«Н.П. Смирнов ГЕОЭКОЛОГИЯ Рекомендовано Научно-методическим советом Российского государственного гидрометеорологического университета в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по ...»

Министерство образования и науки Российской Федерации

_Федеральное агентство по образованию_

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Н.П. Смирнов

ГЕОЭКОЛОГИЯ

Рекомендовано Научно-методическим советом Российского государственного гидрометеорологического университета в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по экологическим и гидрометеорологическим специальностям РГГМУ Санкт-Петербург 2006 УДК [502.211+502.51(075.8) Смирнов Н.П. Геоэкология. Учебное пособие - СПб: изд. РГГМУ, 2006 - 307 с.

ISBN 5-86813-163- Учебное пособие состоит из двух частей. В первой части рас­ сматриваются фундаментальные вопросы, связанные с образовани­ ем, эволюцией и устойчивостью биосферы Земли. Вторая часть по­ священа глобальным экологическим проблемам Земли. Это про­ блема быстрого роста населения Земли, потеря биоразнообразия, деградация земель, загрязнение атмосферы и гидросферы, быстрый рост бытовых и промышленных отходов. Рассматривается также проблема обеспечения человечества природными ресурсами.

В целом учебное пособие направлено на формирование у сту­ дента глобального экологического мировоззрения, и реального вос­ приятия того, что происходит в окружающей нас биосфере. Важно ^ и то чтобы студент правильно разбирался в том, что является главным для предупреждения возможной глобальной экологической катастрофы на Земле.

Предназначается учебное пособие для студентов экологиче­ ских факультетов Высших учебных заведений. Оно будет полезно и студентам других специальностей, связанных с природопользова­ нием, в том числе студентам гидрометеорологических специально­ стей, а также инженерно-техническим работникам и управленче­ скому аппарату всех ресурсопотребляющих отраслей народного хозяйства.

ISBN 5-86813-163- [мирнов, юсифжий государственный гидрометеорологический :итет (РГГМУ),

ПРЕДИСЛОВИЕ

В силу неустоявшихся еще ряда положений активно разви­ вающейся науки “экология” нет многих определений и по отдель­ ным ее разделам. Это в полной мере относится и к “геоэкологии”, которая является разделом экологии. Понимание геоэкологии как науки у автора данного учебного пособия наиболее близко к тому определению, которое дано в учебнике «Геоэкология» Г.Н. Голубе­ ва, изданного МГУ в 1999 г. В первой части курса рассматриваются вопросы образования Земли, формирование на ней биосферы и ее эволюционное развитие. Завершается эта часть курса важнейшим разделом, посвященным устойчивости биосферы, который может быть понят только при знании закономерностей эволюции всех со­ ставных частей биосферы. Вторая часть пособия посвящена гло­ бальным биосферным проблемам, связанным с быстрым увеличе­ нием численности населения Земли, уничтожением биоты на боль­ шой части территории нашей планеты, глобальным загрязнением атмосферы, гидросферы и почв на Земле и истощением природных ресурсов Земли.

Учебное пособие подготовлено в полном соответствии с дейст­ вующей программой курса. Разработка программы была выполнена автором учебного пособия, читающего этот курс студентам в тече­ ние шести лет. В основу учебного пособия были положены лекции автора. Пособие подготовлено с использованием научных разрабо­ ток по этой проблеме, выполненных прежде всего российскими учеными, которые внесли очень большой вклад в становление тех проблем, которые представлены в учебном пособии. Это, прежде всего, О.Г. Сорохтин и С.А. Ушаков (“Глобальная эволюция Земли” М., Изд-во МГУ, 1991), К.Я. Кондратьев и В.К. Донченко (“Экоди­ намика и геополитика”, том I, СПб, 1999), В.Г. Горшков (“Физиче­ ские и биологические основы устойчивости жизни” М., 1995), А.С.

Монин (“История Земли” Л., “Наука”, 1977), А.Ф. Алимов (Элемен­ ты функционирования водных экосистем, СПб., Наука, 2000), В.Р.

Дольник (“Непослушное дитя биосферы” СПб, Паритет, 2003) и многих других российских и зарубежных авторов, список работ ко­ торых приведен в конце пособия. Хочется отметить, что в понима­ нии задач геоэкологии, как раздела экологии, автор пособия опи­ рался прежде всего на труды классиков. Среди них хочется в пер­ вую очередь отменить выдающегося американского эколога Юд­ жина Одума, первая капитальная книга которого “Основы эколо­ гии”, переведенная на русский язык должна быть настольной кни­ гой каждого молодого эколога.

В заключение считаю своим приятным долгом поблагодарить ректора РГГМУ профессора JI.H. Карлина, предложившего мне чи­ тать на экологическом факультете курс “Геоэкология”, которым я постепенно увлекся и заведующего кафедрой А.А. Алимова, оказы­ вавшего помощь на первом этапе становления этого курса. Особо хочется поблагодарить профессора В.Р. Дольника, взявшего на себя труд прочесть рукопись пособия и сделавшего ряд полезных заме­ чаний. Общение с этим выдающимися экологом во многом способ­ ствовало становлению автора как эколога.

ВВЕДЕНИЕ

Для того чтобы стало ясно, что такое геоэкология, необходимо разобраться в том, что же такое экология и что изучает эта наука.

Еще в 1866 г. Геккель первым ввел термин “экология” (oikos - дом, logos - учение) и дал этой науке следующее определение: “Это по­ знание экономики природы, одновременное исследование всех взаи­ моотношений живого с органическими и неорганическими компо­ нентами среды, включая непременно неантагонистические и антаго­ нистические взаимоотношения животных и растений, контактирую­ щих друг с другом. Одним словом, экология - это наука, изучающая все сложные взаимосвязи и взаимоотношения в природе, рассматри­ ваемые Дарвиным как условия борьбы за существование”.

Один из известнейших экологов США и мира Юджин Одум определяет экологию как науку об отношениях организмов или групп организмов к окружающей их среде, т.е. о взаимоотношениях между живыми организмами и средой их обитания, причем челове­ чество рассматривается как часть природы.

В словаре Уэбстера предмет экологии определен как “совокуп­ ность или структура связей между организмами и их средой”.

Крупнейший французский эколог Р. Дажо, автор книги “Осно­ вы экологии”, изданной в России в 1975 г., понимает под экологией науку, изучающую условия существования живых организмов и взаимосвязи между организмами и средой, в которой они обитают.

В учебнике “Экология”, изданном в 1980 г. Московским государ­ ственным университетом, дается следующее определение экологии:

“Экология изучает совокупность живых организмов, взаимодейст­ вующих друг с другом и образующих с окружающей средой обита­ ния некое единство (т.е. систему), в пределах которого осуществляет­ ся процесс трансформации энергии и органического вещества”.

Наконец, на 5-ом Международном экологическом конгрессе (1990 г.) дано определение экологии как биологической науки, кото­ рая исследует структуру и функционирование систем надорганизменного уровня (популяции, сообщества, экосистемы) в пространстве и времени в естественных и измененных человеком условиях.

Казалось бы, определение экологии дано четкое и однозначное, однако иногда, к сожалению, появляются определения или сужаю­ щие понятие экологии, или, наоборот, беспредельно расширяющие трактовку предмета экологии. В качестве примера можно привести определение экологии из учебника “Основы геоэкологии”, изданно­ го в Санкт-Петербургском государственном университете в 1994 г:

“Современная экология - это междисциплинарная область знания, которая стремится понять множество связей, существующих между человеческим обществом и природной средой, и исследует органи­ ческое единство естественнонаучных и социально-экономических проблем”. И далее: “Содержанием экологии являются анализ, сис­ тематизация и обобщение огромного объема экспериментальных данных о формах связей, реализующихся в системе отношений “че­ ловеческое общество - природная среда” и в ее подсистемах”. Дан­ ное толкование относится в лучшем случае к определению некото­ рой эклектической науки, объединяющей и естественные, и соци­ альные, и экологические проблемы жизни.

Уже из определения экологии ясно, что предметом ее изучения являются системы, представляющие собой совокупности организ­ мов, взаимодействующих друг с другом и с окружающей средой, т.е. экосистемы. Что мы понимаем под “системой”? “Система” - это реальный или мыслительный объект, целостные свойства которого могут быть представлены как результат взаимодействия образую­ щих его частей. Части - это элементы системы. Элементы образуют систему, но не определяют ее функциональные особенности. Функ­ ционирование систем определяет только способ взаимодействия элементов, а само разнообразие элементов, т. е. их состав, рассмат­ ривается как внешний признак системы. Методологическая основа этой науки - системный подход.

Взаимодействие элементов рождает новые свойства системы, и эти свойства складываются в новые целостные характеристики, ко­ торые невозможно понять только на основании свойств, образую­ щих систему элементов. По природе своих элементов системы мо­ гут быть бесконечно разнообразны, и их соподчиненность приводит к одной из особенностей, присущей всем без исключения системам - иерархичности соподчинения элементов.

Так, различные органеллы есть элементы клетки, различные клетки есть элементы тканей, ткани являются элементами органов, органы - элементами организмов, организмы - элементами популя­ ции, популяции - элементами сообществ и т. д. Тогда клетки можно рассматривать как подсистему в пределах более крупной системы системы тканей и т.д.

Различным системным уровням организации жизни соответст­ вуют определенные науки, их изучающие. Так, молекулярная био­ логия изучает микро- и макромолекулярные системы, клеточные системы изучает цитология, органы являются объектами изучения физиологии, отдельных особей изучает целый комплекс наук: мор­ фология, анатомия, систематика. Системы, начиная с уровня попу­ ляции, являются предметами изучения экологии. Популяция особей образует низшую, или элементарную, подсистему в пределах эко­ логической системы - экосистемы.

Совокупность популяций, выполняющих сходную функцио­ нальную роль в системе (т.е. принадлежащих к единой трофической группировке), образуют следующую промежуточную подсистему ассоциации популяций. Совокупность организмов разных трофиче­ ских группировок завершает структурный ансамбль сообщества биоценоза, а вместе с окружающей его средой - геобиоценоза. На­ конец, комплекс всех геобиоценозов Земли формирует биосферу, т.е. все живое на Земле вместе с тем, что его окружает. Организмы, образующие простые и сложные системы сообществ, взаимодейст­ вуют друг с другом не вообще, а в реальном окружающем их про­ странстве, которое часто называют биотопом или, не совсем верно, окружающей средой. Таким образом, экосистему можно рассматри-.

вать как локализованную в пространстве и динамичную во времени совокупность совместно обитающих и входящих в сообщества раз­ личных организмов и условий их существования, находящихся в закономерной связи между собой и образующих систему взаимо­ обусловленных биотических и абиотических процессов. Все особи популяции, сообщества, или биоценоза, связаны с абиотической компонентой, биотопом, функциональной связью, извлекая из нее различные вещества и обогащая ее продуктами своей жизнедея­ тельности. В результате такого взаимодействия организмов с окру­ жающей их средой внутри экосистемы осуществляется постоянный поток вещества и энергии. Процессы биологического круговорота веществ и трансформации энергии в экосистеме осуществляются и организуются в результате продуцирования органического вещест­ ва растениями и различных биотических взаимоотношений между организмами через их трофические цепи.

Экология изучает не свойства самих элементов, образующих сис­ тему, а свойства самих систем, их функционирования. Поэтому важно подчеркнуть, что экология изучает именно экосистемы различных уровней, а не популяции как таковые, или сообщества, или биоценозы.

