Глава 16. Концепции геологической и геохимической истории земли

16.1. КОСМОГОНИЯ ПЛАНЕТ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Космогония изучает происхождение и развитие не­бесных объектов — галактик, звезд, Солнца и планет солнечной системы. Она использует данные астрономии, которые получаются с помощью мощных телескопов в разных диапазонах электромагнитных волн; приборов, вынесенных за пределы земной атмосферы; эксперимен­тальных данных, полученных космическими станциями и при непосредственном посещении небесных тел исследо­вательскими автоматическими аппаратами. Астрономия изучает небесные объекты, каждый из которых находится на разной стадии эволюции. Сопоставляя данные наблю­дений с физическими процессами, которые происходят при различных условиях или могут происходить (теорети-

чески), ученые пытаются представить весь эволюционный путь объекта. В космическом пространстве основной силой является гравитация, и потому основные космогонические гипотезы исходят из теории тяготения. Космогония, как и космология, пользуется при объяснении полученных дан­ных результатами и теориями всех естественных наук. Космогония планет существенно больше использует новых данных, полученных в связи с освоением космического пространства человеком.

Планеты — это большие небесные тела, которыедвижутся вокруг Солнца и светят отраженным солнечным светом. Массы всех планет составляют всего 0,002 массы Солнца. В телескоп планеты видны как небольшие диски,

157

а звезды только точками. Невооруженным глазом видны 5 планет как светящиеся точки из-за большой удаленности от Земли. Почти все планеты обращаются вокруг Солнца в одном направлении, как и почти все спутники вокруг своих планет. Почти все планеты имеют незначительные наклоны плоскости орбит к плоскости эклиптики и малые эксцент­риситеты (кроме орбит Плутона и некоторых малых пла­нет). Скорости и периоды обращения, массы планет и расстояния определяются по законам Кеплера. Расстояния планет до Солнца составляют некоторую прогрессию, определяемую эмпирическим правилом Тициуса-Боде. Правило это состоит в следующем: если к каждому члену ряда: 0, 3, 6, 12, 24, 48, 96... прибавить по 4, то получим десятые доли средних расстояний планет от Солнца (Земле соответствует 10). Планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) имеют меньшую плотность и больший размер и вращаются вокруг своих осей быстрее, чем планеты земной группы. Кроме больших планет открыто несколько тысяч малых планет—астероидов, орбиты которых распо­ложены в основном между орбитами Марса и Юпитера.

Идею эволюции ввел в науки о неживой природефранцузский зоолог Ж. граф Бюффон. Он считал, что материя, из которой возникли все планеты, была выбро­шена из недр Солнца ударом кометы. Небольшие куски солнечного вещества постепенно группировались в комки и охлаждались. Бюффон даже ставил опыты с раскален­ными шарами и заключил, что Земле потребовалось бы для охлаждения примерно 75 тыс. лет. Его идеи вызвали первую небулярную гипотезу происхождения планет (лат. nebula «туман, облако»).

Вопрос о возрасте Земли и незаметных в короткие промежутки времени изменениях, которые могут накап­ливаться на больших временных интервалах поставил в 1754 г. И.Кант. Поскольку не наблюдается сглаживания рельефа на Земле, он искал причины, противодействующие стремлению к равновесию, и выделил химические процессы внутри Земли, действие которых иногда проявляется в землетрясениях и вулканической деятельности. Эти про­цессы связаны с теплом внутри планеты, а внутреннее тепло зависит от космических сил. Так в естественно­научных взглядах Канта соединились идеи Ньютона и Бюффона. В предисловии к своей книге «Общая естест­венная история и теория неба, или опыт об устройстве и механическом происхождении всего мироздания на осно­вании ньютоновских принципов» (1755 г.) он написал: «Дайте мне материю, и я построю из нее мир!».

Солнечная система образовалась из космического облака, ипи «хаоса» — предположил Кант. Мировое прост­ранство заполнено «инертной, бесформенной и неупоря­доченной» материей, которая «стремится преобразоваться в более организованную путем естественного развития». Совокупное действие ньютоновского притяжения и сил отталкивания, которые ему пришлось ввести, привели Канта к мысли о возможности зарождения в хаосе круговых движений. Поэтому орбиты планет почти круговые. Образо­вавшись из сгущений, возникших в первичной туманности, планеты отдалялись от нее и от Солнца центробежной силой. Силу отталкивания он не определил, но привел пример отталкивания между кометными хвостами, состоя-

щими из разреженной материи. Кант не обошел вопрос о первотолчке. Он выделил роль химических сил, дейст­вующих между разреженными и разнородными элементами материи, полагая, что до образования плотной материи, в которой господствуют силы тяготения, основными были силы сцепления материи.

Считая, что Млечный Путь является проекцией на наш небесный свод, Кант искал причины, по которым «поло­жение неподвижных звезд оказалось связанным с общей плоскостью». Млечный Путь для звезд он сравнивал с Зодиаком для солнечной системы и искал однотипные процессы для объяснения. Ему удалось представить струк­туру Вселенной, которую не предполагал и Ньютон: Ва­ленная есть иерархия самогравитирующих систем. Не имея данных о массах и расстояниях в космосе, Кант считал, что все системы должны иметь сходную структуру и в первом приближении описываться как пары взаимодейст­вующих тяготеющих масс. Он указал, что наблюдения, направляемые интуицией теоретиков, могут открыть более глубокие закономерности, управляющие Вселенной. Впос­ледствии небулярную гипотезу поддержали и развили У.Гершель и ПЛаплас. Исследуя галактические туманности, У.Гершель сформулировал гипотезу об образовании звезд при медленном сгущении рассеянной газовой материи, из которой состоят открытые им многочисленные непра­вильные галактические туманности.

Гипотезу об образовании солнечной системы Лаплас представил в своей книге «Изложение системы мира» (1796 г.). Он воображал первичное Солнце звездой огром­ных размеров, превышающих радиус орбиты Юпитера. При медленном вращении этой материи происходили охлаж­дение и конденсация. По мере сжатия скорость вращения возрастала вследствие сохранения момента количества движения, тогда как центробежная сила в области экватора росла, и в этой области от первичного Солнца должно было отделиться газовое кольцо. Так, по Лапласу, из отделяю­щихся от первичного Солнца колец материи образовались планеты. Каждое кольцо разрывалось на несколько частей масс, конденсирующихся потом в планету. Спутники планет образовались из газовых колец, отделенных уже самими планетами. Лаплас оценил взаимные возмущения планет друг другом, которые накапливаиись в течение тысяче­летий, это такшзываемые вековые возмущения, которые могут изменить историю солнечной системы. Анализ этих возмущений привел Лагранжа (1776 г.) и Лапласа (1784 г. к «теореме об устойчивости солнечной системы». Это означало, что большие оси эллипсов орбит не меняются. Небулярная гипотеза Канта-Лапласа оставалась первой ротационной гипотезой о возникновении солнечной систе­мы вплоть до конца ХГХ в. Однако она не объясняла больших размеров орбит внешних планет-гигантов и медленности вращения Солнца, не отвечала на вопрос, почему момент количества движения планет почти в 29 раз больше момента количества движения Солнца, если солнечная система изолирована. Последнее обстоятельство, казалось, требо­вало ввести в солнечную систему вмешательство какой-то внешней силы.

Катастрофические гипотезы появились в XX в. Джине, автор одной из них, предположил, что какая-то

за и

т как

то в

аст

вина, нова.

торов

158

звезда прошла неподалеку от Солнца и вызвала некие «приливные выступы», принявшие форму газовых струй, из которых и возникли планеты. Поэтому орбиты образо­вавшихся планет были сначала сильно вытянутыми, но из-за огромного сопротивления пылевой среды между двумя звездами постепенно приближались к круговым. Недос­татком гипотезы Джинса была уникальность образования планетной системы, так как близкое прохождение звезд столь редкое явление, что может случиться раз в 10¹⁷ лет. В1935 г. Ресселл подсчитал момент количества движения приблизившейся к Солнцу звезды, он оказался на порядок меньше среднего момента количества движения планет по современным данным. Ему пришлось ввести еще одну гипотезу: Солнце в прошлом было двойной звездой, спутник Солнца вращался от него на расстоянии Урана или Нептуна, какая-то внешняя звезда столкнулась с ним, отбросила его за пределы солнечной системы и удачилась сама. Астроном и физик Н.Н.Парийский оценил возможности такого хода событий при разных скоростях сгустка, вырванного из Солнца, и оказалось, что только при скоростях от 400 до 500 км/с возможно получить орбиты для планет, но все они очень малы для нашей системы. Тем не менее, Джине заложил основы теории гравитационной неустойчивости, которые дали ростки в последующих гипотезах.

