Происхождение и эволюция Земли

Человек познает сам себя только в той мере, в какой он познает мир.

И. Гете

Время существования Земли делится на два существенно различных периода: ранняя история и геологическая история.

I. Ранняя история Землиразделяется на три фазы эволюции: фазу рождения, фазу расплавления внешней сферы и фазу первичной коры (лунную фазу). Охарактеризуем их кратко.

Фаза рожденияпродолжалась 100 млн лет. При этом на растущую Землю падало большое количество крупных тел. Вместе с крупными телами на Землю падали и самые крупные объекты — планетезимали, зародыши "неудавшихся" планет. Их поперечники измерялись многими километрами и даже первыми десятками километров. В фазу рождения Земля приобрела приблизительно 95% современной массы.

Фаза расплавлениядатируется 4,6-4,2 млрд лет назад (длительность 0,4 млрд лет). Во время аккреции Земля долго оставалась холодным космическим телом, и только в конце этой фазы, когда началась предельно интенсивная бомбардировка ее крупными объектами, произошло сильное разогревание, а затем полное расплавление вещества сначала внешней зоны планеты, потом и внутренней области. Наступила продолжительная фаза гравитационной дифференциации вещества: тяжелые химические элементы и их соединения опускались

вниз, легкие поднимались вверх. Поэтому постепенно в процессе дифференциации вещества в центре Земли сосредоточивались тяжелые химические элементы (железо, никель и др.), из которых образовалось ядро, из более легких соединений возникла мантия Земли. Кремний и другие химические элементы стали основой формирования континентов, а самые легкие химические соединения образовали океаны и атмосферу Земли. В земной атмосфере первоначально было много водорода, гелия и таких водородосодержащих соединений, как метан, аммиак, водяной пар. Со временем водород и гелий улетучились.

Лунная фаза продолжалась 400 млн лет от 4,2 до 3,8 млрд лет назад. При этом остывание расплавленного вещества внешней сферы Земли привело к образованию тонкой первичной коры базальтового состава. В это же время происходило формирование гранитного слоя материковой коры. Континенты сложены в основном гранитами и гнейсами, т. е. горными породами, содержащими 65-70% кремнезема Si0₂ и значительное количество щелочей — калия и натрия. Между тем ложе океанов выстилается базальтами — породами, содержащими 45-50% Si0₂ и богатыми магнием и железом. Таким образом, континенты оказываются построенными менее плотным, более легким материалом, чем дно океанов. К тому же кора континентов намного толще (в среднем 35-40 км), чем кора океанов (5-7 км). Благодаря этому континенты минимум на 5-6 км возвышаются над ложем океанов. На некоторой глубине, где в верхней мантии находится пластичный слой (так называемая астеносфера), легкие, но толстые континентальные глыбы и тяжелые, но тонкие океанские плиты должны уравновешивать друг друга (закон изостазии, равновесия). Поэтому, главным фактором формирования рельефа земной поверхности является взаимодействие движущихся в горизонтальном направлении литосферных плит. В зонах разлома плит, проходящих в океанах, происходит образование срединно-океанских хребтов.

Из-за широкого распространения метеорных кратеро фаза существования ранней коры называется лунной фазой В лунную фазу существования Земля постепенно охлаждалас

от температуры плавления базальтов (1000-800 °С) до 100 °С. С преодолением температурного рубежа +100 °С связано все последующее преобразование природной среды и эволюция земной коры.

II. Геологическая история— это принципиально новый период развития Земли как планеты в целом, так и особенно ее коры и природной среды. После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100 °С на ней образовалась огромная масса жидкой воды, которая представляла собой не простое скопление неподвижных вод, а находящихся в активном глобальном круговороте. В структурном отношении круговорот распадался на звенья: атмосферное (испарение, перенос влаги, осадки), ли-тосферное (поверхностные и подземные стоки), океаническое. В процессе круговорота происходит поглощение солнечной энергии и распределение ее по земной поверхности.

Глобальная эволюция Земли происходила под влиянием факторов — космического, эндогенного и экзогенного. К эндогенной энергии относится гравитационная энергия. Земля обладает наибольшей массой из планет земной группы и поэтому имеет наибольшую внутреннюю энергию — радиогенную, гравитационную и др.

