4. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

4.1. Внутреннее строение и история образования Земли

Земля, как и другие планеты, возникла из солнечного вещества. Документальными свидетелями допланетной стадии развития вещества и ранних этапов существования Земли служат соотношения изотопов и радиоактивность химических элементов, из которых состоят Земля и метеориты. На основании данных астрофизики и космохимии можно предполагать, что задолго до формирования планет Солнечной системы их вещество прошло звездную стадию, включавшую синтез ядер атомов в недрах звезд, одна из которых была предком Солнечной системы. В результате взрыва этой звезды в плоскости ее экватора образовалась протопланетная туманность.

Исходным материалом для образования планет был так называемый звездный газ – разобщенные ионизированные атомы. По мере охлаждения из него возникали твердые частицы, и происходила их консолидация. Древнейшими твердыми телами Солнечной системы являются метеориты. По данным ядерной геохронологии, их возраст составляет 4,5–4,7 млрд. лет. Абсолютный возраст вещества Луны – 4,7 млрд. лет. Земля как планета имеет аналогичный возраст.

Земля как небесное тело образовалось при температурах ниже точки плавления составляющих ее материалов. Затем начался ее разогрев вследствие распада радиоактивных элементов. Кроме того, Земля нагревалась за счет кинетической энергии соударения метеоритных потоков. В результате произошла дифференциация химических веществ планеты на оболочки разного строения и состава.

4.1.1. Внутреннее строение Земли

Главными методами изучения внутренних частей нашей планеты являются, в первую очередь, геофизические наблюдения за скоростью распространения сейсмических волн, образующихся при взрывах или землетрясениях. Среди них выделяют волны продольных и поперечных колебаний. Продольные колебания представляют собой чередования сжатия и растяжения вещества в направлении распространения волны, поперечные колебания –
чередующиеся сдвиги в направлении, перпендикулярном распространению волны.

Продольные волны распространяются как в твердом, так и в жидком веществе, поперечные – только в твердом. Следовательно, ecли при прохождении сейсмических волн через какое-либо тело будет обнаружено, что оно не пропускает поперечные волны, то можно считать, что это вещество находится в жидком состоянии. Если через тело проходят оба типа сейсмических волн, то это свидетельство твердого состояния вещества

Скорость волн увеличивается с возрастанием плотности вещества. При резком изменении плотности вещества скорость волн будет скачкообразно изменяться. Изучение распространения сейсмических волн через Землю показало, что имеется несколько определенных границ скачкообразного изменения скоростей волн. Поэтому предполагается, что Земля состоит из нескольких концентрических оболочек (геосфер).

На основании установленных трех главных границ раздела выделяют три главные геосферы: земную кору, мантию и ядро (рис.4.).

Рис. 4. Строение Земли

Первая граница раздела характеризуется скачкообразным увеличением скоростей продольных сейсмических волн от 6,7 до 8,1 км/с. Эта граница получила название раздела Мохоровичича (в честь открывшего ее сербского ученого А. Мохоровичича), или просто граница М. Она отделяет земную кору от мантии. Плотность вещества земной коры не превышает 2,7 – 3,0 г/см³. Граница М расположена под континентами на глубине от 30 до 80 км, а под дном океанов – от 4 до 10 км.

Учитывая, что радиус земного шара равен 6371 км, земная шар представляет собой тонкую пленку на поверхности планеты, состав имеющую менее 1% ее общей массы и примерно 1,5% ее объема.

Мантия. Мантия – самая мощная из геосфер Земли. Она распростра няется до глубины 2900 км и занимает 82,26% объема планеты. В мантии сосредоточено 67,8% массы Земли. С глубиной плотность вещества мантии в целом возрастает с 3,32 до 5,69 г/см³, хотя это происходит неравномерно.

На границе с земной корой вещество мантии находится в твердом состоянии. Поэтому земную кору вместе с самой верхней частью мантии называют литосферой.

Агрегатное состояние вещества мантии ниже литосферы недостаточно изучено и по этому поводу имеются различные мнения. Предполагается, что температура мантии на глубине 100 км составляет 1100 – 1500°С, в глубоких частях – значительно выше. Давление на глубине 100 км оценивается в 30 тысяч атмосфер, на глубине 1000 км – в 1350 тысяч атмосфер. Несмотря на высокую температуру, судя по распространению сейсмических волн, вещество мантии преимущественно твердое. Колоссальное давление и высокая температура делают невозможным обычное кристаллическое состояние. По-видимому, вещество мантии находится в особом высокоплотном состоянии, которое на поверхности Земли невозможно. Уменьшение давления или некоторое повышение температуры должны вызвать быстрый переход вещества в состояние расплава.

