Космонавты американского космического корабля «Апол лон» говорили, что, когда они были на Луне, Земля с голубой водой и белыми облаками была для них самым манящим объектом из всех, которые они могли наблюдать н а небе. Их пристрастие п онятно. Они знали из личного опыта, на что похожа эта планета, и могли п еревести вид облаков, океанов и континентов в свой повседневный опыт—скажем, в морской бриз, накатывающий волны на освещенный солнцем берег.
Вероятно, то, что больше всего нравится людям на Земле, даже если они не могут выразить этого словами,— это картина постоянного движения. На Земле покой заметен благодаря своей редкости. Движение всюду — от постоянного смещения песчинок в дюнах, движения бактерий и других форм жизни до мощных колебаний в самой Земле, когда она дрожит во время землетрясения и после него.
Эта планета активна. В самом деле, она активна уже 4,6 млрд.- лет и не видно никаких признаков успокоения. Земная атмосфера, океаны, тонкая кора и глубокие недра находятся в движении с тех пор, как образовались. Жизнь является составной частью поверхности по меньшей мере в течение 4/5 истории планеты.
В процессе постоянной активности Земля в своей эволюции прошла через разные стадии, сохраняя в течение всего времени состояние динамического равновесия. Равновесие включает в себя обмен веществом и энергией между н едрами, поверхностью, атмосферой и океанами. Исследования в области геологии с привлечением результатов геохимии, геофизики и палеонтологии показали, как происходила эволюция поверхностных слоев Земли. Эти знания, объединенные с устоявшейся теорией внутреннего строения Земли и гипотезами о движении внутренних слоев Земли, поставляют сведения для построения теории эволюции планеты.
Статья Камерона (см. «Образование и эволюция Солнечной системы») описывает процесс возникновения Земли и других планет путем конденсации определенных областей солнечного протопланетного облака. Первоначальное строение протопланетного облака и его структура в более поздний п ериод выводятся из строения земных горных пород, горных пород, доставленных на Землю с Луны, метеоритов и атмосфер Земли, Марса, Венеры и Юпитера.
Появлению теории развити я Земли больше всех способствовали исследователи, изучавшие постепенную конденсацию и аккрецию твердой планеты по мере того как она увлекала огромны^ .. ..'ичества малых частиц из протопланетного диска, из которого обра-зовалась-теперешняя Солнечная система. Так как планета росла, она начала нагреваться в результате совместного действия гравитационного сжатия, столкновений с метеоритами и нагревания, вызванного радиоактивным распадом урана, тория и калия, (Хотя калий обычно не считается радиоактивным элементом, 0,01 ° /о этого элемента на Земле является радиоактивным изотопом калия-40.) В результате внутренние слои расплавились. Процесс расплавления можно назвать « железной катастрофой»; он включал в себя обширную перестройку всего тела планеты. Расплавленные капли железа и сопутствующих ему элементов оседали к центру Земли и там образовали расплавленное ядро, которое остается в значительной степени оасплавленным и сегодня.
По мере того как тяжелые металлы оседали к центру, легкие «шлаки» всплывали наверх — к внешним слоям, которые в настоящее время составляют верхнюю мантию и кору. Возникновению более легких элементов, таких, как алюминий и кремний и два щелочных металла, натрий и калий, сопутствовало образование радиоактивных тяжелых элементов урана и тория. Объяснение возникновения этих тяжелых элементов лежит в механизме, посредством которого атомы урана и тория образуют кристаллические соединения. Размер и химическое сродство атомов препятствуют тому, чтобы они образовывали плотные, компактные структуры, которые являются устойчивыми при высоких давлениях, существующих в глубоких недрах Земли. Следовательно, атомы урана и тория были «выжаты» и вынуждены переселяться вверх, в область верхней мантии и коры, где они легко подошли к более открытым кристаллическим структурам силикатов и окислов, находящихся в горных породах земной коры.
По мере того как внутри Земли произошла дифференциация на ядро, мантию и кору, вещество в верхних областях также расслаивалось на разные фракции, i Нижние слои коры состоят из базальтов и габбро — темных горных пород, в состав которых входят кальций, магний и соединения, богатые железом, главным образом силикаты. Они образовались в результате частичного расплавления и разделения более плотных веществ верхней мантии. Базальт и габбро сами подверглись дифференциации в результате кристаллизации и частичного плавления и так же, как более легкие жидкие вещества, были выдавлены через кору. В верхних слоях коры и на поверхности они затвердевали и образовывали такие более легкие горные породы вулканического происхождения, как гранит, обогащенные кремнием, алюминием и калием.
Вопрос о том, в какой степени эти процессы были завершены на ранней стадии, по мнению автора, остается нерешенным. Некоторые геологи утверждают, что значительная, а возможно, и большая часть гранитной коры была образована уже на этой стадии. Другие считают, что процесс мог едва начаться даже через 1 млрд. лет после образования Земли.
Одним из результатов разогревания внутренних слоев явилось начало вулканической деятельности и горообразования. Они привели не только к изменению формы поверхности, но и к громадным изменениям в строении внутренних слоев. В течение этого времени различные газы, которые вошли в состав планеты, когда она образовалась в результате аккреции, начали искать путь к поверхности. Среди них были углекислый газ, метан, водяной пар и газы, содержащие серу. Газы должны были течь к поверхности особенно интенсивно в период перестройки и дифференциации. Они оставались на поверхности, так как сила тяжести на Земле была достаточной для того, чтобы помешать всем газам, кроме самых легких (водорода и гелия) , уйти в окружающее пространство. Температура в то время должна была быть достаточно низкой и допускала конденсацию воды. Растворяясь в воде, другие газы вступали в химические реакции с такими элементами, как кальций и магний, которые выщелачивались из горных пород, когда выпадение дождей начало приводить к выветриванию. Если бы температура была выше, наличие плотной атмосферы с большим содержанием углекислого газа привело бы к установлению так называемого «парникового эффекта», который, по-видимому, возник на Венере, что привело к образованию горячей облачной атмосферы этой Планеты (с^. «Венера» Э. и Л.Янгов).
^По мере того как остывала поверхность Земли и в результате конденсации воды образовались океаны, процессы эрозии под действием ветра и воды начали действовать в основном так же, как они действуют и сейчас. Жидкая вода стала преобладающей формой переноса и перераспределения продуктов выветривания гор. Речные системы на поверхности являются видимыми следами сети, которая несла продукты выветривания к океанам, где большая их часть скапливалась в виде наносов осадочных отложений вдоль континентальных шельфов и континентальных выработ^^) Остатки осадочных отложений в результате оседания и движений мутьевых потоков распределились тонким слоем глубоко на дне океанов.
Некоторые геохимики и геофизики рассматривали несколько по-иному цепочку событий, которые привели к аккреции Земли из конденсирующегося солнечного протопланетного облака. В соответствии с этими воззрениями Земля и другие планеты являются продуктами постепенной конденсации солнечного протопланетного облака, в течение которой определенные тяжелые элементы, главным образом железо, кристаллизовались . первыми, в то время как более легкие части протопланетного облака находились еще в газообразном состоянии. В процессе аккреции ядро планеты будет обогащено железом в центре, а более легкие фракции будут располагаться последовательно в порядке, соответствующем порядку их кристаллизации из газа, собирающегося во внешних чаях по мере роста планеты.
Каков бы ни был механизм аккреции, история эволюции Земли на более поздней стадии (после первого миллиарда лет) в основном может быть восстановлена по записям,
которые содержат в себе горные породы коры. То, о чем они свидетельствуют, лучше всего может быть рассказано языком геологических «часов», которые начали идти в докембрийские времена. Наиболее старые из известных в настоящее время горных пород—это метамор-физованные осадочные и вулканические. горные породы, которым по содержанию радиоактивных элементов может быть приписан возраст около 3,7 млрд. лет. Они еще старше, чем очень старые горные породы, относящиеся к периоду времени, известному в геологии под названи ем архейского. Считается, что горные породы, относящиеся к этому периоду, имеют возраст более 2,2— 2,8 млрд. лет (возраст границы с более молодыми геологическими эпохами меняется в разных частях районов Земли с древними горными породами). Большинство «запис ей», содержащихся в горных породах, отрывочны, но они реальны, и никому больше не приходится полагаться на одни лишь соображения правдоподобия теории^
Оказывается, что горные породы архейской эры несколько отличаются от пород последующих периодов в том смысле, что в это время были распространены определенные их типы, а многие другие типы относятся к более поздним периодам. Среди архейских пород преобладают базальты и андезиты — вулканические породы, богатые железом и магнием при недостатке натрия и калия и относительно низком содержании кремниевых соединений. Песчаники и сланцы архейской эры образовались в результате выветривания и переработки этих вулканических пород. Здесь отсутствуют большие тела из гранита — породы, более богатой щелочами и кремниевыми соединениями. Такие отклонения в строении по отношению к более поздним породам наводят на мысль, что выделение гранитных пород в результате кристаллизации и частичного плавления пород с меньшим содержанием кремния продвинулось не настолько далеко, как это произошло позднее.
Архейские породы служат также подтверждением того, что характер тектонических явлений, т. е. горообразовательная активность, которая определила форму поверхности, отличался от современного. В настоящее время принято, что тектонические явления связаны с существованием больших плит литосферы (которая включает в себя кору и часть верхней мантии), движущихся над астеносферой (горя чим, пластичным и, вероятно, частично расплавленным слоем мантии). Движущей силой являются движения в мантии, хотя точная природа этого движения • не определена. Геологическая активность землетрясений, вулканов и горообразования концентрируется вдоль границ плит.
Считается, что архейские породы очень рассеяны и дают мало информации, однако изучение наиболее старых архейских площадок в Канаде и площадок такого же возраста в Африке и Скандинавии не подтверждает того, что горообразование происходило там вдоль границ больших плит. Это подтверждает модель интенсивной деформации вдоль границ неправильных площадок гораздо меньшей протяженности, чем плиты. Многие геологи подозревают, что архейский период был временем, когда литосферная кора была очень тонкой, временем активной вулканической деятельности и столкновений между множеством маленьких тонких «плиточек» с возникновением « швов», или поясов сморщивания, спаивающих их вместе.
Хотя архейская эра заметно отличалась от современной тектоническим стилем и средним строением вулканических пород, она была похожа на современную всеми существенными процессами эрозии и осаждения на поверхности. Все отличительные признаки выветривания, механической переработки пород, переноса реками и осаждения в областях, где кора постепенно понижается и допускает скопления больших толщин осадочных пород, обнаруживаются в осадочных породах архейского периода. Это было показано более 30 лет назад Петтенд-жиллом из Университета Джонса Гоп-кинса, который изучал ранние докемб-рийские осадочные породы в районе озера Верхнее. Глядя на эти песчаники, сланцы и конгломераты, трудно найти какое-нибудь заметное различие между ними и относящимися к более позднему периоду, так как все это — затвердевшие эквиваленты современного гравия, песка и глины.
В настоящее время в эрозии и химическом разрушении пород принимают участие земные растения. Однако известно, что высшие растения на суше возникли не ранее чем через 2 млрд. лет после архейского периода, т. е. в середине палеозойской эры. Вероятно, до того, как возникли растения, на суше существовали более низшие формы, так же как они, несомненно, существовали и в море.
Доказательство существования морских водорослей в позднюю до-кембрийскую эпоху было получено несколько лет назад, когда палеоботаник Баргхорн из Гарвардского университета, работающий вместе с Тайм ером, специалистом по осадочным породам из Университета штата Висконсин, обнаружил микроскопические остатки морских водорослей в кремнистом сланце из Ганфлинта — плотной осадочной породе, состоящей из кремнезема. По содержанию радиоактивных элементов и периоду их полураспада было установлено, что возраст этого сланца порядка 2 млрд. лет. После этого другие органические структуры, которые похожи на остатки организмов, были обнаружены в еще более старых породах. Самая старая из них — кремнистый сланец из Свазиленда (Африка) — имеет возраст около 3,4 млрд. лет.
Эта работа по поиску свидетельств древней жизни является кропотливым трудоемким процессом. Тысячи образцов пород должны быть распилены на сверхтонкие пластины, а затем отполированы для того, чтобы их можно было изучать под оптическим и электронным микроскопами. Хотя органический углерод был обнаружен в старых породах задолго до открытия в упомянутых выше кремнистых сланцах, можно всегда предположить множество простых химических механизмов для объяснения этого. Полученное недавно доказательство существования характерных форм клеточной жизни в древние времена трудно опровергнуть.
Теперь о том, как возникла жизнь на Земле. Это рассказ о правдоподобных химических механизмах, которые следуют из определенных предположений о раннем химическом составе поверхности. Можно начать с возникновения ранней архейской атмосферы (образовавшейся в результате выхода газа из внутренних слоев), в которой преобладали вода, метан и аммиак. Свободный кислород отсутствовал, так как он является продуктом жизни, а не предшественником ее; Атмосфера могла также включать в себя заметные количества углекислого газа.
Существование и характер этой атмосферы связаны с тем фактом, что Земля меньше Юпитера и больше Луны. Юпитер способен удержать свой водород, который был самым обильным элементом в солнечном протопланет-ном облаке. Лу на не могла удержать никакого газа
В воздушной оболочке Земли и под ней в поверхностных слоях моря и больших озерах было интенсивным ультрафиолетовое излучение Солнца. Поверхность не была защищена от ультрафиолета слоем озона, как сейчас, за неимением кислорода (02 ), из которого образовался бы озон (С) з). Высокая энергия ультрафиолетового излучения способствовала синтезу множества органических соединений, например аминокислот. Возможно, многие из этих соеди нений уже существовали там, поскольку теперь известно, что многие простые органические соединения присутствуют в межзвездном пространстве.
Однако синтез недолговечных органических соединений — это не то же, что возникновение жизни. Следующими шагами должен быть рост больших молекул и затем нуклеиновых кислот, который в конечном итоге приведет к возникновению генетического механизма воспроизведения, так что клетки могут делиться и порождать новые клетки, подобные им самим.
Нельзя точно сказать, каков должен быть диапазон химических условий, необходимый для поддержания жизни. (Неопределенность может быть уменьшена в результате полета американских космических аппаратов, которые должны были опустить на поверхность Марса в 1976 г. сейчас известно только, что Земл я поддерживает жизнь, и это обстоятельство обязано продолжительному существованию жидкой воды. В настоящее время Земля является единственной планетой, про которую известно, что она удовлетворяет этому условию. Постоянно обнаруживаемые следы жизни на Земле, относящ иеся по крайней мере к последним 3,5 млрд. лет, показывают, что жидкая вода имел ась в течение всего этого времени .
Когда возникла жизнь, она начала оказывать важное влияние на поверхность Земли и газовую оболочку, окружающую ее. В формации Биттер Спрингс, расположенной в центральной Австралии, которой немного меньше 1 млрд. лет, палеоботаники обнаружили клеточные морские водоросли, подобные по многим геометрическим характеристикам сине-зеленым водорослям. Современные сине-зеленые водоросли, как и все другие фото-синтезирующие растения, выделяют кислород. К концу протерозойской эры, которая лежит между архейским периодом и началом палеозойской эры, в атмосфере должно было накопиться достаточное количество кислорода для поддержания эволюции высших организмов. Они были многоклеточными, т. е. живыми организмами, имеющими много клеток с различающимися характеристиками. Оказывается, всем этим организмам необходимы по крайней мере небольшие количества свободного кислорода для их биохимических процессов.
Кислород не является единственным атмосферным газом, возникшим при наличии жизни. В незначительных количествах присутствует, например, метан. По-видимому, его источником первоначально являлись метанообра-зующие бактерии, выделяющие обильно «болотный газ». Атмосфера также включает в себя другие газы, которые являются скорее продуктами деятельности биосферы, чем более простых небиологических химических реакций.
Протерозойская эра была временем, когда мир был населен бактериями, морскими водорослями и другими примитивными одноклеточными организмами, которые, вероятно, существовали и на суше, и на море. Их влияние на процессы, происходящие на поверхности, видно на протерозойских породах. Наиболее характерно это для стро-матолитов —формаций горных пород, состоящих из известковых выделений нитевидных водорослей и осадочных пород, задержанных ими. Строматолиты в настоящее время обнаружены в таких местах, как Багамские и Бермудские острова, где известняки лежат внизу на абиссальных равнинах. Другое свидетельство протерозойской жизни обнаружено в нескольких угольных пластах, образованных массами про питанных углеродом остатков водорослей.
Если бы наблюдатель посмотрел вниз на Землю с искусственного спутника в протерозойское время, он описал бы ее поверхность так же, как наблюдатель, находящийся в подобной ситуации, сделал бы сейчас. Только прибор для определения химического состава атмосферы смог бы обнаружить какие-то различия. Доказательством этого подобия служат протерозойские породы, которые принадлежат к тем же типам и имеют тот же состав, что и породы всех более поздних периодов.
К поздней протерозойской эпохе система Земля — Луна после изменений, имевших место в начальный период, превратилась в основном в ту систему, которую мы видим в настоящее время. Приливы должны были быть несколько выше, чем сейчас, но отличие было небольшим. Примерно в то время, когда Луна стала холодной, длительный нагрев и дифференциация верхней мантии Земли и коры привели к интенсивному захвату больших тел гранитных пород и к образованию опоясывающих горных цепей, источником которых, как предполагают, является тектоника плит.
Из анализа как протерозойских, так и более поздних пород получены данные о периодических изменениях знака магнитного поля Земли, происходивших в течение большей части ее истории. По мере того как нагретая порода остывает, она намагничивается в направлении магнитного поля Земли, и силовые линии вмораживаются, когда порода отвердевает. Кроме того, определенные осадочные породы, которые содержат намагниченные частицы, сохранили, направление поля тех времен, когда они отлагались. Причины перемен лежат в нестабильности движений в жидком ядре, которые генерируют магнитное поле Земли.
Палеомагнитные данные рассказывают также и о движении полюсов. Это не означает, что северный и южный полюсы движутся; наоборот, детали поверхности Земли сдвигаются относительно полюсов. Этот вывод, подкрепляемый палеомагнитными данными, основан на геологических записях древнего климата, таких, как угольные пласты в полярных районах и ледниковые отложения вблизи экватора.
Оказывается, что в протерозойское время около южного полюса находился большой континент, и основным процессом, определяющим палеогеогра-фию, был его дрейф.
Породы хранят свидетельства о периоде главной ледниковой эпохи, первой, существование которой твердо доказано. Эти свидетельства оказываются недостаточными для точного установления возраста этого ледникового периода. Неизвестно, имел ли он ту же длительность, что и недавние (плейстоценовые) ледниковые периоды, состоял ли он так же, как и они, из многих эпизодов, когда ледники наступали и отступали. Можно лишь предположить, что механизмы, подобные тем, что приняты для ледниковых периодов плейстоцена, являются общими: это движение континентальной массы, лежащей у одного из полюсов и ограничивающей способность океана и атмосферы распределять тепловую энергию равномерно по сфере. Для внешнего наблюдателя Земля в то время выглядела немного похожей на Марс, за исключением того, что на экваторе уже были океаны. Один из интересных вопросов относительно ледниковых эпох Земли состоит в следующем: почему на Земле установилось тепловое равновесие при такой температуре, которая достаточно низка для того, чтобы образовались большие полярные шапки, но слишком высока для полного замерзания всей поверхности ?
Точно так же, как история человечества сливается с его предысторией, последние 570 млн. лет истории Земли (начиная с палеозойской эры) связаны с 9/10 продолжительности ее предшествовавшей эволюции, которая долгое время оставалась тайной. Более столетия последние 570 млн. лет рассматривались как геологически « известный» период; поэтому его часто называли «фанерозойским», от греческого «phaneros» — открывать. Хотя первые геологи обнаружили, что некоторые докембрийские территории поддаются картированию обычными геологическими методами, не было ископаемых, имеющих достаточное сходство с формами, существующими в настоящее время; и это делало докемб-рийский период «немым». Стратиграфическая шкала времени — исключительно детальные и точные часы — основана на быстрых эволюционных изменениях высших форм жизни, свидетельства о которых сохранились в ископаемых остатках кораллов и тысяч других видов многоклеточных организмов:
Из учающие историю Земли не перестают удивляться исключительной скорости изменений в период существования многоклеточных. 3 или 4 млрд. лет, т. е. в течение почти всей истории, Земля была населена одноклеточной жизнью. После этого не более чем за несколько сотен миллионов лет появилось фантастическое разнообразие беспозвоночных организмов. Быстро возникли все основные типы животного мира, и скоро за ними послед ов ал и с осудистые растения и позвоночных. Было ли все это случайностью, результатом удачного расположения континентов и морей, игрой окружающей среды ? Или это было неизбежным следствием возникновения кислородной атмосферы Земли в результате фотосинтеза, производимого водорослями?' Наиболее вероятным сейчас кажется, что именно эволюция атмосферы в направлении к современному уровню содержания кислорода стимулировала биологическую приспособленность. Одним из проявлений такой при способленности было появление раковины у животных, которая служила броней, защищающей мягкие ткани от хищников, и базой прикрепления мускулов. Раковины дают нам основу для понимания последующего направления эволюции планеты и ее обитателей. Результаты палео-биологических исследований, основанные на изучении только мягких частей организмов, дали бы слишком тусклые очертания прошлого.
Раковины—это больше, чем временные метки в истории: они вызвали важные изменения в динамике внешних слоев Земли, Океаны стали населять организ мы, в состав которых входили карбонат кальция, фосфат кальция и окись кремния в огромных количествах. Их остатки отлагались в осадочных породах, превращаясь в конце концов в известняк, сланец и фосфатный известняк или фосфатную породу (главный источник сельскохозяйственных удобрений).
Более точные сведения, относящиеся уже к палеозойскому периоду, позволяют геологам проследить эффекты дрейфа континентов. В частности, можно более уверенно установить очертания древнего Атлантического океана, который лежал между Европейско-Африканской массой суши и Америкой, перед тем как во времена, близкие к палеозойской эре, образовался сверхконтинент Пангея. Образование Панеи было одним из редких, особых событий более поздней истории Земли, одним из важных возмущений более или менее гладко протекающей эволюции планеты.
Одним из главных последствий образования Пангеи было исчезновение сотен видов беспозвоночных и начало всеобъемлющих изменений в типах и относительной населенности различных видов животных и растений. Большая часть пространства, занятого мелкими отмелями, окружающими каждый континент, исчезла, когда континенты столкнулись, оставив только узкую полосу вокруг сверхконтинента. Отмели служили убежищами наиболее продуктивного биологического населения палеозойского мира. Географическое сжатие и совпадавшие с ним климатические изменения, включая оледенения тех частей, которые теперь являются Африкой, Австралией и Южной Америкой, были достаточны для исчезновения многих видов. Выжившие закладывали основы новых видов послепа-леозойского мира.
Пангея раскололась в триасовый период (самую раннюю часть мезозойской эры), и, если отметить это событие, а также последующее рождение современного Атлантического океана и дрейф континентов к их теперешнему положению, рассказ о физической эволюции Земли можно считать в основном законченным. Самые старые части океанского дна, которые сохранились в настоящее вре мя, появились в эту эпоху, и так началась поддающаяся расшифровке история мировых океанов. Ее можно проследить по магнитным «полосам» и зонам разломов морского дна, образовавших хребты и трещины посреди океана.
Новые формы жизни, которые эволюционировали в первый период мезозойской эры, дали начало новому миру. Появились цветковые растения, и Земля заиграла красками цветов и листвы деревьев, травы и огромного количества кустарников и цветов. В морях появился новый вид фотосинте-зирующих водорослей—диатомеи; это одноклеточные организмы, покрытые тонкой оболочкой из окиси кремния. Диатомеи ответственны за большую часть первичной продукции фотосинтеза органического вещества в морях.
Примерно в то же самое время появились известковые фораминиферы. Это одноклеточные животные, которые обитают вне растений на поверхности моря. Их раковины, состоящие из карбоната кальция, постоянно опускались на дно океанов, являясь источником нового типа глубоководных отложений — фораминиферального ила. Остатки этих фораминифер дали сюжет своеобразного детективного рассказа: температуру древнего мира и, следовательно, климат оказалось возможным определить по изотопному составу и внешней форме раковин. И форма раковины, и относительное содержание в ней нормальных атомов кислорода (кислорода-16) и редкого тяжелого изотопа (кислорода-18) зависят от температуры воды, в которой жило животное. Измеренная таким образом температура океана позволила обнаружить важные климатические изменения в прошлом.
В течение большей части последних 50 млн. лет (т. е. большей части кайнозойской эры) температура поверхности Земли падала. Это остывание достигло кульминации в последние несколько миллионов лет и проявилось в повторяющихся оледенения. Самые современные из них стали свидетелями появления нового вида — человека и повлияли на его эволюцию. Доста точно продвинувшись в своей эволюции, человек в период первобытного состояния перемещался по мере того, как ледники покрыли большую часть Северной Евро пы, Азии и Северной Америки. В течение короткого 10000-летнего периода после того, как ледники отступили и заняли свое теперешнее положение полярных шапок (возможно, это было временное отступление), человек стал видом, который распространился и занял почти всю поверхность планеты и превратился в биологическую популяцию, способную глубоко повлиять на ход истории Земли как планеты. Только сейчас он стал отдавать себе отчет в том, что некоторые аспекты его деятельности могут изменить тонкую оболочку атмосферы, океанов и пресных вод, которые делают возможным его существование.
www.ronl.ru
Космонавты американского космического корабля «Аполлон» говорили, что, когда они были на Луне, Земля с голубой водой и белыми облаками была для них самым манящим объектом из всех, которые они могли наблюдатьна небе. Их пристрастиепонятно. Они знали из личного опыта, на что похожа эта планета, и моглиперевести вид облаков, океанов и континентов в свой повседневный опыт—скажем, в морской бриз, накатывающий волны на освещенный солнцем берег.