Что же в таком случае изучает геоэкология? По-видимому, правы те ученые, которые рассматривают геоэкологию как науку, изучающую эволюцию и функционирование экосистем наиболее высоких иерархических уровней. В таком случае геоэкология - это наука, изучающая эволюцию и функционирование биосферы Земли ее устойчивость и те глобальные экологические проблемы, которые возникли в связи с деятельностью человека. Таким образом, геоэко­ логия - это “глобальная экология”, изучающая систему всего жи­ вущего на Земле вместе с абиотической средой, в которой сущест­ вует жизнь. Ее можно определить как науку о взаимодействиях ме­ жду всем живущим на Земле (и человеком в том числе) и средой, в которой существует жизнь.

Однако уже в упомянутом учебнике Санкт-Петербургского университета дано другое определение геоэкологии. В этом учеб­ нике под геоэкологией понимается “наука, изучающая необратимые процессы и явления в природной среде и биосфере, возникающие в результате интенсивного антропогенного воздействия, а также близкие и отдаленные во времени последствия этих воздействий”.

И далее, исходя из приведенного выше определения, авторы учеб­ ника определяют изучаемую геоэкологией систему как “антропо­ генные воздействия - эволюция природной среды и биосферы”. Не будем принимать во внимание откровенные ошибки, когда под сис­ темой понимается процесс, а природная среда исключается из био­ сферы. В этом определении остается совершенно не понятным, что такое необратимые процессы и явления в биосфере и почему эта наука изучает процессы и явления, возникающие только в результа­ те интенсивного антропогенного воздействия, и что такое “интен­ сивное” антропогенное воздействие? Поэтому такое определение геоэкологии как науки нельзя, по-видимому, признать даже неудач­ ным - оно просто неверное. Можно было бы попытаться опреде­ лить геоэкологию как науку, изучающую систему человек - био­ сфера. Вычленение человека из биосферы и изучение их взаимо­ действия действительно является предметом изучения экологии, поскольку человек в своей деятельности стал, по выражению В.И. Вернадского, геологической силой, способной определять эво­ люцию биосферы. Кроме того, хотим мы того или не хотим, но мы всегда рассматриваем эволюцию и функционирование биосферы прежде всего, с позиций ее влияния на развитие человеческого со­ общества. Но такое определение значительно сужало бы понятие геоэкологии как науки, и, кроме того, эта система является предме­ том изучения отдельного раздела экологии - экологии человека.

Интересным и в целом близким к нашему определению является определение геоэкологии данное Г.Н. Голубевым (Геоэкология, 1999 г.) Геоэкология - это междисциплинарное научное направление, изучающее экосферу как взаимосвязанную систему геосфер в про­ цессе ее интеграции с обществом. При этом под экосферой понимает­ ся тонкая поверхностная оболочка, где пересекаются геосферы (атмо­ сфера, геосфера, литосфера и биосфера), и где живет и действует че­ ловек. Здесь непонятно только одно, что же такое биосфера, если из нее выделены атмосфера, гидросфера и литосфера? Если под биосфе­ рой в данном случае понимать только биоту, то тогда с таким опре­ делением геоэкологии вполне можно согласиться.

Основным объектом изучения геоэкологии, в нашем понимании является биосфера Земли - система самого высокого иерархического уровня, которая включает человечество как элемент очень важный, может быть на данном этапе самый главный, но элемент системы.

Давайте уточним, что же такое биосфера? Необходимость это­ го вызвана тем, что в отечественной литературе на каждом шагу приходится сталкиваться с неоднозначной ее трактовкой.

Термин “биосфера” был предложен еще Ламарком, но ввел этот термин в употребление В.И. Вернадский. Биосфера - это часть планеты, которая включает совокупность живых существ и в кото­ рой возможна постоянная жизнь. Это самая крупная и наиболее близкая к идеалу “самообеспечения” биологическая система. Она включает все живые организмы и всю взаимодействующую с ними физическую среду Земли. Через нее проходит поток энергии от Солнца, который частично поглощается, частично переизлучается в космическое пространство. Важно, что в этой системе поддержива­ ется состояние устойчивого равновесия.

Литосфера, атмосфера и гидросфера - это три физические сре­ ды, которые образуют биосферу, являются ее составляющими, в которых осуществляется жизнь. Иногда высказывается мнение, что воздух, вода и земля даны нам свыше в том виде, в каком они есть, и таковыми они и останутся, и только с жизнью на Земле могут происходить какие-то катаклизмы. На самом деле, все эти три фи­ зические оболочки планеты теснейшим образом связаны с наличи­ ем жизни и сформировались вместе с развитием жизни на Земле.

Если бы на Земле не зародилась жизнь, то и атмосфера, и гидро­ сфера, и литосфера были бы во многом другими. Но и зарождение, и развитие жизни на Земле стало возможным потому, что многие параметры нашей планеты оказались такими, какие они есть. По­ этому биосфера включает в себя не просто среду обитания, а среду, сформировавшуюся в результате длительного взаимодействия жи­ вого и неживого в процессе эволюции Земли.

Современная биосфера, как экологическая система высшего по­ рядка, является итогом планетарного непрерывного, направленного и необратимого развития на протяжении почти 4 млрд. лет. Установле­ ны неравномерность темпов этого развития, критические рубежи экосистемных перестроек, великие вымирания в развитии органического мира Земли и великие экспансии в захвате освобождающихся эколо­ гических ниш, связь этих процессов с изменениями состояния лито­ сферы, гидросферы, атмосферы и с эволюцией геохимических и геодинамических циклов планеты. Анализ факторов нарушения и восста­ новления экологической устойчивости в геологическом прошлом по­ зволяет вскрыть “нормальный”, естественноисторический ход эволю­ ции биосферы, особенно важный для новейшего этапа геологической истории, и прогнозировать этот процесс с учетом “поправки” на ан­ тропогенное воздействие. Исследование геологического процесса и эволюции биосферы имеют принципиальное значение для оценки со­ временного состояния биосферы, прогнозирования ее судьбы и для выработки путей ослабления воздействия на нее человека.

Поэтому первые три главы учебного пособия посвящены имен­ но проблемам образования Земли, биосферы и ее эволюции.

Фундаментальной проблемой геоэкологии является вопрос об устойчивости биосферы и факторах, определяющих или нарушаю­ щих ее устойчивость. В данном направлен™ сделано еще мало, но это один из центральных вопросов современной экологии вообще, начиная с аутэкологического уровня до биосферы в целом. Этому вопросу посвящена четвертая глава.

Деятельность человека на современном этапе привела к таким последствиям, которые начинают сказываться на функционирова­ нии всей биосферы как единой системы. Это связано, в первую оче­ редь, с деградацией почв, загрязнением атмосферы и гидросферы, направленным уничтожением биоты Земли. Но здесь все далеко не так просто, как это иногда следует из средств массовой информа­ ции. К сожалению, наряду с действительно важными, глобальными проблемами, являющимися приоритетными для охраны природы, существуют и мнимые проблемы, которые носят скорее второсте­ пенный характер, с точки зрения стратегии охраны природы на Земле. Краткий анализ основных глобальных экологических про­ блем (рост народонаселения, сокращение биологического разнооб­ разия, деградация почв и загрязнение атмосферы и гидросферы и др.) дан в последующих главах курса.

Наряду с возможным нарушением устойчивости биосферы из-за воздействия человека на природу, что угрожает самому существова­ нию человечества, еще одним фактором, также угрожающим жизни человека на Земле, часто называют исчерпание природных ресурсов, обеспечивающих эту жизнь. Это важный вопрос и правильная оценка современного состояния обеспеченности материальными ресурсами, и прежде всего пищевыми ресурсами жизни и деятельности человека, во многом определяет и стратегию развития человеческого общества.

Этой проблеме посвящена предпоследняя глава.

Последняя глава посвящена приоритетным проблемам геоэколо­ гических исследований, которые наиболее полно были сформулиро­ ваны в Международной геосферно-биосферной программе (МГБП), в Программе биосферных и экологических исследований бывшей АН СССР в конце 80-х годов и биосферному мониторингу Земли.

В заключение попробуем сформулировать основную цель геоэко­ логических исследований. По-видимому, она достаточно проста и, с нашей точки зрения, состоит в поиске путей обеспечения нормального существования человеческого общества в настоящем и будущем. Че­ ловек является элементом биосферы. Поэтому геоэкологические ис­ следования должны быть направлены на сохранение биосферы, спо­ собной обеспечить сохранение жизни человека на Земле. Бессмыслен­ но ставить вопрос о спасении природы и даже жизни на Земле, ставя под угрозу жизнь самого человека. Что является определяющими, с точки зрения сохранения биосферы, в которой успешно может суще­ ствовать и развиваться вид Homo sapiens, по-видимому, главный во­ прос, на который должна дать ответ наука, к изучению которой мы приступаем.

ОБРАЗОВАНИЕ, ЭВОЛЮЦИЯ И УСТОЙЧИВОСТЬ

БИОСФЕРЫ ЗЕМЛИ

Глава 1. ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ КАК ПЛАНЕТЫ Вопросы образования Земли и ее эволюции интересовали уче­ ных с давних пор. Высказывались различные гипотезы, разрабатыва­ лись теории, часто противоречащие друг другу. Положение дел в геологической науке вплоть до конца 60-х годов прошедшего столе­ тия было таково, что чем больше накапливалось данных о строении участков земной поверхности на материках, тем более запутанной и противоречивой казалась общая картина развития Земли. Только по­ сле того как благодаря комплексному исследованию строения и ди­ намики дна Мирового океана были получены принципиально новые данные и сформулированы новые идеи, была создана принципиально новая теория тектоники литосферных плит. Именно она, произведя по существу революцию в науках о Земле, позволила разработать со­ временную теорию происхождения Земли и ее эволюции, которая является основой для понимания возникновения жизни на Земле и ее развития. Русские ученые внесли огромный вклад в разработку этой теории. Она возникла на основе органического слияния теории тек­ тоники литосферных плит, современной космогонической концепции о происхождении Земли и гидродинамической теории, описывающей конвективный массообмен в мантии Земли. Наиболее полно теория происхождения Земли и ее эволюция была изложена известными рос­ сийскими учеными - Олегом Георгиевичем Сорохтиным и Сергеем Александровичем Ушаковым в книге “Глобальная эволюция Земли” (1991 г.), которые сами внесли существенный вклад в создание этой теории. В учебном пособии возможно лишь кратко остановиться на тех основных вопросах из этой книги, которые потребуются нам в дальнейшем для понимания основных экологических проблем эво­ люции биосферы на Земле.

1.1. Происхождение солнечной системы и образование Земли Согласно современным космогоническим представлениям, ис­ ходное газопылевое протосолнечное-протопланетное облако обра­ зовалось из межзвездного газа и скопления пыли, характерных для нашей и других галактик. Происхождение газа и пыли связано с взрывами крупных звезд, полностью прошедших свой эволюцион­ ный путь. Взрывы таких крупных звезд называют вспышками “сверхновых” звезд. Во время взрыва их светимость возрастает в миллиарды раз, и они становятся наиболее яркими объектами в сво­ их галактиках.

После образования Вселенной во время “Большого взрыва” около 20 млрд. лет назад, ее пространство заполнялось только излу­ чением и стремительно расширяющимся веществом - протонами, электронами, ядрами гелия, нейтрино и другими элементарными частицами. Более тяжелых элементов в те далекие времена еще не существовало. Только после возникновения на флуктуационных сгустках вещества первых протогалактик, состоявших из массив­ ных, но простейших водородно-гелиевых протозвезд, в их недрах за счет протекания ядерных реакций постепенно стали формироваться все более тяжелые элементы вплоть до железа включительно.

