Зональное распределение высочайших вершин Земли

Зоны,...°	Северное полушарие, м	Южное полушарие, м
80-70	2939 (Петерманна)	5180 (в горах Королевы Мод)
70-60	6050 (Логан)	2989 (Стивенсон)
60-50	4880 (Броуна)	2469 (Дарвина)
50-40	6995 (Хан-Тенгри)	3764 (Кука)
40-30	8611 (Чогори)	6960 (Аконкагуа)
30-20	8848 (Джомолунгма)	6885 (Охос-дель-Саладо)
20-10	5700 (Орисаба)	6780 (Самаха)
10-0	5840 (Каямбе)	6272 (Чимборасо)

Морфологические особенности строения поверхности Земли подчиняются и более общим закономерностям, в основе которых лежит принцип диссимметрии, введенный в науку еще П. Кюри и развитый для Земли вначале В.И. Вернадским, а затем Б.Л. Личковым, И.И. Шафрановским и др. Довольно подробно мы уже говорили о нем в разделе 4 темы 1. Напомним, что речь шла о том, что симметрия океанов и симметрия материков были представлены в виде двух тетраэдров кубической сингонии с одинаково развитыми соответственно черными и белыми гранями. Совокупность этих тетраэдров (грани одного развивались по вершинам другого), одна из тройных осей которого совпадала с осью вращения Земли, дала черно-белый октаэдр (см. рис. 1.14). Более поздние разработки, в которых земная симметрия поверхностей океан–материки исследовалась с генетических позиций [Павлов А., 1985], показали, что правильнее говорить о симметрии двух тетраэдров, но не кубической, а ромбической сингонии с видом симметрии 3L₂ и таком расположении сферических граней океанов и континентов, при котором оси кардиоидального эллипсоида совпадают с осями второго порядка (рис. 5.7).

Мы только что обозначили длинную ось экватора долготами 15° в. д. и 165° з. д., а короткую – 105° в. д. и 75° з. д. Исходя из того что грани одного из тетраэдров, скажем континентального (как менее развитые), формировались по вершинам тетраэдра океанического, можно сделать вывод, что оси 3L₂ первого тетраэдра совпадают с осями 3L₂ второго. Сами же оси проходят через середины ребер (см. рис. 5.7). Спроектировав грани тетраэдров на поверхность трехосного эллипсоида, получим систему сферических треугольников, пересекающихся в области оснований. Причем северные и южные части эллипсоида (на рис. 5.7 для простоты они изображены в виде шара) окажутся вне тетраэдрических граней, но через их центры (северный и южный полюсы) проходят короткие оси L₂ двух тетраэдров. Эти оси будут получены как бы вращением верхних ребер тетраэдров.

Таким образом, получается, что геометрия поверхности Земли описывается как сочетание четырех простых сферических форм: гранями двух тетраэдров ромбической сингонии и моноэдрами, развивающимися по двум ребрам этих тетраэдров – океаническому на севере и континентальному на юге.

Эта тетраэдрическая схема хорошо подтверждается решением несложной задачи. Развитие эллиптических граней двух тетраэдров происходило с наложением их друг на друга в области оснований, т.е. в высоких широтах. Причем, поскольку северное полушарие является преимущественно континентальным, а южное – океаническим, можно предположить, что в северном полушарии грани континентального тетраэдра перекрывали грани океанического, а в южном – наоборот (рис. 5.8)

Допустим, что в обоих полушариях это перекрытие было максимально уравновешенным, т.е. возникала фигура, близкая к черно-белому октаэдру (рис. 5.8). Для упрощения расчетов вместо эллипсоида везде рассматривается шар, поскольку по размерам своих осей эти модели Земли различаются незначительно, а нас интересуют лишь принципиальные оценки). Для полученных равносторонних треугольников нетрудно подсчитать коэффициент α:

α = S_k / S_o,

где S_k– суммарная площадь континентальных граней; S_o – суммарная площадь океанических граней.

Для северного полушария α_с = 2, а для южного α_ю = 0,5. Поскольку реальное развитие рассматриваемых граней не сделало их равными, то фактические соотношения величин S_K и S_o совершенно не похожи на теоретические. По данным Л.П. Шубаева, приводимым Г.Н. Каттерфельдом [35], за вычетом площадей Антарктиды и Северного Ледовитого океана, т.е. для широт (90-70)° обоих полушарий, представленных на нашей схеме моноэдрами, получены следующие результаты (млн кв. км). Северное полушарие:

S_K = 96,7; S_o= 142,8; α_с = 0,677.