Академик О.Ю.Шмидт, один из организаторов освоения Северного морского пути, отказался от изолированности солнечной системы и посчитал, что если «обратиться к ее движению в Галактике, то отпадет затруднение с моментом количества движения, так как Солнце могло захватить из Галактики материю, обладающую достаточным моментом». Считая, что на Землю падает примерно 1 т метеоритов за сутки, он вычислил, что для «вырастания» нашей планеты таким путем было бы необходимо около 7 млрд лет, тогда как согласно геологическим данным возраст земной коры составлял 3 млрд лет. Что же, кора может быть моложе внутренних областей планеты! При образовании планет из метеоритов, по гипотезе Шмидта, стало преобладать какое-то направление вращения, и все планеты начали двигаться в одну сторону. Кроме того, все орбиты становились симметричными по всем направлениям, их эксцентри­ситеты приближались к нулю, и орбиты становились почти круговыми (причем это сильнее сказывалось на более массивных планетах). Расчеты Шмидта показали умень­шение периода вращения Солнца до 20 суток, тогда как он равен сейчас 25 суткам, что считается хорошим резуль­татом.

К процессам, происходящим внутри Солнца, обра­тился академик В.Г.Фесенков, один из основоположников астрофизики. Образование планет происходило во время перехода от одного типа ядерных реакций в глубинах Солнца к другому, что определялось температурными условиями. Условия равновесия требовали выброса массы Солнца, и этот выброс соответствовал расчетам англий­ского астронома и математика ДжДарвина, сына ЧДар-вина, и русского ученого математика и механика А.М.Ляпу­нова. Они рассчитали фигуры равновесия вращающейся жидкой несжимаемой массы. Гипотеза Фесенкова связала жизнь в солнечной системе в единое целое и избавила теорию планетообразования от внешних случайных фак­торов.

Выяснение природы планетарных туманностей,

начатое Гершелем, имеет особое значение в планетной космогонии. Они возникают из отделившихся наружных оболочек красных гигантов, в то время как ядра этих звезд достаточно быстро, по космическим масштабам, превра­щаются в белые карлики. Эти чрезвычайно плотные ма­ленькие звезды были известны давно, но только в послед­нюю четверть века стало ясно, как они «вызревают» внутри «нормальных» звезд при их эволюции.

Эволюцию разных моделей при разных начальных условиях рассчитывают теперь на ЭВМ. Расчеты показали, что начальная масса газопылевого комплекса, в котором образовалась Солнечная система, достигала 10 М_с. Мы не знаем размеров и массы этого облака, считали от 0,3 М_с, а верхние пределы определяли по-разному: Хойл — 4 М_с, АКамерон и М.Пайн — 2 М_с.

При определенных значениях массы, плотности и температуры такой комплекс начинает сжиматься, возни­кающие неоднородности разрывают его на фрагменты, из которых при дальнейшем сжатии и образуются прото-звезды. Солнце было Протозвездой около 5 ■ 10⁹ лет назад. Центробежные силы выделяли экваториальную область, в ней возникали неустойчивые нестационарные потоки в газе и пыли, и часть этого вещества была оторвана от самого Солнца, унеся с собой избыточный момент количества движения. Так образовался газопылевой диск в эквато­риальной плоскости Солнца. Этот диск рос, и в нем возни­кали условия для рождения планет. Во вращающемся и сжимающемся фрагменте, потерявшем часть вещества на образование диска, увеличивалась температура, росло давление, что препятствовало дальнейшему сжатию. Во внешних слоях понши бурные процессы, вызывающие огромные токи в ионизованном газе и сильные магнитные поля. Когда температура достигла 10⁶ К, пошли термо­ядерные реакции, и «загорелось» наше Солнце. На этот процесс потребовалось почти 10⁸лет.

Протопланетное облако к этому времени представ­ляло собой кольцо, в котором при уплотнении пылинки слипались между собой. Солнце нагревало внутреннюю часть этого кольца, вызывая испарение, выгоняя солнечным ветром более легкие элементы в более дальние частикольца, где они «замерзали» (Г = 50 К). Так происходило образование двух групп планет. Планеты земной группы образовались примерно за те же 100 млн лет. В зависимости от расстояния до Солнца разные части туманности осты­вали с разной скоростью. Это привело к неоднородности протекания химических процессов, которая усиливалась давлением солнечного излучения и корпускулярной радиа­ции Солнца. В разных частях облака возникали неодно­родности, что потом отразилось на составе образовавшихся планет. Химическая эволюция протекала тоже по-разному: сначала конденсировались наиболее тугоплавкие элементы и их соединения, потом — летучие. Аккумуляция конден­сатов в планеты и метеоритные тела началась еще до завершения процессов конденсации.

Агломерация твердых частиц и жидких капель в планетные тела связана, вероятно, с появлением первых конденсатов железа. Сгущение высокотемпературной фракции конденсатов вело к образованию ядер планет,

159

обогащенных железоникелевым сплавом. Вокруг нихоседали магнезиально-силикатные породы, которые обра­зовали первичные мантии. Поздние конденсаты — гидра-тированные силикаты, органические вещества и летучие соединения. Так формировались первичныепланеты земной группы.

Происхождение регулярных спутников, вращающихся в направлении вращения планеты, объясняется по анапогии с образованием планет. Если же спутник вращается в другую сторону, то его происхождение связывают с за­хватом. Исследование образцов лунного грунта показало, что в период формирования Луна была разогрета до 1000 К Видимо, это связано с падением на нее огромного числа метеоритов, что отражает и ее поверхность. Анализ струк­туры кристаллических пород приводит к выводу, что они когда-то были полностью расплавлены, а потом подверглись очень быстрому охлаждению. Присутствие базальтовсвидетельствует об активной вулканической деятельности, которая почти прекратилась около 3 • 10⁹ лет назад. Возраст пород находится в пределах (3,23-4,65) • 10⁹ лет, т.е. Луна образовалась почти одновременно с Землей.

В некотором смысле Галилей оказался провидцем, когда назвал обширные темные территории на Луне мо­рями: когда-то лава вытекала через отверстия в коре и затапливала эти участки. Истечение лавы происходило почти 1 млрд лет, об этом стачо известно из исследования лунных пород. Странно, что ее материал содержит сильно повышенное количество тугоплавких литофильных эле-ментов и очень малое число летучих. Происхождение Луны весьма загадочно. Похоже, что она образовалась вблизи Солнца за счет самых ранних дометаллических конден­сатов при высоких температурах. Странными оказались аномалии магнитного поля, которые сильно менялись от точки к точке. При изучении его со спутников было полу­чено значение, которое меньше земного в 1000 раз.

16.2. СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ.

Земля участвует в двух движениях: вращается вокруг своей оси и обращается вокруг Солнца по эллиптической орбите. Большая полуось орбиты 149,6 • 10⁶ км принята за 1 астрономическую единицу расстояния (1 а.е.). Расстояние в перигелии (3 января) больше этого на 2,5 • 10⁶ км, а в афелии (3 июля) — меньше на 2,5 ■ 10⁶ км. Вращение Земли вокруг своей оси приводит к смене дня и ночи. Осью названа воображаемая линия, проходящая через центр Земли и одну неподвижную на небосводе звезду, называемую Полярной звездой. Ось Земли перпендикулярна экваториальнойплоскости. Экватор делит Землю на Северное и Южное полушария. Точки пересечения оси Земли с поверхностью называются полюсами. Плоскость земного экватора нак­лонена к плоскости орбиты Земли вокруг Солнца на 23,5° и перемещается параллельно самой себе, поэтому в одних участках орбиты земной шар наклонен к Солнцу Северным полушарием, а в других — Южным. Из-за этого происходит смена времен года и существуют климатические пояса.

