Полная версия

Главная arrow Экология arrow Науки о Земле

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

Основные закономерности развития земной коры

Земля - это огромная тепловая машина, эволюционирующая на протяжении 4,6 млрд лет. Из ее недр на поверхность непрерывно поступает тепло, которое и определяет эндогенные, т. е. внутренние процессы, происходящие в земной коре и верхней мантии. Тепловой поток со временем уменьшается, однако эта общая направленность осложняется скачками некоторого его увеличения, что, конечно, отражается на эволюции планеты.

К отрезку времени 4,2-4,0 млрд лет уже существовали внутреннее и внешнее ядро и мантия, за счет верхней части которой уже была

Горох Лен Лилия Морковь Табак Фасоль

РАСТЕНИЯ

Покрытосеменные

ГРИБЫ

ЖИВОТНЫЕ

АэсоЬ&из

Ыеигоэрогв

Позвоночные (хордовые) Человек Жаба (Хепориэ)

Оболочники Асцидии (Б^усіа)

Миксобактерии

Рис. 9. Схема эволюционного развития организмов.

Папоротники

Водный папоротник (АгоНа)

Бурые водоросли

Рисиз

Красные водоросли

создана первичная земная кора. Тепловой поток был в несколько раз выше современного, а поверхность планеты подвергалась мощной метеоритной бомбардировке, генерировавшей большое количество тепла.

О первых 0,6-0,5 млрд лет истории Земли, как уже отмечалось, ученым не известно практически ничего, поэтому это время называют догеологическим этапом. В архейском, древнейшем этапе развития планеты от 4,0 до 2,6-2,5 млрд лет происходило формирование уже настоящей континентальной земной коры, состоящей из двух слоев: верхнего - гранитогнейсового и нижнего - базальтового, или правильнее - гранулито-базитового, т. е. состоящего из высокомета-морфизованных пород, имеющих геофизические свойства базальтов.

К рубежу 1,7 млрд лет или к позднему докембрию (рифею) Земля приобрела современный вид. В ней уже существовали все известные оболочки. С этого времени, а возможно, еще в раннем протерозое (2,7-1,7 млрд лет) главная закономерность развития Земли заключалась в том, что ее кора оказалась разбитой на континентальные и океанические плиты. Континентальные плиты, сложенные земной корой, были относительно устойчивыми структурными единицами Земли и они чаще всего возвышались над морями и океанами, а океанические плиты, представленные океанической корой, слагали дно океанов и периодически раскалывались восходящими потоками тепла и вулканов вдоль линий срединно-океанических хребтов и раздвигались от них в разные стороны (рис. 10). При этом, встречаясь с континентами, океанические плиты, как более тяжелые, погружались под них (рис. 11). Места погружения океанических плит - это так называемые активные континентальные окраины с глубоководными желобами, окраинными морями и островными дугами, на которых происходят извержения вулканов. Подобные окраины сейчас весьма распространены (Курило-Камчатская континентальная окраина). Почти везде они сопровождаются землетрясениями. Существовали окраины и в далеком геологическом прошлом, что подтверждается сонахождением определенных осадочных и магматических пород - индикаторов подобных геологических обстановок.

Срединно-океанический хребет

Дивергентная (расходящаяся) граница литосферных плит

Рис. 10. Дивергентная (расходящаяся) граница литосферных плит.

Следует отметить, что гипотезы расширения Земли (не следует путать с расширением океанического дна) или ее пульсационного развития, когда радиус ее то увеличивается, то уменьшается, не находят подтверждения с точки зрения современной физики и астрономии. Даже незначительное увеличение радиуса Земли должно было бы приводить к определенным геологическим следствиям, которые не наблюдаются в геологической истории планеты.

Конвергентные (сходящиеся, слева на рисунке) и дивергентные (расходящиеся, справа на рисунке) границы литосферных плит

Рис. 11. Конвергентные (сходящиеся, слева на рисунке) и дивергентные (расходящиеся, справа на рисунке) границы литосферных плит.

На протяжении последних 2,5 млрд лет процессы распада гигантских материков с образованием океанов, последующим их закрытием, формированием суперматериков и новым их раскалыванием происходили несколько раз. Речь идет о трех подобных событиях. Первый огромный континент, или Пангея-0, был создан в конце позднего ар-хея (2,5 млрд лет); второй, Пангея-1, в конце раннего протерозоя (1,8 млрд лет); третий, Пангея-П, в конце позднего палеозоя (0,25 млрд лет) (рис. 12).

Суперматерик Пангея-Н в начале юрского периода

Рис. 12. Суперматерик Пангея-Н в начале юрского периода.

