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.
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.neuch.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.
5rik.ru
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.
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
superbotanik.net
Сколько ни существует человечество — вопрос о том, как и когда образовалась Земля, интересовал всех. Самые давние мифы — древние священные религиозные сказания начинались всегда с повествований о сотворении мира. Сегодня объяснения, придуманные нашими далекими предками, могут показаться наивными. Но если вдуматься в них, отбросив высокомерие, то сколько прозорливой мудрости на пожелтевших страницах древних книг. Каждое время выдвигало свои гипотезы.
Вначале представления о мире у наших предков не слишком отличались от представлений о той местности, в которой они жили. Разве что мир казался покрупнее. Горы — больше домов и хижин. А могучие реки — шире и обильнее ручейков, питавших поля. Но коли мир был больше домов и селений, то создавать его и строить должны были существа посильнее человека, то есть — боги!
Древние египтяне, например, считали, что великий бог Хнум как гончар слепил некогда из глины большое яйцо. Из яйца вылупилась Земля и все, что ее окружает.
Островные народы, промышляющие рыбной ловлей, уверяли, что боги выудили их острова из океана.
Пожалуй, самую законченную картину рождения мира создали древние греки. «Вначале был Хаос — великая бездна, наполненная смесью земли, воды, воздуха и огня. — Пели греческие певцы-рапсоды, переходя из деревни в деревню, из города в город. — В Хаосе полном творческих сил таился источник всей жизни мира... — Эти строчки не очень хорошо понимали ни слушатели, ни сами рапсоды, и потому певцы переходили побыстрее к вещам более конкретным. — Все возникло из безграничного Хаоса — весь мир и бессмертные боги. Из Хаоса произошла Земля — богиня Гея и Небо — бог Уран. Широко распростерлись они и дали жизнь всему, что растет, движется, живет и суетится...»
Между тем каждое утро без опозданий всходило солнце. И его путь нисколько не зависел от тех делишек, которыми занимался бог Солнца — Гелиос. Также и хранительница ночи — Луна преисправно вела календарь пастухов, не заботясь о чувствах богини Луны — Селены.
Возникало противоречие. С одной стороны, довольно бестолковая компания небожителей, которые даже между собой не могут прийти к согласию. А с другой — стройная система мироздания с неизменным и вечным порядком. Понятно, что в головах некоторых мудрецов стали появляться сомнения: «Да могла ли вообще эта несолидная небесная публика создать такой совершенный механизм мира?»
В европейский мир пришла новая религия с новым суровым и грозным единым богом в трех лицах. Он один, говорило священное писание, создал мир и один во всем прав. А следовательно, учения древних мудрецов-философов — ложны и их следует запретить. Так и поступили. В одно «прекрасное время» учения эти предали забвению, а книги сожгли.
«Вначале бог сотворил небо и землю, — говорилось в священной книге — Библии. — Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною, и дух божий носился над водою. И сказал бог: да будет свет. И стал свет...» Христианский бог сам разделил воду и сушу, засеял сушу травами и засадил деревьями. Изготовил звезды и планеты, Луну и Солнце. Населил моря рыбами, а сушу животными и, наконец, сотворил человека: сначала сотворил мужчину, по имени Адам, а потом — женщину Еву. Так учили монахи, и все должны были верить этой сказке. «Какою бог создал землю, — говорили святые отцы, — такой она и останется до скончания веков!» Правда, в этом утверждении не все было логично. Сами монахи частенько находили в горах окаменелые раковины и камни с отпечатками древних рыб. «Кто занес их на высокие вершины?» — вопрошали они друг друга и тут же бежали искать ответ в той же Библии. А там и на этот случай была подходящая сказка.
Когда людей на земле расплодилось чересчур много, они погрязли в грехах и позабыли, что нужно за все благодарить, славить и непрерывно бояться бога. Позабыли о нем! И великий творец разгневался. Он наслал на землю потоп: «И продолжалось на земле наводнение сорок дней (и сорок ночей), и умножилась вода... так, что покрылись все высокие горы, какие есть под всем небом: на пятнадцать локтей поднялась над ними вода...»
Однако читатели не желали считаться с такими запретами. Они переписывали запрещенные книги от руки, переделывали их, дополняли, вводили своих героев, а непонятного бога и дьявола-сатану наделяли вполне человеческими чертами характера, и они становились ближе и понятнее
«Давно, давно это было. В те времена еще и земли-то не существовало в мире, а расстилалось кругом одно неоглядное море. Надоела такая пустынная картина богу, и решил он создать сушу.
