Вопросы для самопроверки

1. В чем суть гипотез И. Канта, П. С. Лапласа и последующих авторов космических моделей?

2. Что такое гравитационная дифференциация вещества?

3. На основании каких оценок решались проблемы возраста и эволюции геосфер?

4. Что такое «черные дыры».

5. Из каких слоев состоит тело Земли?

6. Какие измерительные приборы применяются для исследования внутреннего строения нашей планеты?

7. Какую роль в формировании газовой оболочки Земли играла астеносфера?

8. Какие главные слои атмосферы выделяют по данным температуры воздуха и других метеорологических параметров?

9. Какие существуют гипотезы океанизации Земли?

10. Какие функции кроме «приливной» деформации нашей планеты выполняла Луна?

11. Какие главные проблемы были поставлены и решены в пройденной главе Науки о Земле?

12. Какие материалы и методы были использованы для решения научных проблем?

13. Какие главнейшие итоги получены?

14. Какие проблемы остались нерешёнными и нуждаются в дальнейшей разработке?

15. С какими другими разделами Науки о Земле связана данная глава?

Глава 3. Геологическая история и историческая геология

§ 3.1. Глобальные модели

Как и в предыдущей главе, несмотря на то, что сочетания слов, предложенные в названии этой главы, кажется, всем знакомы, начнём с определения терминов с приставкой гео, которые имеют самое непосредственные отношения к истории и геологии, независимо от того, что слова, имеющие отношение к геологическим, географическим, и другим подобным, подходящим для обсуждения данной темы терминам, обладают разными этимологическими корнями: геология - наука о строении, составе, истории земной коры, истории органической жизни, о месторождениях полезных ископаемых; геометрия - отдел математики, изучающий пространственные формы и отношения тел, та же геометрия с некоторыми приставками - отрасль физической географии, исследующая рельеф земной поверхности и историю его развития; геофизика - комплекс наук о физических свойствах оболочек Земли и о физических процессах, в них происходящих; геохимия - наука о химическом составе веществ и законах их взаимодействия. По В. И. Вернадскому, геохимия представляет собой атомную, а минералогия молекулярную химию земной коры. Таким образом, можно сказать, что петрография, о которой будет сказано несколько слов в Гл. 7 "Литосфера", изучает химию магм, при затвердевании образующих горные породы - основу основ нашего незыблемого пребывания на Земле. Очевидно, что сложное устройство земной коры и огромный интерес учёных к этому наиважнейшему в первую очередь для добычи полезных ископаемых объекту стали причиной взаимодействия многих методов исследования, дополняющих друг друга.

В . И. Вернадский

Примером такого взаимодействия служит соединение гравиметрического (лат. gravis - тяжёлый, изучение гравитационного поля с целью определения формы Земли и её внутреннего строения) и сейсмического методов изучения литосферы. Последний, направленный на изучение способности недр планеты порождать очаги землетрясений, появился позже и способствовал развитию гравиметрических идей. Например, гравиметрия выдвинула идею изостазии (от греч. isostasios - равный по весу, то есть в данном случае имеется в виду выравнивание давления, нарушение которого происходит внутри астеносферы на глубине 100-150 км), сейсмологические наблюдения способствовали оценке толщины земной коры, сейсмология указала на каком уровне и каким образом осуществляется движение литосферных блоков на более плотном субстрате. Другим примером является сейсмологическое подтверждение гравиметрических представлений астеносферы, как слое пониженной вязкости, и уточнение локального его распространения в мантии. Сейсмологи подтвердили разное строение коры океанов и континентов, предполагаемое исследователями гравитационного поля Земли. Безусловно, каждое научное направление способствовало развитию геологических представлений, успешно используя достижения геологической мысли.