Согласно существующей теории крупные звезды такого типа (превышающие массу Солнца в несколько раз) неустойчивы и за­ канчивают свою эволюцию гигантскими взрывами. Эволюция таких массивных звезд происходит тем быстрее, чем больше исходная масса звезды. Во время взрыва звезды за несколько минут выделя­ ется столько энергии, сколько могло бы выделиться за многие мил­ лионы лет ее эволюционного развития. Взрыв звезды приводит к ускоренному протеканию всевозможных реакций ядерного синтеза, в том числе к формированию элементов более тяжелых, чем железо, и к сбрасыванию оболочки звезды в межзвездное пространство.

Преобразованное вещество оболочки стремительно разлетается в стороны, а на месте бывшей “нормальной” звезды остается ней­ тронная звезда или даже “черная дыра”.

За время существования Вселенной уже сменилось несколько поколений звезд, рассеявших вещество своих оболочек по меж­ звездному пространству. Исходным материалом для формирования каждой новой генерации звезд служило вещество, сброшенное пре­ дыдущим поколением сверхновых звезд. Поэтому и суммарный со­ став вещества, послужившего основой для формирования Солнеч­ ной системы, должен иметь следы длительной истории развития Вселенной. Нахождение в метеоритах следов распада некоторых из короткоживущих изотопов ряда элементов позволило ученым ут­ верждать, что незадолго перед образованием Солнечной системы произошли взрывы двух звезд новой генерации, причем последний из взрывов, обогативший протопланетное вещество изотопами 244Ри, 2бА1 и 129\, скорее всего и послужил толчком к началу форми­ рования из межзвездного облака Солнца и его планетной системы.

Согласно современным космогоническим представлениям, за­ ложенным в прошлом веке О.Ю. Шмидтом в начале 40-х годов и B.C. Сафроновым в 60-х годах Земля, Луна и другие планеты Сол­ нечной системы образовались за счет аккреции (слипания и даль­ нейшего роста) твердых частиц газопылевого облака. Обычно ис­ ходная плотность межзвездных облаков недостаточна для самопро­ извольного развития в них процессов звездо- и планетообразования.

Однако взрывы «сверхновых» звезд сопровождаются возникнове­ нием в межзвездной среде ударных волн. Если такие волны пересе­ кают газопылевое облако, то на их фронте резко повышается давле­ ние и плотность вещества, и могут возникнуть сгущения, которые в дальнейшем способны сжиматься уже за счет самогравитации. По­ этому взрывы сверхновых звезд выполняют две функции: они по­ ставляют новое вещество в космическое пространство и служат тем толчком, который приводит к началу формирования новых поколе­ ний звезд и окружающих их планетных систем.

Можно предположить, что именно такая ситуация возникла около 4,7 млрд. лет назад вблизи бывшего протосолнечного газо­ пылевого облака, получившего импульс начального сжатия и вра­ щения, и наполнившегося новым веществом. Это облако в даль­ нейшем начало необратимо сжиматься уже под действием собст­ венных гравитационных полей. По мере сжатия давление и темпе­ ратура в центральной части облака быстро повысились, и постепен­ но в этой зоне сформировался гигантский газовый сгусток - Прото­ солнце. Однако вначале, до «зажигания» ядерных реакций и выхода Протосолнца на режим главной последовательности развития звезд, его температура была сравнительно невысокой (900 - 1000 °С), а излучение происходило только в инфракрасном и красном диапазо­ не спектра.

Одновременно со сжатием протосолнечного облака под влия­ нием центробежных сил его периферийные участки стягивались к экваториальной плоскости вращения облака, превращаясь в пло­ ский диск - протопланетное облако. Плотность вещества в послед­ нем быстро возрастала, особенно в экваториальной плоскости его вращения. Возрастала при этом вероятность столкновения частиц и их слипания, в результате чего появились первые, правда, еще не­ большие (порядка сантиметров, но не более нескольких метров) заро­ дышевые тела будущих планет - планетезималей. Дальнейшее их уплотнение привело к образованию более крупных тел с поперечны­ ми размерами в десятки и даже сотни километров. У таких хфупных планетезималей появились собственные гравитационные поля, что еще больше увеличило их эффективные поперечные сечения захвата мелких тел. Поэтому крупные планетезимали росли быстрее мелких.

В результате одно из таких более крупных протопланетных тел в конце концов превратилось в зародыш нашей планеты.

Формирование Солнца как нормальной желтой звезды не очень больших размеров происходило значительно быстрее, чем форми­ рование планет - всего за несколько миллионов или за первые де­ сятки миллионов лет. При этом перед выходом на режим главной последовательности развития Солнце прошло через короткую ста­ дию существования звезд типа Г-Тельца, характеризующихся быст­ рым вращением, сильными магнитными полями и очень высокой интенсивностью излучения звездного ветра (высокоэнергетического потока заряженных частиц).

Эти особенности эволюции молодого Солнца повлияли на ус­ ловия аккреции вещества в его протопланетном диске. Во-первых, из-за исключительно сильного солнечного ветра из околосолнечно­ го пространства на далекую периферию Солнечной системы были выметены все газовые летучие компоненты исходного протопланетного облака.

Во-вторых, ионизирующее влияние солнечного ветра на окру­ жающее вещество должно было привести к сильному взаимодейст­ вию магнитного поля Солнца с веществом протопланетного диска.

По-видимому, именно в результате такого эффективного магнитного «зацепления» быстро вращавшегося молодого Солнца и произошло перераспределение момента количества движения от центрального светила к периферии протопланетного диска. Этот же механизм, ве­ роятно, приводил и к заметной сепарации вещества в протопланетном облаке, поскольку все легко ионизирующиеся элементы под влияни­ ем этого механизма быстрее удалялись на периферию диска.

В-третьих, существенное влияние на химическую дифферен­ циацию вещества в протопланетном облаке оказал больший прогрев центральных областей диска еще на стадии его сжатия интенсивной вспышкой излучения молодого Солнца при прохождении им стадии развития звезды типа Г-Тельца. В результате в центральных облас­ тях диска конденсировались преимущественно тугоплавкие элемен­ ты и соединения (А120 з, CaO, MgO, Ti20 3, SiC>2, C r03, FeO, Fe, Ni и др.), а легкоплавкие компоненты (щелочные металлы, гидросилика­ ты, карбонаты, Zn, Pb, Se, S, FeS и др.) испарялись или диссоцииро­ вали с потерей летучих компонент, которые, как и другие летучие компоненты, под действием сильного солнечного ветра оттеснялись к периферии Солнечной системы.

Только этим, по-видимому, можно объяснить явную зависи­ мость плотности планет от их расстояния от Солнца (внутренние планеты: Меркурий - 5,44 г/см3; Венера - 5,24; Земля - 5,52; Марс внешние планеты: Юпитер - 1,33; Сатурн - 0,70; Уран - 1,30;

Нептун - 1,67). Этим же объясняется и то, что внешние планеты обладают массивными газовыми оболочками, а их спутники покры­ ты мощными ледниками, отложениями серы и другими замерзшими легкоплавкими соединениями.

Судя по составу и сравнительно разреженной атмосфере, Зем­ ля, как и другие планеты земной группы, формировалась из вещест­ ва, почти полностью потерявшего все газовые составляющие, резко обедненного силикатами, карбонатами, серой и ее соединениями и заметно обедненного подвижными элементами - щелочными и дру­ гими легкоплавкими металлами.

Расчеты B.C. Сафронова (1969) - одного из создателей совре­ менной теории планетообразования - показывают, что рост Земли происходил во все ускоряющемся режиме аккреции, но после исчер­ пания запасов вещества в околоземном рое планетезималей - этих первичных сгустков в протопланетном облаке, замедлился. При аккреции Земли выделилось гигантское количество энергии - 23,3- эрг. Этой энергии достаточно не только для расплавления Земли, но и для ее полного испарения. Однако большая часть этой энергии выде­ лялась в самых приповерхностных слоях растущей Протоземли и те­ рялась ею с тепловым излучением в космическое пространство. По расчетам B.C. Сафронова, формирование Земли до уровня 99 % ее современной массы составило примерно 100 млн. лет.

Этот результат важен, поскольку показывает, что Земля в про­ цессе роста не только разогревалась от ударов падавших на нее планетезималей, но и успевала остывать, излучая через свою поверх­ ность большую часть энергии. В результате температура в недрах растущей Земли повсеместно оставалась ниже температуры плавле­ ния недифференцированного первичного земного вещества, а следо­ вательно, и сама Земля в то время оставалась еще недифференциро­ ванной планетой без ядра и земной коры, которую она имеет сейчас.

Подчеркнем еще раз, что образование Солнца и дифференциа­ ция протопланетного вещества в процессе формирования Солнца v произошли достаточно быстро - за несколько миллионов лет или за десятки миллионов лет. Аккреция Земли и других планет продол­ жалась значительно дольше - около 100 млн. лет, уже после того, как дифференциация вещества в околосолнечном пространстве за­ кончилась. Отсюда следует важный вывод: аккреция планет в коль­ цевых областях их питания (обладавших к тому же конечной шири­ ной) в основном была гомогенной. А это значит, что средний хими­ ческий состав формирующихся планет при отсутствии в них про­ цессов дифференциации оставался примерно постоянным от их центра до поверхности.

Таким образом, потребовалось около 100 млн. лет, чтобы сформировалась первичная однородная и относительно холодная Земля без атмосферы и гидросферы.

1.2. Образование двойной планеты Земля - Луна, роль Луны в эволюции Земли Земля и Луна фактически представляют собой систему двойной планеты. Их влияние друг на друга сейчас невелико, хотя и вполне заметно. На ранних же этапах развития оно было исключительно силь­ ным. Луна, как спутник нашей планеты, поглтужида тем спусковым

БИБЛИОТЕКА

механизмом, который запустил механизм тектонического развития Земли, “раскрутил” нашу планету и определил наклон оси ее враще­ ния.

Согласно модели О.Г. Сорохтина и С.А. Ушакова, вначале Протолуна была самостоятельной планетой, орбита которой нахо­ дилась недалеко от орбиты Земли и была захвачена гравитацион­ ным полем Земли. Масса Протолуны была больше массы современ­ ной Луны, по крайней мере, более чем в 2,3 раза. При захвате Про­ толуны на околоземную орбиту ее первоначальный эксцентриситет был очень большим, а период обращения вокруг Земли был, наобо­ рот, очень небольшим - около 20 ч.

В это же время Земля вращалась вокруг своей оси значительно медленнее, чем сейчас. Скорость вращения современной Земли П = 7,27-10-5с-1, а орбитальная скорость движения современной Луны вокруг Земли со = 2,66- ЮЛ;-1. У Протолуны rap * 8,5 -ЮЛг1 и o p »

При таких условиях приливное взаимодействие Земли и Луны должно было приводить к замедлению вращения Луны вокруг Зем­ ли и ускорению вращения Земли. Рассмотрим механизм такого взаимодействия.

Благодаря гравитационному притяжению Земли и Луны в их телах возникают приливные деформации - вздутия, или горбы.

Приливные горбы этих планет своим дополнительным притяжени­ ем оказывают влияние на их движение. Так, притяжение обоих при­ ливных горбов, имеющихся у Земли, создает двойную силу, дейст­ вующую как на саму Землю, так и на Луну. Однако влияние взду­ тия, обращенного к Луне, несколько сильнее.

В связи с тем что угловая скорость вращения современной Зем­ ли существенно превышает орбитальную угловую скорость движе­ ния Луны, а вещество планет не является идеально упругим, при­ ливные горбы Земли как бы увлекаются ее вращением вперед и за­ метно опережают (примерно на 2,16 °) движение Луны. Это приво­ дит к тому, что максимальные приливы на Земле всегда наступают несколько позже момента кульминации Луны, а на Землю и на Лу­ ну действует дополнительный момент сил (рис. 1.1 б). В современ­ ный период на Земле действует сила F, замедляющая вращение Земли, а на Луну - сила f ускоряющая ее орбитальное вращение, вследствие чего Луна постоянно удаляется от Земли.

