Педагогический альманах ==День за Днем==
 
написать письмо

    Главная

    Новости

    Методика

    За страницами учебников 

    Библиотека 

    Медиаресурсы 

    Школьная библиотека

    Подготовка к ЕГЭ, ГИА

    Одаренные дети

    Проекты

    Мир русской усадьбы

    Экология

    Методический портфолио учителя

    Встречи в учительской

    Творчество педагогов

    Статьи педагогов в журнале "Новый ИМиДЖ"

    Конкурсы профессионального мастерства педагогов

    Творческие страницы

    Рефераты школьников

    Конкурсы школьников

    Альманах детского творчества "Утро"

    Творчество школьников

    Фотогалерея

    Школа фотомастерства

    Доска объявлений

    Полезные ссылки

    Гостевая книга
    Sort

    Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru

      День за днем : Статьи 

      Статьи  


     
     
    ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИСТОРИЯ ЗЕМЛИ
     
     
     
     
    Доктор геолого-минералогических наук Анатолий НИКИШИН, заведующий кафедрой региональной геологии и истории Земли геологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
     
     
    Сегодня мы сравнительно хорошо знаем геологическое строение нашей планеты. Благодаря успехам советских (затем - российских) и американских космических программ получены подробные сведения о планетах земной группы. И на этой основе можно попытаться понять, как образовалась Земля, разгадать этапы ее истории.

    Для начала вспомним, что достоверно известно о строении нашей планеты. У твердой Земли радиусом 6378 км три химических оболочки: преимущественно железное ядро в центре (глубины 2890-6378 км), силикатная мантия из ультраосновных (Силикатные горные породы ультраосновного состава содержат менее 45% Si02, основного — 45-52%, кислого — больше 70% Si02 (прим. ред.)) магматических пород (35-2890 км) и кора из силикатов, имеющих состав от основного до кислого (0-35 км). На поверхности — литосфера — каменная «оболочка» толщиной 50-300 км, твердая в отличие от подстилающей ее астеносферы и потому способная двигаться в горизонтальном направлении. Причем подошва этого плывущего «айсберга» проходит примерно по изотерме 1250°, т.е. глубже его разогретое вещество может испытывать конвекцию.
     
    Земная кора под океанами и континентами (вместе с шельфами) неодинакова. В первом случае ее мощность составляет порядка 6 км, состав базальтовый и образуется она в осевых частях срединно-океанических хребтов — в зонах раздвижения литосферных плит по мере того, как возникающие трещины заполняются продуктами выплавления из мантии. Континентальная же кора имеет типичную толщину 25-60 км и в среднем андезитовый (Андезит (от названия горной системы Анды в Южной Америке) - вулканическая горная порода среднего состава, нормальной щелочности. Содержание кремнезема (Si02) составляет 52-65% (прим. ред.). состав; причем верхняя ее часть более кислая (гранитоидная), а нижняя — основная (базальтовая). Ее вещество формируется при частичном плавлении базальтов и из компонентов мантии.
     
    Ныне большинство специалистов признают: на Земле действует тектоника литосферных плит. Основы этой теории сформированы многими геологами и геофизиками, начиная с работ немецкого ученого Альфреда Вегенера (1910-1912 гг.), канадца Тузо Уилсона (1965 г.), американца Джейсона Моргана (1968-1972 гг.), француза Ксавье Ле Пишона (1968 г.), англичанина Дэна Маккензи (1967 г.). В России заметный вклад в разработку данного направления внесли член-корреспондент РАН (с 1991 г.) Лев Зоненшайн (Институт океанологии РАН) и доктор геолого-минералогических наук Леонид Парфенов из Института геологических наук СО РАН, академики Виктор Хаин (Геологический институт РАН, Москва) и Николай Добрецов (Институт геологических наук СО РАН) и др. Ученые считают, что литосфера Земли разделена на плиты (порядка 15), движущиеся относительно друг друга. Там, где они расходятся, образуется океаническая кора и океаны, а где сближаются — зоны глубоководных желобов с погружением литосферы в мантию (субдукция).
     

