О. Г. Сорохтин: «Развитие Земли»

От научного редактораВ науках о Земле за последние 30 лет утвердилась новая геологическая теория тектоники литосферных плит, коренным образом изменившая существовавшие ранее представления о процессах формирования земной коры .

ПредисловиеВ книге описывается физическая теория планетарного развития Земли, построенная на базе анализа её энергетического баланса. В основе теории лежат два исходных предположения. Во-первых, принимается, что Земля, .

ВведениеРоль теории, как системы руководящих идей и принципов, в любой естественно-исторической науке, прежде всего, состоит в том, что она позволяет правильно понимать сущность наблюдаемых природных явлений, отвечает .

Ранние научные гипотезы развития ЗемлиОбычно появлению новых идей в науке предшествуют длительные периоды накопления фактических данных, большинство из которых не укладывается в рамки старых концепций о физической сущности тех или иных природных .

Разработка современной теории формирования литосферной оболочки ЗемлиБольшую роль в возрождении идей мобилизма и создания на их базе современной геологической теории сыграли палеомагнитные исследования на континентах. Изучение магнитных свойств горных пород показало, что породы, .

Вклад российских учёных в развитие теории тектоники литосферных плит и глобальной геодинамикиВ СССР восприятие новых идей в геологии происходило с большими трудностями. Объясняется это несколькими причинами. Во-первых, возможно, тем, что Советский Союз с его необъятными просторами почти целиком расположен .

Методология построения общей теории глобальной эволюции ЗемлиОглядываясь на историю развития геологии, можно утверждать, что до появления теории тектоники литосферных плит в науке не существовало общей и строго научной геологической теории, удовлетворяющей всем требованиям .

Общие сведения о ЗемлеГеологические методы позволяют изучать только несколько первых километров верхних слоев Земли. Основную же часть информации о внутреннем строении Земли дают геофизические методы, включающие: 1) сейсмологические .

Атмосфера и гидросфера ЗемлиПлотные газовые и жидко-водяные внешние оболочки могут существовать только у сравнительно массивных планет, гравитационное поле которых способно удерживать газовые молекулы со средними молекулярными весами, .

Атмосфера ЗемлиМасса земной атмосферы равна примерно 5,15×10 21 г. Среднее давление воздуха на уровне моря равняется ро = 1,0132 бар = 1013,2 мб (760 мм ртутного столба), а плотность р = 1,27×10 -3 г/см 3 . С высотой давление .

Гидросфера ЗемлиЗемля — единственная планета Солнечной системы, на поверхности которой вода может находиться в жидком состоянии. Масса воды в современной гидросфере достигает 1,46×10 24 г. Большая её часть сосредоточена .

Земная кораЗемная кора представляет собой верхний слой жёсткой оболочки Земли — её литосферы и отличается от подкоровых частей литосферы строением и химическим составом. Земная кора отделяется от подстилающей .

Океаническая кораОкеаническая кора примитивна по своему составу и, по существу, представляет собой верхний дифференцированный слой мантии, перекрытый сверху тонким слоем пелагических осадков. В океанической коре обычно выделяют .

Континентальная кораКонтинентальная кора как по составу, так и по строению резко отличается от океанической. Её мощность меняется от 20-25 км под островными дугами и участками с переходным типом коры до 80 км под молодыми складчатыми .

Мантия ЗемлиСиликатная оболочка Земли, её мантия, расположена между подошвой земной коры и поверхностью земного ядра на глубинах около 2 900 км. Обычно по сейсмическим данным мантию делят на верхнюю (слой В), до глубины 400 км, .

Земное ядроЗемное ядро надёжно выделяется по сейсмическим данным, и прежде всего по чёткой тени на годографах рефрагированных в мантии сейсмических волн, по отражённым от его поверхности продольным и поперечным волнам .

Состав земного ядраПрямых данных о составе земного ядра нет. Тем не менее современные эксперименты с ударным сжатием металлов и их соединений, а в последние годы и данные статического сжатия этих веществ в сверхпрочных алмазных .

Плотность земных ядерНесмотря на недоступность недр Земли для непосредственных исследований, распределение плотности вещества в мантии и земном ядре удаётся определить достаточно надёжно по данным о скоростях распространения в этих .