Южное полушарие:

S_K = 36,4; S_o = 203,1; α_ю = 0,179.

Однако, если развитие граней тетраэдров было подчинено одному закону, то соотношение коэффициентов а должно быть достаточно устойчивым, теоретически постоянным. Именно этот факт мы и может зафиксировать:

теоретическая задача – α_ю/α_с = 0,25;

фактическое соотношение – α_ю/α_с =0,26.

Таким образом, можно утверждать, что поверхность Земли устроена по принципу двух сферических тетраэдров ромбической сингонии и двух моноэдров. По граням одного тетраэдра и моноэдру развиваются континентальные формы рельефа, по граням другого тетраэдра и второму моноэдру – океанические.

Причину такой красивой геометрии, как и многое в этом мире, наверное, можно объяснить по-разному, но весьма изящно это можно сделать на основе тетраэдрических структур силикатов, составляющих около 75% массы литосферы и тетраэдрической структуры воды (см. разд. 4 темы 1) в рамках модели горячего начала Земли, в которой ее возникновение и формирование связывается с конденсацией горячей газовой туманности [39]. Вот ее основные черты.

1. Формирование ядра Земли начиналось при охлаждении планетарной газовой туманности в условиях относительно низких температур, хотя и превышающих 1200 К. Аккумулировавшее вещество находилось в твердом состоянии и представляло собой железо-никелевый материал.

2. По мере роста массы ядра ее гравитационная потенциальная энергия возрастала и вокруг твердого ядра возникала расплавленная зона с устойчивой стратификацией. При таком начале формирования Земли ядро оказывалось первичным и возникло в процессе аккреции (слипания) за короткий промежуток времени (около 100 тыс. лет).

3. Дальнейшее охлаждение туманности привело к конденсации на поверхности ядра оливина и пироксенов. (Оливин и пироксены – минералы группы силикатов, характерные для глубинных областей нашей планеты.) Между ядром и силикатной оболочкой мантии возникает резкая граница (эксперименты по взаимодействию металлического и силикатного расплавов показали, что они являются несмешивающимися жидкостями).

4. По мере роста Земли темп аккумуляции падал в результате уменьшения количества вещества, находящегося вблизи Земли и наиболее доступного для захвата. Это приводило к понижению температуры поверхности Земли и, как следствие, к конвективной гомогенизации ядра и части сформировавшейся мантии.

5. Наружный слой Земли (около 20% от ее массы (Если по этой массе рассчитать мощность данного слоя (учитывая, что плотность есть функция радиуса Земли), то она окажется равной примерно 630-640 км.)) сформировался в основном за 100 тыс. – 10 млн лет. Вещество поверхностного слоя представляет собой смесь поздних и ранних низкотемпературных конденсатов.

В соответствии с этой моделью ядро Земли и ее сферические оболочки, называемые геосферами и известные из школьного курса физической географии, возникли независимо друг от друга по дискретной схеме конденсации горячей газовой туманности. Они существовали как изначальные, заданные при рождении формы, возраст которых не одинаков: наиболее древним является ядро, а самой молодой – атмосфера.

Земля в своей основной массе видится под вуалью геометрии(П. Шарден).

Геосферы

Свободная энергия зарождающейся Земли была уже недостаточно сильна, чтобы улетучиваться через накапливание, но зато она приобрела способность «свертывания» в синтезе.

П. Шарден

Поверхность Земли «свернута» в сферу. Этот факт сегодня подтвержден чувственно воспринимаемыми космическими снимками, известными широкой публике. Но эта сфера не единственна. Она является лишь одной из многочисленных структурных границ нашей планеты. Просто мы живем на ней, и именно поэтому она воспринимается нами как нечто данное, как начало отсчета. Над твердой поверхностью Земли выделяют водную поверхность океанов, морей, рек, озер и т.д. Еще выше метеорологи фиксируют граничные поверхности в атмосфере, называя их паузами: тропопауза, стратопауза и т.д. Ниже, в твердом теле Земли, геологи выделяют граничные поверхности земной коры, мантии, ядра. Слои между всеми этими границами принято называть оболочками, или, что в смысловом отношении хотя и является неточным, сферами, или геосферами.