В момент же захвата Луны Землей, из-за того, что copi » D pg., силы приливного взаимодействия Земли и Луны были направлены в противоположные стороны (рис. 1.1 а) и сила Fy приводила к уско­ рению вращения Земли, а сила f3 замедляла орбитальное вращение Луны вокруг Земли.

Рис. 1.1. Схема приливного взаимодействия Протоземли с Протолуной (а) F — приливная сила, ускоряющая или тормозящая вращение Земли; / - приливная сила, тормозящая или ускоряющая орбитальное вращение Луны; S - угол опере­ Вследствие того, что масса Протоземли была значительно больше массы Протолуны, и радиус орбиты Луны был относитель­ но мал (по-видимому, менее 10-12 радиусов Земли), в Протолуне только за счет радиальных приливных деформаций должно было выделиться около 1,5-1037 эрг тепловой энергии. Это должно было разогреть Луну до 1700 - 3700 °С. К этому следует добавить еще и дополнительную энергию гравитационной дифференциации Прото­ луны, которая неизбежно должна была произойти после ее расплав­ ления (при таких температурах большинство магматических пород плавится). Это добавило еще около 1036 эрг тепловой энергии и до­ полнительный разогрев на 250 °С. Поэтому даже несмотря на ин­ тенсивное поверхностное охлаждение Протолуна после ее захвата Землей должна была полностью расплавиться и сильно перегреться.

Естественно, диссипация приливной энергии происходила и на Земле, и ее должно было выделиться за время эволюции системы, которое оценивается О.Г. Сорохтиным и С.А. Ушаковым всего в 10 000 лет, около 1,25-1037 эрг. Но такого тепла хватило бы для по­ вышения температуры Земли всего на 180 °С, что недостаточно для ее расплавления.

С замедлением скорости орбитального вращения и приближе­ нием Протолуны к Земле ее тело все более деформировалось при­ ливными силами и вытягивалось вдоль продольной оси, направлен­ ной к планете. Начиная с некоторого расстояния от планеты, из­ вестного как предел Роша (hR ~ 2,7 Rpg, где Rpg радиус Земли), при­ ливные силы становятся больше сил гравитации, и спутник теряет свою устойчивость и разрушается.

По оценкам выше упомянутых авторов, скорость сближения Протолуны с Протоземлей была большой. Внутренний горб Прото­ луны вместе с плотным железным ядром после взрыва устремились к Земле, а внешний приливной горб получил инерционную отдачу и перешел на более удаленную от Земли орбиту. По расчетам бы­ строе разрушение обращенной к Земле половины Протолуны вме­ сте с ее железным ядром должно было отбросить оставшуюся массу внешнего приливного горба (состоящего из прошедшего дифферен­ циацию силикатного вещества) на орбиту с перигеем около четырех земных радиусов, т.е. вывести формирующуюся Луну далеко за пределы Роша.

К этому времени, за счет выпадения на Протоземлю большей части протолунного вещества, ее масса выросла до современной массы Земли, а угловая скорость увеличилась до 1 = 2,87- Ю Л г1.

У молодой Луны, находящейся на расстоянии 2,6-109 см от Земли, согласно закону Кеплера эта скорость должна была быть равной со « 1,52- КУЛг1. Следовательно, после инерционного отброса внеш­ него приливного горба разрушенной Протолуны для новой Луны стало выполняться неравенство Q > со, и после этого момента сфор­ мировавшаяся Луна стала быстро отдаляться от Земли.

Так образовалась современная система двойной планеты Земля Луна. Такой историей ее образования объясняется и то, что средняя плотность Луны всего 3,34 г/см3, а у Земли - 5,52 г/см3. Луна со­ держит почти в три раза меньше железа, чем его содержится в зем­ ном веществе.

Процесс сближения планет и разрушение спутника занял по оценкам около 15 О О лет. При этом само разрушение произошло за 80— 100 лет. За этот период произошло и раскручивание Земли (с Т] = 14,5 ч. до Т2 = 5,6 ч.).

Дальнейшая эволюция системы заключалась в том, что Луна в первый милиард лет довольно быстро удалялась от Земли, а Земля замедляла свое вращение вокруг оси. Так, около 4,0-Ю9 лет назад Луна уже была на расстоянии L « 1,56-Ю10 см, а еще через 400 млн. лет - на расстоянии L » 3,00-Ю10 см. Современное рас­ стояние Земли от Луны L и 3,844-Ю10 см. В этой же пропорции уве­ личивалось время обращения Земли вокруг своей оси.

1.3. Состав и строение первичной Земли Из всего ранее сказанного можно сделать два важных вывода:

1) молодая Земля в конечный период своего образования была относительно холодным космическим телом, и нигде в ее недрах тем­ пература не превышала температуру плавления земного вещества;

2) Земля имела достаточно однородный состав.

Состав первичного вещества Земли был получен путем мыс­ ленного смешения вещества основных геосфер Земли: мантии, ядра и земной коры. Результаты такого расчета приведены в табл. 1.1 в сопоставлении с составами современной мантии и углистых хондритов первого типа - наименее дифференцированных метеоритов, обычно принимаемых за эталон среднего состава протопланетного вещества.

Состав первичного вещества Земли и современной мантии Как видно из табл. 1.1, первичное вещество Земли примерно на 75 % было сложено оливином (MgFe)2S i0 4. По сравнению со сред­ ним составом протопланетного вещества оно было обеднено водой в 200 - 250 раз, калием - в 4 - 5 раз, углеродом - приблизительно в 1000 раз. Такие соединения, как метан или аммиак, по-видимому, были практически выметены солнечным ветром из области форми­ рования планеты и не попали на Землю. Дефицит благородных га­ зов на Земле достигает 10^ - 10~14. Все эти элементы и соединения в небольших количествах все же могли попасть на Землю, но толь­ ко в связанном состоянии: вода с гидросиликатами, СОг в виде кар­ бонатов, азот в составе нитритов и нитратов и т.д. И лишь самые ничтожные количества первичных газов, в том числе и благород­ ных, попадали на Землю, адсорбируясь на поверхностях рыхлых и пористых частиц исходного протопланетного вещества. Относи­ тельно среднего состава планет Земля была обогащена железом и его окислами (на 5 0 - 60 %) и обеднена серой (в 1 0 раз).

В те далекие времена на Земле не существовало ни земной ко­ ры, ни мантии, ни земного ядра. Все это появилось значительно позже, с наступлением геологического развития Земли. Плотность вещества на поверхности молодой Земли достигала 3,9 - 4,0 г/см3, а к центру повышалась до 7,2 г/см3. У современной Земли плотность на поверхности составляет 3,3 г/см3, а в ее центре - 14,38 г/см3.

Поверхностные слои Земли в течение всего периода ее форми­ рования состояли из мелкопористого реголита. Поскольку сорбци­ онная способность такого грунта исключительно высока, он актив­ но поглощал все остатки летучих элементов и соединений, которые захватывались Землей из протопланетного облака. Это полностью относится к воде й углекислому газу, освобождавшимися при испа­ рении падавших на Землю планетезималей, которые сразу же свя­ зывались с ультраосновным по составу реголитом, например, бла­ годаря реакции серпентизации:

4Mg2S i0 4 + 4Н20 + 2 С 0 2 Mg6[Si4O 10](OH)8 + 2M gC 03.

Поскольку, как уж е указывалось ранее, протопланетное веще­ ство было обеднено Н20 и С 0 2, то такой процесс серпентизации и аналогичные ему реакции гидратации реголита полностью погло­ щали и погребали под новыми наслоениями земного вещества прак­ тически все поступавшие на Землю количества воды и углекислого газа. Из всех поступивших элементов лишь тяжелые благородные газы (Ne, Fr, Кг и Хе), попадавшие на Землю в исключительно ма­ лых количествах, еще могли сохраняться в газовой фазе.

Из всего сказанного вытекает важный вывод - первичная Земля не имела ни гидросферы, ни настоящей атмосферы. В тот период молодая Земля могла обладать лишь разреженной атмосферой из благородных газов и быть может только со следами азота. Давление в такой примитивной атмосфере не превышало (1,5— 2,0)-10-5 атм.

или 0,011-0,015 мм рт. ст.

1.4. Догеологическое развитие Земли в катархее На ранних этапах планетарной эволюции Земли ее строение, состав, тепловое состояние и “приливная” тектоника настолько рез­ ко отличались от всех последующих режимов геологического раз­ вития Земли, что эту уникальную эпоху, продолжавшуюся около 600 млн. лет, от момента рождения нашей планеты (приблизительно 4,6 млрд. лет назад) до начала раннего архея (4,0 млрд. лет назад), принято выделять в качестве самостоятельного периода истории нашей планеты - катархея.

В те далекие времена на нашей планете мы увидели бы только неприветливую, суровую и холодную пустыню с черным небом, яркими немерцающими звездами, желтым слабо греющим Солнцем (его светимость тогда была приблизительно на 25 % ниже совре­ менной) и непомерно большим диском Луны. Однако из-за сильных и практически непрерывных приливных землетрясений этот рельеф был существенно сглажен и сложен только монотонно темно-серым первичным веществом.

Пустынный пейзаж Земли временами нарушался еще беззвуч­ ными взрывами падавших на Землю остаточных планетезималей. На короткое время после их ударов в образовавшихся кратерах появля­ лись расплавы, образуя подобия лавовых озер, но и они, лишенные источников подпитывающей их энергии, быстро остывали. Частота падения протопланетных планетезималей со временем быстро со­ кращалась. Только в экваториальной зоне молодой Земли в то время еще продолжали выпадать из спутниковых роев недавно разрушен­ ной Протолуны обильные потоки мелких каменных и железных об­ ломков. Поэтому земная поверхность в экваториальной зоне в тече­ ние нескольких первых тысяч лет оставалась раскаленной.

Удивительным было тогда стремительное движение Солнца по небосводу: всего за 3 часа оно пересекало небосвод, а еще через 3 часа снова всходило на востоке. Лунный диск был в 300 - 350 раз больше современного. Фазы Луны менялись буквально на глазах. В самом начале своего существования Луна была еще существенно горячей Земли и излучала тепловую энергию в красной и инфра­ красной частях спектра. Поэтому днем и ночью помимо отраженно­ го солнечного света она светилась темно-красным светом и в связи со своими огромными видимыми размерами заметно обогревала земную поверхность.

Поразительным было и наличие у Земли диска мелких частиц, вращавшихся вокруг нее на орбитах, близких к экваториальной плоскости. Траектории отдельных частиц сливались воедино и соз­ давали иллюзию существования у Земли сплошных полупрозрач­ ных колец типа дисков Сатурна.

В момент своего образования, как уже было сказано выше, Лу­ на вращалась вокруг Земли по очень близкой орбите (Х4 6 « 4 R & « 25,5 тыс. км). (В настоящее время Луна удалена от Земли на рас­ стояние 384,4 тыс. км.) Поэтому высота приливов на Земле в те да­ лекие времена была очень большой и составляла 1,5 км. Приливные деформации буквально сотрясали Землю. Но уже через миллион лет после образования Луны высота приливов на Земле снизилась до 130 м, еще через 10 млн. лет - до 45 м, а через 100 млн. лет - до 15 м.

К концу катархея, около 4,0 млрд. лет назад, высота приливов была равна 7 м. Современные приливы в твердой оболочке нашей плане­ ты имеют высоту примерно 46 см.