Распределение температуры в ЗемлеБесспорные факты существования дрейфа континентов, раздвижения океанического дна и его поддвига под островные дуги и активные окраины континентов андийского типа можно рассматривать как убедительные .

Вязкость ЗемлиПомимо знания состава и плотности мантии, для правильного понимания происходящих в ней процессов важны также и её реологические (вязкопластические) свойства. Тот факт, что форма Земли (земной геоид) с хорошей .

Происхождение Солнечной системыВажным вопросом происхождения звёзд и окружающих их планетных систем является источник вещества, из которого эти системы формировались. В настоящее время эта проблема рассмотрена обстоятельно и подробно .

Образование двойной планеты Земля-ЛунаЗемля и Луна фактически представляют собой систему двойной планеты. Их влияние друг на друга сейчас невелико, хотя и вполне заметно, но на ранних этапах развития этой системы оно было исключительно сильным, .

Приливное взаимодействие планетПрежде чем рассматривать процесс образования Луны, напомним в общих чертах механизм приливного взаимодействия. Это интересное явление природы изучалось многими исследователями, начиная с И. Ньютона, впервые .

Гипотетическая планета ПротолунаВернёмся теперь вновь к ранней истории системы Земля-Луна на той её стадии, когда входящие в неё планеты правильнее ещё называть Протоземлёй и Протолуной. Предполагаемые события совпадают по времени с эпохой .

Катастрофа Протолуны и рождение ЛуныС приближением массивного спутника к центральной планете его тело все более деформируется приливными силами и вытягивается вдоль продольной оси, соединяющей центры тяжести планет. Начиная с некоторого расстояния .

Природа осевого вращения планет и происхождение метеоритовРассмотрим теперь, насколько уникальна судьба системы Земля-Луна по сравнению с другими планетами. Не является ли механизм возникновения этой пары планета — спутник более универсальным, приемлемым для всех планет, .

Эволюция системы Земля-ЛунаЭнергия приливных взаимодействий планет сильно зависит от расстояния между их центрами тяжести и возрастает обратно пропорционально шестой степени этого расстояния! Это означает, что любое сближение планет .

Эволюция расстояния между Луной и ЗемлёйСущественное влияние на приливное взаимодействие планет оказывает эффективная механическая добротность Q центральной планеты. Напомним, что под фактором добротности понимается степень приближения реологических .

Эволюция положения лунной орбитыИз рассмотренного выше механизма образования Луны следует, что плоскость её орбиты вначале должна была лежать строго в плоскости экватора Земли и составлять с эклиптикой угол около 23°. При малых расстояниях между .

Геохимия ЛуныРассмотренная модель образования Луны объясняет главную геохимическую особенность спутника нашей планеты — резкое обеднение лунного вещества железом. После полного расплавления, дифференциации и разрушения .

Эволюция лунного магматизмаОдновременно с Протолуной и до этого в околоземное пространство должно было быть захвачено множество более мелких планетезималей и космических тел, сформировавших вокруг Земли рой более мелких спутников, также .

Состав и строение первичной ЗемлиКак уже отмечалось, Земля формировалась благодаря гомогенной и холодной аккреции протопланетного газопылевого облака, предварительно прошедшего под влиянием солнечного ветра, светового давления, кратковременного .

Состав первичной ЗемлиРасчёт среднего состава земного вещества по главным петрогенным окислам и элементам можно выполнить, мысленно смешав вещество основных геосфер Земли: мантии, ядра и земной коры. Такой расчёт приведён в табл. 2.1. Как .

Строение первичной ЗемлиЗная состав первичного вещества и с большим основанием предполагая, химическую однородность молодой Земли, уже можно рассчитать распределение плотности в её недрах, например, по данным ударного сжатия силикатов .

Энергетика и тепловой режим молодой ЗемлиРаспределение температуры в первичной Земле по понятным причинам можно оценить лишь теоретически, исходя из имеющихся представлений о формировании планет Солнечной системы. Такую наиболее вероятную оценку для .

Догеологическое развитие Земли в катархееНа ранних этапах планетарной эволюции Земли ее строение, состав, тепловое состояние и «приливная» тектоника настолько резко отличались от всех последующих режимов геологического развития Земли, что эту уникальную .

