XIXв. : «весь земной шар наполнен бушующим морем огня»

В течение XIXв. господствующей идеей в представлениях о внутреннем строении Земли была идея о том, что весь земной шар наполнен бушующим морем огня, которое прикрывает лишь тонкая земная кора. Весь XIX в. выделен нами поэтому в особый период, несмотря на наличие других взглядов на строение Земли. Как мы видели, развитие представлений о внутреннем строении Земли шло с середины XVIIв. таким образом: идея о пассивном центральном огне (до середины XVIIIв.) и идея развития Земли как планеты и активного воздействия ее недр на поверхность Земли (вторая половина XVIIIв.). Эти два направления как бы слились воедино в начале XIXв., когда господствующими стали представления об огненно-жидкой внутренности Земли, прикрытой тонкой земной корой, и об активном воздействии этого расплава на земную кору. Вместе с тем в начале XIXв., несмотря на господство идеи об огненном состоянии внутренности Земли, в таком вопросе, как причины землетрясений, еще существовала гипотеза более раннего периода о каналах и пустотах внутри Земли и о действии сжатых паров и газов, вызывающих землетрясения. Лишь с начала XIXв. в соответствии с общими представлениями причиной землетрясений стали считать воздымающее действие огненного расплава. Наряду с этим в XIXв. существовали и вполне оформившиеся идеи о твердом и даже железном ядре Земли. Воззрения эти существовали одновременно с господствующей идеей и подготовляли тот период, когда, в свою очередь, сами стали господствующими. Развитие представлений о внутреннем строении Земли было тесно связано с общим развитием науки. Естествознание в XIXв. сделало значительный шаг вперед по сравнению с естествознанием XVIIIв.; естествознание благодаря выявлению существующих в самой природе связей между различными областями исследования (механикой, физикой, химией, биологией и т.д.) превратилось из эмпирической науки в теоретическую, становясь при обобщении полученных результатов системой материалистического познания природы. Огромные открытия в области физики, химии, механики, геологии, географии и других наук, сделавшие в некоторых случаях полный переворот в соответствующей области знания, давали материал и для научного обоснования представлений о строении Земли. Непосредственные знания о Земле давали астрономия, геодезия, география и геология.

Как казалось, эти явления хорошо укладывались в схему строения Земли, вытекающую из гипотезы Канта-Лапласа: огненно-жидкий шар, прикрытый сверху тонкой земной корой. Эти представления несколько усложнились к концу рассматриваемого периода. Гипотеза огненно-жидкого состояния Земли, которую выдвигали главным образом геологи, получила название гипотезы флюидизма. Наряду с этим со второй четверти XIXв. на основании теоретических расчетов возможного изменения температуры с глубиной, явлений смещения земной оси (прецессии) и величины этого смещения (нутации) начала развиваться гипотеза ригидизма — твердого состояния недр Земли. Эта гипотеза, которую поддерживали главным образом физики и астрономы, была основана на изучении Земли преимущественно как отвлеченного физического тела, хотя исходной точкой для обеих идей были представления об остывании Земли из расплавленного состояния. Кроме этих двух основных гипотез, как сказано выше, в работах некоторых геологов и химиков постепенно возникали и развивались представления о химическом составе Земли, о железном ее ядре. Таким образом, в XIXв. постепенно наметились различные направления в изучении не только Земли в целом, но и ее внутреннего строения с точки зрения геологической, астрономо-физической и химической. Господствующей оказалась гипотеза флюидизма, выдвинутая геологами.

В ясной форме представление о раскаленно-жидком состоянии внутренности Земли, а также гипотеза поднятия была выражена в трудах крупнейшего геолога и путешественника Александра Гумбольдта. Существование огненно-жидкого расплава внутри Земли доказывалось, по мнению Гумбольдта, извержениями вулканов и истечением на поверхность расплава, расположенного на небольшой глубине. Именно поэтому наибольшее внимание А.Гумбольдта было обращено на вулканизм, на нем была основана его концепция, которая в то же время хорошо согласовывалась с гипотезой Канта-Лапласа. Во многих работах А.Гумбольдта подчеркивается, что вулканизм — это про явление дикой силы, заключенной в глубинах нашей планеты, воздействие внутренней огненно-жидкой внутренности Земли на охлажденную и затвердевшую земную кору, связь внутренних и внешних частей планеты. В ранней стадии существования планеты, как утверждал Гумбольдт, земная кора была тоньше. Ее прорывали более мощные, чем теперь, вулканические силы, и расплавленное вещество выливалось через трещины на поверхность. Это были эпохи великих переворотов, когда вдоль трещин коры вследствие воздействия расплавленной массы поднимались материки, горные цепи и отдельные горы, такие, как Гималаи, Анды, Кавказ, Гиндукуш, Персидское плоскогорье, плато Центральной Азии и др. В настоящее время земная кора вследствие охлаждения стала толще и действие вулканов значительно слабее. Вулканические силы сотрясают Землю по определенным направлениям или кругам одновременных колебаний, которые в течение многих веков остаются неизменными. Гумбольдт сделал интересную попытку определить химический состав расплавленного вещества, т.е. подошел по существу к вопросам геохимии. Новейшая химия, по его словам, утверждает, что в вулканах горят, т.е. находятся в расплавленном состоянии, металлы и металлоиды. Твердая, частично окисленная земная кора отделяет окружающий ее насыщенный кислородом воздух от горючего неокисленного материала внутри планеты. Сжатые пары выталкивают по трещинам окисляющуюся, расплавленную массу, поэтому вулканы, через которые она выливается, можно назвать внутренними источниками. Расплавленная масса, поднявшись до поверхности, изливается и, наконец, застывает.

