Геологическое развитие и строение Земли

Результатом геологического развития Земли стало формирова­ние самых верхних оболочек — атмосферы, гидросферы и литосфе­ры. Это произошло в результате остывания поверхности Земли и привело к образованию первичной базальтовой или близкой к ней по составу коры Земли. Почти одновременно за счет конденсации водяных паров образовалась водная оболочка планеты — гидросфера.

Образование и строение литосферы. Земная кора образована гор­ными породами, имеющими различные формы залегания. Породы лежат горизонтальными слоями или нарушены разломами и смяты складками. Залегание горных пород чаще всего обусловлено внут­ренними (эндогенными) силами. Строение земной коры, созданное эндогенными процессами, называется тектоническим строением, или тектоникой.

Современный рельеф планеты складывался на протяжении мно­гих сотен миллионов лет и продолжает видоизменяться под влия­нием совместного действия на ее поверхности тектонических, гидросферных, атмосферных и биологических процессов. Начало этому было положено около 3,5 млрд. лет назад, когда начали формиро­ваться вулканические дуги. Формирование вулканических дуг про­исходило на первичной остаточной или вторичной коре, образо­ванной при растяжении океанической коры над зонами подлезания (столкновения литосферных плит и подлезания их друг под друга с об­разованием вулканической дуги). В результате примерно 2,7—2,5 млрд. лет назад возникли значительные площади континентальной коры, которые, по-видимому, соединились в единый суперконтинент — первую Пангею в истории Земли. Толщина этой коры уже достига­ла современной толщины в 35—40 км. Ее нижняя часть под влия­нием высоких давлений и температур испытывала значительные превращения, а на средних уровнях произошло выплавление боль­ших масс гранита.

Следующий важный момент в развитии Земли имел место при­мерно 2,5 млрд. лет назад. Возникший на предыдущем этапе супер­континент — первая Пангея — претерпел существенные изменения и 2,2 млрд. лет назад распался на отдельные, относительно небольшие континенты, разделенные бассейнами с новообразованной океанической корой. Отдельные следы этих этапов тектоники плит можно обнаружить и сейчас. Первый этап (до возникновения Пангеи) принято называть эмбриональной тектоникой плит, а второй — тектоникой малых плит. К концу второго периода, около 1,7 млрд. лет назад, континенты вновь слились в единый суперконтинент. Образовалась Пангея-II. Ее распад начался около 1 млрд. лет назад, хотя частичные разъединения и воссоединения могли иметь место и до этого.

В интервале 1—0,6 млрд. лет назад структурный план Земли претерпел радикальные изменения и существенно приблизился к современному. С этого момента началась полномасштабная текто­ника плит. Она связана с тем, что литосфера Земли разделена на ограниченное число крупных (5 тыс. км) и средних (1 тыс. км) по размерам поперечника жестких и монолитных плит, которые рас­положены на более пластичной и вязкой оболочке — астеносфере. Литосферные плиты стали двигаться по астеносфере в горизонталь­ном направлении, образуя раздвижения и подлезания, которые в среднем компенсируют друг друга в масштабах планеты. Таким об­разом, в истории Земли как планеты неоднократно происходил процесс формирования и распада Пангеи. Длительность таких цик­лов составляет 500—600 млн. лет. На эту крупномасштабную перио­дичность накладывается периодичность меньших масштабов, свя­занная с растяжением и сжатием земной коры.

В результате тектонической активности рельеф земной поверх­ности сегодня характеризуется глобальной асимметрией двух полу­шарий (Северного и Южного): одно из них представляет собой ги­гантское пространство, заполненное водой. Это океаны, занимаю­щие более 70% всей поверхности. В другом полушарии сосредото­чены поднятия коры, образующие континенты. Глобальная асим­метрия в строении поверхности нашей планеты была замечена давно, что позволило планетарный рельеф поделить на две основные области — океаническую и континентальную. Дно океанов и континенты от­личаются друг от друга строением земной коры, химическим и пет­рографическим составом, а также историей геологического разви­тия. Кора имеет повышенную мощность в области континентов и пониженную в областях океанического дна.

Средняя мощность континентальной коры — 35 км. Ее верхний слой богат гранитными породами, нижний — базальтовыми магма­ми. На дне океанов гранитный слой отсутствует, и земная кора со­стоит только из базальтового слоя. Ее мощность — 5—10 км. Кроме того, континентальная кора содержит больше радиоактивных эле­ментов, генерирующих тепло, чем тонкая океаническая кора.