Процесс выделения земного ядраПосле проблемы происхождения Земли вопрос о времени и режиме выделения земного ядра занимает важнейшее положение в планетарной геофизике. При изучении же механизмов и путей планетарной эволюции Земли, .

Время выделения земного ядраСогласно рассмотренной выше и наиболее вероятной модели образования Земли по гипотезе О. Ю. Шмидта (1948), Земля, как и другие планеты Солнечной системы, образовалась за счёт гомогенной аккреции холодного вещества .

Механизм зонной дифференциации земного веществаРаспад радиоактивных элементов в катархее согревал Землю более или менее равномерно по всему её объёму. Зато разогрев земного вещества приливными деформациями был неравномерным и в основном происходил в верхних .

Бародиффузионный механизм дифференциации земного веществаРазработка теоретической модели действующего в настоящее время процесса дифференциации земного вещества, приводящего к увеличению в центре Земли массы плотного ядра, сопряжена с решением ряда труднейших задач. .

Процесс формирования земного ядраКоличественную сторону процесса выделения земного ядра, как и процесс дифференциации Земли, удобнее рассматривать начиная с современной ситуации, при которой рост ядра происходит благодаря действию .

Эволюция химического состава мантииРассматривая эволюцию химического состава мантии Земли, мы, прежде всего, будем интересоваться составом конвектирующей мантии. В протерозое и фанерозое после окончания процесса формирования молодого земного ядра .

Энергетика ЗемлиВопрос об источниках энергии, определяющей тепловой режим и тектоническую активность Земли, является одним из главных и фундаментальных в планетарной геофизике, и решаться он должен только в теснейшей связи .

Энергия аккреции и гравитационной дифференциации ЗемлиК основным первичным источникам энергии Земли, запасённой ею ещё в процессе образования, можно отнести часть энергии гравитационной аккреции земного вещества (энергии выпадения на Землю планетезималей) и энергию .

Содержание радиоактивных элементов в Земле и энергия их распадаИстория становления идеи о радиогенных источниках тепла в Земле показательна и поучительна. Во-первых, она сыграла важную роль в критике и отходе геологов от бывшей когда-то очень популярной контракционной .

Энергия приливного торможения ЗемлиКак известно, в системе планеты со спутником, объединённых между собой гравитационно-приливными связями, суммарный момент количества движения остаётся неизменным, хотя при этом и происходят перераспределения .

Теплопотери ЗемлиЗа время жизни Земли в её недрах выделилось 16,85×10 37 эрг тепловой энергии гравитационной дифференциации земного вещества, около 4,33×10 37 эрг радиогенной энергии и приблизительно 2,24×10 37 эрг приливной .

Энергетический баланс ЗемлиТектоническая активность Земли полностью определяется только развивающимися в её мантии энергетическими процессами. Влиянием же на тектоническую активность солнечной радиации или распада радиоактивных .

Тектоническая активность ЗемлиТектономагматическая активность Земли, как известно, связана с движениями земных масс и плавлением земного вещества. Проявляется эта активность в магматических внедрениях глубинного вещества в земную кору .

Возможные причины тектонической активности ЗемлиОбщие тектонические гипотезы развития Земли всегда играли важную роль в формировании естественнонаучного мировоззрения геологов. Это и понятно, поскольку роль теории как системы руководящих идей и принципов .

Возможные механизмы движения литосферных плитРассмотрим теперь движущие силы, возникающие в самой литосферной оболочке. Если не считать боковых давлений, действующих со стороны смежных литосферных плит, то обычно выделяют две основные причины, способные .

Природа крупномасштабной конвекцииРассмотрим теперь физические механизмы, способные возбудить конвективные движения мантийного вещества. Большинство геофизиков, особенно на западе, традиционно предпочитают рассматривать только тепловую конвекцию .

Конвекция в мантии ЗемлиВ мантии, безусловно, существует интенсивная и крупномасштабная конвекция, возбуждаемая эндогенными энергетическими источниками, прежде всего энергией гравитационной дифференциации мантийного вещества .