Еще один любопытный вывод сделал Гумбольдт из своих представлений о внутреннем строении Земли. По его предположению внутреннее тепло Земли является возможной причиной удивительного явления: часто органические ископаемые остатки находятся в противоречии с существующим климатом. Так, например, в холодных северных странах находят погребенные остатки тропических животных и растений.

Для решения этой проблемы, по словам Гумбольдта, выдвигали много гипотез: приближение кометы, изменение наклона эклиптики, периодическое изменение интенсивности солнечного излучения. Однако ни одна из этих гипотез не удовлетворяла полностью астрономов, физиков и геологов. Гумбольдт выдвинул гипотезу для объяснения этого явления: причины изменения тепла связаны с процессами окисления при сообщении между внутренней и внешней частью Земли. Там, где в древности через глубокие трещины выделялось тепло из недр Земли, существовали растения и животные жаркого климата. Таким образом, А. Гумбольдт не только ясно сформулировал гипотезу вертикально направленного действия расплавленных недр Земли, но и попытался определить химизм этого процесса и связать с его влиянием изменение климата.

Работы Л.Буха и А.Гумбольдта в области разработки гипотезы поднятия считаются классическими. Представления о тонкой земной оболочке и снизу вверх направленных силах имели много последователей. В работе профессора минералогии Горного корпуса и Петербургского университета Д.И.Соколова несколько разделов посвящено происхождению и внутреннему строению Земли. В соответствие с известными в то время фактами, Соколов указывает, что Земля имеет форму шара, несколько сжатого у полюсов. Средний радиус Земли он полагает равным 6006 верстам, среднюю ее плотность около 5, а плотность земного черепа (т.е. - коры) —2,5, соответственно удельному весу слагающих его минералов. Плотность Земли увеличивается к центру. Первоначальное состояние Земли соответственно математическим вычислениям (Соколов ссылается на работы французского астронома и физика Д.С.Араго), несомненно, было жидким. Из фактов геогностических и математических Соколов заключает, что Земля наша представляет шарообразное тело, состоящее из твердой скорлупы и огненно-жидкого ядра и внутренность земного шара представляет, по этим соображениям, как бы горн плавильной печи, в котором нижнюю часть занимают всегда металлы, а верхнюю шлаки. Следует особенно подчеркнуть, что важная мысль об аналогии недр Земли с металлургической печью была высказана почти столетие спустя немецким ученым В.М.Гольдшмидтом. В этой аналогии Гольдшмидт видел доказательство существования железного ядра Земли. У Д.И.Соколова нет прямых указаний на железное ядро, но отмечено, что металлы занимают нижнюю, т.е. центральную, часть Земли. По существу мысли Д.И.Соколова и В.М.Гольдшмидта очень близки.

Работы немецкого геофизика Вихерта с 1897г. способствовали более или менее общему признанию представлений об оболочечном строении Земли. По концепции Вихерта, Земля состоит из тонкой коры, твердой каменной оболочки, мощность которой колеблется от 1200 до 1600 км и температура которой увеличивается с глубиной, и твердого металлического ядра, состоящего главным образом из железа; между корой и каменной оболочкой имеется тонкий пластичный, может быть местами расплавленный, слой, не оказывающий какого-либо значительного влияния на общее состояние Земли. На основании данных сейсмометрии Вихерт принимал мощность верхней земной оболочки (коры) 31,5км.

 

XX век

Детальный анализ данных сейсмометрии и всех достижений сейсмологии был сделан в первой четверти XXв. русским геофизиком Б.Б.Голицыным. Он обнаружил резкие переходы физического состояния вещества Земли или разрывы плошности (непрерывности) физических свойств или критические поверхности на глубинах 106, 232 и 492км. Тогда же немецкими учеными Гутенбергом и др. были установлены поверхности раздела на глубинах 1200, 1700, 2450 и 2900км. Последняя цифра и представляла, по мнению Гутенберга, границу между каменной оболочкой и ядром. Тогда же, в первой четверти XXв., немецкий геофизик Клуссман отстаивал схему трехслойного строения Земли (не считая коры): твердые горные породы-де глубины 1200км, промежуточный слой, по составу близкий к железной руде, до глубины 2900км и ядро, состоящее из железа, кобальта, никеля.