Мантию подразделяет на верхнюю (слой В, простирающийся до глубины 400 км), промежуточную (слой С – от 400 до 1000 км) и нижнюю (слой D – от 1000 до 2900 км). Слой С именуют также слоем Голицына (в честь русского ученого Б.Б. Голицына, установившего этот слой), а слой В – слоем Гутенберга (в честь выделившего его немецкого ученого Б. Гутенберга).

В верхней мантии (в слое В) имеется зона, в которой скорость поперечных сейсмических волн значительно уменьшается. По-видимому, это связано с тем, что вещество в пределах зоны частично находится в жидком (расплавленном) состоянии. Зона пониженной скорости распространения поперечных сейсмических волн предполагает, что жидкая фаза составляет до 10%; это обусловливает более пластичное состояние вещества по сравнению с выше и ниже расположенными слоями мантии.

Относительно пластичный слой пониженных скоростей сейсмических волн получил название астеносферы (от греч. asthenes –
слабый). Мощность ослабленной зоны достигает 200–300 км. Располагается она на глубине примерно 100–200 км, но глубина меняется: в центральных частях океанов астеносфера располагается выше, под устойчивыми участками материков опускается глубже.

Астеносфера имеет весьма важное значение для развития глобальных эндогенных геологических процессов. Малейшее нарушение термодинамического равновесия способствует образованию огромных масс расплавленного вещества (астенолитов), которые поднимаются вверх, способствуя перемещению отдельных блоков литосферы по поверхности Земли. В астеносфере возникают магматические очаги. Исходя из тесной связи литосферы с астеносферой эти два слоя часто объединяют под названием тектоносфера.

В последнее время внимание ученых привлекает зона мантии, расположенная на глубине 670 км. Полученные данные позволяют предполагать, что эта зона намечает нижнюю границу конвективного тепломассообмена, который связывает верхнюю мантию (слой В и верхнюю часть промежуточного слоя с литосферой.

В пределах мантии скорость сейсмических волн в целом возрастает в радиальном направлении от 8,1 км/с на границе земной кс ры с мантией до 13,6 км/с в нижней мантии. Но на глубине около 2900 км скорость продольных сейсмических волн резко уменьшаете до 8,1 км/с, а поперечные волны глубже вообще не распространяются. Этим намечается граница между мантией и ядром Земли.

Ученым удалось установить, что на границе мантии и ядра в интервале глубин 2700–2900 км происходит зарождение гигантских тепловых струй, периодически пронизывающих всю мантию и проявляющихся на поверхности Земли в виде обширных вулканических полей.

Ядро. Ядро Земли – центральная часть планеты. Оно занимает только около 16% объема Земли, но содержит более трети всей ее массы. Судя по распространению сейсмических волн, периферия ядра находится в жидком состоянии. В то же время наблюдения за происхождением приливных волн позволили установить, что упругость Земли в целом очень велика (больше упругости стали).

В ядре господствуют условия чрезвычайно высокого давления несколько миллионов атмосфер. В этих условиях происходит полное или частичное разрушение электронных оболочек атомов, вещество «металлизируется», т.е. приобретает свойства, характерные для металлов, в том числе высокую электропроводность. Возможно, что земной магнетизм является результатом электрических токов, возникающих в ядре в связи с вращением Земли вокруг своей оси.

Плотность ядра – 5520 кг/м³, т.е. вещество, составляющее ядро, в два раза тяжелее каменной оболочки Земли. Вещество ядра неоднородно. На глубине около 5100 км скорость распространения сейсмических волн вновь возрастает с 8100 м/с до 11000 м/с. Поэтому предполагают, что центральная часть ядра твердая.

Вещественный состав оболочек Земли. Исследование вещественного состава оболочек Земли представляет весьма сложную проблему. Для непосредственного изучения состава доступна лишь земная кора. Имеющиеся данные свидетельствуют, что земная кора состоит преимущественно из силикатов, а 99,5% ее массы составляют восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий и калий. Все остальные химические элементы в сумме образуют около 1,5%.

О составе более глубоких сфер земного шара можно судить лишь ориентировочно, используя геофизические данные и результаты изучения состава метеоритов. Поэтому модели вещественного состава глубинных сфер Земли, разработанные разными учеными, различаются. Можно с большой уверенностью предполагать, что верхняя мантия также состоит из силикатов, но по сравнению с земной корой содержащих меньше кремния и больше железа и магния, а нижняя мантия – из оксидов кремния и магния, кристаллохимическая структура которых значительно более плотная, чем у этих соединений, находящихся в земной коре.

Еще более гипотетичны представления о составе ядра Земли. Учитывая высокую плотность (9,4–11,5 г/см) и невозможность распространения поперечных сейсмических волн, ученые предполагают, что периферия ядра находится в состоянии расплава и состоит из оксидов или сульфидов железа с примесью кремния, углерода и некоторых других элементов. По причине еще большей плотности центральной части ядра можно ожидать, что она близка к составу железных метеоритов и состоит из никелистого железа.

