то­сфер­ная ман­тия, в т. ч. ас­те­но­сфе­ра. Осо­бое зна­че­ние в глу­бин­ной Г. име­ют два уров­ня – верх­няя гра­ни­ца ниж­ней ман­тии на глу­бине 660–670 км и слой в ос­но­ва­нии ман­тии на гра­ни­це с ядром, по­лу­чив­ший обо­зна­че­ние D″ (D дубль прим) в мо­де­ли внутр. строе­ния Земли­ австрал. учёно­го К. Бул­ле­на (где А – зем­ная ко­ра, В – верх­няя ман­тия Зем­ли, С – пе­ре­ход­ная зо­на от верх­ней к ниж­ней ман­тии, D′ – верх­няя часть ниж­ней ман­тии). На гра­ни­це пе­ре­ход­ной зо­ны и ниж­ней ман­тии про­ис­хо­дит скач­ко­об­раз­ное воз­рас­та­ние ско­ро­сти рас­про­стра­не­ния сейс­мич. волн, объ­яс­няе­мое из­ме­не­ни­ем ми­не­ра­ло­гич. со­ста­ва ман­тии – её гра­на­то­во-пи­рок­се­но­вый со­став из­ме­ня­ет­ся на пе­ров­скит-маг­не­зио­вю­сти­то­вый, что со­про­во­ж­да­ет­ся эн­до­тер­мич. эф­фек­том. Эта гра­ни­ца яв­ля­ет­ся пре­дель­ной для рас­про­стра­не­ния оча­гов (ги­по­цен­тров) зем­ле­тря­се­ний. Она же слу­жит по­лу­про­ни­цае­мым барь­е­ром для суб­дук­ции (по­гру­же­ния) океа­нич. ли­то­сфе­ры и для подъ­ё­ма плю­мов с ман­тий­ных глу­бин. Суб­ду­ци­руе­мые пла­сти­ны океа­нич. ли­то­сфе­ры (слэ­бы) мо­гут не про­ни­кать ни­же этой гра­ни­цы, в др. слу­ча­ях их ма­те­ри­ал ска­п­ли­ва­ет­ся ни­же неё и пе­рио­ди­че­ски ла­ви­но­об­раз­но об­ру­ши­ва­ет­ся в глубь ман­тии, ино­гда до слоя D″. Плю­мы, под­ни­маю­щие­ся сни­зу, мо­гут ис­пы­ты­вать на гра­ни­це пе­ре­ход­ной зо­ны и ниж­ней ман­тии рас­ще­п­ле­ние. Гл. во­прос – слу­жит ли дан­ная гра­ни­ца барь­е­ром для ман­тий­ной кон­век­ции. По мне­нию час­ти гео­фи­зи­ков и гео­хи­ми­ков, кон­век­ция двухъ­я­рус­на и про­те­ка­ет раз­дель­но вы­ше и ни­же этой гра­ни­цы. Но боль­шин­ст­во гео­фи­зи­ков яв­ля­ют­ся сто­рон­ни­ка­ми об­ще­ман­тий­ной кон­век­ции, ос­но­вы­ва­ясь на том, что, по дан­ным сейс­мо­то­мо­гра­фии, ряд слэ­бов по­гру­жа­ет­ся вплоть до гра­ни­цы яд­ра. Вы­ска­зы­ва­ет­ся так­же мне­ние, что в ис­то­рии Зем­ли про­ис­хо­ди­ла не­од­но­крат­ная сме­на двухъ­я­рус­ной кон­век­ции об­ще­ман­тий­ной и эта сме­на, ве­ро­ят­нее все­го, свя­за­на с Вил­со­на цик­ла­ми.