В экзогенном факторе необычайную активность проявила вода, находившаяся раньше в виде пара в атмосфере. Земля стала тем космическим телом, которое оказалось неблагоприятным для длительного сохранения ударных кратеров вследствие высокой активности действующих на ней экзогенных процессов разрушения.

За счет парникового эффекта температура поверхности повышается на 38°; вместо 250 К (-23 °С) стало 288 К (+15 °С). Если бы этого не произошло, то в природной среде жидкой воды было бы не 95% общего количества в гидросфере, а во много раз меньше. Мощность потока солнечной радиации у верхней границы земной атмосферы (солнечная постоянная) составляет 1,95 (кал/см²) мин, что в годовом исчислении выражается в 1000 (ккал/см²) год. В связи же с шарообразностью Земли, а следовательно, с учетом неосвещенной Солнцем стороны планеты, а

также тех пространств земной поверхности, где солнечные лучи падают под острым углом, средняя мощность потока солнечной радиации оказывается равной приблизительно 250 (ккал/см²) год. При альбедо (коэффициент отражения света) Земли 0,33-0,35 в земную атмосферу вступает энергетический поток напряженностью лишь 167 (ккал/см²) год. Часть этой энергии поглощается атмосферой, и лишь 79 (ккал/см²) год задерживается земной поверхностью, трансформируется ею и работает, т. е. возбуждает и поддерживает течение экзогенных процессов.

Поглощаемая земной поверхностью солнечная радиация 79 (ккал/см²) год используется следующим образом: 66 (ккал/ см²) год идет на испарение; 11 (ккал/см²) год — на турбулентный теплообмен тропосферного воздуха; 1 (ккал/см²) год — на биологические процессы и химические превращения минералов коры выветривания. Мощность теплового потока из недр Земли на континентах 0,033 (ккал/см²) год. Таким образом, земная поверхность использует на природные процессы солнечную радиацию в количестве 79 (ккал/см²) год, т. е. в 2182 раза больше, чем тепловой поток Земли.

Поэтому глобальный процесс формирования географической оболочки и ее функционирования возможен только на основе солнечной радиации с учетом потенциальной энергии силы тяжести масс горных пород. Солнце снабжает Землю теплом, необходимым для поддержания ее температуры в подходящем диапазоне, охватывающем всего около 100°, не нагревая ее чрезмерно. Следует, однако, иметь в виду, что небольшое изменение всего лишь на несколько процентов количества тепла, получаемого Землей от Солнца, приведет к сильным изменениям земного климата. Земная атмосфера играет чрезвычайно важную роль в поддержании температуры в допустимых пределах. Она действует как одеяло, не допуская слишком сильного повышения температуры днем и чрезмерного понижения температуры ночью.

Эволюция атмосферы.В фазу расплавления огромные массы выделявшихся газов образовали первичную атмосферу Земли. Основными компонентами выделявшихся из недр Земли

газов были углекислый газ и водяной пар, что аналогично составу летучих компонентов при современных вулканических извержениях ( 80% вода, 10% углекислый газ). После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100 °С произошел переход атмосферного водяного пара в жидкую воду. Так как углекислый газ легко растворяется в воде, то преобладающая его часть была поглощена водой. В настоящее время в океанических водах в 60 раз больше углекислого газа, чем его имеется в атмосфере. Воздушная среда не только утратила почти всю воду, находившуюся в ней в виде пара, но в ней осталось мало и С0₂. Во много раз уменьшилось и ее давление. Дальнейшая эволюция атмосферы связана главным образом с появлением и развитием органического мира, прежде всего растительного. Атмосфера предохраняет нас не только от огромных колебаний температур. Это неоценимая защита от метеорных тел, непрерывно бомбардирующих Землю из межпланетного пространства. Метеорные тела сталкиваются с Землей со скоростью до 72 км/с. Сила удара метеоритной частицы массой всего 0,001 г, несущейся с такой скоростью, такая же, как пули пистолета 45 калибра при выстреле в упор. Хотя размеры частицы не больше пылинки и меньше средней песчинки, она все же опасна для человека. Ежедневно в земную атмосферу вторгаются миллиарды частиц, создавая слабые метеоры, которые можно видеть только в телескоп. Слабейшие метеоры, видимые невооруженным глазом, в несколько раз крупнее. Большинство этих тел быстро испаряется в атмосфере из-за сопротивления воздуха. Наше счастье, что мы защищены атмосферой от метеорных тел, но все равно некоторые из них, наиболее массивные, способны достичь поверхности Земли и вызвать разрушения. Большой метеоритный кратер в Аризоне (США) образовался около 24 000 лет назад при взрыве громадного тела. Диаметр этого кратера больше километра и даже сейчас его глубина достигает приблизительно 200 м, несмотря на его заполнение породой вследствие эрозии. Вокруг Аризонского кратера были в изобилии найдены мелкие железные метеориты, но не удалось обнаружить ни одного крупного осколка ни путем бурения, ни с

