Лекция 3. Земля - как материальная система

Космическая предопределенность становления Земли как планеты жизни обусловлена прежде всего ее зависимостью от Солнца. Солнце ведет свою систему по галактической орбите и в зависимости от периода прохождения апогалактического или перигалоктического секторов соответсвенно увеличивается или уменьшается скорость осевого вращения Земли, а это ведет к функциональным взаимодействиям геосфер, а вслед за этим к экзогенным преобразованиям атмосферы, биосферы, гидросферы, и литосферы.

Земля получает солнечную энергию и развивается как материальная система в сторону увеличения запаса своей внутренней энергии. В конечном итоге появления жизни и разума как стадию ее развития.

Солнце для Земли выполняет защитную функцию: силой гравитации удерживает Землю в своей системе. Различного типа физические поля, создаваемые Солнцем, оберегают нашу планету от излучений космоса.

Здесь есть аналогия с машиной: Солнце – это точка, где сгорает преимущественно водород; Земля - котел; работа машины – это геологические процессы, а космос – холодильник, куда сбрасывается рабочее тело (пар, вода).

Поскольку земля является космическим телом и сосуществует с другими телами многие миллиарды лет, то ее геологическая летопись фиксирует результаты разнообразных космических воздействий. Проиллюстрируем это следующим примером: цикличные изменения скорости вращения Земли в зависимости от “путешествия” Солнечной системы по Галактике приводит к существенному изменению, например, радиус Земли увеличивается на 1/6 относительно своего минимального размера. Ван Хильтен отмечает, что средний радиус в карбоне составляет 5525 км, в перми он уменьшился до 4822 км, а далее пошло увеличение: в триасе до 5300 км, в мелу до 6027 км, сейчас – 6878 км. Эти изменения радиуса Земли очень хорошо согласуются с геологическими пульсациями – к перми планета была максимально сжата, а потом пошло ее расширение. В условиях глобального сжатия планеты закрывались геосинклинали, испытывали блоковое вздымание и в наибольшей степени смыкались “мелкие” континенты, при максимальной регрессии Мирового океана сформировалась Пангея, развилась пермь – карбоновое оледенение. Последующее глобальное расширение в мезозое привело к талассократанному режиму с теплым влажным климатом (киммерийская термо…) но, с неогена началось новое глобальное сжатие.

Волновая природа материального мира отображается в чередовании напряжений растяжения и сжатия, в пол…. активизации Северного и Южного полушарий, инверсии магнитных полюсов и т.д. Если отобразить это графически то получим синусоиду.

Длительность одной геогалактической пульсации составляет 432 млн. лет, что равно двум галактическим годам длительностью по 216 млн. лет, которые нужно рассматривать как ритмы пересечения плоскости галактики при вращении солнечной системы на галактической орбите. Каждый нечетный галактический год Земли испытывает расширение, четный - сжатия. Например, считается, что фаза расширения начиналась на рубеже 654 млн. лет назад, а это по геохронологии переход от рифея к венду, а сжатие в ордовике-силуре (432 млн. лет), затем снова расширение в позднем триасе (222 млн. лет) и «мессинский кризис» миоцена6 млн. лет назад. Эти рубежи отмечаются биотическими катастрофами с массовой гибелью органического мира, о чем мы будем говорить ниже.

Лекция 4. Проблемные вопросы эволюции Земли

Геолого-петрологические данные о ранней истории Земли, полученные в последние годы, изменили господствовавшее представление о ранней базит-габбро-анортозитовой коре, якобы образующей лунную стадию развития Земли. Сейчас многие приходят к мнению, что первичная кора имела среднекислый состав тоналит-т рендьемит- гранодиоритов. Наиболее древние народы этого комплекса имеют возраст около 4,2 млрд. Лет в то время, как мафитовые комплексы, относящиеся к зеленокаменным поясам, офиалитовым, траппам, стритифармным массивам основного состава оказались более молодыми. Часто имеет место налегание зеленокаменных комплексов на комплексы протоскаля, часто с конгломератами. По геохимическим данным ранние коматиты и базальты уже содержат до 30% примеси протомаля. Исходя из этого, комплекс среднекислого состава можно отнести к катархею, а мафитовые комплексы к архею и даже раннему протерозою. Однако остается загадкой, как вслед за коротким периодом аккреции протопланетного вещества на самой ранней стадии появилась протомагническая кора. Предполагается, что при образовании протокоры произошла флюидная очистка первичного вещества от литофильных и летучих компонентов. Период образования протомоля можно было бы характеризовать как период магмотектоники и сильнейшего улетучивания внутреннего тепла Земли. В этот период могла сформироваться атмосфера и гидросфера.