До 1795 г., когда эдинбургский профессор Джеймс Геттон (1726-1797) прочитал свой доклад «Теория Земли» в Эдинбургском Королевском обществе, изданный ещё в 1788 г., считалось, что все породы на Земле образовались как морские отложения за огромный период существования Мирового океана, в то же время он полагал, что из других факторов вулканическая деятельность более всего причастна к созданию планеты. Его последователем стал Чарльз Лайель (1797-1875), создавший классическую монографию "Основы геологии" (1830-1833). И если бы они оба не ошибались в полагаемой ими неизменности скорости тектонического перемещения плит, выветривания, эрозии и выравнивания поверхности земли до уровня моря, составляющих систему взглядов актулизма (от англ. actual - современный, ныне действующий; полагается, что прошлые процессы имеют много общего с современными, поэтому есть возможность по древним породам, органическим осадкам, захороненным геологическим образованиям восстановить вертикальные перестройки участков земной коры прошедших эпох) и униформизма (от лат. uniformis - единообразный; согласно этой гипотезе, геологическое прошлое давних времён совершенно идентично по интенсивности настоящему и изменения литосферы происходят в горизонтальной плоскости), то их концепция была бы очень близка к современной.

Историческим родоначальником униформизма считается Леонардо да Винчи, который не признавал главной роли катаклизмов и отдавал предпочтение многотрудной деятельности водных и воздушных масс в их неустанном движении, преобразующем земную поверхность: "Берега растут, подвигаясь в море, рифы и массы разрушаются, внутренние моря высыхают и превращаются в реки". Медленно разрушающую в одном и созидающую в другом месте воду он считал главным геологическим фактором, отрицая даже беспрекословно всеми принимаемый, исторгнутый из хлябей небесных всемирный потоп.

Л еонардо да Винчи

М. В. Ломоносов в работе "О слоях земных" (50-е годы XVIII в.) проповедовал принцип актуализма, наиболее пригодный для своих геологических изысканий. Уже через 100 лет, во второй половие XIX в. большинство естествоиспытателей отказались от устаревших униформистских представлений и перешли к эволюционному пониманию развития природы, чему немало способствовало появление "Теории происхождения видов" Ч. Дарвина (1859). К концепции эволюционного, поступательного преобразования природы присоединились учёные других стран: немецкий геолог Б. Котта (1874), объединивший учения Канта и Дарвина с концепцией стадийного развития остывающей планеты, и родоначальник теории геосинклиналей (глубоких прогибов земной коры, областей превращения океанической коры в континентальную) Дж. Холл - с равновесным поведением земной коры, в которой мощное осадконакопление (седиментация) сменяется столь же мощным горообразованием.

М ихайло Ломоносов

Выход в 1812 г. работ автора первой схемы эволюции геологических явлений, прерываемых катастрофами, французского барона Георга-Леопольда-Кретьена-Фредерика-Дагобера Кювье (1769-1832), и упомянутой публикации Ч. Лайеля, использующих впервые достижения биостратиграфии, отцом которой считается Уильям Смит (1769-1839), рассматриваются геологами как начала научной дисциплины Исторической геологии. К 1825 г. Л. Бух предложил первую геотектоническую концепцию - гипотезу кратеров поднятия, а в 1929 г. Эли де Бомон выдвинул альтернативную ей контракционную гипотезу, о которой будет сказано ниже, то есть появились первые теоретические обобщения и методы исследования с помощью составления геотектонических карт.

В ыступления Лайеля, Кювье, Бомона и взгляды геологов того времени перекликаются с провидческими идеями древней космогонии индусов, египтян, евреев и греков. В гимнах индийской Веды периоды покоя и созидания земной оболочки прерывались катастрофами, гибельными для всего населения Земли, в которых не последнюю роль имело её сухопутное и весьма ревнивое противостояние Океану.

Жорж Кювье

Величайшим вкладом в науку, обязанным океану, было путешествие вокруг света в 1831-1836 гг. небольшого, водоизмещением всего 235 т, военного корабля «Бигль» по заданию английского Адмиралтейства и под командованием Р. Фиц-Роя, который вошёл в историю естественнонаучных исследований не только как адмирал и руководитель экспедиций, но и автор первой модели формирования атмосферных циклонов (см. Гл. 8 "Атмосфера") в зоне взаимодействия субтропических и субполярных воздушных масс, в 1861 г. придумавший самую распространённую ныне форму анализа погодных условий - синоптическую карту. Благодаря материалам этой всемирно известной экспедиции Чарльз Дарвин опрокинул теорию катастроф в развитии жизни на Земле, и выступил оппонентом геолога Джона Мёррея по части формирования атоллов, барьерных и береговых коралловых рифов. Подобно историческому процессу эволюции животного мира, рифообразование, по Дарвину, происходит очень медленно в результате погружения морского дна. Проведённые впоследствии бурения блестяще подтвердили правоту великого эволюциониста.

