Тема 5.2. Геологическая эволюция

O Основные понятия

Земля как планета, ее отличия от других планет земной группы

Химический состав Земли

Магнитное поле Земли, его структура и роль для жизни на планете

Внутреннее строение Земли (ядро внутреннее и внешнее, мантия, земная кора), методы

исследования (сейсморазведка)

Формирование прото-Земли из планетезималей, её гравитационное сжатие, разогрев и начало дифференциации.

Эволюция земной коры: тектоника литосферных плит, её движущие силы

Возраст Земли, методы его оценки (радиометрия земных горных пород и метеоритов)

Возникновение океанов и атмосферы

Атмосфера Земли, ее структура (тропосфера, стратосфера, ионосфера) и химический состав

& Краткое содержание

Науки, изучающие нашу планету (геология, тектоника, климатология, гидрология и т.д.), объединяются в раздел естествознания, называемый землеведением.

Диаметр Земли составляет примерно 12742 км. Нельзя сказать, что Земля – идеальный шар. Она сплюснута с полюсов (причем с юга сильнее) и не вполне шарообразна, эту фигуру называют геоидом. Подсчет колец роста на ископаемых кораллах показывает, что около 400 млн. лет назад в палеозойской эре в году было 400 суток, то есть сутки длились 22 часа. Это говорит о том, что Земля вращалась быстрее, а значит, возможно, ее радиус был меньше, ибо момент количества движения сохраняется. Правда изменению скорости вращения есть и иное объяснение: тормозящее влияние Луны, вызывающей приливную волну не только в океане, но и в твердых телах.

Планета наша представляет собой несколько вложенных друг в друга и при этом взаимопроникающих сфер – атмосферу, магнитосферу, гидросферу, криосферу, биосферу, литосферу, мантию, ядро. Часть из этих геосфер образует географическую оболочку.

Географическая оболочка Земли – это природный комплекс, возникающий в слое взаимодействия и взаимопроникновения литосферы, гидросферы и атмосферы и сформировавшийся под воздействием солнечной энергии и органической жизни, в пределах которого возникло и развивается человечество.

Строение твердой части планеты:

В центре находится ядро, состоящее из железа и радиоактивных элементов. Несмотря на температуру в +4200⁰С, ввиду огромного давления сердцевина с радиусом 1300 км твердая. Его обволакивает жидкий слой толщиной 2200 км. Движение токопроводящего материала в жидком слое ядра создает магнитное поле Земли - магнитосферу. Между ядром и земной корой находится мантия - обогащенные железом породы. В этом слое давление высокое, но температура недостаточно высока для того, чтобы вещество расплавилось, поэтому мантия – чрезвычайно вязкая и пластичная, это не жидкость, а скорее – «каменное желе», «пластилин», способные двигаться. Мантия покрыта тонкой твердой земной корой (литосферой). Под океанами кора имеет толщину всего несколько километров, под континентами - около 30-40 км, под горными массивами - до 70-80 км. Недра Земли пока столь же недоступны для прямого изучения, как далекие звезды и галактики. Сверхглубокая скважина, бурение которой продолжается и сейчас на Кольском полуострове, преодолела лишь двенадцатикилометровый рубеж глубины. Мантия имеет плотность 3,3 г/см³, континентальная кора 2,77 г/см³, океаническая кора 2,9 г/см³.

Породы ничтожно тонкой по сравнению с размерами планеты земной коры делятся на три класса, имеющие различное происхождение:

· магматические или кристаллические породы появились на поверхности в результате застывания расплавленной магмы в глубине Земли и при излиянии на поверхность (гранит, базальт, габбро, туф, липарит и др.);

· осадочные породы появились в процессе накопления органических и обломочных осадков на дне морей океанов (мел, известняк, доломит, трепел, песок и др.);

· метаморфические породы на протяжении геологической истории Земли подверглись воздействию высоких температур и давлений и изменили свою кристаллическую структуру. Так, например, известняк превращается в мрамор, песчаник в кварцит.

В последние 30 лет всеобщее признание получила концепция тектонических литосферных плит, согласно которой в течение всего мезозоя и кайнозоя материки перемещались по поверхности планеты. Рассмотрев карту мира как разрезную картинку, можно заметить, что в целом ряде случаев - Южная Америка и Африка, Антарктида, Австралия и Индостан – границы материков (по материковому шельфу, а не по современному побережью!) хорошо совмещаются. Это обстоятельство было отмечено давно, но лишь в 1912 году немецкий метеоролог и геолог Альфред Вегенер (1880-1930) сделал обоснованное предположение о существовании единого праконтинента, его расколе и последующем движении образовавшихся континентов. Понадобилось более полувека, чтобы эта теория получила признание специалистов. Доказательства концепции Вегенера:

1) Руководящие ископаемые

Наиболее достоверным способом датировки и географической привязки пород является метод руководящих ископаемых – анализ останков древней фауны. Если один и тот же вид животных или растений встречается в различных точках Земли, то можно полагать, что соответствующие осадочные породы образовались в одно и то же время. В различных регионах распространение получали различные виды руководящих ископаемых. Оказалось, что в точках совмещения границ разных материков имеются одинаковые руководящие ископаемые. Практический результат дал основанный на этом поиск одинаковых полезных ископаемых в соответствующих стыковых точках: например, в точках Южной Америки, соответствующих Африканским месторождениям в Намибии и ЮАР нашли алмазы. В обеих точках оказались распространенными так называемые алмазоносные кимберлитовые трубки – результат древнего вулканизма.