Вероятно, то, что больше всего нравится людям на Земле, даже если они не могут выразить этого словами,— это картина постоянного движения. На Земле покой заметен благодаря своей редкости. Движение всюду — от постоянного смещения песчинок в дюнах, движения бактерий и других форм жизни до мощных колебаний в самой Земле, когда она дрожит во время землетрясения и после него.
Эта планета активна. В самом деле, она активна уже 4,6 млрд.-лет и не видно никаких признаков успокоения. Земная атмосфера, океаны, тонкая кора и глубокие недра находятся в движении с тех пор, как образовались. Жизнь является составной частью поверхности по меньшей мере в течение 4/5 истории планеты.
В процессе постоянной активности Земля в своей эволюции прошла через разные стадии, сохраняя в течение всего времени состояние динамического равновесия. Равновесие включает в себя обмен веществом и энергией междунедрами, поверхностью, атмосферой и океанами. Исследования в области геологии с привлечением результатов геохимии, геофизики и палеонтологии показали, как происходила эволюция поверхностных слоев Земли. Эти знания, объединенные с устоявшейся теорией внутреннего строения Земли и гипотезами о движении внутренних слоев Земли, поставляют сведения для построения теории эволюции планеты.
Статья Камерона (см. «Образование и эволюция Солнечной системы») описывает процесс возникновения Земли и других планет путем конденсации определенных областей солнечногопротопланетногооблака. Первоначальное строение протопланетного облака и его структура в более позднийпериод выводятся из строения земных горных пород, горных пород, доставленных на Землю с Луны, метеоритов и атмосфер Земли, Марса, Венеры и Юпитера.
Появлению теории развития Земли больше всех способствовали исследователи, изучавшие постепенную конденсацию иаккрециютвердой планеты по мере того как она увлекала огромны^....'ичествамалых частиц из протопланетного диска, из которогообра-зовалась-теперешняяСолнечная система. Так как планета росла, она начала нагреваться в результате совместного действия гравитационного сжатия, столкновений с метеоритами и нагревания, вызванного радиоактивным распадом урана, тория и калия,(Хотя калий обычно не считается радиоактивным элементом, 0,01°/о этого элемента на Земле является радиоактивным изотопомкалия-40.)В результате внутренние слои расплавились. Процессрасплавленияможно назвать«железной катастрофой»; он включал в себя обширную перестройку всего тела планеты. Расплавленные капли железа и сопутствующих ему элементов оседали к центру Земли и там образовали расплавленное ядро, которое остается в значительной степениоасплавленными сегодня.
По мере того как тяжелые металлы оседали к центру, легкие «шлаки» всплывали наверх — к внешним слоям, которые в настоящее время составляют верхнюю мантию и кору. Возникновению более легких элементов, таких, как алюминий и кремний и два щелочных металла, натрий и калий, сопутствовало образование радиоактивных тяжелых элементов урана и тория. Объяснение возникновения этих тяжелых элементов лежит в механизме, посредством которого атомы урана и тория образуют кристаллические соединения. Размер и химическое сродство атомов препятствуют тому, чтобы они образовывали плотные, компактные структуры, которые являются устойчивыми при высоких давлениях, существующих в глубоких недрах Земли. Следовательно, атомы урана и тория были «выжаты» и вынуждены переселяться вверх, в область верхней мантии и коры, где они легко подошли к более открытым кристаллическим структурам силикатов и окислов, находящихся в горных породах земной коры.
По мере того как внутри Земли произошла дифференциация на ядро, мантию и кору, вещество в верхних областях также расслаивалось на разные фракции,iНижние слои коры состоят из базальтов и габбро — темных горных пород, в состав которых входят кальций, магний и соединения, богатые железом, главным образом силикаты. Они образовались в результате частичногорасплавленияи разделения более плотных веществ верхней мантии. Базальт и габбро сами подверглись дифференциации в результате кристаллизации и частичного плавления и так же, как более легкие жидкие вещества, были выдавлены через кору. В верхних слоях коры и на поверхности они затвердевали и образовывали такие более легкие горные породы вулканического происхождения, как гранит, обогащенные кремнием, алюминием и калием.
Вопрос о том, в какой степени эти процессы были завершены на ранней стадии, по мнению автора, остается нерешенным. Некоторые геологи утверждают, что значительная, а возможно, и большая часть гранитной коры была образована уже на этой стадии. Другие считают, что процесс мог едва начаться даже через 1 млрд. лет после образования Земли.
Одним из результатов разогревания внутренних слоев явилось начало вулканической деятельности и горообразования. Они привели не только к изменению формы поверхности, но и к громадным изменениям в строении внутренних слоев. В течение этого времени различные газы, которые вошли в состав планеты, когда она образовалась в результате аккреции, начали искать путь к поверхности. Среди них были углекислый газ, метан, водяной пар и газы, содержащие серу. Газы должны были течь к поверхности особенно интенсивно в период перестройки и дифференциации. Они оставались на поверхности, так как сила тяжести на Земле была достаточной для того, чтобы помешать всем газам, кроме самых легких (водорода и гелия),уйти в окружающее пространство. Температура в то время должна была быть достаточно низкой и допускала конденсацию воды. Растворяясь в воде, другие газы вступали в химические реакции с такими элементами, как кальций и магний, которые выщелачивались из горных пород, когда выпадение дождей начало приводить к выветриванию. Если бы температура была выше, наличие плотной атмосферыс большим содержанием углекислого газа привело бы к установлению так называемого «парникового эффекта», который, по-видимому, возник на Венере, что привело к образованию горячей облачной атмосферы этой Планеты(с^.«Венера»Э.иЛ.Янгов).
^Помере того как остывала поверхность Земли и в результате конденсации воды образовались океаны, процессы эрозии под действием ветра и воды начали действовать в основном так же, как они действуют и сейчас. Жидкая вода стала преобладающей формой переноса и перераспределения продуктов выветривания гор. Речные системы на поверхности являются видимыми следами сети, которая несла продукты выветривания к океанам, где большая их часть скапливалась в виде наносов осадочных отложений вдоль континентальных шельфов и континентальныхвыработ^^)Остатки осадочных отложений в результате оседания и движениймутьевыхпотоков распределились тонким слоем глубоко на дне океанов.
Некоторые геохимики и геофизики рассматривали несколько по-иному цепочку событий, которые привели каккрецииЗемли из конденсирующегося солнечногопротопланетногооблака. В соответствии с этими воззрениями Земля и другие планеты являются продуктами постепенной конденсации солнечного протопланетного облака, в течение которой определенные тяжелые элементы, главным образом железо, кристаллизовались.первыми, в то время как более легкие части протопланетного облака находились еще в газообразном состоянии. В процессе аккреции ядро планеты будет обогащено железом в центре, а более легкие фракции будут располагаться последовательно в порядке, соответствующем порядку их кристаллизации из газа, собирающегося во внешнихчаяхпо мере роста планеты.
Каковбы ни был механизм аккреции, история эволюции Земли на более поздней стадии (после первого миллиарда лет) в основном может быть восстановлена по записям,
которые содержат в себе горные породы коры. То, о чем они свидетельствуют, лучше всего может быть рассказано языком геологических «часов», которые начали идти вдокембрийскиевремена. Наиболее старые из известных в настоящее время горных пород—этометамор-физованныеосадочные и вулканические. горные породы, которым по содержанию радиоактивных элементов может быть приписан возраст около 3,7 млрд. лет. Они еще старше, чем очень старые горные породы, относящиеся к периоду времени, известному в геологии под названием архейского. Считается, что горные породы, относящиеся к этому периоду, имеют возраст более 2,2— 2,8 млрд. лет (возраст границы с более молодыми геологическими эпохами меняется в разных частях районов Земли с древними горными породами). Большинство «записей», содержащихся в горных породах, отрывочны, но они реальны, и никому больше не приходится полагаться на одни лишь соображения правдоподобия теории^
Оказывается, что горные породы архейской эры несколько отличаются от пород последующих периодов в том смысле, что в это время были распространены определенные их типы, а многие другие типы относятся к более поздним периодам. Среди архейских пород преобладают базальты и андезиты — вулканические породы, богатые железом и магнием при недостатке натрия и калия и относительно низком содержании кремниевых соединений. Песчаники и сланцы архейской эры образовались в результате выветривания и переработки этих вулканических пород. Здесь отсутствуют большие тела из гранита — породы, более богатой щелочами и кремниевыми соединениями. Такие отклонения в строении по отношению к более поздним породам наводят на мысль, что выделение гранитных пород в результате кристаллизации и частичного плавления пород с меньшим содержанием кремния продвинулось не настолько далеко, как это произошло позднее.
Архейские породы служат также подтверждением того, что характер тектонических явлений, т.е.горообразовательная активность, которая определила форму поверхности, отличался от современного. В настоящее время принято, что тектонические явления связаны с существованием больших плит литосферы (которая включает в себя кору и часть верхней мантии), движущихся надастеносферой(горячим,пластичным и, вероятно, частично расплавленным слоем мантии). Движущей силой являются движения в мантии, хотя точная природа этого движения•не определена. Геологическая активность землетрясений, вулканов и горообразования концентрируется вдоль границ плит.
Считается, что архейские породы очень рассеяны и дают мало информации, однако изучение наиболее старых архейских площадок в Канаде и площадок такого же возраста в Африке и Скандинавии не подтверждает того, что горообразование происходило там вдоль границ больших плит. Это подтверждает модель интенсивной деформации вдоль границ неправильных площадок гораздо меньшей протяженности, чем плиты. Многие геологи подозревают, что архейский период был временем, когдалитосфернаякора была очень тонкой, временем активной вулканической деятельности и столкновений между множеством маленьких тонких«плиточек»с возникновением«швов», или поясовсморщивания,спаивающих их вместе.
Хотя архейская эра заметно отличалась от современной тектоническим стилем и средним строением вулканических пород, она была похожа на современную всеми существенными процессами эрозии и осаждения на поверхности. Все отличительные признаки выветривания, механической переработки пород, переноса реками и осаждения в областях, где кора постепенно понижается и допускает скопления больших толщин осадочных пород, обнаруживаются в осадочных породах архейского периода. Это было показано более 30 лет назадПеттенд-жилломиз Университета ДжонсаГоп-кинса,который изучал ранниедокемб-рийскиеосадочные породы в районе озера Верхнее. Глядя на эти песчаники, сланцы и конгломераты, трудно найти какое-нибудь заметное различие между ними и относящимися к более позднему периоду, так как все это — затвердевшие эквиваленты современного гравия, песка и глины.
В настоящее время в эрозии и химическом разрушении пород принимают участие земные растения. Однако известно, что высшие растения на суше возникли не ранее чем через 2 млрд. лет после архейского периода, т.е.в середине палеозойской эры. Вероятно, до того, как возникли растения, на суше существовали более низшие формы, так же как они, несомненно, существовали и в море.
Доказательство существования морских водорослей в позднююдо-кембрийскуюэпоху было получено несколько лет назад, когда палеоботаникБаргхорниз Гарвардского университета, работающий вместе с Таймером, специалистом по осадочным породам из Университета штата Висконсин, обнаружил микроскопические остатки морских водорослей в кремнистом сланце изГанфлинта— плотной осадочной породе, состоящей из кремнезема. По содержанию радиоактивных элементов и периоду их полураспада было установлено, что возраст этого сланца порядка 2 млрд. лет. После этого другие органические структуры, которые похожи на остатки организмов, были обнаружены в еще более старых породах. Самая старая из них — кремнистый сланец из Свазиленда (Африка) — имеет возраст около 3,4 млрд. лет.
Эта работа по поиску свидетельств древней жизни является кропотливым трудоемким процессом. Тысячи образцов пород должны быть распилены на сверхтонкие пластины, а затем отполированы для того, чтобы их можно было изучать под оптическим и электронным микроскопами. Хотя органический углерод был обнаружен в старых породах задолго до открытия в упомянутых выше кремнистых сланцах, можно всегда предположить множество простых химических механизмов для объяснения этого. Полученное недавно доказательство существования характерных форм клеточной жизни в древние времена трудно опровергнуть.
Теперь о том, как возникла жизнь на Земле. Это рассказ о правдоподобных химических механизмах, которые следуют из определенных предположений о раннем химическом составе поверхности. Можно начать с возникновения ранней архейской атмосферы (образовавшейся в результате выхода газа из внутренних слоев), в которой преобладали вода, метан и аммиак. Свободный кислород отсутствовал, так как он является продуктом жизни, а не предшественником ее; Атмосфера могла также включать в себя заметные количества углекислого газа.
Существование и характер этой атмосферы связаны с тем фактом, что Земля меньше Юпитера и больше Луны. Юпитер способен удержать свой водород, который был самым обильным элементом в солнечномпротопланет-номоблаке. Луна не могла удержать никакого газа
В воздушной оболочке Земли и под ней в поверхностных слоях моря и больших озерах было интенсивным ультрафиолетовое излучение Солнца. Поверхность не была защищена от ультрафиолета слоем озона, как сейчас, за неимением кислорода (02),из которого образовался бы озон (С)з). Высокая энергия ультрафиолетового излучения способствовала синтезу множества органических соединений, например аминокислот. Возможно, многие из этих соединений уже существовали там, поскольку теперь известно, что многие простые органические соединения присутствуют в межзвездном пространстве.
Однако синтез недолговечных органических соединений — это не то же, что возникновение жизни. Следующими шагами должен быть рост больших молекул и затем нуклеиновых кислот, который в конечном итоге приведет к возникновению генетического механизма воспроизведения, так что клетки могут делиться и порождать новые клетки, подобные им самим.
Нельзя точно сказать, каков должен быть диапазон химических условий, необходимый для поддержания жизни. (Неопределенность может быть уменьшена в результате полета американских космических аппаратов, которые должны были опустить на поверхность Марса в 1976 г. сейчас известно только, что Земля поддерживает жизнь, и это обстоятельство обязано продолжительному существованию жидкой воды. В настоящее время Земля является единственной планетой, про которую известно, что она удовлетворяет этому условию. Постоянно обнаруживаемые следы жизни на Земле, относящиеся по крайней мере к последним 3,5 млрд. лет, показывают, что жидкая вода имелась в течение всего этого времени.
Когда возникла жизнь, она начала оказывать важное влияние на поверхность Земли и газовую оболочку, окружающую ее. В формацииБиттер Спрингс,расположенной в центральной Австралии, которой немного меньше 1 млрд. лет, палеоботаники обнаружили клеточные морские водоросли, подобные по многим геометрическим характеристикам сине-зеленым водорослям. Современные сине-зеленые водоросли, как и все другиефото-синтезирующиерастения, выделяют кислород. К концу протерозойской эры, которая лежит между архейским периодом и началом палеозойской эры, в атмосфере должно было накопиться достаточное количество кислорода для поддержания эволюции высших организмов. Они были многоклеточными, т.е.живыми организмами, имеющими много клеток с различающимися характеристиками. Оказывается, всем этим организмам необходимы по крайней мере небольшие количества свободного кислорода для их биохимических процессов.
Кислород не является единственным атмосферным газом, возникшим при наличии жизни. В незначительных количествах присутствует, например, метан. По-видимому, его источником первоначально являлисьметанообра-зующиебактерии, выделяющие обильно «болотный газ». Атмосфера также включает в себя другие газы, которые являются скорее продуктами деятельности биосферы, чем более простых небиологических химических реакций.
Протерозойская эра была временем, когда мир был населен бактериями, морскими водорослями и другими примитивными одноклеточными организмами, которые, вероятно, существовали и на суше, и на море. Их влияние на процессы, происходящие на поверхности, видно на протерозойских породах. Наиболее характерно это длястро-матолитов—формаций горных пород, состоящих из известковых выделений нитевидных водорослей и осадочных пород, задержанных ими.Строматолитыв настоящее время обнаружены в таких местах, какБагамскиеи Бермудские острова, где известняки лежат внизу на абиссальных равнинах. Другое свидетельство протерозойской жизни обнаружено в нескольких угольных пластах, образованных массамипропитанных углеродом остатков водорослей.
Если бы наблюдатель посмотрел вниз на Землю с искусственного спутника в протерозойское время, он описал бы ее поверхность так же, как наблюдатель, находящийся в подобной ситуации, сделал бы сейчас. Только прибор для определения химического состава атмосферы смог бы обнаружить какие-то различия. Доказательством этого подобия служат протерозойские породы, которые принадлежат к тем же типам и имеют тот же состав, что и породы всех более поздних периодов.
К поздней протерозойской эпохе система Земля — Луна после изменений, имевших место в начальный период, превратилась в основном в ту систему, которую мы видим в настоящее время. Приливы должны были быть несколько выше, чем сейчас, но отличие было небольшим. Примерно в то время, когда Луна стала холодной, длительный нагрев и дифференциация верхней мантии Земли и коры привели к интенсивному захвату больших тел гранитных пород и к образованию опоясывающих горных цепей, источником которых, как предполагают, является тектоника плит.
Из анализа как протерозойских, так и более поздних пород получены данные о периодических изменениях знака магнитного поля Земли, происходивших в течение большей части ее истории. По мере того как нагретая порода остывает, она намагничивается в направлении магнитного поля Земли, и силовые линии вмораживаются, когда порода отвердевает. Кроме того, определенные осадочные породы, которые содержат намагниченные частицы, сохранили,направление поля тех времен, когда они отлагались. Причины перемен лежат в нестабильности движений в жидком ядре, которые генерируют магнитное поле Земли.
Палеомагнитныеданные рассказывают также и о движении полюсов. Это не означает, что северный и южный полюсы движутся; наоборот, детали поверхности Земли сдвигаются относительно полюсов. Этот вывод, подкрепляемыйпалеомагнитнымиданными, основан на геологических записях древнего климата, таких, как угольные пласты в полярных районах и ледниковые отложения вблизи экватора.
Оказывается,что в протерозойское время около южного полюса находился большой континент, и основным процессом, определяющимпалеогеогра-фию,был его дрейф.
Породы хранят свидетельства о периоде главной ледниковой эпохи, первой, существование которой твердо доказано. Эти свидетельства оказываются недостаточными для точного установления возраста этого ледникового периода. Неизвестно, имел ли он ту же длительность, что и недавние (плейстоценовые) ледниковые периоды, состоял ли он так же, как и они, из многих эпизодов, когда ледники наступали и отступали. Можно лишь предположить, что механизмы, подобные тем, что приняты для ледниковых периодов плейстоцена, являются общими: это движение континентальной массы,лежащей у одного из полюсов и ограничивающей способность океана и атмосферы распределять тепловую энергию равномерно по сфере. Для внешнего наблюдателя Земля в то время выглядела немного похожей на Марс, за исключением того, что на экваторе уже были океаны. Один из интересных вопросов относительно ледниковых эпох Земли состоит в следующем: почему на Земле установилось тепловое равновесие при такой температуре, которая достаточно низка для того, чтобы образовались большие полярные шапки, но слишком высока для полного замерзания всей поверхности?
Точно так же, как история человечества сливается с его предысторией, последние 570 млн. лет истории Земли (начиная с палеозойской эры) связаны с 9/10 продолжительности ее предшествовавшей эволюции, которая долгое время оставалась тайной. Более столетия последние 570 млн. лет рассматривались как геологически«известный» период; поэтому его часто называли«фанерозойским»,от греческого«phaneros»— открывать. Хотя первые геологи обнаружили, что некоторыедокембрийскиетерритории поддаются картированию обычными геологическими методами, не было ископаемых, имеющих достаточное сходство с формами, существующими в настоящее время; и это делалодокемб-рийскийпериод «немым». Стратиграфическая шкала времени — исключительнодетальные и точные часы — основана на быстрых эволюционных изменениях высших форм жизни, свидетельства о которых сохранились в ископаемых остатках кораллов и тысяч других видов многоклеточных организмов:
Изучающие историю Земли не перестают удивляться исключительной скорости изменений в период существования многоклеточных. 3 или 4 млрд. лет, т.е.в течение почти всей истории, Земля была населена одноклеточной жизнью. После этого не более чем за несколько сотен миллионов лет появилось фантастическое разнообразие беспозвоночных организмов. Быстро возникли все основные типы животного мира, и скоро за ними последовалисосудистые растения и позвоночных. Было ли все это случайностью, результатом удачного расположения континентов и морей, игрой окружающей среды?Или это было неизбежным следствием возникновения кислородной атмосферы Земли в результате фотосинтеза, производимого водорослями?'Наиболее вероятным сейчас кажется, что именно эволюция атмосферы в направлении к современному уровню содержания кислорода стимулировала биологическую приспособленность. Одним из проявлений такой приспособленности было появление раковины у животных, которая служила броней, защищающей мягкие ткани от хищников, и базой прикрепления мускулов. Раковины дают нам основу для понимания последующего направления эволюции планеты и ее обитателей. Результатыпалео-биологическихисследований, основанные на изучении только мягких частей организмов, дали бы слишком тусклые очертания прошлого.
Раковины—это больше, чем временные метки в истории: они вызвали важные изменения в динамике внешних слоев Земли, Океаны стали населять организмы, в состав которых входили карбонат кальция, фосфат кальция и окись кремния в огромных количествах. Их остатки отлагались в осадочных породах, превращаясь в конце концов в известняк, сланец и фосфатный известняк или фосфатную породу (главный источник сельскохозяйственных удобрений).
Более точные сведения, относящиеся уже к палеозойскому периоду, позволяют геологам проследить эффекты дрейфа континентов. В частности, можно более уверенно установить очертания древнего Атлантического океана, который лежал между Европейско-Африканской массой суши и Америкой, перед тем как во времена, близкие к палеозойской эре, образовался сверхконтинентПангея.ОбразованиеПанеибыло одним из редких, особых событий более поздней истории Земли, одним из важных возмущений более или менее гладко протекающей эволюции планеты.
Одним из главных последствий образования Пангеи было исчезновение сотен видов беспозвоночных и начало всеобъемлющих изменений в типах и относительной населенности различных видов животных и растений. Большая часть пространства, занятого мелкими отмелями, окружающими каждый континент, исчезла, когда континенты столкнулись, оставив только узкую полосу вокруг сверхконтинента. Отмели служили убежищами наиболее продуктивного биологического населения палеозойского мира. Географическое сжатие и совпадавшие с ним климатические изменения, включая оледенения тех частей, которые теперь являются Африкой, Австралией и Южной Америкой, были достаточны для исчезновения многих видов. Выжившие закладывали основы новых видовпослепа-леозойскогомира.
Пангея раскололась в триасовый период (самую раннюю часть мезозойской эры),и, если отметить это событие, а также последующее рождение современного Атлантического океана и дрейф континентов к их теперешнему положению, рассказ о физической эволюции Земли можно считать в основном законченным. Самые старые части океанского дна, которые сохранились в настоящее время, появились в эту эпоху, и так началась поддающаяся расшифровке история мировых океанов. Ее можно проследить по магнитным «полосам» и зонам разломов морского дна, образовавших хребты и трещины посреди океана.
Новые формы жизни, которые эволюционировали в первый период мезозойской эры, дали начало новому миру. Появились цветковые растения, и Земля заиграла красками цветов и листвы деревьев, травы и огромного количества кустарников и цветов. В морях появился новый видфотосинте-зирующихводорослей—диатомеи;это одноклеточные организмы, покрытые тонкой оболочкой из окиси кремния. Диатомеи ответственны за большую часть первичной продукции фотосинтеза органического вещества в морях.
Примерно в то же самое время появились известковыефораминиферы.Это одноклеточные животные, которые обитают вне растений на поверхности моря. Их раковины, состоящие из карбоната кальция, постоянно опускались на дно океанов, являясь источником нового типа глубоководных отложений —фораминиферальногоила. Остатки этихфораминифердали сюжет своеобразного детективного рассказа: температуру древнего мира и, следовательно, климат оказалось возможным определить по изотопному составу и внешней форме раковин. И форма раковины, и относительное содержание в ней нормальных атомов кислорода (кислорода-16) и редкого тяжелого изотопа (кислорода-18) зависят от температуры воды, в которой жило животное. Измеренная таким образом температура океана позволила обнаружить важные климатические изменения в прошлом.
В течение большей части последних 50 млн. лет (т.е.большей части кайнозойской эры) температура поверхности Земли падала. Это остывание достигло кульминации в последние несколько миллионов лет и проявилось в повторяющихся оледенения. Самые современные из них стали свидетелями появления нового вида — человека и повлияли на его эволюцию.Достаточно продвинувшись в своей эволюции, человек в период первобытного состояния перемещался по мере того, как ледники покрыли большую часть Северной Европы, Азии и Северной Америки. В течение короткого 10000-летнего периода после того, как ледники отступили и заняли свое теперешнее положение полярных шапок (возможно, это было временное отступление),человек стал видом, который распространился и занял почти всю поверхность планеты и превратился в биологическую популяцию, способную глубоко повлиять на ход истории Земли как планеты. Только сейчас он стал отдавать себе отчет в том, что некоторые аспекты его деятельности могут изменить тонкую оболочку атмосферы, океанов и пресных вод, которые делают возможным его существование.
superbotanik.net
Происхождение Земли. Эволюция недр
Давайте представим невероятное. Например, что бы мы увидели, если земной шар расколоть пополам? Нашему взору представилось бы тело, состоящее из нескольких концентрических оболочек, как бы вложенных одна в другую. Наиболее отчетливо выделились бы три геосферы: литосфера, мантия и ядро.
Идея о сферическом строении нашей планеты была высказана профессором Геттингенского университета Э. Вихертом в конце XIX в. В начале XX в. выдающийся австрийский геолог Э. Зюсс предложил выделять пять оболочек Земли, каждой из которых было дано название, исходя из главенствующих в ней элементов. Так были выделены сиаль (Si+Al), сима (Si + Mg), хрофесима (Сї+Si+Mg), нифесима (Ni+Fe+Si + Mg) и нифе (Ni+Fe).
В дальнейшем идея о внутреннем строении Земли получила научное обоснование. Глубокие скважины и шахты дают возможность геологам изучить лишь самую верхнюю, тончайшую часть литосферы. Долгое время рекордной считалась глубина, которой достигла скважина в штате Оклахома (США), — 9583 м. В настоящее время осуществляется программа изучения недр страны с помощью бурения сверхглубоких скважин.
