Концепция геологических процессов и геосферных оболочек

Геологические процессы являются непосредственным продолжением и развитием тех процессов, которые развертывались в ходе космической эволюции при образовании галактик, звездных и планетных систем. Они связаны также с теми химическими реакциями, которые происходили при образовании планет из протопланетного вещества. Что же касается внутренних и внешних геосферных оболочек, то они возникли в ходе длительной эволюции нашей планеты при взаимодействии множества сначала физических и химических факторов неорганической природы, а потом и процессов, происходящих в живой природе.

Переходя к обсуждению вопроса об эволюции геологических процессов на нашей планете, необходимо прежде всего выяснить более общий вопрос о происхождении Солнечной системы. Является ли она единственной планетной системой, которая возникла в силу появления в определенном месте пространства и времени маловероятного стечения весьма благоприятных условий и факторов? Другими словами, можно ли считать образование Солнечной системы уникальным явлением во Вселенной? Только после этого можно рассмотреть вопрос об общности и различии геологических процессов на Земле и других планетах.

12.1. Уникальна ли Солнечная система во Вселенной?

Представление о случайном характере возникновения Солнечной системы и ее уникальности в настоящее время подвергается все более аргументированной критике.

Во-первых, сам процесс возникновения и эволюции Вселенной представляет собой закономерный процесс самоорганизации материи на разных стадиях ее развития. Вряд ли поэтому можно сомневаться в том, что возникновение звезд, в том числе с окружающими их планетами, не является процессом случайным и уникальным.

Во-вторых, этот теоретический аргумент сейчас подкрепляется астрономическими наблюдениями как с помощью новейших наземных инструментов, так и особенно благодаря запускаемым беспилотным астрономическим спутникам и наблюдениям с пилотируемых спутников.

Так, например, с помощью американского спутника ИРАС удалось обнаружить у 10% звезд в окрестности Солнца избыточное инфракрасное излучение, дальнейший анализ которого привел к заключению, что эти звезды окружены облаками, содержащими мелкие твердые частицы. Более тщательное исследование одной из молодых звезд такого типа (Р Живописца) показало, что вокруг него движется газопылевой диск, размеры которого превышают 600 млн километров.

По-видимому, из подобного рода газопылевой материи путем ее конденсации и возникли планеты нашей Солнечной системы. К сожалению, в настоящее время наука не располагает более или менее правдоподобными гипотезами ее происхождения, хотя начиная с XIX в. было выдвинуто большое число таких гипотез.

Трудности, которые возникают на этом пути, обусловлены в первую очередь тем, что Солнечная система является единственным объектом, который мы в состоянии наблюдать и изучать. Поэтому ее невозможно исследовать с помощью сравнительного метода, как, например, изучают звезды, о которых накоплен большой статистический материал на основе многочисленных наблюдений множества самых различных звезд.

Таким образом, метод исследования Солнечной системы, как и любого единичного объекта, условно говоря, можно считать уникальным. Но по мере развития науки и наблюдательной техники, дальнейшего развития космических исследований открываются новые, зачастую неожиданные факты, которые вселяют уверенность, что проблема происхождения Солнечной системы будет со временем также решена. Тем не менее даже те знания, которыми мы располагаем относительно строения Солнечной системы и движения небесных тел в ней, дают нам возможность понять и объяснить многие процессы, которые происходят на поверхности и внутри нашей планеты.

12.2. Геологические процессы и строение Земли

Чтобы понять характер геологических процессов, происходивших на нашей планете, необходимо вкратце рассмотреть наиболее популярные гипотезы о происхождении Солнечной системы. Очевидно, что первоначальный способ образования планет во многом повлиял на их дальнейшую эволюцию и строение.

Множество гипотез о возникновении Солнечной системы, которые выдвигались в прошлом, оказались в противоречии с известными эмпирическими данными и теоретическими представлениями. Не составляет исключения и небулярная гипотеза Канта—Лапласа, пользовавшаяся большой популярностью в XIX в. Все эти гипотезы представляют сейчас лишь исторический интерес.

Среди современных гипотез следует выделить гипотезу шведского астрофизика Ф. Альвена, которой предполагает, что в далеком прошлом Солнце обладало сильным электромагнитным полем. Поэтому оно могло оказывать сильное воздействие на находящееся рядом с ним протопланетное облако. Нейтральные его атомы под влиянием электромагнитного поля подвергались ионизации и вовлекались в совместное движение с Солнцем. Со временем оно могло передать свой вращательный момент протопланетному газовому облаку, из которого и возникли известные сейчас планеты. Недостаток этой гипотезы заключается в том, что из нее вытекает следствие, согласно которому планеты, находящиеся ближе к Солнцу, должны состоять из легких элементов, а далекие — из тяжелых. Однако ничего подобного не наблюдается в действительности. Чтобы исправить этот недостаток гипотезы, английский астроном Ф. Хойл предположил, что Солнце возникло в недрах газовой туманности. Благодаря своему быстрому вращению оно вовлекало в движение и газовую туманность, которая постепенно начала двигаться быстрее, чем Солнце, и становилась все более плоской, пока не превратилась в диск. Из этого вращающегося диска и возникли первые планеты.