Стремительное удаление Луны от Земли в раннем катархее и, как следствие, резкое снижение приливной энергии, рассеиваемой в недрах молодой Земли, спасло ее не только от перегрева, но и бы­ стро снизило уровень приливной сейсмичности нашей планеты. В начале катархея энергия приливных землетрясений примерно в 17 000 раз превосходила энергетический уровень современной сейсмичности Земли. Через 100 млн. лет оно снизилось более чем в 1000 раз, а к концу катархея - еще в 6 раз. Необходимо помнить, что природа и характер проявления сейсмичности молодой Земли в тот период принципиально отличались от сейсмичности современ­ ной Земли. Это были землетрясения исключительно экзогенного происхождения, связанные с перемещением в теле Земли прилив­ ной волны. Кульминации землетрясений происходили дважды за каждый оборот Земли относительно Луны и достигали наибольшей интенсивности в экваториально-тропическом поясе Земли.

1.5. Энергетика Земли К основным {первичным источникам энергии Земли!, запасен­ ным ею еще в процессе своего образования, можно отнести часть |энергии гравитационной аккреции земного вещества и энергию сжатия земных недр Л (За время образования Земли (порядка 108 лет) энергия аккреции, >равная|потенциальной энергии первичной.,Земди, взятой с об­ ратным знаком, оценивается\Еа = 23,61-Ю38 эрг.'{1асть полной энер­ гии аккреции ушла'на упругое сжатие земных недр Ее ~ 3,48-103 эрг.

^Остальная часть энергии Ева ~ 20,13-1038 эрг перешла в тепло! Если бы.Земля не.теряла интенсивно.ггепл о через поверхность в космос, то ее температура могла бы подняться до Т » 30 О О °С, и земное \ вещество полностью испарилось бы. Однако в действительности Ч^акогс^интенсивного разогрева не возникло, поскольку/формированшГЗемли происходило в течение 100 млн. летГ а энергия ударов планетезималей выделялась только в приповерхностных слоях рас­ тущей Земли и поэтому быстро терялась с тепловым излучением планеты. Первичный разогрев Земли скорее всего не был большим, а максимальная температура наблюдалась на глубинах 700-1000 км и достигала 1600-1800 К.

МПосле образования Земли к основным энергетическим процес­ сам, ^развивающимся в ее недрах,“можно отнести три процесса. Пер­ вый - процесс приливного взаимодействия Луны с Землей, который начал действовать с момента захвата Землей Протолуны. Второй процесс распада радиоактивных элементов. Третий - процесс гра­ витационной дифференциации земного вещества. Все остальные источники несоизмеримо меньше. Значительно больший тепловой поток солнечного излучения после ряда преобразований в атмосфе­ ре, гидросфере и биосфере и поверхностных слоях земной коры почти полностью отражается Землей, и поэтому он активно влияет только на процессы на поверхности Земли.

1.5.1 [Энергия приливного взаимодействия Земли и Луны Поскольку после образования Земли и Луны последняя находиласьТнедалеко от Землисто и ее приливное воздействие на нашу планету было значительно ©щгее сильным^ Не вдаваясь в детали, нетрудно подсчитать по разности кине­ тических энергий, потерянных Землей и приобретенных Луной за [_4,6 млрд. лет, что за это время в Земле должно было диссипировать приблизительно [3^3-1037 эрг?приливной энергии. Скорость выделе­ ния энергии была очень неравномерная! Сразу после образования Луныхкорость выделения приливной энергии достигала гигантских значений 4.5,5-1024 эрг/с (рис. 1.2), что почти в 13 000 раз превышает скорость генерации эндогенной энергии в современной Земле.

Рис. 1.2. Скорость выделения в Земле приливной энергии Е,.

Однако уже/через 1 млн. лет приливная теплогенерация' снизи­ лась в 1000 раз, а еще через 100 млн. лет достигла уровня 7- эрг/с и в дальнейшем снижалась до 1,2 -Ю20 эрг/с в конце катархея около 4,0-109 лет назад.\3а это время выделилось 2,1-Ю37 эрг тепло­ вой энергии! приливного происхождения, и поскольку Земля в этот период еще не была стратифицирована, то (приливная энергия рас­ пределялась практически по всей массе Земли и целиком уходила на ее разогрев.^ В результате только за счет энергии приливного взаимодействия за этот период Земля должна была прогреться на 500 °С. л-.Второй ^тепловой” удар, приливного происхождения пришелся на|начало архея| сразу поел вы явления у Земли за счет ее прогрева [астеносферы./Объясняется это тем, что приливные деформации планеты в основном концентрируются в слоях с наименьшими зна­ чениями модуля жесткости и вязкости, т.е. в слоях, наиболее легко поддающихся деформациям. После предварительного прогрева Зем­ ли в катархее и начала формирования астеносферы в раннем архее приливные деформации стали концентрироваться в основном, в слое верхней мантии (гидросферы тогда еще не было). Амплитуда второго пика была значительно меньше - приблизительно 1022 эрг/с. \ / Всего за ранний архей - (4,0-3,2)-млрд. лет назад, в верхней мантии Земли выделилось около МО37 эрг тепловой энергии^ при­ чем большая часть - за первые 100 млн. лет - 0,6-1037 эрг. Этой энергии хватило бы на разогрев верхней мантии еще на 500 °С. Од­ нако, существенного разогрева ее тогда, по-видимому, еще не про­ исходило, поскольку (начавшийся процесс химико-плотностной дифференциации земного вещества приводил к тому, что тепло опускалось вниз и способствовало разогреву первоначально отно­ сительно холодных нижних слоев Земли, j Количество выделяющейся в Земле приливной энергии далее уменьшалось, особенно после образования океанов с обширными шельфами, где сейчас и расходуется основная часть энергии при­ ливного взаимодействия Луны и Земли.'Всего за первые 30 % жиз­ ни Земли выделилось 94 % приливной энергии, а за последующие 70 % - всего 6 % (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Зависимость от времени выделившейся приливной энергии в Земле Et (заштрихованная область - приливная энергия, выделившаяся в гидросфере Земли) Можно сказать, что приливная энергия сыграла свою исключи­ тельную роль именно на самом первом этапе жизни нашей планеты.

Затем в энергетике Земли, начиная с архея и во все последующие эпо­ хи, доминировала энергия гравитационной дифференциации Земли.

1.5.2. \Энергия распада радиоактивных элементов в Земле / Идеи о радиогенных источниках тепла в Земле сыграли важ­ ную положительную роль в становлении современных взглядов на образование и эволюцию Земли. Гипотеза О.Ю. Шмидта о “холод­ ном” происхождении Земли и других планет Солнечной системы могла появиться, безусловно, тогда, когда был открыт новый мощ­ ный источник энергии, способный расплавить земные недра (без привлечения концепции “горячего” происхождения планет) и обес­ печить тектоническую активность Земли. Однако (трудности с оцен­ кой концентрации радиоактивных элементов в мантиидЗемли при­ вели к значительному завышению величины выделившейся энергии за счет этого источника, а следовательно, и его роли в геологиче­ ской истории Земли.

Рис. 1.4. Скорость выделения радиогенной энергии:

По современным оценкам/за все время существования Земли выделилось около 4,27-1037 эрг радиогенной энергии], причем в катархее за 600 млн. лет выделилось приблизительно 1,13-1037 эрг, т.е.

\меньше, чем выделилось энергии за счет приливного взаимодействия \ Земли и Луны за то же время. За весь архей, с 4-109 до 2,6-102 лет на­ зад, в Земле выделилось приблизительно 1,65-1037 эрг радиогенной энергии. За остальные 2,6 млрд. лет выделилось 1,49-1037 эрг энер­ гии (рис. 1.4).

Вклад радиоактивных элементов в энергетические источники, питающие собой начало тектонической активности Земли и ее дальнейшее развитие, оказался более скромным по сравнению с приливной энергией в катархее и, как увидим далее, энергией диф­ ференциации вещества в теле Земли. Но тем не менее этот вклад достаточно заметен как в догеологический период развития Земли, так и в последующие годы. И в настоящее время он лишь в два с небольшим раза меньше энергии дифференциации вещества Земли, притом что вклад в энергетику Земли приливного взаимодействия Земли и Луны ничтожно мал.

1.5.3) Энергия гравитационной дифференциации вещества Земли Энергия гравитационной дифференциации земного вещества возникла тогда, когда начался процесс |дифференциации земного вещества на плотное окисно-железное ядро и остаточную более легкую силикатную оболочку - земную мантию. Численно энергия гравитационной дифференциации равна разности между потенци­ альной энергией /4j0 однородной Земли, которой она обладала не­ посредственно перед началом процесса выделения земного ядра (т.е. около 4,0-109 лет назад), и потенциальной энергией Uo,о совре­ менной расслоенной Земли:

По современным последним оценкам полная! энергия гравита­ ционной дифференциации Земли Eg = 1,46-1038 эрг^ т.е. значительно превышает как энергию радиоактивного распада элементов, так и приливного взаимодействия Земли и Луны. Выделяющаяся в не­ драх Земли энергия гравитационной дифференциации ее вещества в большей своей части переходит сначала в кинетическую энергию конвективных движений, а затем в тепло, а часть энергии расходу­ ется на дополнительное сжатие земных недр, возникающее благо­ даря концентрации плотных фаз в центральных зонах Земли.

Графики выделения и скорости генерации тепловой компонен­ ты гравитационной энергии приведены на рис. 1.5 и 1.6. Из приве­ денных графиков видно, что гювышенная скорость "выделения/гра­ витационной рнергйи наблюдалась у ж е^ са м о м раннем архе$ (око­ ло 4,0-3,8-109 лет назад) - в то время выделялось в виде тепла при­ мерно 8,5-1020 эрг/с гравитационной энергии, или почти в 3 раза больше, чем сейчас (около 3 -1020 эрг/с).

Рис. 1.5. Зависимость от времени выделившейся энергии гравитационной дифференциации Земли Eg (тепловая составляющая) После некоторого снижения скорости выделения гравитацион­ ной энергии в среднем архее уж е в позднем архее вновь наблюдался существенный всплеск выделения гравитационной энергии, достиг­ ший пика 3 млрд. лет назад - 33-1020 эрг/с. С [максимальной же скоро­ стью эта энергия выделялась около 2,6 млрд. лет назад во время фор­ мирования у Земли плотного ядра. В то время EgTa 46,5-1020 эрг/сДт.е.

превышала современную скорость выделения гравитационной энер­ гии более чем в 15 раз. В это время тектоническая активность Земли была наибольшей за всю историю Земли.

Рис. 1.6. Скорость выделения тепловой составляющей гравитационной энергии E g (пунктирной линией отмечен момент образования у Земли плотного ядра).

После выделения земного ядра в самом конце архея скорость генерации гравитационной энергии в раннем протерозое резко упа­ ла до 9-1020 эрг/с.'Дальнейший процесс гравитационной дифферен­ циации Земли протекал уже значительно спокойнее, постепенно сни­ жаясь до современного уровня выделения энергии EgT~ 3 1020 эрг/с. В \ будущем это затухание 'процесса выделения энергии продолжится.

* Таким образом, на первом этапе развития Земли в катархее оп­ ределяющую роль в ее энергетике сыграли два основных источни­ ка: приливное взаимодействие Земли и Луны и распад радиоактив­ ных элементов в Земле. Начиная с момента начала дифференциации вещества в теле Земли, т.е. начиная с 4,0 млрд. лет назад, опреде­ ляющую роль в энергетике нашей планеты стали играть именно эти процессы, т.е. тепловая составляющая энергии гравитационной дифференциации Земли. | 1.6. Общие представления о бародиффузионной модели конвекции мантии Расслоение первоначально однородной и холодной Земли на плотное ядро и остаточную силикатную оболочку - ее мантию показывает, что, начиная с 4 млрд. лет назад, начал действовать эффективный механизм химико-плотностной дифференциации зем­ ного вещества. Изучение энергетического баланса Земли показало, что и сегодня этот процесс не только продолжает действовать, но и является наиболее мощным из всех других эндогенных энергетиче­ ских процессов.