В дни равноденствий (21 марта и 23 сентября) оба полюса Земли одинаково освещены, Солнце там видно лишь на горизонте. После 21 марта, принятого за начато астроно­мического года, область около Северного полюса более

Образование Луны — в нескольких гипотезах. Одна основана на теории Джинса и Ляпунова—Земля вращалась очень быстро и сбросила часть своего вещества. Другая -на захвате Землей пролетавшего небесного тела. Наиболее правдоподобна гипотеза столкновения Земли с планетой, примерно в половину меньше ее (типа Марса), проис­шедшего под большим, «скользящим» углом, в результате которого образовалось огромное кольцо из обломков (железное.ядро Земли при этом не пострадало), что и составило основу для Луны (железа на Луне очень мало).

Планеты-гиганты образовывались дольше. За 10⁸ лет сформировались их ядра, потом они аккумулировали газ окружающего пространства и образовали свои протя­женные атмосферы. Начальные температуры планет-гигантов были высоки (у Юпитера —- до 5000 К, у Сатурна - ; до 2000 К), что обеспечивалось распадом короткоживущих радиоактивных элементов и интенсивным падением метео­ритов. Формирование более дальних планет шло еще медленнее. Сейчас обсуждается гипотеза об ином образо­вании планет внешней группы: они являются остывшими ; маленькими звездами, и остыли давно, вероятно, когда Солнце еще только начинало свою звездную жизнь.

О спутниках Юпитера и Сатурна обширные данные были получены с космических аппаратов «Пионер» и «Вояджер», которые передали на Землю великолепные изображения спутников, видимых с Земли слабыми пят­нышками. В конце 80-х годов «Вояджер-2» провел анало­гичное обследование и самых дальних объектов нашей солнечной системы. Более детально исследован спутник Юпитера Ио. Малые планеты и кометы считают образо­ванными из вещества протопланетного облака, не вошед­шего в планеты и их спутники. Существует гипотеза, что астероиды, кометы и метеориты—остатки рассыпавшейся :' в прошлом планеты Фаэтон, расположенной между Марсом \ и Юпитером.

ЭВОЛЮЦИЯ ГЕОСФЕР

обращена к Солнцу, день увеличивается и устанавливается полярный день — Солнце не заходит за горизонт. В Север­ном полушарии — весна, у Южного полюса — полярная ночь, в Южном полушарии — осень. Границы полярных дня и ночи определены полярными кругами на 66,5° соот­ветственно северной и южной широты. В это время Солнце в полдень достигает своего самого высокого в Северном полушарии (низкого — в Южном) положения над гори­зонтом, и начинается лето (самый длинный день в Северном полушарии) и зима (самый короткий день — в Южном) -21 июня. В этот день летнего солнцестояния Солнце находится в зените на тропике Рака (23,5° сев. широты), ; Далее в обратном порядке. Когда после 22 сентября в северном полушарии день станет меньше ночи, убывая до самого короткого 22 декабря (зимнее солнцестояние); в _? южном — после наступит лето, а в этот день Солнце будет в зените на тропике Козерога (23,5° юж. широты). Пояс между тропиками Рака и Козерога называют тропическим (жарким), там Солнце дважды в год проходит через зенит, а на самих тропиках—по разу за год. В умеренных поясах (между полярными кругами и тропиками) не бывает поляр­ных дней и ночей, но и Солнце не бывает никогда в зените.

160

Наш первый космонавт Юрий Гагарин первым увидел Землю со стороны.

Суточное вращение Земли происходит почти с посто­янной угловой скоростью, определяемой периодом в 23 ч. 56 мин 4,1 с, что равно одним звездным суткам. Ради удобства жизни поверхность разделили на 24 часовых пояса по меридианам (15° по долготе). Среднее солнечное время в часовом поясе названо поясным, в каждом соседнем часовом поясе оно отличается на 1 час. За начало выбран меридиан Гринвичской обсерватории около Лондона, отсчет ведется с запада на восток. Линия перемены дат — 12-й часовой пояс. Удлинение суток вызывает возникающая из-за приливных сия сила трения, замедляющая вращение Земли вокруг оси. На это впервые (1754 г.) указал Кант и даже попытался оценить такое замедление. Удлинение суток составляет 0,002 с за столетие, его можно обнаружить по рубцам на теле некоторых кораллов. Прирост меняется в течение года, каждому году соответствует своя полоска, как кольцам на срезе дерева. Изучая ископаемые кораллы, возраст которых составляет 4 ■ 10^ё лет, геологи обнаружили, что в те далекие времена год состоял из 400 суток, каждые сутки—из 22 часов. По окаменелостям более древних форм было установлено, что 2 • 10⁹ лет назад сутки составляли всего 10 часов.

Форма Земли близка к шарообразной, но при деталь­ном исследовании оказывается более сложной, даже если ее обрисовать поверхностью океана и мысленно продол­жать эту поверхность под континентами. Неровности поверхности поддерживаются неравномерным распре­делением массы внутри земного тела. Эту форму назвали геоидом. О шаровидности ее сделали вывод еще в V в. до н.э. На основании того, что тень от Земли, падающая на Луну, имеет форму круга. Размер земного радиуса опре­делил Эратосфен из Кирены в III в. до н.э. по отклонению Солнца от зенита в Александрии в день летнего солнце­стояния. Поскольку в этот день Солнце было в зените в Сиене (Асуан), расположенном на расстоянии 5000 стадий (1 ст. — 157,8 м), а в Александрии отклонилось на 7,2°, он нашел, что длина окружности экватора 250000 стадий, т.е. 39,бтыс. км, или радиус Земли равен 6278 км. Сейчас радиус считается равным 6378 км. На сплюснутость Земли у полюсов указывал Ньютон; обнаружение ее послужило одним из доказательств справедливости его закона тяго­тения (по теории Декарта, она должна быть больше похожа на яйцо).

Геоид — это почти эллипсоид вращения, его полярный радиус меньше экваториального на 21,4 км. Указанная разница связана с влиянием центробежной силы, возни­кающей из-за вращения Земли вокруг своей оси. Земля на 70% покрыта водой, 98% водной оболочки — это мировой океан, и только 30% — суша. В настоящее время форма Земли уточняется с использованием спутников. Величина сжатия 1/298,2. Известно, что рельеф поверхности очень неровный: наибольшую высоту поверхности имеет гора Эверест в Гималаях, а наибольшая глубина под уровнем океана — 11,022 км (Марианский желоб в Тихом океане). Перепад — 20 км.

Геосферы — концентрические оболочки Земли, по которым рассматривать строение нашей планеты пред-

ложил австрийский геолог Э.Зюсс. Наша планета окружен обширной.атмосферой. Атмосферное давление у поверх ности равно 0,1 МПа.

Земная атмосфера очень изменилась за свою историю Верхняя ее граница лежит на высоте более 2000 км. Границ; эта нечеткая, так как газы постепенно рассеиваются i космическое пространство. Поскольку с высотой атмо сфера становится все более разреженной, то основная ее масса сосредоточена в довольно узком слое: 50% массы находится между уровнем моря и высотой 5-6 км, 90% — до 16 км, 99% — до 30 км. Так что с высотой над поверх­ностью Земли не только убывает плотность, понижаются давление и температура воздуха, но меняются электри­ческое состояние и состав. Поэтому в ней выделяют не­сколько сфер: тропосферу, стратосферу, мезосферу, ионосферу, экзосферу. Тропосфера — нижний слой атмо­сферы, она простирается до 8-12 км, а в тропиках—до 16-18 км. В ней содержится почти весь водяной пар, поэтому в ней возникают облака, выпадают осадки, наблюдаются грозы. Примерно каждый километр происходит понижение температуры на 1°. Это связано с прозрачностью воздуха для солнечных лучей, поэтому нагрев идет только от земной поверхности. Верхняя граница следующей области — стратосферы — на высоте 50-55 км. В ней температура растет с высотой, хотя ниже нуля по Цельсию; находится озоновый слой и почти не водяного пара. Эти области разделены тонким слоем в несколько сот метров — тропо­паузой. Мезосфера расположена выше и достигает высот в 80 км. Температура в ней вновь падает с высотой до -80° С; образуются тонкие серебристые облака. Ионосфера (термо­сфера) расположена выше и достигает 800 км. Гдел-о около 100 км температура поднимается до 0°С, а при 150-200 км достигает 500°С и далее растет. Данные со спутников показали, что температура может колебаться на 100°С. Здесь газы находятся в ионизованном состоянии из-за действия ультрафиолетового и корпускулярного излучения Солнца. Ионизованный газ становится электропроводным, поэтому корпускулярное излучение Солнца под влиянием магнитного поля Земли отклоняется в сторону высоких широт, где наблюдается свечение — полярные сияния. Ионосфера влияет на распространение радиоволн, испы­тывающих отражение от ионизованных слоев. Самая верх­няя часть атмосферы — экзосфера — сильно разреженная, но достаточно горячая.