    ОТ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛАНЕТЫ - ДО ТЕКТОНИКИ ПЛИТ
     
    Модель геологической эволюции Земли постоянно совершенствуется и этой проблеме посвящено огромное количество публикаций. Но сегодня наиболее реалистичным представляется следующий сценарий.

    Около 4,6 млрд лет назад в ходе аккреции (так называют процесс падения на космическое тело вещества из окружающего пространства) из роя тел силикатного и металлического состава, газов и комет образовалась Земля. Длительность ее формирования оценивается в 10-100 млн лет: она росла по мере того, как к первоначальной основе присоединялись все новые части разных размеров, а начиная с некоего радиуса удар от их падения вызывал сильное нагревание и плавление внешних зон. Планета раскалилась, ее вещество приблизилось к температуре плавления, внешняя же оболочка толщиной в сотни километров действительно расплавилась и появился так называемый океан магмы. В этих условиях плотные металлические компоненты погрузились вниз, образовав преимущественно железное жидкое ядро, а силикатные стали мантией. Большая часть воды не входила в состав полурасплавленного тела Земли, а была включена в плотную атмосферу из пара и газов (в основном двуокиси углерода и азота).
    В конце описанного процесса аккреции, как предполагают специалисты, на Землю упало гигантское космическое тело, образовав в веществе планеты (т.е. в современной мантии) огромную воронку и вызвав обильный его выброс на околоземную орбиту. Вероятнее всего, именно из этого «выплеснувшегося» расплава сформировалась Луна, ибо ее средний состав и соотношение компонентов в земной мантии подобны.

    Но проследим историю дальше. Около 4,4-4,3 млрд лет назад поверхность Земли стала остывать из-за значительного уменьшения потока космических тел, и океан магмы начал покрываться твердой корой (возможно, базальтового и ультраосновного состава), на которой продолжавшаяся метеоритная бомбардировка оставляла многочисленные кратеры разного размера, а в местах падения астероидов изливались лавы. Как только температура верхней оболочки планеты стала меньше точки кипения воды, огромное количество последней конденсировалось из атмосферы и образовался Мировой океан. Часть его влаги выделилась из мантии при ее охлаждении и кристаллизации. В итоге около 4,3 млрд лет назад здесь сложились условия для возникновения примитивных форм жизни. Была ли она привнесена тем или иным путем из космоса (что более вероятно), зародилась ли в ходе случайных химических реакций на Земле — неясно.

    Тектоника плит началась около 4,3-4,0 млрд лет назад благодаря сочетанию разных факторов: конвекционных течений в мантии, всплытия из ее нижних слоев тел с относительно более высокой температурой и меньшей вязкостью (плюмов), наличия лав ультраосновного состава (коматиитов), создающих уплотненные участки, способные затонуть в астеносфере (слой мантии, имеющий пониженную твердость и вязкость). Последнее можно рассматривать как прообраз процесса субдукции. Так или иначе, именно тогда литосфера Земли разделилась на плиты, в участках их раздвижения формировалась молодая океаническая кора, а в зонах сдвижения обособлялись области скучивания. Над ними стала образовываться магма андезитового состава — основа для появления вещества коры будущих континентов.

    В архее (4,0-2,5 млрд лет назад) наступило господство тектоники плит и мантийных плюмов. Первичная кора была полностью погружена в мантию либо переплавилась. Над зонами субдукции стали образовываться вулканические дуги с базальтами и андезитами. Столкновение их привело к появлению первых участков (ядер) континентальной коры. Тогда-то и сформировалось не менее 50-70% объема вещества современных материков с шельфами. Мантия была более горячей, чем современная, и субдуцированная в нее литосфера быстро разогревалась, не проникая в нижние слои. Из раскаленной мантии выплавлялось большое количество лав ультраосновного состава — коматиитов. Земная поверхность в основном представляла собой водный океан с корой базальт-коматиитового состава, наружу выходили многочисленные вулканические дуги и плато (внут-риплитные и межплитные).

