Геологическая эволюция. Структурные уровни материи в рамках геосфер Земли
Так как во фрактальной структуре «стрел времени» мы опираемся на антропный принцип, то в геохронологической шкале («стреле») времени оправдано рассмотреть пересечение геологической и биологической стрел времени. При этом мы в структурном плане ограничимся только эонами и эрами.
Геохронологическая шкала – геологическая временная шкала истории Земли, применяемая в геологии и палеонтологии, своеобразный календарь для промежутков времени в сотни тысяч и миллионы лет. Фактически эта стрела включает макромир в общую структуру фрактальных стрел времени. Согласно современным общепринятым представлениям возраст Земли оценивается в 4,5-4,6 млрд. лет. На поверхности Земли не обнаружены горные породы или минералы, которые могли бы быть свидетелями образования планеты. Максимальный возраст Земли ограничивается возрастом самых ранних твердых образований в Солнечной системе – тугоплавких включений, богатых кальцием и алюминием. Возраст CaAl из метеорита Allende по результатам современных исследований U-Pb изотопным методом составляет 4,568±0,0005 млрд. лет. На сегодня это лучшая оценка возраста Солнечной системы. Время формирования Земли как планеты может быть позже этой даты на миллионы и даже многие десятки миллионов лет.
Последующее время в истории Земли было разделено на различные временные интервалы по важнейшим событиям, которые тогда происходили. Время существования Земли разделено на два главных интервала (эона): Фанерозой и Докембрий (Криптозой) по появлению в осадочных породах ископаемых остатков. Мы будем продолжать использовать космическое время, наряду со временем от сегодняшнего момента, поэтому эоны поменяем местами, т.е. хронологию начнем от Криптозоя (см. схему 53).
Схема 53. Геохронологическая стрела (шкала) времени.
| Этапы (эоны, эры, периоды, эпохи) | Характерные процессы | ||
| Название | Косм. время | Время от сегодняшнего момента | |
| v Образование планет. Протопланетный этап развития Земли | 9,1 млрд. лет | 4,6 млрд. лет | Образование Земли и всех планет из сконденсировавшейся космической пыли. Скорей всего, частицы пыли состояли из железа с примесью никеля, либо из силикатов, в состав которых входит кремний. Каждая частица была окружена льдом. Кроме пыли везде присутствовал газ. Газы могли конденсироваться, образуя различные летучие соединения, в которых присутствует основный элемент живых организмов - углерод. Атмосфера Земли, возможно, как и других планет содержала метан, аммиак, водяной пар и водород. Происходило затвердевание планет и интенсивное образование кратеров на планетах. |
| v Криптозой-ский эон Археозойская эра | 9,7 млрд. лет | 4 млрд. лет | Первое великое горообразование. Значительная вулканическая деятельность, способствующая физико-химическим эволюционным процессам. Образование самых старых земных пород. Зарождение микроорганизмов. |
| v Протерозойская эра | 11,2 млрд. лет | 2,5 млрд. лет | Второе великое горообразование. Интенсивный процесс осадкообразования. Поздняя вулканическая деятельность. Эрозия на обширных площадях. Многократные оледенения. Возникновение атмосферы, богатой кислородом. Появляются примитивные водоросли, грибы. Считается, что появляются различные морские простейшие. |
| v Фанерозой-ский эон Палезойская эра. | 13,16 млрд. лет | 542,0±1,0 млн. лет | Герцинское газообразование. Наблюдаются сложные геологические процессы с поднятием, а иногда с погружением суши и с изменением размеров и глубины внутриконтинентальных морей, а также климата. Наблюдаются более редкие, чем при протерозое, оледенения. Зарождение макроскопических форм жизни. Самые ранние окаменелости. Первые растения на суше. Рыбы. Папоротники. Первые земноводные. В конце эры развиваются звероподобные пресмыкающиеся и земноводные. |
| v Мезозой-ская эра | 13,45 млрд. лет | 251,0±0,4 млн. лет | Альпийское горообразование. Мощное горообразование:Анды, Альпы, Гималаи, Скалистые горы. Вымирание папоротников. Образование хвойных, а затем дубовых и кленовых лесов. Динозавры появляются, достигают наивысшего расцвета и вымирают. Зубчатые птицы вымирают. Появляются первые современные птицы. |