Земная кора, образующая верхнюю часть литосферы, в основном состоит из восьми химических элементов: кислорода, кремния, алю миния, железа, кальция, магния, натрия и калия. Половина всей массы коры приходится на кислород, который содержится в ней в связанном состоянии, главным образом, в виде окислов металлов.

Земная кора сложена горными породами различного типа и раз­личного происхождения. Более 70% приходится на магматические породы, 20% — на метаморфические, 9% составляют осадочные породы.

Не следует забывать и о том, что поверхность Земли сложена из литосферных плит, число и положение которых менялось от эпохи к эпохе. Плита — это вся масса земной коры и подстилающей ман­тии, которые движутся как единое целое по поверхности Земли. Сегодня выделяют 8—9 больших плит и более 10 малых. Плиты медленно перемещаются горизонтально (глобальная тектоника плит). В районах рифтовых долин, где вещество мантии выносится наружу, плиты расходятся, а в местах, где горизонтальные смеще­ния соседних плит оказываются встречными, они надвигаются друг на друга. Вдоль границ литосферных плит расположены зоны по­вышенной тектонической активности. При движении плит смина­ются их края, образуя горные хребты или целые горные области. Океанические плиты, берущие свое начало в рифтовых разломах, наращивают толщину по мере приближения к континентам. Они уходят под островные дуги или континентальную плиту, увлекая за собой накопившиеся осадочные породы. Вещество погружающейся - плиты достигает в мантии глубин до 500—700 км, где оно начинает плавиться.

Возникновение атмосферы и гидросферы. Составные части атмо­сферы и гидросферы Земли являются летучими веществами, кото­рые появились в результате ее химической дифференциации. Со­гласно имеющимся данным, пары воды и газы атмосферы возникли в недрах Земли и поступили на ее поверхность в результате внут­реннего разогрева совместно с наиболее легкоплавкими веществами первичной мантии в процессе вулканической активности.

Вода и углекислый газ как компоненты газопылевого облака долго пребывали в виде молекул, когда большая часть твердых кон­денсатов уже сформировалась. Поэтому оставшиеся газы в какой-то мере поглощались пылевыми частицами путем адсорбции и различ­ных химических реакций. Так летучие вещества внедрились в пла­неты земного типа. Из недр Земли они поступают на поверхность в результате вулканической деятельности. Кроме того, как считают Альвен и Аррениус, уже в период бомбардировки Земли планетези-малиями, когда шел разогрев и плавление земных пород, выделя­лись газы и пары воды, содержавшиеся в породах. При этом Земля теряла водород и гелий, но сохраняла более тяжелые газы. Таким образом, именно дегазация земных недр стала источником атмосферы и гидросферы. По некоторым расчетам, от 65 до 80% общего количества летучих компонентов Земли выделилось в результате ударной дегазации.

Мировой океан возник из паров мантийного материала, и пер­вые порции конденсированной воды были кислыми. Затем появи­лись минерализованные воды, а собственно пресные воды образо­вались значительно позже в результате испарения с поверхности первичных океанов в процессе естественной дистилляции.

Проблема происхождения океана связана с проблемой проис­хождения не только воды, но и растворенных в ней веществ. Гид­росфера Земли, как и атмосфера, также появилась в результате де­газации недр планеты. Материал океана и вещество атмосферы воз­никли из общего источника.

Океаническая вода представляет собой уникальный природный раствор, содержащий в среднем 3,5% растворенных веществ, что и обеспечивает соленость воды. В воде земных океанов содержится множество химических элементов. Среди них важнейшую роль иг­рают натрий, магний, кальций, хлор, азот, фосфор, кремний. Эти элементы усваиваются живыми организмами, и их концентрация в морской воде контролируется ростом и размножением морских рас­тений и животных. Большую роль в составе морской воды играют растворенные в ней природные газы — азот, кислород, углекислый газ, которые тесно связаны с атмосферой и живым веществом суши и моря.

Как считается сегодня, первичная атмосфера Земли по своему составу была близка к составу вулканических и метеоритных газов. Скорее всего, она напоминала современную атмосферу Венеры. На поверхность Земли поступали вода, углекислый газ, окись углерода, метан, аммиак, сероводород и др. Они и составили первичную ат­мосферу Земли. В целом первичная атмосфера имела восстанови­тельный характер и была практически лишена свободного кислоро­да, хотя незначительные его доли образовывались в верхней части атмосферы в результате фотолиза воды.

