Концепции и теории происхождения и эволюции Земли

Абсолютная геохронологическая шкала.В этой шкале речь идет о концептуальном представлении знаний о нашей планете на основе развития ряда гипотез и учений. Кратко об истории возникновения этих гипотез и учений.

К концу XVIII в. сформировались две гипотезы, в которых выражалось

отношение к библейскому учению о сотворении Богом нашей планеты:

нептунисты(Нептун — бог морей в римской мифологии) и плутонисты(Плутон

— бог подземного царства).

А. Вернер (1749—1817) — немецкий геолог, занимавшийся классификацией геологических пород, исходил из признания библейской идеи о Всемирном потопе. Он полагал, что земная твердь вначале была покрыта океаном и с отступлением его останки животных, растений, солей, привели к образованию геологических слоев земной поверхности. На это ушло, согласно гипотезе, несколько миллионов лет.

Дж. Геттон (1726—1807) — шотландский геолог. Он считал, что образование геологических пород земной коры связано с вулканической деятельностью, обусловленной внутренними процессами, идущими из центра Земли. Нептунисты

и плутонисты высказывали, по существу, эволюционные идеи происхождения земной коры.

Одним из авторов эволюционной идеи происхождения Земли и развития на ней жизни является французский зоолог Ж. Леклерк (граф Бюффон), живший в XVIII

в. О его эволюционной идее уже говорилось раньше. Шведский биолог Карл Линней — автор первой классификации растений и животных — высказал биологическую гипотезу, которая оказала большое влияние на развитие геологии. Он утверждал, что биологические роды возникли на Земле по отдельности в определенное исходное время и с тех пор не изменяются, поскольку изменения касаются только видов как вариантов родов. Останки растений и животных были использованы геологами для ведения хронологии образования геологических слоев, пород на Земле: 1) продолжительность (средняя) жизни видов можно установить на основе систематических наблюдений; 2) кроме того, было допущено предположение о том, что исходные первоначальные геологические породы не меняются, как и биологические роды в биологии К. Линнея. Из этого предположения следовало, что геологические силы в геологическом прошлом

Земли продолжают действовать и в геологическом настоящем.

Гипотеза, которая утверждает сохранение, неизменность некоторого единообразия (биологического или геологического) в актуальном настоящем и далеком прошлом, называется униформизмом(лат. uniformus — единообразие). Униформизмне отрицает изменений в геологических и биологических процессах, но отдает предпочтение изменениям медленным, постепенным во времени.

Развитие эволюционной геологии связано с именем английского геолога Ч.

Лайеля (1787—1875). Считается, что он заложил основы эволюционной геологии. Его теория получила название теории единообразных изменений в геологии. В этой теории главный акцент сделан на механизме медленного, не скачкообразного действия единых естественно-природных факторов на формирование геологических пород Земли и вообще всего развития на Земле.

Конкурирующей гипотезой униформизму была гипотеза, получившая название катастрофической.Автором этой гипотезы является французский зоолог, специалист по сравнительной анатомии и палеонтологии Ж. Кювье (1769—1832).

Изучая останки живого мира в геологических пластах, он обнаружил

«провалы» и «разрывы» в эволюции растений, животных, живых организмов: более поздние геологические пласты содержали останки живого мира, которые не имели принципиального сходства с останками в более ранних геологических пластах. Ж. Кювье объяснял этот факт периодическими катастрофами на Земле.

Обе гипотезы, о которых говорилось выше, внесли определенный вклад в развитие знаний о Земле. Однако лежащие в их основе знания и методы исследования были явно недостаточными для объяснения проблем исследования нашей планеты. В конце XIX в. и в первых десятилетиях ХХ в. произошло много событий в науке, которые способствовали развитию знаний о Земле. В биологии появились эволюционная теория Ч.Дарвина (1809—1882) и генетика Г. Менделя.

В физике было открыто явление радиоактивности. Последнее явление позволило ирландскому ученому Д. Джоли оценить важность его в объяснении процессов, происходящих внутри Земли. Он высказал в 1909 г. гипотезу, согласно которой радиоактивный распад атомов радиоактивных элементов является причиной наличия большой температуры внутри Земли и деятельности вулканов. В 1909 г. выдающийся ученый В. И. Вернадский заложил основы геохимии. На смену униформизму икатастрофической гипотезе Ж. Кювье пришли новые естественнонаучные гипотезы и теории, в которых использовались достижения современной науки.

В конце XIX в. знаменитый норвежский исследователь Арктики Ф. Нансен дал объяснение влияния действия ветрового напряжения и ускорения Кориолиса на направление течения в океане: дрейф его судна происходил не в направлении ветра, а под углом в 20°—40° вправо от направления ветра. Кориолиса ускорение

оз-

начает поворотное ускорение. Этот понятие ввел французский ученый

Кориолис Густав Гаспар (1792—1843).

