учебники / Гаврилов В.П. «‎Общая и историческая геология и геология СССР»

Появлению идеи Большого взрыва предшествовало откры­

тие американского ученого Э. Хаббла, который в 20-х годах

нашего столетия установил, что все линии спектра у галактик

смещены в направлении к его красному концу. Это явление,

получившее название эффекта Хаббла, указывало на удаление галактик от наблюдателя. Было установлено также, что чем

дальше от нас находятся галактики, тем больше скорость их

движения. Самые далекие от нас галактики имеют наиболь­

шую скорость.

В последние десятилетия получены новые доказательства модели разбегающейся Вселенной. В 1965 г. ученые обнару­

жили, что температура космического пространства выше абсо­

лютного нуля на 2,7°. И. С. Школавекий назвал этот эффект

«реликтовым излучением», считая его следствием Большого

взрыва. В этом же году американские физики А. Пензиас и Р. Уилсон доказали существование во Вселенной реликтового звука, который возник в начальный момент образования Все­

ленной и в настоящее время равномерно распределяется в кос­

мическом пространстве. С помощью современных радиоастро­

номических наблюдений были уточнены скорости разлетания галактик и направления их движений.

Первоначально любая галактика, как наиболее крупная со­ ставляющая единица Вселенной, представляла собой совокуп­

ность газапылевых облаков, состоящих преимущественно из

водорода. Дальнейшее развитие галактик связано с трансфор­ мациями газапылевых скоплений. Из медленно вращавшегося

холодного газапылевого облака, входившего в состав неодно­

родного газапылевого диска вблизи экваториальной плоскости

нашей Галактики, и возникли Солнце и все планеты Солнечной

системы. Первичное планетное вещество было довольно одно­

образно по составу и не было дифференцировано; темлература

его, как полагают, составляла 220 °С. Нормальная плотность

газа в межзвездном пространстве составляет приблизительно

0,1 атома водорода в 1 см3 ; плотность же вещества в таких об­

лаi{ах достигает 1000 атомов водорода в 1 см3 . В его состав,

кроме водорода, могли входить также углерод, азот, кислород

и пылевидные частицы размером в микрометры. Движение ве­

щества напоминало турбулентное хаотическое персмещение

материи. Когда газапылевое облако становится достаточно плотным и большим, то оно оказывается неустойчивым: тяга· теине становится преобладающей силой, и облако начинает са­

мопроизвольно сжиматься (коллапсировать). Американский

исследователь Л. Спитцер показал, что облако, масса которого в 10--20 тыс. раз превышает массу Солнца, коллапсирует под

действием собственной силы тяжести, если его плотность пре­

вышает 20 атомов водорода в 1 см3 . В нашей Галактике обна­

ружено достаточное количество межзвездных обJiаков прибли-

251

зительна с такими свойствами. Равновесие сил в первичном

газапылевом облаке могло нарушиться также и при пониже­

нии температуры газа, составлявшего 99% массы облака, в ре­

зультате передачи энергии молекулами газа пылинкам при

столкновении.

Процессы сжатия привели к сгущению, включавшему в себя

до 99 % веей массы первичного облака. Самопроизвольное гра­

витационное сжатие вызывало уплотнение вещества до состоя­ ния вещества звезд, и в центре сгущения стали возможны тер­

моядерные реакции, сопровождавшиеся резким увеличением

объема и выделением в виде взрыва огромного количества

энергии и материи. Так возникло Протосолнце. Его рожде­

ниевспышка сверхновой звездыявление не такое уж ред­

кое: в среднем, в каждой галактике сверхновая звезда появля­

ется раз в 350 млн лет, при ее вспышке излучается энергия по­

рядка 1041 Дж. Остальная часть вещества, выброшенная взры­

вом, формировала вокруг Протосолнца широкое, постепенно уп­

лощавшееся газовое плазменное облако в виде диска с темпе­

ратурой в несколько миллионов градусов (протопланетное об­

лако), из которого впоследствии возникли планеты, кометы, ас­ тероиды и другие тела Солнечной системы. Образование Про­ тосолнца с протопланетным облаком вокруг него, вероятно, произошло около 5 млрд лет назад.