2) Палеомагнетизм

При повышении температуры до определенного значения, названного температурой Кюри, вещество теряет свои магнитные свойства, а при понижении температуры вновь намагничивается, если находится в магнитном поле. Когда раскаленная магма изливается на поверхность и начинает остывать, её возникающая намагниченность определяется магнитным полем Земли и ориентирована на магнитные полюса. При анализе намагниченности горных пород было установлено, что направление на магнитные полюса существенно менялось на протяжении истории Земли, что позволяет узнать траекторию дрейфа магнитного полюса. Получается некоторая кривая, один из концов которой совпадает с современным магнитным полюсом. Построив такие кривые по геологическим данным Европы и Северной Америки, можно обнаружить, что отчасти они не совпадают, а отчасти весьма похожи. Если допустить, что Северная Америка и Европа некогда составляли единое целое, то полученные траектории дрейфа магнитного полюса находят объяснение.

3) Биогеография

Существование в прошлом сухопутной связи между разными континентами привело к распространению одинаковых животных на территориях, впоследствии разделенных водными пространствами. При этом на каждом из образовавшихся континентов эволюция шла по-разному. Так, сумчатые, первоначально заселявшие Южную Америку, успели перейти через Антарктиду в Австралию и Азию по сухопутному мосту. В Австралии, и отчасти в Южной Америке они уцелели, а в Азии были полностью вытеснены в результате конкуренции с более прогрессивными плацентарными млекопитающими.

В 1950-х гг. началось изучение Атлантического рифта – протянувшийся почти по меридиану от Арктики до Антарктиды узкого горного хребта на дне Атлантического океана. Его ось – провал с крутыми возвышениями по сторонам, части которых иногда даже достигают поверхности океана в виде островов. Рифт – зона повышенной вулканической и тектонической активности. Поскольку магнитные полюса Земли на протяжении ее истории неоднократно менялись местами (геомагнитные инверсии), вдоль склонов срединно-океанического хребта идут полосы шириной примерно по 20-30 км, в которых намагниченность поочередно направлена в противоположные стороны. Это свидетельство того, что земная кора вдоль рифта долгое время раздвигалась. Точные спутниковые измерения показывают, что Северная Атлантика расширяется примерно на 1 см в год, а восточная часть Тихого океана на целых 5 см в год. Помимо рифтовых возвышений существуют и океанические впадины-желоба, как правило, расположенные вдоль побережья. Здесь океаническая кора, двигаясь, уходит под континентальную. В процессе такого движения временами возникают значительные механические напряжения, сброс которых (при проскальзывании плит) и приводит к землетрясениям. Самая глубокая и самая известная – Марианская впадина в юго-западной части Тихого океана (11125 м). Если нанести на карту все такие впадины и отметить зоны сейсмической активности океанического дна, то первые и вторые полностью совпадут, причем эпицентры землетрясений будут располагаться на глубинах от нескольких километров до нескольких десятков километров. Эти значения соответствуют толщине океанической и материковой земной коры. На суше результатом столкновения литосферных плит, напротив, являются горные хребты. Например, полуостров Индостан, столкнувшись с Азией вздыбил Гималаи с самой высокой вершиной – Эверестом (8848 м).

Палеогеографические реконструкции позволяют восстановить следующую картину эволюции лика Земли. В палеозое, 300 млн. лет назад все материки были соединены в единый массив, названный палеогеографами Пангеей. Их окружал единый океан Панталлас. В середине мезозоя (200 млн. лет назад) на Земле существовало уже два материка: Гондвана и Лавразия. Гондвана состояла из будущих Африки, Южной Америки, Индостана, Австралии и Антарктиды. Лавразия – из Северной Америки, Лабрадора и Европы. Между Гондваной и Лавразией располагался океан Тетис. Примерно 200-160 млн. лет назад активизация тектонической и вулканической деятельности привела к образованию разломов. Лавразия и Гондвана раскололись. Двигающиеся на север Африка и Индия сомкнулись с двигающейся на юг Евразией, Тетис почти исчез (его остатки – Средиземное и Черное моря), и возникла Альпийско-Кавказско-Гималайская цепь молодых и очень высоких гор. Имеются указания и на то, что помимо раздвиганий и разворотов Пангея, а затем Гондвана и Лавразия смещались и в целом. Анализ остатков флоры в геологических отложениях показывает, что области суши, которые теперь находятся в экваториальных областях, раньше были приполярными, а экватор пересекал Лавразию. Прогноз на ближайшие 50 млн. лет говорит, что Африка будет разорвана, часть ее к востоку от рифта отойдет к Мадагаскару. Точно так же оторвется от континента и станет островом Калифорния. Заметно увеличатся Красное море и Байкал – это будущие океаны. А вот Средиземное и Черное моря практически исчезнут под нажимом плывущей на север Африки, горы Атлас и Альпы сольются. Австралия, сметя, словно бульдозер, всю Индонезию и Новую Гвинею, врежется, вслед за Индией в Азиатский континент, став экваториальной территорией.