Результаты численного моделирования химико-плотностной конвекции в мантииПриведённое выше описание мантийной конвекции носило качественный характер. Теперь желательно проверить сделанные выводы и постараться получить новые результаты путём проведения более строгого моделирования .

Так называемые «горячие точки» в мантии и мембранная тектоникаРассматривая проблему конвективного массооборота в мантии, нельзя не коснуться критики понятия так называемых «горячих точек». Впервые высказанная Т. Вильсоном (1963) идея существования в мантии «горячих пятен», над .

Общие закономерности тектонической активности ЗемлиПод тектонической активностью Земли будем понимать интенсивность протекания всей совокупности геологических процессов, приводящих к деформациям её литосферной оболочки (включая земную кору) и проявлениям любых .

Общие закономерности формирования континентальной корыРассмотрим теперь вкратце тектономагматические процессы формирования континентальной коры в архее. Из теории тектоники литосферных плит следует, что континентальная кора сейчас формируется только над зонами .

Специфика тектонических режимов формирования континентальной корыРассмотрим теперь специфику тектонических режимов формирования континентальной коры в архее. В связи с тем что тектоническая активность Земли впервые должна была проявиться только в её приэкваториальной зоне, .

Тектоника литосферных плит протерозоя и фанерозояВ результате проведения в 50-60-е годы ХХ в. геолого-геофизических исследований и объединения усилий международного сообщества геологов и геофизиков в середине 60-х — начале 70-х годов была создана новая геологическая .

Основные положения теорииСлово «тектоника» в буквальном переводе с древнегреческого значит строительное искусство, строение. В науках о Земле под этим термином обычно понимают геологическое строение и закономерности развития земной коры, .

Образование литосферных плит и происхождение срединно-океанических хребтовЛитосферная оболочка Земли представляет собой охлаждённую и полностью раскристаллизованную часть верхней мантии, подстилаемую снизу горячим, а под океанами и частично расплавленным веществом астеносферы. В этом .

Строение и функционирование зон подвига литосферных плитВысказанная О. Фишером идея о возможности пододвигания океанского дна под островные дуги была подкреплена примерно через 50 лет после проведения в середине 30-х годов ХХ в. Ф. Венинг-Мейнесом измерений .

Происхождение земной корыПри раздвижении литосферных плит в океанических рифтовых зонах возникают открытые трещины растяжения, через которые из астеносферы поднимаются базальтовые расплавы. Изливаясь на поверхность океанического дна .

Образование гор и горных поясовГорные сооружения и хребты обычно образуют узкие, линейные или дугообразные складчатые структуры, расположенные, как правило, по периферии стабильных континентальных платформ. Обычно горные сооружения сложены .

Проверка теорииТаким образом, за время существования (с конца 60-х годов ХХ в.) теория тектоники литосферных плит сумела объяснить природу практически всех главных эндогенных процессов, развивающихся в Земле, включая образование .

Дрейф континентов в геологической истории ЗемлиКак мы старались показать выше, геологические данные убедительно свидетельствуют о том, что формирование континентальной коры началось около 4,0-3,8 млрд лет назад, т. е. с задержкой приблизительно на 600-800 млн лет .

Развитие континентальных щитов в архееВ архее континентальная кора формировалась за счёт вторичного переплавления частично гидратированных базальтовых пластин (океанической коры) в местах их торошения и скучивания над нисходящими конвективными .

Формирование Моногеи в конце археяТот факт, что первое в истории Земли Гуронское почти глобальное оледенение охватило большинство щитов древних континентальных платформ и наблюдалось в раннем протерозое около 2,5-2,3 млрд лет назад, можно истолковать .

Распад Моногеи и формирование Мегагеи в конце раннего протерозояВозникшее после сформирования земного ядра на рубеже архея и протерозоя асимметричное распределение плотности вещества в мантии (см. рис. 32, г) должно было привести к столь же сильной асимметрии действия процесса .

Распад Мегагеи и формирование Мезогеи в среднем рифееКак и Моногея, Мегагея просуществовала недолго — не более 100-150 млн лет, так как уже около 1,7 млрд лет назад проявились первые признаки раскола раннепротерозойского суперконтинента. Например, на месте складчатых .

