Развивающаяся Вселенная

Верхняя мантия (зона В) непосредственно связана с самой внешней твердотельной оболочкой, с земной корой. Она не беспричинно считается кухней, где приготавливаются основные слагающие кору породы или их полуфабрикаты. Полагают, что в состав верхней мантии входят оливин (~60%), пироксен (~30%), и полевой шпат (~10%). В определенных зонах этого слоя происходит частичное плавление минералов, и образуются щелочные базальты, основа океанической коры. Через рифтовые разломы среднеокеанических хребтов базальты поступают из мантии на поверхность Земли. Но этим не ограничивается взаимодействие коры и мантии. Хрупкая и в высокой степени жесткая кора вместе с подстилающей мантией образует особый слой толщиною примерно в 100 километров, названный литосферой. Этот слой опирается на верхнюю мантию, плотность которой заметно выше. Верхней мантии присуща особенность, определяющая характер ее взаимодействия с литосферой: по отношению к кратковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий материал, а по отношению к длительным нагрузкам - как пластичный материал. Литосфера, естественно, создает постоянную нагрузку на верхнюю мантию и под ее давлением подстилающий слой мантии, названный астеносферой, проявляет пластичные свойства. В результате литосфера "плавает" в нем. Э ффект назван изостазией.

Астеносфера, в свою очередь, опирается на более глубокие слои мантии, плотность и вязкость которых возрастают с глубиной. Происходит это из-за сдавливания пород, вызывающего их структурную перестройку. Например, кристаллический кремний в обычном состоянии имеет плотность 2,53 г/см³. Под действием давления и температуры на глубинах, о которых идет речь, он переходит в одну из своих модификаций, названную стишовитом (в честь геолога Стишова, который экспериментально обнаружил такую перестройку), плотность которой достигает 4,25 г/см³. Силикаты, составленные из этой модификации кремния, имеют компактную структуру, и они преобладают в нижней мантии. В целом литосфера, астеносфера и остальная мантия могут рассматриваться как трехслойная система, каждая из частей которой подвижна относительно других частей. Особой подвижностью в этом триумвирате отличается относительно легкая литосфера, опирающаяся на пластичную и не слишком вязкую астеносферу.

Земная кора образует верхнюю часть литосферы. Она слагается в основном из восьми химических элементов: это кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий. Половина всей массы коры приходится на кислород, содержащийся в ней в связанных состояниях, главным образом в виде окислов металлов. Геологические особенности коры определяются совместным действием на нее тектонических процессов, а также атмосферы, гидросферы и биосферы, этих трех самых внешних и подвижных оболочек планеты. Состав коры и внешних оболочек непрерывно обновляется в своеобразном круговороте веществ, что иллюстрируется такими данными. Благодаря выветриванию и сносу вещество континентальной поверхности полностью обновляется за 80-100 миллионов лет. Убыль вещества континентов восполняется вековыми поднятиями их коры. Жизнедеятельность бактерий, растений и животных сопровождается полной сменой содержащейся в атмосфере углекислоты за 6-7 лет, кислорода – за 4000 лет. Вся масса воды гидросферы (1,4 * 10¹⁸ тонн) целиком обновляется за 10 миллионов лет. Еще более фундаментальный круговорот вещества поверхности планеты протекает в процессах, связывающих все внутренние оболочки в единую систему.