С хема образования атолла, по Ч. Дарвину

Надо сказать, что объективные количественные оценки времени и пространства, обязанные длительному осмыслению причин и следствий существования живых организмов от бактерий и растительных клеток до крупных млекопитающих и гигантских деревьев, привели к тому, что изменились представления о жизни вообще. Возникло понимание жизни как результата взаимодействия между всеми компонентами биокосной системы. По Вернадскому, жизнь в форме организма - всего лишь частная форма биокосных систем. Ясно, что жизненные функции, включающие в себя питание, водо- и углеродообмен, воспроизводство и проч., связано с геометрическими данными системы, так как развитие вещества в ней пропорционально объёму. Рост, биологическая продукция и биогеохимическая работа, по мнению современных биологов, занимающихся морскими фитосистемами, выражается чётким пропорциональным соотношением интенсивности роста массы и характерной длины метаболитического пути в диапазоне шести порядков как по одному, так и по другому фактору.

Сглаживая острые дискуссии исследователей XIX столетия, следует отметить, что всё-таки тогда ещё не было и не могло быть объективных представлений ни о длительности геологических периодов, ни о внутреннем строении нашей планеты, и существовали мало аргументированные суждения о соотношениях экзогенных и эндогенных факторов. В период возродившегося в XVII-XVIII вв. интереса к Земле, следом за датчанином Стено, французом Декартом, немецкими учёными Лейбницем, Бухом, А. фон Гумбольдтом и нашим М. В. Ломоносовым, приоритет был отдан подземному огню. Появление оппонирующих взглядов на механизм изменений земного рельефа привёло хоть и к многочисленным, но, к счастью, относительно кратковременным и непрочным расколам специалистов на два враждующих лагеря, взявших на вооружение образы боевой римской мифологии, и объединившихся под штандартами вулканистов и нептунистов. Более всех помог нептунистам "заострить свой трезубец" блестящий лектор Фрейбургской горной академии, профессор А. Вернер (1749-1817), ярый противник вулканистов. Он разделил горные породы на первичные, переходные и вторичные. За исключением первых, все породы, в том числе граниты и базальты, по мнению автора, выпали в осадок из хаотической жидкости "тепайиит", а нарушение ровных осадочных напластований было вызвано провалами подземных пустот.

Десятилетние пожары дискуссий между нептунистами и плутонистами бушевали в 1780-1820, затем, с 1820 по 1840 - то же случилось между катастрофистами и униформистами, и, наконец, с 1840 по 1860 гг. между униформистами и эволюционистами. Противоборствующие, вооружённые фрагментами наблюдений научные силы, естественно, не смогли систематизировать данные о земных процессах. Впервые это сделал французский геолог Эли де Бомон в 20-х годах XIX в. Он использовал идею сжатия Земли при её остывании и проявлению при этом тангенциальных сил, которые приводят к образованию неровностей рельефа земной поверхности. Таким образом возникло направление контракционизм (от лат. contractio - сжатие), ознаменовавшее переход от естествоиспытательских гипотез к геологической теории, носителями которой были Дэна (США), Зюсс, Кобер (Австрия) и В. А. Обручев. В рамках этой теории родилось учение о геосинклиналях, название которым в 1859 г. придумал американский геолог Дж. Холл.

Первый удар по контракционистам был нанесён из Соединенных Штатов Дэттоном, убеждавшим всех в "постоянном расширении или уменьшении плотности подземных магм", второй - пульсистами, представленными зарубежными учёными Ротплатцем, Бухером и советскими геологами М. А. Усовым и В. А. Обручевым. Согласно пульсационной гипотезе, сжатие господствует лишь на определённых этапах и то не повсеместно. Основными силами, преобразующими рельеф, являются вертикальные, а не горизонтальные. Последние относятся к производным от первичных восходящих и нисходящих движений пластов земной коры.