В соответствии с представлениями горячего начала Земли, оформленными в виде модели С.П. Кларка-мл., К.К. Турекьяна и Л. Гроссмана (см. выше), все геосферы являются первичными. Во всяком случае, «закладка» их в процессе конденсации материнской горячей газовой туманности проходила скачками, фиксируя тангенциальное свертывание вещества.

По этой модели, вначале возникло ядро Земли. Современная интерпретация результатов геофизических исследований позволяет сказать о нем следующее.

Ядро трехслойно:

слой Е (2900-4980 км) – внешнее ядро;

слой F (4980-5120 км) – переходная зона;

слой G (5120-6370 км) – внутреннее ядро.

Зона F не имеет четких границ, так как сама является граничной областью между слоями E и G, однако ее выделяют многие специалисты. Внешнее ядро, по-видимому, является жидким, а внутреннее – твердым. Состав ядра рассматривается как железоникелевый с примесями серы и кремния. Считается, что все три его зоны по составу близки, хотя полного совпадения теоретически ожидать нельзя.

Ядро обволакивается мантией. Самая верхняя ее часть называется астеносферой. Это слой, который не выдерживает касательных напряжений, и его реологическое состояние (реология – наука о текучести вещества) соответствует условиям частичного плавления пород. Астеносфера обладает вязкопластичными свойствами. Теоретически в ней могут возникать конвекционные течения. Более глубокие слои мантии мы знаем лишь по косвенным, главным образом, геофизическим данным. Сегодня они позволяют сказать следующее.

1. Структура мантии, особенно верхней, достаточно сложна и заметно изменяется как по направлению радиуса Земли, так и вдоль самой сферы.

2. Один из способов оценки вещественного состава мантии состоит в измерении скоростей сейсмических волн в различных горных породах. Эксперименты такого рода позволили предположить, что мантия представлена преимущественно породами ультраосновного состава [породы с низким содержанием кремнекислоты (< 45 %) – дуниты, оливины, перидотиты].

3. По классической схеме в мантии выделяют три зоны:

В – верхнюю мантию, астеносферу (33-400 км);

С – переходную зону (400-1000 км);

D – нижнюю мантию (1000-2900 км).

Общее представление о названных оболочках Земли дает рис. 5.9.

Мантию перекрывает слой, получивший название земная кора. В первоначальном, можно сказать, классическом варианте понятие земной коры отождествлялось с понятием литосферы, т.е. самой верхней каменной оболочки Земли [литое – камень (гр.)]. Ее внешняя граница проводилась по поверхности суши и дну морей и океанов, а нижняя – по поверхности Мохоровичича (С. Мохоровичич – югославский геофизик-сейсмолог, впервые выделивший эту границу в 1909 году.), часто называемой сокращенно поверхностью Мохо или границей М.

До недавнего времени слой этот назывался еще сиаль (от слов silicium – кремний и aluminium – алюминий), что отражало определенное представление о его составе, в отличие от нижележащих слоев под названием сима, в которых по преобладанию место алюминия занимал уже магний (magnium). В целом эта классификационная схема подтверждается и сегодня, хотя в деталях (во многом принципиального порядка) она существенно усложнилась.

Нетрудно видеть, что, эксплуатируя термин «сиаль», мы будто сознательно не замечаем внутренних различий в устройстве этого слоя, подчеркивая лишь наиболее общие его черты, как бы классификационные признаки самого высокого порядка. Тем не менее, даже когда термины «сиаль» и «сима» использовались широко, земная кора уже разделялась на два типа: континентальную и океаническую.

Первая состояла из трех слоев – осадочного, гранитного и базальтового. Они различались по плотности, по составу и мощностям. Их суммарная мощность составляет 30-40 км, достигая максимальных значений под горными сооружениями (50-70 км), где кора образовывала так называемые корни гор. Океаническая кора рассматривалась двухслойной (без гранитного слоя) и имела существенно меньшую мощность, обычно не превышающую 10 км. Базальтовый слой трактовался как некая единая сфера, по которой куски гранитного слоя континентов могли даже перемещаться. (Известная гипотеза А.Л. Вегенера о дрейфе материков (1915-1929).)

