Геологическая эволюиия

Прежде чем переходить к обсуждению геологической эволюции Зем­ли, вспомним ее современное строение. Под верхним, тонким и твер­дым слоем земной коры находится мантия, свойства которой можно охарактеризовать как свойства невероятно вязкой жидкости — на­столько вязкой, что если бы нам удалось зачерпнуть немного вещест­ва мантии в банку, то вылить его из банки, наклонив ее, не удалось бы и за тысячу лет. Таким образом, с точки зрения человека, живу­щего всего несколько десятков лет, мантия находится в твердом со­стоянии. Однако если мыслить геологическими периодами длитель­ностью в миллионы лет, мантия состоит из весьма текучего вещества. Ниже мантии находится внешнее ядро, обладающее свойствами обыч­ной жидкости, а в самом центре Земли — твердое внутреннее ядро. Чем глубже от поверхности, тем выше температура. В центре плане­ты она достигает 6500 °С.

220 Глава 5. Естественная история природы и человека

5.3. Геологическая эволюция 221

5.3.1. Возраст Земли

Вплоть до конца XVIII в. преобладали основанные на Библии npej ставления, согласно которым мир был сотворен всего несколько тгё сяч лет назад. Поэтому Ч. Лайелю (п. 4.2) потребовалось незаурядна мужество, чтобы заявить, что образование известных геологически слоев должно было занять несравненно более длительный отрезе времени. Но насколько более длительный — оставалось неизвестны] И все же, как это ни странно, уже к середине XIX в. большинство \ логов считали, что Земля существовала либо вечно, либо в течень столь длительного времени, которое никакими практическими сре| ствами нельзя отличить от вечности.

В 1860 г. выдающийся английский физик Уильям Томсон, впосле^ ствии лорд Кельвин, сломал ногу и был вынужден провести нескол^ ко месяцев в постели. За это время он прочитал недавно вышедшу! модную книгу, которая называлась «Происхождение видов». XolJ дарвиновской эволюционной концепции он так и не принял, книи навела его на мысль, что время существования Солнца и Земли, тре буемое теорией Дарвина, должно быть очень велико — но все же по сколько велико? Размышляя об этой проблеме^ он придумал спосс физической оценки возраста Земли. Способ основывался на предпе ложении, что наша планета образовалась в горячем состоянии с тем пературой около 1000 "С. Рассчитав, сколь долго должен остыват шар таких размеров с учетом его подогрева излучением Солнца приливным трением, Кельвин пришел к выводу, что Земля образова лась приблизительно 25 млн лет назад.

Эта оценка не удовлетворила геологов и биологов-эволюциош стов, которые полагали, что для возникновения сложных организмов требовалось еще больше времени — и намного больше. Однако убе'1 дительных контраргументов они не находили вплоть до 1899 г., когда ирландский геолог Дж. Джоли обратил внимание на то, что образова! ние соленых океанов должно было занять не менее 100 млн лет. Ег£ идея была очень проста: океаны солоны из-за химических соединение которые приносятся в них реками¹. Взяв известную концентраций

Джоли был прав в том, что реки постоянно выносят в море растворимые соединения вымываемые ими из пород, слагающих речные русла. Такова природа солености бе сточных озер, например Каспийского моря. Однако Мировой океан, по современны»! представлениям, был соленым изначально, поскольку сконденсировался из первич ной атмосферы Земли, содержавшей изрядное количество хлористого водородЦ окислов серы и других веществ, которые, реагируя с породами морского дна, дава! ли нейтральные растворы солей. (См., например: Вронский В. А., Войткевич Г.,

солей натрия в морской воде и разделив ее на годовое поступление этих солей со стоком всех рек Земли, Джоли получил свою оценку.

Окончательную ясность в вопрос о возрасте Земли внес уже XX в. В 1896 г. А. Беккерель открыл явление радиоактивности — самопро­извольного распада некоторых атомных ядер, — а в 1903 г. П. Кюри и Э. Резерфорд обнаружили, что радиоактивный распад атомных ядер сопровождается выделением тепла (благодаря чему работают современные АЭС). Но если Земля содержит радиоактивные эле­менты (а это так), то это означает существование у нее внутреннего источника тепла. Кельвин этого важного фактора в своих расчетах учесть, естественно, не мог. В 1904 г. Резерфорд показал, что внутрен­ний радиоактивный подогрев мог удлинить время остывания Земли до миллиардов лет. Однако для получения точного результата требо­валось точно знать, сколько и каких радиоактивных элементов со­держит в себе наша планета, а эти данные и сейчас носят весьма при­близительный характер.