Позвал бог бесовского князя Сатану и велел ему нырнуть на дно морское, принести песку. Гордый был Сатана, высокомерный, но ослушаться бога не посмел. Нырнул! Добрался до самого дна, набрал песку полные руки и — наверх. Пока всплывал, вода весь песок из кулаков повымыла, осталась лишь грязь под ногтями. Отдал он богу грязь и снова нырнул. Крепко зажал добытый песок в ладонях. Вынырнул, глядит, а бог из той грязи, что у него под ногтями была, остров на море сотворил. Ровная да гладкая простиралась земля на острове, и уже травка кое-где начинала пробиваться. Позавидовал Сатана богу: эк ведь как хорошо придумал. Ну погоди, и я не хуже... Отдал песок и снова шасть на дно. Еле донырнул. Но уж теперь не только в руки песку набрал, но и в рот. Полные щеки набил. Еле выплыл. Глядит, а бог у острова пляжик песчаный пристроил, да такой-то веселый, такой мягкий...
Отдал Сатана песок, что в руках принес, и в сторону отворотился. Жадность его одолела. «Схороню-ка что за щекой, себе оставлю. После тоже землю сделаю, еще лучше, для одного себя...» А бог кончил работу и спрашивает: «Ну как, все ли отдал?»
Сатана хотел ответить, да забыл, что рот полон песком и камнями, поперхнулся, закашлялся, заплевался. Полетели у него камни изо рта. Где какой упадет, там гора сделается. Куда Сатана плюнет, там и болото. Испугался бес, что работу богу испортил, ударился бежать. Где копыто ни поставит, там яма или овраг выроется. Еще хуже стало. Воротил его бог. Не ругал, даже жалел: экий, мол, незадачливый...
А уж свечерело. Притомились работники. Легли спать-почивать. Бог-то уснул сном праведным, а Сатана не спит, злоба его точит. Стал он потихоньку бога спиной к обрыву подталкивать. Толкнет, толкнет и затаится. Не проснулся ли? Нет, спит бог, намаялся. И снова Сатана его толкнет. Всю-то ночь толкал, даже похудел. А утром солнце взошло. Поглядел Сатана, а кругом, сколько глаз хватает, протянулись степи безбрежные. Это он бога-то толкал, толкал, а земля под ним и вырастала: чтобы в воду, значит, бог не упал.
Так и произошла на свет матушка-земля наша со степями ковыльными да с пляжами морскими мягкими, с бесовскими горами и болотами. А потом уж ее и зверь, и птица, и человек заселили».
1.2 Происхождение Земли по Декарту
Из осторожности Декарт еще не отказывался от бога. Бог, по мнению ученого, создал материю в виде первичного хаоса, находящегося в движении. Но затем философ делает очень хитрый ход. Он говорит, что поскольку бог вечен и неизменен, а в природе все движется и непрестанно меняется, то недостойно бога вмешиваться в изменяющуюся природу. Таким образом Декарт ловко избавился от участия бога в построении мира сразу же после создания хаоса. Он так и пишет, что, дескать, законы природы «вполне достаточны, чтобы заставить частицы материи распутаться и расположиться в весьма стройном порядке».
Что же представляла собой, по мнению Декарта, первичная материя? В ходе перемешивания ее в первоначальном хаосе частицы дробились и менялись, пока не пришли к такому состоянию, что смогли рассортироваться по трем группам. В первую вошли самые мелкие. Они проникали всюду и заполнили промежутки между другими частицами, составив собою легкий и очень подвижной элемент огня.
Вторая группа объединила более крупные, хорошо отшлифованные частицы — они вошли в элемент воздуха.
Третья же группа — это самые крупные и медленно движущиеся частицы, составившие элемент Земли. Сцепляясь намертво, они образовали твердые тела. А те, что были более подвижными и легкими, создали воду.
Какие же законы управляли всеми этими массами? Декарт ввел в своем сочинении «Начала философии» несколько правил. «Первое правило состоит в том, — писал он, — что каждая часть материи по отдельности всегда продолжает оставаться в одном и том же состоянии до тех пор, пока встреча с другими частями не вызовет изменения этого состояния».
Правила, сформулированные Декартом, образовали фундамент его физики. Но, чтобы составить законченную физическую картину мира, ему не хватало картины рождения Земли. Однако здесь его интересы сталкивались с интересами церкви. Еще во время учебы в иезуитском коллеже юный Декарт усвоил: со святыми отцами не шутят. И чтобы познакомить читателей со своими взглядами на происхождение мира, он пишет некое «фаблио» — вымысел о том, как бы это могло быть с неким воображаемым миром.