помощью радиодетектирования. Железный метеорит взорвался при ударе о землю с силой, намного превышающей силу любых известных взрывов. Тунгусский метеорит 1908 г. взорвался с такой силой, что деревья были повалены на расстоянии до 30 км от места взрыва. В этом случае упавшее тело было почти наверняка обломком кометы малой плотности, разрушившимся в атмосфере на высоте нескольких километров. В 1947 г. на Дальнем Востоке упал большой железный (Сихотэ-Алиньский) метеорит, образовавший большое число кратеров. В 1972 г. поблизости от западного побережья Северной Америки, на расстоянии всего лишь 50 км от земли, пронеслось тело массой не меньше 100 т. Если в текущем столетии были зарегистрированы падения двух крупных метеоритов на суше и одно падение вблизи побережья, то над океаном таких событий, которые остались незамеченными, возможно, было в несколько раз больше.

Исчезновение динозавров в конце мелового периода 65 млн лет назад, а также окончание других геологических периодов могло быть следствием падения на Землю тел размерами с астероид. Ученые обнаружили, что в осадках позднемелового периода содержание сравнительно редкого элемента иридия в 30-160 раз выше, чем в более ранних и более поздних пластах. В земных породах иридия гораздо меньше, чем на Солнце и метеоритах, вероятно потому, что он осел к центру Земли вместе с железом. Его повышенная концентрация в позднемеловом слое является сильным доводом в пользу того, что в то время в Землю врезался астероид диаметром около 10 км. В результате мощного взрыва в атмосферу были бы подняты тучи пыли (свыше тысячи кубических километров). Такого количества пыли достаточно для того, чтобы в течение нескольких лет преграждать путь солнечным лучам. Возможно при этом был нарушен процесс фотосинтеза, что прервало пищевую цепь и от голода вымерли многие позвоночные массой более 10 кг, исчезла половина всех видов живых организмов.

Атмосфера защищает нас не только от малых метеоров, но и от смертоносной космической радиации. Под действием солнечных лучей в атмосфере образуется озон (молекула которого

состоит из трех атомов кислорода); он образует защитный слой от более коротковолнового излучения в дальней ультрафиолетовой области, представляющего опасность для всего живого. Если бы весь поток ультрафиолетового излучения достигал земной поверхности, то жизнь на Земле в какой-либо форме вообще не могла бы существовать, по крайней мере на суше. Атмосфера задерживает также многие частицы, опасные для жизни.

Развитие литосферы и рельефа.Наиболее характерная особенность строения рельефа и земной коры — наличие материковых массивов и океанических впадин. Общая направленность структурного развития земной коры заключается в том, что на первичной базальтовой коре под влиянием действия геосинклинального процесса, т. е. образования линейных тектонических структур, стали возникать острова материковой коры. Этот процесс начался в архейскую эру. В результате действия геосинклинального процесса, включающего в себя складчатость и гранитизацию, происходила консолидация обширных областей земной коры. Она сопровождалась увеличением масс горных пород гранитного слоя материковой коры, возрастанием ее мощности над уровнем моря. С мезозойской эры начал развиваться процесс раскола материковой коры и раздвижения ее в стороны от образовавшихся рифтов. Это привело к дрейфу континентов. С появлением на Земле воды произошло скачкообразное возрастание темпа развития ее внешней области. Геотектонический процесс создания материков (геосинклинальный процесс) также мог развиваться только в условиях морских бассейнов.

В современных условиях наибольшая активность тектонической деятельности Земли проявляется через землетрясения, поэтому остановимся на них более подробно.

