3. Геологическое строение Земли История геологического строения Земли принято изображать в виде последовательно появляющихся друг за другом стадий или фаз. Отсчет геологического времени ведется от начала процесса образования Земли. Фаза 1 (4,7 – 4 млрд. лет). Происходит образование земли из газа, пыли и планетезималей. В результате энергии, выделяющейся в процессе распада радиоактивных элементов, и столкновения планетезималей Земля постепенно разогревается. Падение на Землю гигантского метеорита приводит к выбросу материала, из которого образуется Луна. Согласно другой концепции Протолуна, находящаяся на одной из гелиоцентрических орбит, была захвачена Протоземлей, в результате чего образовалась двойная система Земля – Луна. Дегазация Земли приводит к началу образования атмосферы, состоящей в основном из углекислоты, метана и аммиака. В конце рассматриваемой фазы за счет конденсации водяного пара начинается образование гидросферы. Фаза 2 (4 – 3,5 млрд. лет). Возникают первые острова, протоконтиненты, сложенные из горных пород, содержащих преимущественно кремний и алюминий. Протконтиненты незначительно возвышаются над еще очень мелководными океанами. 10 Фаза 3 (3,5 – 2,7 млрд. лет). Железо собирается в центре Земли и образует ее жидкое ядро, которое обусловливает возникновение магнитосферы. Создаются предпосылки для появления первых организмов, бактерий. Продолжается формирование континентальной коры. Фаза 4 (2,7 – 2,3 млрд. лет). Образуется единый суперконтинент. Пангея, которому противостоит суперокеан Панталасса. Фаза 5 (2,3 – 1,5 млрд. лет). Охлаждение коры и литосферы приводит к распаду суперконтинента на блоки-микроплиты, пространства между которыми заполняют осадки и вулканы. В результате возникают складчато-надводные системы и образуется новый суперконтинент – Пангея I. Органический мир представлен сине-зелеными водорослями, фотосинтезирующая деятельность которых способствует обогащению атмосферы кислородом, что ведет к дальнейшему развитию органического мира. Фаза 6 (1700 – 650 млн. лет). Происходит деструкция Пангеи I, образование бассейнов с корой океанского типа. Формируются два суперконтинента: Гондавана, куда вошли Южная Америка, Африка, Мадагаскар, Индия, Австралия Антарктида, и Лавразия, включающая Северную Америку, Гренландию, Европу и Азию (кроме Индии). Гондвану и Лавразию разделяет море Титс. Наступают первые ледниковые эпохи. Органический мир стремительно насыщается многоклеточными бесскелетными организмами. Появляются первые скелетные организмы (трилобиты, моллюски и др.). происходит нефтеобразование. Фаза 7 (650 – 280 млн. лет). Горный пояс Аппалачей в Америке соединяет Гондвану с Лавразией – образуется Пангея II. Обозначаются контуры палеозойских океанов – Палеоантлантического, Палеотетиса, Палеоазиатского. Гондвану дважды охватывает покровное оледенение. Появляются рыбы, позднее – амфибии. Растения и животные выходят на сушу. Начинается интенсивное углеобразование. Фаза 8 (280 – 130 млн. лет). Пангея II пронизывает все более густой сетью континентальных рифов, щелевидных ровообразных растяжений земной коры. Начинается раскалывание суперконтинента. Африка отделяется от Южной Америки и Индостана, а последний – от Австралии и Антарктиды. Наконец Австралия отделяется от Антарктиды. Покрытосеменные растения осваивают значительные пространства суши. В животном мире господствуют пресмыкающиеся и земноводные, появляются птицы и примитивные млекопитающие. В конце периода погибают многие группы животных, в том числе огромные динозавры. Причины этих явлений обычно видят либо в столкновении Земли с крупным астероидом, либо в резком усилении вулканической деятельности. То и другое могло привести к глобальным изменениям (увеличению содержания углекислоты в атмосфере, возникновению крупных пожаров, позолоданию), несовместимым с существование многих видов животных. Фаза 9 (130 млн. лет – 600 тыс. лет). Крупным изменения подвергается общая конфигурация материков и океанов, в частности Евразия отделяется от Северной Америки, Антарктида – от Южной Америки. Распределение материков и океанов стало весьма близким к современному. В начале рассматриваемого периода климат на всей Земле теплый и влажный. Конец периода характеризуется резкими климатическими контрастами. Вслед за оледенением Антарктиды происходит оледенение Арктики. Складывается фауна и флора, близкие к современным. Появляются первые предки современного человека. Фаза 10 (современность). Между литосферой и земным ядром поднимаются и опускаются потоки магмы, сквозь щели в коре они прорываются наверх. Обломки океанической коры опускаются вплоть до самого ядра, а затем всплывают и, возможно, образуют новые острова. Литосферные плиты сталкиваются друг с другом и находятся под постоянным воздействием потоков магмы. Там, где плиты расходятся, образуются новые сегменты литосферы. Постоянно происходит процесс дифференциации земного вещества, который преобразует состояние всех геологических оболочек Земли, в том числе и ядра.