Под атмосферой различают гидросферу, земную кору, мантию Земли и ее ядро. Твердую оболочку Земли шзы-шот литосферой (рис.25). Ее верхняя часть — это земная кора, достигающая 35-65 км на континентах и 6-8 км — под дном океанов. Под корой расположена мантия, а между этими слоями находится так называемый слой Мохоровичича. В этом слое скачкообразно возрастает скорость распространения сейсмических волн. На глубине 120-150 км под континентом и 60-400 км под океаном залегает слой мантии — астеносфера — область с очень низкой вязкостью. Земная кора растрескалась на части, и литосферные плиты, плавая в астеносфере, медленно перемещаются относительно друг друга. Ниже астеносферы (с глубины 410 км) давление на минералы становится очень большим, плотность сильно увеличивается. Сейсморазведка

161

показывает, что на глубине 2920 км плотность составляет 10080 кг/м³, тогда как до нее была — 5560 кг/м³. Начи­нается область внешнего земного ядра, внутри которого находится внутреннее ядро радиусом в 1250 км. Внешнее ядро—жидкое, так как через него не проходят поперечные волны. Кстати, с наличием жидкого ядра связывают сущест­вование магнитного поля Земли. Принято считать, что внутреннее ядро твердое. Возможно, что температура в центре достигает 10⁵ К, а у нижней границы мантии — не выше 5000 К

Процесс образования каждой из планет солнечной системы имел свои особенности. Около 5 • 10⁹ лет на расстоянии 150 млн км от Солнца зародилась Земля. При падении на нее астероидоподобных тел вещество нагре­валось и дробилось. Первичное вещество сжималось под действием тяготения, принимало форму шара, не/фа ко­торого разогревались. Происходили процессы перемеши­вания, шли химические реакции, более легкие силикатные породы выдавливались из глубины на поверхность и образо­вывали земную кору, тяжелые — оставались внутри. Разо­гревание сопровождалось бурной вулканической деятель­ностью, при этом пары и газы вырывались наружу. У планет земной группы сначала не было атмосфер, как и сейчас на Меркурии и Луне. В процессе вулканической деятельности рождалась земная атмосфера, а водяные пары конденси-рованись в океанах.

Нептунической названа теория немецкого геолога и минералога АТ.Вернера. Он исходил из того, что Земля была покрыта океаном («всемирный потоп»). Когда вода отступила, из осевших отложений минералов в воде в течение более миллиона лет образовались слои пород. Гипотеза Вернера была поддержана духовенством, пов­лияла на развитие геологии.

Плутонической названа теория шотландского геолога Дж.Геттона, представленная в книге «Теория Земли» (1795 г.). Он отказался от идеи о потопе и выдвинул версию о медленной эволюции Земли. Под действием ветра, воды, вулканов, землетрясений земная кора разрушалась, апродукты разрушения образовали слои на поверхности планеты. Тепло земных недр перемещало породы и фор­мировало континенты. Профессор геологии ЧЛайельподдерживал идею Геттона, считая, что геологические

явления вызваны природными факторами, действующими длительные промежутки времени, и что всюду природные факторы действуют одинаково. Лайель сформировал гео­логию как научную дисциплину, а его теория, получившая название теории «единообразных изменений», поддер­живается современными учеными.

Возможно, что обилие воды на поверхности Земли (по сравнению с близкой по массе Венерой) вызвало именно тем колоссальным столкновением протопланет, которое привело к образованию Луны. Образование океанов не прекращается на Земле до сих пор, хотя уже не стольинтенсивно. Обновляется земная кора, вулканы выбра­сывают в атмосферу огромные количества углекислоты и водяных паров. Первичная атмосфера Земли была значи­тельно более плотной и состояла в основном из С0₂. Резкое изменение состава атмосферы произошло примерно 2 млрд лет назад и связано с зарождением жизни. Растения камен­ноугольного периода в истории Земли поглотили большую часть С0₂ и насытили атмосферу О,. Последние 200 млн лет состав земной атмосферы практически остается неиз­менным. Доказательством этого служат залежи каменного угля и мощные пласты отложений карбонатов в осадочных породах. Они содержат большое количество углерода, который ранее входил в состав земной атмосферы в виде С0₂ и СО. В образцах, относящихся к 3,5 млрд лет назад, содержится примерно 60% С0₂, а оставшиеся 40% — это соединения серы, аммиак, хлористый и сернистый водород. Совсем ничтожны содержания азота и инертных газов. Свободного кислорода тогда не было, поскольку обна­ружены легко окисляемые вещества в неокисленномсостоянии. Под действием солнечного света из водяного пара освобождалось ничтожное количество кислорода, но он окислял в атмосфере аммиак, сероводород, метан. Выделялся азот, который постепенно накапливался ватмосфере, примерно 600 млн лет назад доля кислорода достигла уже 1%, тогда появились и примитивные одно­клеточные организмы. За 200 млн лет содержание кис­лорода быстро увеличивалось, так как зеленые растения этому способствовали. По словам Вернадского, «наша планета два миллиарда лет раньше или позлее — это хими­чески разные тела».

Т Си

с-

в из

дые с

16.3. ХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ НАШЕЙ ПЛАНЕТЫ

История химических элементов, в течение которой сложились определенные пропорции количественных соотношений атомов, определила развитие Земли. Изу­чение земных недр имеет огромное и практическое зна­чение. Основными источниками сведений о распростра­ненности химических элементов служат данные о составе Солнца, полученные с помощью спектрального анализа, и результаты лабораторных химических анализов материала земной коры, метеоритов, пород поверхности Луны и планет. Принято выражать количество атомов какого-либо химического элемента по отношению к кремнию в разных природных системах, поскольку кремний принадлежит к обильным и труднолетучим элементам.

Распространенность элементов с ростом порядко­вого номера убывает неравномерно, причем элементы с

четным порядковым номером более распространены, чем с нечетным (в геологии этому соответствует правши Гаркинса-Оддо), особенно элементы с массовым числом, кратным 4, например, Не, С, О, Ne, Mg, Si, S, Ar, Ca. Ряд максимумов соответствует элементам с ядрами, у которых число протонов или нейтронов равно 2, 8, 20, 50, 82,126 Этим «магическим» числам соответствуют заполненные j ядерные оболочки, характеризующие устойчивые ядра. По этому поводу американские космохимики Г.Юри и Г.Зюсс сказали так: «Представляется, что распространен­ность элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами и что окружающее нас вещество похоже на золу космического ядерного пожара, в котором оно было соз­дано» (рис.26).

