РАЗДЕЛI

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОЛОГИИ

Основным объектом изучения геологии является земная кора, внешняя твердая оболочка Земли, имеющая важнейшее значение

для осуществления жизни и деятельности человека. При исследо­ ваниях состава, строения и истории развития Земли и земной

коры, в частности, геологи используют: наблюдения; опыт или

эксперимент, включающий различные как собственные, так и

применяемые в других естественных науках методы исследова­

ний, например, физика-химические, биологические и др.; моде­

лирование; метод аналогий; теоретический анализ; логические

построения (гипотезы) и т. д.

В данном разделе рассматривается вопрос происхождения Земли, ее форма и строение, состав, история развития земной

коры (геохронология); тектонические движения земной коры, формы поверхности (рельеф).

Глава 1

ПРОИСХОЖДЕНИЕ, ФОРМА И СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЗЕМЛИ

Солнечная система состоит из небесных тел. В нее входят: Солнце, девять больших планет, в том числе Земля, и десятки тысяч малых планет, комет и множество метеорных тел. Солнеч­ ная система - сложный и многообразный мир, далеко еще не

изученный.

Вопрос о происхождении Земли - важнейший вопрос естест­ вознания. Более 100 лет пользовалась признанием гипотеза Кан­

та - Лапласа, согласно которой Солнечная система образовалась

из огромной раскаленной газаподобной туманности, вращавшей-

9

ся вокруг оси, а Земля вначале была в жидком состоянии, а по­

том стала твердым телом.

Дальнейшее развитие науки показало несостоятельность этой гипотезы. В 40-х годах ХХ в. акад. О.Ю. Шмидт вьщвинул новую

гипотезу происхождения планет Солнечной системы, в том числе и Земли, согласно которой Солнце на своем пути пересекло и за­

хватило одно из пылевых скоплений Галактики, поэтому планеты образавались не из раскаленных газов, а из пьшевидных частиц,

вращающихся вокруг Солнца. В этом скоплении со временем воз­

никли уплотненные сгустки материи, давшие начало планетам.

Земля, по О.Ю. Шмидту, первоначально была холодной. Ра­

зогрев ее недр начался, когда она достигла больших размеров. Это произошло за счет вьщеления теплоты в результате распада

имеющихся в ней радиоактивных веществ. Недра Земли приобре­

ли пластическое состояние, более плотные вещества сосредоточи­ лись ближе к центру планеты, более легкие у ее периферии.

Произошло расслоение Земли на отдельные оболочки. По гипо­ тезе О.Ю. Шмидта, расслоение продолжается до настоящего вре­ мени. По мнению ряда ученых, именно это является основной

причиной движений в земной коре, т. е. причиной тектонических

процессов.

Заслуживает внимания гипотеза В.Г. Фесенкова, который счи­ тает, что в недрах звезд, в том числе и Солнца, протекают ядерные процессы. В один из периодов это привело к быстрому сжатию и

увеличению скорости вращения Солнца. При этом образовался длинный выступ, который потом оторвался и распался на отдель­

ные планеты. Обзор гипотез о происхоЖдении Земли и наиболее

вероятная схема ее происхождения детально рассмотрена в книге

И.И. Потапова <<Геология и экология сегодня>> (1999).

КРАТКИЙ ОЧЕРК ГЛОБАЛЬНОЙ ЭВОЛЮЦИИ ЗЕМЛИ

Происхождение планет Солнечной системы и их эволюция активно изуча­ лись в ХХ в. в фундамента.тrьных работах О.Ю. Шмидта. В.С. Сафронова, Х. Аль­ вена и r Аррениуса, А.В. Витязева, А. Гингвуда, В.Е. Хаина, O.r Сорохтина, С.А. Уманова, Л.М. Наймарка, В. Эльзассера, Н.А. Божко, А. Смита, Дж. Юрай­ дена и др. Согласно современным космологическим представлениям, заложенным О.Ю. Шмидтом, Земля и Луна, равно как и другие планеты Солнечной системы, образавались за счет аккреции (слипания и дальнейшего роста) твердых частиц газопьmевого протопланетного облака. На первом этапе рост Земли шел в уско­