4.1.2. История геологического строения Земли

Историю геологического строения Земли принято изображать в виде последовательно появляющихся друг за другом стадий или фаз. Отсчет геологического времени ведется от начала процесса образования Земли.

Фаза 1 (4,7–4 млрд. лет). Происходит образование Земли из газа, пыли и планетезималей. В результате энергии, выделяющейся в процессе распада радиоактивных элементов, и столкновения планетезималей Земля постепенно разогревается. Падение на Землю гигантского метеорита приводит к выбросу материала, из которого образуется Луна.

Согласно другой концепции Протолуна, находящаяся на одной из гелиоцентрических орбит, была захвачена Протоземлей, в результате чего образовалась двойная система Земля–Луна.

Дегазация Земли приводит к началу образования атмосферы, состоящей в основном из углекислоты, метана и аммиака. В конце рассматриваемой фазы за счет конденсации водяного пара начинается образование гидросферы.

Фаза 2 (4–3,5 млрд. лет). Возникают первые острова, протоконтиненты, сложенные из горных пород, содержащих преимущественно кремний и алюминий. Протоконтиненты незначительно возвышаются над еще очень мелководными океанами.

Фаза 3 (3,5–2,7 млрд. лет). Железо собирается в центре Земли и образует ее жидкое ядро, которое обусловливает возникновение магнитосферы. Создаются предпосылки для появления первых организмов, бактерий. Продолжается формирование континентальной коры.

Фаза 4 (2,7–2,3 млрд. лет). Образуется единый суперконтинент Пангея, которому противостоит суперокеан Панталасса.

Фаза 5 (2,3–1,5 млрд. лет). Охлаждение коры и литосферы приводит к распаду суперконтинента на блоки-микроплиты, пространство между которыми заполняют осадки и вулканы. В результате возникают складчато-надводные системы, и образуется новый суперконтинент – Пангея I. Органический мир представлен сине-зелеными водорослями, фотосинтезирующая деятельность которых способствует обогащению атмосферы кислородом, что ведет к дальнейшему развитию органического мира.

Фаза 6 (1700–650 млн. лет). Происходит деструкция Пангеи I, образование бассейнов с корой океанского типа. Формируются два cyперконтинента: Гондвана, куда вошли Южная Америка, Африка, Мадагаскар, Индия, Австралия и Антарктида, и Лавразия, включающая Северную Америку, Гренландию, Европу и Азию (кроме Индии). Гондвану и Лавразию разделяет море Тетис. Наступают первые ледниковые эпохи. Органический мир стремительно насыщается многоклеточными бесскелетными организмами. Появляются первые скелетные организмы (трилобиты, моллюски и др.). Происходит нефтеобразование.

Фаза 7 (650–280 млн. лет). Горный пояс Аппалачей в Америке соединяет Гондвану с Лавразией – образуется Пангея II. Обозначаются контуры палеозойских океанов – Палеоантлантического, Палеотетиса, Палеоазиатского. Гондвану дважды охватывает покровное оледенение. Появляются рыбы, позднее – амфибии. Растения и животные выходят на сушу. Начинается интенсивное углеобразование.

Фаза 8 (280–130 млн. лет). Пангея II пронизывается все более густой сетью континентальных рифов, щелевидных ровообразных растяжений земной коры. Начинается раскалывание суперконтинента. Африка отделяется от Южной Америки и Индостана, а последний – от Австралии и Антарктиды. Наконец Австралия отделяется от Антарктиды. Покрытосеменные растения осваивают значительные пространства суши. В животном мире господствуют пресмыкающиеся и земноводные, появляются птицы и примитивные млекопитающие. В конце периода погибают многие группы животных, в том числе огромные динозавры. Причины этих явлений обычно видят либо в столкновении Земли с крупным астероидом, либо в резком усилении вулканической деятельности. То и другое могло привести к глобальным изменениям (увеличению содержания углекислоты в атмосфере, возникновению крупных пожаров, похолоданию), несовместимым с существованием многих видов животных.

Фаза 9
(130 млн. лет–600 тыс. лет). Крупным изменениям подвергается общая конфигурация материков и океанов, в частности Евразия отделяется от Северной Америки, Антарктида – от Южной Америки. Распределение материков и океанов стало весьма близким к современному. В начале рассматриваемого периода климат на всей Земле теплый и влажный. Конец периода характеризуется резкими климатическими контрастами. Вслед за оледенением Антарктиды происходит оледенение Арктики. Складываются фауна и флора, близкие к современным. Появляются первые предки, современного человека.

Фаза 10 (современность). Между литосферой и земным ядром поднимаются и опускаются потоки магмы, сквозь щели в коре они прорываются наверх. Обломки океанической коры опускаются вплоть до самого ядра, а затем всплывают и, возможно, образуют новые острова. Литосферные плиты сталкиваются друг с другом и находятся под постоянным воздействием потоков магмы. Там, где плиты расходятся, образуются новые сегменты литосферы. Постоянно происходит процесс дифференциации земного вещества, который преобразует состояние всех геологических оболочек Земли, в том числе и ядра.