Распад суперконтинентов, образование океанов (пространств с корой океанского типа), поглощение коры океанского типа в активных континентальных окраинах, закрытие океанов с формированием новых суперконтинентов - вот та основная канва эволюции самой верхней оболочки Земли, которая в последние десятилетия установлена с очень большой долей вероятности, намного большей, чем это было возможно хотя бы в начале 60-х гг. XX в.

Сделать качественный скачок в изучении истории Земли позволила новая геологическая концепция тектоники литосферных плит (рис. 13), или новой глобальной тектоники, сформулированная в 60-х гг. XX в. благодаря открытию специфического рельефа океанского дна, полосовому магнитному полю дна океанов, результатам глубоководного бурения и космической геодезии. Действительно, какие бы геологические доказательства перемещения литосферных плит вместе с материками ни приводились, непосредственное измерение их движения в течение уже более 50 лет методами высокоточных наблюдений со спутников убедительно показало, что скорость их движения от первых сантиметров в год до 10-15 см/год и в предсказанных направлениях (рис. 14).

Концентрация землетрясений вокруг литосферных плит

Рис. 13. Концентрация землетрясений вокруг литосферных плит.

Точки - эпицентры землетрясений.

Главные плиты: I - Тихоокеанская; II - Североамериканская; III - Еврази-атская; IV - Африканская; V - Южноамериканская; VI - Индо-Австралийская; VII - Антарктическая; VIII - Наска; IX - Кокос.

Малые плиты: 1 - Филиппинская; 2 - Охотская; 3 - Карибская; 4 - Скота; 5 - Аравийская; 6 - Сомалийская; 7 - Амурская; 8 - Китайская; 9 - Тибетская; 10 - Иранская; 11 - Хуан-де-Фука.

Мгновенные скорости перемещения литосферных плит (в

Рис. 14. Мгновенные скорости перемещения литосферных плит (в

мм/год).

В результате распада и последующего соединения литосферных плит, включающих как часть океанов, так и материки, сформировалось все разнообразие структур, наблюдаемых на Земле. Со временем структура континентальной коры значительно усложняется, так как она наращивается за счет присоединения новых подвижных поясов, сминаемых в сложные складки, смещаемые различными типами разрывных нарушений, в частности покровами и надвигами, при которых толщи пород перемещаются по горизонтали на сотни километров и наползают друг на друга. В результате в континентальной коре и в подстилающей верхней мантии, т. е. в литосфере, создается своеобразная расслоенность, хорошо фиксируемая сейсмическими методами.

Возрастание с архейского времени (с 4,0 до 2,5 млрд лет) прочности, твердости и хрупкости земной коры привело к тому, что менялся и характер деформаций формирующихся осадочных и вулканических пород от пластических к хрупким. Поэтому более молодые складчатые пояса отличаются большей сложностью складчатой структуры.

Стабильные и более прочные участки земной коры, называемые платформами, за свою историю, начавшуюся 1,7 млрд лет назад, а местами, например в Восточной Сибири, и ранее, около 2,5 млрд лет назад, также реагировали на происходящие вокруг них события. Они подвергались расколам, по которым на поверхность поднималась базальтовая магма, покрывавшая огромные пространства. По парал-

лельным разрывам участки платформ опускались, и образовывались глубокие и узкие прогибы - рифты. Отдельные пространства платформ затапливались морем либо при поднятии уровня океанов, либо при опускании участков платформ, на которых накапливались толщи осадочных пород. На протяжении архея, протерозоя и фанерозоя изменялся характер магматизма - основного поставщика газов на поверхность Земли. При этом из ее недр непрерывно выводилось тепло.

Движущая сила процессов, происходящих в земной коре, - это медленные конвективные движения в мантии и внешнем ядре Земли. Предполагается, что со временем характер конвекции менялся: простая одноячеистая конвекция переходила в более сложную, многоячеистую, что и обеспечивало распад суперконтинентов и другие геологические события. Работающая столь длительное время земная «тепловая машина» генерирует тепло, как уже говорилось, за счет разных причин. Общее выделение тепла в процессе эволюции Земли снижается, также падает и температура в мантии. Не исключено, что через 1-2 млрд лет планета остынет настолько, что будет похожа на Меркурий.

