Глава III. Планета земля и ее история за четыре миллиарда лет

История планеты

Как известно, Земля является планетой солнечной системы, орбита которой расположена на расстоянии 147,0-149,5 млн. км от Солнца. Земля - самая крупная планета в земной группе, но значительно меньше гигантских планет (рис. 7).

Рис. 7. Относительные размеры планет Солнечной системы

Благодаря научно-техническому прогрессу, в частности созданию искусственных спутников Земли и различных новых приборов, удалось получить новую информацию, позволяющую уточнить наши представления о Земле и ее глубинном строении. Земля состоит из концентрических оболочек - ядра, нижней и верхней мантии и земной коры (рис. 8), отличающихся составом, физическими свойствами и состоянием слагающих и веществ, во многом обусловливаемом различными температурами и давлениями. Не останавливаясь на составе ядра и нижней мантии, поскольку о них пока нет однозначных данных, отметим, что верхняя мантия по физическому состоянию подразделяется на две оболочки. Нижняя оболочка, сложенная веществом, находящемся в пластичном состоянии, близком к жидкому, выделяемая в так называемую астеносферу, находится под океанами на глубинах от 50 до 250 км и под континентами на глубинах от 100 до 400 км. В астеносфере находятся источники магмы, изливающиеся при извержении вулканов. Верхняя мантия состоит преимущественно из горных пород так называемого основного и ультраосновного состава, содержащих минимальное количество кремнезема.

Рис. 8. Строение Земли а - концентрические оболочки Земли; б - земная кора, континентальная и океаническая, и литосфера

Земная кора изучена лучше остальных оболочек. Ее толщина под дном океанов достигает 5-7 км, на континентах - 50-70 км. Земная кора сложена горными породами, которые в зависимости от их происхождения делятся на три большие и разнообразные группы. К первой группе относятся магматические горные породы, образовавшиеся в результате остывания магмы (рис. 9): под землей - интрузивные, на поверхности земли или под водой - излившиеся; и, наконец, туфогенные, когда магма остывала в воздухе и при извержениях в виде пепла и вулканических бомб падала на землю или в воду, где и откладывалась. К группе магматических горных пород принадлежат граниты, базальты, габбро, диориты, туфы, туффиты и т. д.

Рис. 9. Условия образования магматических пород. Черным показаны магматические породы; остальными условными знаками различные осадочные породы

Вторую группу составляют осадочные горные породы, накапливающиеся на поверхности земли или на дне водоемов за счет выветривания и размыва самых различных пород, а также в результате химических процессов, протекающих в водных бассейнах (садка соли, карбонатов и сульфатов кальция, магния и др.), и жизнедеятельности организмов (коралловых построек, раковинок и т. д.). Представителями этой группы являются пески, песчаники, глины, сланцы, известняки, доломиты, ангидриты, соли, конгломераты, галечники, ископаемые угли и др.

Третья группа представлена метаморфическими горными породами, образовавшимися в результате действия высоких температур и давлений как на магматические, так и на осадочные породы. Первые обычно называются метаизверженными, а вторые - метаосадочными.

Метаморфическими породами являются гнейсы, кристаллические сланцы, мраморы и др.

Соотношение трех названных групп пород показано на рис. 10, из которого видно, что все они достаточно тесно связаны друг с другом.

Рис. 10. Соотношение магматических, осадочных и метаморфических горных пород

Земная кора состоит преимущественно из трех слоев: верхнего - осадочного, среднего - гранитного и нижнего - базальтового (см. рис. 8). Названия этих слоев более или менее условны, так как осадочный слой в районах широкого развития вулканизма сложен изверженными и туфогенными породами, в среднем слое чаще встречаются гнейсы и другие метаморфические породы, чем граниты, нижний слой состоит как из базальтов, так и из других пород, испытавших наиболее глубокую степень матаморфизма. Состав коры под океанами и континентами не одинаков и поэтому выделяют два типа коры - континентальный и океанический. Некоторые исследователи выделяют еще промежуточный тип коры - субокеанический. В океанической коре, как правило, гранитный слой отсутствует и осадочные породы или даже неконсолидированные осадки залегают непосредственно на базальтовом слое.