В 20 в. геология, как и всё естествознание в целом, развивается гораздо быстрее, чем ранее. За первыми широкими теоретическими обобщениями следуют новые, часто во многом их исправляющие или опровергающие. Крупным событием этого времени было открытие (1899-1903) французскими учёными П. Кюри и М. Склодовской-Кюри радиоактивного распада элементов, сопровождающегося самопроизвольным выделением тепла. Оно позволило разработать методику определения абсолютного возраста горных пород, а следовательно, и продолжительности многих геологических процессов. На этой основе в последующем получила развитие геология докембрия [А. А. Полканов, Н. П. Семененко, К. О. Кратц (СССР), Д. Андерсон (США), К. Стоквелл (Канада), Б. А. Шубер (Франция)]. С радиоактивным распадом в недрах Земли стали связывать наличие тепловой энергии планеты, а также активизацию тектонических движений и вулканизм, что привело к коренному пересмотру фундаментальных геологических концепций. В частности, были поколеблены основы контракционной гипотезы, а представления о первоначальном огненно-жидком состоянии Земли были заменены идеями о её образовании из скоплений холодных твёрдых частиц, которые нашли окончательное выражение в космогонической гипотезе О. Ю. Шмидта (СССР) (см. Шмидта гипотеза).
Всё более насущной становится необходимость перехода от простой констатации эмпирически устанавливаемых закономерностей к подлинному объяснению их причин, к вскрытию основных законов истории развития Земли. Возникает необходимость усиленного изучения глубинных процессов, происходящих в нижних слоях земной коры и в мантии. Усовершенствуется также методика изучения веществ, состава горных пород (масс-спектрометрический, рентгеноструктурный и другие анализы) и строения земной коры.
Серьёзное внимание было обращено на развитие региональных геологических исследований, особенно на геологическую съёмку как основу для выявления минеральных богатств. Стратиграфические схемы, разработанные к началу 20 в. только для Европы и отчасти для Северной Америки, стали детализироваться и создаваться для всех остальных материков в связи с широким развёртыванием геологического картирования. Увеличение масштабов и глубины бурения и необходимость определения возраста извлекаемых из скважин пород, в которых крупные палеонтологические остатки встречаются редко, привело к изучению в стратиграфических целях микроскопических остатков фауны и флоры (раковинок фораминифер, радиолярий, остракод, диатомей, перидиней, спор и пыльцы растений) и к организации больших коллективов микропалеонтологов (Д. М. Раузер-Черноусова, А. В. Фурсенко и др.). Значительным событием в развитии стратиграфии было установление Н. С. Шатским (1945) новой, рифейской группы отложений, лежащей между протерозоем и палеозоем, и выделение соответствующего отрезка времени в истории Земли продолжительностью около 1 млрд. лет (см. Рифей). Рифейские отложения выделены на всех континентах, а их расчленение и сопоставление разрезов успешно осуществляется с помощью изучения строматолитов. В трудах советских (Д. В. Наливкина, В. В. Меннера, Б. С. Соколова, В. Н. Сакса и др.) и зарубежных (французского геолога М. Жинью, английского геолога В. Аркела, американских геологов Дж. Роджерса, У. К. Крумбейна и мн. др.) геологов была детально разработана стратиграфия палеозойских, мезозойских и кайнозойских отложений.
В области тектоники для 20 в. характерны: разработка учения о движениях земной коры, в том числе о возможности горизонтальных перемещений крупных её блоков (эпейрофорез); разработка классификаций тектонических форм и теории геосинклиналей и платформ (в СССР - А. Д. Архангельский, М. М. Тетяев, Н. С. Шатский, В. В. Белоусов, М. В. Муратов, В. Е. Хаин; за рубежом - немецкие геологи Х. Штилле и С. Н. Бубнов, швейцарец Э. Арган, американские геологи Р. Обуэн и М. Кей); установление их различных типов и стадий развития, а также переходных между геосинклиналями и платформами образований - краевых прогибов. Впервые выделены в 1946 (А. В. Пейве, Н. А. Штрейс), а затем детально исследованы глубинные разломы земной коры. Успехи теоретической тектоники, а также широкий размах глубокого бурения и геофизических исследований создали предпосылки для тектонического районирования - разделения территории материков на крупные структурные элементы с разной историей развития и, следовательно, с разными ассоциациями и рядами геологических формаций. Учение о формациях было оформлено в трудах Н. С. Шатского и Н. П. Хераскова, а затем для магматических формаций - в трудах Ю. А. Кузнецова.