В недавнем прошлом научные представления о процессах, происходящих в земной коре и в глубинах планеты, опирались на данные геологических исследований континентов. В XIX веке обобщение этих данных привело к формированию геосинклинной геологической науки, господствовавшей до середины XX века. В ее основе лежало представление о стационарности континентов, находящихся на своих местах с момента завершения формирования Земли как планеты. Тектонические процессы сводились к явлениям, вызываемым вертикальными потоками тепла и расплавленного вещества недр, чем определялось структурное развитие планеты. Но уже в те далекие времена геологи и геофизики сталкивались с фактами, не укладывавшимися в господствовавшие представления. Например, факт присутствия в структурах континентов фрагментов древней океанической коры. Это означало, что на месте современных континентов когда-то располагались океаны и, наоборот, на месте некоторых океанов в древние времена могли находиться континенты. Также была замечена целая группа казалось бы разрозненных явлений, не находивших объяснения в рамках геосинклинальной теории. Давно обращено внимание на поразительное совпадение очертаний береговых линий удаленных на тысячи километров материков (геоморфологические признаки), что заставляет предположить возможное их совместное существование в прошлом, завершившееся расколом и раздвижением отколовшихся частей. Или согласующееся с высказанным предположением геологическое единство структур в местах предполагаемого разделения континентов (геологические признаки). Сюда же можно отнести согласующиеся с таким предположением измеренные направления намагниченности пород в разные эпохи (их не следует путать со скачкообразными сменами полярности магнитных полюсов), указывающие на предполагаемые исторические перемещения континентов (палеомагнитные данные). Или отмечаемые видовые сходства животного и растительного миров на некоторых, в наше время изолированных друг от друга, массивах суши (данные палеозоологии и палеоботаники), а также реставрации древних климатических условий, говорящие об ином местонахождении соответствующих участков суши в древние времена (палеоклиматология). Впервые на эти факты, как на совокупность единого целого, обратил внимание и свел их вместе выдающийся ученый первой половины ХХ века Альфред Вегенер. Вместе эти факты образовали систему доказательства существования горизонтальных движений континентов. С этого момента началась полная драматизма борьба между тогда еще многочисленными сторонниками стационарности континентов, их назвали фиксистами, и сторонниками исторического перемещения континентов по земной поверхности, их назвали мобилистами. Фактически же началась борьба за новую геологическую идеологию и за новые представления о взаимосвязи процессов на поверхности и в глубинах Земли.

Трудности, с которыми столкнулся Вегенер при попытке внедрения новых идей в геологические науки, связаны с тем, что эти идеи примерно на 50 лет опередили свое время. В его распоряжении не было достаточно убедительных фактов, появившихся лишь после начала детального изучения океанов, развернувшегося в 50-х годах ХХ века. Факты, о которых шла речь выше, и которые вступали в противоречие с идеями геосинклинной теории, не могли перевесить того, что накопила и обобщила геология континентов. Их рассматривали, как некое неприятное недоразумение, которое со временем можно будет объяснить, не меняя основополагающей идеологии. В этой связи интересно обратить внимание на чисто человеческую сторону научного конфликта. В 1972 году, уже после того, как улеглись ураганные страсти, разделившие в дискуссиях ученых на мобилистов и фиксистов, случайно в одной из библиотек обнаружилась книга Османда Фишера, изданная еще в 1889 году. В книге развивались близкие к современным идеи о горизонтальном движении континентов и о конвективных потоках вещества внутри Земли как причины таких перемещений. В свое время книга прошла совершенно незамеченной, она не оставила ни малейшего следа в сознании геологов. Ничего не знал о ней и Вегенер, когда 25 лет спустя после Фишера он выдвинул мобилистские идеи и начал активную борьбу за их внедрение. И то обстоятельство, что ему удалось расшевелить научную общественность, возбудить горячие дискуссии, наконец, расколоть геологическое сообщество на два противостоящих лагеря, в этом заслуга яркой, неординарной личности Вегенера, обладавшего к тому же незаурядными качествами бойца. Развязанная полемика завершилась в 1930 году в результате трагической гибели Вегенера во льдах Гренландии. Гипотеза о горизонтальных движениях континентов была объявлена антинаучной и, казалось бы, навечно похороненной. А в 1968 году она, возродившись как птица Феникс из пепла, безоговорочно утвердилась, но уже не как гипотеза, а как теория под названием Тектоника литосферных плит.

Новая теория возникла как закономерный итог развернутых в 50-е годы интенсивных и всесторонних исследований океанов, открывших геофизикам, океанологам и геологам новую, ранее неизвестную страну. Материалы этих исследований не укладывались в рамки прежней геологической идеологии, они противоречили представлениям о стационарности континентов и о вертикальных потоках тепла и вещества внутри Земли, как о главном факторе структурообразования ее поверхности. Новая теория, опираясь на данные проводившихся исследований, смогла естественным образом связать воедино тектонические, вулканические и геодинамические процессы, она наметила возможность исторического рассмотрения развития планеты, как цельного тела. В результате уже к 60-м годам лагерь фиксистов опустошился, почти все его представители перед лицом новой реальности перешли в ряды сторонников мобилистских идей и новой теории.