Постепенно газообразное вещество протопланетного об­ лака остывало. При поиижении температуры до 5-10 тыс.0С

из него конденсировались наиболее тугоплавкие элементы­

вольфрам, титан, гафний, ниобий, молибден, платина, цирконий

и их оксиды. В процессе охлаждения, который протекал в те­ чение миллионов лет, в облаке появлялись твердые частицы,

ираскаленное газовое вещество вновь превратилось в холодное

газапылевое облако. Бурные процессы, протекавшие на поверх­ ности быстро вращавшегося Протосолнца, приводили к вы­

бросу электрически заряженного вещества, которое, двигаясь

вдоль силовых линий матнитиого поля, уносило с собой значи­

тельный удельный вращательный момент и передавало его про­

топланетному облаку, что в дальнейшем обусловило вращение образовавшихся из него планет.

Протопланетное облако со временем теряло энергию в ре­

зультате столкновения «пылинок» (метеоритных частиц). Про­

исходило уплощение облака, движение вещества в нем упорядо­ чивалось, становилось более правильным, близким к круговому. Постепенно вокруг молодого Солнца в результате конденса­

ции пылевидного вещества образовался широкий кольцеоб­

разный диск, который распадалея на холодные кусочки ве·

щества, представлявшие собой рои твердых частиц н газа. Из

внутренних частей газапылевого диска начали образовываться

планеты типа Земля, состоящие в основном из тугоплавких эле-

252

ментов, а из периферических частей дискабольшие планеты,

богатые легкими газами, летучими элементами; в самой же

внешней зоне возникло огромное количество комет.

Образование планет типа Земля происходило, по мнению А. П. Виноградова, путем постепенного собирания, стягивания,

слипания веществааюсрециu. Причем объединялись не только

твердые тела, но и разреженные агрегаты (сгущения) веще­

ства. Эти процессы продолжаются и до настоящего времени. По данным А. В. Иванова и I(. П. Флоренского, ежегодно на

Землю выпадает 2-5 · 106 т космического вещества. Скорость

его выпадения, по мнению этих исследователей, постоянна, по

крайней мере, последние 500-600 млн лет. Несколько иные

данные приводит американский ученый Ф. Сигнер, который

считает, что ежесуточно Земля приращивает массу в среднем

на 1250 т за счет выпадения космической пыли преимуще­

ственно «Каменного» состава.

Процессы аккреции развивзлись сравнительно быстро. По

расчетам В. С. Сафронова, за 108 лет произошло возникнове­

ние Протоземли за счет фрагментации газапылевого облака. Это сопровождалось выделением энергии аккреции, которая

равна первичной потенциальной энергии (взятой с обратным знаком), еще не расслоенной на ядро и мантию планеты. По

данным В. П. Кеонджяна и А. С. Монина, энергия аккреции

измерялась величиной 225 Дж, из которой меньшая часть (19 Дж) была затрачена на упругое сжатие вещества, а боль·

шая часть рассеилась в виде излучения тепла в космическое

пространство. Выделение энергии аккреции привело к началь­ ному разогреву земных недр. По мнению В. С. Сафронова, мак­

произошло около 4,8 млрд лет назад. С этого времени начи­

нается догеологическая (астрономическая) эволюция. Прото­

земля сформировалась как космическое тело, но еще не стала

планетой. Это было холодное скопление космического веще­ ства. Твердых участков ни на поверхности будущей Земли, ни внутри ее не существовало. Протопланеты представляли собой

гигантские разреженные агрегаты, плотностью на несколько

порядков меньше плотности твердых тел.