    В океане существовала примитивная жизнь: в породах возрастом ~3,8 млрд лет известны изотопы, образовавшиеся в биологических циклах, а в породах моложе 3,5 млрд лет найдены следы биоты. К рубежу 2,5 млрд лет назад (конец архея) в ходе столкновения многочисленных континентальных «ядер» с континентальной корой и в процессе крупномасштабного гранитоидного магматизма сформировались крупные материки (возможно, один — первый суперконтинент Кенорлэнд). В пользу этого положения свидетельствует возраст древнейших озерно-аллювиальных систем, известных в Южной Африке (серия Витватерсранд) — 2,8-2,9 млрд лет. А что же климат? К тому времени он стал сопоставим с кайнозойским: если в начале архея вода в океане была горячей, то рубеж 2,4 млрд лет назад знаменуется первым известным глобальным Гудзонским оледенением.

    В протерозое-фанерозое (2,5-0 млрд лет назад) общее охлаждение Земли привело к тому, что погруженное в мантию (субдуцированное) вещество стало достигать ее нижних слоев, а это упорядочило всю систему конвекции, установились долговременные тектонические суперконтинентальные циклы. Как это выглядело? Континенты непрерывно распадались и собирались, океаны раскрывались и закрывались, но на фоне кажущегося хаоса через каждые 750 млн лет образовывались относительно стабильные суперконтиненты. Менялся состав океанической коры от коматиит-базальтового к базальтовому, уменьшалась ее толщина. В зонах столкновения материков и на их активных окраинах непрерывно формировались горы, максимальная высота которых плавно увеличивалась.

    В этот же период развивалась жизнь. Отметим важнейшие рубежи ее эволюции: около 2 млрд лет назад — формирование клеток с ядрами и многоклеточных организмов; 630-600 млн лет назад (венд) — широкое распространение многоклеточных морских бесскелетных организмов; 542 млн лет назад (начало кембрия) — появление разных типов скелетных животных; силур — появление наземной флоры и фауны.
    За последние 2,5 млрд лет климат был относительно стабилен: эпохи глобальных потеплений сменялись менее продолжительными периодами глобальных оледенений (0-10, 290-325, 445-455, 625-700 млн лет назад и ранее). Атмосфера в позднем протерозое (от 1 млрд лет назад) стала содержать заметное количество кислорода и постепенно приближалась по составу к современной.
     
    ПОЯВЛЕНИЕ ВОДЫ
     
    Исключительно важно понять, откуда взялась вода на поверхности нашей планеты. Мы уже упомянули два теоретически возможных варианта, широко обсуждаемых в литературе: выпадение из древней атмосферы после завершения горячей аккреции Земли или выделение в атмосферу из магмы толщиной более 2000 км при кристаллизации последней. Остановимся на этих положениях подробнее, ибо формирование водного океана и развитие в нем жизни во многом предопределили дальнейшую геологическую историю.

    Итак, теоретически вещество мантии способно содержать воду: в переходной зоне (глубина 410-670 км) количество Н20 достигает 2-3 wt% (весовых процентов) . В нижних слоях — до 0,15 wt%, причем максимальная масса влаги здесь, по оценкам разных экспертов, равна 2,5 массам Мирового океана. Далее, в ходе аккреции Земли вода могла не входить (по крайней мере в большом количестве) в состав горячей планеты, а в значительной степени оставаться в атмосфере, изначально принесенной в телах ледяных комет и компонентах метеоритов. И мы вправе предположить: она поступала в океан и из атмосферы, и из мантии.

    Геологические данные свидетельствуют: вода возникла на земной поверхности более 4 млрд лет назад. Например, по данным изотопного анализа 180 и Hf (гафния), цирконы (Циркон — силикат циркония (ZrSi04). Этот минерал содержит, как правило, 1-4% элемента гафния, изоморфно замещающего цирконий в кристаллической решетке (прим. ред.)) возрастом 4,1-4,3 млрд лет образовывались в породе с участием Н20. Из древнейших на нашей планете осадков Исуа (западная Гренландия), существующих 3,8 млрд лет и содержащих органический углерод, сложен подводный аккреционный комплекс над зоной субдукции. Выходит, тектоника плит и океан с зародившейся в нем жизнью уже были в то время. Имеющиеся математические модели показывают: 4 млрд лет назад объем воды достигал максимума за всю историю Земли.

