7.2. Эволюция на геологическом уровне

7.2.1. Современные концепции развития геосферных оболочек. Современная геология в своих опытных исследованиях и теоретических построениях разделяет слои земного шара (главным образом по признаку их агрегатного состояния) и дает им разные наименования. Все вместе они называются геосферами, а каждый из слоев (оболочек) — соответствующей сферой.

Итак, геосфера — объем материи, включающий земной шар и прилежащие области, где физические характеристики материи существенно отличаются от таковых в межпланетном пространстве Солнечной системы.

Всего геосферных оболочек у нашей планеты шесть:

1) магнитосфера — самая внешняя и протяженная оболочка, свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц от Солнца — солнечным ветром,

2) атмосфера — газовая (воздушная) оболочка, непосредственно прилегающая к земному шару, свойства которой по высоте существенно различны,

3) гидросфера — жидкостная (водная) оболочка, которая является прерывистой, занимая главным образом углубления наружной поверхности коры, частично проникая внутрь ее (подземные воды) и частично в атмосферу (водяной пар),

4) литосфера — земная кора, располагающаяся на поверхности земного шара,

5) мантия — промежуточная оболочка земного шара,

6) барисфера — внутренняя оболочка (слой) Земли мощностью (радиусом) 3500 км, объединяющая ядро и ядрышко.

Вещество всех геосферных оболочек находится в непрерывном движении и изменении. Это приводит к миграции химических элементов, циркуляции тепловых потоков, перемещениям громадных масс веществ, его фазовым превращениям (изменениям агрегатных состояний и т. д.). Все это ведет, по-видимому, к дальнейшей самоорганизации материи в пределах земного шара. Земля является открытой и сложноорганизованной системой. Она обменивается с окружающей космической средой веществом (поступление элементарных частиц, пылегазовых компонентов, метеоритного вещества), энергией (фотонный компонент солнечной радиации, излучение собственного теплового потока, а в эпоху современной цивилизации — и других энергетических потоков, включая радиоволны, тепло электростанций и т. д.) и информацией (ритмы космоса, влияющие на Землю). Процессы самоупорядочивания Земли, видимо, состоят в дальнейшем разделении легких и тяжелых компонентов ее вещества, их перераспределении по зонам легкоплавкости и тугоплавкости, упорядочивании размещения фаз (жидких, твердых, газообразных). Вместе с тем происходят и процессы дезорганизации (преимущественно — в поверхностных слоях): сглаживание рельефа, выравнивание температур, разрушение горных пород, вымывание подземными водами вещества, сходы ледников и т. п.

На этом фоне четко просматривается кругооборот веществ в земных масштабах:

• эндогенные (исходящие изнутри) процессы выносят массы вещества на поверхность (вулканизм, магматизм),

• оседающие с поверхности на дно океанов массы веществ уплотняются, подвергаются метаморфозам и проникают в глубинные слои коры и в мантию под действием экзогенных (исходящих с поверхности) процессов.

7.2.2. Литосфера. Долгое время считалось, что твердая земная кора образовалась при остывании огненно-жидкой планеты. И поэтому ученые полагали, что она как бы плавает на подстилающем расплавленном веществе. Однако, когда провели «просвечивание» глубоких недр упругими (сейсмическими) волнами, то оказалось, что под земной корой вещество находится в твердом состоянии. И так на тысячи километров вниз, вплоть до границы в ядром Земли. Стало ясно, что очаги магмы, которая изливается в вулканических областях, образуются среди твердых пород лишь время от времени, то в одном, то в другом месте.

На чем же в таком случае плавает земная кора? В 1914 г. Джозеф Барелл из Йельского университета (США) высказал догадку, что где-то в мантии существует астеносфера, т. е. «ослабленная оболочка» разогретых и сравнительно пластичных горных пород. Полвека спустя это полностью подтвердилось: астеносфера обнаружила себя как проводник сейсмических волн («волновод») и электрических токов. Более твердые породы, залегающие над астеносферой, было решено называть литосферой, т. е. «каменной оболочкой». Ее толщина 150–300 км под континентами и от нескольких километров до 90 км — под океаном. Литосфера объединяет самую верхнюю часть мантии Земли и земную кору, которая служит как бы ее внешней облицовкой.

