Образование и эволюция Земли

Согласно современной теории происхождения планет, разработанной академиком О.Ю. Шмидтом, Земля образовалась путем аккумуляции твердого рассеянного вещества в виде частиц и тел различных размеров. Постепенно мельчайшие частицы и метеориты различных размеров объединялись в более крупные тела — астероиды, которые затем падали на образующуюся Землю. Советский астроном В.С. Сафронов рассчитал возможные размеры и массы тел, падавших на Землю. Оказалось, что значительная часть нашей планеты образовалась за счет крупных тел.

Массы наибольших тел, падавших на Землю, были оценены по наблюдаемому сейчас наклону оси вращения Земли. Как известно, вращение планет состоит из двух компонентов разной природы: регулярного прямого вращения, связанного с вращением всей системы, и нерегулярного, случайного, возникшего в результате падения на планету крупных тел. Последнее определяет наклон оси ее вращения. В.С. Сафронов показал, что при существующем сейчас угле наклона земной оси 23,5° массы наибольших тел, падавших на Землю при ее образовании, достигали 1/1000 массы Земли. Следовательно, поперечник их мог быть до 1000 км. Трудно вообразить масштабы катастрофы, если тело весом 1 000 000 000 млрд. т, падающее со скоростью 11 км/с, столкнется с Землей. Очень отдаленное представление о масштабе этого явления дают лунные кратеры и моря. Заметим, что лунные моря образовались в результате падения тел с поперечником всего несколько десятков километров, т.е. по массе в десятки тысяч раз меньше тех, которые падали на Землю. Выделившейся при ударе энергии достаточно, чтобы нагреть на сотни градусов слой толщиной больше поперечника упавшего тела. Следовательно, при диаметре астероида 1000 км глубина разогрева достигала 1000 км. В.С. Сафронов полагает, что заметная часть энергии падения больших тел оставалась внутри Земли и могла нагреть верхние ее слои более чем на 1000° С.

Случайные явления сыграли огромную роль в жизни нашей планеты. Будь у крупнейших астероидов, падавших на Землю, другие размеры, скорость или угол падения, паша планета имела бы иной наклон оси, а значит, ширина тропического и умеренных поясов и полярных кругов была бы иной.

Формирование Земли как планеты, сопровождавшееся падением астероидов и метеоритов, продолжалось около 100 млн. лет. По сравнению с длительностью жизни человека срок этот огромен. Но если мы вспомним, что возраст Земли равен 4,5—5 млрд. лет, то получается, что образование ее из астероидов и метеоритов заняло лишь 2% времени от всей жизни нашей планеты.

Рой астероидов, окружавших Землю, за 100 млн. лет рассеялся. Падения метеоритов стали реже. Масса планеты достигла примерно тех размеров, какие она имеет сейчас. Первая фаза ее развития закончилась, наступила следующая, о которой мы знаем еще очень мало. По теории О.Ю. Шмидта, Земля образовалась в результате падения холодных частиц и метеоритов. Следовательно, в этот начальный период развития она не была раскаленной. Но вот новейшие результаты изучения Луны заставили усомниться в таком выводе. Исследование лунных пород показало, что в начальный период своего развития Луна прошла через состояние общего плавления. Если сравнительно небольшое по размерам небесное тело — Луна — было сильно разогрето 5—4 млрд. лет назад, то есть основания считать, что и планета Земля, которая значительно больше Луны по размерам и потому медленнее отдает тепло, также была разогретой. Это подтверждают исследования древнейших пород с возрастом 4—3 млрд. лет, обнажающихся на земной поверхности в Гренландии, Южной Сибири и в ряде других мест. И хотя они сильно изменены более поздними геологическими процессами, все же до некоторой степени удается восстановить их химический состав и условия образования. Оказывается, что первоначально это были вулканические породы, возникшие в результате излияния на земную поверхность базальтовых лав.

Сейчас все больше специалистов склоняются к мнению, что первоначально недра Земли были разогреты. На глубине нескольких десятков километров существовал слой, где породы были в расплавленном состоянии. Эти расплавы изливались на земную поверхность. Таким образом, стадия «бомбардировки» Земли сменилась более продолжительной по времени стадией почти сплошных вулканических излияний. В этот период жизни нашей планеты, который длился, по-видимому, много сотен миллионов лет, ее поверхность была почти сплошь усеяна вулканами, извергавшими лаву. Излившаяся лава застывала, отдавая в мировое пространство тепло. Так образовалась первичная земная кора. Температура на поверхности Земли понижалась, и наступил момент, когда выделявшиеся из недр Земли водяные пары конденсировались в жидкую воду. С этого времени начинается геологическая стадия развития Земли (рис. 1).

