Концепции современного естествознания_Бочкарев А.И, Бочкарева Т.. Учебник для студентов вузов А. И. Бочкарёв, Т. С. Бочкарёва, С. В. Саксонов под ред проф. А. И. Бочкарёва. Тольятти тгус, 2008. 386 с

• Название: Учебник для студентов вузов А. И. Бочкарёв, Т. С. Бочкарёва, С. В. Саксонов под ред проф. А. И. Бочкарёва. Тольятти тгус, 2008. 386 с
• Дата: 10.09.2022
• Размер: 2.96 Mb.
• Имя файла: Концепции современного естествознания_Бочкарев А.И, Бочкарева Т..doc
• Тип: Учебник; #669818
• страница: 14 из 37

4.1.2. История геологического строения Земли
Историю геологического строения Земли принято изображать в виде последовательно появляющихся друг за другом стадий или фаз. Отсчет геологического времени ведется от начала процесса образо­вания Земли.

Фаза 1 (4,7–4 млрд. лет). Происходит образование Земли из газа, пыли и планетезималей. В результате энергии, выделяющейся в процессе распада радиоактивных элементов, и столкновения планетезималей Земля постепенно разогревается. Падение на Землю гигантского ме­теорита приводит к выбросу материала, из которого образуется Луна.

Согласно другой концепции Протолуна, находящаяся на одной из гелиоцентрических орбит, была захвачена Протоземлей, в резуль­тате чего образовалась двойная система Земля–Луна.

Дегазация Земли приводит к началу образования атмосферы, состоящей в основном из углекислоты, метана и аммиака. В конце рассматриваемой фазы за счет конденсации водяного пара начинается образование гидросферы.

Фаза 2 (4–3,5 млрд. лет). Возникают первые острова, протоконтиненты, сложенные из горных пород, содержащих преимущественно кремний и алюминий. Протоконтиненты незначительно возвыша­ются над еще очень мелководными океанами.

Фаза 3 (3,5–2,7 млрд. лет). Железо собирается в центре Земли и образует ее жидкое ядро, которое обусловливает возникновение магнитосферы. Создаются предпосылки для появления первых организмов, бактерий. Продолжается формирование континентальной коры.

Фаза 4 (2,7–2,3 млрд. лет). Образуется единый суперконтинент Пангея, которому противостоит суперокеан Панталасса.

Фаза 5 (2,3–1,5 млрд. лет). Охлаждение коры и литосферы приводит к распаду суперконтинента на блоки-микроплиты, пространство между которыми заполняют осадки и вулканы. В результате возникают складчато-надводные системы, и образуется новый суперконтинент – Пангея I. Органический мир представлен сине-зелеными водорослями, фотосинтезирующая деятельность которых способствует обогащению атмосферы кислородом, что ведет к дальнейшему развитию органического мира.

Фаза 6 (1700–650 млн. лет). Происходит деструкция Пангеи I, образование бассейнов с корой океанского типа. Формируются два cyперконтинента: Гондвана, куда вошли Южная Америка, Африка, Мадагаскар, Индия, Австралия и Антарктида, и Лавразия, включающая Северную Америку, Гренландию, Европу и Азию (кроме Индии). Гондвану и Лавразию разделяет море Тетис. Наступают первые ледниковые эпохи. Органический мир стремительно насыщается многоклеточными бесскелетными организмами. Появляются первые скелетные организмы (трилобиты, моллюски и др.). Происходит нефтеобразование.

Фаза 7 (650–280 млн. лет). Горный пояс Аппалачей в Америке соединяет Гондвану с Лавразией – образуется Пангея II. Обозначаются контуры палеозойских океанов – Палеоантлантического, Палеотетиса, Палеоазиатского. Гондвану дважды охватывает покровное оледенение. Появляются рыбы, позднее – амфибии. Растения и животные выходят на сушу. Начинается интенсивное углеобразование.

Фаза 8 (280–130 млн. лет). Пангея II пронизывается все более густой сетью континентальных рифов, щелевидных ровообразных растяжений земной коры. Начинается раскалывание суперконтинента. Африка отделяется от Южной Америки и Индостана, а последний – от Австралии и Антарктиды. Наконец Австралия отделяется от Антарктиды. Покрытосеменные растения осваивают значительные пространства суши. В животном мире господствуют пресмыкающиеся и земноводные, появляются птицы и примитивные млекопитающие. В конце периода погибают многие группы животных, в том числе огромные динозавры. Причины этих явлений обычно видят либо в столкновении Земли с крупным астероидом, либо в резком усиле­нии вулканической деятельности. То и другое могло привести к глобальным изменениям (увеличению содержания углекислоты в атмосфере, возникновению крупных пожаров, похолоданию), несо­вместимым с существованием многих видов животных.