Благодаря действию механизма гравитационной дифференциа­ ции земного вещества в мантии Земли возникает и развивается ин­ тенсивная конвекция, приводящая к перемешиванию ее вещества и дрейфу литосферных плит по поверхности Земли.

Одной из сложностей при разработке теории выделения земно­ го ядра было то, что температура плавления силикатов значительно превышает температуру мантии. При тех давлениях, которые суще­ ствуют на ее подошве, необходима температура, превышающая °С. Температуры же в действительности на этих глубинах близки к 2800 °С. Это затруднение заставило сделать предположение, что вы­ деление окислов железа из силикатов мантии происходит благодаря распаду твердых растворов под влиянием высоких давлений и диф­ фузии окислов железа в межгранулярные пространства мантийного вещества. Окислы железа, диффундировавшие из кристаллов и зерен силикатов при высоких давлениях, господствующих в нижней ман­ тии, уже не могут вернуться обратно и должны постепенно накапли­ ваться в межгранулярных пространствах:

При подъеме 3FeO + О -» Fe30 4.

В докембрии, когда еще сохранялось железо в мантии, кисло­ род расходовался на окисление железа:

Выделение окислов железа в ядро Земли происходит благодаря их диффузии из кристаллов и зерен мантийного вещества при их приближении к ядру. Отдельные выделения расплавленных окислов железа сливаются между собой в единую систему связанных друг с другом жидких пленок, обволакивающих некоторые кристаллы и зерна мантийного вещества, образуя что-то, напоминающее магма­ тическую кашу.

Под нисходящими конвективными потоками, под более тяже­ лыми участками мантии обязательно должны возникать мантийные выступы или корни нисходящих потоков, а под восходящими пото­ ками, наоборот, должен наблюдаться подъем поверхности ядра (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Схема конвективных течений вблизи границы ядро - мантия В настоящее время с помощью сейсмической томографии ядра получены доказательства реальности этого вывода: такие неровно­ сти на границе мантия - ядро действительно существуют и перепа­ ды рельефа в них достигают до +10 км.

Большие перепады плотности на границе между ядерным и мантийным веществом (8р « 4г/см3) могут привести к появлению в корнях нисходящих потоков значительных растягивающих напря­ жений. Они не возникают только потому, что происходит выравни­ вание рельефа за счет перетекания мантийного вещества под по­ дошву восходящих потоков, что компенсируется новыми нисходя­ щими порциями вещества.

Под влиянием давления из межгранулярных пространств дезынтегрированного мантийного вещества в ядро постепенно отжи­ мается большая часть окислов железа. При этом силикатные кри­ сталлы и зерна за счет развивающихся в них пластических дефор­ маций и процессов межгранулярной диффузии вновь постепенно спаиваются между собой в “сплошное” вещество. Но железа в нем оказывается меньше и потому плотность в восходящих потоках за­ метно меньше, чем в нисходящих. Возникающая за счет этого в гра­ витационном поле Земли подъемная (архимедова) сила в конечном итоге и приводит в движение конвективный массообмен в мантии.

Диффузия окислов железа в кристаллах, попавших в восходя­ щие потоки, должна теперь развиваться в обратном направлении.

Из межгранулярных пространств в силикаты постепенно диффун­ дируют все остатки окислов железа.

Вязкость ядерного вещества на внешней границе ядра сравни­ тельно низкая. При низкой вязкости и больших перепадах плотно­ сти между ядерным веществом и взвешенными в нем кристаллами и зернами силикатов, текущими по поверхности ядра, потоки рас­ павшегося на гранулы мантийного вещества должны быть доста­ точно стремительными и относительно тонкими. Вероятнее всего, эти потоки разбиваются на отдельные струи, текущие по подошве мантии (по поверхности ядра) подобно рекам. Скорость таких струйных потоков может достигать многих сантиметров и даже метров в секунду.

При столь высоких скоростях течений на эти потоки, очевидно, действует кориолисово ускорение, отклоняющие их к экваториаль­ ным зонам, а движение захваченного ими проводящего вещества приводит к появлению мощнейших электрических потоков и маг­ нитных полей. Вероятно, что геомагнитное поле обязано своим происхождением именно таким струйным течениям на поверхности ядра, замыкающим конвективный массообмен в мантии. Во всяком случае, такой связью геомагнитного поля с конвективными движе­ ниями в мантии можно объяснить существующую зависимость час­ тоты перемагничивания поля с тектонической периодизацией исто­ рии Земли. Кроме того, только этот механизм позволяет совместить дифференциационно-конвективную модель развития Земли с самим фактом существования магнитного поля. В этой модели разогрев ядра происходит только с его поверхности. Следовательно, в ядре существует устойчивая стратификация, препятствующая возникно­ вению в нем конвективных течений, с которыми ранее обычно свя­ зывали происхождение магнитного поля Земли в наиболее попу­ лярных гипотезах геомагнитного динамо.

Подчеркнем еще раз, что основная энергия при барродиффузионной сепарации ядерного вещества от силикатного сопровождения выделяется на подошве мантии. Поэтому в мантии наблюдается неустойчивая температурная стратификация, а в ядре - устойчивая.

1.7. Формирование литосферы и тектоническая активность Земли После образования астеносферы начался процесс выделения земного ядра. В это время произошло новое резкое усиление при­ ливного взаимодействия Луны с Землей. Сейчас можно достаточно уверенно утверждать, что это произошло около 4 млрд. лет назад.

После начала процесса выделения земного ядра Земля прогре­ лась настолько, что в ее недрах появились первые расплавы. Про­ цесс сепарации плотного ядерного вещества от силикатов должен был начаться сразу же, после того как температура Земли за счет приливного взаимодействия с Луной и распада радиоактивных эле­ ментов поднялась до уровня начала плавления железа и его окислов в области локального максимума температуры. Как только содер­ жавшееся в веществе молодой Земли свободное железо стало пла­ вится, процесс дифференциации земного вещества смог уже рас­ пространятся и в верх, и в глубь Земли самопроизвольно, только за счет высвобождения гравитационной энергии дифференциации земного вещества. Процесс этот устойчив и может поддерживать себя в незатухающем режиме действия.

Возникшие конвективные течения сломали первозданную литосферную оболочку. После этого разломанная первоначальная лито­ сфера должна была быстро и полностью погрузиться в мантию. Она, будучи богатой железом, была достаточно тяжелой (до 4 г/см3) по сравнению с верхней мантией, которая благодаря начавшейся диффе­ ренциации вещества уже была менее плотной (3,5-3,6 г/см3). В это же время (около 3,8 млрд. лет назад) появились и первые изверженные породы (плотностью около 2,9-3,0 г/см3), которые начали формиро­ вать на поверхности Земли древнейшие участки земной коры. Таким образом, вся первичная литосфера Земли за время около 100 млн. лет полностью погрузилась в расплавленную верхнюю ман­ тию и переплавилась. Из геологической истории планеты были пол­ ностью стерты все следы катархейского периода ее развития. Фраг­ менты первичной и древнейшей земной коры в основном характери­ зуются возрастом, не превышающими (3,75-3,8) млрд. лет.

В итоге, процесс выделения земного ядра начался около 4,0 млрд. лет назад, а тектоно-магматическая активность Земли про­ явилась на ее поверхности уже через 200 млн. лет в виде появления древнейших изверженных пород, первой воды, начала формирова­ ния атмосферы и наиболее примитивных форм жизни.

Рис. 1.8. Последовательные этапы развития процесса зонной дифференциации земного вещества и формирования плотного ядра Земли. Черным показаны расплавы железа и его окислов, черточками - первичное земное вещество; ради­ альной штриховкой - континентальные массивы Описывая специфику тектонических процессов в архее, важно подчеркнуть, что “накачка” приливной энергии в астеносферу тогда происходила в основном в экваториальном поясе Земли. Поэтому и первые зачатки континентальных массивов могли возникнуть лишь в приэкваториальных областях. Однако после начала действия гра­ витационной энергии дифференциации земного вещества пояс тек­ тонической активности Земли постепенно расширялся. К концу архея, около 2,6 млрд. лет назад, тектоническими движениями оказа­ лась охвачена уже вся Земля в целом (рис. 1.8).

Но первые, наидревнейшие зародыши будущих континентов могли образоваться только в низких широтах. По-видимому, их бы­ ло несколько, и образование их происходило, начиная с раннего архея. В конце позднего архея, около 2,8 -2,6 млрд. лет назад, когда в недрах Земли стал развиваться катастрофический процесс образо­ вания земного ядра, в мантии Земли установилась одноячеистая конвективная структура с исключительно интенсивными течениями мантийного вещества, направленными от одного полюса планеты к другому. В результате в конце позднего архея все обособленные до этого континентальные массивы стали стремительно перемещаться к одному из полюсов Земли, сталкиваться друг с другом, сущест­ венно деформироваться и объединяться в единый континентальный массив. По-видимому, именно таким путем и возник первый в ис­ тории нашей планеты суперконтинент Моногея в районе Южного полюса Земли.

По оценкам около 70 % континентальной коры было сформиро­ вано уже 2,6 млрд. лет назад, т.е. в архее. При этом за первые 700 лет, (3,9-3,2) млрд. лет назад, образовалось только около 15 % земной коры, остальная часть образовалась в последующие 600 млн. лет. За оставшиеся 2,6 млрд. лет образовалось около 30 % земной коры, при этом за последние бООмлн. лет - немногим более 3 %. В даль­ нейшем рост коры прекратится, и наступит фаза ее необратимого разрушения.

Тектоническую активность Земли можно хорошо представить на основе анализа потерь идущего из мантии глубинного тепла или эволюции средней скорости движения океанических литосферных плит, которые связаны между собой выражением где Qm - глубинный тепловой поток, S0 K- площадь океанической коры.

Рис.1.9. Эволюция средней скорости движения океанических литосферных плит, На рис. 1.9 изображен график V) (1), рассчитанный О.Г. Сорохтиным. Как видно из этого графика, в позднем архее наблюдался резкий всплеск тектонической активности, и скорость движения тектонических плит достигала 250 - 270 см/год, т.е. в 50 - 55 раз превышала их современную скорость движения. В раннем архее скорость перемещения плит была заметно ниже. Особенно заметно снижалась тектоническая активность в среднем архее, что связано с расходом тепла на разогрев первозданного вещества на глубинах свыше 800 - 1000 км.

Начиная с раннего протерозоя, скорость движения плит после­ довательно снижалась с 40 см/год до ее современного значения около 5 см/год. Не так давно получены количественные оценки, подтверждающие концепцию глобальной тектоники, горизонталь­ ных движений литосферных плит на основе спутниковых техноло­ гий. С помощью лазерной локации скорости горизонтальных дви­ жений определяются с точностью до ± 1 мм/год. Снижение средней скорости движения плит будет происходить и далее, вплоть до того момента, когда благодаря увеличению мощности океанических плит и их трению друг о друга оно не прекратится вообще. Про­ изойдет это, по-видимому, через 1,0- 1,5 млрд. лет.

Со скоростью движения плит связана и средняя продолжитель­ ность их жизни. Так, в современную эпоху средняя продолжитель­ ность жизни океанических плит составляет около 120 млн. лет, а в позднем архее она снижалась до 4 млн. лет.

В целом тектоническое развитие Земли, начиная с протерозоя, проходило по законам тектоники литосферных плит и принципи­ ально не отличалось от тектонического режима современности.

