Происхождение и эволюция Земли

Время существования Земли делится на два существенно различных периода: ранняя история и геологическая история. I. Ранняя история Земли разделяется на три фазы эволюции: фазу рождения, фазу расплавления внешней сферы и фазу первичной коры (лунную фазу). Охарактеризуем их кратко. Фаза рождения продолжалась 100 млн лет. При этом на растущую Землю падало большое количество крупных тел. Вместе с крупными телами на Землю падали и самые крупные объекты - планетезимали, зародыши "неудавшихся" планет. Их поперечники измерялись многими километрами и даже первыми десятками километров. В фазу рождения Земля приобрела приблизительно 95% современной массы. Фаза расплавления датируется 4,6-4,2 млрд лет назад (длительность 0,4 млрд лет). Во время аккреции Земля долго оставалась холодным космическим телом, и только в конце этой фазы, когда началась предельно интенсивная бомбардировка ее крупными объектами, произошло сильное разогревание, а затем полное расплавление вещества сначала внешней зоны планеты, потом и внутренней области. Наступила продолжительная фаза гравитационной дифференциации вещества: тяжелые химические элементы и их соединения опускались вниз, легкие поднимались вверх. Поэтому постепенно в процессе дифференциации вещества в центре Земли сосредоточивались тяжелые химические элементы (железо, никель и др.), из которых образовалось ядро, из более легких соединений возникла мантия Земли. Кремний и другие химические элементы стали основой формирования континентов, а самые легкие химические соединения образовали океаны и атмосферу Земли. В земной атмосфере первоначально было много водорода, гелия и таких водородосодержащих соединений, как метан, аммиак, водяной пар. Со временем водород и гелий улетучились. Лунная фаза продолжалась 400 млн лет от 4,2 до 3,8 млрд лет назад. При этом остывание расплавленного вещества внешней сферы Земли привело к образованию тонкой первичной коры базальтового состава. В это же время происходило формирование гранитного слоя материковой коры. Континенты сложены в основном гранитами и гнейсами, т. е. горными породами, содержащими 65-70% кремнезема Si02 и значительное количество щелочей - калия и натрия. Между тем ложе океанов выстилается базальтами - породами, содержащими 45-50% Si02 и богатыми магнием и железом. Таким образом, континенты оказываются построенными менее плотным, более легким материалом, чем дно океанов. К тому же кора континентов намного толще (в среднем 35-40 км), чем кора океанов (5-7 км). Благодаря этому континенты минимум на 5-6 км возвышаются над ложем океанов. На некоторой глубине, где в верхней мантии находится пластичный слой (так называемая астеносфера), легкие, но толстые континентальные глыбы и тяжелые, но тонкие океанские плиты должны уравновешивать друг друга (закон изостазии, равновесия). Поэтому, главным фактором формирования рельефа земной поверхности является взаимодействие движущихся в горизонтальном направлении литосферных плит. В зонах разлома плит, проходящих в океанах, происходит образование срединно-океанских хребтов. Из-за широкого распространения метеорных кратеро фаза существования ранней коры называется лунной фазой В лунную фазу существования Земля постепенно охлаждалась от температуры плавления базальтов (1000-800 °С) до 100 °С. С преодолением температурного рубежа +100 °С связано все последующее преобразование природной среды и эволюция земной коры. II. Геологическая история - это принципиально новый период развития Земли как планеты в целом, так и особенно ее коры и природной среды. После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100 °С на ней образовалась огромная масса жидкой воды, которая представляла собой не простое скопление неподвижных вод, а находящихся в активном глобальном круговороте. В структурном отношении круговорот распадался на звенья: атмосферное (испарение, перенос влаги, осадки), ли-тосферное (поверхностные и подземные стоки), океаническое. В процессе круговорота происходит поглощение солнечной энергии и распределение ее по земной поверхности. Глобальная эволюция Земли происходила под влиянием факторов - космического, эндогенного и экзогенного. К эндогенной энергии относится гравитационная энергия. Земля обладает наибольшей массой из планет земной группы и поэтому имеет наибольшую