Глава 7. Основные концепции в геологии

7.1. Внутреннее строение Земли и история ее

геологического развития

7.1.1. Строение Земли. Земля как планета Солнечной системы имеет важнейшее значение для естествознания не столько потому, что она — наиболее доступное для исследования космическое тело, а потому, что на ней существует жизнь, причем достигшая наивысшей формы — разумной.

Внутренняя структура (т. е. строение) Земли еще окончательно наукой не установлена. Объясняется это тем, что опытному исследованию доступна лишь самая верхняя часть земной коры (как бы «кожа земного тела»). Все сведения о более глубоких недрах нашей планеты получаются косвенно, главным образом — из географических исследований, в том числе путем изучения распространения сейсмических (от греч. «сейсмос» — землетрясение) волн — упругих волн, вызываемых естественным или искусственным (от направленных взрывов) землетрясениями. Наша планета до сих пор хранит множество тайн. Проникнуть глубоко внутрь ее даже сегодня не так легко. Глубина современных шахт — всего лишь несколько километров. Самая глубокая скважина в мире пробурена в 1994 г. в России на Кольском полуострове, ее глубина 12 262 метра.

Модель земных недр изображена на рис. 8. Земля состоит из земной коры, мантии и ядра. Земную кору покрывают гидросфера — жидкая оболочка (она не сплошная) и атмосфера — газовая оболочка. Твердая оболочка земли делится на две основные части: верхнюю — земную кору и нижнюю — мантию.

Средняя толщина земной коры — несколько десятков километров. На материке она равна 30–40 км, под Памиром и Андами — 70–80 км, а под океанами — не более 10 км. Поверхностный слой земной коры на континентах сформировался в основном из осадочных пород. В нем сохранились останки вымерших животных, когда-то населявших Землю, и фрагменты погибших растений.

Земная кора — сокровищница разнообразных полезных ископаемых: каменного угля и нефти, газа, руд черных и цветных металлов, минеральных удобрений и т. д. Месторождения каменного угля сформировались в те времена, более 200 млн лет назад, когда на Земле были благоприятные условия для развития растительности.

С

0

амая глубинная часть Земли — ядро. Его радиус около 3,5 тыс. км. Оно состоит из внешней оболочки в жидком состоянии и внутреннего твердого субъядра. Температура в центре ядра — примерно 5000°С, плотность вещества ядра — 12, 5 т/м³. По химическому составу субъядро похоже на железный метеорит, содержащий около 80% железа и 20% никеля. Внешняя оболочка ядра содержит 52% железа, 48% смеси железа с серой. Согласно одной из гипотез, в результате циркуляции потоков расплавленных металлов во внешней оболочке ядра возникает магнитное поле Земли.

Между ядром и земной корой находится мантия — самая массивная часть Земли, составляющая около 83% ее объема. Температура мантии — 2000–2500°С. Вещество мантии содержит различные силикаты — соединения, включающие кремний. Происходящие в ней процессы обусловливают тектоническое движение, образование магмы и вулканическую активность.

В ерхняя часть мантии вместе с земной корой образует литосферу — внешнюю сферу твердой части Земли. В соответствии с новой гипотезой новой глобальной тектоники — науки о развитии структуры земной коры — литосфера состоит из крупных плит, перемещающихся в горизонтальном направлении по астеносфере — подстилающем литосферу слое пониженной твердости и вязкости в верхней мантии Земли. Литосферные плиты — это крупные (до нескольких тысяч километров в поперечнике) блоки земной коры, включающие не только континентальную, но и сопряженную с ней океаническую кору. На границе их находятся сейсмические, тектонические активные зоны разломов. Из-за смещения литосферных континентальных плит высота, например, Эвереста увеличивается на 2,5–5 см ежегодно.

Как уже отмечалось, температура ядра и мантии очень высока — тысячи градусов. Казалось бы, все вещества при такой температуре должны находиться в расплавленном и даже газообразном состоянии. Однако субъядро и мантия — твердые образования: вещество в них находится под огромным давлением, при котором температура плавления гораздо выше, чем при нормальном давлении.