Перед тем как остановиться на современной схеме строения земной коры, нам хотелось бы подчеркнуть, что как ранее, так и теперь, так же как для мантии и ядра, эти модели построены преимущественно на косвенных данных, в основном на геофизической информации. Это продукт ее интерпретации, контролируемый более общими теоретическими концепциями, принимаемыми большинством специалистов. Правда, за последние полтора-два десятилетия косвенная информация стала более совершенной и, что особенно важно, появилось значительное количество прямых наблюдений и измерений, ставших возможными благодаря сверхглубокому бурению и исследованиям в рифтовых областях и трубках взрыва (Рифт – расселина, ущелье (англ). В геологии обозначает разлом с растяжением. Примеры: Байкальский рифт, рифт Красного моря, Срединно-Атлантический подводный хребет с рифтом в осевой части. Трубка взрыва – трубкообразный канал, образующийся в результате прорыва газов. Наиболее крупные достигают 1 км в диаметре. Некоторые трубки являются алмазоносными, например трубка «Мира» в Якутии.) – участках, где глубинный материал верхней мантии поднят достаточно близко к поверхности Земли. Такая информация позволяет строить структурные схемы земной коры, отражающие ее сложность лучше, чем раньше. Однако это всегда будут лишь интерпретации, так как, по меткому выражению Л. Тейлора, легче измерить, чем понять, что измеряется. Теперь приведем характеристику коры по В.В. Белоусову.

Материковая кора. Ее мощность оценивается от 20 до 80 км. Связь морфологических особенностей нижней границы с рельефом поверхности Земли (существование корней гор), как это довольно жестко трактовалось до недавнего времени, сегодня не просматривается так однозначно и находит различные теоретические объяснения: по схемам Дж. Эри и Дж. Пратта – английских геодезистов XIX века.

По Дж. Эри, в пределах земной коры плотность везде одинакова и постоянна во времени. Поэтому положительные неровности планетарного рельефа, создающие локальный избыток массы, должны компенсироваться отрицательными неровностями поверхности Мохо, обеспечивающими уравновешивающую выталкивающую силу со стороны подстилающего слоя сима в поле силы тяжести Земли. Отрицательным неровностям рельефа, наоборот, должны соответствовать положительные морфологические формы Мохо. Для планетарных масштабов в целом это правило соблюдается, во всяком случае там, где допущение постоянства плотности приемлемо на уровне аппроксимаций. Навряд ли в природе соблюдается допущение Дж. Эри, но принять такое условие можно, хотя его не следует абсолютизировать.

По Дж. Пратту, плотность коры не есть константа и дефицит или избыток масс, создаваемый рельефом поверхности Земли, компенсируется соответствующими изменениями плотности по сиали.

Самый верхний, осадочный, слой имеет прерывистое распространение: местами отсутствует, иногда достигает 20 км (средняя мощность 3 км).

Второй слой, гранитный, теперь чаще называют гранитогнейсовым. Судя по выходам этого слоя на поверхность Земли (Балтийский, Канадский, Анабарский и другие регионы), приблизительно на 50% он состоит из гранитов, на 40% – из гнейсов и других среднетемпературных метаморфических пород. Мощность второго слоя обычно колеблется от 8 до 25 км, хотя в некоторых районах он даже не обнаружен.

Третий, базальтовый, слой теперь чаще называют гранулито-базитовым или просто нижней корой, так как он сложен главным образом метаморфическими и магматическими породами зон высоких температур и давлений (их общее название – гранулиты и базиты).

Граница между гранито-гнейсовым и гранулитобазитовым слоями носит название раздела Конрада. Характерно, что по вещественному составу образцов пород из Кольской сверхглубокой скважины граница Конрада не фиксируется. По данным сейсмики она есть, а по данным петрологии (петрология – наука, изучающая магматические и метаморфические горные породы с точки зрения их вещественного состава, геологических особенностей и генезиса) ее нет. Этот факт может оказаться принципиально важным и свидетельствовать о том, что наши вещественные интерпретации геофизических данных, основанные на изучении физических свойств разных горных пород, извлеченных на поверхность Земли, могут быть недостаточно надежными.