Гораздо меньшую глубину имеют шахты. Максимальная глубина шахты в Южной Африке 3428 м. Если сравнить эти величины с средним радиусом Земли, то окажется, что даже самая глубокая скважина проникла в тело Земли точно так же, как булавочный укол в толстую кожу бегемота.
Но каким же образом геологи строят свои предположения о внутреннем строении Земли? Оказывается — благодаря применению специальных геофизических приборов и методов. Одним из главных является сейсмический метод. Суть его заключается в следующем. На поверхности земли искусственно (с помощью взрывов) создаются упругие колебания, которые распространяются вглубь Земли. Чем плотнее среда, тем выше скорость; в жидкостях эти упругие колебания почти не распространяются. Проходя границу раздела двух сред с различной плотностью, сейсмические волны частично отражаются и возвращаются обратно на земную поверхность, где улавливаются специальными чувствительными приборами. По возвратившимся на земную поверхность колебаниям можно восстановить глубину залегания разделяющей поверхности и даже установить физическую природу среды.
О строении самой верхней части литосферы — земной коры — мы говорили выше. Напомним, что континентальная кора состоит из трех слоев: осадочного, гранитно-метаморфического и базальтового. В океанической коре полностью отсутствует гранитно-метаморфический слой, а мощность базальтового в несколько раз меньше, чем под континентами.
Земная кора отделяется от нижележащего слоя поверхностью с существенно различной скоростью распространения упругих волн. На больших глубинах базальты могут находиться в расплавленном состоянии. Этот ослабленный слой, близкий к плавлению или даже со держащий расплавы легкоплавких пород и залегающий под литосферой, носит название астеносферы. Благодаря пластичности астеносферы, лежащие выше ее твердые блоки (плиты) коры могут скользить по ней. Ее существование было обнаружено Б. Гутенбергом по уменьшению скоростей распространения упругих волн. Поэтому нередко астеносферу называют слоем Гутенберга. Под континентами астеносфера располагается на глубине 120—250 км, а под океанами — на глубине 30-60 км. Однако под осями срединно-океанических xpебтов она нередко подходит близко к поверхности дна.
Залегающий под астеносферой слой распространяется до глубин около 400 км. При переходе этой границы скорость сейсмических волн резко возрастает. Этот слой вместе с астеносферой и частично литосферой, расположенной под земной корой, называется верхней мантией Как предполагают ученые, она состоит из плотных темных пород — возможно, перидотитов, дунитов и эклогитов.
Средняя мантия, или слой Голицына, простирается до глубин 1000 км. В этом слое примерно на отметке 700 км наблюдается еще одно возрастание скорости распространения сейсмических волн. Это явление даже связывается с дальнейшим уплотнением вещества. На нижней границе слоя Голицына скорости распространения сейсмических волн замедляются.
Нижняя мантия залегает до глубины 2920 км. Далее располагается земное ядро.
Внешняя его часть, до отметки 4980 км, занимает 15,16% объема и 29,8% массы всей Земли. Она хорошо пропускает продольные волны, но поперечные сейсмические волны через нее не проходят. На этом основании предполагается, что данный слой находится в расплавленно-жидком состоянии. Косвенным подтверждением является наличие приливных колебаний внутри Земли. Существуют колебания Земли относительно оси ее вращения с периодом около 1,2 года.
Внутреннее ядро имеет радиус 1250 км, около 0,7% объема и 1,2% массы всей Земли. Продольные сейсмические волны проходят сквозь ядро со скоростями 11,1—11,4 км/с. Однако факты прохождения поперечных волн свидетельствуют о том, что внутренняя часть ядра является твердым телом, по-видимому, близким к расплавленному состоянию.
Таким образом, Земля представляет собой сложную систему. Это вращающийся вокруг своей оси и вокруг Солнца толстостенный шар с внутренней полостью, заполненный жидкостью, в которой находится небольшое шарообразное твердое ядро. Оно удерживается в центре системы силами тяготения.
Насколько верны представления о составе пород, основанные на скоростях прохождения сейсмических волн? Но, для того чтобы проверить это, необходимо полностью пробурить земную кору. Ведь есть на Земле места, где граница Мохоровичича располагается на глубине 5—10 км. Достичь этих глубин для современной буровой техники не проблема.
Достичь загадочной мантии. Такую сложную задачу поставили перед собой геологи. Однако сначала решили проникнуть в базальтовый слой. Было принято считать, что он залегает довольно близко от поверхности не только в океанах, но и в некоторых частях континентов. Остановились на Кольском полуострове, где и была заложена первая в мире сверхглубокая скважина.
Кольская сверхглубокая скважина даже внешне производит неизгладимое впечатление. Огромное надскважинное сооружение напоминает собой высокое заводское здание. Действительно, это целый завод, в котором сосредоточены устройства для подъема и опускания многокилометровых труб, сделанных из специальной стали. Процесс бурения и смена бурового инструмента осуществляются с помощью электроники. Скважина достигла больших глубин, и уже само по себе это большое техническое достижение.
Результаты бурения оказались довольно неожиданными. Там, где, по геофизическим данным, предполагалось наличие базальтового слоя исходя из резкого изменения скоростей прохождения волн, скважина пересекла светлые архейские гнейсы. Это сильно измененные, или метаморфизованные, горные породы осадочного или вулканического происхождения с высоким содержанием кремнезема и, что очень важно, одна из главных составных частей гранитного слоя. Скважина углубилась за отметку 12 км, но базальтов здесь не оказалось. Неужели это новый геологический парадокс? Пропали базальты, залегающие под гранитно-метаморфическим слоем, хорошо зафиксированные по скоростям прохождения сейсмических волн. Исчез опорный слой, по которому строили свои выводы геофизики. Что же тогда все предположения геологов и геофизиков о строении глубоких частей земной коры оказались неверны ми? Нет, это не так. Сверхглубокое бурение еще раз показало, насколько сложны природные процессы и кап не просто построены глубокие части нашей планеты. В данном случае резкое изменение скоростей волн связано не с переходом от «гранитного» слоя к «базальтовому», а с имеющим место на больших глубинах разуплотнением пород за счет образования трещин при высвобождении воды из кристаллических решеток минералов под воздействием высоких давлений и температур.
Результаты бурения заставляют осторожно относиться к геологической интерпретации данных, получаемых при геофизических исследованиях. Сейчас надо учитывать, что повышенные скорости распространения сейсмических волн на глубине могут быть вызваны разными причинами. Здесь играют роль не только увеличение плотности пород, но и существующие длительное время на больших глубинах всякого рода тектонические нарушения. В районе расположения скважины на плотность пород повлияло наличие крупной пологой трещиноватости. При движении по ее плоскости масса горных пород сильно уплотнилась, а это отразилось на скорости распространения сейсмических волн.
Результаты бурения опровергли укоренившееся мнение о распределении температур в глубинах Земли. Ранее предполагалось, что в пределах Балтийского щита и подобных ему регионов увеличение температур с глубиной незначительное. Ожидалось, что на отметке около 7 км температура достигнет 50°С, а на глубине около 10 км — 100°С. В действительности температура оказалась значительно выше. До глубин 3 км температура увеличивалась на 1°С через каждые 100 м, что соответствовало расчетам. Но затем ее прирост достиг 2,5°С на каждые 100 м, и, таким образом, на глубине 10 км температура оказалась равной 180°С. Предполагается, что столь высокая температура обязана интенсивному тепловому потоку, идущему от разогретой мантии.
На глубинах 6,5—9,5 км выявлены зоны низкотемпературного гидротермального оруденения (медные, свинцовые, цинковые и никелевые), которые ранее считались близповерхностными образованиями. В процессе бурения Кольской сверхглубокой скважины обнаружены газы и сильно минерализованные воды, насыщенные бромом, йодом и тяжелыми металлами. Газы представлены гелием, водородом, азотом и метаном. Воды и газы циркулируются в мощных зонах тектонических нарушений. Полученные сведения дают основания полагать, что процессы рудообразования, в которых участвуют газы и минерализованные воды, на больших глубинах продолжаются.
Чтобы изучить глубинное строение Земли надо проводить геологические исследования в комплексе с бурением сверхглубоких скважин и разнообразными геофизическими наблюдениями.
Рождение земли
Мысль о возможных причинах возникновения нашей планеты волновала философов еще в глубокой древности. Хотя первые представления основывались на непосредственных наблюдениях над природой, но в них главенствующую роль занимали фантастические вымыслы. Тем не менее возникали идеи, которые и сегодня поражают нас близостью с нашими представлениями о происхождении Земли.
После тяжелой поры средневековой эпохи господства богословия произошло возрождение науки и техники. Труды Леонардо да Винчи, Николая Коперника, Джордано Бруно, Галилео Галилея подготовили почву для появления прогрессивных космогонических идей. Они в разное время были высказаны Р. Декартом, И. Ньютоном, И. Кантом и П. Лапласом.
С момента появления космогонической теории И. Канта и П. Лапласа происхождение Солнечной системы долгое время остается предметом непрекращающихся дискуссий. Длительное время господствовала гипотеза о конденсации планет из раскаленных сгустков солнечных газов. Сейчас установлено, что вначале ничего не было. Пространство, время и вещество в нашей Вселенной возникли около 15 млрд. лет назад в результате Большого Взрыва. По мере расширения и остывания Вселенной вещество начало разрежаться, затем из гигантских туманностей стали образовываться звезды и галактики. Наша планетная система появилась из холодного газопылевого облака, которое в далеком прошлом существовало вокруг Солнца. Атомы вещества, из которых состоят Солнце и планеты, возникли при взрыве сверхновых звезд, а эти взрывы происходили в нашей Галактике на протяжении по крайней мере 10 млрд. лет. Большую ценность для научной разработки гипотез о происхождении нашей планеты имеют метеориты — пришельцы из далекого космоса. Изучая каменные и железные метеориты, ученые получают неоценимую информацию, которую широко используют в космогонических представлениях. В настоящее время к этим данным добавились сведения о химическом составе пород Луны, атмосферы и пород Марса и Венеры. Оказалось, что химический состав метеоритов близок к среднему земному, а их возраст, так же как и возраст пород Луны, определяется 4—5 млрд. лет.
По крупицам, по отдельным разрозненным фактам складывалась научная основа современных космогонических гипотез. Огромная роль в обосновании современной гипотезы происхождения Земли и Солнечной системы принадлежит советскому ученому академику О.Ю. Шмидту.
--PAGE_BREAK--Исходным веществом для образования Солнечной системы послужило газопылевое облако. Оно находилось в холодном дисперсном состоянии и содержало в основном летучие компоненты: водород, гелий, азот, кислород, метан, углерод и т. д. Первичное планетное вещество было однородным, и его температура была низкой.
Вследствие сил тяготения межзвездные облака начинали сжиматься. Вещество уплотнялось до стадии звезд, одновременно возросла его внутренняя температура. Движение атомов внутри облака ускорялось, и, сталкиваясь друг с другом, атомы иногда объединялись. Возникали термоядерные реакции, в процессе которых водород превращался в гелий, при этом выделялось огромное количество энергии.
В страшном реве и взрывах, сопровождавших термоядерные реакции, в неукротимом буйстве стихий родилось древнее Солнце — Протосолнце. Его рождение — это вспышка сверхновой звезды, при которой излучается гигантская энергия. Из протопланетного облака в дальнейшем возникли планеты, кометы, астероиды и другие космические тела нашей Солнечной системы. Рождение Протосолнца и протопланетного облака, имевших довольно высокую температуру, произошло около 6 млрд. лет назад.
В течение нескольких сот миллионов лет протопланетное облако остывало. Из горячего парообразного облака конденсировались тугоплавкие элементы — вольфрам, титан, гафний, ниобий, молибден, платина и др. Появились пылевидные твердые частицы, и ранее раскаленное облако вновь стало относительно холодным.
Приблизительно 5,5 млрд. лет назад из холодного планетного вещества возникли первые планеты, в той числе и первичная Земля. В это время она была космическим телом, но еще не стала планетой, у нее не существовало ядра и мантии, и даже твердых поверхностных участков. Протоземля представляла собой холодное скопление космического вещества. Под влиянием гравитационного уплотнения, нагревания от беспрерывных ударов космических тел (комет и метеоритов) и выделении тепла радиоактивными элементами поверхность Протеземли стала нагреваться. О величине разогрева среди ученых нет единого мнения. По мнению ученого В. Г. Фесенкова, вещество Протоземли нагревалось до 10000°С и вследствие этого перешло в расплавлении состояние. По предположению других ученых, температура едва достигала 1000°С (а некоторые даже отрицают возможность расплавления вещества).
Дифференциация вещества Протоземли привела к концентрации тяжелых элементов во внутренних ее областях, а на поверхности — более легких. Это, в свою очередь, предопределило дальнейшее разделение на ядро и мантию.
Земля не имела атмосферы сразу после образования, Это объясняется тем, что газы из протопланетного облака были потеряны на первых стадиях образования, поскольку тогда еще масса Земли не могла удержать легкие газы вблизи своей поверхности.
Образование ядра и мантии, а в дальнейшем и атмосферы завершило первую стадию развития Земли — догеологическую или астрономическую. Земля стала твердой планетой. С этого момента и начинается ее длительная геологическая эволюция.
Итак, 4—5 млрд. лет назад на земной поверхности господствовали солнечный ветер, жаркие лучи Солнца и космический холод. Поверхность беспрерывно подвергалась бомбардировке космическими телами — от пылинок до астероидов. В недрах планеты протекали бурные термоядерные и химические реакции. Энергия выделялась главным образом за счет радиоактивного распада, гравитационной дифференциации и различных фазовых переходов вещества, протекавших при высоких давлениях.
Гравитационная дифференциация
Главной движущей силой расслоения земного вещества и выделения тепла, кроме радиоактивного распада, была гравитационная дифференциация. При этом вещества, обладающие большой плотностью и массой, опускались на глубину, а более легкие как бы всплывали на поверхность. В результате этого возникли оболочки, т. е. начиналось расслоение земного шара.
В течение длительного времени внутри Земли скопилось колоссальное количество тепла, что вызвало частичное расплавление недр. Во внутренних частях Земли концентрировались тяжелые элементы и соединения, а на периферии скапливались сравнительно легкие. Это в конечном итоге привело к разделению земных недр на ядро и мантию. Ядро Земли в основном состоит из железа и никеля, а в мантии преобладают силикаты. В нижней мантии вещество в настоящее время находится в особом, плотном кристаллическом состоянии и имеет очень высокую температуру плавления.
Каким же образом осуществляется дальнейшее перемешивание легких и тяжелых веществ при их гравитационной дифференциации? И, вообще, происходит ли оно в настоящее время?
Под действием тепла происходит перемещение вещества и в мантии развиваются медленные конвективные течения. В различных слоях вещества образуются определенные ячейки. В одних частях ячеек осуществляется подъем вещества, а в других — опускание.
Самой простой является конвективная ячейка, охватывающая всю мантию с одним центром подъема вещества из мантии и с одним центром опускания. В этом случае движение литосферной плиты по горизонтали происходит от места подъема горячего вещества к месту его опускания. С течением времени континентальные литосферные блоки должны объединяться друг с другом вокруг места опускания. В таком случае вокруг центра подъема горячего мантийного вещества должна располагаться океаническая литосфера. В результате действия одноячеистой конвекции в конце палеозойской эры образовалась Пангея — гигантский материк.
Более сложная ситуация обусловливается парой конвективных ячеек. Они могут быть открытыми, с двумя приблизительно противоположными полюсами опускания вещества и с зоной подъема, расположенной примерно между ними. Здесь образуется глобальная зона растяжения с цепочкой срединно-океанических хребтов, а континенты собираются двумя группами.
Такая картина наблюдается в современную эпоху, Одну группу континентов образуют Африка, Евразия и Австралия, а другую — Северная и Южная Америка и Антарктида. Они разделяются глобальной системой срединно-океанических хребтов. Само по себе представление о существовании конвективных ячеек в мантии современной Земли не является единственно правильным и возможным. Оно встречает множество возражений, и вокруг этой проблемы до сих пор ведутся дискуссии,
Сепарация вещества в недрах Земли протекает довольно медленно, но за длительную историю мантийный материал множество раз совершал полный кругооборот, Отзвуком грандиозных явлений и событий, происходящих на глубинах, являются бурная вулканическая деятельность, сильнейшие землетрясения. За счет глубинных процессов движутся литосферные плиты, образуются горные массивы, меняется уровень Мирового океана, происходят и другие грандиозные геологические явления.
Ответ на второй вопрос, происходит ли перемешивание легких и тяжелых веществ в глубинах Земли, будет положительным, поскольку в противном случае наша планета оставалась бы безжизненной, не происходили бы никакие внутренние процессы — вулканизм, землетрясения и др.
Во время расчетов гравитационной дифференциации учитывается, что мантийное вещество ведет себя как твердое тело, но только в том случае, когда оно испытывает кратковременную и быстро меняющуюся нагрузку. При длительной постоянной нагрузке мантия приобретает свойства пластичности и текучести, как это, например, бывает со льдами. Мантия Земли действует как гигантский гравитационный сепаратор (отделитель). С ее помощью доставляются к границе ядро — мантия все новые и новые порции вещества. Опускаясь сверху, более тяжелые из них (например, железо) остаются на этой границе, а более легкие восходящими горячими потоками как бы всплывают и возвращаются в верхние слои Земли — в литосферу.
Гравитационная дифференциация увеличивает концентрацию массы по мере движения к центру Земли, но при этом потенциальная энергия всей Земли уменьшается. В результате такого процесса освобождается огромный объем энергии. Это самый мощный источник выделения энергии внутри Земли. С момента своего зарождения до настоящего времени этот энергетический источник дал 1,61 * 1032 Дж.
Теоретические расчеты показали, что масса ядра сначала возрастала медленно, но с течением времени скорость увеличивалась и, наконец, согласно расчетам советских ученых А. С. Монина и О. Г. Сорохтина, достигла максимума 1,4 млрд. лет назад во время готской тектономагматической эпохи. С этого времени рост ядра стал замедляться. Предполагается, что через 1,5 млрд. лет масса ядра достигнет 99% максимально возможного размера.
Другим энергетическим источником внутри Земли является радиоактивность. При распаде радиоактивных элементов выделяется огромное количество тепла масштабы которого оценить весьма трудно. А. С. Монин, учитывая гравитационную дифференциацию и долгоживущие радиоактивные изотопы, оценивает суммарное тепловыделение внутри Земли за период 4,6 млрд. лет величиной 2,5*1032 Дж. Часть этого тепла излучается в космос (около 1022 Дж). Эта величина выведена условно исходя из подсчета мощности геотермического потока. За все время существования Земля излучила в пространство 0,45*1032 Дж.
Возникновение Земной коры
Земная кора существенно различается под океанами и на континентах. На протяжении длительной истории Земли действовали два противоположных механизма: процессы размыва, эрозии вещества и процессы накопления. Ежегодно реки выносят в океаны около 18,5 млрд. т твердого вещества в виде взвеси и около 3,2 млрд. т в растворенном состоянии, ледники и ветер — соответственно 1,5 и 1,6 млрд. т. Немалая роль в образовании осадков принадлежит и организмам. Оценивая общее количество осадочного материала, снесенного с континентов в океаны, за все время существования Земли, мы получим огромную величину. Оказывается, за 4 млрд. лет в водных бассейнах должны были накопиться осадочные породы общей массой 10,8 * 108 трлн. т и тогда осадочный слой земной коры имел бы среднюю толщину 120 км. Однако современная земная кора, состоящая из осадочных, метаморфических и изверженных пород, имеет среднюю толщину 30—33 км, а масса осадочных пород составляет порядка 4,7*107 трлн. т. Если расчеты верны, а они проведены многими советскими и зарубежными учеными, то очевидно, что значительная часть осадочных пород в процессе эволюции Земли куда-то исчезает. Следовательно, действуют какие-то эффективные механизмы их превращения не только в метаморфические, но и в изверженные породы. Часть осадочных пород, по-видимому, уходит из земной коры в недра планеты в местах столкновения литосферных плит, которые подробно рассматриваются ниже.
В местах раздвижения литосферных плит, в океанических рифтовых зонах, образуются зияющие трещины разрыва, заполняемые застывшими кристаллическими веществами, поднимающимися из астеносферы. Это базальтовая магма, из которой формируется одноименный слой океанической коры. Верхняя его часть состоит из застывших под водой подушечных лав. Они по внешнему виду напоминают застывших в причудливой форме огромных китов, а иногда слоновьи хоботы. Нижняя часть базальтового слоя представляет собой тесно прижатые друг к другу дайки мелкокристаллических базальтов. Каждая такая дайка когда-то служила подводящим каналом, благодаря которому на океаническое дно изливались лавы. Общая мощность базальтового слоя составляет 2 км. Ниже располагается слой изверженных пород, габбро и серпентинитов. Породы океанической коры насыщены водой. Так, например, в серпентинитах содержится до 10% связанной воды. Процесс гидратации сопровождается выносом из породы кремнезема, кальция, магния, сульфидов железа и некоторых рудных элементов и одновременным привносом калия, натрия и других элементов.
Континентальная кора, согласно концепции тектоники литосферных плит, формируется главным образом в зонах сдвига литосферных плит за счет переработки самой океанической коры и находящихся на ней осадочных образований. Не только интенсивность магматизма в зонах сдвига в десятки раз выше, чем в областях раздвижения, но и сам состав изверженных пород здесь существенно иной. Основная роль принадлежит средним и кислым породам — диоритам, гранодиоритам, а в местах надвига островных дуг на окраины континентов — гранитоидам.
Происходящие в зонах сдвига плит (некоторые ученые, признавая раздвижение плит как спрединг, скептически относятся к существованию сдвига) процессы дегидратации и частичного плавления океанической коры развиваются по очень сложным и многоступенчатым схемам.
Литература
1. Аугуста И., Буриан З. Пути развития жизни. – Прага, 1959
2. Вологдин А.Г. Земля и жизнь. – М., 1996
3. Гаврилов В.П. Путешествие в прошлое Земли. – М., 1976
4. Кэлдер Н. Беспокойная Земля. – М., 1995
5. Немков Г.И. Историческая геология с элементами палеонтологии. – М., 2002
www.ronl.ru
Происхождение Земли. Эволюция недр
Давайте представим невероятное. Например, что бы мы увидели, если земной шар расколоть пополам? Нашему взору представилось бы тело, состоящее из нескольких концентрических оболочек, как бы вложенных одна в другую. Наиболее отчетливо выделились бы три геосферы: литосфера, мантия и ядро.
Идея о сферическом строении нашей планеты была высказана профессором Геттингенского университета Э. Вихертом в конце XIX в. В начале XX в. выдающийся австрийский геолог Э. Зюсс предложил выделять пять оболочек Земли, каждой из которых было дано название, исходя из главенствующих в ней элементов. Так были выделены сиаль (Si+Al), сима (Si + Mg), хрофесима (Сї+Si+Mg), нифесима (Ni+Fe+Si + Mg) и нифе (Ni+Fe).
В дальнейшем идея о внутреннем строении Земли получила научное обоснование. Глубокие скважины и шахты дают возможность геологам изучить лишь самую верхнюю, тончайшую часть литосферы. Долгое время рекордной считалась глубина, которой достигла скважина в штате Оклахома (США), — 9583 м. В настоящее время осуществляется программа изучения недр страны с помощью бурения сверхглубоких скважин.
Гораздо меньшую глубину имеют шахты. Максимальная глубина шахты в Южной Африке 3428 м. Если сравнить эти величины с средним радиусом Земли, то окажется, что даже самая глубокая скважина проникла в тело Земли точно так же, как булавочный укол в толстую кожу бегемота.
Но каким же образом геологи строят свои предположения о внутреннем строении Земли? Оказывается — благодаря применению специальных геофизических приборов и методов. Одним из главных является сейсмический метод. Суть его заключается в следующем. На поверхности земли искусственно (с помощью взрывов) создаются упругие колебания, которые распространяются вглубь Земли. Чем плотнее среда, тем выше скорость; в жидкостях эти упругие колебания почти не распространяются. Проходя границу раздела двух сред с различной плотностью, сейсмические волны частично отражаются и возвращаются обратно на земную поверхность, где улавливаются специальными чувствительными приборами. По возвратившимся на земную поверхность колебаниям можно восстановить глубину залегания разделяющей поверхности и даже установить физическую природу среды.
О строении самой верхней части литосферы — земной коры — мы говорили выше. Напомним, что континентальная кора состоит из трех слоев: осадочного, гранитно-метаморфического и базальтового. В океанической коре полностью отсутствует гранитно-метаморфический слой, а мощность базальтового в несколько раз меньше, чем под континентами.
Земная кора отделяется от нижележащего слоя поверхностью с существенно различной скоростью распространения упругих волн. На больших глубинах базальты могут находиться в расплавленном состоянии. Этот ослабленный слой, близкий к плавлению или даже со держащий расплавы легкоплавких пород и залегающий под литосферой, носит название астеносферы. Благодаря пластичности астеносферы, лежащие выше ее твердые блоки (плиты) коры могут скользить по ней. Ее существование было обнаружено Б. Гутенбергом по уменьшению скоростей распространения упругих волн. Поэтому нередко астеносферу называют слоем Гутенберга. Под континентами астеносфера располагается на глубине 120—250 км, а под океанами — на глубине 30-60 км. Однако под осями срединно-океанических xpебтов она нередко подходит близко к поверхности дна.
Залегающий под астеносферой слой распространяется до глубин около 400 км. При переходе этой границы скорость сейсмических волн резко возрастает. Этот слой вместе с астеносферой и частично литосферой, расположенной под земной корой, называется верхней мантией Как предполагают ученые, она состоит из плотных темных пород — возможно, перидотитов, дунитов и эклогитов.