Как только давление ослабевает, твердые породы расплавляются. Образуется жидкая расплавленная масса — магма. При перемещении вещества в земной коре возникают глубокие трещины с пониженным давлением, где образуется очаг с магмой. Сжатая со всех сторон магма растекается по трещинам, застывая в них в виде жил, а в некоторых местах она прорывается наружу. Так возникает вулканическое извержение. Вулкан — это своеобразная природная домна, в которой плавится и выбрасывается на поверхность много ценных металлов и минералов: железо и свинец, олово и алюминий и др.

7.1.2. История геологического развития Земли. Историю Земли делят на два периода: астрономический (догеологический) и геологический. Известно несколько гипотез о происхождении Земли. Почти все они сводятся к тому, что исходным веществом для формирования планет Солнечной системы, в том числе и Земли, были межзвездная пыль и газ.

Планетная космогония. Наиболее важные выводы планетной космогонии сводятся к следующему:

1

Космогония — раздел астрономии, изучающий происхождение и развитие космических тел и их систем (планет и Солнечной системы в целом, звезд, галактик и т. д.). Наиболее развиты космогония Солнечной системы (планетная космогония) и звездная космогония. Во второй половине ХХ века в планетной космогонии утвердилась гипотеза о происхождении Солнца и планет из единого холодного газо-пылевого облака (гипотеза Канта и Лапласа, развитая О.Ю. Шмидтом, Ф. Хойлом, А. Камероном (США), Э. Шац­маном (Франция) и др.) (17).

. Планеты сформировались в результате объединения твердых (холодных) тел и частиц, входивших в состав туманности, которая когда-то окружала Солнце. Эту туманность часто называют «допланетным» или «протопланетным» облаком. Считается, что Солнце и протопланетное облако сформировались одновременно в едином процессе, хотя пока неясно, как произошло отделение части туманности, из которой возникли планеты, от «протосолнца».

2. Формирование планет происходило под воздействием различных физических процессов. Следствием механических процессов стало сжатие (уплощение) вращающейся туманности, ее удаление от «протосолца», столкновение частиц, их укрупнение и т. д. Изменялась температура вещества туманности и состояние, в котором находилось вещество. Замедление вращения будущего Солнца могло быть обусловлено магнитным полем, связывающим туманность с «протосолнцем».

Таким образом, основная идея современной планетной космогонии сводится к тому, что планеты и их спутники образовались из холодных твердых тел и частиц.

История Земли и таблица Менделеева (10). Однако до сих пор нет однозначного ответа на вопросы: каким образом в составе планет оказался полный набор химических элементов таблицы Менделеева и что послужило толчком для начала конденсации газа и пыли в протосолнечную туманность. Некоторые ученые предполагают, что появление разнообразных химических элементов связано с внешним фактором — взрывом сверхновой звезды в окрестностях будущей Солнечной системы. По-видимому, в недрах и газовой оболочке сверхновой звезды в результате ядерных реакций происходил синтез химических элементов (звездный нуклеосинтез). Мощный взрыв своей ударной волной мог стимулировать начало конденсации межзвездной материи, из которой образовалось Солнце и протопланетный диск, впоследствии распавшийся на отдельные планеты внутренней и внешней групп с поясом астероидов между ними. Такой путь начальной стадии формирования Солнечной системы называется катастрофическим, т. к. взрыв сверхновой звезды — природная катастрофа. В масштабах астрономического времени подобные взрывы не столь уж редкое явление — они происходят в среднем через несколько миллиардов лет.

Дифференциация вещества Земли. Предполагается, что образованию планет из протоплазменного диска предшествовала промежуточная стадия формирования твердых и довольно крупных, до сотен километров в диаметре, тел, называемых планетезималями, последующее их скопление и соударение вызвало аккрецию (наращивание) планеты, которая сопровождалась изменением гравитационных сил.

Возможно, существенный разогрев Земли вплоть до температуры плавления ее вещества произошел уже на стадии аккреции. Предполагается, что при таком разогреве начиналась дифференциация вещества Земли на несколько оболочек, и прежде всего на силикатную мантию и железное ядро. При этом нельзя исключать и радиоактивный источник тепла. Рассмотрим эти процессы (10).