внутреннюю энергию - радиогенную, гравитационную и др. В экзогенном факторе необычайную активность проявила вода, находившаяся раньше в виде пара в атмосфере. Земля стала тем космическим телом, которое оказалось неблагоприятным для длительного сохранения ударных кратеров вследствие высокой активности действующих на ней экзогенных процессов разрушения. За счет парникового эффекта температура поверхности повышается на 38°; вместо 250 К (-23 °С) стало 288 К (+15 °С). Если бы этого не произошло, то в природной среде жидкой воды было бы не 95% общего количества в гидросфере, а во много раз меньше. Мощность потока солнечной радиации у верхней границы земной атмосферы (солнечная постоянная) составляет 1,95 (кал/см2) мин, что в годовом исчислении выражается в 1000 (ккал/см2) год. В связи же с шарообразностью Земли, а следовательно, с учетом неосвещенной Солнцем стороны планеты, а 319 также тех пространств земной поверхности, где солнечные лучи падают под острым углом, средняя мощность потока солнечной радиации оказывается равной приблизительно 250 (ккал/см2) год. При альбедо (коэффициент отражения света) Земли 0,33-0,35 в земную атмосферу вступает энергетический поток напряженностью лишь 167 (ккал/см2) год. Часть этой энергии поглощается атмосферой, и лишь 79 (ккал/см2) год задерживается земной поверхностью, трансформируется ею и работает, т. е. возбуждает и поддерживает течение экзогенных процессов. Поглощаемая земной поверхностью солнечная радиация 79 (ккал/см2) год используется следующим образом: 66 (ккал/ см2) год идет на испарение; 11 (ккал/см2) год - на турбулентный теплообмен тропосферного воздуха; 1 (ккал/см2) год - на биологические процессы и химические превращения минералов коры выветривания. Мощность теплового потока из недр Земли на континентах 0,033 (ккал/см2) год. Таким образом, земная поверхность использует на природные процессы солнечную радиацию в количестве 79 (ккал/см2) год, т. е. в 2182 раза больше, чем тепловой поток Земли. Поэтому глобальный процесс формирования географической оболочки и ее функционирования возможен только на основе солнечной радиации с учетом потенциальной энергии силы тяжести масс горных пород. Солнце снабжает Землю теплом, необходимым для поддержания ее температуры в подходящем диапазоне, охватывающем всего около 100°, не нагревая ее чрезмерно. Следует, однако, иметь в виду, что небольшое изменение всего лишь на несколько процентов количества тепла, получаемого Землей от Солнца, приведет к сильным изменениям земного климата. Земная атмосфера играет чрезвычайно важную роль в поддержании температуры в допустимых пределах. Она действует как одеяло, не допуская слишком сильного повышения температуры днем и чрезмерного понижения температуры ночью. Эволюция атмосферы. В фазу расплавления огромные массы выделявшихся газов образовали первичную атмосферу Земли. Основными компонентами выделявшихся из недр Земли 320 газов были углекислый газ и водяной пар, что аналогично составу летучих компонентов при современных вулканических извержениях (80% вода,10% углекислый газ). После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100 °С произошел переход атмосферного водяного пара в жидкую воду. Так как углекислый газ легко растворяется в воде, то преобладающая его часть была поглощена водой. В настоящее время в океанических водах в 60 раз больше углекислого газа, чем его имеется в атмосфере. Воздушная среда не только утратила почти всю воду, находившуюся в ней в виде пара, но в ней осталось мало и С02. Во много раз уменьшилось и ее давление. Дальнейшая эволюция атмосферы связана главным образом с появлением и развитием органического мира, прежде всего растительного. Атмосфера предохраняет нас не только от огромных колебаний температур. Это неоценимая защита от метеорных тел, непрерывно бомбардирующих Землю из межпланетного пространства. Метеорные тела сталкиваются с Землей со скоростью до 72 км/с. Сила удара метеоритной частицы массой всего 0,001 г, несущейся с такой скоростью, такая же, как пули пистолета 45 калибра при выстреле в упор. Хотя размеры частицы не больше пылинки и меньше средней песчинки, она все же опасна для человека. Ежедневно в земную атмосферу вторгаются миллиарды частиц, создавая слабые метеоры, которые можно видеть только в телескоп. Слабейшие метеоры, видимые