Океаническая кора.Верхний, осадочный, слой этой коры существенно тоньше, чем на материках, и обычно достигает всего нескольких сотен метров. Аномальными выглядят лишь так называемые океанические желоба, мощность осадков в которых может быть как существенно выше средней и достигать 6,5 км (юго-запад Японских островов) или более 3 км (северные берега Колумбии), так и намного ниже (практическое отсутствие осадков в желобе, вытянутом вдоль подводного хребта в центральной части Индийского океана). Вообще же океаническое дно мы знаем еще значительно хуже континентов, и потому в будущем наши представления о распределении осадочных пород в океане могут сильно измениться.

Гранито-гнейсовый слой в коре океанического типа не обнаружен. Вторым для океана является базальтовый слой. Третий предположительно состоит из различных основных и ультраосновных пород.

В наше время дно Мирового океана активно разбуривается и вообще исследуется в широком геолого-геофизическом аспекте. Поэтому говорить о какой-то достаточно установившейся модели строения океанической коры еще рано. Сегодня здесь больше вопросов, чем ответов.

Ясно, пожалуй, лишь одно: океанический тип коры мало чем похож на континентальный. Он сложен и своеобразен. Его второй и третий слои по петрологическим характеристикам не имеют аналогов на континентах. Материковая кора полностью обрывается на континентальном склоне и замещается совершенно другой корой.

Деление земной коры на два типа, как и всякая классификационная схема, представляет собой некую конвенцию (соглашение). Ее можно усложнить, и при необходимости, наверное, довольно сильно. Поэтому неслучайно некоторые авторы стали выделять еще и промежуточные типы коры: субокеанический и субконтинентальный.

Мы не будем эти типы обсуждать и отошлем интересующегося читателя к специальной геологической литературе. Заметим только, что по вещественному составу, структуре, физическим свойствам, фазовому состоянию земная кора очень разнообразна, расчленена разломами на блоки, блоки смещены, часто повернуты и т.д. Поэтому всякое классификационное усложнение должно быть мотивировано определенной целью или задачей. Некоторое представление о строении верхней части земной коры может дать рис. 5.10.

Над твердой оболочкой Земли, литосферой, расположены еще две: водная – гидросфера – и газовая – атмосфера. Вот их краткая характеристика.

Гидросфера – объединяет все известные нам формы природных вод: растворенные в магматических расплавах, находящиеся в химическом соединении с минералами, сорбированные поверхностью минеральных зерен, капиллярные, осмотические, вакуольные, биологически связанные, жидкие, твердые и парообразные. Эти формы постоянно переходят одна в другую и взаимодействуют с вмещающими средами. Например, жидкая вода превращается в пар и лед, пар конденсируется, лед тает. При возникновении многих минералов вода входит в их кристаллическую решетку (скажем, гипс – CaSO₄ · 2Н₂О, мусковит – KAL₂(OH)₂[ALSi₂O₁₀] и др.), при повышении температуры эти минералы воду теряют. Молекулы воды удерживаются и поверхностью минеральных зерен, хотя эта связь сохраняется лишь при невысоких температурах (до 100-300°С). Вода понижает температуру плавления пород и является составной часть магм. Прямо или косвенно вода участвует во всех природных процессах, происходящих на Земле, и в этом состоит ее всюдность (по выражению акад. В.И. Вернадского). Именно эти процессы объединяют все известные формы природных вод, формируют их единство и определяют ту целостность гидросферы, которая делает ее геологической системой.

По преобладающим формам существования воды, по особенностям вмещающей среды, господствующим типам массопереноса гидросфера может быть расчленена на квазиизолированные группы разных порядков. К группам первого порядка относятся: воды в атмосфере, воды на поверхности Земли и воды подземные. Каждая из этих групп делится на подгруппы. Например, в атмосфере можно выделить воды разных ярусов облачности; на поверхности Земли – воды океанов, морей и суши; в недрах Земли – воды литосферы и мантии; в пределах литосферы – воды кристаллического фундамента и осадочного чехла, в которых, в свою очередь, выделяют воды артезианских бассейнов и гидрогеологических массивов и так далее до отдельного водоносного горизонта.

Квазиизолированность структурных элементов гидросферы создается различными формами круговоротов воды. В атмосфере – водообменами океан–атмосфера, суша–атмосфера, океан–суша (атмосферная ветвь). На поверхности Земли – через речной сток, в ее недрах – через подземный сток, вулканические и метаморфические процессы, осадконакопление в водных бассейнах, литификацию и т.д.

