Происхождение и возраст Земли

 

Несмотря на то, что только относительно недавно человечество получило фактический материал, позволяющий строить научно обоснованные гипотезы о происхождении Земли, эта проблема волновала умы философов еще в глубокой древности.

Хотя первые представления о жизни нашей планеты и основывались лишь на эмпирических наблюдениях над природными явлениями, тем не менее в них главенствующую роль занимали фантастические вымыслы. Однако уже в те далекие времена возникали отдельные идеи и воззрения, поражающие нас сходством с сегодняшними представлениями о происхождении Земли.

Так, например, римский философ и поэт Тит Лукреций Кар, известный как автор дидактической поэмы «О природе вещей», считал, что Вселенная бесконечна и в ней существует множество миров, подобных нашему. О том же писал в своих трудах и древнегреческий ученый Гераклит: «Мир, единый из всего, не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечным живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим».

После падения Римской империи для Европы наступила тяжелая пора средневековья – период господства богословия и схоластики. Этот период затем сменился эпохой Возрождения, во время которого труды Леонардо да Винчи, Николая Коперника, Джордано Бруно, Галилео Галилея подготовили появление прогрессивных космогонических идей. Они были высказаны в разное время Р. Декартом, И. Ньютоном, Н. Стеноном, И. Кантом и П. Лапласом.

Немецкий ученый И. Кант в 1755 году предположил, что вещество, из которого состоят тела нашей Солнечной системы, – все планеты и кометы, до начала всех преобразований было разложено на свои первичные элементы и заполняло весь тот объем Вселенной, в котором движутся теперь образовавшиеся из них тела. Эти представления И. Канта о том, что Солнечная система образовалась в результате скопления первичного дисперсного рассеянного вещества, кажутся сегодня удивительно правильными.

Несколько позже, в 1796 году, ничего не зная о существовании трактата И. Канта, французский исследователь П. Лаплас высказал сходные идеи о происхождении Земли. Появившаяся гипотеза о происхождении Земли получила, таким образом, название гипотезы Канта – Лапласа. Согласно этой гипотезе, Солнце и движущиеся вокруг него планеты образовались из единой туманности, которая, вращаясь, распадалась на отдельные сгустки вещества – планеты. Первоначально огненно‑жидкая Земля остывала, покрывалась коркой, которая коробилась по мере остывания недр и уменьшения их объема. Нужно сказать, что гипотеза Канта – Лапласа более ста пятидесяти лет преобладала в ряду других космогонических воззрений. Именно, исходя из этой гипотезы, геологи объясняли все геологические процессы, протекавшие в недрах нашей планеты и на ее поверхности.

Большое значение для разработки достоверных научных гипотез о происхождении Земли имели, несомненно, МЕТЕОРИТЫ – пришельцы из далекого космоса.

Изучая каменные и железные метеориты, ученые получали интересные данные, которые использовались в космогонических построениях. Был, например, выяснен химический состав метеоритов – в основном, оказалось, что это окислы кремния, магния, железа, алюминия, кальция, натрия. Следовательно, появилась возможность узнать состав других планет, который оказался сродни химическому составу нашей Земли. Удалось определить и абсолютный возраст метеоритов: он находится в пределах 4,2–4,6 миллиарда лет.

В настоящее время к этим данным добавились сведения о химическом составе и возрасте пород Луны, а также атмосфер и пород Венеры и Марса. Эти новые данные показали, в частности, что наш естественный спутник – Луна – образовался из холодного газопылевого облака и начал «функционировать» 4,5 миллиарда лет назад.

Так по крупицам, по отдельным разрозненным фактам постепенно складывалась научная основа современных космогонических взглядов… Многие же современные космогонисты так представляют себе образование нашего мира.

Исходным веществом для образования Солнечной системы послужило газопылевое облако, располагавшееся в экваториальной плоскости нашей Галактики. Вещество этого облака находилось в холодном состоянии и содержало в основном летучие компоненты: водород, гелий, азот, пары воды, метан, углерод. Первичное планетное вещество было довольно однородным, а его температура была очень низкой.

Вследствие сил тяготения межзвездные облака начинали сжиматься. Вещество уплотнялось до стадии звезд, одновременно возрастала его внутренняя температура. Движение атомов внутри облака ускорялось, и, сталкиваясь друг с другом, атомы иногда объединялись. Возникали термоядерные реакции, в процессе которых водород превращался в гелий, при этом выделялось огромное количество энергии.

