Тепловой поток ранней Земли и проблема стабилизации архейской литосферы Открытие радиоактивного распада в 1902 г. позволило определить возраст Земли. Вначале после открытия радиоактивный распад стал рассматриваться как главное энергетическое топливо Земли. Однако вскоре обнаружилось противоречие между высокими значениями теплового потока в океанических областях Земли, в частности, в СОХ, и чрезвычайно низкими содержаниями радиоактивных элементов в базальтах океанов. Число Юри (отношение глобальной радиогенной теплогенерации к общему тепловому потоку Земли) оказалось ≤ 0, 16 (на основе анализа теплового потока в СОХ), но возрастает до 0, 5 (на основе аппроксимации средних содержаний радиоактивных элементов в Земле). К проблеме существования внутри мантии обогащенного радиоактивными элементами резервуара добавилась проблема объяснения факта ранней изотопной деплетации верхней мантии (Sm-Nd, Lu-Hf, Rb-Sr). Какой бы ни была первичная земная кора (сиалическая, базальтовая, коматиитовая), низкие соотношения указанных изотопов требуют допущения ее рециклинга с захоронением в глубоких горизонтах мантии в архее, а возможно, и в доархее (гадии).
Допущение существования в мантии обогащенного геохимического резервуара не достаточно для адекватного объяснения современного теплового состояния Земли. Так появляется необходимость подключения для объяснения современного теплового баланса Земли термальной конвекции, с помощью которой можно максимально эффективно использовать все внутреннее тепло Земли. Только к настоящему времени стало возможным удовлетворительное решение «дилеммы Кельвина», и она позволяет достичь для возраста 3, 8–4, 0 млрд лет приемлемых температур, при этом приходится усложнять модели с введением в параметризацию конвекции нелинейных зависимостей вязкости мантии от температуры, глубины, давления и разнонаправленного действия различных механизмов кондуктивной теплопроводности [7]. Решение «дилеммы Кельвина» вынуждает использовать механизмы плейт-тектоники с высокими значениями чисел Релея конвектирующей мантии с балансирующей системой (дессипацией) тепловой энергии в субдукционных зонах. В противном случае в мантии неизбежно должна возникать застойная конвекция с нарастанием конвективных теплопотерь и, как следствие, возникновение магматического океана. Чем раньше устанавливается режим интенсивной конвекции мантии, сопровождаемый процессами ее химической дифференциации с образованием пограничного термального слоя (литосферы), тем раньше должен произойти и переход от расплавленного состояния верхних оболочек Земли (в доархее) к их твердому состоянию (в архее) [7]. Однако данные сравнительной планетологии [2] позволяют отнести этот переход в «глубину» доархея, вплоть до рубежа 4, 35 млрд лет. Из такого методологического подхода к решению дилеммы Кельвина следует, что температура векового охлаждения Земли не могла превышать 80 °С/млрд лет. Таким образом, средняя температура архейской мантии была не более чем на 200–250 °С выше средней температуры современной мантии [7]. Эти данные могут служить ориентиром для установления температуры мантии к концу второго этапа, т. е. к рубежу 4, 35 млрд лет. Вполне возможно, что температура могла достигать 300–350 °С, поскольку широкая распространенность коматиитов в архее может служить аргументом несколько перегретого состояния мантии. Однако существует достаточно много геологических фактов, свидетельствующих о том, что термальная структура и мощность архейской литосферы значимо не отличались от современных [7]. Данные по реконструкции геохимических градиентов гранулитовых областей и архейским возрастам алмазов из кимберлитовых трубок доказывают, что уже к середине архея существовали области с холодной литосферой, отвечающей полю стабильности алмазов, причем в дальнейшем она не подвергалась конвекции, по 40 ВЕСТНИК ВГУ, СЕРИЯ: ГЕОЛОГИЯ, 2010, № 2, ИЮЛЬ–ДЕКАБРЬ крайней мере, с 3, 0 млрд лет. Данные сравнительной планетологии позволяют считать, что плавучие «пятна сиаля», не участвующие в конвекции, появились значительно раньше, скорее всего, с рубежа 4, 35 млрд лет. Именно более высокие температуры, вызывающие более интенсивное плавление мантии, приводили к возникновению менее плотной и стабильной литосферы, устойчивой к конвективной пертурбации. Важнейшим следствием для геодинамики архея и позднего гадия (4, 35–3, 80 млрд лет) является формирование океанической коры повышенной мощности – до 20 км против 6–8 км у современной океанической коры [7].