Геологические процессы можно разделить на два типа. С одной стороны, это подземные вулканические и иные силы, приводящие к излиянию лав и подъему или опусканию земной коры; с другой — процессы разрушения, эрозия горных пород, перенос их водами и ветром по земной поверхности. Пока на Земле вода была только в парообразном состоянии, переноса горных пород практически не происходило. Вулканические горы еще не размывались, а пониженные места между вулканами не заполнялись осадками. С появлением на Земле жидкой воды впервые возникли осадочные породы, отлагавшиеся в неглубоких еще тогда морских водоемах. В результате поверхность планеты стала более ровной, поскольку высокие вулканы разрушались и постепенно исчезали с земной поверхности, если подземный очаг переставал работать. Хотя поверхность планеты уже остыла, на небольшой глубине земные породы были по-прежнему разогреты и потому достаточно пластичны. В этот период земная кора еще не трескалась и крупных разломов не существовало.

Следующая стадия эволюции коры начинается 3— 2 млрд. лет назад. К этому времени земная кора уже остыла на всю глубину (20—40 км) и приобрела необходимую хрупкость. В местах максимальных напряжений земная кора стала трескаться. Возникли глубинные разломы. Вдоль них образовались прогибы, где накапливались многокилометровые толщи осадков.

С изучения осадочных горных пород и началось формирование геологии как науки. Самым крупным достижением геологической мысли было создание геологической карты. В основу ее положен исторический принцип — одинаковым цветом на карте показаны породы одного геологического возраста. По сохранившимся в породах остаткам существовавших ранее животных и растений история нашей планеты разделена на несколько эр: архейскую, протерозойскую, палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую. Последние три эры в свою очередь делятся на геологические периоды. Разработанные в XX в. методы определения абсолютного возраста горных пород по скорости радиоактивного распада показали, что длительность эр неодинакова (табл. 1).

Таблица 1

Многообразная гамма цветов геологической карты рассказывает о сложной и богатой истории Земли. Обширные пространства европейской части СССР покрыты овалами, полосами оранжевого, зеленого и коричневого цветов. По крупным рекам зеленые и синие полоски образуют острые петли, вытянутые против течения. Такой рисунок свойствен платформе. Геологи называют платформой область с двухъярусным строением: внизу — смятый в складки плотный фундамент, выше — полого лежащий рыхлый осадочный чехол. После образования фундамента движения на платформах были вялыми, малоинтенсивными. Они привели лишь к пологим изгибам его поверхности и осадочного чехла. В пределах платформ выделяют два вида структур — щиты и плиты. Первые вплоть до настоящего времени испытывали поднятия; в их пределах осадочный чехол отсутствует. На щитах длительно (до миллиарда лет) идет размыв кристаллических пород фундамента, благодаря чему на дневную поверхность выходят породы с возрастом 2—4 млрд. лет.

Плитами называются пространства платформ, фундамент которых перекрыт осадочным слоем. Крупные отрицательные структуры (прогибы) в пределах плит именуются синеклизами. По форме синеклиза напоминает пологое блюдце.

Второй класс структур земной коры — геосинклинали. Важнейшая отличительная их черта — много большая контрастность движений по сравнению с платформами. На геологической карте геосинклинальные зоны выходят в виде протяженных узких полос разного цвета. Особенно наглядно видно это на примере Урала, который, как цветной шарф, пересекает с севера на юг нашу страну. Образованию геосинклинального пояса предшествовало заложение системы разломов большей протяженности (тысячи километров) и глубокого заложения. В результате поверхность земного шара оказалась состоящей из «обломков» древних платформ, разделенных геосинклинальными поясами (рис. 2). Наиболее протяженным является Тихоокеанский пояс, обрамляющий с востока, севера и запада впадину Тихого океана. Следующий по величине — Средиземноморский пояс. Он начинается в районе Гибралтарского прогиба и протягивается через Средиземное море, Кавказ, Памир и Гималаи в Зондский архипелаг, где сливается с Тихоокеанским поясом. В пределах нашей страны находится большая часть Урало-Монгольского геосинклинального пояса. В него входят Урал, геосинклинальные структуры Казахстана, Тянь-Шаня, Алтая, Саян и большая часть Монголии. Этот пояс также стыкуется с Тихоокеанским. Кроме того, выделяют Атлантический и Арктический пояса, но они в значительной степени перекрыты океанами и на дневную поверхность выходят лишь их краевые части.