Кроме энергии аккреции, которая действовала на самых

ранних моментах формирования Протоземли, на ее уплотнение,

первичную дифференциацию вещества и переход к планете

влияло еще несколько источников энергии: радиоактивный рас­ пад, приливные силы и первичная гравитационная дифферен­

циация земного вещества (см. гл. 1, § 3). Причем на самых

ранних стадиях развития тепловая радиогенная и приливная

энергии преобладали над энерговыделением лроцесса гравита-

253

ционной дифференциации. Под влиянием этого вещество Про­

тоземлн начало разогреваться. О величине разогрева сущест­ nуют различные мнения. В. Г. Фесенков nредполагал, что ве­

щество Протоземли могло нагреться до десятков тысяti граду­

сов и перейти в расплавленное состояние. По мнению других

ученых (Ф. Берг), температура вещества не превышала 1000 ас

и была ниже точки плавления. Е. А. Любимова доказывала,

что земной материал расплавился лишь частично. При этом ра­ зогрев внутренних сфер Протоземли должен был привести

кнекоторому расширению яещества, в то время как внешние

слон испытывалн охлаждение и сжатие.

В любом слуt~ае разогрев вещества сnособствовал его пер­

вичноit дифференциации, которая nродолжалась в течение всей nоследующей геологической эволюции. Однако максимальной

скорость этого процесса была, вероятно, в догеологическое

время. Дифференциация привела к концентрации тяжелых эле­

ментов во внутренних областях Протоземли; на nериферии скапливались сравнительно легкие элементы. Упорядочение ма­ териала nовлекло за собой его уnлотнение и самое главное-­ первоначальное разделение на ядро и мантию, что явилось ос-.

новным результатом догеологической эволюции Земли, кото­ рая стала твердой nланетой.

Геологическая эволюция, начавшаяся около 4,6 млрд лет на­

зад, изучена значительно лучше, поскольку образования этого

времени (горные nороды) доступны для анализа обычными геологическими методами. Энергетические процессы, возникшие еще в догеологическое время, продолжались. Поскольку рост

земного ядра только начался, скорость выделения вещества

была мала, не существовало и конвекционного движения веще­ ства в недрах. Это означало, что суммарная теплопроводность мантии определялась только кондуктивной составляющей и

была сравнительно низкой. В те далекие времена были ма­ лыми 11 теплопотери nланеты; максимальный разогрев был ха­ рактерен для верхней части мантии (до глубины 500 км). Здесь

протекали процессы, не имевшие аналогов в последующие

этапы геологической истории Земли. Они были связаны с не­ равномерным разогревом верхней ее части. Возникали локаль­

ные очаги плавления земного вещества при сохранении основ­

ной массы пород в консолидированном состоянии. Такой меха­

низм дифференциации был предложен А. П. Виноградовым под названием зонной плавки. Ученый полагал, что при большой

разности температур на границах зоны расплавления возникает

механически неустойчивое состояние расплава, в котором нач­

нется конвекция. Перегретые нижние участки, поступая в верх­

нюю часть, будут переносить тепло, которое нагреет и распла­

вит находящееся над очагом вещество. В то же время внизу

очага вещество начнет остывать и кристаллизоваться. Наибо-

~54

лее легкоплавкие компоненты будут двигаться вверх быстрее гугоплавких и скапливаться в одном месте. Процесс зонной

плавки был смоделирован в лабораторных условиях.

Зонная плавка, охватившая верхнюю часть мантии, привела

к постепенному выплавлению базальтовых пород из мантий­ ного материала и возгонки его к поверхности Земли. Возможно,

что в современных условиях этот процесс протекает в пределах

астеносферы. Под действием зонной плавки начал формиро­

ваться первоначальный «базальтовый» слой коры. На поверх­

ности планеты возникли первичные вулкано-плутонические

кольцевые структуры, заполненные базальтовой лавой. С ними соседствовали крупные и мелкие метеоритные кратеры. Пейзаж

Земли того времени чрезвычайно напоминал современную па­ нораму Луны, на которой, вероятно, протекали аналогичные

процессы. В ряде мест Земли до сих пор сохранились характер­ ные вулкано-плутонические структуры. Например, Е. В. Пав­ ловский относит к ним чашеобразные отрицатедьные структуры сутамской серии юга Алданского щита Сибирской Iшатформы. Возраст пород серии 4,5-4,58 млрд лет. Аналогичные образо­ вания обнаружены на Кольском п-ове и на юге Африки.