Средняя мантия, или слой Голицына, простирается до глубин 1000 км. В этом слое примерно на отметке 700 км наблюдается еще одно возрастание скорости распространения сейсмических волн. Это явление даже связывается с дальнейшим уплотнением вещества. На нижней границе слоя Голицына скорости распространения сейсмических волн замедляются.
Нижняя мантия залегает до глубины 2920 км. Далее располагается земное ядро.
Внешняя его часть, до отметки 4980 км, занимает 15,16% объема и 29,8% массы всей Земли. Она хорошо пропускает продольные волны, но поперечные сейсмические волны через нее не проходят. На этом основании предполагается, что данный слой находится в расплавленно-жидком состоянии. Косвенным подтверждением является наличие приливных колебаний внутри Земли. Существуют колебания Земли относительно оси ее вращения с периодом около 1,2 года.
Внутреннее ядро имеет радиус 1250 км, около 0,7% объема и 1,2% массы всей Земли. Продольные сейсмические волны проходят сквозь ядро со скоростями 11,1—11,4 км/с. Однако факты прохождения поперечных волн свидетельствуют о том, что внутренняя часть ядра является твердым телом, по-видимому, близким к расплавленному состоянию.
Таким образом, Земля представляет собой сложную систему. Это вращающийся вокруг своей оси и вокруг Солнца толстостенный шар с внутренней полостью, заполненный жидкостью, в которой находится небольшое шарообразное твердое ядро. Оно удерживается в центре системы силами тяготения.
Насколько верны представления о составе пород, основанные на скоростях прохождения сейсмических волн? Но, для того чтобы проверить это, необходимо полностью пробурить земную кору. Ведь есть на Земле места, где граница Мохоровичича располагается на глубине 5—10 км. Достичь этих глубин для современной буровой техники не проблема.
Достичь загадочной мантии. Такую сложную задачу поставили перед собой геологи. Однако сначала решили проникнуть в базальтовый слой. Было принято считать, что он залегает довольно близко от поверхности не только в океанах, но и в некоторых частях континентов. Остановились на Кольском полуострове, где и была заложена первая в мире сверхглубокая скважина.
Кольская сверхглубокая скважина даже внешне производит неизгладимое впечатление. Огромное надскважинное сооружение напоминает собой высокое заводское здание. Действительно, это целый завод, в котором сосредоточены устройства для подъема и опускания многокилометровых труб, сделанных из специальной стали. Процесс бурения и смена бурового инструмента осуществляются с помощью электроники. Скважина достигла больших глубин, и уже само по себе это большое техническое достижение.
Результаты бурения оказались довольно неожиданными. Там, где, по геофизическим данным, предполагалось наличие базальтового слоя исходя из резкого изменения скоростей прохождения волн, скважина пересекла светлые архейские гнейсы. Это сильно измененные, или метаморфизованные, горные породы осадочного или вулканического происхождения с высоким содержанием кремнезема и, что очень важно, одна из главных составных частей гранитного слоя. Скважина углубилась за отметку 12 км, но базальтов здесь не оказалось. Неужели это новый геологический парадокс? Пропали базальты, залегающие под гранитно-метаморфическим слоем, хорошо зафиксированные по скоростям прохождения сейсмических волн. Исчез опорный слой, по которому строили свои выводы геофизики. Что же тогда все предположения геологов и геофизиков о строении глубоких частей земной коры оказались неверны ми? Нет, это не так. Сверхглубокое бурение еще раз показало, насколько сложны природные процессы и кап не просто построены глубокие части нашей планеты. В данном случае резкое изменение скоростей волн связано не с переходом от «гранитного» слоя к «базальтовому», а с имеющим место на больших глубинах разуплотнением пород за счет образования трещин при высвобождении воды из кристаллических решеток минералов под воздействием высоких давлений и температур.
Результаты бурения заставляют осторожно относиться к геологической интерпретации данных, получаемых при геофизических исследованиях. Сейчас надо учитывать, что повышенные скорости распространения сейсмических волн на глубине могут быть вызваны разными причинами. Здесь играют роль не только увеличение плотности пород, но и существующие длительное время на больших глубинах всякого рода тектонические нарушения. В районе расположения скважины на плотность пород повлияло наличие крупной пологой трещиноватости. При движении по ее плоскости масса горных пород сильно уплотнилась, а это отразилось на скорости распространения сейсмических волн.
Результаты бурения опровергли укоренившееся мнение о распределении температур в глубинах Земли. Ранее предполагалось, что в пределах Балтийского щита и подобных ему регионов увеличение температур с глубиной незначительное. Ожидалось, что на отметке около 7 км температура достигнет 50°С, а на глубине около 10 км — 100°С. В действительности температура оказалась значительно выше. До глубин 3 км температура увеличивалась на 1°С через каждые 100 м, что соответствовало расчетам. Но затем ее прирост достиг 2,5°С на каждые 100 м, и, таким образом, на глубине 10 км температура оказалась равной 180°С. Предполагается, что столь высокая температура обязана интенсивному тепловому потоку, идущему от разогретой мантии.
На глубинах 6,5—9,5 км выявлены зоны низкотемпературного гидротермального оруденения (медные, свинцовые, цинковые и никелевые), которые ранее считались близповерхностными образованиями. В процессе бурения Кольской сверхглубокой скважины обнаружены газы и сильно минерализованные воды, насыщенные бромом, йодом и тяжелыми металлами. Газы представлены гелием, водородом, азотом и метаном. Воды и газы циркулируются в мощных зонах тектонических нарушений. Полученные сведения дают основания полагать, что процессы рудообразования, в которых участвуют газы и минерализованные воды, на больших глубинах продолжаются.
Чтобы изучить глубинное строение Земли надо проводить геологические исследования в комплексе с бурением сверхглубоких скважин и разнообразными геофизическими наблюдениями.
Рождение земли
Мысль о возможных причинах возникновения нашей планеты волновала философов еще в глубокой древности. Хотя первые представления основывались на непосредственных наблюдениях над природой, но в них главенствующую роль занимали фантастические вымыслы. Тем не менее возникали идеи, которые и сегодня поражают нас близостью с нашими представлениями о происхождении Земли.
После тяжелой поры средневековой эпохи господства богословия произошло возрождение науки и техники. Труды Леонардо да Винчи, Николая Коперника, Джордано Бруно, Галилео Галилея подготовили почву для появления прогрессивных космогонических идей. Они в разное время были высказаны Р. Декартом, И. Ньютоном, И. Кантом и П. Лапласом.
С момента появления космогонической теории И. Канта и П. Лапласа происхождение Солнечной системы долгое время остается предметом непрекращающихся дискуссий. Длительное время господствовала гипотеза о конденсации планет из раскаленных сгустков солнечных газов. Сейчас установлено, что вначале ничего не было. Пространство, время и вещество в нашей Вселенной возникли около 15 млрд. лет назад в результате Большого Взрыва. По мере расширения и остывания Вселенной вещество начало разрежаться, затем из гигантских туманностей стали образовываться звезды и галактики. Наша планетная система появилась из холодного газопылевого облака, которое в далеком прошлом существовало вокруг Солнца. Атомы вещества, из которых состоят Солнце и планеты, возникли при взрыве сверхновых звезд, а эти взрывы происходили в нашей Галактике на протяжении по крайней мере 10 млрд. лет. Большую ценность для научной разработки гипотез о происхождении нашей планеты имеют метеориты — пришельцы из далекого космоса. Изучая каменные и железные метеориты, ученые получают неоценимую информацию, которую широко используют в космогонических представлениях. В настоящее время к этим данным добавились сведения о химическом составе пород Луны, атмосферы и пород Марса и Венеры. Оказалось, что химический состав метеоритов близок к среднему земному, а их возраст, так же как и возраст пород Луны, определяется 4—5 млрд. лет.
По крупицам, по отдельным разрозненным фактам складывалась научная основа современных космогонических гипотез. Огромная роль в обосновании современной гипотезы происхождения Земли и Солнечной системы принадлежит советскому ученому академику О.Ю. Шмидту.
--PAGE_BREAK--Исходным веществом для образования Солнечной системы послужило газопылевое облако. Оно находилось в холодном дисперсном состоянии и содержало в основном летучие компоненты: водород, гелий, азот, кислород, метан, углерод и т. д. Первичное планетное вещество было однородным, и его температура была низкой.
Вследствие сил тяготения межзвездные облака начинали сжиматься. Вещество уплотнялось до стадии звезд, одновременно возросла его внутренняя температура. Движение атомов внутри облака ускорялось, и, сталкиваясь друг с другом, атомы иногда объединялись. Возникали термоядерные реакции, в процессе которых водород превращался в гелий, при этом выделялось огромное количество энергии.
В страшном реве и взрывах, сопровождавших термоядерные реакции, в неукротимом буйстве стихий родилось древнее Солнце — Протосолнце. Его рождение — это вспышка сверхновой звезды, при которой излучается гигантская энергия. Из протопланетного облака в дальнейшем возникли планеты, кометы, астероиды и другие космические тела нашей Солнечной системы. Рождение Протосолнца и протопланетного облака, имевших довольно высокую температуру, произошло около 6 млрд. лет назад.
В течение нескольких сот миллионов лет протопланетное облако остывало. Из горячего парообразного облака конденсировались тугоплавкие элементы — вольфрам, титан, гафний, ниобий, молибден, платина и др. Появились пылевидные твердые частицы, и ранее раскаленное облако вновь стало относительно холодным.
Приблизительно 5,5 млрд. лет назад из холодного планетного вещества возникли первые планеты, в той числе и первичная Земля. В это время она была космическим телом, но еще не стала планетой, у нее не существовало ядра и мантии, и даже твердых поверхностных участков. Протоземля представляла собой холодное скопление космического вещества. Под влиянием гравитационного уплотнения, нагревания от беспрерывных ударов космических тел (комет и метеоритов) и выделении тепла радиоактивными элементами поверхность Протеземли стала нагреваться. О величине разогрева среди ученых нет единого мнения. По мнению ученого В. Г. Фесенкова, вещество Протоземли нагревалось до 10000°С и вследствие этого перешло в расплавлении состояние. По предположению других ученых, температура едва достигала 1000°С (а некоторые даже отрицают возможность расплавления вещества).
Дифференциация вещества Протоземли привела к концентрации тяжелых элементов во внутренних ее областях, а на поверхности — более легких. Это, в свою очередь, предопределило дальнейшее разделение на ядро и мантию.
Земля не имела атмосферы сразу после образования, Это объясняется тем, что газы из протопланетного облака были потеряны на первых стадиях образования, поскольку тогда еще масса Земли не могла удержать легкие газы вблизи своей поверхности.
Образование ядра и мантии, а в дальнейшем и атмосферы завершило первую стадию развития Земли — догеологическую или астрономическую. Земля стала твердой планетой. С этого момента и начинается ее длительная геологическая эволюция.
Итак, 4—5 млрд. лет назад на земной поверхности господствовали солнечный ветер, жаркие лучи Солнца и космический холод. Поверхность беспрерывно подвергалась бомбардировке космическими телами — от пылинок до астероидов. В недрах планеты протекали бурные термоядерные и химические реакции. Энергия выделялась главным образом за счет радиоактивного распада, гравитационной дифференциации и различных фазовых переходов вещества, протекавших при высоких давлениях.
Гравитационная дифференциация
Главной движущей силой расслоения земного вещества и выделения тепла, кроме радиоактивного распада, была гравитационная дифференциация. При этом вещества, обладающие большой плотностью и массой, опускались на глубину, а более легкие как бы всплывали на поверхность. В результате этого возникли оболочки, т. е. начиналось расслоение земного шара.
В течение длительного времени внутри Земли скопилось колоссальное количество тепла, что вызвало частичное расплавление недр. Во внутренних частях Земли концентрировались тяжелые элементы и соединения, а на периферии скапливались сравнительно легкие. Это в конечном итоге привело к разделению земных недр на ядро и мантию. Ядро Земли в основном состоит из железа и никеля, а в мантии преобладают силикаты. В нижней мантии вещество в настоящее время находится в особом, плотном кристаллическом состоянии и имеет очень высокую температуру плавления.
Каким же образом осуществляется дальнейшее перемешивание легких и тяжелых веществ при их гравитационной дифференциации? И, вообще, происходит ли оно в настоящее время?
Под действием тепла происходит перемещение вещества и в мантии развиваются медленные конвективные течения. В различных слоях вещества образуются определенные ячейки. В одних частях ячеек осуществляется подъем вещества, а в других — опускание.
Самой простой является конвективная ячейка, охватывающая всю мантию с одним центром подъема вещества из мантии и с одним центром опускания. В этом случае движение литосферной плиты по горизонтали происходит от места подъема горячего вещества к месту его опускания. С течением времени континентальные литосферные блоки должны объединяться друг с другом вокруг места опускания. В таком случае вокруг центра подъема горячего мантийного вещества должна располагаться океаническая литосфера. В результате действия одноячеистой конвекции в конце палеозойской эры образовалась Пангея — гигантский материк.
Более сложная ситуация обусловливается парой конвективных ячеек. Они могут быть открытыми, с двумя приблизительно противоположными полюсами опускания вещества и с зоной подъема, расположенной примерно между ними. Здесь образуется глобальная зона растяжения с цепочкой срединно-океанических хребтов, а континенты собираются двумя группами.
Такая картина наблюдается в современную эпоху, Одну группу континентов образуют Африка, Евразия и Австралия, а другую — Северная и Южная Америка и Антарктида. Они разделяются глобальной системой срединно-океанических хребтов. Само по себе представление о существовании конвективных ячеек в мантии современной Земли не является единственно правильным и возможным. Оно встречает множество возражений, и вокруг этой проблемы до сих пор ведутся дискуссии,
Сепарация вещества в недрах Земли протекает довольно медленно, но за длительную историю мантийный материал множество раз совершал полный кругооборот, Отзвуком грандиозных явлений и событий, происходящих на глубинах, являются бурная вулканическая деятельность, сильнейшие землетрясения. За счет глубинных процессов движутся литосферные плиты, образуются горные массивы, меняется уровень Мирового океана, происходят и другие грандиозные геологические явления.
Ответ на второй вопрос, происходит ли перемешивание легких и тяжелых веществ в глубинах Земли, будет положительным, поскольку в противном случае наша планета оставалась бы безжизненной, не происходили бы никакие внутренние процессы — вулканизм, землетрясения и др.
Во время расчетов гравитационной дифференциации учитывается, что мантийное вещество ведет себя как твердое тело, но только в том случае, когда оно испытывает кратковременную и быстро меняющуюся нагрузку. При длительной постоянной нагрузке мантия приобретает свойства пластичности и текучести, как это, например, бывает со льдами. Мантия Земли действует как гигантский гравитационный сепаратор (отделитель). С ее помощью доставляются к границе ядро — мантия все новые и новые порции вещества. Опускаясь сверху, более тяжелые из них (например, железо) остаются на этой границе, а более легкие восходящими горячими потоками как бы всплывают и возвращаются в верхние слои Земли — в литосферу.
Гравитационная дифференциация увеличивает концентрацию массы по мере движения к центру Земли, но при этом потенциальная энергия всей Земли уменьшается. В результате такого процесса освобождается огромный объем энергии. Это самый мощный источник выделения энергии внутри Земли. С момента своего зарождения до настоящего времени этот энергетический источник дал 1,61 * 1032 Дж.
Теоретические расчеты показали, что масса ядра сначала возрастала медленно, но с течением времени скорость увеличивалась и, наконец, согласно расчетам советских ученых А. С. Монина и О. Г. Сорохтина, достигла максимума 1,4 млрд. лет назад во время готской тектономагматической эпохи. С этого времени рост ядра стал замедляться. Предполагается, что через 1,5 млрд. лет масса ядра достигнет 99% максимально возможного размера.
Другим энергетическим источником внутри Земли является радиоактивность. При распаде радиоактивных элементов выделяется огромное количество тепла масштабы которого оценить весьма трудно. А. С. Монин, учитывая гравитационную дифференциацию и долгоживущие радиоактивные изотопы, оценивает суммарное тепловыделение внутри Земли за период 4,6 млрд. лет величиной 2,5*1032 Дж. Часть этого тепла излучается в космос (около 1022 Дж). Эта величина выведена условно исходя из подсчета мощности геотермического потока. За все время существования Земля излучила в пространство 0,45*1032 Дж.
Возникновение Земной коры
Земная кора существенно различается под океанами и на континентах. На протяжении длительной истории Земли действовали два противоположных механизма: процессы размыва, эрозии вещества и процессы накопления. Ежегодно реки выносят в океаны около 18,5 млрд. т твердого вещества в виде взвеси и около 3,2 млрд. т в растворенном состоянии, ледники и ветер — соответственно 1,5 и 1,6 млрд. т. Немалая роль в образовании осадков принадлежит и организмам. Оценивая общее количество осадочного материала, снесенного с континентов в океаны, за все время существования Земли, мы получим огромную величину. Оказывается, за 4 млрд. лет в водных бассейнах должны были накопиться осадочные породы общей массой 10,8 * 108 трлн. т и тогда осадочный слой земной коры имел бы среднюю толщину 120 км. Однако современная земная кора, состоящая из осадочных, метаморфических и изверженных пород, имеет среднюю толщину 30—33 км, а масса осадочных пород составляет порядка 4,7*107 трлн. т. Если расчеты верны, а они проведены многими советскими и зарубежными учеными, то очевидно, что значительная часть осадочных пород в процессе эволюции Земли куда-то исчезает. Следовательно, действуют какие-то эффективные механизмы их превращения не только в метаморфические, но и в изверженные породы. Часть осадочных пород, по-видимому, уходит из земной коры в недра планеты в местах столкновения литосферных плит, которые подробно рассматриваются ниже.
В местах раздвижения литосферных плит, в океанических рифтовых зонах, образуются зияющие трещины разрыва, заполняемые застывшими кристаллическими веществами, поднимающимися из астеносферы. Это базальтовая магма, из которой формируется одноименный слой океанической коры. Верхняя его часть состоит из застывших под водой подушечных лав. Они по внешнему виду напоминают застывших в причудливой форме огромных китов, а иногда слоновьи хоботы. Нижняя часть базальтового слоя представляет собой тесно прижатые друг к другу дайки мелкокристаллических базальтов. Каждая такая дайка когда-то служила подводящим каналом, благодаря которому на океаническое дно изливались лавы. Общая мощность базальтового слоя составляет 2 км. Ниже располагается слой изверженных пород, габбро и серпентинитов. Породы океанической коры насыщены водой. Так, например, в серпентинитах содержится до 10% связанной воды. Процесс гидратации сопровождается выносом из породы кремнезема, кальция, магния, сульфидов железа и некоторых рудных элементов и одновременным привносом калия, натрия и других элементов.
Континентальная кора, согласно концепции тектоники литосферных плит, формируется главным образом в зонах сдвига литосферных плит за счет переработки самой океанической коры и находящихся на ней осадочных образований. Не только интенсивность магматизма в зонах сдвига в десятки раз выше, чем в областях раздвижения, но и сам состав изверженных пород здесь существенно иной. Основная роль принадлежит средним и кислым породам — диоритам, гранодиоритам, а в местах надвига островных дуг на окраины континентов — гранитоидам.
Происходящие в зонах сдвига плит (некоторые ученые, признавая раздвижение плит как спрединг, скептически относятся к существованию сдвига) процессы дегидратации и частичного плавления океанической коры развиваются по очень сложным и многоступенчатым схемам.
Литература
1. Аугуста И., Буриан З. Пути развития жизни. – Прага, 1959
2. Вологдин А.Г. Земля и жизнь. – М., 1996
3. Гаврилов В.П. Путешествие в прошлое Земли. – М., 1976
4. Кэлдер Н. Беспокойная Земля. – М., 1995
5. Немков Г.И. Историческая геология с элементами палеонтологии. – М., 2002
www.ronl.ru
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Естествознание»
по теме:
«Происхождение Земли и планет»
Оглавление
Введение
1. Земля в космическом пространстве
2. Формирование Земли и особенности ее строения
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Образование Солнца и планет является одним из фундаментальных вопросов естествознания. На протяжении многих веков вопрос о происхождении Земли оставался монополией философов, так как фактический материал в этой области почти полностью отсутствовал. Джордано Бруно в ХVI веке был первым, высказавшим мысль о том, что многие звезды, как и Солнце, окружены планетами и эти системы то возникают, то умирают. Первые научные гипотезы относительно происхождения Земли и солнечной системы, основанные на астрономических наблюдениях, были выдвинуты только лишь в XVIII веке. С тех пор не переставали появляться все новые и новые теории, соответственно росту космогонических представлений.
Вторая половина ХХ в. ознаменовалась бесспорными достижениями в изучении не только Земли, но и всех планет Солнечной системы. Решающими факторами были успехи в технике и технологиях. Человечество впервые за свою историю сумело взглянуть на Землю со стороны, побывать на Луне, получить детальные изображения всех планет, сфотографировать астероиды, изучить метеориты и обосновать их принадлежность к некоторым планетам, например, к Марсу. Благодаря изобретению эхолота и спутниковых наблюдений исследователи составили полное представление о рельефе океанского дна.
Глубокое бурение на суше и глубоководное в океанах и морях позволило составить представление о строении осадочных океанских толщ и пройти на Балтийском щите поверхность Конрада. Погружение в глубины океанов и озер, в частности, Байкала, привело к открытию века – обнаружению «работающих фабрик» руды, т.н. черных курильщиков. Палеомагнитология дала нам возможность реконструировать движение материковых плит и доказать разрастание океанического дна. Детальное изучение осадочного чехла океанов привело к совершенно новому представлению об осадконакоплении, особенно биогенному. Изобретение микрозондов и других приборов для точной диагностики минералов и их химического и изотопного составов открыло невиданные возможности в петрологии.
Новые сейсмические методы МОВ ОГТ (метод отраженных волн общей глубинной точки), НСП (непрерывное сейсмическое профилирование, ГСЗ (глубинное сейсмическое зондирование) позволили с большей детальностью изучить многие регионы Мира, особенно структуру верхней части земной коры и, в целом, всю кору. Были открыты многочисленные метеоритные кратеры, проведены эксперименты при высоких температурах и давлениях, что позволило лучше понимать фазовые переходы минералов в глубинах Земли. Усовершенствование техники, применение аэро- и космических фотоснимков, изобретение компьютеров, дало в руки геологов мощный механизм для качественного и быстрого составления геологических и других карт. На земном шаре уже нет белых пятен.
Наконец, в 60-х годах ХХ в. была создана новая научная парадигма – теория тектоники литосферных плит, первая глобальная геологическая теория, позволившая не только объяснить современные геологические процессы, но и обладающая предсказательной функцией. Создание суперкомпьютеров привело к возникновению томографической сейсмологии, с помощью которой мы впервые стали понимать, как сложно построена мантия Земли, научившись выделять в ней области с пониженными и повышенными скоростями сейсмических волн по сравнению со стандартными моделями Земли. Благодаря применению всех новых методов и технологий были открыты сотни крупнейших месторождений полезных ископаемых, особенно нефти и газа – основы современной промышленности. Огромных успехов достигла и теоретическая геология, начиная от гипотез образования Земли и планет и, кончая, историей эволюции Земли и органического мира.
Рассмотрим, в общих чертах, основные достижения геологической науки в формировании картины мира и выявлении общих закономерностей его развития.
1. Земля в космическом пространстве
Наша Земля — одна из девяти планет Солнечной системы, а Солнце это рядовая звезда — желтый карлик, находящаяся в Галактике Млечного Пути, одной из сотен миллионов Галактик в наблюдаемой части Вселенной. Несмотря на то, что непосредственным объектом изучения геологии является планета Земля, для нашей планеты справедливы те же химические и физические законы, которые действуют и на других планетах. Планеты, звезды, галактики находятся в определенном взаимодействии, начиная с момента их появления во Вселенной. Поэтому наша планета представляет собой лишь частицу космического пространства и рассказывая о ее возникновении, необходимо упомянуть о том, каким образом возникла и эволюционировала Вселенная.
Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем, содержит лишь 1/9 вещества, из которого, согласно расчетам, должна быть образована масса Вселенной. Следовательно, от нас скрыто 9/9 массы ее вещества. В наблюдаемой форме Вселенная возникла около 18 — 20 млрд. лет назад. До этого времени все ее вещество находилось в условиях бесконечно больших температур и плотностей, которые современная физика не в состоянии описать. Такое состояние вещества называется «сингулярным». Теорию расширяющейся Вселенной или «Большого Взрыва» (англ. «Big Bang»), впервые была создана А.А. Фридманом в России в 1922 г.
С какого-то момента, отстоящего от нас на 20 млрд. лет вещество, находящееся в сингулярном состоянии, подверглось внезапному расширению, которое можно описать как взрыв. Вопрос «А что же было до Большого Взрыва», по мнению известного английского физика С. Хогинса, носит метафизический характер, т.к. это состояние никак впоследствии не отразилось на нынешней Вселенной.
Современная теоретическая физика достоверно описывает процессы «Большого Взрыва», но только после 1/100 секунды с момента его начала. Так, температура в 1032 К была достигнута через 10-43 сек, 1010 К – через 1 сек., 109 К — через 1 минуту, 104 К — через 100 тыс. лет, а 103 К — через 1 миллион лет. Расширяющееся вещество становилось менее плотным и менее горячим. Теорию не только первоначально очень плотной, но и очень горячей Вселенной в конце 40-х годов развивал знаменитый физик Георгий Гамов.
Первичный нуклеосинтез стал возможен уже через несколько минут после начала Большого Взрыва, а через 1 млн. лет и формирование атомов. С момента начала Большого Взрыва вещество Вселенной непрерывно расширяется и все объекты в ней и галактики. Галактики и звезды равноудаляются друг от друга. Это расширение «всех от всех» в настоящее время хорошо подтверждается рядом экспериментальных фактов.