В 1905 г. шведский ученый В. Экман построил теорию ветрового течения в открытом глубоком океане, так называемая спираль Экмана: на глубине вода течет в сторону, противоположную поверхностному течению. Исследования Ф. Нансена и В. Экмана способствовали изучению физики течений воды в океанах, морях и влияния этих течений на теплообмен Земли.

Важным событием в изучении Земли было создание в 1881 г. временной шкалы формирования геологических слоев Землии развития живых организмов на Земле. Эта шкала с учетом современной геохимии, биохимии, геофизики выглядит таким образом.

На основе оценки возраста геологических пород и останков организмов Земли методом измерения скорости радиоактивного распада ряда химических элементов устанавливается возраст Земли в 4,5 (±50 млн) млрд лет. Этот возраст разбивается

на ряд последовательных интервалов.

Эоны(в вольном переводе соответствующего древнегреческого термина означает длительные интервалы образования геологических пород) — это два длительных интервала: фанерозой(в буквальном переводе — явная жизнь) занимает время продолжительностью в 570 млн лет; криптозой(греч. kripto — скрытый и zoe — жизнь) имеет продолжительность от 570 млн до 3 млрд 800 млн лет.

Эон фанерозойделится на эры: палеозой, мезозой и кайнозой (при буквальном

переводе соответствующих терминов с греческого языка означает древняя жизнь, средняя жизнь, заря жизни). Продолжительность эры палеозой от 570 до 130 млн лет, эра мезозой — от 130 до 67 млн лет, эра кайнозой — от 67 млн лет до настоящего времени.

Эон криптозойделится на эру протерозой(более древняя жизнь) и эру архезой(самая древняя жизнь). В этой шкале слово «жизнь» означает период в образовании геологических пород и связанное с ним зарождение форм жизни.

Эра кайнозойская,самая близкая современному периоду развития Земли,

подразделяется на периоды:

1. Палеогеновый(древнее рождение, возраст) имеет начало 67 млн лет тому назад и продолжался около 42 млн лет.

2. Неогеновый(новое рождение) начался 25 млн лет тому назад. Продолжался

23,5 млн лет.

3. Антропогеновый(греч. antropos — человек, относящийся к происхождению

человека) начинается, по разным оценкам, от 3,5 до 1,5 млн лет, продолжительностью от 600 тыс. до 3,5 млн лет. Этот период иначе называют четверичным периодом. В нем выделяются относительно короткие отрезки времени или эпохи (греч. enpoche — остановка): плейстоцен(наибольший новый)

и голоцен(весь новый). Плейстоцен характеризует время возникновения обширных оледенений в Северной Европе. Голоцен — послеледниковая эпоха, является незаконченным отрезком времени современной геологической истории Земли, начинается с окончанием последнего материкового оледенения Северной Европы. Согласно современным данным разных источников появление живых систем на Земле представляется следующим образом: появление первых прокариотов — 3,85 млрд лет тому назад; первые водоросли (бактерии) —

2,5.млрд лет; наличие кислорода в атмосфере Земли в свободном виде — 2 млрд лет тому назад; появление червеобразных форм жизни — 1,8 млрд лет; появление многоклеточных растений — 800 млн лет тому назад; возникновение бесскелетной фауны — 670 млн лет; скелетная фауна возникла 570 млн лет тому назад; 560 млн лет тому назад содержание кислорода составляло 1/3 часть от современного в атмосфере Земли; появление наземных растений — 480 млн лет; появление рыб — 420 млн лет; появление млекопитающих — 240 млн лет; появления человека-разумного — 100—150 тыс. лет назад.

Теория литосферных плит

В 1912 г. немецкий геофизик А. Вегенер (1880—1930) привел геологические и географические доказательства о существовании единого материка в историческом прошлом Земли. До него, еще в XIX в., высказывалась аналогичная идея: сравнение очертаний материков говорило в пользу того, что когда-то они составляли один материк. А. Вегенер назвал этот материк Пангеей. Греческое слово пангея означает вся Земля. А. Вегенер утверждал, что 135 млн лет тому назад Пангея распалась на два материка: Лавразию (северная часть) и Гондвану (южная часть). Эта гипотеза получила название мобилизма(лат. mobilis — подвижный).

Во второй половине прошлого века эта гипотеза стала теорией. Из космоса зафиксировано движение литосферных плит. Сегодня доказано, что земная кора состоит из 15 литосферных плит,из которых 6 являются самыми крупными: Антарктическая, Австралий-

ская, Южноамериканская, Тихоокеанская, Североамериканская и Евразийская.

По разным оценкам, плиты двигаются со скоростью от миллиметра до 10—18 см

в год. Движение плит состоит из: спрединга (англ. spreading — расхождение) и

субдукции(лат. sab — под и dicto — введение).