Итак, литосфера плавает на астеносфере, при этом она поднимается, опускается и скользит в горизонтальном направлении относительно нижней мантии и ядра Земли. Земная кора участвует во всех движениях как составная часть литосферы.

Каменная оболочка Земли не представляет собой единого целого. На карте землетрясений видно, что они происходят вдоль крупных расколов, которые делят литосферу на части, называемые литосферными плитами. Всего на земном шаре сейчас семь больших, а также несколько более мелких плит. В их внутренних частях землетрясений мало, значит это сравнительно спокойные области. Возникновение землетрясений на границах литосферных плит говорит о том, что именно там накапливаются напряжения, происходит смещение одной плиты относительно другой.

Заметно различаются два вида границ между литосферными плитами. На одних плиты расходятся, удаляются друг от друга. По тому, как идет разрядка глубинных напряжений при образовании очагов землетрясений, видно, что в них происходит растяжение. На поверхности появляются глубокие расщелины — рифты (от англ. трещина, щель). Эти границы тянутся вдоль подводных срединно-океанических хребтов, их называют дивергентными (от лат. обнаруживать расхождение), т. е. дающими движение в двух расходящихся направлениях.

На других границах литосферные плиты сходятся, и в очагах землетрясений там чаще всего происходит сжатие. Такие границы называют конвергентными (от лат. приближаться, сходиться), поскольку они образуются в результате встречного движения. Эти границы выражены в рельефе высокими горами, глубоководными жёлобами, островными дугами и расположены главным образом вокруг Тихого океана.

Есть еще и третий, дополнительный, вид границ. Это прямые разломы, вдоль которых одна литосферная плита как бы скользит, сдвигается горизонтально относительно другой. Их называют трансформными разломами, поскольку, сдвигая плиту, они переносят движение от одной активной зоны к другой. В очагах землетрясений здесь происходит скол пород — их сдвиг параллельно разлому.

Главный источник движения находится под литосферой, где происходит круговое движение — циркуляция, или конвекция, мантийного вещества под действием тепловых и иных эффектов. Там, где конвективные кольца сходятся в восходящий поток, литосфера приподнимается и раздвигается в стороны. Образуются срединно-океанические хребты с их расщелинами-рифами, где по трещинам изливаются базальтовые лавы. Под поверхностью дна магма, заполнившая такую трещину, застывает и превращается в кристаллическую горную породу. Поэтому по мере того как две половины срединно-океанического хребта расходятся в стороны, зияние между ними заполняется веществом, вышедшим из глубины, и происходит образование новой океанической коры, разрастание морского дна, его спрединг (от англ. развертывание, расстилание). Скорости спрединга — от нескольких миллиметров до 18 см в год, если измерять в одну сторону от оси хребта, а полные скорости в два раза больше.

Размер земного шара на протяжении нескольких миллионов лет можно считать неизменным. Значит, если в срединно-океанических хребтах литосфера разрастается, то где-то она должна поглощаться или же сокращаться за счет смятия в складки, надвигания одного участка на другой. Это действительно происходит там, где потоки мантийного вещества встречаются и затем направляются вниз. В таких местах океаническая литосфера сначала пододвигается под встречную плиту и затягивается мантийными потоками на глубину, а потом при высоких давлениях она уплотняется и начинает сама погружаться, «тонуть» в вязкой астеносфере, опускаясь на поверхность нижней мантии. В некоторых местах, как, например, под Камчаткой, литосфера затягивается и дальше, на глубину более 1 тыс. км, где она теряется. Такое пододвигание, погружение и поглощение океанической литосферы называют субдукцией. На дне океана, там, где литосфера «ныряет» в мантию, образуются глубоководные желоба. Самый глубокий из них — Марианский в Тихом океане (более 11 км). Рядом с желобами обычно цепочкой выстраиваются действующие вулканы, например вулканы Курильской островной дуги и Камчатки рядом с Курило-Камчатским желобом. Они образуются под тем местом, где литосфера, наклонно уходящая на глубину, начинает плавиться при высоких температурах и давлениях. В разных зон ах скорость субдукции различна: от 1 до 12 см в год.