Вотличие от Земли энергетические ресурсы Луны сравни­

тедьно быстро иссякли. По мнению А. П. Виноградова, 3-- 3,5 млрд лет назад почти весь уран или значительная его часть

была вынесена из недр Луны на периферию, что вызвало уга­

сание вулканической и магматической деятельности. Эволюция Земли пошла дальше, тогда как Луна мало изменилась за по­ следние 3-3,5 млрд лет. В связи с этим ее можно рассматри­ вать в качестве своеобразной модели земного шара в самом на­ чале геологической истории его развития. Поэтому данный пе­ риод жизни Земли, по предложению советского ученого

А. П. Павлова, выделяют как лунную стадию (4,6-4 млрд лет).

Одновременно с выплавлением «базальтового» слоя земной коры происходила дегазация мантийного материала. Из него

высвобождались газообразные компоненты, которые скапли­

вались в околоземном пространстве и удерживались силой зем­ ного тяготения. Согласно данным американского ученого Г. Юри, в эти ранние периоды существования нашей планеты ее атмосфера отличалась значительно меньшей плотностью и обладала восстановительным характером. Сравнение ее с пла­ нетами-гигантами (Юпитер, Сатурн) позволяет предполагать, что в первичном составе земной атмосферы преобладали метан,

аммиак, в меньшей степени водород, пары воды, диокснд и ок­

сид углерода. Кислород же практически отсутствовал.

Конденсация паров воды привела к образованию первых

водных бассейнов на поверхности Земли. А. П. Виноградов до­ казывает, что при зонной плавке выделилось 1,6 · 1024 г воды,

т. е. почти столько, сколько содержится ее в современных океа-

255

нах и морях. Предполагают, что уже в конце лунной стадни

развития мог существовать океан, который почти сплошной пе­

леной покрывал планету. Согласно другому предположению,

древняя гидросфера Земли по своему объему значительно усту­

пала современной. По мнению Г. Юри, она содержала лишь

1О % объема воды существующих морей и океанов.

В последние годы распространяются представления о воз­

можности существования «венерианских» условий на Земле на

ранних стадиях ее развития (В. И. Шульдинер, Г. Гаррелс,

Ф. Маккензи, Д. Шоу и др.). Допускают, что большая часть

существовавшей в то время гидросферы находилась в газооб­

разном состоянии и входила в состав атмосферы. Последняя

содержала преимущественно Н20, СО2 и HCI. Атмосферное давление достигало, вероятно, 36 МПа, а температура на по­ верхности планеты- 600 °С.

Так или иначе, но завершение лунной стадии развития

Земли знаменовалось образованием «базальтовой» коры, воз­

никиовемнем первичных атмосферы ~ гидросферы.

Нуклеарная стадия продолжалась в интервале времени от

4 до 3,7-3,6 млрд лет. Характерные для последующих стадий

развития геологические структуры (океаны, континенты, плат­

формы, геосинклинали и др.) еще отсутствовали. Однако появи­

лись горный рельеф вулканического происхождения, а также

весьма агрессивные в химическом отношении атмо- и гидро­

сфера, которые разрушали (эродировали) неровности рель­

ефа. Возникали продукты разрушенияобломки пород и раз­

личные соли, растворяющиеся в воде протоокеанов. Процессы эрозии и образование обломков повлекли за собой осаждение продуктов разрушения в различных местах планеты. По-види­

мому, эрозии подвергзлись в основном первичные вулканич~

ские образования, о чем свидетельствует состав древних пород, имеющих возраст 4-3,5 млрд лет. Наряду с первыми осадоч­

ными породами, продолжали формироваться эффузивы, пре­ имущественно основного состава, и образован-ия фумарольного

происхождения.

На нуклеарной стадии «базальтовая» кора испытывала глав­ ным образом вертикальные движения. Понижения рельефа суши н океанического дна заполнялись осадочными эффузив­

ными породами. За многие десятки миллионов лет рыхлые об­ разования скапливались в огромных количествах. Скучиванне вещества приводило к его уплотнению, метаморфизму и преоб­ разованию в глубокометаморфические породы (плагиогнейсы,

тоналиты, трондьемиты, кварциты и т. д.), которые ассоцииро­ вали с гранитами и гранодиоритами. Последние могли возни­

кать за счет метасоматической гранитизации осадков при высо­

ком тепловом потоке под действием поступающих снизу флюи­

дов, содержащих кремнезем и щелочи.