Фаза 9 (130 млн. лет–600 тыс. лет). Крупным изменениям подвергает­ся общая конфигурация материков и океанов, в частности Евразия отделяется от Северной Америки, Антарктида – от Южной Америки. Распределение материков и океанов стало весьма близким к совре­менному. В начале рассматриваемого периода климат на всей Земле теплый и влажный. Конец периода характеризуется резкими климатическими контрастами. Вслед за оледенением Антарктиды происходит оледенение Арктики. Складываются фауна и флора, близкие к современным. Появляются первые предки, современного человека.

Фаза 10 (современность). Между литосферой и земным ядром поднимаются и опускаются потоки магмы, сквозь щели в коре они прорываются наверх. Обломки океанической коры опускаются вплоть до самого ядра, а затем всплывают и, возможно, образуют новые острова. Литосферные плиты сталкиваются друг с другом и находятся под постоянным воздействием потоков магмы. Там, где плиты расходятся, образуются новые сегменты литосферы. Постоянно происходит процесс дифференциации земного вещества, который преобразует состояние всех геологических оболочек Земли, в том числе и ядра.
4.2. Современные концепции развития геосферных оболочек

4.2.1.Концепция глобальной геологической эволюции Земли
Разработка концепции глобальной эволюции Земли позволила представить развитие геосферных оболочек.

Концепция глобальной эволюции Земли в объяснении динамических истоков развития геосферных оболочек решающее значение придает:

• 
  однородности химического состава первичной Земли;
  
• 
  изменению ее термодинамических состояний под воздействием энергетических потоков;
  
• 
  приобретению расплавленным веществом Земли текуче-подвижных состояний, приводящих к его химико-плоскостной дифференциации;
  
• 
  образованию в результате дифференциации вещества Земли ее геосферных оболочек;
  
• 
  эволюции геосферных оболочек в процессе непрекращающихся изменений динамических характеристик Земли.
  

Каждый новый шаг в осмыслении возникновения, эволюции и развития (коренных преобразований) геосферных оболочек требует четкого выделения тех динамических факторов, которые детерминируют геологические события. В этом состоит суть, главное содержание концепции глобальной эволюции Земли.

Энергетическая динамика Земли определяется в основном тремя составляющими: энергией гравитации (около 82%), энергией радиоактивного распада (около 12%), приливной энергией (около 4%). Что касается солнечной энергии, то она, частично поглощаясь внешними геосферными оболочками, отражается ими же в космос. Земля стала тектонически активной далеко не сразу, а лишь после ее разогрева, который из-за наличия приливных сил (высота волн прилива достигала 1 км) оказался наибольшим в приповерхностных слоях планеты. Высокие температуры на поверхности способствовали постепенному разогреванию вещества планеты, переводя его в расплавленное состояние. Вещества Земли, обладавшие наибольшей плотностью, стали диффундировать в центр планеты.

В первичном составе Земли содержалось много железа (около 13%) и его двухвалентной окиси (около 24%).

Железо появилось отчасти за счет межзвездной материи, из которой образовалась Земля, и захвата ею метеоритов, в которых содержалось около 30% железа. Стекшие железа и его окислов в центр планеты привело к образованию ядра Земли. Более легкие вещества (SiO2, MgO и др.) при этом переходили в верхние слои планеты, где они, остывая, образовали астеносферу и литосферу. Собственно мантия Земли оказалась заключенной между ядром планеты и ее твердыми приповерхностными областями, т.е. литосферой. Дегазация планеты привела к образованию атмосферы Земли. За счет конденсации водяных паров атмосферы образовалась гидросфера.

Итак, было время (4,6–4,0•10⁹ лет назад), когда Земля не была дифференцирована на геосферные оболочки. Все геосферные оболочки являются результатом дифференциации вещественного составам первичной Земли. Атмосфера оказывает давление на литосферу и гидросферу, две последние упруго сжимают мантию планеты, которая в свою очередь спрессовывает ядро Земли. Если же двигаться от центра планеты к ее периферии, то динамическая картина оказывается другой. Ядро Земли притягивает к себе вещество всех других геосферных оболочек, охватывает их обручем инициированного им магнитного поля, нагревает мантию и достигающие его оболочки литосферы. Мантия Земли передает мощные потоки тепловой энергии литосфере, раздвигает океаническое дно и перемещает литосферные плиты. Литосфера и гидросфера оказывают тепловое воз­действие на атмосферу, передавая ей также огромные массы вещества являющиеся продуктами выветривания и испарения.