Рис. 11. Раздвигание и поддвигание континентальных плит

Отдельные участки земной коры вместе со смежной частью верхней мантии в физическом отношении представляют собой единое целое - литосферу, плиты которой передвигаются в горизонтальных направлениях по вязкой астеносфере (рис. 11). При этом в зонах раздвигания плит вещество мантии поступает на поверхность (обычно на дно океана), образуя срединно-океанические хребты, а в зонах сжатия плит происходит поддвигание одной плиты под другую с вовлечением в движение вновь накопившихся осадков. Когда погружающиеся породы достигнут значительных глубин, они начинают плавиться и в виде лавы изливаются наверх, образуя вулканы. Литосферные плиты с течением времени испытывают также вертикальные движения. При их погружении обширные пространства заливаются морями и океанами или, как говорят, происходит трансгрессия моря, а при восходящих движениях море отступает, или регрессирует. Любые движения плит или отдельных их частей приводят к деформации слагающих их пород: так, в частности, осадки, которые отлагались на дне морей и океанов в виде почти горизонтальных слоев, сминаются в складки, а иногда и разрываются нарушениями (рис. 12).

Рис. 12. Деформации осадочных пород. Деформации: а - в мелком масштабе при поддвигании литосферных плит (черным - магматические породы); б - в крупном масштабе

Остановимся теперь на геологической истории Земли. Интересно, что чем более детально изучаются Земля и Луна, тем более очевидным становится их древний возраст: в конце XIX века его оценивали в 20-80 млн. лет, в начале XX столетия - в 100-200 млн. лет, теперь же считают, что он составляет не менее 5 млрд. лет. Возраст Луны считали равным 1,4 млрд. лет, теперь же на ее поверхности встречены почти такие же древние (4,6-4,8 млрд. лет) породы, как и на Земле.

Ранее считалось, что жизнь на Земле зародилась 570-600 млн. лет назад, но теперь установлено, что это событие произошло гораздо раньше. В развитии Земли выделяют несколько этапов: догеологический, раннегеологический, катархейский, архейский, протерозойский и фанерозойский (рис. 13). В догеологический (5,5 млрд. лет назад) этап из газопылевого облака, разогревшегося до температуры 1600-1700 °С, образовалась планета, состоявшая из преимущественно железного ядра и силикатной мантии. В последующий, раннегеологический, этап, продолжавшийся, вероятно, в течение 1-1,5 млрд. лет, происходили интенсивные извержения многочисленных вулканов и трещинные излияния магмы, при застывании которой образовались огромные горы и целые хребты. В результате над мантией стала формироваться базальтовая оболочка, представляющая собой прообраз коры океанического типа. Газовая оболочка, состоящая преимущественно из углекислоты и паров воды, закрывала поверхность планеты, создавая так называемый "парниковый эффект", аналогичный существующему в настоящее время на Венере, и температура на поверхности Земли могла достигать нескольких сотен градусов.

Рис. 13. Этапы в истории Земли и развитие органического мира, начиная с архейской эры. Цифрами показано время (возраст в миллионах лет), прошедшее с начала эры или периода; ширина полосы примерно соответствует продолжительности временного подразделения, за исключением катархейской и архейской эр и четвертичного периода

Примерно такими же были условия и в последующий, катархейский, период развития Земли, продолжавшийся, вероятно, 0,5 млрд. лет (4,0-3,5 млрд. лет назад), когда постепенно увеличивалась мощность земной коры и, вероятно, происходила ее дифференциация на более мощные и стабильные и менее мощные и подвижные участки.