Наблюдаемый химический состав Вселенной составляет по массе 3/4 водорода и 1/4 гелия. Все остальные элементы не превышают в составе Вселенной даже 1%. В такой пропорции 3:1 Н и Не образовались в самые первые минуты Большого Взрыва, а, кроме того, образовались и легкие элементы: литий, дейтерий, тритий, но в ничтожном количестве. Тяжелые элементы образовались во Вселенной гораздо позже, когда в результате термоядерных реакций «зажглись» звезды, а при взрывах сверхновых звезд они оказались выброшены в космическое пространство.
Что может ожидать Вселенную в будущем? Современное значение средней плотности Вселенной равно 10 -29 г/см3, что составляет 10-5 атомных единиц массы в 1 см3. Чтобы представить такую плотность надо 1 г вещества распределить по кубу со стороной 40000 км! Если средняя плотность будет равна или несколько ниже критической плотности, Вселенная будет только расширяться, а если средняя плотность будет выше критической, то расширение Вселенной со временем прекратиться и она начнет сжиматься, возвращаясь к сингулярному состоянию.
Спустя примерно 1 млрд. лет после начала Большого Взрыва, в результате сжатия огромных газовых облаков или их протяженных газовых фрагментов, стали формироваться звезды и галактики, скопления миллионов звезд. Образование звезд теоретически рассчитано вполне достоверно. Любая звезда формируется в результате коллапса космического облака газа и пыли. Когда сжатие в центре структуры приведет к очень высоким температурам, в центре «сгустка» начинаются ядерные реакции, т.е. превращение Н в Не с выделением огромной энергии, в результате излучения которой звезда и светится.
Обнаруженные в наши дни слабые вариации реликтового излучения в пространстве, равные 0,001 % от средней величины, свидетельствуют о неравномерной плотности вещества во Вселенной. Вероятно, что это первичное различие в плотности и послужило как бы «затравкой» для возникновения в будущем скоплений галактик и галактик. Там, где плотность была выше средней, силы гравитации были больше, а, следовательно, уплотнение происходило сильнее и быстрее относительно соседних участков, от которых вещество перемещалось в сторону более плотных сгущений. Так начиналось формирование галактик. Только 200 лет назад В. Гершель открыл межзвездные облака, а до этого все пространство между звездами считалось эталоном пустоты. В 1975 г. были обнаружены гигантские молекулярные облака (ГМО), масса которых в миллионы раз больше Солнечной массы.
Галактика Млечного Пути (ГМП) – одна из 100 000 миллионов галактик в наблюдаемой части Вселенной, обладает формой уплощенного диска, с диаметром около 100000 свет. лет и толщиной в 20000 свет. лет. В разрезе в центре наблюдается утолщение (балдж), которое состоит из старых звезд и ядро, скрытое облаками плотного газа. Не исключено, что в центре ГМП существует «черная дыра», как в ядрах других спиральных галактик. Интересно, что ГМП окружена темным облаком ненаблюдаемого вещества, масса которого в 10 или более раз превышает массу всех звезд и газа в ГМП. Молодые звезды в осевой части диска окружены огромной сферической областью – гало, в которой находятся старые звезды.
Солнце, представляющее собой небольшую звезду среднего возраста типа желтого карлика, располагается в 3/5 от центра галактики в пределах главного диска. То, что оно принадлежит ГМП, было установлено всего лишь 65 лет назад шведом Б. Линдбладом и голландцем Я. Оортом. С Земли, как одной из 9 планет, вращающихся вокруг Солнца, мы видим звезды Млечного пути в виде арки, пересекающей небосвод, т.к. мы смотрим на край ГМП из ее срединной области. В 1610 г. Галилей насчитал в Млечном Пути всего 6000 звезд. Ближайшая к нам звезда, не считая Солнца, Альфа Центавра – 4 световых года. Все звезды ГМП медленно вращаются вокруг галактического центра. Солнце с планетами совершает один оборот вокруг центра ГМП за 250 млн. лет со скоростью 240 км/сек. Галактический год играет важную роль в периодизации геологической истории Земли.
Чтобы попытаться более наглядно представить шкалу времени, в рамках которой мы оперируем космическими терминами, воспользуемся шкалой Мейерса (1986). Если 15 млрд лет = 24 часа = 1 сутки (это время, прошедшее после начала Большого Взрыва, по современным представлениям – 20 млрд. лет), то далее происходило следующее:
1) Спустя 4 сек. в полночь – образование устойчивых атомов
2) 4-5 часов – возникновение галактик и звезд
3) 18 часов – образование Солнечной системы
4) 20 часов – первые формы жизни
5) 22 часа 30 минут – первые позвоночные вышли на сушу
6) 22 часа 30 минут – 23 часа 56 минут – существование динозавров
7) За 10 сек. до полуночи – первые человекообразные
8) За 0,001 сек. до полуночи – «промышленная революция».
Первой системной теорией происхождения Солнечной системы была знаменитая теория, сформулированная в 1755 году немецким философом Иммануилом Кантом. Кант считал, что солнечная система возникла из некой первичной материи, до того свободно рассеянной в космосе. Частицы этой материи перемещались в различных направлениях и, сталкиваясь друг с другом, теряли скорость. Наиболее тяжелые и плотные из них под действием силы притяжения соединялись друг с другом, образуя центральный сгусток – Солнце, которое, в свою очередь, притягивало более удаленные, мелкие и легкие частицы.
Таким образом, возникло некоторое количество вращающихся тел, траектории которых взаимно пересекались. Часть этих тел, первоначально двигавшихся в противоположных направлениях, в конечном счете, были втянуты в единый поток и образовали кольца газообразной материи, расположенные приблизительно в одной плоскости и вращающиеся вокруг Солнца в одном направлении, не мешая друг другу. В отдельных кольцах образовывались более плотные ядра, к которым постепенно притягивались более легкие частицы, формируя шаровидные скопления материи; так складывались планеты, которые продолжали кружить вокруг Солнца в той же плоскости, что и первоначальные кольца газообразного вещества.
В 1796 году французский математик и астроном Пьер-Симон Лаплас выдвинул теорию, несколько отличную от предыдущей. Лаплас полагал, что Солнце существовало первоначально в виде огромной раскаленной газообразной туманности (небулы) с незначительной плотностью, но зато колоссальных размеров.
Эта туманность, согласно Лапласу, первоначально медленно вращалась в пространстве. Под влиянием сил гравитации туманность постепенно сжималась, причем скорость ее вращения увеличивалась. Возрастающая в результате центробежная сила придавала туманности уплощенную, а затем и линзовидную форму. В экваториальной плоскости туманности соотношение между притяжением и центробежной силой изменялось в пользу этой последней, так что, в конечном счете, масса вещества, скопившегося в экваториальной зоне туманности, отделилась от остального тела и образовала кольцо. От продолжавшей вращаться туманности последовательно отделялись все новые кольца, которые, конденсируясь в определенных точках, постепенно превращались в планеты и другие тела солнечной системы. В общей сложности от первоначальной туманности отделилось десять колец, распавшихся на девять планет и пояс астероидов – мелких небесных тел. Спутники отдельных планет сложились из вещества вторичных колец, оторвавшихся от раскаленной газообразной массы планет.
Вследствие продолжавшегося уплотнения материи температура новообразованных тел была исключительно высокой. В то время и наша Земля, по П. Лапласу, представляла собой раскаленный газообразный шар, светившийся подобно звезде. Постепенно, однако, этот шар остывал, его материя переходила в жидкое состояние, а затем, по мере дальнейшего охлаждения, на его поверхности стала образовываться твердая кора. Эта кора была окутана тяжелыми атмосферными парами, из которых при остывании конденсировалась вода.
Эти две теории взаимно дополняли друг друга, поэтому в литературе они часто упоминаются под общим названием как гипотеза Канта-Лапласа. Поскольку наука не располагала в то время более приемлемыми объяснениями, у этой теории было в XIX веке множество последователей.
Среди последующих космогонических теорий можно найти и теорию «катастроф», согласно которой наша Земля обязана своим образованием некоему вмешательству извне, например, близкой встрече Солнца с какой-то блуждающей звездой, вызвавшей извержение части солнечного вещества. В результате расширения раскаленная газообразная материя быстро остывала и уплотнялась, образуя большое количество маленьких твердых частиц, скопления которых были чем-то вроде зародышей планет.
В последние десятилетия американскими и советскими учеными был выдвинут ряд новых гипотез. Если раньше считалось, что в эволюции Земли происходил непрерывный процесс отдачи тепла, то в новых теориях развитие Земли рассматривается как результат многих разнородных, порой противоположных процессов. Одновременно с понижением температуры и потерей энергии могли действовать и другие факторы, вызывающие выделение больших количеств энергии и компенсирующие таким образом убыль тепла. Одно из этих современных предположений его автор американский астроном Ф.Л. Уайпль назвал «теорией пылевого облака». Однако, по существу это ничто иное, как видоизмененный вариант небулярной теории Канта-Лапласа.
Любопытно, что на новом уровне, вооруженные более совершенной техникой и более глубокими познаниями о химическом составе солнечной системы, астрономы вернулись к мысли о том, что Солнце и планеты возникли из обширной, нехолодной туманности, состоящей из газа и пыли. Мощные телескопы обнаружили в межзвездном пространстве многочисленные газовые и пылевые «облака», из которых некоторые действительно конденсируются в новые звезды.
В связи с этим первоначальная теория Канта-Лапласа была переработана с привлечением новейших данных. Каждая из этих космогонических теорий внесла свой вклад в дело выяснения сложного комплекса проблем, связанных с происхождением Земли. Все они рассматривают возникновение Земли и солнечной системы как закономерный результат развития звезд и вселенной в целом. Земля появилась одновременно с другими планетами, которые, как и она, вращаются вокруг Солнца и являются важнейшими элементами солнечной системы.
В центре нашей планетной системы находится звезда — Солнце, в котором сосредоточено 99,866 % всей массы системы. На все 9 планет и десятки их спутников приходится только 0,134 % вещества системы. В тоже время 98% момента количества движения, т.е. произведения массы на скорость и радиус вращения сосредоточено в планетах. В настоящее время известно более 60 спутников планет, около 100000 астероидов или малых планет и около 1011 комет, а также огромное количество мелких обломков — метеоритов.
Солнце — это звезда спектрального класса G2V, довольно распространенного в ГМП. Солнце имеет диаметр 1,4 млн.км (1 391 980 км), массу, равную 1,98⋅1033 кг и плотность 1,4 г/см3, хотя в центре она может достигать 160 г/см3. В структуре Солнца различают внутреннюю часть или гелиевое ядро с Т015 млн. К, далее располагается зона лучистого равновесия — фотосфера, мощностью до 1 тыс. км и с Т0от 800 К на глубине 300 км и до 4000 К в верхних слоях, а самую внешнюю часть Солнечного диска составляет хромосфера, мощностью 10-15 тыс. км с Т020000 К.
Гранулярная структура фотосферы обусловлена всплыванием более высокотемпературных потоков газа и погружением относительно более холодных. Говоря о хромосфере и фотосфере, нельзя не сказать о явлениях солнечной активности, оказывающих влияние на нашу планету. Локальные, очень сильные магнитные поля, возникающие во внешних оболочках Солнца, препятствуют ионизованной плазме — хорошему проводнику, перемещаться поперек линий магнитной индукции. В подобных участках и возникает темное пятно, т.к. процесс перемешивания плазмы замедляется. Солнечные протуберанцы — это грандиозные выбросы хромосферного вещества, поддерживаемые сильными магнитными полями активных областей Солнца. Хромосферные вспышки, факелы, протуберанцы демонстрируют непрерывную активность Солнца. Выше хромосферы и фотосферы располагается Солнечная корона мощностью 12-13 млн. км и с Т01,5 млн. К, хорошо наблюдаемая во время полных Солнечных затмений.
В составе Солнца господствует Н, составляющий 73% по массе и Не — 25%. На остальные 2% приходятся более тяжелые элементы, также как Fe, O, C, Ne, N, Si, Mg и S, всего 67 химических элементов. Источник энергии Солнца — ядерный синтез, слияние 4-х ядер Н-протонов, образует одно ядро Не с выделением огромного количества энергии. 1 грамм водорода, принимающий участие в термоядерной реакции выделяет 6⋅1011 Дж энергии. В ходе ядерных превращений диаметр Солнца практически не меняется, т.к. тенденция к взрывному расширению уравновешивается гравитационным притяжением составных частей Солнца, стягивающим газы в сферическое тело. Солнце обладает сильным магнитным полем, полярность которого изменяется один раз в 11 лет. Эта периодичность совпадает с 22-летним циклом нарастания и убывания Солнечной активности, когда формируются Солнечные пятна с диаметром в среднем 66000 км. Солнечный ветер, исходящий во все стороны от Солнца, представляет собой поток плазмы — протоны и электроны, с альфа-частицами и ионизированными атомами С, О и других более тяжелых элементов. Скорость Солнечного ветра вблизи Земли достигает 400-500 и даже 1000 км/сек.
Солнечный ветер распространяется дальше орбиты Сатурна, образуя т.н. гелиосферу, контактирующую уже с межзвездным газом. Выделение энергии Солнцем, как и Т, остается практически неизмененным на протяжении 5,0 млрд. лет, т.е. с момента образования Солнца. Атомного горючего — Н на Солнце должно хватить по расчетам еще на 5 млрд. лет. Когда запасы Н истощатся, гелиевое ядро будет сжиматься, а внешние слои расширяться и Солнце сначала превратится в «красный гигант», а затем — в «белый карлик». Тепло и свет Солнца оказывают большое влияние на земные процессы: климат, гидрологический цикл, выветривание, эрозия, существование жизни.
Вокруг Солнца вращаются девять планет. Меркурий, Венера, Земля и Марс, ближайшие к Солнцу планеты относятся к внутренним или планетам земной группы. Далее, за поясом астероидов, располагаются планеты внешней группы — гиганты Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и маленький Плутон, открытый лишь в 1930 г. Расстояние от Солнца до Плутона равняется 40 астрономическим единицам.
За Плутоном находится «щель» – кольцо с радиусом 2×103 А.Е., где практически нет вещества. Далее, в интервале 2×103 – 2×104 А.Е. располагается кольцо с огромным количеством материи в виде ядер комет с массой равной 104 масс Солнца и угловым моментом в 100 раз превышающим современный угловой момент всей Солнечной системы. Это так называемое, внутреннее облако Оорта.
Еще дальше, в интервале 2×104 – 5×104 А.Е. располагается собственно облако Оорта, состоящее также из ядер комет с общей массой 100 масс Солнца и угловым моментом в 10 раз выше, чем у планетной системы. По существу, радиус в 5×104 А.Е. и определяет современную границу Солнечной системы в широком смысле этого понятия. Знание о строение планет, особенно земной группы, представляет большой интерес для геологов, т.к. их внутренняя структура довольно близка к нашей планете.
Меркурий — одна из самых маленьких безатмосферных планет с диаметром 0,38 по отношению к земному, плотностью 5,42 г/см3, с Т до + 450 О С днем на солнечной стороне и до -170 О С ночью. Поверхность Меркурия покрыта многочисленными ударными кратерами, с диаметром до 1300 км. Ландшафт поверхности Меркурия, напоминает лунный.
Венера по своим размерам и массе очень близка к Земле, но вращается она в другую сторону, по сравнению с остальными планетами. Венера окутана очень плотной атмосферой, состоящей из углекислого газа, а в верхних слоях на высотах в 50-70 км из серной кислоты. На этих высотах дует постоянный ветер с востока на запад со скоростью до 140 м/сек., уменьшающийся до 1,0 м/сек у поверхности. Давление в атмосфере на поверхности очень велико — 96 кг/см2 (на Земле 1 кг/см2 ) и Т +500 О С. Такие условия неблагоприятны для существования воды. Наличие плотной атмосферы выравнивает температурные различия дня и ночи. На Венере нет магнитного поля и это говорит о том, что ядро Венеры отличается от земного ядра. Примерно 15% поверхности Венеры занимают тессеры, относительно древние породы. На них накладываются более молодые базальтовые равнины и еще более молодые, чем равнины, громадные базальтовые вулканы.
Марс – четвертая по счету от Солнца планета намного меньше Земли, ее радиус составляет 0,53 земных. Сутки длятся на Марсе 24 часа 37 мин., а плоскость его экватора наклонена по отношению к орбите также как на Земле, что обеспечивает смену климатических сезонов. На Марсе существует весьма разреженная углекислая атмосфера с давлением у поверхности 0,03-0,1 кг/см2. Такое низкое давление не позволяет существовать воде, которая должна испариться, либо замерзнуть. Температура на Марсе изменчива и на полюсах в полярную ночь достигает -140О С, а на экваторе до -90 О С. Днем на экваторе температура выше 0 О С и до +25 О С. Атмосфера Марса содержит белые облака из мелких кристаллов СО2 и Н2 О. Ветры на поверхности Марса могут достигать 60 км/час, перенося пыль на большие расстояния.
Поверхность Марса подразделяется на базальтовые равнины в северном полушарии, и возвышенности — в южном, где распространены большие ударные кратеры. На Марсе существуют очень крупные вулканы, например, Олимп, высотой до 21 км и в диаметре 600 км. Это самый крупный вулкан на всех планетах Солнечной системы. Олимп принадлежит к вулканическому массиву Фарсида, состоящему из многочисленных базальтовых вулканов щитового типа, слившихся своими основаниями. В этом же массиве есть очень крупные вулканические кальдеры с диаметром до 130 км. Образование этих базальтовых вулканов произошло примерно 100 млн. лет назад и сам факт их существования свидетельствует о большой прочности марсианской литосферы и мощности коры, достигающей 70 км.
В южном полушарии Марса располагается грандиозный каньон Домены Маринер, представляющий собой глубокий, до 10 км рифт, протянувшийся на 4000 км в широтном направлении. Таких структур на Земле нет. Большой интерес на поверхности Марса представляют явные следы флювиальной деятельности в виде сухих речных русел. Несколько миллиардов лет назад, когда атмосфера Марса не была такой разреженной, шли дожди и снег, существовали реки и озера. Присутствие воды и положительные температуры могли стимулировать возникновение жизни в виде прокариотов, цианобактерий. В метеорите Мурчисон, найденном недавно в Австралии, имеющим абсолютный возраст в 4,5 млрд. лет, обнаружены следы цианобактерий внеземного происхождения. В наши дни установлен факт падения на Землю метеоритов, представляющих собой осколки марсианских пород, выбитых сильным ударом метеорита, упавшего на поверхность Марса. Вода на современной поверхности Марса сосредоточена в виде льда, но под верхним слоем пород.
Марс обладает двумя маленькими спутниками Фобосом (19×27 км) и Деймосом (11×15 км), неправильной формы с кратерированной поверхностью и какими-то рытвинами, хорошо видимыми на Фобосе. Марс прошел длительный путь развития. На поверхности Марса наблюдается 3 или 4 генерации рельефа и, соответственно, пород. «Материки» — это древнейшие породы, образующие возвышенности в 4-6 км, базальтовые «равнины» моложе, а на них накладываются вулканические массивы типа Фарсиды и отдельные вулканы. По-видимому, у Марса отсутствует жидкое ядро, т.к. магнитное поле чрезвычайно слабое. Эндогенная активность на Марсе продолжалась на 1 млрд лет дольше, чем на Меркурии и Луне, где она закончилась 3,0-2,5 млрд. лет назад.
Располагающиеся за поясом астероидов планеты внешней группы сильно отличаются от планет внутренней группы. Они имеют огромные размеры, мощную атмосферу, газово-жидкие оболочки и небольшое, по-видимому, силикатное ядро.
Юпитер по массе равен 317 земным, но обладает малой средней плотностью в 1,33 г/см3. Его масса в 80 раз меньше той необходимой массы, при которой небесное тело может стать звездой. Внешний вид планеты определяется полосчатой системой разновысотных и различно окрашенных облаков. Они образованы конвективными потоками, которые выносят тепло во внешние зоны. Светлые облака располагаются выше других и состоят из белых кристаллов аммиака и находятся над восходящими конвективными струями. Более низкие красно-коричневые облака состоят из кристаллов гидросульфида аммония, обладают более высокой температурой и располагаются над нисходящими конвективными струями.
На Юпитере существуют устойчивые ветры, дующие в одном направлении и достигающие скорости в 150 м/сек. В пограничных зонах облачных поясов возникают турбулентные завихрения, как, например, Большое Красное Пятно (БКПЮ), с длинной осью в 20 000 — 25 000 км. Полное вращение облаков в пятне осуществляется за 7 дней и его внутренняя структура все время изменяется, сохраняя лишь общую конфигурацию. Сам вихрь непрерывно дрейфует как целое в западном направлении со скоростью 3-4 м/сек и совершает полный оборот за 10-15 лет.
Атмосфера Юпитера достигает 1000 км, а под ней могут находиться оболочки из жидкого молекулярного водорода, а еще ниже — металлического водорода. В центре планеты располагается силикатное ядро небольших размеров. Магнитное поле Юпитера в 10 раз превышает по напряженности магнитное поле Земли, а, кроме того, Юпитер окружен мощными радиационными поясами. Возможно, мощное магнитное поле обусловлено быстрым вращением планеты (9 час. 55 мин.).
У Юпитера существует небольшое кольцо и 16 спутников, из которых 4 крупных, так называемых Галилеевых, открытых еще в 1610 г. Галилео Галилеем — Ио, Европа, Ганимед, Каллисто. Ближайший спутник к Юпитеру это Ио, по размерам, массе и плотности похожий на Луну. Особенностью Ио являются извержения многочисленных вулканов, изливающих яркие — красные, желтые, оранжевые потоки серы и белые потоки серного ангидрида. Со спутников зафиксированы извержения из кратеров конусовидных вулканов. Приливные возмущения со стороны Юпитера приводят к разогреву недр Ио.
Европа близкая по своим параметрам Луне, покрыта льдом воды, мощностью до 100 км, в котором видны протяженные трещины. Судя по тому, что на поверхности Европы почти нет ударных кратеров, она очень молодая. Ганимед, самый крупный из галилеевых спутников (он больше, чем Меркурий), обладает плотностью 1,94 г/см3 и сложен смесью льда воды и силикатов. Каллисто по своим размерам и плотности похож на Ганимед и также сложен льдом воды и силикатами. Однако, на участках темного цвета на поверхности Каллисто много ударных кратеров, что говорит в пользу древнего возраста этих участков. Кольцевая структура Вальхалла имеет диаметр в 300 км. Не исключено, что это след от удара крупного космического тела. Все остальные небольшие спутники Юпитера обладают неправильной, угловатой формой, а их размеры колеблются в поперечнике от 16 до 260 км.
Сатурн занимает второе место по размерам среди планет-гигантов, однако его плотность очень мала — 0,69 г/см3. Облачный покров Сатурна похож на таковой у Юпитера не только по составу — частицы льда воды, льда аммиака и гидросульфида аммония, но и по своей структуре, образуя разновысотные пояса и вихри. Сатурн в большей степени газовая планета, чем Юпитер. Атмосфера Сатурна состоит, в основном, из Н и Не и обладает мощностью в несколько тысяч км. Ниже, как и на Юпитере, располагается оболочка жидкого молекулярного водорода, мощностью 37000 км, и металлического водорода, 8000 км. Силикатное (каменное) ядро Сатурна, радиусом в 10000 км, окружено слоем льда до 5000 км.
Наиболее известным элементом планеты Сатурн являются его знаменитые кольца, образующие целую систему, находящуюся в плоскости экватора планеты. Диаметр колец составляет 270 тысяч км, а мощность всего 100 м. Множество колец представляют собой мельчайшие кусочки льда воды. Каждое из колец имеет сложную структуру чередования темных и светлых полос, вложенных друг в друга. Кольца Сатурна хорошо отражают радиосигналы, что позволяет предполагать ферромагнитные частицы в «дыму» колец.
У Сатурна насчитывается 17 спутников, из которых Титан самый большой. Средние по размерам от 420 до 1528 км спутники обладают шарообразной формой, а малые спутники имеют неправильную, угловатую форму и размеры от 20 до 360 км. Титан покрыт атмосферой из азота, метана и этана с давлением у поверхности планеты в 1,6 кг/см2, поэтому о ее строении ничего не известно. Ввиду низких температур, до -180 О С, метан может существовать в жидкой и твердой (лед метана и этана) форме. Предполагается, что под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца в верхних слоях атмосферы Титана из углеводородов могут образовываться сложные органические молекулы, которые, опускаясь, достигают его поверхности.
Уран превосходит по своим размерам Землю в 4 раза и в 14,5 раз по массе. Это третья планета — гигант, вращается в сторону противоположной той, в которую вращается большинство остальных планет. Мало этого, ось вращения Урана расположена почти в плоскости орбиты, так что Уран «лежит на боку и вращается не в ту сторону». Уран меньше Юпитера, но плотность, в среднем, у него близка к плотности Юпитера, что заставляет сомневаться в существовании оболочки из металлического водорода, т.к. давление слишком мало. В атмосфере Урана как и на других планетах — гигантах, преобладают водород и гелий, но также присутствуют частицы льда метана. Уран окружен системой тонких колец, между которыми расстояние гораздо больше, чем у колец Сатурна. Из 15 спутников Урана 5 средних по размеру и 10 малых, обладающих угловатой формой и похожие на спутники Марса и малые спутники Юпитера и Сатурна.
Нептун — самая маленькая из планет — гигантов, обладает, тем не менее, самой большой среди них плотностью, что обусловлено существованием силикатного ядра, окруженного оболочками из жидкого водорода, льда воды и мощной водородно-гелиевой атмосферой с облачным покровом, состоящим также из частиц льда воды, льда аммиака, льда метана и гидросульфида аммония. В атмосфере Нептуна, как и на Юпитере, просматриваются крупные вихревые структуры, изменчивые во времени. У Нептуна существует система колец, имеющих в разных участках различную мощность. 8 спутников Нептуна с одним крупным — Тритоном и 7-ю малыми, на поверхности которых имеются следы водо-ледяного вулканизма.