Между складчатыми поясами расположены платформы, которые обычно разделяются на две группы: северную и южную.

Северная именуется Лавразиатской. В нее входят три платформы: Североамериканская, занимающая большую часть континента Северной Америки и Гренландии; Восточно-Европейская, которая включает почти всю Европу (ее также называют Русской платформой), Сибирская, протягивающаяся от Енисея на западе до Алдана и Лены на востоке.

Южная группа платформ именуется Гондванской. Геологи установили, что в конце палеозойской и в начале мезозойской эры все платформы южного полушария (Бразильская, Африканская, Индийская и Австралийская) развивались очень сходно — были близкие климатические условия, почти тождественные флора и фауна. Значит, 300—200 млн. лет назад платформы южного полушария составляли единый гигантский материк — Гондвану.

Геологи и геофизики ведут жаркие споры о том, в результате каких причин материки оказались разобщенными океанами. Одни считают, что это произошло вследствие раздвигания в стороны единого праконтинента Гондваны; другие допускают, что части Гондваны были погружены, а затем залиты морем.

Как уже отмечалось выше, геосинклинальные пояса состоят из серии протяженных глубинных разломов. Вдоль таких глубинных разломов возникли геосинклинальные прогибы, в которых накопилось до 10—30 км осадков. Пространства между геосинклинальными прогибами оставались относительно инертными (их именуют срединными массивами).

Зоны глубинных разломов служили местами, где происходил обмен веществом между корой и более глубокими слоями Земли. Из ее недр в результате происходящего в них плавления поступали на поверхность расплавленные лавы. Но в тех же приразломных зонах осуществлялся и обратный процесс — погружение осадков в глубь Земли. Благодаря чередованию эпох сжатия и растяжения давление в зоне разлома сильно колебалось. При падении давления материал коры погружался, а при последующем возрастании уплотнялся.

Геосинклинальные прогибы развивались в течение одного-двух геотектонических этапов длительностью по 180— 200 млн. лет, после чего прогибание обычно прекращалось, сменяясь горообразованием и складчатостью. Наступил режим, близкий к платформенному. Через определенный промежуток времени могла заложиться новая система разломов или же частично ожить ранее существовавшая, и геосинклинальный режим возобновлялся.

Возникшие глубинные разломы с равным успехом рассекали как древние платформенные территории, так и пространства, ранее занятые геосинклиналями. Геосинклинальный и платформенный режимы могли чередоваться во времени.

Хотя геологи обычно противопоставляют геосинклинали платформам, становится все очевиднее, что это лишь крайние члены последовательного ряда геологических структур. В пределах платформ обнаружены впадины, например Прикаспийская синеклиза на Восточно-Европейской платформе, где мощность осадков достигает 25 км, как и в геосинклинальных прогибах. С другой стороны, известны геосинклинальные прогибы, например Карпаты, где мощность не более 5—7 км, что часто встречается на платформе.

Но не следует и преуменьшать различие платформ и геосинклиналей. Последним свойственны не только большие мощности осадков и контрастное их изменение, но и сложная складчатость, а также интенсивный магматизм: излияние лав или внедрение крупных магматических тел — батолитов.

Магматические породы земной коры различаются по химизму и структуре. В зависимости от химического состава магматические породы разделяются на четыре группы: кислые, средние, основные, ультраосновные (табл. 2).

Таблица 2

Кислыми именуются породы, в которых содержание SiO2 достигает 70%. Типичный представитель кислой породы — гранит. В средних по составу магматических породах кремнекислоты меньше 65%, в основных — не более 50%. Наконец, на земной поверхности, правда редко, встречаются и ультраосновные породы, в которых процентное содержание SiO2
не превышает 40-45%. Содержание магния и железа изменяется в обратной последовательности. В ультраосновных их больше всего, а в кислых — всего лишь несколько процентов. Как кислые, так и основные породы могут различаться и по содержанию щелочных элементов (Na, К) и т.п.

Если магматические породы излились на земную поверхность и застыли в виде лав, то они плохо раскристаллизованы, минералы почти не видны. Такие породы называются эффузивными. Магматические породы, застывшие на глубине нескольких километров, именуются интрузивными. В зависимости от химического состава эффузивные породы разделяются на кислые (липариты), средние (андезиты) и основные (базальты). Разумеется, существует огромное число переходных разностей, для которых петрографы предложили специальные наименования.