Однако наступило время, когда и эта теория перестала удовлетворять специалистов, потому что её "фиксистская" позиция, утверждающая неизменное положение материков, противоречила некоторым серьёзным фактам. Это породило гипотезу мобилизма, идеи которого в виде "гипотез мостов", соединявших когда-то материки, давно обсуждались естествоиспытателями от французского просвещённого монаха Плассе (1668) до М. В. Ломоносова (1763). В своё время Зюсс, а за ним А. Д. Архангельский и В. В. Белоусов предполагали даже, что в далёком прошлом между континентами были не узкие "мосты", а огромные пространства суши, на месте которых образовались глобальные впадины, вмещающие современные океаны. По части взаимоотношений эндо- и экзогенного тепла, как факторов климата, тоже были необычные для нашего времени соображения. Научные деятели второй половины XVIII в. Марон, Бюффон и Блок утверждали, что внутренняя теплота Земли превышает энергию Солнца почти в 30 раз летом и 400 раз - зимой. Живительная роль Солнца казалась им самообманом, подобным вращению громадной планеты Земля вокруг маленького солнца. О том насколько на самом деле Солнце больше Земли давно знает теперь каждый, а то что эндогенное тепло в десятки тысяч раз уступает солнечному, установлено не слишком давно.

Термин мобилизм был введён в 1935 г. швейцарским геологом Арганом, последователем главного идеолога и теоретика этого учения немецкого геофизика Альфреда Лотара Вегенера (1880-1930). По Вегенеру, в середине-конце мезозоя (100-150 млн лет назад) произошёл раскол единого, состоящего из Лавразии и Гондваны (от названия индийского племени гондов - древний суперконтинент Южного полушария, включавший большую часть Южной Америки, Антарктиду, Австралию, Индостан и почти всю Африку) древнего материка Пангеа (гр. - "вся земля"), части которого под воздействием сил притяжения Луны стали совершать западный дрейф, в результате чего образовались огромные впадины вторичных океанов и морей. Гипотезу дрейфа континентов развивал в это же время американец Тэйлор, а выдвинул её впервые в 1858 г. Снайдер.

И деи вегенеровского мобилизма нашли многочисленные подтверждения, однако и этот вариант содержал ряд нерешённых проблем, связанных с недостаточностью, согласно упрощённым физическим расчётам, сил притяжения Луны, первичностью Тихого океана, которая не подтвердилась исследователями эволюции океаносферы, включающей и "вторичные" океанические бассейны, как оказалось, по возрасту не отличающиеся от величайшего на Земле океана.

Альфред Вегенер

Вообще-то, Вегенер со студенческой скамьи мечтал заниматься метеорологией, которая только зарождалась как серьёзное направление науки. Покорение атмосферы на воздушном шаре, преподавание метеорологии в Марбургском университете, исследования физики тепловой энергии атмосферы, о которой он написал интересную работу, и участие в полярных экспедициях в Гренландию, которой он бредил, и где погиб в 1930 году, оставили у современников память о нём как о крупном полярном исследователе, научном организаторе и педагоге, но никак не об авторе открытия, прославившего его имя в будущем.

В 1915 г. вышла в свет книга Вегенера "Происхождение континентов и океанов", окончательно развернувшая геотектонику в сторону мобилизма - горизонтальной ориентации сил, формирующих структуру литосферы. Анализ многолетних геофизических исследований и удивительные совпадения очертаний материков стали главными аргументами автора мобилизма. Сторонник вегенеровского мобилизма, шотландский геолог Артур Холмс (1890-1965) уподобил базальтовый слой "бесконечной транспортной ленте", передвигающей континенты. Он предложил конвекционную гипотезу, согласно которой тёплые потоки вещества мантии поднимаются вверх, а холодные опускаются вниз, осуществляя тем самым на основе термодинамической разности температур работу внутриземного теплового двигателя.