Если в гипотезе Альвена и исправленном ее варианте Хойла возникшие планеты в ходе вращения достигали высокой температуры, то известный русский ученый О.Ю. Шмидт исходил из противоположного допущения. Он предполагал, что протопланетная газовая туманность, окружавшая Солнце, первоначально находилась в холодном состоянии. Повышение температуры внутри планет происходило исключительно за счет расщепления радиоактивных веществ.

Дальнейшее формирование планет и геологические процессы в них происходили по-разному в планетах, расположенных ближе к Солнцу, которые относят к земной группе (Меркурий, Венера, Земля и Марс), и отдаленных (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон).

Сравнивая размеры, расстояния, рельеф, состав атмосферы и другие характеристики планет, можно выявить некоторое сходство и различие между ними. Прежде всего, существует явное различие между планетами земной группы и группы Юпитера, которые представляют собой планеты-гиганты. Первые из них расположены ближе к Солн-

цу, размеры и массы их хотя и отличаются, но не на очень большую величину, внутренний состав элементов и горных пород во многом тоже совпадает. Они не имеют более двух спутников. В отличие от них планеты-гиганты находятся на больших расстояниях от Солнца, размеры и масса их значительно превосходят соответствующие величины планет земной группы, они имеют множество спутников, например у Юпитера их 16, Сатурна — 17. О рельефе, атмосфере и внутреннем строении этих планет астрономия располагает весьма скудными сведениями. В силу большой удаленности от Земли планеты этой группы еще плохо изучены, а наиболее удаленные из них — Нептун и Плутон — открыты довольно поздно. Поэтому если можно сделать какие-либо выводы о происхождении и эволюции нашей планеты, то следует в первую очередь искать аналогии и сходство с планетами земной группы.

По размерам, массе, рельефу поверхности и атмосфере Земля обнаруживает заметное сходство с Марсом и отчасти с Венерой. Размеры Земли почти совпадают с размерами Марса, на нем имеется разреженная атмосфера, в которой отсутствуют, однако, водяные пары и поэтому нет облаков, хотя ветер иногда поднимает в его атмосферу массу песка и образует песчаные бури. Недавние исследования американских ученых свидетельствуют, что в далеком прошлом на Марсе имелась вода, и, следовательно, там могли существовать примитивные формы жизни.

Другая наша соседка, Венера, расположена ближе к Солнцу, по рельефу и составу горных пород она похожа на Землю, но ее атмосфера давно потеряла легкие газы, условия для возникновения на ней жизни крайне неблагоприятные, поскольку температура у поверхности планеты превышает 400 градусов по Цельсию, а давление достигает 100 атмосфер. Что касается Меркурия, то он и по размерам, и по рельефу сходен с Луной. На нем давно прекратилась всякая тектоническая деятельность, и, по существу, он представляет собой мертвую планету.

Несмотря на такие различия, изучение планет земной группы дает нам возможность анализировать характер геологических процессов, которые могли происходить на нашей планете, и даже прогнозировать их дальнейшее развитие. Действительно, отсутствие вулканической и тектонической деятельности на Меркурии и Венере свидетельствует о том, что к настоящему времени они завершили цикл своей геологической истории и перешли в стадию своего разрушения, дезорганизации и упадка.

О наличии разных стадий в эволюции планет, существовании в них процессов самоорганизации, преобладающих над процессами дезор-

ганизации, можно судить по активности тектонической деятельности. По этому признаку можно предположить, на каком этапе находится та или иная планета, как осуществляется в ней обмен веществом и энергией между внутренними слоями и внешней поверхностью и окружающими ее сферами. В отличие от планет своей группы Земля все еще находится в стадии активной геологической деятельности, о чем свидетельствуют возобновляющиеся извержения вулканов, случаи землетрясений в разных местах, постепенное изменение рельефа на поверхности континентов и особенно океанического дна, континентальные дрейфы и т.п. Исследуя все эти явления, ученые приходят к лучшему объяснению процессов, которые совершаются в глубине Земли, и пониманию ее строения.