Основные положения Тектоники литосферных плит следующие. Литосфера рассматривается как система, разбитая на отдельные плиты, способные перемещаться, опираясь на астеносферу, независимо друг от друга. Плита - это вся масса коры и подстилающей мантии, которая перемещается по поверхности Земли как единое целое. Плиты охватывают одновременно части океанов и континентов, и в настоящее время поверхность Земли слагается из нескольких десятков таких плит. В районах рифтовых долин, где вещество мантии выносится наружу, плиты расходятся, а в местах, где горизонтальные смещения соседних плит оказываются встречными, они надвигаются друг на друга. Вдоль границ литосферных плит располагаются зоны повышенной тектонической активности. При надвижении плит сминаются их края, образуя типичные горные хребты или целые горные области. Океанические плиты, берущие свое начало в рифтовых разломах, наращивают толщину по мере приближения к континентам. Они уходят под островные дуги или континентальную плиту, унося в глубины Земли накопившиеся осадочные породы. Вещество погружающейся плиты достигает в мантии глубин до 500 - 700 километров и там начинает плавиться.

Что же заставляет плиты перемещаться по поверхности планеты и откуда берется необходимая энергия? Чтобы ответить на эти вопросы следует выявить те процессы, которые протекают в земных недрах на всем их протяжении от ядра до коры, и установить их взаимосвязь с тем, что наблюдается на поверхности Земли. Формально эти процессы не входят в сферу прямых интересов теории тектоники литосферных плит, но без них невозможно обосновать то, что служит предметом ее рассмотрения. Геодинамические процессы организуют в недрах Земли замкнутые конвективные течения, образующие ячейки. В таких ячейках совершается круговорот вещества планеты: восходящие потоки поднимают вещество глубин к поверхности, нисходящие – уносят вещество поверхности в глубину. На ранней стадии развития Земли, когда ядро было малых размеров, возможно, существовала единственная мощная конвективная ячейка. Изменение со временем внутренних структур, рост ядра привели к разбиению конвективного потока и появлению нескольких более узких и менее мощных конвективных ячеек. Достигающие приповерхностных слоев конвективные течения перебрасывают мостик от восходящих к нисходящим ветвям ячеек. Предполагается, что эти процессы привели к дроблению литосферы и образованию в ней системы плит. Они же заставляют плиты перемещаться по поверхности. Но не все так просто. По словам специалистов

"Силы, приводящие плиты в движение, все еще как следует не поняты <...> Так же неясна связь между движением плит и конвекцией. Однако, связь эта почти определенно очень тесная, причем движение океанических плит представляется составной частью конвекционного цикла" [42].

После нескольких лет эйфории, вызванной безоговорочной победой мобилистских идей, началось понимание ограниченного характера теории литосферных плит, на смену которой идет новая, действительно глобальная теория Земли, более полно согласующаяся с современной естественнонаучной концепцией развития. В ней центральное место занимают представления о процессах самоорганизации. Ограниченность существующей теории, прежде всего, связана с тем, что она охватывает только поверхностные процессы, протекающие в литосфере и астеносфере, и не касается геодинамики глубинных слоев планеты, а именно они определяют жизнедеятельность Земли. Но охват даже этих процессов далек от полноты. Известен перечень многочисленных явлений, не укладывающихся в схему горизонтальных движений литосферы, вызываемых замкнутыми конвективными потоками в недрах планеты. Подробное обсуждение таких явлений состоялось в ходе 27-го Международного геологического конгресса, проходившего в Москве в 1984 году. Обращено внимание на то, что наряду с активной вулканической деятельностью, протекающей на границах литосферных плит, существуют вулканы и внутри самих плит. Таковы, например, цепочки вулканов Гавайских островов, Тибета, Африки. Ученые разных стран высказывали предположение, что такие цепочки вулканов последовательно возникают над разогретыми участками мантии, которые неподвижны, в то время как литосферная плита движется над ними. Поэтому на одном конце цепочки располагаются старые потухшие вулканы, а на противоположном - молодые, образовавшиеся сравнительно недавно.