ряюшемся режиме аккреции, но по мере исчерпания запасов твердого вешества в

околоземном рое планетезималей протопланетного облака этот рост постепенно

замедлился. Процесс аккреции Земли сопровождался вьщелением колоссального

количества гравитационной энергии, примерно 23,3 · !038 эрг. Такое количество

энергии способно бьmо не только расплавить вешество, но даже растворить его, но большая часть этой энергии выделялась в приповерхностной части Протозем­

10

На первом этапе молодая Земля сразу же после образования была относите­

льно холодным телом, и температура ее недр не превышала температуры плавле­

ния земного вешества, в силу того что при формировании планеты происходил

не только нагрев за счет падаютих планетезималей, но и остывание за счет теп­

лопотерь в окружаюшее пространство, кроме того, Земля имела однородный со­

став. Дальнейшая эволюция Земли обусловлена ее составом, теплозапасом и ис­ торией взаимодействия с Луной. Влияние состава сказывается прежде всего через энергию распада радиоактивных элементов и гравитационную дифференциацию

земного вешества.

До формирования планетной системы звезда Солнце представляла собой практически классический красный гигант. Звезды этого типа в результате внут­

ренних ядерных реакций водородного горения формируют более тяжелые химиче­

ские элементы с выделением огромного количества энергии и возникновением

сильного светового давления с поверхности на газообразную атмосферу. В резуль­

тате комбинационного воздействия этого давления и огромного притяжения ат­

мосфера звезды испытывала попеременное сжатие и расширение. Этот процесс в

условиях динамического увеличения массы газовой оболочки продолжался до тех пор, пока в результате резонанса внешняя газовая оболочка, оторвавшись от

Солнца, не превратилась в планетарную туманность.

Под воздействием силового магнитного поля звезды ионизированное ветест­ во планетарной туманности подверглось электромагнитной сепарации слагаютих

его химических элементов. Постепенная потеря тепловой энергии и электриче­ ских зарядов газов привело их к слипанию. При этом под воздействием магнит­ ного поля звезды обеспечивалась эффективная передача момента врашения к

образовавшимел в результате аккреции планетезималям, которые послужили нача­

лом формирования всех планет Солнечной системы. При потере заряда ионизи­

рованными химическими элементами последние преврашались в молекулы, реа­

гировавшие друг с другом, образуя простейшие химические соединения: гидриды,

карбиды, оксиды. цианиды, сульфиды и хлориды железа и др.

IJ"poцecc постепенного уплотнения, разогревания и дальнейшей дифференци­

ации вешества в образовавшихся планетах происходил с захватом частиц из окру­

жаютего пространства. В центре формируюшейся протопланеты концентрирова­

лись металлы за счет гравитационного разделения вешества. Вокруг этой зоны

собирались карбиды железа и никеля, сернистое железо и оксиды железа. Таким

образом образовалось внешнее жидкое ядро, которое в своей оболочке содержало

гидриды и оксиды кремния и алюминия, воду, метан, водород, оксиды магния,

калия, натрия, кальция и другие соединения. При этом происходила зонная

плавка образовавшейся оболочки и сокрашение поверхности и уменьшение объе­

ма планеты. Следуютими этапами было формирование мантии. протокоры и вы­ плавление астеносферы. Протокора дробилась за счет упомянутого выше сокра­ шения объема и поверхности. За счет этого на поверхность изливались базальты,

которые после остывания вновь потружались в глубинную часть мантии и под­

вергались следуюшей переплавке; затем часть базальтовой коры постепенно

трансформировалась в гранитную.

Поверхностные слои Земли на этапе формирования состояли из мелкопори­ стого реголита, который активно связывал выделявшиеся воду и углекислый газ за счет своего ультраосновного состава. Обший теплозапас Земли и распределе­ ние температуры в ее недрах определялись скоростью роста планеты. В целом, в отличие от Луны, Земля никогда не плавилась полностью. а процесс формирова­ ния земного ядра растянулся приблизительно на 4 млрд лет.