По своей форме Земля представляет собой геоид, приближающийся геометрически к трехосному эллипсоиду, или сфероиду. Гравитационное поле Земли обусловливает ее сферическую форму, а также удерживает атмосферу. Предполагают, что Земля возникла около 4,7 млрд лет назад из первоначального газопылевого вещества, которое затем в результате действия сил тяготения, дифференциации и разогрева образовало несколько геосферных оболочек, которые различаются по химическому составу, агрегатному состоянию и другим физическим свойствам. Обычно различают внутренние оболочки Земли, к которым относят ее ядро, мантию и земную кору, и внешние оболочки: литосферу, гидросферу и атмосферу. Все эти сферы непрерывно взаимодействуют, о чем свидетельствует не только продолжающаяся тектоническая деятельность внутренних оболочек Земли, но и постоянное воздействие атмосферы и гидросферы, а также позднее возникшей биосферы на процессы, происходящие в земной коре.

Согласно современным представлениям, в центре Земли находится ядро, внутренняя часть которого представляет собой твердое тело, на 80% состоящее из железа и на 20% — из никеля. Внешняя часть ядра находится в жидком состоянии и содержит железо и жидкую смесь железа и серы. Такое предположение основывается, во-первых, на результатах исследования глубинных структур Земли с помощью сейсмических волн, во-вторых, отождествлении их состава и структур с составом метеоритов, которые образовались из того же протопланет-ного вещества, что и Земля, в-третьих, изучении магнитного поля Земли в далеком прошлом на основании измерения остаточной намагниченности земных пород. Полагают, что на протяжении сотен миллионов лет происходило не только изменение напряженности магнитного поля Земли, но и смена ее полюсов. Последний такой случай произошел около 80 млн лет назад. Отсюда был сделан вывод, что из-

менения магнитного поля вызываются суточным вращением жидкой части земного ядра.

Температура внутреннего ядра составляет 4500 градусов по Цельсию, а внешней его части — 3200°. Именно такая разница температур должна существовать между ними, чтобы внутреннее ядро Земли оставалось твердым, а внешнее — жидким.

Выше ядра расположена большая по своим размерам сфера земной мантии, которая по химическому составу и структуре резко отличается от ядра. Мантия состоит в основном из силикатов, являющихся соединениями кремния, в нижней ее части преобладают, по-видимому, хон-дриты, подобные каменным метеоритам. Верхняя часть мантии непосредственно связана с земной корой. В ней, во-первых, происходит образование пород, из которых складывается земная кора; во-вторых, именно кора вместе с частью подстилающей мантии образует литосферу. Ее размеры достигают около 100 км, и под ее давлением литосфера как бы плавает в самой верхней части мантии, которую называют астеносферой. Она, в свою очередь, опирается на более плотные и вязкие части мантии. В нижней части мантии преобладают силикаты, которые под давлением сверху приобретают особо прочную структуру.

Особенности земной коры складываются не только под воздействием внутренних слоев Земли, но и геологических факторов внешней среды. Известно, что в результате выветривания и сноса вещество на поверхности континентов полностью обновляется каждые 100 млн лет, а ее убыль компенсируется за счет поднятия континентов. Благодаря жизнедеятельности бактерий, растений и животных в атмосфере каждые 7 лет полностью обновляется углекислота, а через 4000 лет — кислород.

Геологические свойства земной коры непрерывно и постепенно изменяются под совокупным воздействием трех внешних ее сфер: атмосферы, гидросферы и биосферы. Такие изменения происходят медленно, постепенно и непрерывно, но на определенной стадии они приводят к коренным переменам в облике Земли, и прежде всего в земной коре и на ее поверхности.

12.3. Геосферные оболочки и их взаимодействие в ходе эволюции Земли

Обратимся теперь к обсуждению явлений и процессов, которые происходят во внешней сфере нашей планеты. В настоящее время выделяют три основные геосферы, или внешние оболочки земли: атмо-

сферу, гидросферу и литосферу. К ним добавляют еще биосферу, возникшую позже, но играющую первостепенную роль в жизни человечества. По вопросу о времени и механизме возникновения этих сфер мнения ученых расходятся, но все они признают эволюционный характер их происхождения под воздействием не только геологических, но и космических процессов.

Воздушная оболочка Земли — атмосфера, содержащая такой жизненно необходимый для существования живых организмов химический элемент, как кислород, по мнению ученых, сформировалась постепенно. Предполагают, что небольшое количество кислорода в атмосфере появилось первоначально вследствие усиленной дегазации земных пород, при которой из них выделялись пары воды и газы. Поскольку температура на поверхности Земли была более низкой, то пары воды конденсировались в жидкость и образовали ее гидросферу. Атмосфера теряла легкие газы — водород и гелий, но сохраняла более тяжелые, кислород и азот, хотя исчезало также небольшое количество молекулярного кислорода. По гипотезе О.Ю Шмидта, образование газов и паров воды могло произойти за счет разогревания земных пород и слоев в результате радиоактивного распада веществ, содержащихся внутри Земли.