Первый процесс — это расхождение плит, второй — погружение одной плиты

под другую. В целом размеры Земли являются постоянными благодаря

действующим на Земле геофизическим полям (гравитационному, магнитному, электрическому и тепловому). Поэтому расширяющаяся от срединно- океанической системы хребтов океаническая кора не может расширяться до бесконечности. Океаническая плита, сталкиваясь с материковой литосферной плитой, погружается под материковую. Плотность материковых плит меньше плотности океанических, поэтому материковая плита поднимается над океанической, которая погружается под материковую в мантию на глубину до 670 км. Согласно некоторым исследованиям мощность литосферных плит колеблется

от 150 до 350 км под материками и от 5 до 90 км под океанами. Столкновение материковых плит приводит к образованию систем горных хребтов типа Гималаев

и Кавказа. Граница, где происходит погружение океанических плит под материковые плиты, ярко выражена по периферии Тихого океана. Протяженность всей границы субдукции плит достигает 60 тыс. км.

Российский ученый В. Трубицин разработал гипотезу о механизме плавания литосферных плит, согласно которой эти плиты являются как бы крышками, накрывающими идущие из Земли горячие потоки вещества, названные плюмами.Нагревая плиты снизу, энергия плюмов преобразуется в механическое движение литосферных плит от более нагретой плиты к менее нагретой области земной коры.

Гипотеза В. Трубицина, члена-корреспондента РАН, интересно изложена в журнале «Вокруг Света»1.

Согласно исследованиям этого автора материки уже 4 раза объединялись у Южного географического полюса за всю геологическую историю Земли и снова объединятся через 1 млрд лет у того же полюса. Измерения возраста океанической коры показали, что она значительно моложе материковой. Возраст

ее приблизительно 180 млн лет. Далее, в области срединно-океанических хребтов,

где

1 2003. № 1 (2748). С. 60.

происходит взаимодействие плит, температура воды выше, чем в других

областях океана. Эти факты подтверждают движение литосферных плит.

4.2.4. Гипотезы образования Земли

В научной литературе речь идет в основном о двух конкурирующих гипотезах: гетерогенной и гомогенной.Гетерогенной гепотезой утверждается, что в протопланетном диске первоначально происходило слипание тугоплавких частиц, содержащих железо и никель, из которых вначале образовалось ядро нашей планеты. Образование Земли происходило в три стадии слипания, или аккрекции (лат. accretio — увеличение), исходного вещества Земли. Первая длилась приблизительно 100 млн лет. На этой стадии радиус Земли составил почти 95% от настоящего. Вторая длилась 200 млн лет. Третья — 400 млн лет и закончилась приблизительно 3,9 млрд лет тому назад. Эта гипотеза согласуется с современными радиологическими оценками возраста древних пород. Возраст Земли оценивается в 4,66 млрд лет. Возраст самых древних на Земле минералов

— в 4,0—4,4 млрд лет.

Представители гомогеннойгипотезы утверждают, что первоначально Земля была однородной. Ядро нашей планеты возникло позднее. Не все в этих гипотезах является ясным: какое влияние оказывало Солнце на образование Земли? откуда

на Земле взялся гелий?

Гелий впервые был обнаружен на Солнце. Он является инертным газом. В обычных условиях не вступает в реакции ни с одним из элементов таблицы Менделеева. В 30-х годах было установлено, что у него есть два изотопа — гелий-

3 и гелий-4, отличающиеся друг от друга одним нейтроном.

Измерение соотношения содержания гелия-3 и гелия-4 в земных породах и в атмосфере Земли привело ученых к предположению о том, что чем глубже к

центру Земли, тем больше должно быть в породах гелия-4. Гелий-4, как говорят

геологи, контролирует глубинные разломы Земли, из которых он выходит. Однако эксперименты не подтвердили эту гипотезу, поскольку процентное соотношение этих изотопов сохраняется по мере проникновения в глубь Земли.

На основании этих экспериментов была высказана гипотеза о том, что при образовании Земли ее температура была невысокой, поскольку, если она была бы высокой, гелий должен был бы улетучиться в окружающую среду. Гелий-4 образуется при распаде радиоактивных минералов. Согласно этой гипотезе гелий-

3 в ман-

тии Земли имеет солнечную природу, т. е. им было «пропитано» все исходное

вещество, из которого образовалась Земля на первой стадии ее возникновения. Если бы гелий-3 был вне мантии, в более высоких слоях Земли, то он давно бы улетучился, поскольку его содержание в атмосфере Земли меньше, чем гелия-4.

Из мантии ему выбраться сложнее, поэтому он там сохраняется в процентном отношении, близком к содержанию гелия-4, образующегося в результате распада радиоактивных химических элементов внутри геологических слоев Земли.