Примерно 600 млн лет продолжалось состояние холодной и тектонически пассивной Земли. В это время медленно ·разогревались недра планеты и пример­ но 4 млрд лет назад на Земле проявилась активная гранитизация и сформирова­

лась астеносфера. При этом Луна как самый массивный спутник <<Вычитал>> из

околоземного пространства все имевшиеся там меньшие спутники и микролуны,

11

а на самой Луне произошла вспышка базальтового магматизма, что совпало с на­ чалом тектонической активности на Земле (период продолжался от 4,0 до

3,6 млрд лет назад). В этот же момент в недрах Земли возбуждается пропесс тра­

витапионной дифференпиапии земного вешестваглавного пропесса, поддержи­ вавшего тектоническую активность Земли во все последующие геологические эпохи

иприведшего к вьщелению и росту плотного оксидно-железного земного ядра.

Так как в криптотектоническую эпоху (катархее) земное вешество никогда не

плавилось, то не могли развиваться пропессы дегазапии Земли, поэтому первые

600 млн лет сушествования Земли на ее поверхности полностью отсутствовала гидросфера, а атмосфера была исключительно разряженной и состояла из благо­

родных газов. В это время рельеф Земли был сглаженным, состоявшим из тем­ но-серого реголита. Все освешалось желтым слабогреюшим Солнпем (светимость

была на 30 % меньше современной) и непомерно большим без пятен диском Лу­ ны (она приблизительно в 300-350 раз превышала современную видимую пло­ шадь диска Луны). Луна бьиа еше горячей планетой и могла обогревать Землю. Стремительным было движение Солнца - всего за 3 ч оно пересекало небосвод, чтобы через 3 ч вновь взойти с востока. Гораздо медленнее двигалась Луна, так как она быстро вращалась вокруг Земли в ту же сторону, так что и фазы Луны проходили все стадии за 8-10 ч. Луна обрашалась вокруг Земли по орбите с ра­ диусом 14-25 тыс. км (сейчас радиус 384,4 тыс. км). Интенсивные приливвые деформации Земли вызывали вслед движению Луны непрерывную (через каждые 18-20 ч) череду землетрясений. Амгиитуда лунных приливов составляла 1,5 км.

Постепенно, примерно через миллион лет после образования, за счет осуше­

ствлявшегося отталкивания лунные приливы снизились до 130 м, еше через 10 млн лет до 25 м, а через 100 млн летдо 15 м, к конпу катархеядо 7 м, а

сейчас в подлунной точке современные приливы твердой Земли составляют

45 см. Приливвые землетрясения в то время были исключительно экзогенного характера, так как никакой тектонической деятельности еше не было. В архее, в самом начале, дифференциация земного вешества происходила путем выплавле­ ния из него металлического железа на уровне верхней мантии. В связи с исклю­

чительно высокой вязкостью холодной сердпевины молодой Земли возникшая

гравитационная неустойчивость могла быть компенсирована путем выжимания этой сердuевины к земной поверхности и затекания на ее место вьщелившихся ранее тяжелых расплавов, т. е. путем формирования у Земли плотного ядра. Этот пропесс завершился к конпу архея около 2,7-2,6 млрд лет назад; в это время все обособленные до этого континентальные массивы стремительно начали двигаться к одному из полюсов и объединились в первый на гианете суперконтинент Мо­

ноrея. Ландшафты Земли изменились, контрастность рельефа не превышала

1-2 км, все пониженил рельефа постепенно заполнялись водой и в позднем ар­ хее образовался мелководный (до 1 км) единый Мировой океан.

В начале архея Луна удалилась от Земли на 160 тыс. км. Земля врашалась вокруг своей оси с большой скоростью (в году было 890 суток, а сутки продол­ жались 9,9 ч). Лунные приливы амгиитудой до 360 см деформировали поверх­ ность Земли через каждые 5,2 ч; к концу архея врашение Земли сушественно за­ медлилось (в году стало 490 суток по 19 ч), а Луна перестала влиять на тектоническую активность Земли. Атмосфера в архее пополнилась азотом, угле­

кислым газом и парами воды, но кислород отсутствовал, так как он мгновенно

связывался свободным (металлическим) железом мантийного вешества, постоянно поднимавшегося через рифтовые зоны к поверхности Земли.

В протерозое за счет перераспределения конвективных движений под супер­

континентов Мегаrеи, Мезоrеи и Пангеи проходили с образованием сложнейших тектонических структур и продолжались вrиоть до кембрил и ордовика (уже в палеозое). К этому времени масса воды на поверхности Земли стала настолько

12