Таким образом, состав первичной атмосферы Земли, возникшей в результате ударной дегазации и вулканической активности, весьма сильно отличался от состава современной атмосферы. Эти отличия связаны с наличием жизни на Земле, оказывающей самое сущест­венное воздействие на все процессы, протекающие на нашей плане­те. Таким образом, химическая эволюция атмосферы и гидросферы проходила с неизменным участием живых организмов, причем веду­щую роль при этом играли фотосинтезирующие зеленые растения.

Современная азотно-кислородная атмосфера — результат дея­тельности Жизни на Земле. То же можно сказать и о современном составе вод Мирового океана планеты. Поэтому сегодня на нашей планете жизнь и преобразованная им окружающая среда образуют самостоятельную оболочку Земли – биосферу.

Геосферы Земли

Формирование Земли сопровождалось дифференциацией веще­ства, результатом которой явилось разделение Земли на концентри­чески расположенные слои — геосферы. Геосферы различаются химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. В центре образовалось ядро Земли, окруженное манти­ей. Из наиболее легких компонентов вещества, выделившихся из ман­тии, возникла расположенная над мантией земная кора. Это так на­зываемая «твердая» Земля, заключающая в себе почти всю массу планеты. Далее возникли водная и воздушная оболочки нашей пла­неты. Кроме того. Земля обладает гравитационным, магнитным и электрическими полями.

Таким образом, можно выделить ряд геосфер, из которых со­стоит Земля: ядро, мантия, литосфера, гидросфера, атмосфера, маг­нитосфера.

Кроме названных оболочек Земли, ниже мы будем рассматри­вать биосферу и ноосферу. Кроме того, в литературе можно встре­тить анализ и других оболочек — антропосферы, техносферы, социосферы, но их рассмотрение выходит за рамки естествознания.

Геосферы различаются, главным образом, плотностью состав­ляющих их веществ. Самые плотные вещества сосредоточены в центральных частях планеты. Ядро составляет 1/3 массы Земли, кора и мантия — 2/3.

Все земные оболочки взаимосвязаны и проникают друг в дру­га. Гидросфера всегда присутствует в литосфере и атмосфере, ат­мосфера — в литосфере и гидросфере и т.д. С атмосферой, гидро­сферой и литосферой тесно связаны внутренние оболочки Земли. Кроме того, во всех оболочках, кроме мантии и ядра, присутствует биосфера.

Ядро Земли

Ядро занимает центральную область нашей планеты. Это самая глубокая геосфера. Средний радиус ядра составляет около 3500 км, располагается оно глубже 2900 км. Ядро состоит из двух частей — большого внешнего и малого внутреннего ядер.

Внутреннее ядро Природа внутреннего ядра Земли начиная с глубины 5000 км остается загадкой. Это шар диаметром 2200 км, который, как полагают ученые, состоит из железа (80%) и никеля (20%). Соответствующий сплав при существующем давлении внутри земных недр имеет температуру плавления порядка 4500° С.

Внешнее ядро. Судя по геофизическим данным, внешнее ядро представляет собой жидкость — расплавленное железо с примесью никеля и серы. Это связано с тем, что давление в этом слое мень­ше. Внешнее ядро представляет собой шаровой слой толщиной 2900—5000 км. Чтобы внутреннее ядро оставалось твердым, а внеш­нее — жидким, температура в центре Земли не должна превышать 4500° С, но и не быть ниже 3200° С.

С жидким состоянием внешнего ядра связывают представления о природе земного магнетизма. Магнитное поле Земли изменчиво, из года в год меняется положение магнитных полюсов. Палеомагнитные исследования показали, что, например, на протяжении по­следних 80 млн. лет имело место не только изменение напряженно­сти поля, но и многократное систематические перемагничивание, в результате которого Северный и Южный магнитные полюса Земли менялись местами. В периоды смены полярности наступали момен­ты полного исчезновения магнитного поля. Следовательно, земной магнетизм не может создаваться постоянным магнитом за счет ста­ционарной намагниченности ядра или какой-либо его части. Пред­полагается, что магнитное поле создается процессом, названным эффектом динамо-машины с самовозбуждением. Роль ротора (под­вижного элемента), или динамо, может играть масса жидкого ядра, перемещающаяся при вращении Земли вокруг своей оси, а система возбуждения образуется токами, создающими замкнутые петли внутри сферы ядра.

Мантия

Мантия — наиболее мощная оболочка Земли, занимающая 2/3 ее массы и большую часть объема. Она также существует в виде двух шаровых слоев — нижней и верхней мантии. Толщина нижней части мантии — 2000 км, верхней — 900 км. Все слои мантии рас­положены между радиусами 3450 и 6350 км.