Итак, литосферные плиты движутся от срединно-океанических хребтов, где разрастается океаническая литосфера, к глубоководным желобам, где она уходит на глубину и там поглощается. Вместе с океанической литосферой движутся и континенты, которые, будучи спаяны с ней, образуют единые плиты. При столкновении двух континентов (в тектонике это называется коллизией) происходит нагромождение высочайших гор, таких, как Гималаи, Памир, Альпы.

Размещение зон спрединга (растяжения) и субдукции (пододвигания), а значит, и движение литосферных плит зависят от общих для всей Земли глобальных процессов. В последние 200 млн лет (мезозой и кайнозой в геологическом летоисчислении) в движениях литосферных плит господствуют распад суперконтинента Пангея и центробежное перемещение его частей. Раскрылись Атлантический, Индийский и Северный Ледовитый океаны, они продолжают разрастаться и в наши дни.

Если в зонах спрединга рождается океаническая литосфера, то в зонах субдукции наращивается континентальная. В тех и других зонах располагается большинство наземных и подводных вулканов, в них поднимаются горячие растворы, в том числе несущие металлы, образуются рудные месторождения. Так что учение о тектонике литосферных плит не ограничивается выявлением закономерностей их движений, оно рассматривает, как формируется океаническая и континентальная кора и как в зависимости от этих движений возникают рудные месторождения и проявляется магматизм.

Оказалось, что когда океаническая кора погружается и возвращается в мантию, она уносит с собой морские отложения, накопившиеся на дне, в том числе горные породы органического происхождения. Таким образом, воздух атмосферы, вода океанов и даже животные и растения оказывают влияние на состав мантии Земли до глубин в сотни, а может быть, и тысячи километров. Время от времени в геологической истории происходила перестройка глубинных процессов. Прежние зоны спрединга и субдукции литосферы отмирали, закладывались новые, но круговорот вещества земли не останавливался, «машина» тектоники плит продолжала работать.

Впечатляющая картина того, что происходит в зонах спрединга и субдукции — самых активных областях Земли, — каждый год пополняется все новыми наблюдениями. В расщелины срединно-океанических хребтов и в глубоководные желоба вновь и вновь спускаются исследователи в батискафах и других аппаратах для подводного плавания. Скважины, которые бурят со специальных кораблей, вскрывают глубокие слои на океанском дне и даже проникают в напряженную зону, где одна плита пододвигается под другую. Сейсмологи следят за землетрясениями, геофизики «просвечивают» литосферу и мантию упругими волнами, измеряют электрическую проводимость пород и идущий из глубины тепловой поток, обнаруживают аномалии магнитного поля и силы тяжести. С помощью спутников и радиотелескопов измеряют направление и скорость движения одного континента относительно другого. Исследователи изучают особенности состава вулканических лав, несущих информацию о глубинных процессах. Это и многое другое лежит в основе современного учения и тектонике литосферных плит.

7.2.3 Гидросфера (7). Совокупность всех водных массивов земного шара — океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, болот, подземных вод, ледников и снежных покровов — образует гидросферу Земли. Часто под гидросферой подразумеваются только океаны и моря. Действительно, больше всего воды содержится в мировом океане, около 2% ее — в ледниках. Много воды под землей. Для своих нужд человек использует главным образом воду рек и пресных озер, которой на Земле чрезвычайно мало — 0,001% всего водного массива. Вот почему проблема сохранения водных ресурсов — одна из важнейших.

Мировой океан — основная часть гидросферы. В течение года с поверхности Земли и океанов испаряется в воздух около 335 тыс. км³ воды, большая часть ее — около 90% — затем выпадает в виде осадков над поверхностью океанов и морей, а остальная влага осаждается на суше и потом реками выносится в океан, уходит под землю, консервируется в ледниках. Такой непрерывный круговорот воды оказывает большое влияние на климат и обмен веществ на всей нашей планете. Водяные пары, находясь в воздухе, задерживают в атмосфере тепло Земли. Чем больше испаряется воды, тем мягче климат. На территории с морским климатом сезонные колебания температуры значительно меньше, чем там, где преобладает континентальный климат. Мировой океан образно называют печкой планеты. В теплый сезон года большая масса океанской воды согревается медленнее суши и поэтому охлаждает воздух. Причина этого явления — большая теплоемкость воды.