256

возникновения, развития и закрытия океанов. Если же принять

океаны в качестве на·иболее крупных и наиболее характерных

геологических структур тектоносферы, то ранние стадии гео­

логической эволюции Земли можно объединить в доокеаниче­

скую мегастадию.

Начиная примерно с 3,7-3,6 млрд лет, внутреннее ядро

Земли становится достаточно большим, чтобы индуцировать

конвекционное движение вещества недр в явном виде. Перво­

зданная литосфермая оболочка разрушается, на ее поверхности

возникают первые рифтовые зоны и зоны поддвига, началось движение литосферных плит с раскрытием и закрытием океа­

нических впадин. С этого момента начинается новая мегаста­ дия развития Землиокеаническая. Для данного периода, который продолжается и в настоящее время, характерно появ­

ление океанов как геологических структур литосферы, а позд­

нее- и континентов. В течение архея первичная литосфера, по­

видимому, испытывала активную деструкцию, сопровождаю­

щуюся заложеннем и развитием древних океанов (протоокеа­

нов). Континентов, как геологических структур литосферы,

тогда еще в явно выраженном виде не существовало. Поэтому

этот период океанической мегастадии можно рассматривать

как раннеокеаническую стадию (3,7-3,6-1,6 млрд лет).

В конце раннего протерозон появляются первые континенты,

состоящие из древних платформ, испытавших в позднем про­

терозое прогрессивное увеличение своей площади и объедине­

ние. Дальнейшее развитие литосферы следует рассматривать

как последовательный и взаимосвязанный процесс возникнове­ ния континентов на месте бывших океанов с последующей де­

струкцией и заложением новых океанов. Остальной период гео­ логической истории Земли (примерно 2 млрд лет) можно рас­ сматривать как океано-континентальную стадию ( 1,6 млрд летныне).

Вся геологическая история океанической мегастадии распа­

дается на несколько циклов развития, в которых намечается

определенная повторяемость геологических событий, заключаю­

щаяся в том, что возникновение и развитие океанов заверша­

ется их закрытием с образованием континентов (так называе­ мый цикл Вильсона). Последние, в свою очередь, могут

испытывать деструкцию с заложением новых океанических бас­ сейнов, т. е. процесс геологического развития на океанической

мегастадии имеет эволюционно-циклический характер.

Возникает естественная периодизация геологической исто­

рии нашей планеты по ПР'Изнаку ее тектонической активности. Рубежами, разделяющими естественно-исторические этапы,

с.пужат тектоно-магматические эпохи закрытия океанических

структур, которые традиционно рассматривают как платформо­

образующие эпохи складчатости, приведшие к возникновению

258

крупных континентальных масс. С этой точки зрения целесооб­

разно выделять в составе раинеокеанической стадии архейско­

раннепротерозойский этап, а в составе океано-континентальной

стадии позднепротерозойский, раинепалеозойский (каледон­

ский), позднепалеозойский (герцинский), мезозойский и кайно­ зойский (альпийский) этапы.

Вопросы для самопроверки

1. В чем сущность идеи «Большого взрыва»? Какие доказательства «Большого взрыва» Вы можете привести?

2.Охарактеризуйте последовательные события образования Солнечной

системы.

3.Какова роль nроцессов аккрещт в формировании планет?

4.Каковы основные результаты догеологической эволющш Земли?

5. Объясните явление зонной плавки. К чему оно приводило?

6.Охарактеризуйте лунную стадию развитня Землп. Ее основные ре­

зультаты?

7.Укажите на возможные особенности первичной атмосферы 11 гидро­

сферы Земли.

8.В чем заключалась нуклеарная стадия развития Земли? Ее резуль­

таты.

9. Дайте характеристику океанической меrастадии развития Земли. На

какие стадии ее подразделяют?