В дальнейшем Резерфорд создал более точные способы датиров­ки горных пород, основанные на анализе радиоактивных превраще­ний. Совокупность таких способов образует сейчас целую научную дисциплину — радиометрию. Главную идею, лежащую в основе ра­диометрии, можно пояснить следующим примером.

Один из изотопов калия, широко распространенного на Земле эле­мента, К⁴⁰, распадаясь, превращается в аргон Аг⁴⁰. Скорость процесса хорошо известна: спустя 1,3 млрд лет от исходных ядер калия остает­ся ровно половина. Аргон — газ, и дальнейшая судьба его зависит от состояния породы. Если она расплавлена, то аргон выделяется из нее при извержениях. Однако после затвердевания породы атомы аргона остаются связанными в ней. Чем больше времени проходит с момен­та затвердевания, тем больше накапливается аргона. Анализ содер­жания аргона-40 и калия-40 в породе позволяет судить о ее возрасте.

Аргон является третьей после азота (78%) и кислорода (21%) со­ставляющей воздуха, которым мы дышим (около 1%). О радиоактив­ном происхождении атмосферного аргона говорит тот факт, что его атомная масса составляет 40 единиц, в то время как в космосе наибо­лее распространен изотоп аргона с атомной массой 36. Большое со­держание радиогенного (не радиоактивного!) аргона-40 в атмосфере — еще одно свидетельство почтенного возраста нашей планеты.

Основы палеогеографии. Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. Об эксплуатации ошибки Джоли «научными креационистами» см.: Еськов К. Ю. Применять с осторожностью, беречь от детей! // Человек. 2000. № 1. С. 176-183.)

222 Глава 5. Естественная история природы и человека

5.3. Геологическая эволюция 223

Сам Резерфорд исследовал геологические образцы, возраст к| торых достигал 2 млрд лет. В настоящее время известны породы Северной Канады (гнейсы Акаста) и Западной Австралии (циркон* Маунт-Наррьер) возрастом от 4 млрд до 4 млрд 200 млн лет. Это г<{ ворит о том, что уже в те далекие времена Земля имела твердые; стки поверхности, сохранившиеся до наших дней.

Современная же оценка времени формирования самой Земли, п! лученная путем сравнения изотопного состава земных пород, с соста вом метеоритов — фрагментов того вещества, из которого когда-сформировалась Земля, но которые никогда не претерпевали пере плавку, — составляет 4,6 млрд лет.

5.3.2. Дифференциация Земли

Образовавшиеся планеты, поначалу рыхлые, сжимались под дейс| вием собственной силы тяжести. При этом внутренние их слои разе гревались и расплавлялись. Основной вклад в первоначальное нагре вание внутренних слоев внес распад радиоактивных элементе^ которыми, как свидетельствует изотопный состав метеоритов, пер вичная туманность была весьма богата.

В составе Земли, как и других планет земной группы, весьма многа железа, как чистого, так и в соединениях. Обладая значительно боли] шей плотностью, чем остальные минералы, расплавленное желе опускалось к центру планеты. При этом его потенциальная энерг превращалась в тепловую, которой, по оценкам, было достаточно дл| нагрева всего земного шара до 2000 К. Таким образом, в истории 3esf ли был этап, когда вся она находилась в расплавленном состоянии Единственное исключение представляет внутреннее ядро. Оно нах| дится под столь высоким давлением вышележащих слоев, что остае! ся твердым даже при температурах в несколько тысяч градусов.

Изложенная картина расслоения Земли на железное ядро и d ликатную мантию основана на модели гомогенной аккумуляции, в к<[ торой считается, что первоначально наша планета была химическ! однородной по всему объему. По-видимому, более точной являете модель гетерогенной аккумуляции, в которой расслоение возникай уже на этапе формирования протопланеты. В этой модели считаете! что образование планет шло полным ходом, когда первичная газова| туманность была еще достаточно горячей.