Кардинально изменились условия развития Земли в архейский этап, продолжавшийся в течение 3 млрд. лет: как только температура на поверхности Земли стала меньше 100 °С, вся вода, находившаяся в атмосфере в парообразном состоянии, выпала на поверхность, заполнив крупные депрессии в рельефе и образовав моря и океаны. С этого момента Земля стала принципиально отличаться от всех планет Солнечной системы и вообще от всех известных в настоящее время небесных тел.

Появление водной оболочки - гидросферы - существенным образом изменило условия развития планеты: на ее поверхности появился агент - вода, который во много раз ускорил процессы нивелирования рельефа. Отныне реки и ручьи с невиданными доселе скоростями начали размывать повышенные участки и сносить продукты размыва в моря, океаны и озера. На Земле появились новые породы - водноосадочные, которых нет ни на одной планете. В архейский этап существовали континенты и острова, разделенные морями и океанами, происходили частые и интенсивные подвижки литосферных плит, интенсивно и широко развивались магматические процессы. В результате этого как осадочные, так и магматические архейские породы повсе местно к концу этапа подверглись воздействию высоких температур и давлений и преобразовались в мета морфические: гнейсы, кристаллические сланцы, граниты, мраморы и др.

Весьма важным в истории развития Земли событием, которое произошло в начале архейской эры (3,5 млрд. лет назад) и оказало исключительное влияние на всю дальнейшую геологическую историю Земли было появление в водных бассейнах простейших организмов. Мы не будем останавливаться здесь ни на причинах их возникновения, ни на том, как они произошли: этому посвящена специальная литература. Первые микроорганизмы, очевидно, были анаэробными (существовали в условиях отсутствия свободного кислорода), гетеротрофными, и их жизнедеятельность в основном происходила за счет расщепления соединений согласно реакции (СН₂O)n→С₂Н₅OН + СO₂. Затем в организмах в виде пигмента появился хлорофилл, благодаря которому еще в анаэробной среде начали существовать фотоавтотрофные бактерии. Их деятельность была связана с анаэробным фотосинтезом CO₂ + H₂S→(CH₂O)_n+S. Затем, вероятно около 3300 млн. лет назад, появились бактерии, которые использовали углекислоту и воду, выделяя в качестве продуктов жизнедеятельности свободный кислород: СO₂ + Н₂O→(СН₂O)_n + Н₂O + O₂.

В течение длительного времени в водных бассейнах существовали только одноклеточные простейшие организмы, которые то бурно развивались, распространяясь на огромных просторах океанов и морей (ведь еще не было экологических систем, регулирующих численность организмов), то в огромных количествах погибали под влиянием изменений температуры и солености вод и других факторов, так как не имели еще механизмов, регулирующих их температуру, и защитных приспособлений. Потребовался почти миллиард лет, в течение которых благодаря естественному отбору в организмах выработались различные защитные приспособления, произошла их дифференциация.

При последующем метаморфизме пород архейского возраста остатки и отпечатки живых организмов были почти полностью уничтожены. Однако следы разрушения органического вещества, накапливавшегося в архейских породах, все же удается обнаруживать по включениям графита, широко распространенного в архейских гнейсах, сланцах и особенно мраморах (см. ниже).

В послеархейское время благодаря значительному Увеличению мощности земная кора стала менее проницаемой для магмы, сформировались крупные жесткие Участки - щиты, сложенные в основании сильно дислоцированными архейскими породами. Отложившиеся на этих щитах осадки впоследствии не испытывали интенсивного воздействия высоких температур и давлений, не подвергались метаморфизму. В водных бассейнах резко изменились условия осадкообразования: почти всегда в осадках вместе с минеральной частью стали захороняться и органические остатки либо в виде обрывков тканей, микроскопических телец (спор, пыльцы растений и др.), либо в виде мельчайших частиц (рассеянное органическое вещество), пленок и растворов. В отдельные эпохи организмы столь бурно развивались, что захороняемые на дне водоемов осадки оказывались почти целиком сложенными их остатками (коралловые постройки, раковинки пелеципод, радиолярий и др.), продуктами их жизнедеятельности (комочки железа, меди, конкреции марганца и др.) или, наконец, оставшимся от них органическим веществом (торф, горючие сланцы и др.).