Осо­бую роль иг­ра­ет слой D″ . Он име­ет из­мен­чи­вую мощ­ность (дос­ти­гаю­щую 200–300 км) и ха­рак­те­ри­зу­ет­ся ла­те­раль­ной из­мен­чи­во­стью рео­ло­гич. свойств и, ве­ро­ят­но, хи­мич. со­ста­ва. На его ниж­ней гра­ни­це про­ис­хо­дит об­мен ве­ще­ст­ва с внеш­ним ядром Зем­ли: же­ле­зо, ни­кель пе­ре­ме­ща­ют­ся в яд­ро, а его бо­лее лёг­кие при­ме­си и ле­ту­чие ве­ще­ст­ва (флюи­ды) под­ни­ма­ют­ся в ман­тию. На этой же гра­ни­це вы­яв­лен тон­кий про­слой час­тич­но рас­плав­лен­но­го ма­териа­ла. Слой D″ слу­жит ба­заль­ным уров­нем по­гру­же­ния слэ­бов суб­ду­ци­руе­мой океа­нич. ли­то­сфе­ры (их «мо­гиль­ни­ком») и од­но­вре­мен­но ис­ход­ным для подъ­ё­ма су­пер­плю­мов, по­доб­ных пред­по­ла­гаю­щим­ся под Вост. Аф­ри­кой и Франц. По­ли­не­зи­ей в Ти­хом ок. (ме­нее мощ­ные ман­тий­ные плю­мы мо­гут за­ро­ж­дать­ся близ кров­ли ниж­ней ман­тии и в ас­те­но­сфе­ре).

По­сколь­ку Зем­ля мед­лен­но (ок. 100 °C за млрд. лет) и не­пре­рыв­но ох­ла­ж­да­ет­ся и те­ря­ет в про­цес­се де­га­за­ции за­пас ле­ту­чих ве­ществ, ха­рак­тер гео­ди­на­мич. про­цес­сов ис­пы­ты­ва­ет не­об­ра­ти­мые из­ме­не­ния, изу­чае­мые ис­то­ри­че­ской Г. Эти из­ме­не­ния от­ра­жа­лись на сме­не ти­пов кон­век­ции в свя­зи с из­ме­не­ния­ми зна­че­ний чис­ла Рэ­лея, а имен­но: хао­ти­че­ской кон­век­ции на ва­ли­ко­вую, а за­тем и двухъ­я­рус­ную и, на­ко­нец, на преоб­ла­даю­щую об­ще­ман­тий­ную. Ис­пы­ты­ва­ло из­ме­не­ние и со­от­но­ше­ние тек­то­ни­ки плю­мов (плюм-тек­то­ни­ки) с тек­то­ни­кой ли­то­сфер­ных плит (плейт-тек­то­ни­кой) с пре­об­ла­да­ни­ем по­след­ней. Ме­нял­ся и ха­рак­тер са­мой тек­то­ни­ки плит – раз­мер плит по­сте­пен­но воз­рас­тал, чис­ло их по­сле­до­ва­тель­но убы­ва­ло, об­щая дли­на осей спре­дин­га со­кра­ща­лась. По мне­нию не­ко­то­рых ис­сле­до­ва­те­лей, это мо­жет при­вес­ти к от­ми­ра­нию де­ле­ния ли­то­сфе­ры на пли­ты, как это про­изош­ло на Мар­се. В гео­ло­гич. прош­лом чис­ло плит пе­рио­ди­че­ски ме­ня­лось и бы­ло ми­ни­маль­ным в пе­рио­ды фор­ми­ро­ва­ния су­пер­кон­ти­нен­тов. На совр. эта­пе раз­ви­тия Зем­ли на­блю­да­ет­ся со­че­та­ние 8 круп­ных плит и ря­да мик­ро­плит.

Оп­ре­де­лён­ное влия­ние на про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие в не­драх «твёр­дой» Зем­ли, ока­зы­ва­ют осе­вое вра­ще­ние Зем­ли и твёр­дые при­ли­вы, вы­зы­вае­мые при­тя­же­ни­ем Лу­ны и Солн­ца, а так­же ме­тео­рит­но-ас­те­ро­ид­но-ко­мет­ные бом­бар­ди­ров­ки, воз­мож­но, свя­зан­ные не толь­ко с Сол­неч­ной сис­те­мой, но и с даль­ним Кос­мо­сом. Вра­ще­ние Зем­ли вы­зы­ва­ет пре­об­ла­даю­щий зап. и сев. дрейф ма­те­ри­ков, а из­ме­не­ние ско­ро­сти вра­ще­ния, при­во­дя­щее к пе­ре­строй­ке фи­гу­ры пла­не­ты, яв­ля­ет­ся при­чи­ной об­ра­зо­ва­ния за­ко­но­мер­но ори­ен­ти­ро­ван­ной от­но­си­тель­но оси вра­ще­ния Зем­ли се­ти ли­неа­мен­тов (рег­ма­ти­че­ской) и пла­не­тар­ной тре­щи­но­ва­то­сти.