Все

Ф при

162

Болыиинство газов (или летучей части солнечного вещества) — Н, Не, СО, О, N, С0₂ и все инертные газы. Основную часть внутренних планет и метеоритов состав­ляют нелетучие элементы солнечного вещества — Si, Fe, Vg, Са, Al, Ni, Na. Детально сравнивая их, Виноградов мазал (1962 г.), что эти породообразующие элементы танет и метеоритов выброшены Солнцем, а не захва­чены из других областей Галактики. Некоторые различия в составе планет связаны с вторичными процессами и с тем, что элементы входят в разные соединения, пребывая в разных агрегатных состояниях. Особенно близок состав нелетучей части элементов Солнца и наиболее распрост­раненных каменных метеоритов — хондритов. Летучая часть солнечного вещества, существующая в виде газов при Т > 0, при низких температурах переходит в твердоесостояние, а атомы газов вступают в соединения. Инертные ! газы в соединения не вступают, оставаясь газами и при ,' низких температурах. Земля и метеориты сохранили летучие элементы в той степени, в какой они проявляли свою активность, поэтому инертные газы в них редки. Что касается изотопного состава С, О, Si, CI, Fe, Ni, Co, Ba, К, Си, то он одинаков на Земле и в метеоритах. Относительно Солнца таких широких исследований не проведено, но для С-12:С-13 он такой же, как и на Земле. Исследования по инертным газам показали идентичность изотопного состава в солнечной системе, но на других звездах это отношение иное.

Таким образом, все тела солнечной системы построены из небольшого числа элементов (около 28 номера распро­страненность резко падает) и имеют единое происхож­дение. Метеориты, большинство которых оказались очень древними, дали ценную научную информацию об истории возникновения отдельных тел солнечной системы. По оцен­кам, основанным на радиоактивном распаде урана, тория, рубидия и калия, их возраст около 4,5-4,6 млрд лет, т.е. совпадаете возрастом Земли и Луны. В них насчитываются примерно 66 минералов, большинство из них похожи на земные. Вероятно, метеориты образовались тогда же, что и планеты земной группы. В геологии все элементы разде­лены на четыре группы. Атмофильные элементы склонны накапливаться в атмосферах; литофильные образуют твер­дые оболочки планет; халькофильные создают соединения с серой, подобные меди; сидерофильные способны раст­воряться в сплавах железа.

Радиоактивность — важнейшее свойство Земли,определяющее ее происхождение и химическую эволюцию. Все первичные планеты были сильно радиоактивны. При радиоактивном нагреве они испытывали химическую дифференциацию, завершившуюся формированием внут­ренних металлических ядер у планет земной группы. Остатки металлической и сульфидно-металлической фаз, сохранившиеся в первичных мантиях, стекли в центральные области и сформировали четкие границы ядер. Лито­фильные элементы переходили вверх, дегазация мантий при выплавлении легкоплавких фракций приводила к базальтовым расплавам, изливающимся на поверхности планет. Газовые компоненты, вырывающиеся вместе с ними, дали началопервичным атмосферам, которые смогли удержать только крупные планеты. Наиболее

массивная среди внутренних планет Земля прошла слож­нейший путь химической эволюции. На последних стадиях остывания солнечной туманности возникли сложные орга­нические соединения, обнаруженные в метеоритном ве­ществе, которые были усвоены нашей планетой и привели к развитию жизни.

Самопроизвольный распад неустойчивых атомов отра­жает эволюцию вещества Земли и события эпохи рождения химических элементов, как устойчивых, так и неустой­чивых. При распадах выделяется тепло. Для Земли сейчас важны следующие радиоактивные изотопы, которые распа­даются: U-238 -> Ph-206 + 8а + Q; U-235 -> Ph-207 + 7а + Q; Th-232 -> Ph-208 + 6а + Q; K-40 -> Са-40 + b + Q.

Тепловой баланс Земли существенно зависит отрадиоактивности. По словам Вернадского, «количество создаваемой радиоактивным процессом тепловой энергии не только достаточно для того, чтобы объяснить потерю Землею тепла и все динамические и морфологические воздействия внутренней энергии планеты на ее поверх­ность — земную кору, но и для того, чтобы поднять ее температуру». Алюмосиликатная кора Земли наиболее радиоактивна. Земля теряет свое тепло в окружающее пространство путем излучения итеплопроводности, причем измерения показали, что величина тепловых пото­ков одинакова и на дне океанов, и на материках. Потери меньше в несколько раз количества тепла, произведенного за счет радиоактивности.

Из законов радиоактивного распада следует, что в прошлом радиоактивность была выше. Так, 4,5 млрд лет назад U-238 на Земле было в 2 раза больше, чем сейчас, и энергии он выделял больше. Кроме тория, урана и калия, существовали недолговечные радиоактивные изотопы с периодом полураспада менее 10⁸ лет. Они возникли в эпоху ядерного синтеза тяжелых элементов и вошли в состав молодых тел солнечной системы. Примерами их могут быть J-129 с периодом полураспада 17,2 млн лет, превращающийся в Хе-129; Sm-146, 50, Nd-142; U-236, 23,9, Th-232 (соответ­ственно).

В докембрийском редкоземельном минерале бастие-зите обнаружены (1971 г.) долгоживущие радиоактивные элементы Ри-244 и Ст-247, имеющие своим конечным продуктом распад Хе-131-136. Значит, при «варке» тяжелых элементов присутствовали и сверхтяжелые трансурановые ядра, пока не известные и не полученные в лаборатории (известно, что с ростом номера элемента неустойчивость трансурановых резко растет). Группа индийских ученых во главе с С.Бандари обнаружила в некоторых метеоритах и лунной пыли следы более 300 треков, которые могли быть вызваны такими трансурановыми элементами, присутство­вавшими при затвердевании породы. Большинство «вымер­ших» радиоактивных изотопов при распаде выделяло много больше энергии. Так, если за год при распаде урана выде­ляется 2,97 Дж, то у Ри-244 — 50,4 Дж, Ст-247—279,9 Дж и J-129 — 5,53 Дж.

Возрасты химических элементов и тел солнечнойсистемы определили по радиоактивности. По соотношению изотопов свинца РЬ-206, 207 и 208 в метеоритах и земной коре рассчитали возраст Земли — 4,55 млрд лет. Возраст радиоактивных ядер в солнечной системе примерно

163

4,8 млрд лет, поэтому естественно считать, что тяжелые ядра образовались непосредственно перед формированием планет примерно за 200 млн лет. Русский геохимик и минералог академик А,Е.Ферсман разделил время сущест-

16.4. ГЕОХРОНОЛОГИЧЕСКАЯ

Термин «геохронология» принят в науках о Земле для обозначения времен и последовательности образования горных пород, слагающих земную кору. Относительный возраст пород оценивается достаточно просто в одном геологическом разрезе, поскольку каждый налегающий пласт образовался позднее того пласта, на который он ложится. Этот стратиграфический метод применяют и при сравнении возраста пород в разных разрезах, хотя приходится привлекать и данные палеонтологии для сопос­тавления возраста слоев. Геохронологическая шкала при­нята в 1881 г. на Международном геологическом конгрессе, были введены термины: эра, период, эпоха, век, время.

По степени изученности вся история планеты делится на две неравные части. Более молодая, составляющая 570 млн лет и названная фанерозоем (греч. phaneros «явный» + zoe «жизнь»), изучена лучше. К ней относятся геологические формации палеозоя, мезозоя и кайнозоя. Более древняя охватывает огромный интервал времени от 570 до 3 800 млн лет назад. Ее назвали криптозоем, или периодом со скрытым развитием органической жизни. Хотя криптозой изучен недостаточно, геологи установили необ­ратимый характер осадкообразования и основные тен­денции эволюции Земли под влиянием развивающейся жизни.

Установление истинной продолжительности отдельных периодов и эпох, как и возраста Земли в целом, заставило обратиться к равномерному процессу, протекающему с известной скоростью в течение исследуемого периода и позволяющему делать количественные измерения. Эти соображения высказали Ломоносов («О слоях земных», 1763 г.) и Ламарк («Гидрогеология», 1802 г.). С этой целью пытались исследовать накопления солей в океане и другие ученые. Они получили оценки, не противоречащие рас­четам, полученным другими методами. После открытия методов определения возрастов горных пород с помощью радиоактивного распада по инициативе Вернадского была создана специальная комиссия, в которую вошли академики радиохимик В.Г.Хлопин и химик И.Е.Старик, разрабо­тавшая наиболее точные методы по распад}' свинца и гелия для определения абсолютного возраста минералов. По дан­ным, полученным комиссией, английский геолог и петро­граф А.Холмс разработал первую геохронологическую шкалу фанерозоя (1947 г.).