Ежедневно в любую погоду происходят морские приливы и отливы. Наибольшие приливы наблюдаются в Англии в устье реки Северн (разница между уровнями воды при приливе и отливе составляет 16,3 м). Первое научное объяснение морских приливов дал Ньютон. Он доказал, что приливы обусловливаются силой притяжения Луны. Приливы и отливы происходят не только в водной оболочке Земли, но и в твердой и в воздушной. Под действием сил притяжения Луны даже твердая оболочка нашей планеты дважды в сутки поднимается и опускается на несколько десятков сантиметров.

Реки земного шара ежегодно сбрасывают в моря около 35 тыс. м³ воды, причем наибольший сток — с Азиатского материка. Второе место занимает Южная Америка — одна Амазонка выносит в океан десятую часть воды всех рек планеты.

Важную роль в жизни людей и их хозяйственной деятельности играют атмосферные осадки. Однако распределение их на земном шаре неравномерно: в одних местах — избыток, а в других — недостаток. Поэтому важно научиться управлять распределением осадков. Управлять же таким процессом все же удается, правда, в небольших масштабах, например при необходимости над территорией аэропорта или города «прояснить погоду».

Ледяная оболочка планеты называется криосферой. Основная масса льда — ледники, они делятся на горные и покровные. Горные ледники — это, по существу, ледяные реки. Спускаясь вниз по склонам, они ведут себя как реки: встречая широкое и ровное пространство, разливаются по нему, а в узких ущельях движутся как горный поток. Правда, движение горных ледников очень медленное. Огромные языки ледников спускаются с высочайших вершин Гималаев, Тибета. Многие сибирские реки берут свое начало в ледниках Алтая и Саян.

Царство покровных ледников — арктический и антарктический пояса. Они покрывают всю поверхность арктических островов и Антарктиды, постепенно сползая к океану. В некоторых местах ледниковый покров растекается даже по поверхности моря — так рождаются ледяные плавучие горы — айсберги. Особенно огромны ледниковые отложения в Антарктике. Здесь поистине царство льдов, их площадь превышает площадь всей Европы. Антарктида таит в себе много загадок. Когда-то этот континент был покрыт вечнозеленой растительностью, о чем свидетельствуют найденные здесь залежи каменного угля.

Знакомясь с ледяным царством на земле, нельзя забывать и о его подземных владениях. Районы вечной мерзлоты на земном шаре занимают четверть суши. На территории нашей страны мерзлота несплошной полосой тянется от побережья Ледовитого океана до Туруханска и Якутска, а отдельные ее островки есть и южнее — у Иркутска, Красноярска, Читы, на берегах Амура. Вечная мерзлота оказалась прекрасным холодильником: тысячелетия он работает так исправно, что сохранились трупы давным-давно погибших животных с мясом, кожей и шерстью. Когда ученые познакомились с тем, что сохранила замерзшая северная земля, они пришли к выводу, что вечная мерзлота не вечна. Она образовалась около 100 тыс. лет назад, когда произошло великое оледенение. Наступившее потом потепление оттеснило льды на острова Ледовитого океана, но под слоем почвы, оттаивающей каждое лето, на севере нашей страны осталась навеки промерзшая земля.

7.2.4. Атмосфера (7). Воздушную оболочку Земли образует атмосфера. Она, как одежда, защищает днем поверхность Земли от обжигающих лучей Солнца, а ночью сохраняет тепло, накопленное за день. Воздух спасает нас и от смертельного космического излучения. Без воздушной оболочки Земля была бы мертвой. Ведь все живое не может существовать без воздуха.

Сейчас мы знаем, что чем ближе воздух к поверхности Земли, тем он плотнее. Масса 1 м³ воздуха у земной поверхности составляет в среднем 1,293 кг. На высоте 10 км она снижается до 400 г, а на сорокакилометровой высоте — до 4 г. Основные составляющие атмосферы — азот (78%) и кислород (21%). Атмосфера, кроме того, содержит в небольших количествах углекислый газ, аргон, гелий, водород, озон, водяные пары и др.

Самая нижняя часть атмосферы — тропосфера — простирается до 8–10 км в полярных широтах и до 16–18 км в тропических широтах. В тропосфере сосредоточено более 1/5 всей массы воздуха. В ней образуются облака, дождь, снег, град, ветер. Поэтому ее справедливо считают фабрикой погоды.