Нельзя не отметить исключительную насыщенность организмами отдельных частей земной поверхности. Так, в настоящее время в 1 г почвы содержится до 20 млрд. бактерий, простейших организмов и актиномицетов.

В протерозойский этап, продолжавшийся в течение 1-1,5 млрд. лет, вулканическая деятельность была менее интенсивной, в океанах и морях накапливались различные осадки. В некоторых протерозойских водных бассейнах интенсивно развивались различные организмы (например, железоосаждающие бактерии, водоросли и др.), благодаря которым осадки обогащались железом или карбонатами. Вот почему в протерозойских отложениях довольно часто встречаются железистые минералы (руды и железистые) кварциты Курской магнитной аномалии, Канады и др.), мощные толщи известняков, нередко водорослевых, и доломитов, а иногда и прослои шунгитов - прообраз будущих углей. Во многих областях мира протерозойские отложения были погружены на большие глубины, сильно деформированы и пронизаны раскаленной магмой, вследствие чего они сильно изменились и превратились в гнейсы, кварциты и другие метаморфические породы. На щитах, например, в Центральной России, Сибири, Австралии, осадки, накопившиеся в течение позднепротерозойского времени, не подверглись такому сильному изменению и содержат мощные толщи известняков, доломитов, прослои горючих сланцев, шунгитов и т. д. Сравнительно богаты органическим веществом верхнепротерозойские осадки в Московской области, Восточной Сибири, Австралии и других местах.

Фанерозойский этап, продолжающийся в течение последних 570 млн. лет, характеризовался дальнейшим развитием жизни на Земле, сопровождающимся расцветом и массовым вымиранием отдельных групп животных и растений, появлением и развитием наземных форм (см. рис. 13). На "взлеты" и "падения" в развитии отдельных групп организмов влияло изменение глобальных физико-географических условий, определяемых отчасти распространением морей и океанов. В одни геологические периоды и эпохи (например в кембрийский, позднедевонскую, позднеюрскую и другие эпохи) значительная часть планеты была покрыта мелководными морями, в теплой воде которых бурно развивались водоросли и различные животные (трилобиты, брахиоподы, граптолиты и др.), в другие (например в каменноугольный, раннеюрскую, раннемеловую и другие эпохи) в условиях влажного и теплого климата почти все континенты были покрыты пышной растительностью, сначала преимущественно папоротниковых, а затем и других видов, остатки которых, захороняясь, образовали впоследствии мощные пласты ископаемых углей (Донецкий, Кузнецкий, Рурский и другие угольные бассейны). Наконец, в истории Земли существовали эпохи (раннедевонская, раннепермская и др.) весьма жаркого климата, в течение которых из воды многих заливов и морей выпадали соли и накапливались на дне таких бассейнов в виде мощных толщ (районы Солегорека, Соликамска, Артемовска в Донбассе и др.).

Отложившиеся на дне водоемов осадки, содержащие остатки самых различных животных и растений, образуют как бы своеобразную книгу, "чтение" каждой страницы которой позволяет познавать историю Земли. Как ботаник по годовым кольцам на срезе дерева определяет не только его возраст, но и климатические и другие особенности каждого года его развития, так и геолог, изучая пласты пород и заключенные в них кости, раковины, обломки растительности, а также микроскопические остатки (раковинки, споры, пыльцу) и химический состав, может определить не только возраст пород, но и глубину и соленость моря, в котором отлагались осадки, климат и состав близлежащей суши и т. п. Мало того, поскольку в момент своего образования пласты осадочных пород залегают почти горизонтально, то по последующему изменению залегания можно определять масштабы и направления всех движений того или иного участка земной коры.