Он рассказывает, как в первоначальном хаосе благодаря взаимодействиям частиц образовались первичные вихри — мощные круговые движения, которые он часто наблюдал на полях и дорогах Голландии. Каждый из таких вихрей имеет свой центр. В первичной материи раздробленные крошки частиц материи неба, выдавленные вихревым движением к центру, образуют огненный круговорот. Из него впоследствии образуется Солнце, а в других местах — звезды. Более тяжелые частицы оттесняются к краям вихря. Там они слипаются, сцепляются друг с другом и образуют тела планет. Причем каждая из планет вовлекается вихрем в кругообразное движение вокруг своего центрального светила. Планеты остывают, уплотняются, покрываются коркой. Под нею пары конденсируются в воду. В воде осаждается тяжелый слой... И только в самом центре планеты остается первоначальный огонь. Его жар гонит неостывшую материю вверх по трещинам, сушит внешнюю корку. Кора обрушивается, ее куски падают в воду, нагромождаются друг на друга и образуют горы.
Картина, нарисованная Декартом, поразила современников. В ней не было места богу. Оказалось, без него вполне можно обойтись Идею о первоначальном огненно-жидком состоянии Земли поддерживали многие естествоиспытатели семнадцатого столетия. Это казалось очевидным. Ньютон говорил, что только из вращающейся жидкости мог образоваться такой шар, каковым является наша планета. Немецкий философ Лейбниц тоже полагал, что Земля вначале была расплавленной и, лишь постепенно охлаждаясь, покрылась коркой, а выпавшие из облаков дожди наполнили океаны.
Правда, причина возникновения Земли была все-таки неясна. Оставалось неизвестным и то, сколько времени понадобилось на весь этот процесс.
1.3 Гипотезы
Гипотез о происхождении нашей Земли было выдвинуто очень много. И каждая из них, так или иначе, повлияла на представления ученых о внутреннем строении нашей планеты. Давайте попробуем бегло перечислить основные из них, чтобы в дальнейшем всегда ориентироваться в том, в эпоху какой гипотезы выдвигались те или иные предположения... Устроим как бы «парад гипотез».
Еще при жизни Бюффона у многих астрономов возникли сомнения в том, что комета способна «отшибить кусок Солнца». Все началось с того, что королевский астроном англичанин Эдмунд Галлей обнаружил вековую ошибку. Три кометы, посещавшие пределы Солнечной системы с интервалом в семьдесят шесть лет, при тщательной проверке оказались одним и тем же небесным телом. Галлею даже удалось предсказать, когда снова комета появится на земном небе. При каждом посещении орбита небесной гостьи под действием сил притяжения планет Юпитера и Сатурна немножко менялась. Это означало, что комета весьма невелика по своей массе. Будь она массивнее, не планеты притягивали бы ее, а наоборот. Но как же могло тогда столь ничтожное небесное тело, как комета, столкнувшись с Солнцем, «оторвать у него край»? Да она скорее должна была сгореть в ярком пламени светила.
В 1755 году в Кенигсберге вышла из печати безымянная работа, озаглавленная «Общая естественная история и теория неба». Неизвестный автор, подобно греческим философам и Декарту, соглашался, что мир произошел из хаоса, из огромного туманного облака, частицы которого со временем объединились под действием ньютоновской силы и образовали планеты.
Впрочем, этот труд остался неизвестен широкой публике. Книгоиздатель прогорел, и брошюра анонимного автора, коим оказался молодой философ Иммануил Кант, так и осталась на складе. Лишь в конце жизни Кант вспомнил о ней. Но к тому времени широкую популярность приобрела гипотеза происхождения Солнечной системы из раскаленной газовой туманности, выдвинутая выдающимся французским математиком Пьером Лапласом.
Оба предположения были настолько похожи друг на друга, что впоследствии их стали называть общим именем «небулярной гипотезы Канта — Лапласа». Слово «небулярный» означает «туманный». Новая гипотеза очень полюбилась читающей публике. Все в ней было стройно, все логично объяснялось. Правда, прошло некоторое время и новые факты, добытые астрономами, стали понемножку приходить в противоречие с выводами Лапласа. Но это неизбежно. Такова судьба каждой научной гипотезы.
К началу двадцатого века противоречий накопилось столько, что все понимали: пришло время замены небулярной гипотезы на новую. И таковую предложили профессор Ф. Мультон и Т. Чемберлин. Они предположили, что когда-то в отдаленные времена мимо молодого Солнца прошла другая массивная звезда. Своим притяжением она вызвала извержение вещества из Солнца. И из этой выброшенной из недр нашего светила материи образовались в конце концов планеты. Это была снова «катастрофическая гипотеза», в которой происхождение планетной системы оказывалось в прямой зависимости от космической катастрофы, как у Бюффона.
myunivercity.ru
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 выветри вания 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.yurii.ru