В неистовстве мощных стихий возникло Протосолнце. Рождение его произошло в результате вспышки сверхновой звезды – явления не такого уж редкого. В среднем такая звезда появляется в любой Галактике каждые 350 миллионов лет. При вспышке сверхновой звезды излучается гигантская энергия. Вещество, выброшенное в результате этого термоядерного взрыва, образовало вокруг Протосолнца широкое, постепенно уплотнявшееся газовое плазменное облако. Оно представляло собой своеобразную туманность в виде диска с температурой в несколько миллионов градусов Цельсия. Из этого протопланетного облака в дальнейшем возникли планеты, кометы, астероиды и другие небесные тела Солнечной системы. Образование Протосолнца и протопланетного облака вокруг него произошло, вероятно, около шести миллиардов лет назад.

Минули сотни миллионов лет. Постепенно газообразное вещество протопланетного облака остывало. Из горячего газа конденсировали наиболее тугоплавкие элементы и их окислы. По мере дальнейшего охлаждения, которое продолжалось миллионы лет, в облаке появились пылевидные твердые частицы, и ранее раскаленное газовое облако вновь стало относительно холодным.

Постепенно вокруг молодого Солнца в результате конденсации пылевидного вещества образовался широкий кольцеобразный диск, который в дальнейшем распался на холодные рои твердых частиц и газа. Из внутренних частей газопылевого диска начали образовываться планеты типа Земля, состоящие в основном из тугоплавких элементов, а из периферических частей диска – большие планеты, богатые легкими газами и летучими элементами. В самой же внешней зоне возникло огромное количество комет.

Так, приблизительно 5,5 миллиарда лет назад из холодного планетного вещества возникли первые планеты, в том числе и первичная Земля. В это время она была космическим телом, но еще не планетой, у нее не существовали ядро и мантия, и не было даже твердых поверхностных участков.

Образование Протоземли было чрезвычайно важной вехой – это было рождение Земли. В то время на Земле не протекали обычные, хорошо нам известные геологические процессы, поэтому этот период эволюции планеты называют догеологическим или астрономическим.

Протоземля представляла собой холодное скопление космического вещества. Под влиянием гравитационного уплотнения, нагревания от беспрерывных ударов космических тел (комет, метеоритов) и выделения тепла радиоактивными элементами поверхность Протоземли стала нагреваться. О величине разогрева среди ученых нет единого мнения. Так. по мнению советского ученого В. Фесенкова, вещество Протоземли нагрелось до 10 000 °C и вследствие этого перешло в расплавленное состояние. По предположению же других ученых температура едва достигла 1000 °C, а третьи отрицают даже саму возможность расплавления вещества.

Как бы там ни было, но разогрев Протоземли способствовал дифференциации се материала, которая продолжалась в течение всей последующей геологической истории.

Дифференциация вещества Протоземли привела к концентрации тяжелых элементов во внутренних ее областях, а на поверхности – более легких. Это, в свою очередь, предопределило дальнейшее разделение на ядро и мантию.

Земля не имела атмосферы сразу после образования. Это объясняется тем, что газы из протопланетного облака были потеряны на первых стадиях образования, поскольку тогда еще масса Земли не могла удержать легкие газы вблизи своей поверхности.

Образование ядра и мантии, а в дальнейшем и атмосферы завершило первую стадию развития Земли – догеологическую (астрономическую). Земля стала твердой планетой. С этого момента и начинается ее длительная геологическая эволюция, но это уже тема особого разговора.

Таким образом, 4–5 миллиардов лет назад на земной поверхности господствовали солнечный ветер, жаркие лучи Солнца и космический холод. Поверхность беспрерывно подвергалась бомбардировке космическими телами – от пылинок до астероидов…

 

СТРАННЫЕ ОСОБЕННОСТИ

И ЗАКОНОМЕРНОСТИ

 

 

ДРЕЙФ МАТЕРИКОВ

 

Длительное время в геологической науке господствовали идеи фиксизма, то есть было принято считать, что континенты и океаны возникли сотни миллионов лет назад и никогда не меняли своего положения. Лишь изредка, когда высота континентов существенно снижалась, а уровень Мирового океана повышался, море наступало на низменности и затапливало их. Это происходило благодаря медленным вертикальным перемещениям, что и создавало наземный и подводный рельефы.