    Первичная кора, выделившаяся при кристаллизации океана магмы, нигде не сохранилась (правда, неясно происхождение детритовых цирконов возрастом 4,0-4,4 млрд лет — возможно, часть из них формировалась в гранитоидных телах коры), но понятно, что она не могла иметь крупных тектонических депрессий типа океанических ванн. Глубокие бассейны возникали тогда только в ударных впадинах (гигантских метеоритных кратерах). И лишь тектоника плит изменила ситуацию — создала резервуар для водного океана. Однако дата ее начала дискуссионна. Мы уже назвали, описывая сценарий геологической истории Земли, цифры — около 4,3-4,0 млрд лет назад. Какие же данные свидетельствуют в пользу такой точки зрения?
     
    ТЕКТОНИКА ПЛИТ: ТОЧКА ОТСЧЕТА
     
    Упомянутый осадочный и вулканический комплекс Исуа формировался 3,8 млрд лет назад в ходе погружения океанической коры во фронтальной части вышележащей тектонической плиты (специалисты называют это обстановкой аккреционной призмы). Далее. Изотопный и геохимический анализы редкоземельных металлов свидетельствуют: в основных — ультраосновных породах соотношения элементов Nd/Th (неодим/торий) и Th/U (торий/уран) резко изменились около 3,6 млрд лет назад, что указывает на наличие в тот период холодных, тяжелых краев литосферных плит, претерпевавших субдукцию. Согласно геохимическим данным, как минимум 3,5 млрд лет назад существовали кратоны — участки континентальной земной коры, не испытавшие значительных складчатых деформаций, но имеющие утолщенные литосферные «корни» (зарубежные коллеги поэтически именуют их «мантийные кили»). Выходит, уже тогда действовал процесс удвоения толщины литосферы при поддвигании одной ее плиты под другую.

    Ряд ученых (американский геолог Кент Конди, профессор Альфред Кронер из Университета Майнца, доктора геолого-минералогических наук Александр Слабунов из Института геологии Карельского научного центра РАН и Андрей Щипанский из Института геологии РАН) обобщили геологические данные о времени зарождения тектоники плит и показали: возраст древнейших структур, трактуемых как следствие этого процесса, превышает 4 млрд лет. Например, если типичным офиолитам (комплексам горных пород, признанных всеми специалистами в качестве образований океанической коры) менее 1 млрд лет, то их архейским аналогам — частям комплексов Исуа и Нуввуагитгук (окрестности Гудзонова залива) — около 3,8 млрд и 4,3 млрд лет соответственно.

    Палеомагнитные исследования показывают, что перемещения кратонов относительно друг друга происходили 2,4-2,7 млрд лет назад (для более ранних времен корректные данные отсутствуют). Архейская мантия, согласно геохимическим данным, была примерно на 100-250 °С горячее современной, а значит, характер тектоники плит в тот период отличался от имевшего место в фа-нерозое. Кроме того, уже 3,45 млрд лет назад существовало магнитное поле с интенсивностью на 30-50% меньшей, чем у современного. Следовательно, в целом общая геодинамика Земли тогда и сегодня были сходны.
    Наконец, по данным численного компьютерного моделирования субдукция литосферы невозможна, если температура верхней мантии на 250° выше современной. То есть на ранней Земле вскоре после ее аккреции этот процесс физически не мог протекать.

    Итак, время начала тектоники плит на Земле примерно определено — 4,0-4,3 млрд лет назад, но неизвестно, как все происходило. Есть два сценария. Одни исследователи допускают, что такой процесс стартовал как единое глобальное кратковременное событие, другие считают это невероятным — по их мнению, он зарождался постепенно в разных местах. Существует и два варианта объяснения феномена тектоники плит — «активный» и «пассивный». Первый — мантийная конвекция привела к расколам единой литосферной плиты и относительным перемещениям ее многочисленных фрагментов с образованием первых линейных океанических депрессий. Второй — большое количество тяжелой коматиитовой магмы, выходящей в кору, утяжеляло литосферу и, охлаждаясь, ее части погружались в мантию, запустив тем самым механизм тектоники плит.