Тектоническое развитие Земли в архее более сложное и определя­ лось малой продолжительностью жизни литосферных плит (меньше 16 млн. лет), их малой мощностью (менее 30 км), существенной перегретостью (на 400 - 500 °С) верхней мантии по сравнению с ее современным состоянием. Плотность литосферных плит в течение всего позднего архея была меньше плотности верхней мантии, и поэтому они в тот период не могли погружаться в мантию. В ре­ зультате вместо привычных сейчас зон субдукции в области сжатия литосферной оболочки (т.е. над нисходящими конвективными те­ чениями мантийного вещества) возникали зоны торошения тонких океанических литосферных пластин. Поэтому иногда процессы в архее в отличие от более позднего периода определяют как текто­ ника тонких литосферных пластин. И именно эти процессы привели в конечном итоге к образованию архейской континентальной коры.

После завершения в конце архея бурного процесса выделения в недрах Земли окисно-железного ядра, в котором тогда оказалось со­ средоточенным до 65 % массы современного ядра, дальнейший тек­ тонический режим развития планеты стал более спокойным. Резко увеличилось время жизни и мощности литосферных плит. Плотность плит в результате стала выше плотности мантии, и, как следствие, на смену зонам торошения и скучивания тонких литосферных пластин появились нормальные зоны поддвига плит современного типа. Кро­ ме того, около 2,5 млрд. лет назад существенно изменились состав и строение океанической коры, и вместо чисто базальтовой коры архея уже в самом начале протерозоя сформировался ее серпентинитовый слой - основной резервуар содержащейся в океанической коре свя­ занной воды. Начиная с протерозоя, существенно изменился и сам процесс формирования континентальной коры.

Определяющей чертой тектонического развития Земли в про­ терозое, фанерозое и будущем является постепенное затухание ее эндогенной активности, хотя на этом фоне в отдельные периоды происходили как всплески активности, так и локальные ослабления.

Всплески тектонической активности обычно вызывались установ­ лением в мантии одноячеистых конвективных структур. Именно в такие периоды формировались и все суперконтиненты прошлого:

докембрийские Моногея (2,6 млрд. лет назад), Мегагея (1,8 млрд.

лет назад), Лавразия с Гондваной (около 1 млрд. лет назад) и Палео­ зойская Пангея (450-350 млн. лет назад). Не исключено, что при­ мерно еще через 300 млн. лет на Земле возникнет один или два су­ перконтинента типа Лавразии и Гондваны, поскольку можно ожи­ дать возникновения на Земле в это время одно- или двухъячеистой конвективной структуры. Наконец, в будущем, приблизительно еще через 1,0- 1,5 млрд. лет, ожидается, если хватит энергии, возникно­ вение последнего в геологической истории Земли гипотетического суперконтинента Гипергея. Однако все, без исключения, возникав­ шие в прошлом суперконтиненты всегда оказывались неустойчи­ выми образованиями. Уже через 100 - 150 млн. лет после своего образования под центральными областями суперконтинентов начи­ нали действовать мощнейшие восходящие конвективные потоки, раскалывавшие гигантские континентальные плиты на части, кото­ рые дрейфовали затем в центробежных направлениях от этих вос­ ходящих потоков.

Последний, завершающий этап в геологической истории Земли будет связан с ее предстоящей тектонической смертью приблизи­ тельно через 1,0-1,5 млрд. лет, после почти полного исчерпания источников энергии в земных недрах. Доля “ядерного” вещества, уже перешедшего в ядро, сейчас равняется 86,3 %. Таким образом, процесс гравитационной дифференциации вещества в теле Земли осуществился на 86,3 %. После его полного перехода в ядро пре­ кратятся взаимные перемещения литосферных плит, ослабнет сейс­ мическая активность (в охлаждающейся и сжимающейся литосферной оболочке будут происходить лишь слабые термические земле­ трясения); усилится проявление разрушающих земную кору экзо­ генных факторов выветривания пород и выравнивания рельефа.

Рис. ИО.Зависимость светимости Солнца от времени, (по Л. Аллеру, 1976).

Однако самые большие “неприятности” в будущем ожидают Землю со стороны Солнца. Звезды, подобные Солнцу, по мере ис­ черпания своего ядерного горючего (водорода, гелия, углерода и некоторых других элементов), постепенно расширяются за счет пе­ ремещения зоны “ядерного горения” из центральных областей звез­ ды ближе к поверхности, а это приводит не только к увеличению ее радиуса, но и к повышению поверхностной температуры и, как следствие, - светимости. За 4,6-млрд, лет своего существования све­ тимость Солнца уже увеличилась приблизительно на 25-30 %. В дальнейшем светимость Солнца будет возрастать еще быстрее (рис. 1.10), что неизбежно приведет вначале к сильному парнико­ вому эффекту на Земле, а затем и к вскипанию океанов и их полно­ му испарению. Звезды солнечной массы оканчивают свой эволюци­ онный путь приблизительно через 9 -1 0 млрд. лет гигантским взры­ вом, превращаясь при этом в белый карлик. Сброшенная же звезда­ ми оболочка, гигантским шквалом проносясь мимо нашей планеты, полностью сдует с нее атмосферу и гидросферу и частично испарит верхние слои земной коры. Однако произойдут эти события еще очень не скоро.

Глава 2. ОБРАЗОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ГИДРОСФЕРЫ

И АТМОСФЕРЫ

Молодая Земля в катархее была лишена как гидросферы, так и заметной атмосферы. Эти две внешние подвижные геосферы воз­ никли на Земле только благодаря дегазации мантии Земли. Дегаза­ ция мантии началась лишь после образования астеносферы и воз­ никновения процессов дифференциации земного вещества. Лишь тогда появились первые признаки эндогенной тектонической ак­ тивности на земной поверхности, и произошло это 4,0 -3,8 млрд. лет назад.

Дегазация мантии Земли существенно зависела не только от тектонической активности нашей планеты, определяемой интен­ сивностью конвективных движений в мантии, но также и от ее хи­ мического состава. Поэтому рассмотрим вначале основные черты эволюции химического состава мантии, изложенные О. Г. Сорохтиным и С.А. Ушаковым.

2.1. Химическая эволюция конвектирующей мантии Очень важным для эволюции Земли является эволюция содер­ жания железа в мантии Земли.

Удаление железа, его соединений и других тяжелых элементов (Fe, FeO, FeS, Ni) из исходного земного вещества в зоны сепарации тяжелых фракций, как и дальнейший переход этих элементов из самой мантии в образовавшееся земное ядро, а легкоподвижных элементов (Н20, К 20, Na20, С 0 2,N2 ) в земную кору, атмосферу и гидросферу, сопровождались соответствующими изменениями хи­ мического состава конвектирующей мантии. Упрощенная кривая эволюции относительных концентраций некоторых из породообра­ зующих окислов по О.Г. Сорохтину приведена на рис. 2.1.

Из рисунка следует, что количество железа в мантии Земли в те­ чении архея и протерозоя сокращалось, поскольку железо, как и его окись, тратились на образование «ядерного» вещества по формуле:

Рис. 2.1. Эволюция химического состава мантии Земли в относительных концентрациях (по О.Г. Сорохтину, С.А. Ушакову, 1991).

Расчеты показали, что около 500 млн. лет назад концентрация свободного железа в мантии упала до нуля. Несмотря на приблизи­ тельность расчетов, их результаты удивительно близко совпадают с возрастом главного рубежа в развитии высокоорганизованной жиз­ ни на Земле - рубежа между протерозоем и фанерозоем. И совпаде­ ние это отнюдь не случайное - оно определяет исчезновение из мантии, а следовательно, и из рифтовых зон Земли, металлического железа - главного химического реагента, активно поглощавшего кислород из гидросферы (и атмосферы) в течение всей докембрийской истории развития Земли. Лишь после почти полного исчезно­ вения металлического железа из конвектирующей мантии в земной атмосфере стал накапливаться вырабатываемый растениями кисло­ род в количествах, достаточных для появления и нормального функционирования животных форм жизни на Земле.

После исчезновения металлического железа образование ядерного вещества в нижней мантии уже происходило по другой реакции:

Выделяющийся кислород вновь связывл окислы железа, фор­ мируя магнетитовую компоненту мантии:

Суммарную реакцию можно записать в виде Исходя из соотношения весовых частей этой реакции, О.Г. Сорохтин и С.А. Ушаков определили, что приблизительно через 600 млн.

лет все еще сохранившееся в мантии железо окажется окисленным до устойчивой в условиях мантии магнетитовой фазы Fe30 4. Далее, на третьем этапе действия бародиффузионного механизма диффе­ ренциации Земли, образование ядерного вещества должно пойти по реакции распада магнетита.

Освобождающийся при этом кислород уже не будет более за­ держиваться в конвектирующей мантии, а сможет беспрепятствен­ но поступать в гидросферу и атмосферу. Начиная с этого момента парциальное давление кислорода в атмосфере станет существенно (на 1 бар за 1 млн. лет) возрастать, что, безусловно, губительно скажется на всей наземной жизни, и только ограниченная раство­ римость кислорода в воде позволит ей сохраниться на какое-то вре­ мя в океане.

Наряду с очень важными для Земли изменениями концентра­ ции железа в ее мантии изменялось содержание и других состав­ ляющих. Закономерно повышалось содержание наиболее распро­ страненных и малоподвижных окислов: S i0 2, MgO, А120 3, СаО.

В настоящее время их концентрация в мантии примерно в 1,5 раза выше, чем в первичном земном веществе. Концентрация такого подвижного соединения, как Na20, также несколько повысилась. Со­ единения Н20, К20 и С 0 2 выносились из мантии в большей степени, поэтому их содержание уменьшилось приблизительно в 2 раза. В еще большей мере сократились в мантии концентрации радиоактивных элементов U и Th. Происходило это по двум причинам: за счет рас­ пада и благодаря их преимущественному переходу в континенталь­ ную кору.

2.2. Формирование гидросферы Земли 2.2.1. Накопление воды в гидросфере Земли По современным оценкам в Мировом океане сосредоточено 1,37-1024 г воды. Кроме того, большое количество воды находится в континентальной коре, в водоемах и ледниках на поверхности кон­ тинентов - 0,44-1024 г. Наконец, в океанической коре также содер­ жится приблизительно 0,36-1024 г воды. Всего же во внешних гео­ сферах Земли содержится 2,17-1024 г воды, или 2,17-Ю9 км3. Таким образом, за 4 млрд. лет из земных недр выделилось большое коли­ чество воды, составляющее немногим больше 50 % всей воды на Земле. По современным оценкам 2,04-1024 г воды все еще находится в мацтии Земли. Отсюда можно предполагать, что воды на Земле 4,21 1024 г (скорее всего это верхний предел).

Рис. 2.2. Время, предполагаемое для аккумуляции воды на земной поверхности по разным моделям (по Т. Шопфу, 1982).

Начиная с 50-х годов (после появления в 1951г известной рабо­ ты В. Руби о геологической истории морской воды) стало общепри­ знанным представление о том, что происхождение океанов и даль­ нейшее накопление в них воды определялось дегазацией Земли и, таким образом, полностью зависело от эндогенных режимов ее раз­ вития. В первых моделях скорость дегазации мантии принималась произвольной или обосновывалась только общими соображениями.

Отсюда и скорость, с которой аккумулировалась вода в океане, до недавнего времени была предметом дискуссии. Были предположе­ ния, что современный океан образовался очень быстро - в течение 1 - максимум 2 млрд. лет (pine. 2.2, кривые А и В). Существовало представление о постепенном, равномерном накапливании воды в океане (рис. 2.2, кривая С) и, наконец, что основная вода поступила в океан в последние 200 - 300 млн. лет назад (рис. 2.2, кривая D).