Таким образом, с мыслью о том, что «земная твердь» находится в беспрестанном вертикальном движении, за счет которого формируется рельеф Земли, подавляющее большинство геологов были согласны. Часто эти движения имеют большую амплитуду и скорость, что иногда приводит к крупным катастрофам. Однако, как было установлено, имеются еще и очень медленные, не ощутимые даже самыми чувствительными приборами, вертикальные движения с переменным знаком. Это так называемые колебательные движения. Только за очень продолжительный промежуток времени обнаруживается, что горные вершины выросли на несколько сантиметров, а речные русла углубляются.

Проходят времена… И вот в конце XIX – начале XX века некоторые естествоиспытатели стали сомневаться в справедливости этих предположений. Они стали осторожно высказывать идеи о единстве материков в геологическом прошлом. Понятно, что такие ученые находились в весьма затруднительном положении, поскольку их предположения были бездоказательными. Действительно, если вертикальные колебания земной коры можно было объяснить какими‑то внутренними силами (например, воздействием земного тепла), то перемещение громадных континентов по земной поверхности сложно было представить.

В такой ситуации в начале XX века появилась смелая гипотеза немецкого геофизика А. Вегенера о… горизонтальном перемещении земных континентов. Нужно сказать, что вначале А. Вегенер достаточно успешно занимался метеорологией. Прочитав его труд «Термодинамика атмосферы», известный русский климатолог того времени A. Воейков произнес: «В метрологии взошла новая звезда!» Однако мировую славу и известность А. Вегенеру принесло не это научное направление.

Весной 1910 года он познакомился с известным в Германии метеорологом B. Кеппеном, сыном русского академика П. И. Кеппена. Беседы с этим ученым натолкнули молодого А. Вегенера на интересную мысль. Впоследствии он писал: «Впервые идея дрейфа континентов возникла у меня еще в 1910 году при рассмотрении карты Мира в связи с непосредственным впечатлением о совпадении очертаний береговых линий по обеим сторонам Атлантики. Однако я ей вначале не придал значения, считая невероятной. Осенью 1911 года в одном случайно попавшем мне сборнике докладов я познакомился с неизвестными мне до этого палеонтологическими данными о существовавшей ранее материковой связи между Бразилией и Африкой… Сразу же выявились такие важные факты, которые укрепили во мне веру в принципиальной правильности постановки вопроса». Все это послужило А. Вегенеру толчком к проведению более детального анализа имеющихся геологических и палеонтологических данных и привело к твердому убеждению о правильности его предположения.

Результатом исследований А. Вегенера явился его научный доклад о дрейфе материков, сделанный 6 января 1912 года на собрании Немецкого геологического общества во Франкфурте‑на‑Майне. Доклад подвергся жесткой критике. Немецкие геологи, сторонники фиксизма, буквально высмеяли А. Вегенера. После этого ученый стал подбирать новый фактический материал, обдумывая механизм дрейфа материков. Так рождалась новая научная концепция. А в конце 1915 года вышла в свет книга А. Вегенера «Возникновение материков и океанов», давшая путевку в жизнь новой версии – гипотезе дрейфа материков. В 1922 году работа была издана на русском языке в Германии. Начался триумф А. Вегенера.

Впрочем, преодолеть господство хорошо разработанной концепции о неизменности положения материков остроумным, но чисто умозрительным предположением мобилистов о дрейфе материков, основанном пока только на сходстве конфигураций противоположных берегов Атлантического океана, в первое время было сложно. А. Вегенер считал, что он сможет убедить всех своих оппонентов в том, что материки действительно дрейфуют, лишь тогда, когда будут собраны веские доказательства, основанные на обширном геологическом и палеонтологическом материале.

Для подтверждения дрейфа материков А. Вегенер и его сторонники приводили четыре группы независимых доказательств: геоморфологические, геологические, палеонтологические и палеоклиматические. Некоторые из них не утратили своей значимости и в наши дни. Ознакомимся с основными аргументами А. Вегенера.

Геофизические аргументы приводились, чтобы доказать сходство геологического строения структур, расположенных по разные стороны Атлантического океана и разделенных ныне многими тысячами километров. Используя геологическое описание горных хребтов юга Аргентины и Капских гор Южной Африки, А. Вегенер показал, что существует идентичное строение пластов горных пород этих очень отдаленных в настоящее время друг от друга геологических объектов. Одинаков у них и состав сравнительных пластов. Анализ гранитных массивов Бразилии и Африки также свидетельствует об их прежнем единстве.