Первобытная Земля была, скорее всего, однородной по плотности, с равномерным распределением химических элементов по большому сферическому объему. Наиболее распространенные элементы: Al, H, Si, Fe, P, O, Ni, N, S, C. Таким образом, уровень организации материи на первобытной Земле был невысоким. Однако затем под действием энергетических потоков произошло перераспределение вещества планеты: легкие элементы поднялись наверх и образовали воздушную оболочку планеты, средние опустились ниже и образовали кору и верхние слои мантии, самые тяжелые опустились внутрь и образовали центральные части Земли: нижние слои мантии, ядро и ядрышко. В качестве энергетических воздействий, по одним предположениям, выступали потоки тепла от разогревания центральных слоев под действием гравитации, по другим — энергия радиоактивного распада тяжелых элементов, по третьим — механические воздействия от наружных ударов метеоритов, астероидов, комет, по четвертым — приливное действие близко тогда находившейся Луны, по пятым — мощная солнечная радиация.

В процессе разогрева земных недр энергией разных гипотетических источников возникла мощная вулканическая деятельность, образовались вздутия и углубления твердой поверхности, выделилось большое количество воды, которая заполнила углубления поверхности, сформировав гидросферу Земли. Газообразные потоки, согласно свойствам газов, расширялись в свободное пространство над поверхностью Земли и образовали атмосферу. Благодаря большой массе Земля смогла удержать атмосферу около себя. По-видимому, аналогичные процессы происходили и на других планетах земной группы. Однако на Марсе (масса около 0,11 от земной) атмосфера не удержалась (точнее удержался 1% ее) и распылилась в космическом пространстве. То же произошло и на Меркурии (масса 0,045 от земной), а на Венере (масса 0,82 от земной) атмосфера удержалась и присутствует там и ныне.

Н

Метаморфические горные породы образовались в результате изменения (метаморфизма) осадочных или магматических горных пород с полным или почти полным изменением их минерального состава, структуры и текстуры (например, гнейсы, кристаллические и глинистые сланцы, кварциты) (17).

а поверхностные геологические процессы на Земле, по-видимому, мощное формообразую­щее влияние оказывала солнечная радиация. Ис­паряя воду, она способствовала интенсивным метеорологическим про­цессам, которые разрушали первичную кору, создавали мощные осадочные породы, последние отчасти под давлением вышележащих слоев, отчасти под воздействием внутреннего тепла из недр Земли превращались в породы метаморфические. Их внутренние слои под действием давления и земного тепла превращались в породы магматические.

Описанный гипотетически этап первого миллиарда лет истории Земли закончился примерно 3,5 млрд лет назад, когда сформировалась первичная земная кора континентального типа. Она существенно отличалась от современной, т. е. геологическая эволюция Земли в то время не закончилась. В дальнейшем кора подвергалась существенным перестройкам, разрушениям, видоизменениям: перемещались материки, перераспределялись континентальные водоемы, возникали разломы поверхности и т. д.

Что ждет Землю в будущем? На этот вопрос можно ответить лишь с большой степенью неопределенности, абстрагируясь как от возможного внешнего, космического влияния, так и от деятельности человечества, преобразующего окружающую среду, причем не всегда в лучшую сторону.

В конце концов, недра Земли остынут до такой степени, что конвекция в мантии и, следовательно, движение материков (а значит, и горообразование, извержение вулканов, землетрясения) постепенно ослабнут и прекратятся. Выветривание со временем сотрет неровности земной коры, и поверхность планеты скроется под водой. Дальнейшая ее судьба будет определяться среднегодовой температурой. Если она значительно понизится, то океан замерзнет и Земля покроется ледяной коркой. Если же температура повысится (а, скорее всего, именно к этому и приведет возрастающая светимость Солнца), то вода испарится, обнажив ровную поверхность планеты. Очевидно, ни в том, ни в другом случае жизнь человечества на Земле будет уже невозможна, по крайней мере, в нашем современном представлении о ней.