В верхнем архее и первой половине раннегопротерозояинтенсивно проявляется мощный всплеск базит-ультрабазитового магматизма. В магмообразовании были задействованы глубокие уровни мантии. В конце этого этапа произошло наращивание сиалической коры как за счет интрузивных и вулканических процессов, так и за счет андерплейтинга, т.е. подкоркового подслаивания. Магматизм этого времени сильно прогревал кору, что способствовало процессам гранитизации и формированию зеленокаменных поясов с гранитоидными ядрами. В этот же период идет активная экспансия плюмов с которой связан перенос тепла, т.е. тектонику этого времени можно характеризовать как эпоху плюматектоники. Ее основные результаты выразились в формировании купольных структур, вулканических структур типа плато или траппового поля. На поверхности господствовали процессы растяжения и рифтообразования.

Консолидированная кора сформировалась в позднем протерозое. Формирование коры континентов имеет решающее значение для эволюции Земли, ее остывания и последующих активизаций.

Фанерозой, вероятно, следует назвать периодом блоковой или плитной тектоники, хотя вопрос начала «работы» механизмов платтектоники до сих пор остается открытым.

Ритмическое оседание платформы и формирование над ним осадочного чехла в фанерозое может быть связано как с постепенным охлаждением их магматического основания, так и с глобальным охлаждением Земли.

Одной из глобальных геологических проблем является изучение влияния на твердые геосферы Земли внешних сил, в том числе систем Земля-Луна или Земля-Луна-Солнце, в которой работают приливные силы. Астрономические наблюдения регистрируют изменения орбитального движения Луны и соответствующее изменение скорости вращения Земли. При этом меняется положение географического полюса и экватора вращения при изменении положения оси вращения Земли происходит нарушение равновесия между плоскостью вращения и плоскостью, сложившейся ранее. Это должно приводить к преобразованию формы Земли. Луна своим гравитационным влиянием сообщает различные ускорения оболочкам Земли, в результате чего между ними возникают дополнительные направленные напряжения. Различным движением оболочек можно объяснить и движения палеомагнитных полюсов. Вероятно, наиболее значимо движение мантии вокруг ядра.

Укажем, что раньше, когда Луна была гораздо ближе к Земле, приливные волны на Земле были намного больше, чем сейчас, когда дважды в сутки волна высотой 30-40 м проходит по всем континентам. Считается, что Луна удалялась от Земли циклически неравномерно, что определяло колебания сил приливного влияния и сказывалось на глобальных тектонических процессах.

Приливные силы, постоянно воздействующие на твердую Землю, запаздывают по сравнению с приливами в океане, что порождает определенную энергию, которая рассеивается в виде тепла. Запаздывание связано с тем, что вещество Земли не является идеально упругим телом и сопротивляется влиянию приливных сил, что приводит к изменению формы Земли, хотя и незначительно.

Влияние приливных сил Луны на внутренние геосферы Земли сказываются и на колебаниях ядра и мантии, что в свою очередь оказывает воздействие на многие процессы в твердой Земле, в том числе на цикличность и инверсию тектонических процессов.

Эффект воздействия Луны на Землю может проявляться как спусковой механизм для возникновения землетрясений, когда они уже подготовлены и нужен только малейший толчок, чтобы вывести систему из равновесия. Приливные силы воздействует на Землю таким образом, что растягивают ее вдоль прямой соединяющей центры Земли и Луны.

Периодическое и непрерывное в течение длительного времени воздействие приливных сил на земную кору могут играть роль «вибратора», расшатывающего некоторые молодые разломы в фундаменте древних платформ, как, например, в рифейских грабенах (авлакогенах) на Восточно-Европейской платформе.

Скорость вращения Земли определяет форму нашей планеты. В далекие геологические времена эта скорость была больше и, следовательно Земля была более сжатой. С вращением планеты связана регматическая сеть разломов, которые закономерно ориентированы на всех континентах. Вращение Земли ответственно и за повышение тектонической активности в экваториальном поясе, за западный и северный дрейф материковых плит, за ассиметрию зон спрединга, а также геофлюкцию – перемещение континентальных масс от полюсов к экватору и многое другое.

Сейчас многие исследователи приходят к мнению, что едва ли не главным энергетическим источником тектогенеза Земли следует считать ротационный режим нашей планеты, под которым понимают вращение вокруг оси и вокруг Солнца. Ротационный режим Земли – это прямая функция воздействия на Землю гравитационного и электромагнитного полей. Эти поля, видимо, прежде всего воздействуют предположительно на железо-никелевое ядро Земли подобно якорю электромотора. Этим можно объяснить быстрое вращение с запада на восток твердого ядра Земли относительно основной его части до 1-3° в год. Это было доказано инструментальными измерениями, выполненными американскими сейсмологами Янгом и Ричардсом в 1996 г. Момент вращения, от разности скоростей на поверхности твердого ядра передается в верхние горизонты и даже на дневную поверхность, меняя ее структуру. При этом максимальный момент вращения приходится на экватор, на полюсе он равен нулю.