Палеонтологические и биологические аргументы – это наиболее многочисленные факты. Прежде всего они касались общности некоторых вымерших рептилий и ископаемых ракообразных для упоминавшихся выше материков Южного полушария Земли. Много внимания уделил А. Вегенер сбору и систематизации данных о современном распространении организмов, характерных для южных континентов: червей, двустворчатых моллюсков и т. д. На основе этих данных А. Вегенер составил серию схем распространения ископаемых и современной фауны и флоры, подтверждавших единство континентов Южной Америки и Африки в прошлом.

Таким образом, автору гипотезы о дрейфе континентов удалось собрать воедино и заново осмыслить целый ряд разрозненных до того фактов. Это и позволило в конечном итоге А. Вегенеру прийти к выводу о том, что первоначально все континенты были собраны воедино в виде огромного материка Пангеи, который омывался водами единого для всей Земли океана. В дальнейшем, по мнению А. Вегенера, Пангея, сложенная гранитной корой, под влиянием сил вращения Земли на рубеже палеозойской и мезозойской эр (250–200 миллионов лет назад) раскололась на отдельные блоки – современные материки, которые как бы стали «плавать» по более плотным породам мантии.

 

 

 

_{Так представлял А. Вегенер этапы раскола Пангеи}

Однако эти образования двигались с различной скоростью, что и привело, по мнению А. Вегенера, к распаду суперматерика. Пангея стала распадаться на фрагменты, которые совершали дальнейшее движение по индивидуальным траекториям. Перед передним краем скользящих континентальных масс вещество сминалось в складки с образованием горно‑складчатых сооружений, а в тыловой части возникали впадины и прогибы.

Понятно, что в гипотезе дрейфа материков было много недосказанного и неподтвержденного: не было зафиксировано перемещение континентальных масс, не установлены причины дрейфа и основные перемещающие силы.

В связи с этим в 1930 году А. Вегенер в очередной раз отправился в Гренландию с надеждой найти там доказательство своей гипотезы. В частности, он рассчитывал повторно измерить координаты острова. Если оказалось бы, что они изменились после ранее выполненных замеров, то он был бы прав. К сожалению, это была последняя экспедиция ученого. 1 ноября 1930 года в день своего пятидесятилетия А. Вегенер погиб в одном из маршрутов.

Нужно сказать, что противники А. Вегенера были очень активны, напористы и умело использовали все слабые стороны его гипотезы, поэтому вслед за стремительным успехом довольно скоро для нее наступил кризис. В конце 20‑х годов нашего века некоторые геофизики стали называть гипотезу ученого «дикой фантазией». Они выявили много противоречий в цепи логических доказательств перемещения материков. Это позволило им доказывать несостоятельность способа и причин дрейфа материков, в связи с чем к началу 40‑х годов гипотеза А. Вегенера растеряла почти всех своих сторонников. Более того, к 50‑м годам XX века большинству геологов казалось, что гипотеза движения континентов должна быть окончательно «отброшена» и ее можно рассматривать только как один из исторических парадоксов науки, не получивших подтверждения и не выдержавших проверку временем.

Однако через сорок лет после этого на Токийской объединенной океанографической ассамблее большинство ведущих геологов и геофизиков вновь решительно заступились за идею А. Вегенера. Этому в немалой степени способствовали следующие обстоятельства…

С середины XX века ученые приступили к интенсивному исследованию рельефа и геологии океанического дна, а также физики, химии и биологии океанических вод. Морское дно стали прощупывать многочисленными приборами. Расшифровывая записи сейсмографов и магнитометров, геофизики получали новые факты. Было установлено, что многие горные породы в процессе своего образования приобретали намагниченность в направлении существовавшего в данный момент времени геомагнитного поля. В большинстве практических случаев эта остаточная намагниченность сохраняется без изменения многие миллионы лет.

 

 

 

_{Наиболее крупные литосферные плиты Земли}

Изучение остаточной намагниченности горных пород привело к двум фундаментальным открытиям. Во‑первых, было установлено, что в течение длительной истории Земли намагниченность менялась многократно – от нормальной, т. е. соответствующей современной, до обратной. Во‑вторых, при изучении колонок грунта (лав), залегающих по обе стороны от срединно‑океанических хребтов, была обнаружена определенная симметрия. Это явление получило название полосовой магнитной аномалии. Симметричные по отношению к хребтам аномалии, как выяснилось, имеют один и тот же возраст, который увеличивается при приближении к материкам. Можно сказать, что полосовые магнитные аномалии представляют собой как бы «записи» инверсий, т. е. изменений в прошлом направления магнитного поля Земли.