Что является движущей силой «плавающих материков»? Как показывают данные термодинамических и сейсмических измерений, внутри мантии существуют вариации температуры и плотности, в результате чего происходит циркуляция вещества: горячий и менее плотный материал поднимается вверх, охлаждается и, с увеличением плотности, опускается в глубину. Достаточно малого перепада температур, чтобы пластичная мантия пришла в медленное движение и заставила перемещаться блоки литосферы. Пластичный слой мантии называется астеносферой, а зона его контакта с земной корой – поверхностью Мохоровичича (или коротко – зоной Мохо).

Теория тектонических литосферных плит существенно изменила мировоззрение и представления об эволюции нашей планеты. Она имеет также и практические аспекты. Мы стали лучше понимать природу землетрясений и получили возможность улучшить их прогнозирование. Зная линии разломов земной коры, вдоль которых происходит смещение плит, можно наблюдать за этим смещением. Если оно замедляется или останавливается, это указывает на вероятность приближения сейсмического толчка или серии таких толчков. Теория литосферных плит сделала более понятным распределение полезных ископаемых.

Гидросфера – водная оболочка – покрывает 71% поверхности планеты и включает в себя Мировой Океан, моря, озера, реки и подземные воды. Вода, Н₂О – сильнейший, почти универсальный, растворитель: в тонне океанической воды содержится 35 кг различных солей. Ее не случайно называют самым удивительным веществом в мире. Одним из замечательных ее свойств является то, что в отличие от большинства известных веществ ее твердая фаза (лед) имеет при температуре замерзания плотность меньшую, чем жидкая вода. Поэтому замерзание водоемов начинается сверху, где зимой температура атмосферы понижается, а не со дна, и в глубине сохраняются условия, благоприятные для жизни. Значительная часть воды содержится в криосфере – льдах Арктики и Антарктики и занимающей огромные пространства зоне вечной мерзлоты. В древности лед и пыль образовывали северный ледовитый материк – Арктиду, остатками которого являются Новосибирские острова и побережье моря Лаптевых.

Атмосфера – газовая оболочка Земли существенно отличается от атмосфер других планет Солнечной системы. Первоначально она, вероятно, состояла из водорода, водяных паров, углекислого газа, метана, аммиака и небольших количеств гелия и неона. Атмосферы Венеры и Марса почти полностью состоят из углекислого газа. На Земле же углекислота была удалена химическими реакциями с горными породами при участии жидкой воды, а, впоследствии, и фотосинтезом растений. Современная атмосфера состоит из азота (около 80%) и кислорода (около 20%). По мнению большинства ученых, если бы на Земле вдруг полностью исчезла жизнь, кислород бы очень быстро исчез из атмосферы, вступив в реакцию с другими веществами (получилась бы атмосфера, напоминающая атмосферу Титана – спутника Сатурна). Другие считают, что достаточное количество кислорода способно образоваться абиотическим (безжизненным) путем в результате фотолиза.

Атмосфера подразделяется на несколько уровней – приземную тропосферу с интенсивным вертикальным и горизонтальным движением воздуха, стратосферу с озоновым слоем, мезосферу с плавающими в ней загадочными серебристыми облаками, ионосферу с полярными сияниями и гелий-водородную разреженную экзосферу. Большинство современных авиалайнеров совершают перелеты на границе тропосферы и стратосферы, в так называемой тропопаузе. Орбиты большинства околоземных пилотируемых космических аппаратов лежат в пределах ионосферы. Совокупность движений воздуха тропосферы образует атмосферную циркуляцию. Наблюдается широтное чередование сезонно смещающихся зон высокого и низкого давления и отрывающиеся от них атмосферные вихри, связанные с областями низкого и высокого давления называются, соответственно, циклонами и антициклонами. Иногда в земной атмосфере возникают особенно мощные циклонические вихри – тайфуны или ураганы. Суммарная энергия урагана обычно равна энергии нескольких десятков и даже сотен атомных бомб. В целом энергетика атмосферных процессов на несколько порядков превышает энерговооруженность человечества.

 

Сложное взаимодействие трех геосфер – атмосферы, литосферы и гидросферы (возможно и при неких дополнительных внешних воздействиях), привело в глубокой древности к формированию новой геосферы – биосферы, сферы жизни. Ее составляющей является и та часть материи, которая пытается познать строение Земли и Вселенной и определить свое место в ней – люди.

Биогеосфера – единственная из оболочек Земли, где возможны постоянное нахождение и нормальная всесторонняя деятельность человека, из которой человечество черпает почти все необходимые ему ресурсы: воду, кислород, топливо, продовольствие, сырьё для промышленности, строительства и др. и которая в свою очередь испытывает со стороны человечества непрерывно растущие разнообразные и глубокие воздействия