Плутон, девятая планета, считая от Солнца, сильно отличается от планет-гигантов и, наверное, им не принадлежит. У Плутона очень вытянутая эллипсовидная орбита, пересекающая орбиту Нептуна при вращении Плутона вокруг Солнца. Разреженная атмосфера Плутона окружает ледяную поверхность планеты, состоящей изо льдов азота, метана и моноокиси углерода, благодаря холоду – -240 О С, господствующему на этой, самой дальней планете. Крупный спутник Харон (диаметр 1172 км), состоит из смеси льда и силикатов с плотностью 1,8 г/см3 и в своем вращении вокруг Плутона на расстоянии 19405 км всегда обращен к планете одной и той же стороной. В настоящее время считается, что Плутон с Хароном могут принадлежать т.н. поясу Койпера, расположенного в интервале 35 — 50 А.Е. прямо за орбитой Нептуна.
В заключение этого раздела необходимо подчеркнуть, что сравнительная планетология дает чрезвычайно много для понимания ранней истории Земли, скрытой от геологов последующими процессами.
2. Формирование Земли и особенности ее строения
Для геологов, конечно, первостепенным является вопрос о формировании Земли и планет земной группы. Мы знаем, что в настоящее время Земля состоит из ряда сферических оболочек, в том числе твердого внутреннего ядра, жидкого — внешнего и твердой мантии с тонкой оболочкой — твердой же земной коры. Иными словами, Земля дифференцирована по свойствам и составу вещества. Когда и как произошла эта дифференциация?
На этот счет существуют две, наиболее распространенные точки зрения. Ранняя из них полагала, что первоначальная Земля, сформировавшаяся сразу после аккреции из планетезималей, состоящих из никелистого железа и силикатов, была однородна и только потом подверглась дифференциации на железо-никелевое ядро и силикатную мантию. Эта гипотеза получила название гомогенной аккреции. Более поздняя гипотеза гетерогенной аккреции заключается в том, что сначала аккумулировались наиболее тугоплавкие планетезимали, состоящие из железа и никеля и только потом в аккрецию вступило силикатное вещество, слагающее сейчас мантию Земли от уровня 2900 км. Эта точка зрения сейчас, пожалуй, наиболее популярна, хотя и здесь возникает вопрос о выделении внешнего ядра, имеющего свойства жидкости. Возникло ли оно после формирования твердого внутреннего ядра или внешнее и внутреннее ядра выделялись в процессе дифференциации? Но этот вопрос однозначного ответа не существует, но предположение отдается второму варианту.
Процесс аккреции, столкновение планетезималей размером до 1000 км, сопровождался большим выделением энергии, с сильным прогревом формирующейся планеты, ее дегазацией, т.е. выделением летучих компонентов, содержащихся в падавших планетезималях. Большая часть летучих веществ при этом безвозвратно терялась в межпланетном пространстве, о чем свидетельствует сравнение составов летучих в метеоритах и породах Земли. Процесс становления нашей планеты по современным данным длился около 500 млн. лет и проходил в 3 фазы аккреции. В течение первой и главной фазы Земля сформировалась по радиусу на 93-95% и эта фаза закончилась к рубежу 4,4 – 4,5 млрд. лет, т.е. длилась около 100 млн. лет.
Вторая фаза, ознаменовавшаяся завершением роста, длилась тоже около 200 млн. лет. Наконец, третья фаза, продолжительностью до 400 млн. лет (3,8-3,9 млрд. лет окончание) сопровождалась мощнейшей метеоритной бомбардировкой, такой же, как и на Луне. Вопрос о температуре первичной Земли имеет для геологов принципиальное значение. Даже в начале ХХ века ученые говорили о первичной «огненно-жидкой» Земле. Однако этот взгляд полностью противоречил современной геологической жизни планеты. Если бы Земля изначально была расплавленной, она давно бы превратилась в мертвую планету.
Следовательно, предпочтение нужно отдать не очень холодной, но и не расплавленной ранней Земле. Факторов нагрева планеты было много. Это и гравитационная энергия; и соударение планетезималей; и падение очень крупных метеоритов, при ударе которых повышенная температура распространялась до глубин 1-2 тыс.км. Если же, все-таки, температура превышала точку плавления вещества, то наступала дифференциация – более тяжелые элементы, например, железо, никель, опускались, а легкие, наоборот, всплывали.
Но главный вклад в увеличение тепла должен был играть распад радиоактивных элементов — плутония, тория, калия, алюминия, йода. Еще один источник тепла – это твердые приливы, связанные с близким расположением спутника Земли — Луны. Все эти факторы, действуя вместе, могли повысить температуру до точки плавления пород, например, в мантии она могла достигнуть +1500 О С. Но давление на больших глубинах препятствовало плавлению, особенно во внутреннем ядре. Процесс внутренней дифференциации нашей планеты происходил всю ее геологическую историю, продолжается он и сейчас. Однако, уже 3,5-3,7 млрд.лет назад, при возрасте Земли в 4,6 млрд.лет, у Земли было твердое внутреннее ядро, жидкое внешнее и твердая мантия, т.е. она уже была дифференцирована в современном виде. Об этом говорит намагниченность таких древних горных пород, а, как известно, магнитное поле обусловлено взаимодействием жидкого внешнего ядра и твердого внешнего. Процесс расслоения, дифференциации недр происходил на всех планетах, но на Земле он происходит и сейчас, обеспечивая существование жидкого внешнего ядра и конвекцию в мантии.
Атмосфера и гидросфера Земли возникли в результате конденсации газов, выделявшихся на ранней стадии развития планеты. Луна — это единственный спутник Земли, всегда обращенный к ней одной и той же стороной и вращающейся вокруг Земли по законам Кеплера — вблизи апогея медленнее, вблизи перигея — быстрее. Однако, вокруг оси Луна вращается равномерно и время ее обращения вокруг оси равняется сидерическому (звездному) месяцу. Двойная система Земля-Луна сказывается на Земле и Луне. Известно, что влияние Луны вызывает приливы на Земле, но т.к. Земля в 81 раз массивнее Луны, то и приливы на Луне намного сильнее. Полный оборот вокруг Земли Луна совершает за 27 суток 7 часов 43 минуты. Это время является сидерическим (звездным) месяцем Луны, т.е. периодом движения Луны относительно звезд. Центр масс двойной системы Земля-Луна находится в 4750 км от центра Земли внутри планеты. Поверхность Луны, в том числе и ее обратная, невидимая сторона прекрасно изучена с помощью космических аппаратов, луноходов и американскими астронавтами, неоднократно бывавшими на поверхности Луны и собравшими несколько тонн лунных пород. Среднее удаление Луны от Земли 384000 км, диаметр Луны 3476 км, масса 7,33⋅1025, средняя плотность 3,33 г/ см3. Атмосфера на Луне отсутствует из-за малых ее размеров, температура на экваторе днем достигает +130О С, а ночью -150О С. Поверхность Луны подразделяется на моря и материки. Первые занимают 17% поверхности, вторые – 83%… Материки, более светлые участки поверхности Луны – это относительно древние, брекчированные породы, с большим количеством плагиоклаза – анортита. Материки покрыты большим количеством метеоритных кратеров, образовавшихся при интенсивной бомбардировке 4,0-3,9 млрд. лет назад.
Более темные моря представляют собой огромные покровы базальтовых лав, излившихся 3,9-3,0 млрд. лет назад, т.е. они более молодые и метеоритных кратеров на них меньше. Поверхность Луны покрыта рыхлым грунтом — реголитом, образовавшимся при ударах метеоритов и раздроблении пород. Изучение Луны дало геологам доказательство усиленной метеоритной атаке Земли в этот же интервал времени, 3,9-4,0 млрд. лет назад. Сила тяжести на Луне 1/6 земной и у нее есть очень слабое магнитное поле неизвестного происхождения. Измерения силы тяжести показали скопление плотных масс — масконов под лунными морями.
На Луне выделяется кора, мощностью до 60 км и скоростью сейсмических волн Vр — 7,0-7,7 км/ сек; литосфера или верхняя и средняя мантия до глубины 1000 км; нижняя мантия (астеносфера), частично расплавленная, как и ядро, с глубины 1500 до 1740 км. Через них не проходят поперечные сейсмические волны. Приливные лунотрясения, выявленные с помощью сейсмографов, установленных на поверхности Луны экспедициями «Апполонов» с 1969 г., приурочены к средней мантии. Луна ежегодно удаляется от Земли примерно на 2 см, увеличивая свой момент количества движения.
Существует 3 главные гипотезы о происхождении Луны. По одной из них Луна отделилась от Земли, по другой — Луна была захвачена уже «готовой» силами притяжения Земли, по третьей, разработанной в 60-е годы российской ученой Е.Л. Рускол, Луна образовалась вместе с Землей из роя планетезималей. Недавно ученые университета Беркли в Калифорнии (США), после длительных компьютерных расчетов показали, что Луна образовалась в результате столкновения Земли по касательной с космическим телом размером с Марс. Выброшенные в космос обломки стали вращаться по круговой орбите, слипаясь в шаровидное тело – Луну. Было это 4,5 млрд. лет назад. Любая из гипотез должна объяснить отличия в химическом составе лунных пород от земных и различия в плотности небесных тел.
Диаметр Земли 12756 км; масса 5,988×1024 кг; плотность 5510 кг/м3; период вращения 23 ч 56 м 4,1 с; период обращения 365,26 суток; эксцентриситет орбиты 0,017; площадь поверхности – 510 млн. км2; объем – 1,083×1012 км3 .
И. Ньютон первым показал, что форма Земли более сложная, чем шар, и доказал, что главным фактором в создании формы Земли является ее вращение и, вызванная этим центробежная сила. Поэтому форма Земли зависит от совместного действия сил гравитации и центробежных. Хорошо известно, что равнодействующая этих сил называется силой тяжести. Многочисленные геодезические измерения позволили доказать, что Земля представляет собой эллипсоид, вычисленный в 1940 г. геодезистом А.А. Изотовым и названный им эллипсоидом Красовского в честь Ф.Н. Красовского, известного русского геодезиста. Параметры эллипсоида Красовского: экваториальный радиус – 6378,245 км; полярный радиус – 6356,863 км; полярное сжатие α = 1/298,25.
Реальная форма Земли лучше описывается фигурой геоида (землеподобная) – эквипотенциальной поверхностью невозмущенного океана, продолженной и на континенты. Сила тяжести в каждой точке поверхности геоида направлена перпендикулярно к ней. Сейчас построена карта геоида, приведенная к сжатию 1/298,25, с помощью как наземных гравиметрических, так и спутниковых наблюдений. На карте ясно видны впадины и выпуклости на поверхности Земли с амплитудой в десятки метров, так что форма Земли скорее напоминает «обгрызанное яблоко». Аномалии геоида обусловлены неравномерным распределением масс с различной плотностью внутри Земли.
Находясь на поверхности Земли, мы можем определить много параметров, характеризующих Землю: состав вещества (горных пород, вод, океана, атмосферы) и его возраст, температуру, силу притяжения к Земле (ускорение силы тяжести), величину магнитного поля, и наблюдать множество явлений: извержения вулканов, землетрясения, в особенности катастрофические, и измерять времена пробега сейсмических (упругих) волн, видеть свечения полярных сияний и многое другое.
Геологам хорошо известно внутреннее строение Земли, т.к. существует метод, который позволяет заглянуть в недоступные места планеты. Это – сейсмические волны («сейсма» – сотрясение, греч.), возникающие в Земле от землетрясений, ядерных и крупных промышленных взрывов, которые пронизывают всю Землю, преломляясь и отражаясь на разных границах смены состояния вещества. По образному выражению известного геофизика каждое сильное землетрясение заставляет Землю долго гудеть, как колокол. Сейсмологический метод находится в ряду других геофизических методов, но для целей познания глубин Земли он один из самых важных.
Земная кора ограничивается снизу очень четкой поверхностью скачка скоростей сейсмических волн, впервые установленной югославским геофизиком А. Мохоровичичем в 1909 г. и получившей его имя: поверхность Мохоровичича, или поверхность М. Вторая глобальная сейсмическая граница раздела находится на глубине 2900 км и была выделена в 1913 г. немецким геофизиком Бено Гутенбергом и также получила его имя. Эта поверхность отделяет мантию Земли от ядра.
На глубине 5120 км снова происходит скачкообразное увеличение скорости волн, т.е. эта часть ядра — твердая. Таким образом, внутри Земли устанавливается 3 глобальные сейсмические границы, разделяющие земную кору и мантию (граница М), мантию и внешнее ядро (граница Гутенберга), внешнее и внутреннее ядро.
В последние годы была установлена еще одна глобальная сейсмическая граница на глубине 670 км, отделяющая верхнюю мантию от нижней и являющаяся очень важной для понимания процессов, идущих в верхних оболочках Земли. Эта граница располагается ниже поверхности М, некотором уровне, различном по глубине под океанами и материками. Особенности этого слоя, получившего название астеносфера («астенос» — слабый, мягкий, древн. греч.), объясняются возможным его плавлением в пределах 1-2%. Плавление проявляется в виде очень тонкой пленки, обволакивающей кристаллы при Т0порядка +1200 °С.
Астеносферный слой расположен ближе всего к поверхности под океанами, от 10-20 км до 80-200 км, и глубже, от 80 до 400 км под континентами, причем залегание астеносферы глубже под более древними геологическими структурами, например, под докембрийскими платформами, чем под молодыми. Мощность астеносферного слоя, как и его глубина сильно изменяются в горизонтальном и вертикальном направлениях. В современных геотектонических представлениях астеносферному слою отводится роль своеобразной смазки, по которой могут перемещаться вышележащие слои мантии и коры.
Земная кора и часть верхней мантии над астеносферой носит название литосфера («литос» – камень, греч.). Литосфера холодная, поэтому она жесткая и может выдержать большие нагрузки. Механические свойства вещества Земли на всех уровнях важна для понимания геодинамических процессов. Литосфера, т.е. земная кора и часть верхней мантии до глубин примерно в 200 км ведет себя в целом как более хрупкая, чем нижняя (гранулито-базитовый слой). Жесткость литосферы оценивается в 1024 Нм и она обладает неоднородностью в горизонтальном направлении. Именно в литосфере, особенно в ее верхней части, образуются разломы.
Астеносфера, подстилающая литосферу, также обладает неоднородностью в горизонтальном направлении и изменчивой мощностью. Пониженные скорости сейсмических волн в астеносфере хорошо объясняется плавлением всего лишь 2-3% вещества. Астеносферный слой по современным представлениям играет важнейшую роль в тектонической и магматической активности литосферных плит и обеспечивает их изостатическое равновесие, несмотря на то, что сам слой может быть прерывистым, например, отсутствуя под древними докембрийскими платформами.
Располагающаяся ниже астеносферного слоя мантия, особенно нижняя, глубже 670 км, обладает вязкостью около 1021 м2 /с. Эта очень высокая вязкость, тем не менее, не является непреодолимым препятствием для медленных конвективных перемещениях мантийного вещества, что подтверждается так называемой сейсмической томографией, позволяющей «увидеть» очень незначительные плотностные неоднородности в мантии. Глубже 700 км в мантии не зафиксировано очагов землетрясений, что свидетельствует о невозможности возникновения сколов.
Выше говорилось о модели строения Земли К.Е. Буллена, созданной в 1959-1969 гг. В последнее время используется более новая, уточненная модель, называемая PREM (Prelimerary Reference Earth Model), характеризуемая «нормальным», т.е. усредненным распределением с глубиной различных физических параметров, в том числе скоростей распространения сейсмических волн. Определение химического и минерального состава геосфер Земли представляет собой очень сложную задачу, которая во многом может быть решена лишь приблизительно, основываясь на косвенных данных. Прямые определения возможны только в пределах земной коры, горные породы которой неоднородны по своему составу и сильно различаются в разных местах.
Четко видна разница в составе между континентальной и океанической корой, которая носит принципиальный характер. Верхний слой континентальной коры состоит из гранитов и метаморфических пород, которые обнажаются на кристаллических щитах древних платформ. Нижний слой коры практически нигде не вскрыт, но в его составе должны преобладать основные породы – базиты, как магматические, так и метаморфические. Об этом свидетельствуют геофизические и экспериментальные данные. Тем не менее, приведенный выше средний состав земной коры, может быть отнесен только к верхней части земной коры, тогда как состав нижней коры все еще остается областью догадок.
Горные породы, слагающие континентальную кору, несмотря на свое разнообразие, представлены несколькими главными типами. Среди осадочных пород преобладают песчаники и глинистые сланцы (до 80%), среди метаморфических – гнейсы и кристаллические сланцы, а среди магматических – граниты и базальты. Следует подчеркнуть, что средние составы песчаников и глинистых сланцев близки к средним составам гранитов и базальтов, что свидетельствует о происхождении первых за счет выветривания и разрушения вторых.
В океанической коре по массе абсолютно преобладают базальты (около 98%), в то время как осадочные породы самого верхнего слоя имеют очень небольшую мощность. Самыми распространенными минералами земной коры являются полевые шпаты, кварц, слюды, глинистые минералы, образовавшиеся за счет выветривания полевых шпатов. Подчиненное значение имеют пироксены и роговые обманки. Состав верхней и нижней мантии может быть определен только предположительно, основываясь на геофизических и экспериментальных данных. Верхняя мантия, ниже границы Мохоровичича с наибольшей долей вероятности сложена ультраосновными породами, обогащенными Fe и Мg, но в тоже время обеденными кремнеземом. Не исключено, что среди пород верхней мантии много эклогитов, которые образуются при высоких давлениях, о чем свидетельствует появление в них минерала граната, устойчивого при том давлении, которое существует в верхней мантии.
Основными минералами вещества верхней мантии являются оливин и пироксены. По мере увеличения глубины, твердое вещество мантии скачкообразно, на границах, устанавливаемых сейсмическим методом, претерпевает структурные преобразования, сменяясь все более плотными модификациями минералов и при этом не происходит изменение химического состава вещества.
Химический и минеральный состав ядра предполагается на основании расчетных давлений, около 1,5 Мбар, существующих глубже 5120 км. В таких условиях наиболее вероятно существование вещества, состоящего из Fe с 10% Ni и некоторой примеси серы во внешнем ядре, которая образует с железом минерал троилит. Как полагает А.А. Ярошевский, именно эта легкоплавкая эвтектическая смесь обеспечивает стабильность жидкого внешнего ядра, выше которого находится твердая силикатная мантия. Таким образом, Земля оказывается расслоенной на металлическое ядро и твердую силикатную мантию и кору, что обуславливается различной плотностью и температурой плавления, т.е. различиями физических свойств вещества мантии и ядра согласно представлениям А.А. Ярошевского. Эти различия могли сформироваться еще на стадии гетерогенной аккреции планеты.
Земная кора – тонкая оболочка нашей планеты, обогащена легкоплавкими соединениями, образовавшимися при плавлении мантийного вещества. Поэтому магматизм, во всех его проявлениях, и является тем главным механизмом, обеспечивающим формирование легкоплавкой фракции и ее продвижение во внешнюю зону Земли, т.е. формирование земной коры. Магматические процессы фиксируются с самого раннего геологического времени, породы которого доступны наблюдению, а, следовательно, в это же время началась дегазация мантии, в результате чего были сформированы атмосфера и гидросфера.
Рассмотренные выше процессы, начало которым положило образование нашей планеты, продолжаются до сих пор, и влияют, так или иначе, на существование человечества. Это делает, по мере расселения человека по планете, все более актуальной информацию о глобальных геологических процессах.
Заключение
Проблемы возникновения и развития Вселенной и Солнечной системы представляют для человечества не только академический интерес. Из геологической истории известны падения крупных космических тел на поверхность Земли, оставивших огромные кратеры — астроблемы («звездные раны») и сопровождавшиеся катастрофическими последствиями для биоты. Не исключена возможность столкновения астероида с Землей и в будущем, поэтому ученые озабочены расчетами уточнения орбит астероидов, которые могут пролететь вблизи Земли. Вечером 23 марта 1989 г. совсем рядом с нашей планетой «просвистел» каменный астероид с поперечником около 800 м. И, несмотря на то, что «рядом» означает расстояние в два раза большее, чем от Земли до Луны, с 1937 г., когда астероид Гермес пролетел примерно на таком же расстоянии, подобных происшествий не наблюдалось. Астрономы предсказывают, что астероид «1989FC» может вернуться и если он столкнется с Землей, то последствия будут равны одновременному взрыву 1000 водородных бомб. Поэтому прогноз взаимодействия космических тел в Солнечной системе, возможно, является для человечества условием выживания.
Геология дала человечеству возможность использования геологических ресурсов для развития всех отраслей техники и технологии. Вместе с тем, интенсивная техногенная деятельность привела к резкому ухудшению экологической мировой обстановки, настолько сильной и быстрой, что нередко под вопрос ставится существование человечества. Мы потребляем намного больше, чем природа в состоянии регенерировать. Поэтому проблема устойчивого развития в наши дни является подлинно глобальной, мировой проблемой, касающейся всех государств.
Несмотря на увеличение научно-технического потенциала человечества, уровень нашего незнания о планете Земля все еще очень велик. И по мере прогресса в наших знаниях о ней, количество вопросов, остающихся нерешенными, не уменьшается. Мы стали понимать, что на процессы, происходящие на Земле, оказывают влияние и Луна, и Солнце, и другие планеты, все связано воедино, и даже жизнь, возникновение которой составляет одну из кардинальных научных проблем, возможно, занесена к нам из космического пространства. Геологи пока бессильны предсказывать землетрясения, хотя, предугадать извержения вулканов сейчас уже можно с большой долей вероятности. Множество геологических процессов еще плохо поддаются объяснению и тем более прогнозированию. Поэтому интеллектуальная эволюция человечества во многом связана с успехами геологической науки, которая когда-нибудь позволит человеку решить волнующие его вопросы о происхождении Вселенной, происхождении жизни и разума.
Список использованной литературы
1. Авсюк Ю.Н. Эволюция системы Земля – Луна и ее место среди проблем нелинейной геодинамики // Геотектоника, 1993, №1, с.13-22.
2. Аллинсон А., Палмер Д. Геология. М., Мир, 1984.
3. Базилевский А.Т. Новые данные о строении планет, полученные с помощью космических аппаратов. Энциклопедия «Современное естествознание». М.: Магистр-Пресс, т.9, 2000, с.7-15.
4. Браун Д., Массет А. Недоступная Земля. М., Мир, 1984, 261 с.
5. Витязев А.В., Печерникова Г.В., Сафронов В.С. Планеты земной группы. Происхождение и ранняя эволюция. М.: Наука, 1990.
6. Короновский Н.В. Общая геология. Изд–во Московского университета, 2002.
7. Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная. Природа, 1988, №1, с.82-91.
8. Очерки сравнительной планетологии /Под ред. В.Л.Барсукова. М.: Наука, 1981.
9. Симоненко А.Н. Астероиды или тернистые пути исследований. М., Наука, 1985, 201 с.
10. Физика космоса (маленькая энциклопедия) /Под ред. Р.А.Сюняева. М.: Сов. Энциклопедия., 1986.
11. Шейдеггер А. Основы геодинамики. М.: Недра, 1987, 384 с.
www.ronl.ru
Космонавты американского космического корабля «Аполлон» говорили, что, когда они были на Луне, Земля с голубой водой и белыми облаками была для них самым манящим объектом из всех, которые они могли наблюдать на небе. Их пристрастие понятно. Они знали из личного опыта, на что похожа эта планета, и могли перевести вид облаков, океанов и континентов в свой повседневный опыт—скажем, в морской бриз, накатывающий волны на освещенный солнцем берег.
Вероятно, то, что больше всего нравится людям на Земле, даже если они не могут выразить этого словами,— это картина постоянного движения. На Земле покой заметен благодаря своей редкости. Движение всюду — от постоянного смещения песчинок в дюнах, движения бактерий и других форм жизни до мощных колебаний в самой Земле, когда она дрожит во время землетрясения и после него.
Эта планета активна. В самом деле, она активна уже 4,6 млрд.-лет и не видно никаких признаков успокоения. Земная атмосфера, океаны, тонкая кора и глубокие недра находятся в движении с тех пор, как образовались. Жизнь является составной частью поверхности по меньшей мере в течение 4/5 истории планеты.
В процессе постоянной активности Земля в своей эволюции прошла через разные стадии, сохраняя в течение всего времени состояние динамического равновесия. Равновесие включает в себя обмен веществом и энергией между недрами, поверхностью, атмосферой и океанами. Исследования в области геологии с привлечением результатов геохимии, геофизики и палеонтологии показали, как происходила эволюция поверхностных слоев Земли. Эти знания, объединенные с устоявшейся теорией внутреннего строения Земли и гипотезами о движении внутренних слоев Земли, поставляют сведения для построения теории эволюции планеты.
Статья Камерона (см. «Образование и эволюция Солнечной системы») описывает процесс возникновения Земли и других планет путем конденсации определенных областей солнечного протопланетного облака. Первоначальное строение протопланетного облака и его структура в более поздний период выводятся из строения земных горных пород, горных пород, доставленных на Землю с Луны, метеоритов и атмосфер Земли, Марса, Венеры и Юпитера.
Появлению теории развития Земли больше всех способствовали исследователи, изучавшие постепенную конденсацию и аккрецию твердой планеты по мере того как она увлекала огромны^ .. ..'ичества малых частиц из протопланетного диска, из которого обра-зовалась-теперешняя Солнечная система. Так как планета росла, она начала нагреваться в результате совместного действия гравитационного сжатия, столкновений с метеоритами и нагревания, вызванного радиоактивным распадом урана, тория и калия, (Хотя калий обычно не считается радиоактивным элементом, 0,01 °/о этого элемента на Земле является радиоактивным изотопом калия-40.) В результате внутренние слои расплавились. Процесс расплавления можно назвать «железной катастрофой»; он включал в себя обширную перестройку всего тела планеты. Расплавленные капли железа и сопутствующих ему элементов оседали к центру Земли и там образовали расплавленное ядро, которое остается в значительной степени оасплавленным и сегодня.