4.2. Современные концепции развития геосферных оболочек

4.2.1.
Концепция глобальной геологической эволюции Земли

Разработка концепции глобальной эволюции Земли позволила представить развитие геосферных оболочек.

Концепция глобальной эволюции Земли в объяснении динамических истоков развития геосферных оболочек решающее значение придает:

• однородности химического состава первичной Земли;
  
• изменению ее термодинамических состояний под воздействием энергетических потоков;
  
• приобретению расплавленным веществом Земли текуче-подвижных состояний, приводящих к его химико-плоскостной дифференциации;
  
• образованию в результате дифференциации вещества Земли ее геосферных оболочек;
  
• эволюции геосферных оболочек в процессе непрекращающихся изменений динамических характеристик Земли.
  

Каждый новый шаг в осмыслении возникновения, эволюции и развития (коренных преобразований) геосферных оболочек требует четкого выделения тех динамических факторов, которые детерминируют геологические события. В этом состоит суть, главное содержание концепции глобальной эволюции Земли.

Энергетическая динамика Земли определяется в основном тремя составляющими: энергией гравитации (около 82%), энергией радиоактивного распада (около 12%), приливной энергией (около 4%). Что касается солнечной энергии, то она, частично поглощаясь внешними геосферными оболочками, отражается ими же в космос. Земля стала тектонически активной далеко не сразу, а лишь после ее разогрева, который из-за наличия приливных сил (высота волн прилива достигала 1 км) оказался наибольшим в приповерхностных слоях планеты. Высокие температуры на поверхности способствовали постепенному разогреванию вещества планеты, переводя его в расплавленное состояние. Вещества Земли, обладавшие наибольшей плотностью, стали диффундировать в центр планеты.

В первичном составе Земли содержалось много железа (около 13%) и его двухвалентной окиси (около 24%).

Железо появилось отчасти за счет межзвездной материи, из которой образовалась Земля, и захвата ею метеоритов, в которых содержалось около 30% железа. Стекшие железа и его окислов в центр планеты привело к образованию ядра Земли. Более легкие вещества (SiO2, MgO и др.) при этом переходили в верхние слои планеты, где они, остывая, образовали астеносферу и литосферу. Собственно мантия Земли оказалась заключенной между ядром планеты и ее твердыми приповерхностными областями, т.е. литосферой. Дегазация планеты привела к образованию атмосферы Земли. За счет конденсации водяных паров атмосферы образовалась гидросфера.

Итак, было время (4,6–4,0•10⁹ лет назад), когда Земля не была дифференцирована на геосферные оболочки. Все геосферные оболочки являются результатом дифференциации вещественного составам первичной Земли. Атмосфера оказывает давление на литосферу и гидросферу, две последние упруго сжимают мантию планеты, которая в свою очередь спрессовывает ядро Земли. Если же двигаться от центра планеты к ее периферии, то динамическая картина оказывается другой. Ядро Земли притягивает к себе вещество всех других геосферных оболочек, охватывает их обручем инициированного им магнитного поля, нагревает мантию и достигающие его оболочки литосферы. Мантия Земли передает мощные потоки тепловой энергии литосфере, раздвигает океаническое дно и перемещает литосферные плиты. Литосфера и гидросфера оказывают тепловое воздействие на атмосферу, передавая ей также огромные массы вещества являющиеся продуктами выветривания и испарения.

Таким образом, геодинамическая активность Земли также имеет свою историю: она находится в полном соответствии с историей эволюции геосферных оболочек.

4.2.2. История формирования геосферных оболочек

Рассмотрим в свете концепции глобальной эволюции Земли историю формирования основных геосферных оболочек.

Этапы развития Земли с позиций концепции глобальной геоэволюции.

С позиций концепции глобальной геоэволюции в развитии Земли выделяют следующие этапы:

1. образование планеты (4,7–4 млрд. лет назад);
   

1. нарастание тектонической деятельности Земли и достижение ею своего пика (4–2,2 млрд. лет назад);
   
2. период относительного постоянства в тектонической деятельности планеты (2,2 млрд. лет назад – 6 млрд. лет вперед);
   
3. угасание тектонической деятельности Земли (0,6 млрд. лет назад – 1,6 млрд. лет вперед);
   
   1. остывание планеты (1,6–5 млрд. лет вперед);
      

6)    опаление Земли в результате расширения перед угасанием Солнца (около 5 млрд. лет вперед).