В течение фанерозоя очертания океанов и морей неоднократно менялись благодаря движению литосферных плит (рис. 14). В местах раздвигания плит расширялись океаны (как расширяется в настоящее время Атлантический океан благодаря тому, что Евразийский и Американский континенты удаляются друг от друга со скоростью до 9 см в год), литосферные плиты сталкивались друг с другом, породы сминались в складки, которые наползали друг на друга, образуя высочайшие горные хребты, такие как Гималайский, Альпийский, Андийский, Кавказский, Уральский и др.

Рис. 14. Положение континентов в разные периоды фанерозоя: 1 - пермский (225 млн. лет назад); 2 - триасовый (200 млн. лет назад); 3 - юрский (135 млн. лет назад); 4 - меловой (65 млн. лет назад); 5 - современное положение Континенты: а - Евразийский; б - Африканский; в - Северо-Американский; г - Южно-Американский; д - Австралийский; е - Антарктический; ж - Индийский субконтинент

Важным следствием всех движений плит и различных участков коры является деформация горных пород. Отложившиеся горизонтально на дне водных бассейнов слои оказываются в различной мере смятыми в складки, местами разорванными и нередко прорванными пластичными породами - солями, глинами, двигающимися снизу (рис. 15). В результате всех этих процессов в разных частях территорий и акваторий на глубине с различными углами наклона залегают разнообразные породы. Например, на Кольском полуострове, прямо под современными наносами вскрыты метаморфические и изверженные породы - гнейсы, кристаллические сланцы, граниты и др., которые образовались более 2,8 млрд. лет назад, в свое время претерпели очень сильное нагревание (до нескольких сотен градусов) и сжатие, вследствие чего оказались интенсивно смятыми в складки, обычно разорванные. В таких районах как Курская магнитная аномалия, под наносами и маломощными породами юры и мела залегают железистые кварциты, возраст которых составляет примерно 2,5 млрд. лет. В Московской области под четвертичными образованиями залегают породы моложе 600 млн. лет. Подо дном морей и океанов ниже современных осадков часто залегают породы, которые непрерывно накапливались на протяжении последних 60 млн. лет. В горах, как правило, на поверхность поднимаются породы самого различного возраста, нередко разорванные и интенсивно смятые в крупные складки, надвинутые друг на друга.

Рис. 15. Геологическое строение участков, в которых распространена боль. Черным показана соль, остальными условными знаками - разные комплексы земной коры

В вулканических поясах с глубин в несколько десятков километров периодически поступает огненножидкая магма, которая во время сильных извержений дает огромное количество вулканического пепла, часто разносимого на сотни, а то и тысячи километров от места извержения.

Везде ниже уровня грунтовых вод, находящихся на глубинах от единиц до первых десятков метров, пустоты в горных породах (поры, трещины, каверны и реже пещеры) заполнены водой. Лишь в горах, расположенных значительно выше уровня моря, вода в крупных пустотах, таких как пещеры, может отсутствовать или в виде подземных рек протекать по их дну.

Общее количество воды, содержащейся в недрах Земли, огромно, оно достигает 0,5 млрд. км³, т. е. около трети воды морей и океанов (1,5 млрд. км³). Подземные воды, как правило, движутся (только в отличие от поверхностных) с весьма незначительными скоростями, заметными в масштабе геологического времени.