Таким образом, геодинамическая активность Земли также имеет свою историю: она находится в полном соответствии с историей эволюции геосферных оболочек.
4.2.2. История формирования геосферных оболочек
Рассмотрим в свете концепции глобальной эволюции Земли историю формирования основных геосферных оболочек.

Этапы развития Земли с позиций концепции глобальной геоэволюции.

С позиций концепции глобальной геоэволюции в развитии Земли выделяют следующие этапы:

1. 
   образование планеты (4,7–4 млрд. лет назад);
   
2. 
   нарастание тектонической деятельности Земли и достижение ею своего пика (4–2,2 млрд. лет назад);
   
3. 
   период относительного постоянства в тектонической деятельности планеты (2,2 млрд. лет назад – 6 млрд. лет вперед);
   
4. 
   угасание тектонической деятельности Земли (0,6 млрд. лет назад – 1,6 млрд. лет вперед);
   
5. 
   остывание планеты (1,6–5 млрд. лет вперед);
   

6) опаление Земли в результате расширения перед угасанием Солнца (около 5 млрд. лет вперед).

Формирование ядра. Формирование ядра Земли началось примерно 4,6 • 10⁹ лет назад. Расчеты показывают, что оно было особенно интенсивным в период (3–2,6) • 10⁹ лет назад. После 2,6 млрд. лет наращивание массы земного ядра начало резко, а потом плавно убывать. В наши дни масса ядра увеличивается, согласно расчетам, на 130 млрд. т в год. «Металлическое железо» покинуло мантию Земли примерно 500 млн. лет назад, оставшийся в ней магнетит (Fe₃O₄) распадается по схеме: 2Fе₃O₄ →6FeO + O₂, при этом FeO переходит но внешнее ядро Земли. Остывание Земли привело к частичному или полному затвердеванию как ее мантии, так и ядра.

Формирование мантии. Мантия по своему вещественному составу наиболее близка к составу первичного вещества Земли. Тем не менее, именно в ней процессы химико-плотностной дифференциации идут наиболее энергично: на протяжении 4 млрд. лет она проходит все новые стадии своего вещественного обеднения. Тяжелое вещество уходит к центру планеты, в ее ядро. Легкие элементы перемещаются в лито-, атмо- и гидросферу. Из мантии Земли полностью исчезли FeS, Fe, Ni. По сравнению с составом первичной Земли она существенно обеднела легкими веществами (К₂О, Na₂O, N₂, H₂ и др.) Вместе с тем происходящая в мантии химико-плотностная дифференциация приводит к росту в процентном содержании оксидов кремния (SiO₂) и магния (MgO). В сумме эти два оксида составляют около 83% состава современной мантии (против 57% в составе первичного вещества Земли).

Современная мантия охвачена мощными конвективными движениями, за счет которых тепловая энергия ядра и мантии передается другим геосферным оболочкам. Теплопотери Земли приведут к ее остыванию и переходу мантии в твердое литосферное состояние.

Формирование литосферы. Литосфера образовалась в процессе осты­вания и кристаллизации частично расплавленного вещества мантии Земли. Ее часто называют «силикатным льдом». Имеется в виду, что литосфера, состоящая в основном из силикатов, т.е. солей кремние­вых кислот, содержащих SiO₂, формируется подобно образованию льда при замерзании воды. Формирование литосферы началось 4–3,5 млрд. лет назад. Около 2 млрд. лет ушло на формирование cyперконтинента Пангеи. Последующая тектоническая деятельность Земли привела к раскалыванию Пангеи и образованию новых суперконтинентов.

Современная история литосферы связана прежде всего с тектоникой океанических плит. При раздвижении литосферы вещество астеносферы внедряется в разломы рифтовых зон и, охлаждаясь, образует молодую океаническую литосферу. Океаническая кора cпособна надвигаться на концы континентальных плит, в результате чего образуются складчатые структуры. Обломки океанических литосферных плит, увлекаясь мантийными потоками, опускаются вплоть до ядра Земли, перемешиваются с другим мантийным веществом и вновь поднимаются на поверхность. Так осуществляются циклы тектони­ческой деятельности Земли. В далеком будущем непременно про­изойдет их замедление, вплоть до полной остановки.

Формирование гидросферы. Молодая Земля была лишена гидросферы. Последняя появилась благодаря дегазации Земли, инициируемой изливавшимися на ее поверхность мантийными расплавами, которые, попав в условия с минимальным давлением, вскипали (как известно, температура кипения тем ниже, чем меньше давление) и выделяли летучие вещества, в том числе пары воды. Чем сильнее нарастали конвективные явления в мантии, тем чаще ив большей массе извергались на поверхность Земли потоки магмы и тем больше становился объем первоначально неглубокого океана. Из-за поглощения части воды океанической, а также континентальной корой глубина океана увеличивалась медленно. И лишь после полного насыщения водой слоя океанической коры, а произошло это около 2,2 млрд, лет назад, дно океана стало быстро опускаться (до средней глубины современного океана).