На территории СССР все отрасли геология получили бурное развитие после Великой Октябрьской социалистической революции. За годы Советской власти страна покрыта геологической съёмкой масштаба 1:1000000, начатой по инициативе и под руководством А. П. Герасимова, а значительные её области - съёмками масштаба 1:200000, тогда как до 1917 геологические карты, при этом значительно менее детальные, были составлены лишь для 10% площади России. В 1922 и 1925 были изданы первые геологические карты Азиатской части СССР, в 1937 - первые геологические карты территории СССР в целом. Первая геологическая карта территории СССР без "белых пятен" (неисследованных областей) была издана в 1955 в масштабе 1: 2500000. Третье её издание (Д. В. Наливкин, А. П. Марковский, С. А. Музылев, Е. Т. Шаталов) вышло в 1965. Составлен ряд специальных карт - геоморфологических, четвертичных отложений, палеогеографических, палеотектонических, гидрогеологических, гидрогеохимических, магматических формаций, металлогенических, угленакопления, нефтегазоносности и др. Данные о геологическом строении СССР обобщены в трудах В. А. Обручева, А. Д. Архангельского, А. Н. Мазаровича, Д. В. Наливкина, а также в многотомных монографиях "Геология СССР", "Гидрогеология СССР", "Стратиграфия СССР" и др.
Работы по планированию и организации геологических исследований в СССР ведутся Министерством геологии СССР и министерствами союзных республик через территориальные геологические управления и геологические учреждения др. министерств, связанных с разработкой минеральных ресурсов и строительством (см. Геологическая служба). Научную работу по геология проводят около 80 научно-исследовательских институтов и лабораторий Министерства геологии и некоторых др. министерств, АН СССР и АН союзных республик. В СССР издаётся ряд периодических научных геологических журналов.
Организация геологических исследований в международном масштабе и обсуждение важнейших проблем геология осуществляется основанным в 1875 Международным геологическим конгрессом (см. Геологический конгресс Международный). В перерывах между сессиями конгресса межнациональными исследованиями руководит с 1967 Международный союз геологических наук (см. Геологических наук союз).
Основные задачи геологии. Поскольку залежи полезных ископаемых на поверхности Земли в основном исчерпаны, одной из главных задач современной геология являются поиски и освоение невидимых с поверхности ("слепых", или "скрытых") месторождений. Поиски их могут производиться лишь с помощью геологических прогнозов, что требует усиленного развития всех направлений геология Для территории СССР эта задача сформулирована в директивах 24-го съезда КПСС, где говорится о необходимости "?проведения исследований в области геологии, геофизики и геохимии для выявления закономерностей размещения полезных ископаемых, повышения эффективности методов их поиска, добычи и обогащения?" (Директивы XXIV съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на 1971-1975 годы, 1971, с. 14).
Для исследования глубинных зон Земли и их минеральных ресурсов необходимо изучение земной коры и верхней мантии геофизическими методами, изучение метаморфических и магматических образований, их состава, строения и условий образования как показателей состояния вещества и его преобразований в глубинных зонах Земли, бурение сверхглубоких скважин и исследование докембрийских толщ с позиций стратиграфии, тектоники, минералогии, петрографии и размещения в них полезных ископаемых.
В связи с увеличением потребности в цветных и редких металлах и необходимостью расширения минерально-сырьевой базы возникла проблема использования ресурсов морей и океанов. Поэтому одной из актуальных задач геология является изучение геология дна морей и океанов (71% всей поверхности Земли). В последнее десятилетие начались работы по детальному изучению подземного тепла как возможного энергетического ресурса будущего. В ряде стран (Исландия, Италия, Япония, Новая Зеландия, в СССР на Камчатке) перегретый пар, выделяющийся из скважин, уже используется для отопления и получения электроэнергии.
Важнейшей задачей геология является дальнейшая разработка теории развития Земли, в частности исследование эволюции внутренних и внешних геологических процессов, определяющих закономерности распространения минеральных ресурсов.
В связи с успехами космических исследований одной из основных проблем геология становится сравнительное изучение Земли и др. планет.
Современные концепции развития геосферных оболочек
Существует выражение – земная твердь. Оно выражает мнение большинства людей о том, что Земля нечто основательное, статичное. На самом деле Землю можно приравнять к живому организму, так как она находится в постоянном внешнем и внутреннем движении, перемещении и количественном и качественном изменении отдельных частей.