Иной под­ход к эн­до­ген­ным гео­ди­на­мич. про­цес­сам, ко­то­рый вы­те­ка­ет из пред­став­ле­ний о не­ли­ней­но­сти гео­ло­гич. сре­ды, ба­зи­рую­щих­ся на фи­зи­ке не­рав­но­вес­ных со­стоя­ний, рас­смат­ри­ва­ет не­ли­ней­ная Г.

Экзогенная геодинамика

Ис­сле­ду­ет про­цес­сы, про­те­каю­щие на по­верх­но­сти Зем­ли, и ус­та­нав­ли­ва­ет оп­ре­де­ляю­щие их фак­то­ры. Наи­бо­лее важ­ные из них: цир­ку­ля­ция ат­мо­сфе­ры, от ко­то­рой за­ви­сит рас­пре­де­ле­ние и си­ла вет­ров и вы­па­де­ние осад­ков, а сле­до­ва­тель­но, и про­яв­ле­ние эро­зии; цир­ку­ля­ция гид­ро­сфе­ры (те­че­ния, при­бой, при­ли­вы и от­ли­вы), ко­то­рая вы­зы­ва­ет аб­ра­зию бе­ре­гов и влия­ет на рас­пре­де­ле­ние осад­ков. Су­ще­ст­вен­ное воз­дей­ст­вие на эк­зо­ген­ные про­цес­сы ока­зы­ва­ет био­сфе­ра, вклю­чая (для со­вре­мен­но­сти) ан­тро­по­ген­ное воз­дей­ст­вие. Боль­шую роль в свя­зи с рас­чле­нён­ным рель­е­фом по­верх­но­сти Зем­ли иг­ра­ет си­ла тя­же­сти, вы­зы­вая на суше и на кон­ти­нен­таль­ном скло­не ополз­ни и об­ва­лы, а на кон­ти­нен­таль­ном скло­не, кро­ме то­го, тур­бид­ные (муть­е­вые) по­то­ки. Су­точ­ные и се­зон­ные пе­ре­па­ды тем­пе­ра­ту­ры на по­верх­но­сти Зем­ли вы­зы­ва­ют фи­зи­че­ское, а кон­такт гор­ных по­род с ат­мо­сфер­ны­ми га­за­ми и вла­гой – хи­ми­че­ское вы­вет­ри­ва­ние. Пе­рио­дич. из­ме­не­ния кли­ма­та, ко­то­рые за­ви­сят от ин­со­ля­ции и пар­ни­ко­во­го эф­фек­та ат­мо­сфе­ры, при­во­дят к оле­де­не­ни­ям су­ши, а фи­зич. воз­дей­ст­вие лед­ни­ков мо­де­ли­ру­ет её рель­еф. Эк­зо­ген­ные про­цес­сы ак­тив­но взаи­мо­дей­ст­ву­ют с эн­до­ген­ны­ми. Оп­ре­де­ляю­щая роль в фор­ми­ро­ва­нии рель­е­фа зем­ной по­верх­но­сти при­над­ле­жит по­след­ним.

Боль­шой вклад в раз­ви­тие отеч. Г. внес­ли В. А. Маг­ниц­кий, В. П. Тру­би­цын, В. Е. Ха­ин, Л. И. Лоб­ков­ский, О. Г. Со­рох­тин, Л. П. Зо­нен­шайн, Н. Л. Доб­ре­цов, А. Г. Кир­дяш­кин.