Большую роль сыграли исследования хорватского геофизика Мохоровичича (1857 - 1936). Он на основании тщательного анализа сейсмометрических данных пришел к 1910г. к выводу о резком изменении вещества Земли на глубине около 50км. Эта поверхность раздела стала называться позже поверхностью Мохоровичича. Она стала условно считаться нижней границей земной коры. Мощность последней несколько позже, в 20 х годах, стала приниматься различной от нескольких километров в океанических частях до 25—80км в материковых.

В 20 х годах Гутенбергом было открыто наличие на глубине от 75 до 200км слоя пониженных сейсмических скоростей астеносферы, названной позднее волноводом. Построения модели Земли по сейсмическим данным до З0 х годов были многочисленны. В 1931г. Гутенберг предложил четырехчленное строение нашей планеты, с поверхностями разделов на глубине 50, 1200 и 2900км. Первая из них нижняя граница земной коры, последняя граница третьей оболочки с ядром. Он же, согласно Зюссу, выделял во внешней оболочке (земной коре) два слоя: сиалический (гранитный), отсутствующий под Тихим океаном, и симатический (базальтовый).

В 1931г. датский ученый Инга Ломан открыла второе, внутреннее ядро Земли, радиусом 1500 км. Позже было установлено, что внутреннее и внешнее ядра разделены переходным слоем мощностью приблизительно 300км. Наряду с построениями модели Земли по сейсмическим данным были такие же попытки, основанные на данных геохимии.

Много различных высказываний о внутреннем строении Земли было в первую половину XXв. со стороны петрографов. Одна из наиболее полных схем строения Земли была предложена американским петрографом Дели в 1914г (рис. 7). Ниже слоя стекловатого базальта (субстрата) находится промежуточный слой, представляющий смесь железа и силикатов, под которой ядро, состоящее из железа с небольшой примесью никеля и других металлов. Железное ядро, по мнению Дели, выделилось еще в газообразную стадию существования Земли; сейчас оно, возможно, жидкое. В области Тихого океана гранитная оболочка отсутствует.

Интересные высказывания принадлежали в начале XXв. (1909г.) австрийскому геологу Зюссу. Он выделял ядро, состоящее из никеля и железа, названное им Nife, промежуточный слой, состоящий из тяжелых магнезиально-железистых силикатов, где преобладают кремний и магний, названный им Sitna, и земную кору, состоящую преимущественно из легких силикатов с преобладанием кремния и алюминия, названную им Sial. Такое деление долго удерживалось в геологической литературе.

Признание многими геологами наличия подкоровой, пластической или жидкой сферы привело к ряду геотектонических гипотез: магматических течений, конвекционных течений, осцилляционной, астенолитной, радиомиграционной. Из перечисленных гипотез последняя была разработана в 1942г. В.В.Белоусовым. Представления о пластическом или жидком подкоровом слое в первые десятилетия XXв. легли в основу многих вариантов гипотезы горизонтального перемещения материков.

Некоторые исследователи утверждают, что вещество верхней мантии сходно с составом каменных метеоритов (группы хондритов). В 1957г. на XI Генеральной ассамблее Международного геодезического и геофизического союза был предложен проект глубокого бурения для изучения свойств и физического состояния вещества верхней мантии. Бурение на континенте было возложено на СССР, через дно океана на США. Первый опыт бурения в открытой части Тихого океана был осуществлен в США в 1961г. у южной оконечности Калифорнии вблизи острова Гваделупы. Скважина бурилась с баржи при глубине океана в месте бурения 3512м. Скважина глубиной 180м прошла рыхлые осадки мощностью 167м и 13м базальта. В 1960г. на XII Генеральной ассамблее Международного геодезического и геофизического союза В.В.Белоусовым был предложен проект всестороннего исследования верхней мантии Земли, получивший сокращенное название “Проект верхней мантии”. В его осуществлении приняли участие ученые разных специальностей из многих стран мира. В 1963 и 1964гг. на ряде совещаний были обсуждены первые результаты работ по указанному проекту. В 1963г. на XIII Генеральной ассамблее Международного геодезического и геофизического союза, проходившей в США, был создан Международный комитет по верхней мантии Земли, председателем которого был избран член-корреспондент АН СССР В.В.Белоусов. Им в 1966г. опубликованы первые результаты геофизических исследований по международной программе.