Распад Мезогеи в позднем рифее и формирование Пангеи в конце палеозояКак и предыдущие суперконтиненты, Мезогея просуществовала недолго (не более 100-150 млн лет), и уже где-то около 900 млн лет назад начался её распад на две части: северную — Лавразию и южную — Гондвану. Приблизительно 850 .

История дрейфа континентов в мезозое и кайнозое, прогноз на будущееИстория раскола Пангеи и последующего центробежного дрейфа входивших в неё континентов в мезозое и кайнозое вплоть до современного их положения на земном шаре изучена достаточно полно (Зоненшайн и др., 1976, 1977; Smith, .

Происхождение гидросферы и океановМолодая Земля в катархее была лишена как гидросферы, так и плотной атмосферы. Поэтому естественно предположить, что эти внешние и весьма подвижные геосферы возникли на Земле только благодаря её дегазации, которая .

Формирование гидросферы на ЗемлеВо второй половине ХХ в., особенно после опубликования известной работы В. Руби (Rubey, 1951) о геологической истории морской воды, стало почти общепризнанным представление о том, что происхождение гидросферы .

Накопление воды в Мировом океане и влияние этого процесса на развитие земной корыКак видно из приведённого на рис. 113 графика, скорость дегазации воды из мантии в архее действительно была относительно умеренной, даже несмотря на высокую тектоническую активность Земли в ту далёкую эпоху. .

Природы глобальных трансгрессий моря на континентыВ приведённых выше построениях использовались лишь осреднённые характеристики тектонической активности Земли и не учитывались её периодические колебания. Такие колебания интенсивности конвективного массообмена .

Гидротермальные процессы на океанском днеОценивая интенсивность первичной дегазации Земли, мы отмечали, что она происходила только с излияниями на земную поверхность ювенильных базальтовых магм, в основном поступающих через рифтовые зоны .

Происхождение земной атмосферыИз всех планет Солнечной системы только Земля обладает уникальной атмосферой, благоприятной для развития и процветания высших форм жизни. Такой оптимальный для жизни состав земной атмосферы постепенно возник .

Накопление азота в атмосфере ЗемлиАзот относится к умеренно активным элементам, слабо вступающим в реакции с природными неорганическими соединениями. Поэтому существует большая вероятность того, что и в первичной атмосфере содержалось заметное .

Дегазация углекислого газаВ отличие от воды теплота образования углекислого газа 94,05 ккал/моль значительно выше, чем у окиси железа 63,05 ккал/моль. Поэтому показатель подвижности углекислого газа χCO2), как и у азота, не должен зависеть .

Накопление кислорода в земной атмосфереКоличественно оценить эволюцию содержания кислорода в земной атмосфере ещё значительно сложнее, поскольку оно сильно зависело от таких трудно учитываемых факторов, как характер и уровень метаболизма древних .

Эволюция химического состава и давления земной атмосферыОпределив отдельно основные закономерности накопления в атмосфере главных составляющих, легко рассчитать суммарную картину эволюции состава земной атмосферы и её давление. Следует добавить ещё накопление .

Адиабатическая теория парникового эффектаСчитается, что атмосфера слабо поглощает солнечную коротковолновую радиацию, которая в большей части достигает земной поверхности, но задерживает длинноволновое (тепловое) излучение этой поверхности, тем самым .

Основные характеристики современной атмосферыНапомним вначале основные характеристики земной атмосферы: масса атмосферы равна примерно 5,15×10 21 г, среднее давление воздуха на уровне моря р0 равняется одной физической атмосфере, или 1,0132 бар = 1013,2 мбар (760 мм .

Основы адиабатической теории парникового эффектаПо определению парниковым эффектом называется разность между средней температурой поверхности планеты и её радиационной (эффективной) температурой, под которой эта планета видна из космоса. Средняя температура .

Некоторые прогнозные оценкиУбедившись в справедливости адиабатической теории парникового эффекта на примерах сравнения теоретических распределений температуры с реальными осреднёнными распределениями температуры в тропосферах Земли .

Аргументы сторонников классического подхода к проблеме парникового эффектаРассматривая проблемы парникового эффекта, нельзя обойти молчанием и аргументы последователей идеи С. Аррениуса о прямом воздействии концентрации углекислого газа на температуру тропосферы. Так, сторонники этих .