Землетрясения— это одна из наиболее страшных природных катастроф, уносящая десятки и сотни тысяч человеческих жизней и вызывающая опустошительные разрушения на огромных пространствах. Седьмого декабря 1988 г. в Армении произошло мощное землетрясение, которое полностью стерло с лица Земли город Спитак. Тогда за несколько секунд погибло более двадцати пяти тысяч человек, а несколько сот тысяч

получили ранения. Ашхабадское землетрясение в ночь с пятого на шестое октября 1948 г. унесло сто тысяч жизней. В Китае в 1920 г. погибло двести тысяч человек, в 1923 г. в Японии — более ста тысяч. Примеров катастрофических землетрясений, повлекших за собой большие жертвы, очень много. Именно поэтому ученые многих стран предпринимают большие усилия в изучении природы землетрясений и их прогноза. К сожалению, предсказать место и время землетрясения, за исключением нескольких случаев, до сих пор еще не удается.

Любое землетрясение — это мгновенное высвобождение энергии за счет образования разрыва горных пород, возникающего в некотором объеме, называемого очагом землетрясения, границы которого не могут быть определены достаточно строго и зависят от структуры и напряженно-деформированного состояния горных пород в данном конкретном месте. Деформация, происходящая скачкообразно, излучает упругие волны. Объем деформируемых пород играет важную роль, определяя силу сейсмического толчка и выделившуюся энергию.

Большие пространства земной коры или верхней мантии Земли, в которых происходят разрывы и возникают неупругие тектонические деформации, порождают сильные землетрясения: чем меньше объем очага, тем слабее сейсмические толчки. Гипоцентром, или фокусом, землетрясения называют условный центр очага на глубине, а эпицентром — проекцию гипоцентра на поверхность Земли. Чаще всего очаги землетрясений сосредоточены в земной коре на глубине 10-30 км. Как правило, главному подземному сейсмическому удару предшествуют локальные толчки — форшоки. Очаг землетрясения характеризуется интенсивностью сейсмического эффекта, выражаемого в баллах и магнитуде. В России используется 12-балльная шкала интенсивности. Согласно этой шкале принята следующая градация интенсивности землетрясений: I—III балла — слабые, IV-V — ощутимые, VI-VIII — сильные (разрушаются ветхие постройки), VIII — разрушительные (частично разрушаются прочные здания, падают фабричные трубы), IX — опустошительные (разрушается большинство зданий), X — уничтожа-

ющие (разрушаются мосты, возникают оползни и обвалы), XI — катастрофические (разрушаются все сооружения, изменяется ландшафт), XII — губительные катастрофы (вызывают изменения рельефа местности на обширной территории).

Сейсмические волны, распространяющиеся от очага землетрясения во все стороны, достигая поверхности Земли, могут быть зафиксированы специальными приборами — сейсмографами, которые записывают ничтожные колебания грунта от землетрясений, происшедших даже на противоположной стороне земного шара. Ежегодно регистрируется более нескольких сот тысяч землетрясений, ощущаемых людьми, однако только около 100 землетрясений можно отнести к разрушительным. Эта непрерывная сейсмическая активность является следствием современных тектонических движений в самой поверхностной оболочке Земли — литосфере.

Размещение землетрясений на земном шаре носит вполне закономерный характер и в целом хорошо объясняется теорией тектоники литосферных плит. Наибольшее количество землетрясений на земном шаре связано с границами плит, т. е. с такими законами, где плиты либо сталкиваются друг с другом, либо расходятся и наращиваются за счет образования новой океанической коры. У нас в стране к наиболее сейсмически активным регионам относятся Восточные Карпаты, Горный Крым, Кавказ, Копетдаг, Тянь-Шань Памир, Алтай, район озера Байкал и Дальний Восток, особенно Камчатка, Курильские острова и остров Сахалин, где двадцать восьмого мая 1995 г. произошло разрушительное нефтегорское землетрясение с магнитудой 7,5, а число погибших составило две тысячи человек.

Механизм землетрясений — весьма сложный процесс, к пониманию которого сейсмологи только приближаются. Очаг сильного землетрясения представляет собой некоторое внезапное смещение в определенном объеме пород по относительно обширной плоскости разрыва, поэтому механизм землетрясения представляет собой кинематику движения в очаге.