Сравнительное изучение геологических структур с разной историей позволило установить, что развитие нашей планеты имело определенную периодичность. Длительные циклы преобладавшего погружения, сопровождавшегося накоплением осадков, сменялись более кратковременными периодами поднятий, складкообразования и размыва. Обнаружены циклы разных порядков. Наиболее крупными за последние 500—600 млн. лет геологической истории являются каледонский, герцинский и альпийский геотектонические этапы. Длительность каждого из них приблизительно 180 млн. лет. В последнее десятилетие выделен так называемый байкальский геотектонический этап, который предшествовал каледонскому, однако по длительности он равен или даже больше каледонского, герцинского и альпийского, вместе взятых. По-видимому, байкальский этап отвечает более крупному мегаэтапу высшего порядка. Геотектонические этапы не совпадают с эрами, выделенными на основании изучения истории органической жизни планеты.

После окончания геотектонического этапа, часто завершавшегося горообразованием, одни геосинклинальные зоны вновь вовлекались в прогибание, другие же длительное время оставались как бы законсервированными — становились платформами. Такие зоны получили название по времени последнего этапа прогибания. Геосинклинальные зоны, прекратившие прогибаться и смятые в складки к концу байкальского этапа, стали именоваться байкалидами, к концу каледонского — каледонидами, далее — герцинидами и альпидами.

Третья стадия развития Земли до некоторой степени продолжается и сейчас, что подтверждается различными типами тектонических движений на континентах. Однако, по-видимому, с палеозойской эры, т.е. примерно 0,5— 0,3 млрд. лет назад, Земля вступила в четвертую стадию эволюции, которую с полным правом можно именовать океанической. Важнейшей особенностью этой стадии жизни нашей планеты является уничтожение мощной континентальной коры и превращение ее в тонкую (5— 7 км), океаническую.

Главной особенностью процесса океанообразования является то, что, начавшись, вероятно, в пределах относительно узкой, может быть линейной, зоны, он затем постепенно расширялся, захватив к настоящему времени пространство, превышающее площадь материков.

Какие глубинные условия определяли начало процесса океанообразования, остается пока неясным. Несомненно лишь одно, что в основе этих процессов лежит разогревание Земли в результате радиоактивного распада.

Обширные глубоководные океанические равнины — это, очевидно, былые платформы. Недаром многие геологи по аналогии с континентами называют их талассократонами (опустившимися платформами). О сходстве океанических равнин с платформами материков свидетельствуют их огромные размеры, отсутствие в них каких-либо активных тектонических движений, например сейсмической деятельности.

Протяженные полосы мелководий и островов в океанах (подводный Гавайский хребет) — это, возможно, некогда существовавший геосинклинальный пояс. Не случайно именно к этим зонам приурочено большинство находок в океанах кислых пород (гранитов).

Океаническую стадию следует рассматривать как завершение гигантского мегацикла в истории Земли, длившегося 4—5 млрд. лет. В течение этого периода в коре близ ее поверхности накапливались такие элементы, как кремнезем, щелочи, кальций, создавался гранитный слой, выделялась вода. Некоторое количество воды достигло земной поверхности, но большую ее часть, как губка, впитал в себя верхний слой мантии. Возник мощный слой обводненных ультраосновных пород. В океаническую стадию жизни Земли вода, наконец, была «выжата» на поверхность Земли. Может быть, впервые за всю многомиллиардную жизнь коры слагающие ее химические элементы расположились в закономерной последовательности: вверху самые легкие, ниже тяжелые и плотные — вода, под ней кремнезем, еще ниже алюмосиликаты и внизу силикаты с высоким содержанием магния и железа.

На рис. 1 показана относительная длительность каждой из названных стадий эволюции нашей планеты. Наиболее продолжительная — геосинклинальная.

В дальнейшей геологической эволюции нашей планеты, по-видимому, будет продолжаться рост океанов за счет континентов. Значит, материки со временем окажутся почти полностью поглощенными Мировым океаном? А где же тогда будут жить люди? Однако столь мрачная перспектива не должна нас пугать. Процесс поглощения континентов океанами идет крайне медленно даже для геологического летосчисления. Для полного уничтожения континентов потребуются еще сотни миллионов лет.