Следующий слой — стратосфера — над тропосферой до высоты 50–55 км над земной поверхностью. Здесь неизменно ясно и часто дуют сильные ветры. В стратосфере существуют сезонные и климатические различия: есть своя зима и свое высотное лето, есть свои умеренные широты и зоны экватора. Между тропосферой и стратосферой происходит постоянный обмен воздушными массами. Поэтому к изменению погоды причастна и стратосфера, иногда ее называют «кладовой» погоды.

Следующий слой атмосферы — ионосфера — начинается на высоте от 50 км и ограничивается сверху магнитосферой — областью, где проявляется магнитное поле Земли. Ионосфера состоит преимущественно из заряженных частиц, обладающих способностью отражать короткие радиоволны, что позволяет осуществить дальнюю радиосвязь. В ионосфере дуют ураганные ветры.

Выше ионосферы, начиная с высоты в несколько сотен километров над Землей, расположена экзосфера — зона рассеяния атмосферы, из которой быстро движущиеся атомы водорода могут вылетать в космическое пространство. Следы атмосферы обнаруживаются и выше — на высоте более 10 тыс. км. До высоты 100–200 км газовый состав нашей планеты значительно не меняется. Выше — до 200–250 км — преобладает азот, затем — до 500–700 км — атомарный кислород, а еще выше — гелий. У поверхности «воздушного океана» преобладает самый легкий элемент — водород.

Внешняя форма воздушной оболочки Земли не шарообразна, а вытянута с ночной стороны наподобие хвоста кометы. Длина такого своеобразного хвоста — около 100 тыс. км. Предполагается, что он образовался в результате давления солнечных лучей — солнечного ветра.

Деление атмосферы и земного шара на составные части весьма условно. Нельзя провести резкую границу между отдельными частями, хотя каждая из них обладает вполне определенной спецификой. Все они тесно взаимосвязаны друг с другом.

7.2.5. Магнитосфера (3). Мы живем на поверхности Земли и вращаемся вместе с ней, но этого вращения мы не ощущаем и находимся как бы в покое. Получается, что жидкое ядро в недрах Земли вращается под нашими ногами в направлении суточного хода Солнца. Ввиду огромных (до 5000°С) температур в жидкой части земного ядра составляющее его вещество находится в ионизированном состоянии, т. е. электрически заряжено. Естественно, это движение заряженного тела будет приводить к тому, что наша планета превратится в магнит.

До 1958 года считалось, что магнитное поле Земли представляет собой поле магнитного диполя (см. рис. 11а), которое существует во всем пространстве и исчезает лишь при бесконечно большом удалении от планеты. Однако исследования, проведенные с помощью спутников и космических ракет, показали, что геомагнитное поле имеет другую форму. Его сдувает поток заряженных частиц, непрерывно испускаемых Солнцем, — солнечный ветер. Это водородная плазма с концентрацией около 10 частиц/см³, движущаяся со скоростью 300–500 км/с в межпланетной среде.

При обтекании солнечным ветром магнитного поля Земли образуется ударная волна, поэтому форма силовых линий магнитного поля на расстояниях, примерно равных семи-восьми радиусам Земли, существенно отличается от дипольной. Ударная волна противодействует дальнейшему проникновению элементарных частиц от Солнца, заставляя подавляющую их часть как бы «обтекать» Землю (см. рис. 11 б).

Геомагнитное поле образует так называемую магнитосферу. С дневной стороны солнечный ветер ее «сжимает», а с ночной — «вытягивает». Возникает весьма длинный «хвост», начинающийся на расстоянии около десяти радиусов Земли.

Р ис. 11. Схематичное изображение магнитного поля Земли

При возрастании солнечной активности (вспышки на Солнце) равновесная картина взаимодействия магнитных полей Солнца и Земли нарушается, усиливается солнечный ветер. Возникает так называемая магнитная буря, что приводит к частичному увеличению проникновения в атмосферу элементарных частиц, полярным сияниям, зачастую неблагоприятным для жизнедеятельности последствиям.