| v Кайнозой-ская эра | 13,63 млрд. лет | 65,5±0,3 млн. лет | Продолжаются сложные геологические процессы, в том числе дрейф материков, повторные оледенения, горообразование и вулканическая деятельность (в основном на американском континенте). Растительность проходит через сложные эволюционные процессы от максимального распространения лесов до упадка древесных форм и расцвета травянистых. Этап мощной эволюции живого мира от начала развития антропоидов (предшественников большинства ныне живущих родов млекопитающих ) до эпохи человека |
| v Четвертич-ный(антропоген-ный) период | 13,61 млрд. лет | 11,7 тыс лет | В эпоху Плейстоцена происходит общее похолодание климата Земли, периодическое возникновение в средних широтах материковых оледенений. В эпоху Голоцена возникает конец последнего ледникового периода. Климат теплый. Упадок древесных форм, расцвет травянистых. Современная геологическая эпоха, начало которой совпадает с окончанием последнего материкового оледенения Северной Европы. Эпоха человека. |
С геохронологической стрелой времени взаимосвязаны сформировавшиеся в XIX веке концепции развития Земли: «теория катастроф» и адаптационная «эволюционная теория». В «теории катастроф» или в бифуркационной эволюционной теории Ж. Кювье предположил, что развитие осуществляется посредством скачков (бифуркаций), катастроф. Ч. Лаель предположил, что развитие осуществляется путём небольших изменений, происходящих в одном и том же направлении. Суммируясь, эти изменения приводят к значительным результатам.
На самом деле, в геохронологической истории Земли использовались и используются обе концепции развития с определенным пересечением в концепции «стрел времени». В результате оформились концепции движения материков (первая и вторая гипотезы мобилизма), т.е. разделения и слияния материков, концепции эволюции океана и атмосферы, концепции гляционизма (ледниковой теории). Мы их в очень краткой форме отразили в геохронологической шкале времени.
Рассмотрим фрагментарно структуру земной материи на основе совокупности оболочек (геосфер), в которых протекают процессы планетарного масштаба (см. схему 54). Фактически, все оболочки (геосферы) играют важную роль в геологической эволюции Земли.
Однако, человек в рамках физической географии часто рассматривает нашу планету «снаружи», задавая при этом основные структурные элементы географической оболочки – части света: Азия (44,4 млн. км2), Америка (42,1млн. км2), Африка (29,9 млн. км2), Антарктида (13,9млн. км2), Европа (10,2млн. км2), Австралия и Океания (8,9 млн. км2); материки: Евразия, Африка, Северная Америка, Южная Америка, Австралия и Антарктида; океаны: Тихий (178,68 млн. км2) , Атлантический (91,66млн. км2), Индийский (76,17 млн. км2), Северный Ледовитый (14,75млн. км2). В основные структурные элементы географической оболочки включаются озёра, речные бассейны, болота, горные массивы, равнины, леса, пустыни, тундры и т.д., причём здесь очень сложно выделить наименьшую единицу структуры. В этой оболочке происходят изменения климата, рельефа, ландшафтов, круговорот веществ и т.д., причём в эти процессы всё активнее вмешивается человек. Выделяют догеологический, добиогенный, биогенный и антропный этапы её развития. Подобную иерархическую схему можно построить и для экзогенных и эндогенных геологических факторов взаимодействия человека с планетой Земля. Практическая геология рассматривает природные земные тела (горные породы и массивы, континенты и пр.), их строение и состав, расположения в земной коре; геологические процессы (тектоника и вулканическая деятельность и т. д.), их причины и закономерности. Основные элементы геологической оболочки, изучаемые этой наукой: горные породы и составляющие их минералы (магматические – граниты, базальты, кварц и пр., осадочные – пески, известняки, глины, минеральные соли и пр., метаморфические или изменённые осадочные - мрамор, гранит, графит и прочие породы органического происхождения – уголь, нефть, янтарь и пр.), единственного наименьшего элемента тоже нет.