Формирование ядра.
Формирование ядра Земли началось примерно 4,6 • 10⁹ лет назад. Расчеты показывают, что оно было особенно интенсивным в период (3–2,6) • 10⁹ лет назад. После 2,6 млрд. лет наращивание массы земного ядра начало резко, а потом плавно убывать. В наши дни масса ядра увеличивается, согласно расчетам, на 130 млрд. т в год. «Металлическое железо» покинуло мантию Земли примерно 500 млн. лет назад, оставшийся в ней магнетит (Fe₃O₄) распадается по схеме: 2Fе₃O₄ →6FeO + O₂, при этом FeO переходит но внешнее ядро Земли. Остывание Земли привело к частичному или полному затвердеванию как ее мантии, так и ядра.

Формирование мантии. Мантия по своему вещественному составу наиболее близка к составу первичного вещества Земли. Тем не менее, именно в ней процессы химико-плотностной дифференциации идут наиболее энергично: на протяжении 4 млрд. лет она проходит все новые стадии своего вещественного обеднения. Тяжелое вещество уходит к центру планеты, в ее ядро. Легкие элементы перемещаются в лито-, атмо- и гидросферу. Из мантии Земли полностью исчезли FeS, Fe, Ni. По сравнению с составом первичной Земли она существенно обеднела легкими веществами (К₂О, Na₂O, N₂, H₂ и др.) Вместе с тем происходящая в мантии химико-плотностная дифференциация приводит к росту в процентном содержании оксидов кремния (SiO₂) и магния (MgO). В сумме эти два оксида составляют около 83% состава современной мантии (против 57% в составе первичного вещества Земли).

Современная мантия охвачена мощными конвективными движениями, за счет которых тепловая энергия ядра и мантии передается другим геосферным оболочкам. Теплопотери Земли приведут к ее остыванию и переходу мантии в твердое литосферное состояние.

Формирование литосферы.
Литосфера образовалась в процессе остывания и кристаллизации частично расплавленного вещества мантии Земли. Ее часто называют «силикатным льдом». Имеется в виду, что литосфера, состоящая в основном из силикатов, т.е. солей кремниевых кислот, содержащих SiO₂, формируется подобно образованию льда при замерзании воды. Формирование литосферы началось 4–3,5 млрд. лет назад. Около 2 млрд. лет ушло на формирование cyперконтинента Пангеи. Последующая тектоническая деятельность Земли привела к раскалыванию Пангеи и образованию новых суперконтинентов.

Современная история литосферы связана прежде всего с тектоникой океанических плит. При раздвижении литосферы вещество
астеносферы внедряется в разломы рифтовых зон и, охлаждаясь, образует молодую океаническую литосферу. Океаническая кора cпособна надвигаться на концы континентальных плит, в результате чего образуются складчатые структуры. Обломки океанических литосферных плит, увлекаясь мантийными потоками, опускаются вплоть до ядра Земли, перемешиваются с другим мантийным веществом и вновь поднимаются на поверхность. Так осуществляются циклы тектонической деятельности Земли. В далеком будущем непременно произойдет их замедление, вплоть до полной остановки.

Формирование гидросферы.
Молодая Земля была лишена гидросферы. Последняя появилась благодаря дегазации Земли, инициируемой изливавшимися на ее поверхность мантийными расплавами, которые, попав в условия с минимальным давлением, вскипали (как известно, температура кипения тем ниже, чем меньше давление) и выделяли летучие вещества, в том числе пары воды. Чем сильнее нарастали конвективные явления в мантии, тем чаще ив большей массе извергались на поверхность Земли потоки магмы и тем больше становился объем первоначально неглубокого океана. Из-за поглощения части воды океанической, а также континентальной корой глубина океана увеличивалась медленно. И лишь после полного насыщения водой слоя океанической коры, а произошло это около 2,2 млрд, лет назад, дно океана стало быстро опускаться (до средней глубины современного океана).

Наибольший приток воды происходил в период охвата конвективными движениями всей мантии Земли, т.е. около 2,6 млрд. лет назад. Приток воды в Мировой океан имеет место и в наши дни, он будет продолжаться и в дальнейшем. Ослабление тектонической активности Земли, остывание ее мантии, образование в этой связи особо глубоких океанических впадин и поглощение части воды глубоко стегающими осадочными породами океанической литосферы приведет к тому, что будут вновь видны срединно-океанические хребты.

Формирование атмосферы. Согласно концепции глобальной эволюции Земли история атмосферы связана с дегазацией планеты отнюдь не меньше, чем история гидросферы. Полагают, однако, что уже на ранних этапах своей эволюции (4,7–4 млрд. лет назад) Земля, еще не приобретя гидросферы, уже обладала атмосферой, но крайне разреженной. Она состояла главным образом из летучих соединений, которые распространены в космосе, т.е. Н₂, Не, N₂, CH4, NH3, С0₂, СО.