Вначале из газовой фазы начали конденсироваться и слипать друг с другом твердые частички наиболее тугоплавкого компонента^

железоникелевой смеси (температура затвердевания 1620-1790 К). Слипание железоникелевых капель друг с другом при соударениях облегчалось хорошей пластичностью, присущей металлам. Это долж­но было привести к образованию железного ядра Земли уже на ран­них стадиях ее формирования. Когда температура туманности опус­тилась до 1400-1600 К, началась конденсация магнийсодержащих силикатов (MgSiO₃ и Mg₂Si0₄), частички которых оседали на гото­вое ядро планеты. При этом продолжались конденсация и слипание железосодержащих частиц (например FeS), происходившие тем бо­лее эффективно, что эти частицы могли намагничиваться в магнит­ном поле Солнца. Поэтому первичная мантия Земли содержала как силикаты, так и соединения железа, что предполагает возможность дальнейшего расслоения.

Как и в модели гомогенной аккумуляции, дальнейшая эволюция Земли связана с ее нагревом и полным или частичным расплавлени­ем благодаря гравитационному сжатию, распаду радиоактивных изо­топов и ударам падающих частиц. Это неизбежно должно было при­вести к дифференциации вещества планеты на тяжелое ядро и более легкие вышележащие слои.

Процесс дифференциации не завершился и в наши дни. Он являет­ся основной движущей силой геотектонической активности планеты.

5.3.3. Геотектоника

В 1912 г. метеоролог А. Вегенер на собрании Немецкого геологиче­ского общества сделал доклад, в котором доказывал, что движение земной коры не сводится к вертикальным смещениям и местным сжатиям, поднимающим горы. Нет, считал Вегенер, на протяжении истории Земли континенты перемещались по всей ее поверхности, дробились на фрагменты и объединялись вновь... Немецкие геологи, убежденные в том, что самым существенным изменением нашей пла­неты со времени ее образования было небольшое уменьшение раз­меров (контракция), обусловленное остыванием Земли и сопровож­давшееся «сморщиванием» земной коры, подвергли доклад жесткой критике. Ответом на нее стала книга «Происхождение континентов и океанов», вышедшая в 1915 г. и содержавшая целый комплекс геоде­зических, геологических и биологических аргументов в пользу кон­цепции мобилизма (подвижности материков). Так, Вегенер обращал внимание на то, что точные геодезические измерения свидетельство­вали об изменении географических координат Гренландии, Европы,

224 Глава 5. Естественная история природы и человека

5.3. Геологическая эволюция 225

Мадагаскара и в современную эпоху. Он указывал на сходство, есх не совпадение, геологического строения Африки и Южной Америк а также на общность ископаемой фауны (животного мира) этих разделенных материков. Вегенер показал, что палеонтологически данные свидетельствуют о значительном отличии климата прошей ших геологических эпох от современного. Например, в южной Ш| дии были обнаружены следы оледенения возрастом около 250 mi лет. Он объяснил это тем, что, дрейфуя по поверхности Земли, мат рики проходили разные климатические пояса.

Уточненная концепция Вегенера была встречена геологами благ желательно. Однако она имела большой недостаток по сравнени» например, с дарвиновской теорией: она не предлагала реального мё ханизма, который обеспечивал бы столь интенсивную эволюцию об лика планеты. Поэтому начиная с 1920-х гг. она постепенно отодви! нулась на задний план и стала считаться скорее романтической фак тазией, чем серьезной научной гипотезой.

Начиная с 1960-х гг. концепция мобилизма переживает свое втс рое рождение. Были наконец получены прямые доказательства тог< что материки движутся, и весьма быстро. Точные измерения, в то)| числе выполненные со специально запущенного спутника LAGEO5 показали, что Австралия удаляется от Антарктиды на 7 сантиметро| в год, Южная Америка от Африки — на 4, Северная Америка от Евро* пы — на 2. Эти цифры кажутся ничтожно малыми, но, будучи ум не жены на миллиарды лет геологической истории, они превращаются! десятки тысяч километров и становятся сравнимыми с окружносты* Земли.

Но самое главное заключается даже не в установленном факН движения материков, а в том, что в общих чертах был выяснен гео\ тектонический механизм, обеспечивающий их подвижность. Этот ме ханизм естественным путем превратил Землю в сложную динамиче скую (т. е. существующую в движении) упорядоченную структуру еще один пример широкомасштабного эволюционного процесса. ■

В основе работы геотектонического механизма лежит продолжа ющийся процесс дифференциации вещества Земли. На границе ме>; ду мантией и ядром за счет высокой температуры происходят xhmi ческие процессы, похожие на те, что человек использует в металлург] ческих печах: из соединений железа восстанавливается чистое железе Тяжелое железо тонет, а более легкий «шлак», образующийся в те| же реакциях, всплывает вверх, к земной коре. Возникает конвекцщ (п. 4.8.1.1). При этом восходящие потоки более легкого и нагрето!