В 60 х годах установилось представление, что верхняя мантия и земная кора тесно связаны многими общими геологическими процессами. Эту часть земного шара предложено (сначала Д.Н.Соболевым, а затем В.В.Белоусовым) называть тектоносферой. Две составные части тектоносферы разделены поверхностью Мохоровичича. Сфера выше поверхности Мохоровичича, земная кора-предмет геологии на протяжении всего XIXв. стала в первой половине XXв. изучаться в неразрывной связи с верхней мантией и с некоторыми свойствами Земли в целом. В то же время вопросам строения и геологической истории земной коры, вопросы соотношения тектонических, магматических и метаморфических процессов стали в 40 60 х годах предметом многочисленных дискуссий в среде геологов, геофизиков, геохимиков.

Интересная гипотеза была предложена сотрудником Геологического института АН СССР В.Н.Лариным. В качестве механизма эволюции Земли автор предложил комплекс процессов, связанных с изменением ее внутренней структуры под воздействием водородных струй и с уменьшением количества водорода в ее недра. Какие же конкретные следствия имеют эти процессы? Главным результатом дегазации является прогрессирующее пульсационное расширение Земли, связанное с разуплотнением недр в связи с разложением гидридов. Геосинклинальный процесс объясняется подъемом водорода с границы мантии и ядра, который несет тепло по узким ослабленным зонам. В этих зонах металлы мантии наводороживаются и уплотняются, что ведет к образованию над ними зоны заглатывания. На поверхности Земли формируется геосинклинальная ванна, идет осадконакопление. Вещество астеносферного слоя при этом стекается под геосинклиналь, обусловливая на поверхности режим сжатия. По окончании дегазации мантия вновь разуплотняется, что ведет к возникновению астеносферного вздутия и переходу геосинклинали в фазу орогенеза. В свете этих представлений В.Н.Ларин дает оригинальную трактовку механизму геосинклинальной складчатости и даже моделирует его с помощью разогретого пластилина. Так как выделяющийся водород несет с собой тепло земных недр, становится понятным повышение теплового потока при развитии геосинклинали. Цикличность тектогенеза автор связывает с дискретностью процесса выделения водорода во времени. Начало дегазации обусловливает заложение в областях выхода на поверхность водородных струй геосинклинальных систем. Увеличение объема мантии ведет к очередному этапу расширения Земли. Таким образом, объясняется разобщенность эпох складчатости и этапов расширения. Формирование тектоногена (зоны заглатывания) и сопряженной с ним депрессионной воронки позволяет по-новому оценить процессы современной тектономагматической активности, в частности, зон Вадати. Характерный излом этих зон обусловлен разным характером и интенсивностью сейсмичности устья тектоногена (интенсивная глубокофокусная сейсмичность) и депрессионной воронки (среднеглубинная сейсмичность). Дрейф литосферных плит в свете гипотезы изначально гидридной Земли связывается с образованием рельефа на подошве астеносферного слоя вследствие его неодинакового разуплотнения струями водорода. Формирование силикатно-окисной коры является следствием долговременной продувки мантии водородом. Вынос больших масс кислорода вызывает разогрев внешних оболочек за счет экзотермических реакций окисления. Высокие температуры и давления (ускорение силы тяжести в архее, по В.Н.Ларину, было в три раза больше современного) обусловили возможность возникновения в архейской коре пород гранулитовой фации метаморфизма на относительно небольших (до 10км) глубинах. Строение переходного слоя С мантии автор объясняет интерметаллическим составом слагающих его пород. Такая точка зрения является альтернативной распространенному мнению о том, что аномальность слоя С связана с резкими изменениями физических свойств пород вследствие фазовых превращений слагающих их минералов. Земной магнетизм с позиций гипотезы изначально гидридной Земли объясняется моделями динамо- (неодинаковая прецессия ядра и мантии) и электромагнита (точки протонов или электронов из глубин к поверхности Земли), которые могут действовать одновременно. Следует отметить, что автор сам предлагает пути проверки своей гипотезы (В.Н.Ларин, 1975). Таким образом, в положениях гипотезы В.Н.Ларина мы находим все атрибуты геодинамической концепции. Движущей силой геодинамических процессов в рамках гипотезы являются реакции с участием водорода в глубинах Земли. Механизм действия этих сил проявляется в движении струй водорода, дегазирующего с границы мантии и ядра, и обусловливает различные тектонические, геохимические, геофизические и металлогенические явления в процессе развития планеты (результат). В этом, как нам представляется, наиболее сильная сторона концепции: многообразные геологические явления связываются с одной причиной — выделением водорода вследствие дегазации. Учитывая успехи науки и техники в области космонавтики, глубоководного бурения, эксперимента при высоких температурах и давлениях, можно надеяться, что основные положения гипотезы могут быть проверены уже в ближайшем будущем.