Естественное происхождение так называемых озоновых «дыр»Хотелось бы отметить близкую по ситуации к парниковому эффекту проблему происхождения озоновых «дыр» в полярных и умеренных широтах. Известно, что в стратосфере под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца .

Климатические эпохи геологического прошлогоУбедившись в работоспособности адиабатической теории парникового эффекта, теперь на её основе можно рассмотреть и эволюцию глобального климата Земли. Для определения климатических изменений на Земле нам, .

Апокалипсис далёкого будущегоРассмотрим здесь ещё один вывод, важный для понимания путей дальнейшего развития жизни на Земле. В настоящее время, как уже неоднократно отмечалось, рост земного ядра происходит за счёт выделения из мантийного .

Происхождение полезных ископаемыхОсновные закономерности концентрации рудного вещества в земной коре и само происхождение полезных ископаемых тесно связаны с процессом глобальной эволюции Земли. С другой стороны, эти же закономерности .

Тектоника плит и происхождение эндогенных полезных ископаемыхГлавная сложность с объяснением причин формирования крупных локальных скоплений в земной коре рудных и некоторых других рассеянных элементов заключается в том, что их концентрация в мантии ничтожно мала, тогда .

Выделение земного ядра — главных процесс, определяющий эволюцию геологических обстановок на ЗемлеВместе с геологической эволюцией Земли, естественно, менялись условия и режимы формирования земной коры и сосредоточенных в ней полезных ископаемых. Как уже отмечалось, эволюционные процессы на Земле необратимы. .

Влияние океана и климатов Земли на формирование осадочных полезных ископаемых раннего протерозояО большом влиянии атмосферы и гидросферы на развитие металлогенических обстановок на поверхности Земли, в том числе и в раннем докембрии, было известно давно (Виноградов, 1964; Войткевич, Лебедько, 1975; Страхов, 1963; .

Происхождение алмазоносных кимберлитов и родственных им породОтметим здесь ещё один специфический тип глубинных формаций, теснейше связанный с процессами океанического седиментогенеза, происходившими в раннем протерозое. Мы имеем в виду происхождение алмазоносных .

Происхождение экзогенных полезных ископаемыхНовая теория открывает и новые возможности при поисках экзогенных полезных ископаемых, например бокситов, фосфоритов, углей, солей, в том числе и калийных, гипсов и т.д. Месторождения этих полезных ископаемых сейчас .

Тектоника литосферных плит и нефтегазоносность ЗемлиТектоника литосферных плит внесла исключительно весомый вклад и в нефтяную геологию. В этой важной области прикладной геологии состоялось и первое широкомасштабное и успешное практическое внедрение новой теории .

Уникальность ЗемлиКогда рассматриваешь главные особенности развития Земли, становится ясным, что путь её эволюции в решающей мере был предопределён как местом Земли в Солнечной системе, светимостью Солнца, так её массой и химическим .

Происхождение жизни на ЗемлеПервичная Земля, сформировавшаяся за счёт аккреции исходного протопланетного вещества, должна была быть полностью безжизненной планетой. Связано это с тем, что само вещество протопланетного газопылевого облака .

Влияние глобальных геологических процессов на развитие жизни и главные геолого-биологические рубежи в истории ЗемлиУровень наших знаний геологической летописи Земли и теоретических представлений о природе и развитии планетарных геодинамических процессов таковы, что позволяют уже сегодня построить адекватную физическую модель .

Влияние дрейфа континентов и морских трансгрессий на экологические обстановки фанерозояПерестройки биоты происходили и в последующие геологические эпохи, но все они уже носили характер дифференциации и эволюционного развития организмов в рамках сформированных в начале фанерозоя крупных таксонов. .

Грядущее развитие и гибель биосферыНачавшееся в кайнозое похолодание климата, вызванное поглощением атмосферного азота почвенными бактериями, продолжится и далее. Поэтому существенных потеплений климата в будущие 100-200 млн лет ожидать трудно .

ЗаключениеВ этой книге мы постарались показать, что адекватное описание геологического развития Земли можно выполнить, пользуясь сравнительно простой физической (энергетической) моделью глобальных процессов и основываясь .