Природу "горячих точек" в мантии ученые объясняют существованием стационарных вертикальных потоков тепла и вещества, названных мантийными струями. Они поднимаются из нижней мантии в верхнюю и доставляют туда горячее вещество земных глубин. К явлениям той же природы относят внутриплитовые "горячие поля", с которыми, в частности, связывают наиболее крупные аномалии в форме земного геоида. В таких местах наблюдаются поднятия поверхности океана на 50-70 метров от строгой линии геоида. Эти и некоторые другие "аномальные" факты ясно указывают на то, что жизнь земных недр протекает намного сложнее существующих представлений о ней.

Второе ограничение теории литосферных плит связано с отсутствием в ней исторического подхода, процессы в литосфере практически не связываются с развитием, с их изменениями во времени. Между тем, существуют данные, указывающие на то, что тектоника литосферных плит, какой мы ее знаем сегодня, существует не далее последнего миллиарда лет, а до этого господствовали иные геологические процессы. Мы становимся свидетелями рождения новой теории, исходящей из представлений о Земле, как о системе, цельном естественном теле, пребывающем в состоянии непрерывного развития. Движущая сила развития – одновременное действие в недрах планеты конвективного круговорота тепла и вещества и однонаправленного тепломассопереноса. В разные исторические периоды и на разных глубинах господствует один из этих двух процессов. Теория исходит из оболочечного строения Земли, в котором различают три главные области: кора и верхняя мантия, в которых динамика описывается тектоникой плит; нижняя мантия, где господствует тектоника мантийных струй; железноникелевое ядро, разрастающееся вследствие динамических процессов, происходящих в других оболочках. Каждая из оболочек, в свою очередь, слагается из отдельных открытых диссипативных подсистем, которые при общем единстве обладают своими индивидуальными особенностями. Нарождающаяся теория получила условное название Глобальной геодинамики. Ее оформление - дело недалекого будущего.

Самые верхние подсистемы Земли, а это гидросфера и атмосфера, заметно отличаются от других ее систем, образующих твердое тело планеты. По массе – это незначительная часть земного шара, не более 0,025% всей его массы. Но значение этих оболочек в жизни планеты огромно и об этом говорилось в предыдущем параграфе. Гидросфера и атмосфера возникли на самой ранней стадии формирования планеты, а может быть и одновременно с ней. Нет сомнений, что океан и атмосфера существовали 3,8 миллиарда лет назад. В отношении атмосферы долгое время господствовала гипотеза, что она появилась в результате процесса дегазации земных недр под воздействием вулканических и некоторых тектонических процессов. Теперь эту гипотезу считают несостоятельной, а основным источником, породившим атмосферу Земли, полагают ударную дегазацию. Так, Альвен и Аррениус, с концепциями которых мы знакомились раньше, полагают, что когда Земля достигла примерно размеров Марса, начался период ее интенсивных бомбардировок планетезималями. Удары сопровождались сильными локальными разогревами, плавлением земных пород и самих планетезималей. При этом выделялись содержавшиеся в породах газы и пары воды. А так как средняя температура поверхности Земли оставалась сравнительно низкой, пары воды конденсировались, образуя растущую гидросферу, а газы образовывали раннюю земную атмосферу. В столкновениях Земля теряла какое-то количество водорода и гелия, но сохраняла более тяжелые газы. Содержание изотопов инертных газов в современной атмосфере позволяет судить о породившем их источнике. Судя по изотопному составу, атмосфера порождена ударной дегазацией, а не выделением газов из глубин Земли. Идея ударной дегазации, как основного механизма, образовавшего гидросферу и атмосферу, поддерживается многими специалистами.

Обе внешние оболочки Земли, атмосфера и гидросфера, тесно взаимодействуют друг с другом и с литосферой. На них оказывается прямое воздействие со стороны Солнца и Космоса. Каждая из двух оболочек представляет собой открытую систему, в определенной степени независимую в своих путях развития. Те кто профессионально изучает воздушный или водный океаны убеждены, что объекты исследования обнаруживают удивительную тонкость организации и способность к глубокой саморегуляции. Но при этом ни одна из земных систем не выпадает из общего ансамбля, и их совместное существование демонстрирует не просто сумму частей, а новое качество.

Среди сообщества оболочек Земли особое место занимает биосфера. Она захватывает верхний слой литосферы, почти всю гидросферу и нижние слои атмосферы. Значимость этой системы выходит за пределы чисто земного мирка, она представляет собой звено космического масштаба и требует отдельного рассмотрения.