Рождение плотной атмосферы оказалось связанным с выделением тех летучих соединений, которые попали на Землю в связанном состоянии: вода – с гидросиликатами, азот – с нитритами и нитратами, углекислый газ – с карбонатами и т.д. Подлинным динамическим источником атмосферы Земли оказалась начавшаяся ее активная дегазация (4 млрд. лет назад). Около 3 млрд. лет назад Земля пыла окутана плотной, состоящей в основном из азота (N₂) и углекислого газа (С0₂) атмосферой с давлением до 4 атм. Последующая история Земли связана в основном со своеобразной «заменой» углекислого газа кислородом.

Насыщение слоя океанической коры водой сопровождалось связыванием С0₂ в карбонаты (доломиты), поскольку при избытке углекислого газа в атмосфере реакции гидратации сопровождаются его связыванием в карбонаты.

Это привело к извлечению углекислого газа из атмосферы и снижению его парциального давления почти до современного. Обеднение атмосферы СО₂ –газом, задерживающим инфракрасное (тепловое) излучение Земли, привело к резкому снижению приземной температуры (с 90 до 6°С), которое 2,4 млрд. лет назад сопровождалось грандиозным оледенением.

Активную роль в извлечении углекислого газа из атмосферы сыграли также зеленые растения и фотосинтезирующие микроорганизмы. Речь идет о процессе фотосинтеза, суммарное выражение которого выглядит следующим образом:

Насыщение атмосферы кислородом происходило также благодаря фотолизу паров воды под воздействием коротковолнового излучения Солнца:

Н₂О -» ОН ⁺ + Н ⁺, 4ОН ⁺- -> О₂ + 2Н₂О,

а также галогенизации оксидов щелочных и щелочноземельных металлов:

2Na₂O + 2С1₂ – 4NaCl + О₂; 2СаО + 2F₂ = 2CaF₂ + О₂.

Далеко не весь кислород переходил непосредственно в атмосферу. Его мощным поглотителем являлось свободное железо:

3Fe + 2О₂ -> Fe₃O₄ (Fe₂O₃ • FeO).

Свободное железо исчезло из мантии Земли около 600 млн. назад. Это способствовало увеличению концентрации кислорода в атмосфере, что благоприятствовало быстрому развитию многоклеточных организмов.

В современных условиях выделяющийся в мантии кислород частично поглощается:

4FeO + О₂ -> 2Fe₂O₃.

Расчеты показывают, что через 600 млн. лет содержащееся в мантии железо окажется в состоянии магнетита (Fe₃O₄). Магнетит устойчив в мантии, но при переходе в ядро Земли он распадается:

2Fe₃O₄ -> 6FeO + О₂.

Свободный кислород, не встречая препятствий, устремится в атмосферу. Это, согласно расчетам, приведет к быстрому росту давления атмосферы (до 10 атм), приземная температура достигнет 250°С. После вскипания воды океанов давление возрастет до 350 атм, а приземная температура – до 450°С. В новых условиях жизнь окажется невозможной.

Подводя итог, отметим, что с позиций концепции глобальной эволюции Земли развитие геосферных оболочек связано главным образом с динамическими факторами. Среди них наиглавнейшим является энергия, выделяемая в процессе химико-плотностной дифференциации вещества в мантии и ядре Земли. Механизм химико-плотностной дифференциации вещества определяет как само наличие геологических явлений, так и их специфику.

4.3. Литосфера как абиотическая основа жизни

4.3.1. Понятие литосферы

Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, которая включает всю земную кору и часть верхней мантии. Это особый слой толщиной порядка 100 км.

Нижняя граница литосферы нечеткая и определяется резким уменьшением вязкости пород, изменением скорости распространения сейсмических волн и увеличением электропроводности пород.

Актуальность изучения литосферы обусловлена тем, что она является источником всех минеральных ресурсов, одним из основных объектов антропогенной деятельности. В верхней части континентальной земной коры развит почвенный слой, значение которого для человека трудно переоценить. Почва – органоминеральный продукт, созданный в результате многолетней деятельности живых организмов и воздействия абиотических факторов: воды, воздуха, солнечного тепла, света. Она является одним из важнейших природных ресурсов. В зависимости от климатических и геолого-географических условий почвы имеют толщину от 15–25 см до 2–3 м.

Почва возникла вместе с живым веществом и развивалась под влиянием деятельности растений, животных и микроорганизмов, пока не стала очень ценным для человека плодородным субстратом. Основная масса организмов и микроорганизмов литосферы сосредоточена в почве на глубине не более нескольких метров.

Современные почвы являются трехфазной системой (твердые частицы, вода и газы, растворенные в воде), состоящей из смеси минеральных частиц (продукты разрушения горных пород) и органических веществ (продукты жизнедеятельности микроорганизмов и грибов). Почвы играют огромную роль в кругообороте воды, углекислого газа и других веществ.

С разными породами земной коры, как и с ее тектоническими структурами, связаны разные полезные ископаемые: горючие, металлические, строительные и т.д.