Глава 18

АРХЕйСКО-РАННЕПРОТЕРОЗОйСКИй ЭТАП

Рассматриваемый отрезок геологической истории Земли соот­ ветствует раинеокеанической стадии (3,7--;-3,6-1,6 млрд лет). По мнению одних ученых (Е. В. Павловский), сразу после ну­ клеарной стадии установился своеобразный протоплатформен­ ный режим развития земной коры, характеризовавшийся отно­ сительно небольшим прогибанием, накоплением обломочных,

вулканогенных, карбонатных пород, продолжением образова­

ния гранито-гнейсовых куполов. Другие исследователи (0. Г. Со­

рохтин, А. С. Монин, Л. П. Зоненшайн, В. Е. Хаин) считают,

что уже начало архея знаменовалось заложением первичных

океанических структур. Дискуссионность в трактовке геологи­ ческих событий архея и раннего протерозон объясняется силь­ ным последующим метаморфизмом, видоизменением Формиро­

вавшихея тогда пород, а также практически полным отсут­

ствием в них искоnаемой фауны и флоры.

§ 1. ОРГАНИЧЕСI<ИЯ МИР И СТРАТИГРАФИЯ

Органические остатки в архейских и нижнепротерозойских от­ ложениях встречают крайне редко. В кремнистых и железистых

сланцах Северной Америки, Африки и Австралии обнаружены

шаровидные и палочковидные тела, имеющие микроструктуры

биологического происхождения. Предполагают, что это остатки бактерий или синезеленых водорослей. Возраст вмещающих по­

род 2,7-3,1 млрд лет. В сланцах свиты Онвервахт (юг Африки)

выявлены тысячи мельчайших образований сферической, ните­ образной и скорлупавидной форм. Размер частиц не превышал

0,01 мм. Считают, что это окаменевшие остатки одноклеточных

морских водорослей. Возраст вмещающих пород 3,2 млрд лет. Остатки синезеленых водорослей (3,5 млрд. летстромато­ литы, обнаружены в древних породах Западной Австралии (раз­

рез Пилбара). Исходя из этого, предполагается, что уже в мо·

рях архея существовали простейшие одноклеточные организмы:

водоросли, бактерии, грибы, простейшие животные. В раннем

протерозое возникли первые многоклеточные организмы, nрими­

тивные губки, возможно и кишечноnолостные). Допускают, что

уже в архее организмы приспособились к различным формам nитания. Одни из них синтезировали в процессе фотосинтеза

питательные вещества из воды, углекислоты и неорганических

солей (автотрофные организмы), другиелибо жили за счет

автотрофов (гетеротрофные организмы), либо пнтались разла­

гающимися органическими остатками (сапрофаги). Так проис­

ходило деление органического мира на царство животных и

растений.

Таким образом, начиная уже с архея, жили и развивзлись простейшие животные и растительные организмы, усложнение

и совершенствование строения которых привело в дальнейшем

I< наблюдаемому разнообразию жизни. При этом примитивные

представители животных и растений получили довольно широ­

кое распространение в пространстве и были развиты в большом количестве. Об этом свидетельствуют толщи графитовых слан­ цев архейского и протеразойского возраста. Возникает вопрос:

откуда же взялись эти простейшие организмы на заре геологи­

ческой истории Земли? Как возникла жизнь на Земле?

В настоящее время наиболее научно аргументированной

концепцией присхождения жизни является гипотеза А. И. Опа­

рина. Согласно его представлениям, возникновению органиче­ ской жизни на Земле предшествовал длительный и сложный

этап химической эволюции вещества, который во временном от­

ношении соответствует лунной, а возможко, и нуклеарной ста­ диям развития Земли. В протоокеанах наряду с водным раство­

ром неорганических солей содержались и разнообразные орга­

нические соединения, способные взаимодействовать между собой. Первичные органические соединения могли возникнуть

из неорrанических под действием электрических разрядов и

ультрафиолетовых лучей. Экспериментальные данные под­ тверждают возможность синтеза органических соединений из

Газовой смеси, аммиака, водорода- и паров воды под действием

260