Интересно распределение температуры в недрах. На суше сезонные колебания температуры отражаются до глубин 15-25 м, где они обычно равны среднегодовой температуре воздуха. Исключения составляют вулканические области и зоны поступления глубинных вод, где даже у поверхности земли температура может достигать 100°С, а на глубинах нескольких десятков или сотен метров и 200°С. Ниже глубины 20-25 м температура начинает возрастать в среднем на 1°С через каждые 30 м, но в отдельных регионах (в Ставрополье, Западной Сибири, Средней Азии и др.), температура увеличивается быстрее - на 1°С через 15-25 м, а в других (на Кольском полуострове, в районе Курской магнитной аномалии и др.), температура повышается на 1°С лишь через 60-100 м. В зависимости от широты местности и темпа возрастания температур обычно на суше на глубине 1 км температура составляет 20-40°С, на глубине 3 км - 40-60°С, 4 км - 70-90°С, 5 км - 100-120°С. Подо дном водных бассейнов температура начинает возрастать почти сразу от поверхности дна, сначала обычно с небольшой интенсивностью, а затем почти так же, как и в недрах суши.

Давление воды, нефти и газа в недрах возрастает с глубиной примерно на 1 кг/см² через каждые 10 м глубины и в среднем на глубине 1 км составляет 100 кг/см², на глубине 2 км - 200 кг/см² и т. д. Но это в среднем. Обычно в пределах нефтяных и особенно газовых месторождений эти давления выше средних величин.

Рассмотрим теперь деятельность вулканов и сходных с ними образований, называемых вулканоидами.

Извержение вулканов, как одно из наиболее ярких проявлений подземных сил, нередко с человеческими жертвами, издавна привлекало внимание всех исследователей. Достаточно вспомнить извержение Везувия, вызвавшее трагедию Помпеи в 79 году, извержение Страмболи и другие. Поэтому вулканам посвящены работы естествоиспытателей всех времен.

Много десятков лет коллектив Института вулканологии Дальневосточного центра Академии наук СССР вулканы Камчатки и всей северозападной части Тихоокеанского кольца.

В течение 30 лет занимается вулканами всех стран света французский исследователь Гарун Тазиев - прекрасный популяризатор вулканологии, опубликовавший весьма увлекательные книги^*.

^* (Тазиев Гарун. Встречи с Дьяволом. М, Мысль, 1976, 382 с. 58.)

Изучаются Этна, Везувий, вулканы Японии, Индонезии, Гавайских островов и т. д. В результате исследований установлено, что очаги извержений обычно располагаются на глубине 8-10 км (рис. 16), где находятся камеры, содержащие расплавленную магму. Магма поступает в них из зон, расположенных на глубине более 30 км. На рисунке видно, как вулканический канал пересекает породы палеозоя, мезозоя и кайнозоя.

Рис. 16. Глубинное строение района Камчатки РЭ - докембрий, PZ - палеозой, MZ - мезозой, KZ - кайнозой

Вблизи действующих или в районах потухших вулканов наблюдаются так называемые вулканоиды, представляющие собой небольшие холмы или, наоборот, депрессии, из которых на поверхность выходят горячие воды, газ, грязь. В составе поступающих газов преобладают водяные пары и двуокись углерода; содержатся и другие компоненты: сернистый ангидрит, водород, изредка метан и др.

Вулканоиды, образовавшиеся в результате поступления флюидов от горячих магматических тел, внешне весьма сходны с вулканоидами другого типа - грязевыми вулканами, встречающимися в некоторых нефтегазоносных областях как у нас в стране (в Азербайджанской ССР, на Таманском и Керченском полуостровах, на Сахалине), так и в других странах (на острове Тринидад, в Индии, КНР и др.).

В результате многолетних исследований, начатых еще академиком И. М. Губкиным, установлено, что грязевые вулканы образуются в результате прорыва и затем постоянного или периодического поступления углеводородных газов на поверхность. Вместе с газом поступает и вода, которая, размывая глины, образует "грязь", также выходящую на дневную поверхность (рис. 17). Вместе с этими компонентами поступают на поверхность и незначительные количества нефти.

Рис. 17. Предполагаемый геологический разрез через грязевой вулкан Люк- Батан Залежи: 1 - нефти, 2 - газа, 3 - сопочная брекчия исследует

Грязевые вулканы являются своеобразными "редукционными клапанами", которые снимают излишнее давление газа в недрах.