4.3.2. Экологический функции литосферы

Обычно выделяют четыре экологические функции литосферы: ресурсную, геодинамическую, геофизическую и геохимическую.

Ресурсная функция литосферы определяется ролью содержащихся в ней ресурсов, а также факторами пространственного характера, значимыми для жизни биоты и человека. Общеизвестно, что литосфера содержит различные материальные ресурсы, большинство из которых активно используются человеком. Именно в этой связи наблюдается значительная ресурсная напряженность, которая не только не убывает, но и год от года нарастает.

Человечество стоит перед необходимостью системного гeopecypcного концептуального мышления. Весьма актуальные призывы и
практические акции к ресурсосбережению необходимы, но недостаточны. Человечество пока намного более успешно разрушает, чем восстанавливает литосферу. С большим трудом осознается, что объектом охраны является такой грандиозный объект, как литосфера.

Геодинамическая функция литосферы связана с масштабными природными и антропогенными процессами, влияющими на жизнь биоты и человека. Речь идет об аномалиях и напряженных состояниях горных массивов, участках повышенной трещиноватости и проницаемости, регионах, опасных в сейсмическом отношении или охваченных деятельностью вулканов.

Геохимическая функция литосферы касается в основном тех геохимических неоднородностей, которые представляют опасность для биоты, в том числе для человека. Речь идет, прежде всего, о химическом загрязнении, привнесении в литосферу различных токсикантов (тяжелых металлов, пестицидов, пластмасс). Многие химические вещества обладают канцерогенными и мутагенными свойствами.

Геофизическая функция литосферы реализуется посредством физических факторов, радиации, шумовых и тепловых эффектов. На поверхности Земли постоянно наблюдается естественный радиационный фон, который с медицинской точки зрения, как правило, не является вредным. Однако есть такие регионы, например, в Индии и Бразилии, где радиационный фон превышает предельно допустимый в 100 и даже 1000 раз.

4.3.3. Литосфера как абиотическая среда

В литосфере происходит множество процессов (сдвиги, сели, обвалы, эрозии и др.), имеющих целый ряд неблагоприятных экологических последствий в определенных регионах планеты, а иногда приводящих к глобальным экологическим катастрофам, цунами, землятрясениям и т.д. Перечислим некоторые из них.

Выветривание. Разрушение и преобразование горных пород в результате выветривания происходит под воздействием различных природных факторов – климата, рельефа, водной среды и веществ атмосферы. В зависимости от сочетания можно выделить различные виды выветривания, в частности физическое, химическое и биохимическое.

Причинами физического выветривания являются перепады суточных температур, рост кристаллов солей, расклинивающее влияние замерзающей воды в трещинах и порах и корневой системы деревьев

Химическое выветривание происходит при совместном воздействии температуры и агрессивной водной среды, содержащей в растворенном состоянии различные химические соединения.

Биохимическое выветривание осуществляется в результате воздействия органических кислот, выделяемых организмами, и преобразования их отмерших остатков.

Стадийность парообразовательных процессов – окисление, гидратация, растворение и гидролиз – приводит к формированию определенной зональности профилей выветривания. Коры выветривания играют важную экологическую роль. С ними связаны месторождения алюминия, никеля, кобальта, меди, железа и различные геохимические аномалии.

Оползни и сели. Под воздействием гравитации происходит перемещение обломков горных пород по поверхности Земли. Скорость и перемещения зависит от размеров обломков и уклона склона. Часто гравитационные процессы называют склоновыми. Возникшие в результате склоновых процессов отложения называются коллювием.

Гравитационные процессы разделяются на провальные, обвальные и медленные. В результате водно-гравитационных процессов возникают оползни и сели. Гравитационные процессы на конитинентальных склонах приводят к возникновению огромных по размерам подводных оползней.

Геологическая деятельность ветра. Часто геологическую деятельность ветра называют эоловой (по имени древнегреческого бога ветров – Эола). Геологическая деятельность ветра слагается из дефляции, переноса рыхлого материала и аккумуляции. Особенно ярко эоловая деятельность проявляется в пустынных областях и оголенных, лишенных растительного покрова, широких и плоских речных долинах и на побережьях крупных озер, морей и океанов. Ветер не только разрушает, переносит и отлагает тонкий песчаный материал, но и создает эоловый песчаный рельеф – барханы, продольные гряды, дюны и эоловую рябь. С деятельностью ветра связано образовани лёсса. В основном эоловая деятельность наносит ущерб хозяйственной деятельности человека.

Поверхностные водостоки. Деятельность поверхностных вод начинается с эрозии, плоскостного смыва, накопления делювия, формирования оврагов и временных горных потоков, в устье которых формируются конусы выноса, сложенные пролювиальным и делювиальным материалом. Реки производят большую эрозионную, переносную и аккумулятивную работу и в этом смысле играют важнейшую экологическую роль. В речных долинах имеются поймы и надпойменные террасы. Последние могут быть эрозионными и аккумулятивными. В устьевых частях рек в зависимости от ряда причин формируются дельты или эстуарии.