Только создание общей теории эволюции Земли (О.Г. Сорохтин, С.А. Ушаков, 1991) позволило расчетным методом получить кривую накопления воды в гидросфере и океане Земли. На чем ос­ новывались расчеты? Были подсчитаны объемы воды в гидросфере и мантии Земли в настоящее время. Но главное удалось надежно определить количество воды во внешних оболочках и в океане Зем­ ли 2,2 млрд. лет назад. Срок этот был определен на основе того мо­ мента, когда увеличивающийся в своем объеме океан перекрыл сре­ динно-океанические хребты с расположенными на них рифтовыми зонами. Этот момент очень четко оказался зафиксированным в гео­ логической истории Земли. До этого момента не могла существо­ вать циркуляция воды в океане, а следовательно, и широкий вынос минеральных веществ из рифтовых зон Земли в океан. Поэтому только после полного насыщения океанической коры водой и неко­ торого подъема поверхности океана над уровнем гребней срединно­ океанических хребтов в океаны стали в изобилии выносится мине­ ральные компоненты океанической коры. Должна была измениться геохимия океанических осадков. В их составе должны были поя­ виться осадки, в изобилии выносимые из мантии. Наиболее харак­ терным элементом и ярким индикатором искомого рубежа, безус­ ловно, является железо. ^Поднимаясь вместе с горячим мантийным веществом в рифтовые зоны, оно вступало там в реакцию с морской водой, образуя хорошо растворимую двухвалентную гидроокись железа Гидроокись железа стала разносится по всему океану. На мел­ ководьях с богатым фитопланктоном она окислялась микро­ водорослями:

или могла окисляться абиогенным путем под действием жесткого ультрафиолетового излучения:

Трехвалентное железо, нерастворимое в воде, тут же осажда­ лось на дно, формируя крупнейшие железорудные месторождения мира.

Геологическая история Земли выделяет две очень четкие эпохи железорудонакопления: первая относится к периоду 2,7 - 2,5 млрд. лет назад. Вторая, наиболее крупная эпоха, с которой связано более 90% всех мировых запасов железа, проявившаяся почти на всех континентах, началась 2,2 млрд. лет назад. Дальнейший анализ по­ казал, что перекрытие срединно-океанических хребтов происходило дважды: первое в позднем архее, приблизительно 2,7 - 2,5 млрд. лет назад, а второе и окончательное после 2,2 млрд. лет назад. Причи­ нами этого были изменения тектонической активности Земли.

1 - суммарная масса дегазированной из мантии воды 2 - масса воды в океане ;

3 - масса воды, связанной в океанической коре ; 4 - масса воды, связанной в кон­ тинентальной коре т “к. (по О.Г. Сорохтину, С.А. Ушакову, 1991).

Суммарная масса воды в период после 2,2 млрд. лет назад при­ близительно равнялась 0,893-1024 г, масса воды в океане - 0,349- г, масса воды в континентальной коре - 0,17-1024 г и в океанической коре - 0,378-1024 г. Таким образом, в этот последний период в океа­ нах было чуть больше 25 % современной воды, на континентах около 39 %, а в океанической коре содержалось примерно на 5 % воды больше, чем ее содержится в настоящее время. Общая (рассчи­ танная) схема накопления воды в гидросфере Земли представлена на рис. 2.3, а скорости дегазации воды из мантии на - рис. 2.4. Как видно из рисунков, скорость дегазации воды из мантии в архее была отно­ сительно умеренной, несмотря на высокую тектоническую актив­ ность Земли в ту эпоху. С максимальной скоростью дегазация воды из мантии происходила уже после выделения у Земли плотного ядра и перехода ее тектонического развития к тектонике литосферных плит, т.е. в самом начале протерозоя (около 2,5 млрд. лет назад), и достигала тогда тт ~ 1,5-1015 г/год, или 1,5 км3/год. С тех пор ско­ рость дегазации воды закономерно снижалась до современного уровня т™=0,23 км3/год.

Рис. 2.4. Скорости дегазации воды из мантии т а То, что основная масса воды выделилась из мантии уже после выделения у Земли плотного ядра, объясняется тем, что до сформи­ рования земного ядра дегазация воды происходила не из всего си­ ликатного вещества Земли, содержащего ювенильную воду, а толь­ ко из его части, охваченной конвективными движениями. Масса же конвектирующей мантии в архее, особенно раннем, составляла лишь незначительную часть всего земного вещества, содержащего в себе тогда ювенильную воду. В протерозое и фанерозое, после об­ разования ядра, все силикатное вещество и вся ювенильная вода оказались сосредоточенными в конвектирующей мантии, и поэтому дегазация Земли после архея стала более эффективной.

Снижение скорости поступления ювенильной воды в Мировой океан продолжится и в будущем. Отсюда следует, что основная масса воды (1,71-Ю24 г) перешла из мантии в земную гидросферу только в протерозое и фанерозое, когда тектонический режим стал значительно более спокойным. В бурное же время архея выдели­ лось приблизительно только 0,46-1024 г воды, что в 3,8 раза меньше.

В будущем, при общем и еще большем снижении тектониче­ ской активности Земли, мощность осадков, отлагаемых на дне океа­ нов, будет возрастать. Осадки не меньше, чем серпентиниты, свя­ зывают воду. Поэтому в будущем содержание связанной воды в океанической коре вновь начнет возрастать, а масса воды в океане, наоборот, уменьшится.

2.2.2. Изменение уровня Мирового океана Наряду с определением поступления воды во внешние оболоч­ ки Земли удалось определить и изменение средней глубины океа­ нических впадин, отсчитываемой от гребней срединно-океаничес­ ких хребтов. Это позволило представить эволюционные изменения уровня Мирового океана (рис. 2.5). Как видно из рис. 2.5, в раннем архее средние глубины океана, в пересчете на равномерное покры­ тие всех океанических пространств Земли, были очень малы и из­ менялись от 50 до 200 м. Однако в реальных условиях раннего ар­ хея еще не существовало единого океана, а глубины отдельных и часто изолированных бассейнов были, естественно, большими и могли достигать 500 м.

Рис. 2.5. Эволюционные изменения уровня Мирового океана 5h и глубины океанических впадин ДА. Нулевой уровень - положение гребней срединно-океанических хребтов (по О.Г. Сорохтину, С.А. Ушакову, 1991).

В позднем архее средние глубины океана возросли до 350 - м, и тогда, по-видимому, на Земле впервые возникло единое зеркало водной поверхности Мирового океана. В раннем протерозое в связи с активной гидратацией пород серпентинитового слоя океанической коры наблюдалась временная остановка роста океанических глубин (на уровне 7 8 0 - 870 м). Начиная с 2,2-109 лет назад, средние глуби­ ны океана вновь стали быстро увеличиваться, и за первый милли­ ард лет после этого они возросли до 2900 м. Увеличение средних глубин Мирового океана продолжалось, и в настоящее время они достигают средней величины 4,5 км. Будет оно продолжаться и в дальнейшем (до 5 км), однако приблизительно через 1-109 лет рост средней глубины океана остановится в связи с возрастанием в то время поглощения вод толщей океанических осадков.

Можно также рассмотреть колебания уровня океана относи­ тельно более стабильного реперного уровня - гребней срединно­ океанических хребтов, средний уровень которых определяет собой средний радиус Земли. Из рис. 2.5 видно, что в раннем архее (около 3,8 млрд. лет назад), еще до взлома первичной литосферной обо­ лочки, но уже после начала дегазации Земли, можно предполагать существование широких и очень мелких (SH « 20 м) бассейнов, по­ крывавших тогда большую часть первозданной поверхности Земли.

Но как только первичная литосфера была сломана возникшими конвективными движениями в верхней мантии, и на смену ей воз­ никли базальтовые плиты со срединными хребтами и впадинами между ними, сразу же водная оболочка Земли должна была раз­ биться на ряд замкнутых и обособленных друг от друга морских бассейнов. Практически в течение всего раннего архея такие моря располагались лишь в самых глубоких частях океанических впадин, а гребни срединно-океанических хребтов возвышались над ними на 8 0 0 - 1000 м.

В связи с резкой и сильной активизацией тектонической дея­ тельности Земли в конце раннего архея, начиная с 3,2-109 лет назад, глубины океанических впадин начали сильно уменьшаться. В ре­ зультате около 2,8— 2,9-109 лет назад поверхность океана достигла среднего уровня гребней срединно-океанических хребтов, после чего начался этап насыщения водой базальтовой океанической коры того времени и около 150 - 200 млн. лет поверхность океана, веро­ ятно, совпадала со средним уровнем хребтов.

Около 2,7-109 лет назад океаническая кора уже полностью на­ сытилась водой, и уровень вновь стал подниматься, тем более что в этот период наблюдался новый мощный импульс тектонической активности в связи с образованием ядра. К концу архея (2,6-109 лет назад) поверхность океана перекрывала гребни срединно-океани­ ческих хребтов слоем воды около 600 м. В этот период на Земле образовался первый в ее истории суперконтинент Моногея, и тогда же должен был возникнуть и единый океан - Моноталасса.

После завершения образования земного ядра тектоническая ак­ тивность Земли резко снизилась, и вновь углубились океанические впадины. В раннем протерозое на дне океанов сформировался серпентинитовый слой - главный поглотитель воды в океанической коре:

4(Mg, Fe)2S i0 4 + 4H20 + 2 C 0 2 -> В результате уровень океана вновь снизился и в течение почти 300 млн.лет - с 2,5-109 до 2,2-109 лет назад - оставался на одном уровне с гребнями срединно-океанических хребтов. Наконец, после полного насыщения серпентинитового слоя, около 2,2 -109 лет назад, уровень океана вновь стал повышаться со скоростью 1 см за лет и за первый миллиард лет поднялся над гребнями хребтов на 1, км. Но одновременно с подъемом уровня увеличивалась и глубина океанических впадин. Это привело к тому, что в фанерозое, около 400 млн. лет назад, наступила временная стабилизация уровня Ми­ рового океана, после чего он начал понижаться. Прогрессивное по­ нижение уровня связано с общим ослаблением тектонической ак­ тивности Земли и соответствующим увеличением глубины океани­ ческих впадин. Продолжится понижение уровня и в будущем. В результате, примерно через 1,3-109 лет, срединно-океанические хребты могли бы вновь подняться над уровнем океана. Однако по прогнозу к этому времени океаны должны будут вскипеть и полно­ стью испариться.

Мы рассмотрели генеральный ход изменений уровня Мирового океана с момента его возникновения. На этот ход накладываются колебания меньших масштабов, приводящие к глобальным транс­ грессиям или регрессиям моря на континентах. Эти колебания уровня океана называют эвстатическими, и они охватывают весь его объем. Рассмотренные нами ранее эвстатические колебания уровня, наиболее медленные, с характерными периодами колебаний около 1,0-109 лет, определяемые эволюционными изменениями тек­ тонической активности Земли, имеют максимальные амплитуды до 1, 5 - 2,0 км.

Другой причиной колебаний уровня является также тектониче­ ская активность Земли, но связанная с периодическими перестрой­ ками структуры химико-плотностной конвекции в мантии, или ина­ че со скоростью спрединга океанического дна. Материал, наращи­ ваемый на срединно-океанических хребтах, является вначале разо­ гретым и относительно плавучим. С течением времени литосферная плита отодвигается в сторону, охлаждается, становится более плот­ ной, сжимается и опускается. Если скорость спрединга, или ско­ рость движения плиты, очень высокая, то океаническое дно на лю­ бом расстоянии от оси хребта не имеет достаточно времени для ос­ тывания, какое оно имело бы при “средних” условиях, и океаниче­ ское дно занимает относительно более высокое положение. По­ скольку объем воды в океане меняется значительно медленнее, то поверхность океана поднимается, и море наступает на континенты.