Четыре этапа химико-биогенного осадкообразо­вания выделяются в истории Земли согласно обобщениям академика Н.М.Страхова.

1. Первичные океан и атмосфера, когда живоепоявлялось в очень ограниченных масштабах, отвечают первому этапу. Первичный океан конденсировался из паров материала мантии Земли и состоял из НС1, HF, H₂B0₃, Si0₂, т.е. был достаточно кислым раствором. В воде были растворены сернистый водород, метан и другие угле­водороды, а также углекислота. Сульфатов тогда, как и свободного кислорода, для их образования из сернистого

вования атомов Земли на три эпохи: эпоху звездных условий существования, эпоху начала формирования планет, эпоху геологического развития.

ШКАЛА ЭВОЛЮЦИИ ЗЕМЛИ

водорода почти не было. Первичная атмосфера состояла из углекислоты с добавками аммиака, метана, паров воды и нескольких инертных газов. Началось образование пер­вичных осадочных горных пород. Поверхность Земли была похожа на современную лунную; площади между вулканами занимал неглубокий океан, а они выступали в виде остро­вов. Климат был влажный, вулканогенно-осадочный, и климатических поясов не было. Наличие углекислоты в атмосфере способствовало выветриванию изверженных пород, образовывались карбонаты калия, натрия, магния, кальция и коллоидные частицы А1₂0₃, Si0₂, Fe₂0₃. Попадая в кислую среду океана, они превращались в хлориды калия, натрия, магния и кальция, что меняло состав Первичного океана, уменьшая его кислотность и обогащая его хлори­дами металлов. Вулканические породы поверхности под­вергались выветриванию, на них осаждался кремнезем и сульфиды тяжелых металлов.

2. С появлением первых организмов вплоть до фото-синтезирующих связан второй этап. Земная поверхность характеризовалась ростом алюмосиликатной коры и рас­членением ее на структурные области, зарождались горные цепи и выравнивались участки между ними. В это время увеличился и рост сносов с поверхности в океаны. Поступ­ление карбонатов в океан меняло его, исчезала сильная кислотность, накапливались карбонатные соли. В атмо­сфере постепенно нарастала роль азота, она очищалась от аммиака и метана. Во время образования обширных конти­нентальных массивов стали зарождаться климатические зоны — сухого, холодного (ледникового) и влажного климата. В морской воде стали выделяться доломиты CaMg(C0₃)₂, оседающие химическим путем на океани­ческое дно, где, в основном в илах с прослойками мине­ралов, накапливались кремнезем, железо и марганец. Возникли многочисленные глинистые минералы, давшие начало образованию кристаллических сланцев. Все эти следы седиментации (nar.sedimentum «оседание») расшиф­ровываются с большим трудом.

3. Большую часть докембрийского периода охваты­вает третий этап (от 3 до 0,6 млрд лет до нашего времени). Он представлен большим числом сильно метаморфизо-ванных пород на нарастающей земной коре. В ней выделя­ются геосинклинальные зоны с мощными отложениями осадочных пород, в которых возникала складчатость, и платформенные области на разрушенном складчатом основании. Процессы регулировались тектоническим развитием литосферы. Земная кора разрасталась не только по поверхности, но и в глубину. При этом осадочные породы погружались на глубины, подвергаясь процессам грани­тизации и метаморфизма, теряя легкоподвижные компо­ненты, которые перемещались в верхние горизонты. Боль­шая часть карбонатных материалов разрушалась, переходя в силикатные с выделением углекислоты. То же проис­ходило и с водой. От этого периода до нас рршлш ледниковые отложения.

164

Возникали континенты. Решающие изменения про­изошли с появлением фотосинтеза. В отложениях обна­ружены следы фотосинтезирующих организмов. В гидро­сфере и затем в атмосфере появился свободный кислород, быстро меняющий состав атмосферы, — метан и аммиак почти исчезли благодаря окислению, интенсивно стал убывать и углекислый газ. К началу кембрийского периода атмосфера стала почти современной — азотно-кислород-ной по составу. Океан тоже терял углекислоту, обогащаясь кислородом. Вулканическая сера и сероводород стали переходить в сульфатную форму H₂S0₄. Серная кислота, взаимодействуя с растворенными карбонатами, вытесняла углекислоту, а вода обогащалась сульфатным ионом (S0₄)₂. Подвижность металлов снизилась, в кислородной среде они осаждались уже в высших стадиях окисления. Накап­ливались огромные толщи пород, содержащих железо в окисной, карбонатной и сульфидной формах. Примеры: Курская магнитная аномалия, Кривой Рог, Нама-Трансвааль (Южная Африка), Хамерсли (Австралия), Верхнее озеро и Лабрадор (Северная Америка) и другие, относящиеся к залеганию пород 3-2 млрд лет назад. Возросшая масса органического вещества присутствует в отложениях треть­его периода докембрия, появляются горючие сланцы и множество рассеянных органических отложений.

4. К фанерозою относится последний этап развития верхних геосфер. Возникают две обширные платформы — Гондвана и Лавразия (Лаврентьевский щит + Азия), разви­ваются все известные ныне формы осадочных пород внутри континентов в пониженных местах рельефа. Происходят крупные изменения в биосфере, связанные с быстрым развитием жизни. В начале палеозойской эры живое ве­щество переходит на сушу, занимая области с влажным климатом, формируются наземные флора и фауна. Масса живой материи стремительно увеличивается, жизнь про-

никает и в более глубокие области океанов. Меняется качественный состав живого, организмы более усваивают минеральные вещества для формирования своего внутрен­него и наружного скелета. Развивающаяся жизнь меняет и мир вокруг себя.

Морская вода становится все более хлоридно-суль-фатной, такие элементы, как Fe, Mn, P, Co, Va, Си стали существовать в виде малорастворимых, сильно окисленных соединений, и концентрация их в морской воде резко упала. Обилие кислорода снизило подвижность Fe, Mn, P, Va, Cr, Со, Си, Ni и др., они оказались только в виде взвесей, и потому их залежи могут быть вблизи берегов моря. В это время на суше периодически происходило то накопление солей, то ослабление их. В океанах формировались биту­минозные глины, горючие сланцы, а на суше — угли. Эти процессы были периодически развивающимися, поскольку зависели от развития растительности.

Для образования углей более подходящими быликаменноугольный и пермский периоды, а потом, после ослабевания процесса в триасе (самом раннем периоде мезозоя), — юрский, меловой и палеозойский периоды. Организмы стали использовать для своих скелетов СаС0₃ и Si0₂, что сделало состав морской воды щелочным. В этих условиях начали осаждаться фосфориты, что привело в появлению их месторождений. Так, под влиянием живого вещества океан стал иным, и осадочные породы из закисно-окисных стали углисто-карбонатно-галогенными.

Эволюция Земли как планеты и эволюция живого на ней были взаимосвязаны и взаимозависимы. На весь ход миграции химических элементов в верхних оболочках Земли (стратосфере, гидросфере и атмосфере) все силь­нее, — и прямо, и косвенно — влияло живое вещество биосферы.

16.5. МОДЕЛИ ПОЯВЛЕНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ. ПЕРСПЕКТИВЫ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ ЗЕМЛИ

Химическая эволюция континентальной части земной коры проходила от основного, базальтового состава, характерного для океанического типа земной коры, к кислому, гранитному, и океаническая кора постепенно (примерно 2,5 млрд лет назад) превратилась в континен­тальную. Этому способствовали несколько факторов:

1. При завершении формирования ядра планеты в одном из полушарий выделилось больше базальтов. 2.

Состав продуктов извержения вулканов менялся, меняя толщину континентальной коры. Базальтовые магмы обога­щались Si0₂, A1₂0₃, Fe₂0₃, Na₂0, соответственно уменьшая долюMgO,FeO,CaO.

3. Начался мощный круговорот веществ, включающий переработку первичной коры под действием солнечной энергии, гравитации и всей биосферы.