В 1933 г. немецкий геофизик Отто Христоф Хильгенберг сделал ещё один шаг в познании эволюции земного шара. Он предположил, что Земля когда-то была приблизительно в 2 раза меньших размеров, и места для океанов у неё не было, хотя неглубокие моря существовали. "Коровая Земля", согласно автору модели расширения Земли, преобразовывалась под воздействием гравитационных сил, и это обстоятельство стало главным преимуществом его выдающейся гипотезы. К тому же, по сравнению с уплощённой моделью планеты своего учителя Вегенера, Хильгенберг придал ей сферичность и попытался тем самым объяснить очевидные неувязки конфигураций современных материков.

В дальнейшем, концептуальные модели расширения Земли предлагались английским физиком Дираком, немецким физиком Иорданом (1952), венгерским геофизиком Эдьедом и американским геологом Хейзеном (1960). Используя геологические данные Н. М. Страхова и М. В. Муратова, И. В. Кириллов в 1958 г. предложил ещё одну оригинальную модель расширяющейся Земли, полагая, что увеличение объёма происходит за счёт протонов больших энергий, притоку которых из космоса мы обязаны обширным магнитным полем нашей планеты.

Когда-то, открытие радиоактивности послужило основанием для выдвижения гипотезы разогрева Земли, затем было выяснено, что в далекие геологические времена радиоактивных элементов было в 3 раза меньше, чем сейчас, что свидетельствует о сокращении радиогенового тепла с течением времени. Таким образом, идея охлаждения Земли не потеряла своего значения, хотя и претерпела значительные изменения в деталях по сравнению с представлениями И. Канта, Ж. Бюффона, Л. Эли де Бомона и Б. Котты.

По мнению некоторых современных специалистов, тепловая конвекция не может стать причиной перемещения литосферных плит. Концепция литосферных плит выглядит привлекательной лишь в общих чертах - детальные данные по структурной эволюции континентальной коры плохо согласуются с построениями глобальной тектоники. Абсолютная жёсткость литосферных плит в последнее время ставится под сомнение. В связи с этим получила развитие другая мобилистская концепция, разрабатываемая под руководством академика А. В. Пейве, в основе которой лежат представления о дифференциальных латеральных (от лат. lateralis - бок, сторона) перемещениях крупных и мелких блоков и пластин земной коры.

В связи с практическими задачами геологических исследований, в настоящее время большое значение придается флюидам. В течение геологической истории флюиды обогащались водородом и обеднялись углеродом, что объясняет многие специфические условия геофизических процессов на ранних стадиях развития Земли. Существуют две точки зрения образования рудных месторождений: 1) горячие растворы (гидротермы) и 2) газовые формы - концепция дегазации недр. Идеи о гидротермальных растворах и дегазации Земли легли в основу двух ветвей плутонической гипотезы. Плутоническое направление породило «закон двух магм», представление о палигенной природе гранитов (от гр. paline - тонкая пыль; палинология - наука, изучающая пыльцу и споры растений, захоронения которых позволяют реконструировать климатические и другие природные условия), идею о дегазациии Земли, гидротермальную гипотезу.

Несмотря на простоту представленных геологических и геофизических моделей и технический прогресс измерительной аппаратуры, разные школы специалистов находят много обоюдно неприемлемого друг для друга и по части расширяющейся или пульсирующей Земли, и толщины гранитного слоя под материками и океанами, и эволюции состава литосферы, и периода океанизации нашей планеты, и во многих других глобальных концепциях, возрождая по сути две антагонистические точки зрения своих давних предшественников, которые можно упростить до противостояния неомобилизма неофиксизму. Только что отвоевавший своё законное место в науке о Земле мобилизм вновь ощутил мощное сопротивление. Новый метод сейсмической томографии подтвердил существование материковых «корней», не позволяющих дрейфовать континентам, потому что залегающая под ними жёсткая масса материкового фундамента обладает толщиной в несколько сотен километров. "Вальс континентов", по образному выражению английского геофизика С. Ракорна, становится в таких условиях весьма проблематичным.