Надо отметить, что северный и южный магнитные полюса не точно совпадают с географическими полюсами Земли. Расхождения составляют примерно 11°. Об этом мореплаватели, издревле пользующиеся компасом, знают. Но и географическое расположение магнитных полюсов не является навечно закрепленным. В истории Земли неоднократно происходили изменения положений магнитных полюсов даже на противоположные, т. е. южный и северный магнитные полюса могут меняться местами. Это зафиксировано учеными: во-первых — по расположению горных пород, во вторых — по составу осадочных слоев в океане.

Объясним, например, второе. На дно мирового океана постоянно, в течение всего времени существования (приблизительно 3,7 млрд лет) сыплется непрекращающийся дождь: скелеты погибших организмов, прилетевшие из космоса микрометеориты, принесенные ветром и реками с суши вещества. Среди них есть и частицы металлов. Когда они достигают дна, большая часть металлических частиц укладывается вдоль силовых линий магнитных полей Земли, показывая направление на магнитные полюса. Это продолжается в течение тысяч лет. Порода имеет свою магнитную память — это явление названо остаточной намагниченностью и используется для построения особой магнитной шкалы геологического времени. Именно по этим направлениям ученые выяснили, что сам процесс смены полюсов растягивается примерно на 10 тыс. лет, что по геологическим понятиям очень быстро. Между такими переменами протекает довольно много времени: установлено, что последние два раза магнитная полярность менялась примерно 0,7 млн и 1,7 млн лет назад. Интересное совпадение: на этих временных границах наблюдается преобразование органического мира, хотя говорить об однозначной связи между сменой магнитных полюсов и преобразованиями органического мира сложно. Вероятно, магнитное поле во время перемен полярности исчезает или сильно ослабевает и Земля остается «обнаженной» перед потоком губительных для всего живого космических излучений — происходит смена животного мира Земли. Интенсивность, направление магнитного поля Земли изменчиво в масштабах геологического возраста планеты. Эти изменения могут влиять на самоорганизующие начала жизненных процессов на Земле. В то же время постоянство магнитного поля обусловливает стационарность протекания многих жизненных процессов.

7.2.6. Географическая оболочка Земли. Понятие географической оболочки не относится прямо к области геологии, а относится к области географии — науки, занимающейся описанием земной поверхности (от греч. «графо» — пишу). Поэтому понятие географической оболочки (синоним — ландшафтной оболочки), с одной стороны, уже, чем понятие геосферной оболочки, рассмотренное выше, с другой стороны — выходит за пределы геологии и включает ландшафтную сферу, т. е. сферу, где залегающие горные породы, участки суши (или водной поверхности), климат, растительность и животный мир образуют взаимосвязанное и взаимообусловленное единство. В этом плане понятие географической оболочки перекликается с понятием биогеоценоза, отличаясь от последнего понятия чисто описательным характером условий существования биогеоценозов, но в планетном масштабе.

Таким образом, в естественнонаучном понимании географическая оболочка — тонкая пространственная оболочка, включающая нижний слой атмосферы, гидросферу и верхний слой земной коры (рельеф), изучаемая с целью установления степени пригодности на различных участках к условиям существования живых организмов и к человеческой деятельности.

По своему уровню организации географическая оболочка превосходит все геосферные оболочки. В пределах ее небольшой толщины, не превышающей 20 км, сосредоточены все самые яркие индивидуальные черты земной организации материи. Именно здесь присутствуют наиболее высокоорганизованные формы материи, происходят наиболее разнообразные процессы преобразования энергии: энергия Солнца преобразуется в тепловую, химическую, механическую, электрическую, магнитную энергию, запасаемые в неживых и живых формах материи. Именно здесь реализуются наиболее значимые для Земли и ее обитателей ритмы материи. Ввиду разнообразия условий, создаваемых рельефом, климатом, водами и живыми организмами, географическая оболочка высоко организована и по упорядоченности превосходит каждую из географических оболочек и всех их, вместе взятых.

Для полного описания географической оболочки Земли вводятся уточняющие понятия:

1. Климатические пояса — полярные, умеренные, тропические, экваториальный.

2. Физико-географические пояса — арктический, субарктический, северный умеренный, северный субэкваториальный, экваториальный и далее — до антарктического.

3. Растительные зоны — тундровая, лесотундровая, лесная, лесостепная, степная, пустынная, джунгли и т. п. (и ряд других классификаций).