Огромные массы земной континентальной коры прош­ли через состояние осадочных пород, были перемыты водой и изменились под действием многих компонент. Длитель­ный круговорот воды вымывал из коры некоторые базаль­товые элементы (наиболее растворимые Са⁺⁺, Mg⁺⁺, Fe⁺⁺), сохраняя малоподвижные типа Si0₂, A1₂0₃. Натрий попадал в океан в большом количестве, пребывал там в раство-

ренном виде, но его значительная часть возвращалась в континентальную кору в виде осадков. Калий задерживался в тонкодисперсных глинах и растительных остатках,потому его больше в континентальной коре, чем в океани­ческой.

Моделирование глобальных изменений последнегогеологического периода. Для изучения взаимодействия пар земных слоев изготавливают двухслойные модели: лист резины толщиной 1,5 см заливают тонким слоем (3-4 мм) легкоплавкого материала (воска или парафина), сцепляю­щегося с резиной. После остывания резину растягивают домкратами. Через некоторое время на ней появляется в верхнем слое сеть трегцин, и возникает блоковая струк­тура, характерная для верхнего слоя земной коры. При сильном измельчении начинается отслаивание мельчайших «блоков» от подложки, и дробление прекращается. Это позволило проверить энергонасыщенность геологической среды и, в частности, идею Вернадского об определенной организованности процессов в земной коре. Последнее время считали, что земная кора — пассивный субстрат, подверженный действию внешних механических сил.

165

Гипотезу дрейфа континентов, выдвинутую в ХГХ в. Снайдером, развивали Тейлор и Вегенер (1880-1930). Сходство очертаний западного берега Африки и восточного берега Южной Америки издавна считали свидетельством разделения единого материка. В1858 г. итальянский ученый Антонио Синднер-Пеллегрини обосновал ее, указывая на сходство не только очертаний, но и ископаемых растений и месторождений угля в Америке и Европе. Гипотеза Вегенера возродилась под влиянием новых данных палео­магнетизма и сведений о строении океанического дна. Карта районов землетрясений показывает, что они обра­зуют узкие и длинные зоны, разделяющие сейсмически активный верхний слой Земли на стабильные участки — яитосферные плиты, в которых землетрясений не бывает. Зоны, ограничивающие плиты, образованы срединно-океаническими хребтами и глубокими, более широкими океанскими желобами. По этим зонам расположено подав­ляющее число действующих вулканов.

Теория тектоники плит получила признание в 60-е годы. Считается, что верхний слой земной коры состоит примерно из пятнадцати жестких плит, из них 6-7 являются крупными, они могут сталкиваться, погружаться друг под друга и надвигаться одна на другую. Эти плиты плавают по мантии — расплавленным глубинным породам. Вместе с плитами могут перемещаться и континенты.

Теория дрейфа континентов основана на тектонике литосферных плит. Данные геофизики, в основном сейсми­ческие, подтверждают эту теорию. На протяжении геоло­гической истории Земли континенты неоднократно соеди­нялись, образуя единый континент, который позлее снова раскалывался. В современной теории тектоники плитсчитается, что литосферу можно смоделировать системой плит, перемещающихся относительно друг друга со сред­ними скоростями около нескольких сантиметров в год. Плиты плавают на горячем, пластичном слое мантии Земли — астеносфере, в котором вещество находится в расплавленном состоянии (рис.27).

Земная кора делится на океаническую — плотную и однородную и континентальную — более легкую и гетеро­генную по минеральному составу. Она все время меняется и вызывает разнообразные и часто катастрофическиесобытия. Плиты имеют толщину 75-150 км и включают в себя значительную часть верхней мантии. Движения плит в основном определяются спредингом морского дна — процессом, при котором расплавленный материал подни­мается из астеносферы в литосферу в районе океанических горных хребтов и при охлаждении превращается в океани­ческую кору дна.

Рост плит расширяет океаническую котловину, а в это время магма поднимается, застывает и образует океани­ческую кору вдоль подводного хребта. Процесс может идти замедленно, сокращая протяженность спрединговых цент­ров. В настоящее время длина такой системы около 56 тыс. км, а скорости развития порядка 5 см/год, причем в Атлан­тике они почти вдвое ниже, в Тихом океане—в 3 раза выше. Умножая среднюю скорость на длину спрединговых цент­ров, получим скорость формирования коры 2,8 км²/год.Так как средняя площадь океанов — 310 млн км², отсюда следует, что они сформировались за 110 млн лет. Резуль-

таты бурения дна подтверждают, что океаны более «мо­лоды», чем предполагалось ранее. Данные по западной части Тихого океана дают до 180 млн лет, т.е. за последние 2 млрд лет могли возникнуть и исчезнуть до 20 океанов. Если дно и континент принадлежат к одной и той же плите, то континент перемещается вместе с ней. Океаническая кора может погрузиться под континент, присоединяясь к мантии. Этот процесс называется субдукцией.

Кора поднимается на хребте, перемещается поперек котловины и погружается вдоль желоба, отделяющего зону субдукции. Породы охлаждаются в океане, растекаются по оси хребта и в стороны от него, поэтому кора постепенно погружается. Некоторые горы на океаническом плато настолько велики, что поднимаются, как острова. Под­водные горы в основном базальтовые и поднимаются из «горячих точек», расположенных под плитой. Если плита скользит по магме, возникает целая цепь вулканов. При­мер — Гавайские острова, причем скорость роста вулканов достаточно высока.

Горизонтальные перемещения в модели тектоники плит преобладают с 60-х годов, а ранее считалось, что крупные прогибания земной коры заполняются осадками, что и вызывает вздымания, создающие молодые горные цепи. В местах раздвижения плит развиваются рифты, образуются анические котловины. Вдоль линий столкно­вения и параллельно им возникают зоны вулканов, вдоль линий скольжения — цепь землетрясений. Структурные элементы, порождаемые тектонической активностью, недолговечны и подвержены самосогласованным изме­нениям, так как новые блоки коры возникают и при вулка­нических процессах. Сами литосферные плиты состоят из фрагментов коры и новых кусков, называемых экзоти­ческими блоками. При сближении плит одна может подвинуться под другую и погрузиться в мантию. При этом большая часть коры заглубляется в астеносферу, а верхние слои как бы соскабливаются с нее верхней плитой, образуя призму аккреции (лат. accretio «приращение, увеличение»). Так, близ Венесуэлы Карибская плита подвигается под Южно-Американскую. При столкновении плит несколько увеличивается объем континентальной коры. Вдоль линии столкновения более плотная плита погружается, подвер­гаясь действию все более высокой температуры. Она несет на себе и осадки, и воду, захваченную пористыми породами. На глубинах около 100-150 км эта вода инициирует ряд процессов — частичное плавление пород, образование магмы, которая обогащается А1, К, Na и др. Эта магма содержит до 50-70% кремнезема и отличается от океани­ческой базальтовой своей большей вязкостью и густотой. В результате в этих местах растет давление, вызывающее повышенный вулканизм.

Вулканы по краям плит расположены над огром­ными, поднимающимися вверх «занавесами» мантии, кото­рые параллельны маркирующим желобам. Длина таких цепей вулканов — около 37 тыс. км. На каждом километре за 1 млн лет извергается 20-40 км³ нового силикатного материала, который присоединяется к континентальной коре со скоростью 0,75^1,5 км³/год. Похоже, что сама океани­ческая кора почти ничего не добавляет к коре континен­тальной. Но над ней возвышаются острова или цепочки

166

островов, возникшие за счет спокойного базальтового вулканизма над горячими точками и в результате экспло­зивного вулканизма в областях, параллельных зонам суб-дукции. На дне океанов имеются целые блоки осадков (цо 170 млн км³), принесенные реками или оставленные вымершими организмами. Часть этого океанического чехла сублимируется, но большая часть составляют основу юотических блоков. Полуостров Индостан — один из самых больших таких блоков. Последние 100 млн лет он был единым, хотя некоторые его части имеют возраст, превышающий 1 млрд лет. Считается, что он был частью огромного континента Гондваны, впоследствии разор­ванного на куски, и дрейфовал на север до столкновения с южной окраиной Азии. Другие экзотические блоки, кото­рые не являются осколками древних материков, имеют возраст до 200 млн лет. Они состоят в основном из гальки, песка и алеврита, их очертания складывались под влиянием столкновений и глубинных деформаций. На Аляске, к примеру, блоки хребта Брукс—огромные, настланные друг на друга пластины. В Кордильерах они имеют вытянутую форму, а в Китае сместились в субширотном направлении, так как Индостан давит на Азию с юга. История форми­рования блоков не всегда восстанавливаема, но свиде­тельства движений существуют.