Если землетрясение происходит в океане, над его эпицентром при внезапном вертикальном смещении дна во всей массе

воды возникают своеобразные подводные волны, двигающиеся со скоростью 800 км/ч во все стороны от эпицентра. В открытом океане эти длинные волны практически неощутимы, но с приближением к пологому берегу, в заливах, бухтах высота волн многократно увеличивается, образуется крутая водяная стена высотой 10-15 м, а нередко и более, с колоссальной силой и грохотом обрушивающаяся на берег, сметая все на своем пути. Цунами 1996 г. на Японском побережье привело к гибели двадцати шести тысяч человек.

Прогноз землетрясений — наиболее проблема,

которой занимаются ученые во многих странах мира. Однако, несмотря на все усилия, этот вопрос еще далек от разрешения. Прогнозирование землетрясений включает в себя как выявление их предвестников, так и сейсмическое районирование, т. е. выделение областей, в которых можно ожидать землетрясение определенной балльности. Предсказание землетрясений состоит из долгосрочного прогноза на десятки лет, среднесрочного прогноза на несколько лет, краткосрочного на несколько недель или первые месяцы и объявление непосредственной сейсмической тревоги. Существует большое количество разнообразных предвестников землетрясений, начиная от собственно сейсмических, геофизических и кончая гидродинамическими и геохимическими. Например, сильные землетрясения в противоположность слабым в конкретном районе происходят через значительные промежутки времени, измеряемые десятками и сотнями лет, так как после разрядки напряжений необходимо время для их возрастания до новой критической величины. Иными словами, выявляется некоторая периодичность или сейсмический цикл, позволяющий давать хотя и очень приблизительный, но долгосрочный прогноз.

Сейсмические предвестники включают рассмотрение группирования роев землетрясений. Особый интерес в качестве предвестников представляют форшоки, предваряющие, как правило, основной сейсмический удар. В качестве геофизических предвестников используют точные измерения деформаций и наклонов земной поверхности с помощью специальных приборов —

деформаторов. Перед землетрясением скорость деформации резко возрастает. К предвестникам относится также изменение скоростей пробега продольных и поперечных сейсмических волн в очаговой области непосредственно перед землетрясением. То же относится и к вариациям магнитного поля, так как напряженное состояние пород влияет на колебания величины магнитного эффекта в магнитных минералах. Довольно надежны в качестве предвестников измерения колебания уровня подземных вод, поскольку любое сжатие в горных породах приводит к повышению этого уровня в скважинах и колодцах.

Но так же, как и тысячи лет назад, мы не в состоянии предвидеть, где, какой силы и главное когда произойдет очередной удар подземной стихии. В настоящее время степень предсказуемости долго- и среднесрочного прогноза имеет вероятность 0,7-0,8. Хуже обстоит дело с краткосрочными прогнозами, для которых пока не установлены значимые связи с предвестниками. Любой современный прогноз землетрясения носит вероятностный характер, и главная цель сейсмологии еще не достигнута.

Вулканы. Еще одним видом динамических процессов, происходящих в земной коре, являются вулканы. С древности огнедышащие горы в честь бога огня и кузнечного ремесла называют вулканами. Извержение вулкана обычно продолжается несколько дней, иногда — несколько месяцев. После сильного извержения вулкан успокаивается на несколько лет и даже десятилетия. Вулканы, подверженные извержениям, называются действующими, а не подверженные — потухшими. В настоящее время на Земле известно несколько сот действующих вулканов. На вершине вулкана образуются мощные ледники, которые при сильных извержениях тают, создавая стремительные потоки воды или грязи. Вулканы обычно имеют форму конуса со склонами, пологими у подошв и крутыми у вершин. Кратер вулкана имеет глубокую впадину с обрывистыми стенами и похож на гигантскую чашу. Дно кратера покрыто облаками крупных и мелких камней, а из трещин поднимаются струи газа и пара. Одни струи поднимаются спокойно, другие — вырываются с шипением и свистом. Кратер наполняют удушливые газы, обра-

зующие облако на вершине вулкана. Так вулкан может спокойно крутиться месяцы и годы, пока не произойдет извержение.