невооруженным глазом, в несколько раз крупнее. Большинство этих тел быстро испаряется в атмосфере из-за сопротивления воздуха. Наше счастье, что мы защищены атмосферой от метеорных тел, но все равно некоторые из них, наиболее массивные, способны достичь поверхности Земли и вызвать разрушения. Большой метеоритный кратер в Аризоне (США) образовался около 24 000 лет назад при взрыве громадного тела. Диаметр этого кратера больше километра и даже сейчас его глубина достигает приблизительно 200 м, несмотря на его заполнение породой вследствие эрозии. Вокруг Аризонского кратера были в изобилии найдены мелкие железные метеориты, но не удалось обнаружить ни одного крупного осколка ни путем бурения, ни с помощью радио-детектирования. Железный метеорит взорвался при ударе о землю с силой, намного превышающей силу любых известных взрывов. Тунгусский метеорит 1908 г. взорвался с такой силой, что деревья были повалены на расстоянии до 30 км от места взрыва. В этом случае упавшее тело было почти наверняка обломком кометы малой плотности, разрушившимся в атмосфере на высоте нескольких километров. В 1947 г. на Дальнем Востоке упал большой железный (Сихотэ-Алиньский) метеорит, образовавший большое число кратеров. В 1972 г. поблизости от западного побережья Северной Америки, на расстоянии всего лишь 50 км от земли, пронеслось тело массой не меньше 100 т. Если в текущем столетии были зарегистрированы падения двух крупных метеоритов на суше и одно падение вблизи побережья, то над океаном таких событий, которые остались незамеченными, возможно, было в несколько раз больше. Исчезновение динозавров в конце мелового периода 65 млн лет назад, а также окончание других геологических периодов могло быть следствием падения на Землю тел размерами с астероид. Ученые обнаружили, что в осадках позднемелового периода содержание сравнительно редкого элемента иридия в 30-160 раз выше, чем в более ранних и более поздних пластах. В земных породах иридия гораздо меньше, чем на Солнце и метеоритах, вероятно потому, что он осел к центру Земли вместе с железом. Его повышенная концентрация в позднемеловом слое является сильным доводом в пользу того, что в то время в Землю врезался астероид диаметром около 10 км. В результате мощного взрыва в атмосферу были бы подняты тучи пыли (свыше тысячи кубических километров). Такого количества пыли достаточно для того, чтобы в течение нескольких лет преграждать путь солнечным лучам. Возможно при этом был нарушен процесс фотосинтеза, что прервало пищевую цепь и от голода вымерли многие позвоночные массой более 10 кг, исчезла половина всех видов живых организмов. Атмосфера защищает нас не только от малых метеоров, но и от смертоносной космической радиации. Под действием солнечных лучей в атмосфере образуется озон (молекула которого состоит из трех атомов кислорода); он образует защитный слой от более коротковолнового излучения в дальней ультрафиолетовой области, представляющего опасность для всего живого. Если бы весь поток ультрафиолетового излучения достигал земной поверхности, то жизнь на Земле в какой-либо форме вообще не могла бы существовать, по крайней мере на суше. Атмосфера задерживает также многие частицы, опасные для жизни. Развитие литосферы и рельефа. Наиболее характерная особенность строения рельефа и земной коры - наличие материковых массивов и океанических впадин. Общая направленность структурного развития земной коры заключается в том, что на первичной базальтовой коре под влиянием действия геосинклинального процесса, т. е. образования линейных тектонических структур, стали возникать острова материковой коры. Этот процесс начался в архейскую эру. В результате действия геосинклинального процесса, включающего в себя складчатость и гранитизацию, происходила консолидация обширных областей земной коры. Она сопровождалась увеличением масс горных пород гранитного слоя материковой коры, возрастанием ее мощности над уровнем моря. С мезозойской эры начал развиваться процесс раскола материковой коры и раздвижения ее в стороны от образовавшихся рифтов. Это привело к дрейфу континентов. С появлением на Земле воды произошло скачкообразное возрастание темпа развития ее внешней области. Геотектонический процесс создания материков (геосинклинальный процесс) также мог развиваться только в условиях морских бассейнов.