Подземные воды. Подземные воды по своему происхождению подразделяются на следующие типы: инфильтрационные, конденсационные, седиментогенные, магматогенные, или ювенильные, иметаморфогенные. Выделяются почвенные воды и верховодка; в зоне полного насыщения распространены грунтовые воды, межпластовые ненапорные воды и межпластовые напорные, или артезианские, воды. Перемещение подземных вод зависит от водопроницаемости пород, их трещиноватости. С подземными водами связаны карстовые процессы, выражающиеся в создании поверхностного и подземного рельефа, а также своеобразных аккумулятивных отложений и форм. К числу поверхностных форм карстового рельефа относятся карры, поноры, карстовые воронки, котловины, полья, а к подземному — пещеры и каналы (шахты). В пещерах формируются сталактиты и сталагмиты.

Озера, водохранилища и болота.
Озера и болота располагаются в понижениях рельефа и заполняются проточной или застойной водой. Озерные котловины создаются различными эндогенными и экзогенными геологическими процессами. В то время как в озерах экзогенные процессы складываются из абразионной транспортирующей и аккумулятивной деятельности, в болотах протекают только аккумулятивные процессы. В озерах и болотах формируются в основном тонкие обломочные и органогенные осадки. Среди болот различают озерные, лесные, луговые, верховые, низинные и приморские. Созданные человеком водохранилища по характеру геологических процессов относятся к озерам.

Многолетнемерзлые породы и грунты.
Многолетнемерзлые породы и грунты занимают около 60% территории России, но также широко распространены в Канаде и на Аляске. Мощность криолитозоны достигает 900 м. Имеются районы, где глубина многолетнего промерзания составляет 1500 м. В криолитозоне большое значение имеют
различные типы льдов: погребенный, повторно-жильный, миграционный. Среди подземных вод в криолитозоне выделяют надмерзлотные межмерзлотные, внутримерзлотные и подмерзлотные.

Мерзлотно-геологические процессы и возникающие в результате их деятельности формы рельефа весьма различны. На склонах происходят процессы, которые приводят к возникновению солифлюкционных террас. Из-за деградации криолитозоны появляется термокарст.

Материковые и горные ледники.
Площадь современных материков покровных (Гренландия и Антарктида) и горных ледников превышает 160 млн. км². Предгорные ледники представляют собой слившиеся горные ледники, выходящие в предгорья. Движение ледников связано с пластичным или высокопластичным течением льда. При движении ледников происходит перенос обломочного материала и его аккумуляция.

К ледниковым отложениям относятся морены, среди которых различают донные, абляционные, конечные; к водно-ледниковым – озы, комы и камовые террасы. В приледниковых областях выделяют зандры, лимногляциальные (озерно-ледниковые) отложения и лёссы.

Осадки морей и океанов.
В морях и океанах накапливаются различные типы осадков, среди которых выделяют терригенные (обломочные) хемогенные, органогенные и вулканогенные. Распространение генетических типов осадков зависит от климатической, вертикальной и циркумконтинентальной зональностей. За счет процессов диагенеза осадки с течением времени преобразуются в горные породы.

Извержения вулканов. Магматические горные породы возникают из алюмосиликатного расплава – магмы. Разнообразие магматических пород определяется дифференциацией магмы и ее взаимодействием с вмещающими образованиями. Флюидное давление играет большую роль в кристаллизации магмы. Типы вулканических построек и разнообразие извержений зависят от состава магмы, формы подводящего канала и концентрации летучих веществ. Распространение вулканов связано с активными границами литосферных плит.

Контрольные вопросы

1. Какова история образования оболочек Земли?

2. Каков главный метод изучения внутреннего строения Земли?

3. Перечислите основные геосферы.

4. Что такое граница Мохоровичича?

5. Назовите основные фазы образования Земли.

6. Что такое суперконтиненты Пангея I и II?

7. В какие периоды возникла атмосфера Земли?

8. Каковы основные экологические функции литосферы?

9. Какими факторами определяется энергетическая динамика Земли?

10. В чем суть концепции литосферных плит?

Метки текущей записи:

вопрос, действие, образование, Понятие, радио, свидетель, спор

Автор статьи: Дмитрий

Дмитрий написал 6135 статей.

Больше из этой рубрики

• Восстановление здоровья
• Производство труб ПВХ, фитингов
• Самые крутые Хакеры
• Самый крутой киносайт : https://kino-24.su/
• Как ощущали себя участники современных экономик?

Больше этого автора

• Понятие и виды векселей
• При выборе короля
• Обучение в Чехии: вратa в европейское образование
• Sen Chuck Grassleys Office Has Produced twenty Married Couples
• Виды покера на костях