По мере того как тяжелые металлы оседали к центру, легкие «шлаки» всплывали наверх — к внешним слоям, которые в настоящее время составляют верхнюю мантию и кору. Возникновению более легких элементов, таких, как алюминий и кремний и два щелочных металла, натрий и калий, сопутствовало образование радиоактивных тяжелых элементов урана и тория. Объяснение возникновения этих тяжелых элементов лежит в механизме, посредством которого атомы урана и тория образуют кристаллические соединения. Размер и химическое сродство атомов препятствуют тому, чтобы они образовывали плотные, компактные структуры, которые являются устойчивыми при высоких давлениях, существующих в глубоких недрах Земли. Следовательно, атомы урана и тория были «выжаты» и вынуждены переселяться вверх, в область верхней мантии и коры, где они легко подошли к более открытым кристаллическим структурам силикатов и окислов, находящихся в горных породах земной коры.
По мере того как внутри Земли произошла дифференциация на ядро, мантию и кору, вещество в верхних областях также расслаивалось на разные фракции, i Нижние слои коры состоят из базальтов и габбро — темных горных пород, в состав которых входят кальций, магний и соединения, богатые железом, главным образом силикаты. Они образовались в результате частичного расплавления и разделения более плотных веществ верхней мантии. Базальт и габбро сами подверглись дифференциации в результате кристаллизации и частичного плавления и так же, как более легкие жидкие вещества, были выдавлены через кору. В верхних слоях коры и на поверхности они затвердевали и образовывали такие более легкие горные породы вулканического происхождения, как гранит, обогащенные кремнием, алюминием и калием.
Вопрос о том, в какой степени эти процессы были завершены на ранней стадии, по мнению автора, остается нерешенным. Некоторые геологи утверждают, что значительная, а возможно, и большая часть гранитной коры была образована уже на этой стадии. Другие считают, что процесс мог едва начаться даже через 1 млрд. лет после образования Земли.
Одним из результатов разогревания внутренних слоев явилось начало вулканической деятельности и горообразования. Они привели не только к изменению формы поверхности, но и к громадным изменениям в строении внутренних слоев. В течение этого времени различные газы, которые вошли в состав планеты, когда она образовалась в результате аккреции, начали искать путь к поверхности. Среди них были углекислый газ, метан, водяной пар и газы, содержащие серу. Газы должны были течь к поверхности особенно интенсивно в период перестройки и дифференциации. Они оставались на поверхности, так как сила тяжести на Земле была достаточной для того, чтобы помешать всем газам, кроме самых легких (водорода и гелия) , уйти в окружающее пространство. Температура в то время должна была быть достаточно низкой и допускала конденсацию воды. Растворяясь в воде, другие газы вступали в химические реакции с такими элементами, как кальций и магний, которые выщелачивались из горных пород, когда выпадение дождей начало приводить к выветриванию. Если бы температура была выше, наличие плотной атмосферы с большим содержанием углекислого газа привело бы к установлению так называемого «парникового эффекта», который, по-видимому, возник на Венере, что привело к образованию горячей облачной атмосферы этой Планеты (с^. «Венера» Э. и Л.Янгов).
^По мере того как остывала поверхность Земли и в результате конденсации воды образовались океаны, процессы эрозии под действием ветра и воды начали действовать в основном так же, как они действуют и сейчас. Жидкая вода стала преобладающей формой переноса и перераспределения продуктов выветривания гор. Речные системы на поверхности являются видимыми следами сети, которая несла продукты выветривания к океанам, где большая их часть скапливалась в виде наносов осадочных отложений вдоль континентальных шельфов и континентальных выработ^^) Остатки осадочных отложений в результате оседания и движений мутьевых потоков распределились тонким слоем глубоко на дне океанов.
Некоторые геохимики и геофизики рассматривали несколько по-иному цепочку событий, которые привели к аккреции Земли из конденсирующегося солнечного протопланетного облака. В соответствии с этими воззрениями Земля и другие планеты являются продуктами постепенной конденсации солнечного протопланетного облака, в течение которой определенные тяжелые элементы, главным образом железо, кристаллизовались .первыми, в то время как более легкие части протопланетного облака находились еще в газообразном состоянии. В процессе аккреции ядро планеты будет обогащено железом в центре, а более легкие фракции будут располагаться последовательно в порядке, соответствующем порядку их кристаллизации из газа, собирающегося во внешних чаях по мере роста планеты.
Каков бы ни был механизм аккреции, история эволюции Земли на более поздней стадии (после первого миллиарда лет) в основном может быть восстановлена по записям,
которые содержат в себе горные породы коры. То, о чем они свидетельствуют, лучше всего может быть рассказано языком геологических «часов», которые начали идти в докембрийские времена. Наиболее старые из известных в настоящее время горных пород—это метамор-физованные осадочные и вулканические. горные породы, которым по содержанию радиоактивных элементов может быть приписан возраст около 3,7 млрд. лет. Они еще старше, чем очень старые горные породы, относящиеся к периоду времени, известному в геологии под названием архейского. Считается, что горные породы, относящиеся к этому периоду, имеют возраст более 2,2— 2,8 млрд. лет (возраст границы с более молодыми геологическими эпохами меняется в разных частях районов Земли с древними горными породами). Большинство «записей», содержащихся в горных породах, отрывочны, но они реальны, и никому больше не приходится полагаться на одни лишь соображения правдоподобия теории^
Оказывается, что горные породы архейской эры несколько отличаются от пород последующих периодов в том смысле, что в это время были распространены определенные их типы, а многие другие типы относятся к более поздним периодам. Среди архейских пород преобладают базальты и андезиты — вулканические породы, богатые железом и магнием при недостатке натрия и калия и относительно низком содержании кремниевых соединений. Песчаники и сланцы архейской эры образовались в результате выветривания и переработки этих вулканических пород. Здесь отсутствуют большие тела из гранита — породы, более богатой щелочами и кремниевыми соединениями. Такие отклонения в строении по отношению к более поздним породам наводят на мысль, что выделение гранитных пород в результате кристаллизации и частичного плавления пород с меньшим содержанием кремния продвинулось не настолько далеко, как это произошло позднее.
Архейские породы служат также подтверждением того, что характер тектонических явлений, т. е. горообразовательная активность, которая определила форму поверхности, отличался от современного. В настоящее время принято, что тектонические явления связаны с существованием больших плит литосферы (которая включает в себя кору и часть верхней мантии), движущихся над астеносферой (горячим, пластичным и, вероятно, частично расплавленным слоем мантии). Движущей силой являются движения в мантии, хотя точная природа этого движения • не определена. Геологическая активность землетрясений, вулканов и горообразования концентрируется вдоль границ плит.
Считается, что архейские породы очень рассеяны и дают мало информации, однако изучение наиболее старых архейских площадок в Канаде и площадок такого же возраста в Африке и Скандинавии не подтверждает того, что горообразование происходило там вдоль границ больших плит. Это подтверждает модель интенсивной деформации вдоль границ неправильных площадок гораздо меньшей протяженности, чем плиты. Многие геологи подозревают, что архейский период был временем, когда литосферная кора была очень тонкой, временем активной вулканической деятельности и столкновений между множеством маленьких тонких «плиточек» с возникновением «швов», или поясов сморщивания, спаивающих их вместе.
Хотя архейская эра заметно отличалась от современной тектоническим стилем и средним строением вулканических пород, она была похожа на современную всеми существенными процессами эрозии и осаждения на поверхности. Все отличительные признаки выветривания, механической переработки пород, переноса реками и осаждения в областях, где кора постепенно понижается и допускает скопления больших толщин осадочных пород, обнаруживаются в осадочных породах архейского периода. Это было показано более 30 лет назад Петтенд-жиллом из Университета Джонса Гоп-кинса, который изучал ранние докемб-рийские осадочные породы в районе озера Верхнее. Глядя на эти песчаники, сланцы и конгломераты, трудно найти какое-нибудь заметное различие между ними и относящимися к более позднему периоду, так как все это — затвердевшие эквиваленты современного гравия, песка и глины.
В настоящее время в эрозии и химическом разрушении пород принимают участие земные растения. Однако известно, что высшие растения на суше возникли не ранее чем через 2 млрд. лет после архейского периода, т. е. в середине палеозойской эры. Вероятно, до того, как возникли растения, на суше существовали более низшие формы, так же как они, несомненно, существовали и в море.
Доказательство существования морских водорослей в позднюю до-кембрийскую эпоху было получено несколько лет назад, когда палеоботаник Баргхорн из Гарвардского университета, работающий вместе с Таймером, специалистом по осадочным породам из Университета штата Висконсин, обнаружил микроскопические остатки морских водорослей в кремнистом сланце из Ганфлинта — плотной осадочной породе, состоящей из кремнезема. По содержанию радиоактивных элементов и периоду их полураспада было установлено, что возраст этого сланца порядка 2 млрд. лет. После этого другие органические структуры, которые похожи на остатки организмов, были обнаружены в еще более старых породах. Самая старая из них — кремнистый сланец из Свазиленда (Африка) — имеет возраст около 3,4 млрд. лет.
Эта работа по поиску свидетельств древней жизни является кропотливым трудоемким процессом. Тысячи образцов пород должны быть распилены на сверхтонкие пластины, а затем отполированы для того, чтобы их можно было изучать под оптическим и электронным микроскопами. Хотя органический углерод был обнаружен в старых породах задолго до открытия в упомянутых выше кремнистых сланцах, можно всегда предположить множество простых химических механизмов для объяснения этого. Полученное недавно доказательство существования характерных форм клеточной жизни в древние времена трудно опровергнуть.
Теперь о том, как возникла жизнь на Земле. Это рассказ о правдоподобных химических механизмах, которые следуют из определенных предположений о раннем химическом составе поверхности. Можно начать с возникновения ранней архейской атмосферы (образовавшейся в результате выхода газа из внутренних слоев), в которой преобладали вода, метан и аммиак. Свободный кислород отсутствовал, так как он является продуктом жизни, а не предшественником ее; Атмосфера могла также включать в себя заметные количества углекислого газа.
Существование и характер этой атмосферы связаны с тем фактом, что Земля меньше Юпитера и больше Луны. Юпитер способен удержать свой водород, который был самым обильным элементом в солнечном протопланет-ном облаке. Луна не могла удержать никакого газа
В воздушной оболочке Земли и под ней в поверхностных слоях моря и больших озерах было интенсивным ультрафиолетовое излучение Солнца. Поверхность не была защищена от ультрафиолета слоем озона, как сейчас, за неимением кислорода (02 ), из которого образовался бы озон (С)з). Высокая энергия ультрафиолетового излучения способствовала синтезу множества органических соединений, например аминокислот. Возможно, многие из этих соединений уже существовали там, поскольку теперь известно, что многие простые органические соединения присутствуют в межзвездном пространстве.
Однако синтез недолговечных органических соединений — это не то же, что возникновение жизни. Следующими шагами должен быть рост больших молекул и затем нуклеиновых кислот, который в конечном итоге приведет к возникновению генетического механизма воспроизведения, так что клетки могут делиться и порождать новые клетки, подобные им самим.
Нельзя точно сказать, каков должен быть диапазон химических условий, необходимый для поддержания жизни. (Неопределенность может быть уменьшена в результате полета американских космических аппаратов, которые должны были опустить на поверхность Марса в 1976 г. сейчас известно только, что Земля поддерживает жизнь, и это обстоятельство обязано продолжительному существованию жидкой воды. В настоящее время Земля является единственной планетой, про которую известно, что она удовлетворяет этому условию. Постоянно обнаруживаемые следы жизни на Земле, относящиеся по крайней мере к последним 3,5 млрд. лет, показывают, что жидкая вода имелась в течение всего этого времени.
Когда возникла жизнь, она начала оказывать важное влияние на поверхность Земли и газовую оболочку, окружающую ее. В формации Биттер Спрингс, расположенной в центральной Австралии, которой немного меньше 1 млрд. лет, палеоботаники обнаружили клеточные морские водоросли, подобные по многим геометрическим характеристикам сине-зеленым водорослям. Современные сине-зеленые водоросли, как и все другие фото-синтезирующие растения, выделяют кислород. К концу протерозойской эры, которая лежит между архейским периодом и началом палеозойской эры, в атмосфере должно было накопиться достаточное количество кислорода для поддержания эволюции высших организмов. Они были многоклеточными, т. е. живыми организмами, имеющими много клеток с различающимися характеристиками. Оказывается, всем этим организмам необходимы по крайней мере небольшие количества свободного кислорода для их биохимических процессов.
Кислород не является единственным атмосферным газом, возникшим при наличии жизни. В незначительных количествах присутствует, например, метан. По-видимому, его источником первоначально являлись метанообра-зующие бактерии, выделяющие обильно «болотный газ». Атмосфера также включает в себя другие газы, которые являются скорее продуктами деятельности биосферы, чем более простых небиологических химических реакций.
Протерозойская эра была временем, когда мир был населен бактериями, морскими водорослями и другими примитивными одноклеточными организмами, которые, вероятно, существовали и на суше, и на море. Их влияние на процессы, происходящие на поверхности, видно на протерозойских породах. Наиболее характерно это для стро-матолитов—формаций горных пород, состоящих из известковых выделений нитевидных водорослей и осадочных пород, задержанных ими. Строматолиты в настоящее время обнаружены в таких местах, как Багамские и Бермудские острова, где известняки лежат внизу на абиссальных равнинах. Другое свидетельство протерозойской жизни обнаружено в нескольких угольных пластах, образованных массами пропитанных углеродом остатков водорослей.
Если бы наблюдатель посмотрел вниз на Землю с искусственного спутника в протерозойское время, он описал бы ее поверхность так же, как наблюдатель, находящийся в подобной ситуации, сделал бы сейчас. Только прибор для определения химического состава атмосферы смог бы обнаружить какие-то различия. Доказательством этого подобия служат протерозойские породы, которые принадлежат к тем же типам и имеют тот же состав, что и породы всех более поздних периодов.
К поздней протерозойской эпохе система Земля — Луна после изменений, имевших место в начальный период, превратилась в основном в ту систему, которую мы видим в настоящее время. Приливы должны были быть несколько выше, чем сейчас, но отличие было небольшим. Примерно в то время, когда Луна стала холодной, длительный нагрев и дифференциация верхней мантии Земли и коры привели к интенсивному захвату больших тел гранитных пород и к образованию опоясывающих горных цепей, источником которых, как предполагают, является тектоника плит.
Из анализа как протерозойских, так и более поздних пород получены данные о периодических изменениях знака магнитного поля Земли, происходивших в течение большей части ее истории. По мере того как нагретая порода остывает, она намагничивается в направлении магнитного поля Земли, и силовые линии вмораживаются, когда порода отвердевает. Кроме того, определенные осадочные породы, которые содержат намагниченные частицы, сохранили, направление поля тех времен, когда они отлагались. Причины перемен лежат в нестабильности движений в жидком ядре, которые генерируют магнитное поле Земли.
Палеомагнитные данные рассказывают также и о движении полюсов. Это не означает, что северный и южный полюсы движутся; наоборот, детали поверхности Земли сдвигаются относительно полюсов. Этот вывод, подкрепляемый палеомагнитными данными, основан на геологических записях древнего климата, таких, как угольные пласты в полярных районах и ледниковые отложения вблизи экватора.
Оказывается, что в протерозойское время около южного полюса находился большой континент, и основным процессом, определяющим палеогеогра-фию, был его дрейф.
Породы хранят свидетельства о периоде главной ледниковой эпохи, первой, существование которой твердо доказано. Эти свидетельства оказываются недостаточными для точного установления возраста этого ледникового периода. Неизвестно, имел ли он ту же длительность, что и недавние (плейстоценовые) ледниковые периоды, состоял ли он так же, как и они, из многих эпизодов, когда ледники наступали и отступали. Можно лишь предположить, что механизмы, подобные тем, что приняты для ледниковых периодов плейстоцена, являются общими: это движение континентальной массы, лежащей у одного из полюсов и ограничивающей способность океана и атмосферы распределять тепловую энергию равномерно по сфере. Для внешнего наблюдателя Земля в то время выглядела немного похожей на Марс, за исключением того, что на экваторе уже были океаны. Один из интересных вопросов относительно ледниковых эпох Земли состоит в следующем: почему на Земле установилось тепловое равновесие при такой температуре, которая достаточно низка для того, чтобы образовались большие полярные шапки, но слишком высока для полного замерзания всей поверхности ?
Точно так же, как история человечества сливается с его предысторией, последние 570 млн. лет истории Земли (начиная с палеозойской эры) связаны с 9/10 продолжительности ее предшествовавшей эволюции, которая долгое время оставалась тайной. Более столетия последние 570 млн. лет рассматривались как геологически «известный» период; поэтому его часто называли «фанерозойским», от греческого «phaneros» — открывать. Хотя первые геологи обнаружили, что некоторые докембрийские территории поддаются картированию обычными геологическими методами, не было ископаемых, имеющих достаточное сходство с формами, существующими в настоящее время; и это делало докемб-рийский период «немым». Стратиграфическая шкала времени — исключительно детальные и точные часы — основана на быстрых эволюционных изменениях высших форм жизни, свидетельства о которых сохранились в ископаемых остатках кораллов и тысяч других видов многоклеточных организмов:
Изучающие историю Земли не перестают удивляться исключительной скорости изменений в период существования многоклеточных. 3 или 4 млрд. лет, т. е. в течение почти всей истории, Земля была населена одноклеточной жизнью. После этого не более чем за несколько сотен миллионов лет появилось фантастическое разнообразие беспозвоночных организмов. Быстро возникли все основные типы животного мира, и скоро за ними последовали сосудистые растения и позвоночных. Было ли все это случайностью, результатом удачного расположения континентов и морей, игрой окружающей среды ? Или это было неизбежным следствием возникновения кислородной атмосферы Земли в результате фотосинтеза, производимого водорослями?' Наиболее вероятным сейчас кажется, что именно эволюция атмосферы в направлении к современному уровню содержания кислорода стимулировала биологическую приспособленность. Одним из проявлений такой приспособленности было появление раковины у животных, которая служила броней, защищающей мягкие ткани от хищников, и базой прикрепления мускулов. Раковины дают нам основу для понимания последующего направления эволюции планеты и ее обитателей. Результаты палео-биологических исследований, основанные на изучении только мягких частей организмов, дали бы слишком тусклые очертания прошлого.
Раковины—это больше, чем временные метки в истории: они вызвали важные изменения в динамике внешних слоев Земли, Океаны стали населять организмы, в состав которых входили карбонат кальция, фосфат кальция и окись кремния в огромных количествах. Их остатки отлагались в осадочных породах, превращаясь в конце концов в известняк, сланец и фосфатный известняк или фосфатную породу (главный источник сельскохозяйственных удобрений).
Более точные сведения, относящиеся уже к палеозойскому периоду, позволяют геологам проследить эффекты дрейфа континентов. В частности, можно более уверенно установить очертания древнего Атлантического океана, который лежал между Европейско-Африканской массой суши и Америкой, перед тем как во времена, близкие к палеозойской эре, образовался сверхконтинент Пангея. Образование Панеи было одним из редких, особых событий более поздней истории Земли, одним из важных возмущений более или менее гладко протекающей эволюции планеты.
Одним из главных последствий образования Пангеи было исчезновение сотен видов беспозвоночных и начало всеобъемлющих изменений в типах и относительной населенности различных видов животных и растений. Большая часть пространства, занятого мелкими отмелями, окружающими каждый континент, исчезла, когда континенты столкнулись, оставив только узкую полосу вокруг сверхконтинента. Отмели служили убежищами наиболее продуктивного биологического населения палеозойского мира. Географическое сжатие и совпадавшие с ним климатические изменения, включая оледенения тех частей, которые теперь являются Африкой, Австралией и Южной Америкой, были достаточны для исчезновения многих видов. Выжившие закладывали основы новых видов послепа-леозойского мира.
Пангея раскололась в триасовый период (самую раннюю часть мезозойской эры), и, если отметить это событие, а также последующее рождение современного Атлантического океана и дрейф континентов к их теперешнему положению, рассказ о физической эволюции Земли можно считать в основном законченным. Самые старые части океанского дна, которые сохранились в настоящее время, появились в эту эпоху, и так началась поддающаяся расшифровке история мировых океанов. Ее можно проследить по магнитным «полосам» и зонам разломов морского дна, образовавших хребты и трещины посреди океана.
Новые формы жизни, которые эволюционировали в первый период мезозойской эры, дали начало новому миру. Появились цветковые растения, и Земля заиграла красками цветов и листвы деревьев, травы и огромного количества кустарников и цветов. В морях появился новый вид фотосинте-зирующих водорослей—диатомеи; это одноклеточные организмы, покрытые тонкой оболочкой из окиси кремния. Диатомеи ответственны за большую часть первичной продукции фотосинтеза органического вещества в морях.
Примерно в то же самое время появились известковые фораминиферы. Это одноклеточные животные, которые обитают вне растений на поверхности моря. Их раковины, состоящие из карбоната кальция, постоянно опускались на дно океанов, являясь источником нового типа глубоководных отложений — фораминиферального ила. Остатки этих фораминифер дали сюжет своеобразного детективного рассказа: температуру древнего мира и, следовательно, климат оказалось возможным определить по изотопному составу и внешней форме раковин. И форма раковины, и относительное содержание в ней нормальных атомов кислорода (кислорода-16) и редкого тяжелого изотопа (кислорода-18) зависят от температуры воды, в которой жило животное. Измеренная таким образом температура океана позволила обнаружить важные климатические изменения в прошлом.
В течение большей части последних 50 млн. лет (т. е. большей части кайнозойской эры) температура поверхности Земли падала. Это остывание достигло кульминации в последние несколько миллионов лет и проявилось в повторяющихся оледенения. Самые современные из них стали свидетелями появления нового вида — человека и повлияли на его эволюцию. Достаточно продвинувшись в своей эволюции, человек в период первобытного состояния перемещался по мере того, как ледники покрыли большую часть Северной Европы, Азии и Северной Америки. В течение короткого 10000-летнего периода после того, как ледники отступили и заняли свое теперешнее положение полярных шапок (возможно, это было временное отступление), человек стал видом, который распространился и занял почти всю поверхность планеты и превратился в биологическую популяцию, способную глубоко повлиять на ход истории Земли как планеты. Только сейчас он стал отдавать себе отчет в том, что некоторые аспекты его деятельности могут изменить тонкую оболочку атмосферы, океанов и пресных вод, которые делают возможным его существование.
www.referatmix.ru
РЕФЕРАТ
на тему:
“Теория происхождения Земли”.
1.Содержание:
2.Введение
3.Образование мантии и ядра Земли
4. Дифференциация мантии и образование коры, гидросферы и атмосферы
5.Вывод
6.Список использованной литературы
2.Введение.
В настоящее время в науке создалось такое положение, что разработка космогонической теории и реставрация ранней истории Солнечной системы могут осуществляться преимущественно индуктивным путем, основанным на сравнении и обобщении полученных совершенно недавно эмпирических данных по материалу метеоритов, планет и Луны. Поскольку о строении атомов и поведении их соединений при различных термодинамических условиях нам стало известно очень многое, а о составе космических тел были получены совершенно достоверные и точные данные, то решение проблемы происхождения нашей планеты поставлено на прочную химическую основу, которой были лишены прежние космогонические построения. Следует в ближайшее время ожидать, что решение проблем космогонии Солнечной системы вообще и проблемы происхождения нашей Земли в частности достигнет больших успехов на атомно-молекулярном уровне, подобно тому, как на этом же уровне генетические проблемы современной биологии блестяще решаются на наших глазах.
Изотопные соотношения элементов в метеоритном и земном веществе, данные о химическом составе и структуре метеоритов представляются нам все более отчетливо как исторические документы, по которым может быть прочитана ранняя история Солнечной системы и восстановлены условия рождения нашей планеты — Земли. В свете современных данных космохимии и геохимии, астрофизики и геофизики уже сейчас можно заключить, что вещество Земли в прошлом, относительно незадолго до образования планет, находилось в состоянии плазмы и путь становления нашей планеты был связан с эволюцией вещества от плазменного состояния до состояния образования химических соединений, металлических фаз и других форм существования твердых жидких и газообразных тел (при относительно невысоких температурах). При современном состоянии науки физико-химический подход к решению проблем космогонии Солнечной системы является совершенно неизбежным. Поэтому давно известные механические особенности Солнечной системы, которым классические космогонические гипотезы уделяли главное внимание, должны быть истолкованы в тесной связи с физико-химическими процессами в ранней истории Солнечной системы. Последние достижения в области химического изучения отдельных тел этой системы позволяют нам совершенно по-новому подходить к реставрации истории вещества Земли и на этой основе восстановить рамки тех условий, в которых происходило рождение нашей планеты – становление её химического состава и формирование оболочечной структуры.
3.Образование мантии и ядра Земли.
Образование Земли связано с аккумуляцией вещества, представленного преимущественно высокотемпературными конденсатами солнечного газа. Однако относительно способа аккумуляции существуют различные мнения. В процессе формирования Земли можно допустить три варианта аккумуляции.
1. Гомогенная аккумуляция, нашедшая наиболее полную разработку в гипотезе О. Ю. Шмидта и его сторонников. Она привела к образованию квазиоднородной первичной Земли. Модель первоначально гомогенной по составу и строению Земли пользовалась наиболее широким признанием. Согласно этой модели, современное зональное строение Земли возникло лишь в ходе эволюции, что выразилось в разогревании, частичном плавлении и дифференциации земного вещества под воздействием радиоактивных источников тепла.
2. Гетерогенная аккумуляция, определившая с самого начала главные черты строения земного шара — наличие в первичной Земле металлического ядра и мантии. При аккумуляции металлических частиц сначала возникло ядро, затем на него осели более поздние конденсаты в виде силикатов, образовав мощную мантию первичной планеты.