Возраст осадочных пород — важный параметр, как и ископаемые останки. Радиолярии — одноклеточные орга­низмы (от 40 мкм до 1 мм и более) — появились в океанах в кембрийский период около 500 млн лет назад, а 160 млн лет назад были распространены так же, как сейчас. Они занимают в океанах верхние горизонты, но их скелеты, состоящие из кремнезема, слаборастворимы и встречаются на всех глубинах. С помощью кислоты из пород выделяют микроорганизмы кородонты — останки вымерших черве­образных, живших 570-200 млн лет назад. Исследуя эти останки, удалось доказать, что разрезы более древних пород иногда залегают поверх молодых, т.е. большие скопления слоев могут перетасовываться. Расшифровать историю помогает и палеомагнетизм пород, когда они выстраи­вались под действием магнитного поля Земли в опреде­ленном порядке.

Объем континентальной коры сейчас составляет7,6 ■ 10⁹ км³, а древнейшие породы имеют возраст 3,8 млрд лет. То есть средняя скорость роста континентов около 2 км³/год, или 65 м³/с, что явно завышено, поскольку на неостывшей Земле она была больше. Поскольку до 70% коры образовалось более 2 млрд лет назад, оставшиеся 30% формировались 2 млрд лет со скоростью порядка 1 км³/год. С этой скоростью образования коры модель рассчитывалась вплоть до фанерозоя (этапа в 600 млн лет), для которого существует ископаемая летопись жизни. Поданным палео­магнетизма, в начале периода континенты были изоли­рованы и сосредоточены в области экватора, в последующие 350 млн лет из-за движения континентов возник агломерат Гондваны и Лавразии, затем (250 млн лет назад) при объединении последних сформировался суперконтинент, ориентированный в субмеридианном направлении. Вегенер назвал его Пангея (греч. pan «все» + gea, gaia «земля»). Древние ядра континентов увеличивались за счет экзоти­ческих блоков, которые наращивались уже 200 млн лет, и

Пангея начала распадаться вдоль системы рифов, напоми­нающих очертания современных океанических центров спрединга, опоясывающих земной шар и протяженных на 56 тыс. км.

Какие движения континентов предстоят по этой модели? Через 10⁸ лет может возникнуть новый континент из Азии и Северной и Южной Америки. Атлантический океан будет при этом расширяться, а Тихий закроется из-за субдукции Восточно-Тихоокеанского спредингового цент­ра. Другие модели предсказывают иное. При столкновении размеры континентов возрастут. Если сейчас площадь континентов, окружающих Тихий океан, около 290 млн км², то за счет экзотических блоков она вырастет на 9%, а скорость наращивания коры будет равна примерно 1 км³/год. Большую роль играют в этом процессе осадки. Сейчас самым большим единым источником сноса осадочного материала является вздымающаяся масса суши, возникшая за счет столкновения Индостана с Азией. Кора почти удвоила свою мощность и образовала Гималаи, а к северу от них — плато Тибет. Шесть крупных речных систем дренируют регион, составляющий 4% общей площади по­верхности Земли, и выносят в океан до 40% общего коли­чества осадков, переносимых реками.

Северо-западная часть Тихого океана (Япония, Азия, Филиппины) имеет континентальную кору из фрагментов. древного континента, каждый из которых окружен поясами экзотических комплексов, наросших за 600-250 млн лет в течение палеозоя. Стержнем служила Сибирская плат­форма, вокруг которой наращивались блоки. Вдоль ее южной границы в раннем палеозое сгрудились вулка­нические дуги и другие поднятия коры, сформировался Байкальский складчатый пояс. Затем, от 300 до 60 млн лет назад, когда Индостан подошел к Азии, формировались другие районы (Индокитай, Янцзы). Континенты юго-западной части Тихого океана (Антарктида, Австралия и Новая Зеландия) возникли при распаде части Гондваны 120-100 млн лет назад, когда развилась рифтовая система, состоящая из трех частей. Одна из них образовала Тас­маново море, а две другие отделали Антарктиду от Авст­ралии и плато Кэмпбелл от Новой Зеландии. Вероятно, восточная часть Антарктиды и западная часть Австралии являются более молодыми надстройками коры.

Движения плит — этопериодический процесс, вкотором главной движущей силой служит тепловая кон­векция в нижней мантии, а источником энергии является радиоактивный распад. Здесь важна особенность распрост­ранения тепла через земную кору и ухода его в окружающее пространство. Ряд ученых из Принстона (Р.Нанс.Т.Уорсли и Дж.Муди) пришли к такому выводу.

Океаническая кора проводит тепло вдвое более эффек­тивно, чем континентальная. Если часть поверхности занимает суперконтинент, под ним должно накопиться тепло мантии, ведущее к его вздыманию и разрушению. После раздвижения осколков тепло уходит под образую­щиеся между ними новые океанические бассейны. Поэтому при непрерывном подведении тепла к поверхности из-за малой теплопроводности континентов оно «прорывается» через нее лишь в отдельные и достаточно короткие отрезки времени. Сначала в недрах континента образуются «горячие

167

точки» вулканов, потом они соединяются в рифтовые долины, вдоль которых происходит раскол континента. Они готовят место новому океану, через сами рифты горячее вещество мантии поступает к поверхности, готовя оке­анское дно. Дно уплотняется, охлаждается, опускается вниз, углубляя океан, и этот процесс длится примерно 200 млн лет. Затем самая древняя часть нового океанического дна, примыкающая к континентальным осколкам, настолько уплотняется, что погружается под континентальную кору— начинается процесс субдукции. Далее океан закрывается, а континенты сближаются, а силы сжатия порождают горы.

Суперконтинентальный цикл длится около 440 млн лет. Суперконтинент устойчив около 80 млн лет, накап­ливающееся тепло вызывает зарождение рифтов. Через 40 млн лет континент раскалывается. Через 160 млн лет дрейфующие континенты максимально удаляются, а затем начинают сближаться, и суперконтинент восстанавли­вается. Если сейчас Атлантический океан находится еще в стадии раздвижения, то потом, когда его кора состарится и начнет погружаться под соседние континенты, он может закрыться.

Удивительные закономерности обнаруживают сопос­тавления времен развития рифтов и интенсивного горо­образования и. Середины периодов горообразования падают примерно на 2600, 2100, между 1800 и 1600, 1100, 650 и 250 млн лет назад. Интервалы между ними порядка 400-

500 млн лет. Примерно через 100 млн лет после каждого из них наступала пора рифтогенеза. Возрасты большого числа вынесенных из мантии пород группируются на отрезки времен со средними значениями 2500,2000,1700-1500,1000 и 600 млн лет. Период образования гор, протекавший около 250 млн лет назад, сменился рифтогенезом и разрушением Пангеи. То есть период эволюции суперконтинента — порядка 500 млн лет. Эта периодичность отражается в колебаниях уровня океанов, что является проверкой модели.

Метод интерферометрии со сверхдлинной базой (ИСДБ) дал возможность измерить колебания Земли, изменения скорости ее вращения и дрейф материковых плит, используя наблюдения за слабыми радиосигналами от квазаров, расположенных на краю Вселенной. Квазары служат как бы маяками, тем более, что их удаленность не позволяет засечь их собственное передвижение в прост­ранстве, да и распределены они по небу достаточно равно­мерно. Радиотелескопы на Земле, разнесенные на тысячи километров, должны следить за одним и тем же источником радиоизлучения. Метод позволяет засечь изменения поло­жения в мантии или колебания земной коры с амплитудой в несколько сантиметров относительно оси вращения Земли или изменения ориентации оси в пространстве на величину около 1 мс при ускорении или замедлении вра­щения.