Вулканологи предсказывают извержения вулканов, анализируя события предшествующие извержению. Обычно извержению предшествуют вулканические землетрясения, подземный гул, усиленное выделение паров и газов. На вершине вулкана сгущаются облака, а его склоны вспучиваются. Под давлением газов дно кратера взрывается. Вулкан грохочет и дрожит, по его жерлу поднимается бурлящая огненно-жидкая лава. Переливаясь через края, она устремляется по склонам, сжигая и уничтожая все на своем пути. Извержения вулканов происходят также на дне морей и океанов. При этом над водой поднимаются столбы пара, на поверхности воды появляется "каменная пена" — пемза.

Причиной появления очагов вулканов и магмы считается тепло от радиоактивного распада элементов в мантии. Очаги магмы располагаются под земной корой, в верхней части мантии, на глубине не менее 50 км. Под сильным давлением выделяющихся газов магма, расправляя окружающие породы, прокладывает себе путь и образует жерло или канал вулкана. Освобождающиеся газы взрывами расчищают путь по жерлу, разламывая твердые породы и выбрасывая их куски на большую высоту. При этом магма выливается из кратера и уже как лава течет по склонам вулкана. Если магма не находит выхода на поверхность, то она затвердевает в трещинах земной коры. Иногда, внедряясь в трещины, магма поднимает поверхность земли куполом и застывает в форме купола.

Эволюция биосферы.Эволюция химических соединений, приведшая к зарождению жизни, началась с появления на Земле масс жидкой воды, т. е. с ранней геологической истории. Время образования предбиологических систем (коацерватов) продолжалось около 1 млрд лет. Самые старые ископаемые клетки образовались в архейский период развития Земли, продолжавшийся от 3,4 до 2 млрд лет назад. В протерозое, длившемся от 2 млрд лет до 600 млн лет назад, образовались наиболее старые из фотосинтезирующих растений. В конце протерозоя образовались

различные организмы. Были обнаружены отпечатки 13 видов медузообразных, кишечно-полостных, некоторые виды червей и животных, не похожих на формы более позднего времени. Уже существовал биотический круговорот вещества и энергии. Зеленые растения, водоросли и фотосинтезирующие бактерии путем фотосинтеза поглощали из воздушной среды углекислый газ и воду, а выделяли из нее кислород. Общее уравнение фотосинтеза выражается так:

 

Таким образом, в процессе фотосинтеза атмосфера обогащается кислородом и теряет углекислый газ. Современный состав атмосферы (азот — 78%, кислород — около 21%, углекислый газ — 0,031%) — результат деятельности органического мира. При солнечном излучении в области спектра от 1000 до 2000 происходит реакция между атомом и молекулой кислорода с образованием озона: . Наибольшая концент-

рация озона находится на высоте 25 км над поверхностью Земли. Это так называемый озоновый слой, поглощающий излучение в диапазоне волн короче 3000 А.

Палеозойская эра (от 600 до 225 млн лет назад) — это время древней жизни. В начале палеозоя суша представляла голую пустыню, а в море обильно развивались сине-зеленые и красные водоросли, а также представители всех типов животных организмов. В развитии биосфер выход растений на сушу — настоящая революция. В условиях жаркого влажного климата происходило произрастание огромных древовидных растений, папоротников и отложения их в прибрежных осадках.

Мезозойская эра (от 225 до 70 млн лет назад) характеризуется дальнейшим развитием растительного и животного мира как на суше, так и на море. Произошло массовое распространение рептилий — динозавров, черепах, древних крокодилов, ихтиозавров.

В кайнозойскую эру (от 70 млн лет назад) развивались млекопитающие.

Итак, начиная с древнейших времен до современной эпохи шло непрерывное развитие биосферы — увеличение разнообразия живых форм и усложнение их организации. Жизнь, зародившись в море, захватила и сушу. На ранней стадии своего развития протоземля была окружена роем небольших спутников, радиусы которых достигали 100 км. Со временем из них на расстоянии около 10 земных радиусов сформировалась Луна. Одновременно в результате приливных воздействий начался процесс ее медленного удаления от Земли, который продолжается до сих пор и сопровождается уменьшением скорости вращения Земли вокруг своей оси.

Таким образом, хотя есть много трудностей в объяснении эволюции Солнечной системы, можно уверенно говорить о том, что планеты и Солнце образовались из одного газопылевого облака и что сами планеты сформировались из роя холодных и твердых тел.