Как известно центробежные силы на Земле возникают от собственного вращения планеты и от движения по орбите. При сложении двух центробежных сил возникают инерционные силы, которые всегда ориентированы против направления движения.

Силы инерции имеют максимальное значение на экваторе и ноль на полюсах. Эти силы, действуя на массу атмосферы и гидросферы, формируют устойчивый пассат, приливную волну и экваторильное течение. В литосфере те же силы в большей мере воздействуют на континентальные плиты, как более массивные. Они заставляют дрейфовать Американскую плиту в западном направлении, расширяя Атлантику на несколько см в год. Тихоокеанская плита, стиснутая между Американской и Евразийской плитами, выгибается по осевой линии и подворачивается под континенты, формируя глубоководные желоба вдоль берегов Азии и Америки.

Центробежный инерционный механизм подтверждает предположение Вегенера, который считал, что материки могут дрейфовать только с востока на запад и с юга на север (за это ответственна сила Кариолиса). Эти два разрешенных направления дрейфа ориентацию глобальных коллизионных структур: длинные горные цепи вытянуты либо по субпараллелям (Пиренеи-Альпы-Кавказ-Копетдаг-Памир-Гималаи), либо вдоль меридианов (Анды-Кордильеры).

Современные действия инерционных и центробежных сил проявляются, например, в том, что южное окончание Африканского материка, находясь в поясе максимума инерционных сил, с разворотом уходит в Атлантику, создавая на северной границе напряженное состояние литосферы в Средиземноморье и в Малой Азии. Австралийская плита в своем стремлении из Южного полушария в Северное создает напряженность и коллизионные явления на границе Тихоокеанской плиты и к югу от Зондских островов.

Некоторым исключением в этом смысле служит Гренландия, которая находится севернее геодинамического барьера, на котором остановились Евразийская и Американская плиты. Одно из объяснений состоит в том, что, вероятно, Гренландия в виде крупного фрагмента смогла оторваться от севера Евразии, ранее находясь в акватории Баренцева и Карского морей, и под влиянием центробежно-инерционных сил стала смещаться с востока на запад.

Одним из основных проявлений ротационного режима Земли и геодинамической цикличности на всех этапах истории нашей планеты является становление и распад суперконтинентов. В структуре суперконтинентального цикла продолжительностью не менее 400 млн. лет выделяются суперконтинентальный и межсуперконтинентальный периоды продолжительностью соответственно в 150 и 250 млн. лет.

Суперконтинентальный период отвечает обстановке «суперконтинент-суперокеан», пример тому Пангея-Пантолласа. Он включает стадии агломерации и деструкции. Стадия агломерации длительностью около 90 млн. лет характеризуется высоким поднятием суши, низким уровнем моря, холодным климатом, покровным оледенением, регрессией, накоплением мелководных осадков. В эту стадию господствует центростремительная геодинамика, происходит соединение континентов. На стадии деструкции(60 млн. лет) главным ее содержанием является континентаный рифтогенез и проявление плюмового магматизма в виде дайковых роев, расслоенных интрузий и траппов. Переход от первой стадии ко второй характеризуется стабильностью и тектонической паузой.

Межсуперконтинентальный период длится примерно 250 млн. лет и отвечает обстановке «континты-молодые океаны», а также состоит из двух стадий распад и слияние (конвергенция). Стадия распада длится около 85 млн. лет и отличается максимальным уровнем моря, теплым климатом, ростом пассивных окраин на краях расходящихся континетов, формированием большого количества морских осадков – черных сланцев, известняков, кремнистых пород, трансгрессиями, а также завершением процессов плюмового и траппового магматизма. Стадия слияния континентов (165 млн. лет) характеризуется господством конвергентных обстановок, уменьшением скорости спрединга в океанах, развитием субдукции океанической коры, аккрецией террейнов и континентальных коллизий, приводящих к формированию новых континентов. Главными палеогеодинамическими индикаторами последней стадии суперконтинентального цикла являются коллизионные пояса, отмеченные как палеосутуры (орогены).

По последним данным в истории Земли выделяют десять суперконтинентальных циклов. только самой молодой из них – Пангея(320-170 млн. лет), который образовался при слиянии мегаконтинентов Гондваны и Лавразии. Распад Пангеи привел к преимущественному образованию современных молодых океанов, главным образом в Южном полушарии. Поочередная концентрация тектонической активности в Северном и Южном полушариях свидетельствует о проявлениях геодинамической инверсии.