Идею о том, что Земля начала аккумулироваться первоначально из металлических частиц, высказали В. Латимер, Э. В. Соботович, П. Гаррис и Д. Тозер, а позднее Э. Орован. В дальнейшем она была поддержана К. Таркяном и С. Кларком, Дж. Джекобсом, А. П. Виноградовым. По К. Таркяну и С. Кларку, первичная Земля аккумулировалась в той последовательности, в которой происходила конденсация веществ из первичной солнечной туманности. Крайний вариант гетерогенной аккумуляции Земли был недавно предложен Д. Л. Андерсоном и Т. Ханксом, которые полагают, что внутреннее ядро Земли приобрело свой состав за счет самых ранних дометаллических конденсатов, внешнее ядро возникло из металлической фракции и серы, а мантия—за счет аккумуляции силикатной фракции. На заключительных стадиях аккумуляции произошло осаждение материала типа углистых хондритов (С1), включая гидратированные силикаты, летучие и органические соединения.
3. Частично гетерогенная аккумуляция без резких перерывов в составе материалов, строящих земной шар. В этом случае наиболее резкая разница в составе имела место лишь между центральными частями Земли и поверхностными слоями первичной мантии. При таком способе аккумуляции первоначально не было pезких границ между ядром и мантией, подобно современному состоянию. Границы эти установились позже в ходе дальнейшей химической дифференциации, связанной с нагревом. Ядро Земли возникло в результате комбинации процессов гетерогенной аккреции и последующей химической дифференциации. Выплавление железо-сернистых масс и удаление их из разных горизонтов первичной Земли путем стекания в центральные области было процессом, протекавшим асимметрично и в дальнейшем определившим асимметрический характер коры и верхней мантии.
В настоящее время нам довольно обоснованной представляется идея о том, что происхождение земного ядра связано с происхождением (способом формирования) самой Земли и Солнечной системы. Химическая эволюция протопланетной туманности, рассмотренная нами выше, при остывании газа солнечного состава определила то обстоятельство, что в районе аккумуляции вещества Земли возникли химические соединения, которые определили химический состав нашей планеты в целом. Начало формирования Земли по всей вероятности, было связано с первичной аккумуляцией именно металлических частиц. В пользу этого мы можем привести следующую аргументацию.
В процессе аккумуляции планет железоникелевые частицы имели явное преимущество в отношении объединения перед частицами другого состава. Если аккумуляция первоначально происходила при высоких температурах, то капли железа при соприкосновении друг с другом легко сливались в тела компактной массы, образуя зародыши планет. Если агломерация имела место при низких температурах, то металлические частицы ввиду своей пластичности и хорошей теплопроводности объединялись при столкновении. В этом случае происходило поглощение кинетической энергии. Таким образом могли происходить процессы как “горячей сварки”, так и “холодной сварки” в зависимости от температуры частиц. Заметим, что в некоторых железных метеоритах обнаружены признаки объединения металла в результате соударений.
Наконец при температурах ниже точки Кюри (1043 К для Fe, 598 К для FeS) частицы железа и троилита могли легко намагничиваться в сильном магнитном поле первичного Солнца ив дальнейшем объединялись силами магнитного притяжения. Поскольку силы магнитного притяжения для мелких металлических частиц на много порядков превосходят гравитационные силы, зависящие от масс, аккумуляция частиц никелистого железа из охлаждающейся солнечной туманности могла начаться при температурах ниже 1000 К в виде крупных сгущений и во много раз была более эффективной, чем аккумуляция силикатных частиц при прочих равных условиях. По Ф. Хойлу и Н. Викрамасингу, когда происходило непрерывное сжатие Солнца, напряженность магнитного поля могла достигать высоких значений, на два порядка превышающих современную. В этих условиях аккумуляция ферромагнитных материалов типа железоникелевых частиц и троилита должна протекать наиболее эффективно, образуя зародыши планет земного типа. Поскольку точка Кюри для железа и железоникелевых сплавов находится вблизи 1000 К, магнитные силы как фактор аккумуляции могут вступить во взаимодействие задолго до начала окисления железа. П. Гаррис и Д. Тозер вычислили поперечное сечение захвата взаимно намагниченных частиц, которое оказалось в 2-104 раз выше их реального поперечного сечения. В то же время они показали, что магнитное взаимодействие зависит от размеров частиц. Оно весьма незначительное для частиц с диаметром менее 10--5 см, но при размерах частиц 10-4 см агрегация наступает довольно быстро. При высоких температурах (свыше 1273 К) в газопылевом облаке все частицы могли сосуществовать независимо до падения температуры ниже точки Кюри. Но при падении температуры ниже точки Кюри магнитное взаимодействие железоникелевых частиц становилось решающим фактором аккумуляции в процессе рождения планет.
Из сказанного совершенно естественно вытекает вывод, что при самых разнообразных условиях в первичной туманности железоникелевые сплавы должны аккумулироваться первыми. При достижении достаточно крупных масс зародыши планет в дальнейшем могли захватывать более поздние конденсаты солнечного газа путем непосредственного гравитационного захвата.
Совершенно очевидно, что описанные выше процессы вполне относят к нашей планете, для которой гетерогенная аккумуляция представляется совершенно неизбежной. Эта аккумуляция определила первоначальную химическую неоднородность Земли, ее термодинамическую неустойчивость, которая в дальнейшем предопределила ход развития Земли—дифференциацию ее материала, что привело к четкому обособлению границы между мантией и ядром, между внутренним и внешним ядром...
В свете изложенного выясняется общая картина рождения Земли. Рост Земли начался с объединения металлических частиц при температурах ниже точки Кюри. Однако нагрев первоначального металлического тела вследствие ударов частиц при аккумуляции привела повышению температур и, возможно, устранил взаимодействие магнитных сил, которое было основным. Достигнув значительной массы, первичное металлическое ядро—зародыш продолжало гравитационный захват более поздних конденсатов из окружающей среды. На этом этапе аккумуляция стала более гомогенной, и первичная мантия накапливалась как мощная оболочка в виде смеси металлических, силикатных частиц и троилита. При этом весьма вероятно, что в нижних горизонтах первичной мантии содержание металлических частиц было повышенным, а в верхних горизонтах они отсутствовали. Таким образом, первоначальная мантия по радиусу представляла собой неоднородную смесь металлического и силикатного материала. На поздних стадиях аккумуляции оседали гидратированные силикаты и органические вещества. На завершающих этапах аккумуляции Земля путем прямого гравитационного захвата приобрела также часть (вероятно, небольшую) газов, в том числе Н2О, СО2, СО, NНз, Hg, из первичной туманности в силу собственного притяжения.
Исходя из длительности процессов аккумуляции в Солнечной системе порядка п-108 лет, что вытекает из l29 I--129 Xe и 244 Pu--132-136 Xe датирования метеоритных образцов, мы можем предположить, что в большей части объема планеты температуры не превышали точки плавления ее материала. Однако в связи с адиабатическим сжатием, радиоактивным нагревом от ныне сохранившихся и быстро вымерших радиоактивных изотопов (244 Pu, 247 Cm и 129 I) и остаточной тепловой энергии от процесса аккумуляции в ранние эпохи существования Земли происходило повышение температур и материал планеты местами начал плавиться. Максимальная температура была приурочена к центру с последующим ее понижением к периферии. Плавление в результате радиоактивного нагрева и других факторов началось на определенных глубинах, где температура превысила точку плавления наиболее легкоплавких компонентов при данных условиях давления. Если состав первичной мантии представлял собой смесь силикатной, металлической и сульфидной фаз, то температура плавления эвтектики Fe—FeSбыла самой минимальной (1260 К) и в то же время она в меньшей степени зависела от увеличения давления. Первым и принципиально нового веществ могло происходить в большей части объема первичной мантии. Совершенно очевидно, что жидкая расплавленная фаза металла с примесью серы возникала в глубоких недрах планеты легче, чем жидкие расплавленные силикатные массы.
Дифференциация гомогенной модели Земли с плавлением и погружением жидкого железа, сформировавшего ядро Земли, должна была существенно поднять температуру планеты. При полном погружении железа температура должна была повыситься на 2270 К, при этом в масштабе всей Земли выделилась бы энергия, равная 15*1030 Дж, по расчетам Г. Юри—4,78*1030 Дж, а Е. Люстиха—16,7*1030 Дж. Это громадное количество тепла должно было расплавить всю нашу планету или же ее большую часть. Однако никаких признаков такого события мы не находим. По гетерогенной модели аккумуляции Земли этого не происходило. Стекание железосернистых масс, охватившее лишь нижние горизонты мантии, привело к сравнительно небольшому выделению общего тепла. В отношении оценки времени не будет большой ошибкой допустить, что образование современного ядра Земли (внешнего железосернистого) произошло в интервале 4,6-4 млрд. лет назад.
Таким образом, по предложенной модели основная масса ядра образовалась в период формирования Земли за счет аккумуляции металлических частиц, а последующее выплавление железосернистых масс в нижних частях первичной мантии завершило формирование всего ядра Земли в целом.
4.Дифференциация мантии и образование коры, гидросферы и атмосферы.
В свете современных геохимических и космохимических данных дифференциация первичной мантии имела двухстороннюю направленность. С одной стороны, происходило выплавление наиболее легкоплавких, но тяжелых компонентов—железосернистых масс с опусканием их к центру ввиду высокой плотности и низкой вязкости, что привело к формированию внешнего ядра. С другой стороны, выплавлялись менее легкоплавкие, но обогащенные летучими силикатные фракции, что привело к образованию базальтовой магмы и впоследствии к формированию базальтовой коры океанического типа. Если первый (первый также и в хронологическом отношении) процесс приводил к извлечению из первичной мантии преимущественно сидерофильных и халькофильных химических элементов и их сосредоточению в центральном ядре, то второй—к центробежной миграции преимущественно литофильных и атмофильных элементов.
Однако геохимические свойства элементов в зависимости от конкретных физико-химических условий могут меняться. О степени химической дифференциации мантии в какой-то мере можно судить, сравнивая относительную распространенность некоторых элементов верхней мантии и различного типа хондритов. Так, например, отношение Ni: Fe в современной мантии составляет около 0,03, т. е. оно значительно ниже, чем в хондритовых метеоритах, но выше, чем в метеоритных силикатах. Это можно объяснить тем, что на ранней стадии развития Земли большая часть никеля была удалена из мантии путем сегрегации сульфида и металла в ядро. Сравнение относительного распространения шести типичных литофильных элементов верхней мантии Земли с их метеоритным распространением, согласно расчетам Р. Хатчисона, представлено в табл. 1.
Из табл. 1 видно, что фракционирование литофильных элементов в мантии Земли отличается от такого в хондритовых метеоритах. Наблюдается общая тенденция убывания концентрации первых пяти элементов от углистых хондритов до энстатитовых. Верхняя мантия Земли обогащена Al, Mg и Са и обеднена Ti и Сг относительно углистых хондритов. Обеднение верхней мантии Ti и Сг можно объяснить их удалением в былые времена в ядро в виде сульфидов. В связи с этим следует отметить, что в сильно восстановленных энстатитовых хондритах весь Сг находится в добреелите, а 75% Ti—в троилите.
Таблица 1.
Фракционирование литофильных элементов относительно углистых хондритов
Элемент | Верхняя мантия, свободная от | Современная верхняя мантия | Хондриты | ||
| углистые | обычные | энстатитовые | |||
| Si | 1,00 | 1,00 | 1,00 | 1,06 | 1,00 |
| Ti | 0,46 | 0,65 | 1,00 | 0,74 | 0,55 |
| Al | 1,06 | 1,05 | 1,00 | 0,71 | 0,55 |
| Сг | 0,47 | 0,58 | 1,00 | 0,82 | 0,77 |
| Mg | 1,29 | 1,23 | 1,00 | 0,90 | 0,74 |
| Са | 1,13 | 1,10 | 1,00 | 0,67 | 0,53 |
Условия верхней мантии были не такими восстановительными, как это имело место в случае формирования энстатитовых хондритов, поэтому более высокое содержание Ti и Сг находилось в окислах, что, естественно, связано с формой нахождения Fe в верхней мантии. Известно, что Fe в энстатитовых хондритах не окислено и в их металлической фазе присутствует Si.
Из изложенного вытекает очень малая вероятность того, чтобы легким элементом в ядре Земли был Si, как это допускается некоторыми исследователями. Удаление свыше половины Ti и Сг и значительной доли Ni из верхней мантии в ядро, вероятно, имело место во время ранней дифференциации земного шара. Распространенность главных литофильных элементов в верхней мантии сходна с моделью формирования Земли, в которой аккумуляция началась с ядра, где сконцентрировался металл, а затем оседал материал, близкий по составу к обычным и углистым хондритам, несколько обогащенным железом. Затем парциальное плавление вызвало определенную потерю сидерофильных и халькофильных (и некоторых литофильных) элементов в первичной силикатной мантии и поступление их в ядро.
Парциальное плавление силикатного материала мантии, обогащенного летучими, происходило в пределах верхних горизонтов первичной мантии. Оно началось позже плавления сульфидного эвтектического материала (сульфид + металл). Поскольку увеличение давления препятствовало плавлению силикатного материала на больших глубинах значительно в большей мере, чем плавлению металлических и сульфидных веществ, то оптимальные условия для плавления силикатных веществ существовали на определенных критических глубинах. Как вытекает из расчетов Ф. Берча для хондритовой модели Земли, плавление могло происходить в интервале глубин 100—600 км. Возможное присутствие летучих несколько уменьшало эти глубины. В связи с этим следует отметить, что плавление началось в пределах того слоя первичной верхней мантии, в котором в процессе аккумуляции появился материал, близкий к углистым хондритам (С1), т.е. Земля приобрела гидратированные силикаты, летучие компоненты и первые органические соединения в виде сложных углеводородов, аминокислот и др.
В легкоплавких силикатных фракциях материала первичной, мантии накапливались наиболее типичные литофильные элементы, поступившие вместе с газами и парами воды на поверхность первичной Земли. Большая часть силикатов, преимущественно железомагнезиальных, при относительном завершении планетарной дифференциации образовала мощную мантию планеты, а продукты ее выплавления дали начало развитию алюмосиликатной коры, первичных океана и атмосферы, насыщенной СОз.
Процесс плавления мантии, определивший центробежную миграцию расплавов и растворов, был гетерогенным. Он отмечается изотопным составом элементов из пород мантийного происхождения. Обнаружено, что в мантии сохраняются участки с разным соотношением стабильных изотопов, что было бы невозможным при общем плавлении и гомогенизации мантии большого масштаба. Данные измерений изотопного состава углерода из образцов мантийного происхождения привели Э. Галимова к выводу о существовании двух направлений изотопных измерений углерода. Углерод в мантии находится в двух различных формах, или фазах. Изотопный состав углерода этих фаз различен, как и различна химическая форма нахождения, подобно тому, что обнаружено в метеоритах. Так, углерод, рассеянный в каменных метеоритах, более обогащен легким изотопом (12 С), в то время как углерод, находящийся в графите и органическом веществе, более тяжелый (13 С). При образовании Земли эти две формы углерода были унаследованы планетой на последних стадиях ее аккумуляции.
Э. Галимов отмечает, что изотопный состав не только углерода, но и некоторых других элементов земной коры обнаруживает поразительное сходство с изотопным составом тех же элементов углистых хондритов при весьма отдаленном сходстве с другими каменными метеоритами. Эти данные, во-первых, подтверждают гетерогенную аккумуляцию и тот факт, что в завершающих ее этапах участвовало вещество, аналогичное составу углистых хондритов. Во-вторых, образование зон и очагов плавления в мантии было таким, что оно не смогло гомогенизировать изотопный состав ряда химических элементов.
Дополнительные свидетельства в пользу гетерогенной аккумуляции мантии и ее последующей гетерогенной дифференциации мы находим в данных по изотопному составу Sr и РЬ в вулканических породах, материал которых возник на разных горизонтах в самой мантии. Для исследования ранних процессов дифференциации мантии мы можем использовать изотопные пары: 238 U--206 Pb, 87 Rb—87 Sr, поскольку все четыре элемента геохимически ведут себя по-разному в обстановке парциального плавления материала мантии. В ряду элементов летучесть возрастает в такой последовательности: U, Sr<Rb<Pb. Отсюда в паре U—Pb мы имеем тугоплавкий родоначальный элемент и летучий дочерний. Для пары Rb—Sr имеет место обратное соотношение. В процессе гетерогенной аккумуляции первичной мантии в ее глубоких горизонтах содержалось повышенное количество U и Sr, но она была обеднена РЬ и Rb. Первичная мантия, сложенная в верхних горизонтах материалом, близким к углистым хондритам С1, была относительно обогащена РЬ и Rb и обеднена U и Sr. Поэтому в породах, впоследствии возникших на разных глубинах мантии, должна наблюдаться антикорреляция между изотопными отношениями 204 Рb: 204 Rb и 87 Sr: 86 Sr. Возможность такой антикорреляции недавно отметил Р. Хатчисон. Так, высокое значение отношения 204 Рb: 204 Rb и низкое 87 Sr: 86 Sr. отмечено для вулканических пород Канарских островов, островов Вознесения и базальтов. о. Св. Елены. Обратное соотношение антикорреляции (низкое отношение 204 Рb: 204 Rb и высокое 87 Sr: 86 Sr.) характерно для вулканических пород островов Тристан-да-Кунья и др. Эти примеры, по-видимому, указывают на неполное смешивание материала мантии, а лавы с островов Тристан-да-Кунья возникли из мантии, обогащенной С1 компонентом, в то время как источник других вулканических образований был обеднен этим компонентом.
Для юных лав Исландии разных этапов извержения изотопные измерения обнаружили антикорреляцию, возрастающую в ходе времени: увеличение отношения204 Рb: 204 Rb сопровождается уменьшением отношения 87 Sr: 86 Sr. Это можно рассматривать как результат того, что лавы могут возникать от прогрессивно углубляющегося источника, в котором содержание С1 компонента медленно уменьшается с глубиной. Таким образом, изотопные отношения РЬ и Sr в вулканических породах как продуктах выплавления мантийного материала определенно указывают на гетерогенность мантии; что является отдаленным отражением ее гетерогенной аккумуляции в начале образования нашей планеты. Для более полного обоснования этих представлений необходимы дополнительные измерения изотопного состава РЬ и Sr из многочисленных вулканогенных пород, включая наиболее древних представителей из земной коры разных структурных типов.
Основываясь на данных об изотопных отношениях РЬ и Sr в вулканических породах, Р. Хатчисон предложил модель формирования первичной мантии как результат двухстадийного процесса. На первой стадии материал обычных хондритов образовал Землю, что сопровождалось нагревом, парциальным плавлением, и в конце концов верхняя часть примитивной Земли существенно лишилась натрия и других более летучих элементов. Вторая стадия ознаменовалась периодом длительного охлаждения, когда материал типа С1 добавился к тугоплавкой примитивной верхней мантии.
В результате плавления и дегазации верхней мантии на поверхность Земли могли поступать в основном три фракции мантийного материала: базальтовая магма, а также растворенные в ней вода и газы. Каждое излияние базальтов сопровождалось выносом определенного количества воды, поскольку в самой базальтовой (габброидной) магме могло содержаться до 7 вес. % растворенной воды. А. П. Виноградов высказал мысль о взаимосвязи между количеством излившихся базальтов и поступившей на поверхность Земли ювенильной воды. На поверхность первичной планеты поступали Н2О, С02, СО, СН4, S, NaS, НзВОз, НС1, HP, aтакже Не, Ne, Ar, Кг, Хе. Эти газы составляли первичную атмосферу Земли, хотя их количественные соотношения вряд ли удастся выяснить достаточно точно. Однако на первом месте стояли Н2О и СО2. Если температура поверхности молодой планеты превышала 370 К, то основная часть атмосферы состояла из паров воды и углекислого газа. Но такая горячая атмосфера вряд ли могла существовать долгое время в связи с явлениями конвекции и быстрым охлаждением поверхности самой Земли.
Гидросфера, включающая Мировой океан, возникла из паров мантийного материала, и первые порции конденсированной воды на Земле были кислыми. Они представляли собой раствор с присутствием анионов F, C1, Вг, I, которые и сейчас характерны для морской воды. Отсюда неизбежно следует, что первые ювенильные воды поверхности Земли были минерализованными, а пресные воды появились позже в результате испарения с поверхности первичных океанов, что было процессом естественной дистилляции. Выпадение атмосферных осадков на поверхность суши могло привести к образованию в пониженных участках рельефа первых пресноводных водоемов. В первичном океане сульфаты присутствовали в ничтожных количествах, так как было очень мало свободного кислорода для окисления HgS и образования сульфатов.
Первичная атмосфера Земли была восстановительной и в ней не было свободного кислорода. Только незначительные его количества формировались от воздействия солнечной радиации на молекулы водяных паров и углекислоты, которые разлагались путём фотодиссоциации.
Нам сейчас трудно восстановить химический облик первичной атмосферы Земли. Возможно, значительные количества водорода и гелия диссипировали в космическое пространство, хотя количественную оценку этой потери дать трудно.
Решающее значение в изменении химического состава первичной атмосферы имело появление фотосинтезирующих организмов, потребляющих Н2О и СОз из внешней среды, что вызвало также химические изменения в Мировом океане. Первыми фотосинтезирующими организмами были, вероятно, синезеленые водоросли или их предки, возникшие в верхних зонах океана на определенных глубинах. Эти глубины определялись слоем воды около 10 м, который поглощал ультрафиолетовую радиацию Солнца, предохраняя организмы от ее губительного действия. Изучение изотопной истории кислорода в биосфере показало, что свободный кислород как активный геохимический фактор образовался преимущественно за счет фотосинтетического разложения Н2О организмами фитопланктона. С появлением свободного кислорода первичная атмосфера нашей планеты изменилась до неузнаваемости. Количество свободного кислорода прогрессивно возрастало, активно окисляя многие вещества окружающей среды. Так, свободный кислород быстро окислил NНз, СН4, СО, а сернистые газы S и h3Sбыли превращены в сульфаты океанической воды. Со времени действия процесса фотосинтеза СО2 быстро потреблялась фитопланктоном, а также связывалась в карбонатных осадках. Вся дальнейшая деятельность фотосинтезирующих организмов стала направленной на интенсивное извлечение СОз из атмосферы.
Таким образом, верхние легкие оболочки Земли—атмосфера, гидросфера и отчасти определенные части коры возникли главным образом за счет дегазации мантии. Естественно, что дегазания мантии Земли и связанная с ней миграция литофильных элементов в силикатных расплавах происходила наиболее интенсивно на наиболее ранних периодах развития Земли, учитывая радиоактивный нагрев и нагрев от экзотермического эффекта завершения формирования земного ядра. В последующую геологическую историю дегазация затухала, периодически возобновлялась в подвижных зонах земной коры и верхней мантии при рождении вулканов в горных поясах и в виде островных дуг в периоды горообразования.
Дифференциация вещества Земли с начала ее образования имела различную скорость. Так, завершение формирования внешнего ядра Земли в результате центростремительной миграции сидерофильных и халькофильных элементов произошло относительно быстро и в современную эпоху едва ли продолжается в значительных масштабах. Однако что касается центробежной миграции, то она имела место во всей истории Земли и продолжается в современную эпоху.
5.Вывод.
Несмотря на многочисленные усилия исследователей разных стран и огромному эмпирическому материалу по составу отдельных членов Солнечной системы, мы находимся только на первом этапе понимания истории и происхождения Солнечной системы вообще и нашей Земли в частности. Однако сейчас становится все более очевидным, что возникновение Земли было результатом сложных явлений в исходном веществе, охвативших ядерные, а впоследствии и химические процессы. В связи с непосредственным исследованием материала планет и метеоритов у нас все более укрепляются основы для построения естественной теории происхождения Земли. B настоящее время нам представляется, что фундаментом теории происхождения Земли являются следующие положения.
1. Происхождение Солнечной системы связано с происхождением химических элементов: вещество Земли вместе с веществом Солнца и других планет в далеком прошлом находилось в условиях ядерного синтеза.
2. Последним этапом ядерного синтеза было образование тяжелых химических элементов, включая уран и трансурановые элементы. Об этом свидетельствуют следы вымерших радиоактивных изотопов, обнаруженные в древнем материале Луны и метеоритов. Эти следы в виде трэков осколочного деления и ксеноновых изотопных аномалий можно рассматривать как прямые отголоски некогда мощных космических процессов созидания атомных ядер в обстановке нейтронного захвата.
3. Естественно, что Земля и планеты возникли из того же вещества, что и Солнце. Исходный материал для построения планет был первоначально представлен разобщенными ионизированными атомами. Это был в основном звездный газ, из которого при охлаждении возникли молекулы, жидкие капли, твердые тела — частицы.
4. Конденсация солнечного газа в зависимости от гелиоцентрического расстояния привела к фракционированию химических элементов и дала химически различные продукты, что отразилось на составе планет и метеоритов. Ближайшие к Солнцу планеты получили повышенную долю тугоплавкой высокотемпературной фракции по сравнению с планетами более отдаленными.
5. Земля возникла преимущественно за счёт тугоплавкой фракции солнечного вещества, что отразилось на составе ядра и силикатной мантии. Процесс аккумуляции нашей планеты происходил под влиянием различных факторов. При этом металлическое железо и близкие к нему элементу имели явное преимущество перед другими веществами объединяться первыми в компактные массы.
6. Основные предпосылки появления жизни на Земле были созданы в конце остывания первичной газовой туманности. На последнем этапе остывания в результате каталитических реакции биофильных элементов образовались многочисленные органические соединения, обусловившие возможность появления генетического кода и саморазвивающихся молекулярных систем. Возникновение Земли и жизни представляло собой единый взаимосвязанный процесс—результат химической эволюции вещества Солнечной системы.
6. Список использованной литературы.
6.1. Войткевич Г.В. Основы теории происхождения Земли. М., “Недра”, 1979, 135с.
6.2. Рингвуд А.Е. Состав и происхождение Земли. М., “Наука”, 1981, 112с.
www.ronl.ru