Важнейшие рубежи в истории (в миллиардах лет):

  • 12-20 - Большой Взрыв и образование Вселенной;
  • 5.00 - образование Солнца;
  • 4,66 - образование планеты Земля;
  • 4,30-4,20 - возраст древнейших обломочных минералов цирконов Западной Австралии;
  • 4.00 - возраст древнейших на Земле пород Канады и Гренландии и формирование первичной земной коры;
  • 3,85 - появление первых прокариот (микрофоссилий);
  • 3.50 - достоверные следы магнитного поля, не отличающегося от современного;
  • 3.20 - начало образования зрелой континентальной коры;
  • 2.50 - образование суперматерика Пангеи-0;
  • 2,50 - появление первых эвкариот (водоросли);
  • 2.20 - покровное гуронское оледенение;
  • 2,20-2,00 - появление крупных многоклеточных растений (водоросли);
  • 2.00 - в атмосфере устанавливается присутствие кислорода;
  • 1,80 - Аньхойская фауна (червеобразные формы);
  • 1,80 - образование Пангеи-1;
  • 0,80 - распад Пангеи-1;
  • 0,80 - появление многоклеточных растений (водоросли);
  • 0,67 - появление вендской бесскелетной фауны;
  • 0,57 - возникновение скелетной фауны беспозвоночных, появление первых хордовых;
  • 0,56 - количество кислорода достигает 1/3 от современного;
  • 0,46 - первые наземные растения;
  • 0,45-0,43 - массовое вымирание организмов (ордовик-силур);
  • 0,42 - появление рыб;
  • 0,25 - появление голосеменных растений;
  • 0,25-0,24 - массовое вымирание организмов (пермь-триас);
  • 0,24 - образование Пангеи-Н;
  • 0,24 - появление млекопитающих;
  • 0,16 - распад Пангеи-П и начало образования современных океанов;
  • 0,11 - появление покрытосеменных растений (поздний альб);
  • 0,065-0,060 - массовое вымирание организмов (поздний мел - палеоген);
  • 0,035 - покровное оледенение Антарктиды;
  • 0,004 - покровное оледенение Арктики;
  • 0,0025 - Homo habilies - человек умелый;
  • 0,000090 (90 тыс. лет) - Homo sapiens - человек разумный.

Геологические процессы обычно протекают очень медленно. Однако за миллионы лет их суммарный эффект оказывается очень большим. Но это не означает, что катастрофические события в истории Земли не играют значительной роли. Также следует отметить, что катастрофы - это не обязательно мгновенные события. Некоторые из них как бы подготавливаются десятилетиями, но их последствия весьма значительны.

Целостные свойства систем основываются на принципе системной целостности (Климов, 2001, 2005): в этом принципе отражается примат целого над частями, но при этом остается взаимозависимость целого от частей. Сущность принципа системности характеризуется следующим наполнением:

  • а) целостный характер объектов внешнего мира и объектов познания;
  • б) анализ и изучение новых свойств, которые возникают при объединении элементов в систему (свойство эмерджентности);
  • в) исследование объекта как системы неотделимо от исследования его взаимодействия со средой. Иначе говоря, объект рассматривается как подсистема более сложной системы «объект-среда»;
  • г) динамическая природа любого объекта.

Непротиворечивая целостность выполняет в научном познании конструктивную функцию: она служит дедуктивным аксиоматическим «началом координат» теоретического объяснения сложного объекта, а также функцию управления в познании. Исследователь априори иногда не видит системной целостности предмета и поэтому совершает ошибки.

С точки зрения нелинейной целостности систем, «мы живем в нелинейном мире - мире, где «не работает» принцип суперпозиции. На языке математики это означает, что сумма частных решений не является также решением, скажем, дифференциального уравнения. На общедоступном языке это значит, что целое не равно сумме частей, из которых оно составлено. Целое никоим образом не больше и не меньше его составляющих - оно качественно другое по сравнению с составляющими его элементами. Более того, целое влияет на элементы и изменяет их. Имеет место взаимодействие элементарных структур и объединенной структуры, идет трансформация всех составляющих путем их согласования, возникает корреляция между элементами» (Трубецков и др., 1998).

К целостным системам с линейной предысторией относятся системы, отдельные части которых функционируют (или развиваются) совместно, а вся система относительно независима от среды и от других аналогичных систем (Малиновский, 1980). Поэтому связи взаимодействий между элементами внутри системы сильнее, чем с внешними по отношению к системе даже абсолютно идентичными элементами. У систем имеются границы - четкие или размытые, морфологические или функциональные, обнаруживаемые или не обнаруживаемые с первого взгляда.

Поэтому «важнейшей специфической особенностью системного исследования, проявляющейся и при анализе и при синтезе систем, служит требование целостности (предмета изучения, метода, результата), которое выступает в качестве определяющего, стержневого принципа системной концепции» (Методы теоретической геологии, 1978, с. 37).

К синтезу целостности систем приводит процесс управления ими с помощью отрицательных обратных связей. Их перечень в развитии минерального вещества Земли, привязанный к ранговой шкале О. А. Вотаха (Вотах, 1991, 1993), приведен в табл. 2.