Это обстоятельство позволило сделать предположение, которое многократно подтвердилось впоследствии, что частично расплавленное мантийное вещество поднимается на поверхность по трещинам и через рифтовые долины, расположенные в осевой части того или иного срединно‑океанического хребта. Оно растекается в противоположные стороны от оси хребта и при этом как бы растрескивает, раскрывает океаническое дно. Полосовые магнитные аномалии океанического дна оказались наиболее удобной информацией для восстановления эпох изменения полярности геомагнитного поля в далекие прошедшие времена.

Одним из важных феноменов палеомагнитных исследований была несовместимость положения древних и современных магнитных полюсов. При попытке совместить их каждый раз требовалось «передвигать» континенты. Примечательно и то, что при «совмещении» позднепалеозойских и раннемезозойских магнитных полюсов с современными континенты «сдвигались» в один огромный материк, очень похожий на Пангею.

Подводя итоги сказанному, можно уверенно констатировать, что открытие первичной намагниченности, полюсов магнитных аномалий с переменным знаком, симметричных осям срединноокеанических хребтов, изменения положений магнитных полюсов со временем и целый ряд других открытий привели к возрождению гипотезы А. Вегенера.

Возрожденная гипотеза дрейфа материков получила со временем название ТЕКТОНИКИ ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ. Толщина литосферных плит меняется от 100 до 120 километров, хотя чаще составляет 80–90 километров. Общее количество таких плит невелико: восемь крупных и около полутора десятков мелких (микроплиты). Две крупные плиты расположены в пределах Тихого океана и представлены тонкой и легко проницаемой океанической корой. Другие громадные плиты: Антарктическая, Индо‑Австралийская, Африканская, Северо‑Американская, Южно‑Американская и Евразийская – обладают корой континентального типа.

 

 

 

_{Дно океана раздвигается. Механизмы этого движения – конвективные потоки в мантии Земли}

В тех случаях, когда плиты расходятся, в образующуюся трещину (рифтовую зону) поступает мантийное вещество. Оно застывает на поверхности океанического дна и наращивает соответствующую кору. Новые «порции» мантийного вещества расширяют рифтовую зону, что заставляет литосферные плиты двигаться. На месте их раздвига образуется океан, размеры которого постоянно увеличиваются.

Когда литосферные плиты сходятся, то в зоне их сближения происходят очень сложные процессы, из которых можно выделить два главных. В первом случае, когда океаническая плита сталкивается с другой океанической или континентальной, она погружается в мантию. Процесс этот сопровождается короблением и разламыванием, а в самой зоне погружения возникают глубинные землетрясения. Во втором случае, когда сталкиваются две континентальные плиты, возникает эффект типа торошения. Он, как известно, наблюдается во время речного ледохода, когда льдины сталкиваются и раздрабливаются, надвигаясь друг на друга. Поскольку земная кора континентов значительно легче, чем мантия, то плиты не погружаются в мантию. При столкновении они сжимаются, и на их краях возникают крупные горные образования.

Многолетние наблюдения позволили ученым установить средние скорости перемещения литосферных плит. Так, например, в пределах Альпийско‑Гималайского пояса сжатия, который образовался в результате столкновения Африканской и Индостанской плит с Евразийской, скорости сближения составляют от 0,5 см/год (в районе Гибралтара) до 6 см/год (на Памире и в Гималаях). Оказывается, что в настоящее время Европа «отплывает» от Северной Америки со скоростью до 5 см/год, в то время как Австралия «уходит» от Антарктиды с максимальной скоростью, составляющей около 14 см/год. Однако наиболее «высокими» скоростями перемещения обладают океанические литосферные плиты, поскольку их скорость в 3–7 раз выше скорости континентальных литосферных плит.

Таким образом, за короткое время своего существования (с конца 60‑х годов) теория тектоники литосферных плит, провозглашенная «новой глобальной тектоникой», сумела объяснить природу практически всех основных процессов, развивающихся в Земле, включая образование океанической и континентальной коры, дрейф материков, природу магматизма, происхождение складчатости и горных поясов Земли, формирование рифтовых зон, краевых (предгорных) прогибов, динамику зон растяжения (спрединга) литосферных плит и целого ряда других процессов.

В настоящее время теория тектоники литосферных плит стала наиболее общей геологической теорией глобальной эволюции нашей планеты.