Наибольший приток воды происходил в период охвата конвективными движениями всей мантии Земли, т.е. около 2,6 млрд. лет назад. Приток воды в Мировой океан имеет место и в наши дни, он будет продолжаться и в дальнейшем. Ослабление тектонической активности Земли, остывание ее мантии, образование в этой связи особо глубоких океанических впадин и поглощение части воды глубоко стегающими осадочными породами океанической литосферы приведет к тому, что будут вновь видны срединно-океанические хребты.

Формирование атмосферы. Согласно концепции глобальной эволюции Земли история атмосферы связана с дегазацией планеты отнюдь не меньше, чем история гидросферы. Полагают, однако, что уже на ранних этапах своей эволюции (4,7–4 млрд. лет назад) Земля, еще не приобретя гидросферы, уже обладала атмосферой, но крайне разреженной. Она состояла главным образом из летучих соединений, которые распространены в космосе, т.е. Н₂, Не, N₂, CH4, NH3, С0₂, СО.

Рождение плотной атмосферы оказалось связанным с выделением тех летучих соединений, которые попали на Землю в связанном состоянии: вода – с гидросиликатами, азот – с нитритами и нитра­тами, углекислый газ – с карбонатами и т.д. Подлинным динамическим источником атмосферы Земли оказалась начавшаяся ее активная дегазация (4 млрд. лет назад). Около 3 млрд. лет назад Земля пыла окутана плотной, состоящей в основном из азота (N₂) и угле­кислого газа (С0₂) атмосферой с давлением до 4 атм. Последующая история Земли связана в основном со своеобразной «заменой» угле­кислого газа кислородом.

Насыщение слоя океанической коры водой сопровождалось связыванием С0₂ в карбонаты (доломиты), поскольку при избытке углекислого газа в атмосфере реакции гидратации сопровождаются его связыванием в карбонаты.

Это привело к извлечению углекислого газа из атмосферы и снижению его парциального давления почти до современного. Обеднение атмосферы СО₂ –газом, задерживающим инфракрасное (тепловое) излучение Земли, привело к резкому снижению приземной температуры (с 90 до 6°С), которое 2,4 млрд. лет назад сопровождалось грандиозным оледенением.

Активную роль в извлечении углекислого газа из атмосферы сыграли также зеленые растения и фотосинтезирующие микроорганизмы. Речь идет о процессе фотосинтеза, суммарное выражение которого выглядит следующим образом:



Насыщение атмосферы кислородом происходило также благодаря фотолизу паров воды под воздействием коротковолнового излучения Солнца:

Н₂О -» ОН ⁺ + Н ⁺, 4ОН ⁺- -> О₂ + 2Н₂О,

а также галогенизации оксидов щелочных и щелочноземельных металлов:

2Na₂O + 2С1₂ – 4NaCl + О₂; 2СаО + 2F₂ = 2CaF₂ + О₂.

Далеко не весь кислород переходил непосредственно в атмосферу. Его мощным поглотителем являлось свободное железо:

3Fe + 2О₂ -> Fe₃O₄ (Fe₂O₃ • FeO).

Свободное железо исчезло из мантии Земли около 600 млн. назад. Это способствовало увеличению концентрации кислорода в атмосфере, что благоприятствовало быстрому развитию многоклеточных организмов.

В современных условиях выделяющийся в мантии кислород частично поглощается:

4FeO + О₂ -> 2Fe₂O₃.

Расчеты показывают, что через 600 млн. лет содержащееся в мантии железо окажется в состоянии магнетита (Fe₃O₄). Магнетит устойчив в мантии, но при переходе в ядро Земли он распадается:

2Fe₃O₄ -> 6FeO + О₂.

Свободный кислород, не встречая препятствий, устремится в атмосферу. Это, согласно расчетам, приведет к быстрому росту давления атмосферы (до 10 атм), приземная температура достигнет 250°С. После вскипания воды океанов давление возрастет до 350 атм, а приземная температура – до 450°С. В новых условиях жизнь окажется невозможной.

Подводя итог, отметим, что с позиций концепции глобальной эволюции Земли развитие геосферных оболочек связано главным образом с динамическими факторами. Среди них наиглавнейшим является энергия, выделяемая в процессе химико-плотностной дифференциа­ции вещества в мантии и ядре Земли. Механизм химико-плотностной дифференциации вещества определяет как само наличие геологических явлений, так и их специфику.