Все формы круговоротов воды представляют собой почти цикличные процессы. Их повторяемость и балансовая устойчивость формируют внутреннюю структуру гидросферы, создавая определенную автономию различных ее частей в соответствии с типом и масштабом самого круговорота (планетарного, регионального и т.д.). В то же время взаимодействие различных ветвей и форм круговоротов создает на отдельных участках внутренних границ гидросферы зоны возбуждения, в пределах которых водообмен резко возрастает. Например, на поверхности океана такими зонами являются штормовые поля, тропические ураганы; в атмосфере – струи вертикальной циркуляции; на суше – устья рек в паводок; в земной коре – области активной денудации и эрозионного раскрытия водоносных горизонтов, области аномальных тектонических напряжений и магматической активности (см. тему 1). Таким образом, круговороты воды на Земле, с одной стороны, расчленяют гидросферу на части, создавая различные типы пространственно-временной организованности подсистем вода ↔ среда, с другой – создают условия для временного разрушения существующего структурного уровня (в разных масштабах пространства и времени).

Гидросфера обладает по крайней мере двумя фундаментальными свойствами (присущими только гидросфере в целом):

1) консервативностью отношений вода ↔ среда, обеспечивающей ее гетерогенность;

2) способностью обеспечить наиболее высокий КПД тепловой машины Земля, т.е. наиболее выгодную форму теплопередачи из недр Земли к ее периферии как планеты.

Открытие этих свойств коренным образом меняет представление о гидросфере как прерывистой водной оболочке Земли, располагающейся между атмосферой и литосферой, как простой совокупности океанов, морей, континентальных водоемов и ледяных покровов, которым все еще пользуется география. Оно позволяет рассматривать гидросферу как геологическую систему, в которой все известные нам формы природных вод (физические, химические, биологические) формируют квазиизолированные подсистемы, существующие благодаря коллективной структуризации вода-среда и благодаря способности обеспечить наиболее эффективный перенос теплоты из глубин Земли к ее внешней границе [Павлов А., 1985].

Вопросы возникновения гидросферы во многом еще дискуссионны. До недавнего времени большинство специалистов разделяло взгляды акад. В. П. Виноградова, в соответствии с которыми гидросфера возникла как продукт дифференциации мантии в результате ее дегазации по механизму зонной плавки. Однако в настоящее время эти взгляды подвергаются серьезной критике. Если же исходить из современных представлений о горячем начале Земли (см. разд. 2 этой темы), то гидросфера возникла в самом конце этого процесса и в ее развитии можно выделить две фазы: обводнение верхней мантии (20 % по массе наружного слоя) и ее обезвоживание, совпадающее по времени с геологическим этапом развития Земли. На первой фазе в 20 %-м слое возникли пористость и трещинноватость (до конденсации воды), затем появилась вода физически связанная, далее в результате ряда последующих процессов возникли воды химически связанные и на последней стадии – свободные [Павлов А., 1990].

Современная гидросфера – результат длительной эволюции Земли и глубокой дифференциации ее вещества. Воды рек и озер, подземные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, играют важнейшую роль, являясь источником водоснабжения, орошения и обводнения. Управление круговоротом этих вод, использование их для нужд человечества – важная научная проблема, имеющая большое экономическое и социальное значение.

Из табл. 5.6 видно, что основная масса капельно-жидких вод Земли сосредоточена в Мировом океане. Его химический состав довольно устойчив и при многих экологических построениях часто рассматривается как некий гидрохимический эталон. Однако, надо отметить, что, хотя емкостные возможности Мирового океана действительно велики, они все же не безграничны и при такой интенсивной техногенной нагрузке на планету, которая существует в настоящее время, человечество свой водный эталон потеряет довольно быстро. Помните, в теме 2 мы показали, что катастрофы назревают и подкрадываются незаметно? И когда мы говорим, что то-то и там-то появилось «вдруг», мы ошибаемся. Никакого «вдруг» не бывает. Просто мы, как всегда, беспечны и наивны. И само понятие катастрофа возникло как отражение нашего менталитета: авось, небось, как-нибудь.

Таблица 5.6