При рассмотрении геодинамических процессов различают эндогенные, обусловленные влиянием внутренних процессов на эволюцию геологических структур Земли, и экзогенные, обусловленные влиянием внешних процессов. К эндогенным геодинамическим процессам можно отнести концепции движения материков от идеи существования единого материка – Пангеи до его раскола на ряд материков, а также идеи новой глобальной тектоники, согласной которой литосфера разбита на крупные плиты, которые перемещаются по астеносфере (слое пониженной вязкости в верхней мантии Земли), концепцию эволюции океана и атмосферы, согласно которой океан и первичная атмосфера образовались через вулканические жерла, как продукт дегазации вулканических лав, а также ряд современных природных катастроф в виде извержения вулканов и
Схема 54. Структурные уровни материи в модели геосфер Земли.
 |
| Атмосфера-газовая оболочка (0,00009% общей массы Земли) | Гидросфера- Водная оболочка (0,024% общей массы Земли. Более 98% всех водных ресурсов Земли составляют соленые воды океанов, морей и др., пресных вод - около 2%.) | Педосфера, лито- сфера и баросфера Земли (99,975% общей массы Земли) | ||
| Тропосфера (содержит 80% воздуха и почти весь водяной пар (до 10- 18 км)) | Мировой океан (площадь 361300 тыс.км2, 96,53% всех запасов воды) | Педосфера (почвенный слой- мощность (толщина)- около 80- 150см) | ||
| Тропопауза(переходной слой толщиной до 2- 3 км) | Ледники и снега(площадь 16227 тыс.км2, 1,74% всех запасов воды) | Земная кора(средняя мощность(толщина)- около 33км, преобладают О(49,11%),Si(7,4%), Al(7,4%), Fe(4,29%), Ca(3,3%), Na(2,4%), K(2,4%), Mg(2,4%) | Литосфера | |
| Стратосфера (до 45- 55 км, температура в нижнем слое -40/- 800 С, в верхнем -00 С) | Подземные воды (площадь 134800 тыс.км2, 1,69% всех запасов воды) | Наружная часть мантии(30 -100км) | ||
| Стратопауза(пограничный слой) | Подземные льды(площадь 21000 тыс.км2, 0,023% всех запасов воды ) | Промежуточная часть мантии(астеносфера) | Баросфера | |
| Ионосфера( от 50- 80 км до нескольких тысяч км) | Мезосфера( до 80-85 км, температура в нижнем слое -00С, в верхнем до -900С ) | Озера(площадь 2058 тыс. км2, 0,014% всех запасов воды) | Нижняя часть мантиидо 2900 км ( в мантии преобладают O,Si,Fe, Mg,Ni температура – 2000-25000С) | |
| Термосфера(до 300-560 км, в термосфере происходит рост температуры до 15000С) | Почвенная влага и пары атмосферы(0,002% всех запасов воды) | Внешнее ядро(2900-5000 км) | ||
| Термопауза (промежуточный слой) | Болота(площадь 2682 тыс. км2, 0,0007% всех запасов воды) | Переходная зона(5000-5100 км) | ||
| Экзосфера (верхний наиболее разреженный слой атмосферы, температура достигает 30000С) | Речные воды (площадь 148800 тыс. км2, 0,0002% всех запасов воды) | Внутреннее ядро (5100-6371 км; состав: Fe(80%),Ni(20%),температура -4500-60000С) |
землетрясений. К экзогенным геодинамическим процессам можно отнести циклоны, штормы, наводнения, грозы, туман, лавины, оползни, а также катастрофы, имеющие явный антропный характер: загрязнение окружающей среды, парниковый эффект, кислотные дожди, смог, деградацию почвенного и растительного покрова, радиоактивное загрязнение окружающей среды, озоновые дыры.
Все эти процессы взаимосвязаны с природными катастрофами и гибелью людей, что лишний раз подчёркивает роль наук о Земле в интеллектуальной культуре общества и рационально действующей личности.