Частично эти процессы определяются энергетикой поверхности Земли, которая представляет собой тепловую машину: ее "нагреватель" – Солнце, "холодильник" – безвоздушное пространство, "рабочая жидкость" состоит из атмосферы и гидросферы. Изменения в поступающей солнечной радиации определяют сезоны года и температурные различия между экватором и полюсами. Для сохранения энергетического баланса Земли происходит перенос тепла в направлении полюсов. Различия в нагревании Земли обусловливают ее действие как тепловой машины. Результатом переноса тепла являются течения в атмосфере и океанах, возникающие вследствие различного нагревания земной поверхности. Солнечная энергия, частично поглощаясь внешними геосферными оболочками, в основном отражается ими же в космос. Прогревание Солнцем распространяется на глубину, не превышающую 28-30 м. Значит, основу энергетики Земли составляют ее собственные процессы.
Также происходит перемещение и химическое изменение вещества в глубинах Земли. С некоторым приближением Землю можно представить в виде закипающего супа, где в кастрюле есть твердые части (мясо – ядро), восходящие и нисходящие потоки жидкости (обмен между внутренними геосферными оболочками), плавающие на поверхности масляные пятна (литосферные плиты), пар (атмосфера), внешняя среда (космос). При этом в кастрюле происходят и химические процессы.
Энергетическая эволюционная динамика Земли определяется в основном тремя составляющими: энергией гравитации (около 82%), энергией радиоактивного распада (около 12%), приливной энергией (около 4%). В масштабах Земли подобные процессы обозначаются как геотектонический механизм эволюции планеты. За счет работы этого механизма Земля представляет собой сложную динамическую (то есть существующую в движении) структуру, возникшую и развивавшуюся естественным путем – еще один пример широкомасштабного эволюционного процесса.
В основе работы геотектонического механизма лежит продолжающийся процесс дифференциации вещества Земли. На границе между мантией и ядром за счет высокой температуры происходят химические процессы, похожие на те, что человек использует в металлургических печах: из соединений железа восстанавливается чистое железо. Тяжелое железо тонет, а более легкий "шлак", образующийся в тех же реакциях, всплывает вверх, к земной коре. Возникает конвекция. При этом восходящие потоки более легкого и нагретого вещества должны компенсироваться нисходящими потоками более тяжелого и холодного, которое заполняет освобождающееся внизу место. Восходящие и нисходящие потоки в мантии пространственно разделены. Поэтому у верхней ее границы, под земной корой, возникают горизонтальные потоки, направленные от точек выхода восходящих движений к зонам опускания вещества. Вот на этих-то горизонтальных потоках скользят плиты, на которых расположены материки Земли.
Всю мантию можно представлять себе как систему конвективных ячеек, в каждой из которых вдоль одной стенки вещество поднимается из недр и течет вдоль поверхности к другой стенке. Там оно опускается вниз и вновь возвращается к первой стенке. Таким образом, движение вещества в земных недрах упорядочено в пространстве, и упорядоченность эта возникла естественным путем. Размеры конвективных ячеек должны быть сравнимы с толщиной мантии. Но отсюда вытекает, что существовали они не всегда, ибо расслоение Земли на ядро, мантию и т.д. заняло какое-то время после формирования нашей планеты. По расчетам геофизиков, интенсивность конвективных потоков в мантии стала достаточно интенсивной, чтобы разломать первичную земную кору на отдельные плиты, когда Земле исполнился почти миллиард лет. И последующая геологическая история Земли отражает конвективные движения в мантии, которые, как выясняется, обладают достаточно строгой периодичностью. Вновь мы сталкиваемся с самопроизвольным, естественным возникновением упорядоченности из первоначально однородного неупорядоченного состояния.
Тепловая энергия из поверхности планеты постепенно разогревала все ее вещество, переводя его в расплавленное состояние. Вещества, обладавшие наибольшей плотностью (в основном железо и никель), стали диффундировать в центр планеты. Этот процесс обуславливал химическую эволюцию земной материи, которая привела к распределению элементов по геосферным оболочкам на основании теории гетерогенной аккумуляции.
В геодинамической теории выделяют эндогенные процессы, связанные с внутренней динамикой Земли. Это горообразование, тектоника горных пород, вулканизм, метаморфизм, землетрясения, образование ловушек для нефти и газа и т.д. Процессы, связанные с внешней динамикой, порождаемые поступающей на Землю солнечной энергией, называются экзогенными. К ним относятся: выветривание, заболачивание, работа ветра, деятельность атмосферных вод, водных потоков, морей, озер, ледников, а также оползни, лавины, обвалы, криогенные процессы и др.