Однако в дальнейшем некоторая часть кислорода в атмосферу стала попадать благодаря разложению углекислого газа простейшими микроорганизмами, а в последующем значительное его количество постоянно поступает за счет реакции фотосинтеза растений. Таким способом возникшая жизнь на нашей планете поддерживала свое существование. Для понимания этих процессов большое значение имеет выдвинутая свыше двух десятилетий назад Гея-гипотеза (от греч. Гея — Земля). Она была создана английским химиком Д. Лавлоком и американским микробиологом Л. Маргулис. Согласно этой гипотезе, поддержание длительной неравновесности земной атмосферы обязано жизненным процессам, совершающимся на Земле.

В настоящее время атмосфера у поверхности Земли по химическому составу на 78,1% состоит из азота, 21% — кислорода, 0,9% — аргона и незначительных долей процента других газов (водород, углекислый газ, гелий, неон). На расстоянии до 100 км процентное содержание элементов в атмосфере остается почти постоянным, но с высотой увеличивается доля легких газов. На очень больших высотах начинают преобладать водород и гелий.

Плотность воздуха и его давление с высотой убывают, а температура хотя в целом понижается, но изменяется более сложным образом. В нижних слоях атмосферы содержится также водяной пар, который

13-925

играет существенную роль в процессе обмена теплом и влагой с поверхностью Земли. Именно этот обмен является основой круговорота воды, вызывая образование облаков и выпадение осадков. Вследствие неравномерного нагревания воздух в атмосфере находится в постоянном движении, образуя циклоны и антициклоны, которые определяют погоду на Земле, а во взаимодействии с водой океанов и морей существенно влияют на климат. Иногда в результате такого взаимодействия возникают штормы, ураганы, смерчи и другие разрушительные явления в природе.

На высоте около 25 км расположен озоновый слой, который предохраняет все живое на Земле от губительных космических, рентгеновских и других жестких излучений. Атмосфера рассеивает солнечный свет и другие излучения. Она обладает также собственным электрическим полем, благодаря которому в ней возникают различные электрические, оптические и звуковые явления.

Гидросфера, занимающая большую часть поверхности Земли (70%), по-видимому, возникла вместе с атмосферой на очень ранней стадии формирования нашей планеты. В процессе формирования Земли сначала, по-видимому, из тяжелых частиц образовалось прото-ядро, которое присоединило к себе вещество, ставшее впоследствии мантией. Действие гравитационных сил привело к интенсивному сжатию вещества Земли и, как следствие, к ее уплотнению и уменьшению размеров. Одновременно с этим происходил процесс усиленной дегазации, при котором выделялись газы и пары воды. Попадая на поверхность планеты, где температура была более низкой, пары воды конденсировались в жидкость, легкие газы водород, гелий и некоторые другие покидали планету, а более тяжелые кислород и азот удерживались гравитационными силами и составили в дальнейшем атмосферу Земли. Такие предположения подтверждаются экспериментальными исследованиями и в настоящее время считаются достаточно обоснованными для объяснения происхождения гидросферы и атмосферы Земли, хотя происхождение кислорода в атмосфере может быть объяснено и другими причинами.

Атмосфера и гидросфера тесно взаимодействуют между собой, что наглядно подтверждается процессами круговорота воды и воздуха на планете. Одновременно с этим обе сферы оказывает заметное воздействие на литосферу, медленно, постепенно, но неуклонно меняя верхнюю часть земной коры. Сама кора состоит в основном из 8 химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия и калия, причем почти половину ее массы составляет кислород, содержащийся в окислах металлов.

Значительное влияние на все геологические процессы оказывает позднее появившаяся биосфера, о которой речь пойдет в следующих главах.

1. В чем заключаются трудности исследования Земли?

2. Какие планеты относятся к планетам земной группы?

3. Чем отличаются планеты группы Юпитера?

4. Какие гипотезы существуют о происхождении Солнечной системы?

5. Каково внутреннее строение Земли?

6. Какие основные геосферы Земли?

7. Как возникли атмосфера и гидросфера и как они взаимодействуют?

8. Из каких элементов состоит внутреннее и внешнее ядро Земли?

9. Что собой представляет мантия Земли?

10. Из каких элементов состоит земная кора?

11. Какое воздействие на земную кору оказывают атмосфера, гидросфера и биосфера?

Литература

Основная:

Зубков И. Ф. Проблема геологической формы движения материи. М., 1979.

Философия науки. Современные философские проблемы областей научного

знания. М., 2005. Хаин В.Е., Рябухин А.Г. История и методология геологических наук. М., 1997.

Дополнительная:

Лайель Ч. Основные начала геологии. СПб., 1866.

Философия: энциклопедический словарь / Под ред. А.А. Ивина. М., 2004.

Глава 13