    В связи с вышесказанным интересно проследить за изменением состава океанической коры по мере ее развития. Известно, что возраст древнейших офиолитов, сходных с кайнозойскими, насчитывает около 1,95 млрд лет (например, комплекс Джормуа в Финляндии). С другой стороны, есть постулат: океаны существовали уже в архее. В последние годы принято считать разрезы многих архейских зеленокаменных поясов фрагментами сформированной к этому геологическому периоду океанической коры. В архее она была той же мощности, что кайнозойские океанические плато типа Онтонг-Джава (Онтонг-Джава — атолл в северной части архипелага Соломоновы острова, именем которого назвали большое подводное плато (прим. авт.)) или Исландское, и формировалась из значительно более горячей мантии, чем в нынешней Земле.
     

    СУПЕРКОНТИНЕНТАЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ
     
     
    Но вернемся в протерозой-фанерозой, поскольку огромный объем научной литературы и многие действующие международные проекты посвящены сложившимся тогда суперконтинентальным циклам. Суть существующей концепции состоит в том, что за последние 2,5-2,7 млрд лет все имеющиеся континентальные массы то объединялись, то возникший суперконтинент распадался на множество небольших материков. Ныне достаточно строго обосновано существование протоконтинента Пангеи с максимумом объединения на границе перми и триаса (около 250 млн лет назад). Многие авторы доказывают, что с большой вероятностью около 1 млрд лет назад на Земле был суперконтинент Роди-ния. Меньше аргументов в пользу возникновения аналогичного гиганта под названием Колумбия около 1,8 млрд лет назад. Еще скромнее геологические свидетельства существования сверхматерика Кенорлэнд 2,5-2,7 млрд лет назад. Если все они действительно были, то длительность суперконтинентального цикла оценивается в 750 млн лет. Времена образования названных выше огромных материков совпадают с эпохами максимального наращивания объема вещества новой континентальной коры.

    Предположим, гипотеза суперконтинентальных циклов справедлива. Тогда в последние 2,5 млрд лет тектоника Земли была сравнительно однообразной: сначала образовывался суперконтинент, потом шаг за шагом он распадался. Соответственно, глобальный океан сменялся множеством сравнительно небольших, разделенных материками. Такой сценарий многократно повторялся, причем постепенно увеличивался объем континентальной коры, росла суммарная площадь материков, а водное пространство, напротив, уменьшалось.

    На фоне общего охлаждения Земли в протерозое-фа-нерозое естественно допустить плавное уменьшение температуры в мантии, а значит, и определенную роль плюмового магматизма: постепенно значение океанических плато с утолщенной корой уменьшалось, а средняя глубина океанов возрастала.

    Сегодня ученые не предполагают у Земли в архее наличия континентальных суперциклов, поскольку в тот период в условиях горячей мантии субдукция была неглубокой и погруженное вещество не опускалось в нижние слои, общемантийная конвекция не формировалась. Причем отсутствие последней приводило к более хаотической тектонике плит, чем в протерозое-фанерозое.

    Итак, современные геологические данные не противоречат следующей теории: Земля образовалась в ходе горячей аккреции, а вся ее история (например, появление воды и Мирового океана) связана с охлаждением планетного тела. Около 4-4,3 млрд лет назад благодаря зарождению процесса тектоники литосферных плит возникли океаны и ядра будущих континентов, начал формироваться новый тип коры. Однако в архее площадь океана еще преобладала, погружение плит в мантию заканчивалось в верхних ее слоях и значительную роль в тектонике планеты играли явления, связанные с движением мантийных плюмов. Зато в протерозое-фа-нерозое стали главенствовать суперконтинентальные циклы. Причем в целом архейская океаническая кора отличалась от фанерозойской большими толщиной и ультраосновным составом. Поэтому, вероятно, и типичная глубина океанов не совпадала с современной и составляла около 1-3 км.
     

    Иллюстрации автора
     
    Наука в России. – 2012. - № 1. – С. 53-60
     




    © 2006 - 2018 День за днем. Наука. Культура. Образование