Данные о химическом составе мантии получены на основании анализов наиболее глубинных магматических горных пород, посту­пивших в верхние горизонты в результате мощных тектонических поднятий с выносом мантийного материала. Материал верхней мантии собран со дна разных участков океана. Плотность и хими­ческий состав мантии резко отличаются от соответствующих харак­теристик ядра. Мантию образуют различные силикаты (соединения на основе кремния), прежде всего, минерал оливин.

Благодаря высокому давлению вещество мантии, скорее всего, находится в кристаллическом состоянии. Температура мантии составляет около 2500°С. Именно высокие давления обусловили такое агрегатное состояние вещества, в ином случае указанные темпера­туры привели бы к его расплавлению.

В расплавленном состоянии находится астеносфера — нижняя часть верхней мантии. Это подстилающий верхнюю мантию и лито­сферу слой. Литосфера как бы «плавает» в нем. В целом же верхняя мантия обладает интересной особенностью — по отношению к крат­ковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий, а по отноше­нию к длительным нагрузкам — как пластичный материал.

На не слишком вязкую и пластичную астеносферу опирается более подвижная и легкая литосфера. В целом литосфера, астено­сфера и остальные слои мантии могут рассматриваться в качестве трехслойной системы, каждая из частей которой подвижна относи­тельно других компонентов.

Литосфера

Литосферой называют земную кору с частью подстилающей ее мантии, которая образует слой толщиной порядка 100 км. Земная кора обладает высокой степенью жесткости, но вместе с тем и большой хрупкостью. В верхней части она слагается гранитами, в нижней — базальтами.

Резкая асимметрия строения поверхности нашей планеты была замечена давно. Поэтому планетарный рельеф делится на две основ­ные области — океаническую и континентальную. Средняя мощ­ность континентальной коры — 35 км. Ее верхний слой богат гра­нитными породами, а нижний — базальтовыми магмами. На дне океанов гранитный слой отсутствует, и земная кора состоит только из базальтового слоя. Мощность океанической коры составляет 5—10 км.

Первые порции вулканического материала имели состав базаль­тов или близкий к нему. Базальтовая магма, поднимаясь к поверх­ности, теряла газы, уходившие в атмосферу, и превращалась в ба­зальтовую лаву, которая растекалась по первичной поверхности планеты. При остывании она образовывала твердые покровы — первичную кору океанического типа. Однако процесс выплавления этих масс был асимметричным, и на одном полушарии планеты их сосредоточилось больше, чем на другом. В областях будущих кон­тинентов молодая земная кора была динамически неустойчивой и перемещалась вверх и вниз под влиянием внутренних причин, при­рода которых еще недостаточно хорошо изучена.

При общих колебательных движениях отдельные части первич­ной коры временами оказывались выше уровня океана и подверга­лись разрушению под воздействием химически активных газов пер­вичной атмосферы, воды, а также других физических агентов. Продукты разрушения сносились в пониженные участки суши и водо­емы, образуя осадочные породы с механической сортировкой час­тиц по величине и минералогическому составу. Еще более активно эти процессы пошли с появлением биосферы. Области поднятия суши — места будущих континентов — стали обрастать поясами, образованными толщами осадочных пород, возникших за счет раз­рушения более приподнятых участков суши. Эти пояса впоследст­вии подвергались складчатости и поднятиям, в них проявлялась вулканическая деятельность. Возникли древние горные цепи вокруг ядер материков, впоследствии также разрушенные геологическими агентами. Так формировалась континентальная часть земной коры.

Океаническая часть, вероятно, редко или совсем не выступала выше уровня Мирового океана, и в ней не происходили процессы дифференциации вещества, не шли отложения осадочных пород.

Геологические особенности земной коры определяются совме­стными действиями на нее атмосферы, гидросферы и биосферы — трех внешних оболочек планеты. Состав коры и внешних оболочек непрерывно обновляется. Благодаря выветриванию и сносу вещество континентальной поверхности полностью обновляется за 80—100 млн. лет. Убыль вещества континентов восполняется поднятиями их ко­ры. Если бы этих поднятий не было, то за несколько геологических периодов вся суша оказалась снесенной в океан, а наша планета покрылась сплошной водной оболочкой.

На поверхности литосферы в результате совокупной деятельно­сти ряда факторов возникает почва. Основоположник почвоведения русский ученый В.В. Докучаев назвал почвой наружные горизонты горных пород, естественно измененных совместным влиянием во­ды, воздуха и различного рода организмов, включая их остатки. Та­ким образом, почва — это сложнейшая система, стремящаяся к равновесному взаимодействию с окружающей средой.