вещества должны компенсироваться нисходящими потоками более тяжелого и холодного, которое заполняет освобождающееся внизу место.

Восходящие и нисходящие потоки в мантии пространственно раз­делены. Поэтому у верхней ее границы, под земной корой, возникают горизонтальные потоки, направленные от точек выхода восходящих движений к зонам опускания вещества. Вот на этих-то горизонталь­ных потоках скользят плиты, на которых расположены материки Земли, подобно льдинам, увлекаемым течением реки.

Всю мантию можно представлять себе toK систему конвективных ячеек (п. 4.8.1.1), в каждой из которых вдоль одной стенки вещество поднимается из недр и течет вдоль поверхности к другой стенке. Там оно опускается вниз и вновь возвращается к первой стенке. Таким образом, движение вещества в земных недрах упорядочено в про­странстве, и упорядоченность эта возникла естественным путем.

Как показывают уравнения физики, размеры конвективных ячеек должны быть сравнимы с толщиной мантии. Но отсюда вытекает, что существовали они не всегда, ибо расслоение Земли на ядро, мантию и т. д. заняло какое-то время после формирования нашей планеты. По расчетам геофизиков, интенсивность конвективных потоков в мантии стала достаточной, чтобы разломать первичную земную кору на отдельные плиты, когда Земле исполнился почти миллиард лет. И последующая геологическая история Земли отражает конвектив­ные движения в мантии, которые, как выясняется, обладают доста­точно строгой периодичностью. Вновь мы сталкиваемся с самопро­извольным, естественным возникновением упорядоченности из пер­воначально однородного неупорядоченного состояния!

Итак, земная твердь оказалась вовсе не твердью, а скорее льди­ной, которая носится по воле волн, тает с одного края и растет с дру­гого, — в общем, чем-то_ч подвижным и изменчивым.

5.3.4. Возникновение океана и атмосферы

Все основные составляющие Мирового океана и первичной атмосфе­ры Земли возникли в результате химической дифференциации ее недр. Переплавка в недрах Земли восстанавливала из минералов мо­лекулярную воду, с продуктами вулканических извержений посту­павшую в атмосферу. Анализ вулканических газов дает основания утверждать, что первичная атмосфера планеты кардинально отлича­лась от современной и состояла из водорода, метана, аммиака и водя-

Зак. 1033

226 Глава 5. Естественная история природы и человека

5.4. Специфика биологического этапа естественной истории 227

ного пара. Эта точка зрения впервые была высказана А. И. Опа ным в 20-х гг. XX в. и получила подтверждение в теории формирс ния Земли, опубликованной в 1952 г. нобелевским лауреатом Г. К. Ю| При остывании планеты водяные пары конденсировались, обрад мощную гидросферу Земли. Однако дальнейшую эволюцию ата сферы и океана невозможно понять, не принимая во внимание щ недеятельность земных организмов.

5.3.5. Биосфера как фактор геологической эволюции

Выдающийся ученый XX в. В. И. Вернадский впервые обратил bhi| мание на первостепенную роль живых организмов в формирован^ химического состава географических оболочек Земли. Он создал Hjj вую научную дисциплину, биогеохимию, и ввел важнейшее понята биосферы. В современном понимании

Г

биосфера — это совокупность живых организмов Земли и той час­ти внешней среды, которая обменивается с этими организмами в процессе их жизнедеятельности.

• Биомасса Земли составляет около 2,5 триллиона тонн — в 200S
раз меньше массы атмосферы. Однако_чэто окупается чрезвычайно
высокой активностью живых организмов. Основная биомасса сосре|
доточена в зеленых растениях, которые за счет солнечной энерг^
фотосинтезируют органические вещества и кислород из углекислс
го газа и воды. Фотосинтез в биосфере за 10 млн лет перерабатывае^
массу воды, равную всей гидросфере, за 4000 лет обновляет весь сво|
бодный кислород, за 6-7 лет поглощает всю углекислоту атмосфе
ры. 99% современной атмосферы Земли имеет биогенное происхожу
дение: азот (78%), образовавшийся как продукт жизнедеятельности;
первых земных бактерий, и кислород (21%), образующийся при фо-^:
тосинтезе (п. 5.6). Благодаря жизнедеятельности возникли место­
рождения угля и железных руд, сформировались осадочные пласть
горных пород и коралловые острова.^ _N