Таблица 2

12 рангов структур вещества Земли

Ранговая

система

(шкала)

О. А. Вотаха

Название

обратных

связей

Механизм обратной связи

1. Молекула

Окислительно-

восстановитель

ные

Валентные взаимосвязи, окислительновосстановительные потенциалы - обратная связь в химической среде по ликвидации активной энергии атомов

Ранговая

система

  • (шкала)
  • 0. А.

В ота ха

Название

обратных

связей

Механизм обратной связи

2. Минерал (кристалл)

Средообразующие (термобарогеохимические = физикохимические)

Ресурсосредообразующий. Кристаллизация плагиоклазов вызывает изменение состава расплава - образуются зональные плагиоклазы - отражение обратной связи в кристаллах плагиоклазов как изменение

состава плагиоклазов в связи с изменением

состава среды

3. Порода (парагенезис

мине

ралов)

Внешние -средообразующие, внутренние - стехиометрии-

ческие

Наследственность — изменчивость — естественный отбор состава магматической породы внутренними стехиометрическими факторами и обратными физико-химическими факторами окружающей среды (ОС), приводящими к прекращению образования пород. Стехиометрия магматических пород нескольких видов: минеральная, матричная для породы как отношение оксидов-сеткообразователей к оксидам-комплексообразователям, матричная по отношению металл/кислород. Накопление слоев осадочных пород в виде отрицательной обратной связи для ликвидации образующихся понижений рельефа. Преобразование осадочных пород в осадочнометаморфические породы как стремление обратных связей привести состав пород к вышеописанным трем типам стехиометрии

4. Элементарные

породные

парагене

зисы

Внешние - средообразующие, внутренние -ступенчато-стехиометрические

Наследственность — изменчивость — естественный отбор породных парагенезисов физическими факторами ОС. Для магматических пород: подъем изотерм (положительная обратная связь) и степень эволюции химизма земной коры (отрицательная обратная связь). Для осадочных пород: условия образования формаций (положительные обратные связи) и стехиометрия хемогенных пород (отрицательные обратные связи). Для терригенно-обломочных пород внутренние факторы случайны. В случае метаморфизма терригенно-обломочных пород их состав стремится к стехиометрическим матрицам (отрицательные обратные связи)

Ранговая

система

  • (шкала)
  • 0. А. Вота ха

Название

обратных

связей

Механизм обратной связи

  • 5. Геоформации
  • (свиты)

Порционноэнергетические -

эволюционно

химические

Тектонический импульс (положительная обратная связь), извержение вулкана (излияние лав) (отрицательная обратная связь) как разрядка энергии

  • 6. Формационные комплексы
  • (серии)

Пульсационно-энергетические -

эволюционно

химические

Несколько сходных тектонических импульсов (ритмов)

7. Тектонические

комплек

сы

Впадинолик

видирующие

Обратносвязевое заполнение осадками разного генезиса образующихся тектонических впадин также разного

генезиса

8. Слои земной коры

Дарвиновские конфигурационные: составоструктурные

Следствие самоорганизации к аттрактору состава как реализация найденных устойчивых состояний состава и структуры вещества. Приспособление химического вещества к возрастающему давлению -отрицательная обратная связь

9. Гео-струк-турные области

Исторически-

энергопотоко-

структурные

Структурное отображение проявления потоков энергии и их информационного отражения, выраженных в историческом проявлении и отмирании энергетических всплесков: рифтовые зоны, складчатые области, древние платформы (кратоны), молодые платформы - во всех случаях проявление отрицательных обратных связей как структурный способ приспособления вещества - снизить энергетическую напряженность среды

10. Глобальные

зоны

геосфер

Плитотектони

ческие

Образование над конвективными глобальными зонами Земли срединно-океанических хребтов, океанических и континентальных плит, зон Вадати - Заварицкого-Беньофа (островодужных систем Земли), складчатых поясов Земли - отрицательные обратные связи в структурном способе снижения энергетической напряженности в глобальном масштабе геосфер

Ранговая

система

(шкала)

О. А. Вотах а

Название

обратных

связей

Механизм обратной связи

11. Геосферы Земли

Дарвиновские конфигурационно-вещественные: составо-

структурно-

решетчато-

фазовые

Приспособление структуры кристаллов минерального вещества к высоким и очень высоким внутренним давлениям Земли -обратные связи снятия хоть некоторого количества энергии

12.

Сегменты

Земли

Мантийно

конвекционные

Стремление вещества ядра и мантии Земли к термоплотностной изостазии - обратная связь по выравниванию термической неоднородности Земли. Следствие: периодическое образование суперконтинентов Земли (Пангея I, Пангея II) в связи с генерализацией конвективных ячеек к одной ячейке

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>