Литосферные плиты постоянно движутся как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях. Оценки показывают, что средние скорости смещения в зонах повышенной сейсмической активности достигают 0,3 мм в год, в спокойных – 0,05 мм в год. Горизонтальные движения земной коры осуществляются крупными блоками. Гипотеза дрейфа континентов, получившая развитие уже в наше время, возникла в XIX веке (Снайдер).
Зоны, ограничивающие плиты, образованы срединноокеаническими хребтами и глубокими океаническими желобами. Здесь расположено большинство действующих вулканов. Длина цепей вулканов составляет около 37 тыс. километров. На каждом километре за 1 миллион лет извергается до 40 кубических километров нового силикатного материала. Сегодня известно до 15 жестких плит. Из них 6-7 – крупные, сталкивающиеся, погружающиеся и надвигающиеся одна на другую. Эти плиты, имеющие толщину 75-150 км, "плавают" на мантии. Вместе с плитами перемещаются и континенты. Установлено, что Красное море расширяется со скоростью 1 см в год, Хребет Петра Великого на Памире движется в сторону Гиссарского хребта со скоростью около 2 см в год. По палеомагнитным данным, Великобритания за последние 200 миллионов лет развернулась по часовой стрелке примерно на 30° и сместилась к северу. Это периодический процесс, в котором главной движущей силой служит тепловая конвекция в нижней мантии, а источником энергии является радиоактивный распад. Казалось бы, естественная радиоактивность как монотонно ослабевающий процесс не может вызвать расщепления и соединения континентов, но здесь важна особенность распространения тепла через земную кору и ухода его в окружающее пространство.
Океаническая кора проводит тепло вдвое более эффективно, чем континентальная. Поэтому если некоторую 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. По схеме, разработанной Дж. Уилсоном, сначала в недрах континента образуются "горячие точки" вулканов, потом они соединяются в рифтовые долины, вдоль которых происходит раскол континента. Рифтовые долины готовят место новому океану, а через сами рифты горячее вещество мантии поступает к поверхности, готовя океанское дно. С течением времени 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. При этом силы сжатия порождают горы.
Современные данные позволили сформулировать гипотезу, что в истории Земли континенты не менее пяти раз объединялись в суперконтиненты, образуя поочередно Лаурентию (1,9 млрд. лет назад), безымянный (1,5 млрд. лет назад), Роднию (1 млрд. лет назад), Гондвану (650 млн. лет назад) и Пангею (250 млн. лет назад). 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. Затем они 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.
Сопоставление времен интенсивного горообразования и развития рифтов обнаруживает удивительные закономерности. 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. Таким образом, период эволюции суперконтинента – порядка 500 млн. лет. Эта периодичность отражается и в колебаниях уровня океанов.
Тектоника плит, оставаясь основной концепцией анализа истории Земли как планеты, в настоящее время оказывается частным элементом более общей теории развития Земли или глобальной геодинамической модели гесосферных оболочек. Эта модель должна учитывать многооболочечное строение Земли и в то же время автономность протекающих в этих оболочках процессов, а также их взаимодействие, которое может носить переменный характер. В ней должно найти отражение равноправие в объеме всей Земли конвективного (горизонтального) и вертикального тепломассопереноса. Модель должна также учитывать существование различных периодов изменения тепловыделения Земли, а также общую тенденцию к его снижению в связи с исчерпанием запасов внутреннего тепла. Иначе говоря, искомая модель должна учитывать временное развитие структуры Земли. Наконец, следовало бы учесть и то, что Земля – это планета, являющаяся открытой системой и подверженная влиянию космических процессов (метеориты и астероиды, облака космической пыли, излучения и т.п.).
Выражаясь образно, геодинамические процессы можно суммировать следующим образом. Атмосфера оказывает давление на литосферу и гидросферу, две последние упруго сжимают мантию планеты, которая в свою очередь спрессовывает ядро Земли. Если же идти от центра планеты к ее периферии, то динамическая картина оказывается другой. Ядро Земли притягивает к себе вещество всех других геосферных оболочек, охватывает их обручем инициированного им магнитного поля, нагревает мантию и достигающие ее оболочки литосферы. Мантия Земли передает мощные потоки тепловой энергии литосфере, раздвигает океанское дно и перемещает литосферные плиты. Литосфера и гидросфера оказывают тепловое воздействие на атмосферу. Выветриваясь и испаряясь, они передают ей также огромные массы вещества. Таким образом, геодинамическая активность Земли также имеет свою историю: она находится в полном соответствии с историей эволюции геосферных оболочек.