Загадки прошлого Земли

С тех пор, как завершилось формирование Земли как планеты, началась перестройка и ее внутреннего строения, и ее внешнего облика. Но какие процессы являются ведущими в этой перестройке, единого мнения нет и по сей день. Со времен, когда первозданная Земля представлялась в виде остывающего огненно-жидкого тела, проблема ее эволюции решалась просто: процесс остывания начался с поверхности; сначала образовалась земная кора, которая по мере уменьшения объема остывающей Земли трескалась, сминалась в складки, отдельные ее участки опускались и таким образом произошло разделение поверхности планеты на океаны и континенты и возникли горы. В еще расплавленном теле вещество под влиянием силы тяжести дифференцировалось по удельному весу: тяжелые элементы и соединения «тонули», легкие «всплывали» и вырывались на поверхность в виде лавовых потоков.

В такой или немного иной модификации в области космогонии эта гипотеза господствовала с середины XVIII века вплоть до начала второй мировой войны. Однако уже с конца XIX века начали накапливаться факты, которые противоречили этой схеме. Уже в 1870 г. англичанин Р. Проктор опубликовал идею о происхождении Солнечной системы из скопления метеоритов. Эту идею подхватили английские астрономы Г. Локайер, Дж. Дарвин (сын Ч. Дарвина) и австралиец Д. Мультон. Но Д. Мультон и известный американский астрофизик Т. Чемберлен полагали, что Солнечная система возникла из роя мельчайших планетных тел — планетезималей, вращающихся вокруг центральной туманности по спирали, сталкиваясь друг с другом. Из центральной туманности сформировалось Солнце, а из планетезималей — планеты. Таким образом, идея первоначально холодной Земли и других планет возникла более 100 лет назад. Согласно этой гипотезе, разогрев планет представлялся на стадии их формирования как результат перехода энергии движения в тепловую, а затем за счет энергии гравитационного сжатия. В соответствии с этим предполагалось, что вначале диаметр планеты рос и за счет присоединения к ней планетезималей, и за счет разогрева. На более поздних этапах развития планеты сжимались пульсационно: при остывании их диаметр сокращался, поверхность собиралась в складки гор, а, сжимаясь, планеты вновь расширялись за счет разогрева. Предполагалось, что таких этапов было несколько^[11].

Хотя гипотеза огненно-жидкой Земли оставалась господствующей, идея первоначально холодной Земли не умирала; вскоре было показано, что одной энергии сжатия для разогрева до существующих температур недостаточно. Положение изменилось в 20-х годах нашего века, когда англичанин Дж. Джоли выдвинул идею радиоактивного разогрева планет. И хотя сам Дж. Джоли исходил из первоначальной модели огненно-жидкой Земли, идея радиоактивного разогрева сыграла большую роль в становлении теории холодного происхождения планет. В 30-х годах возродилась пульсационная гипотеза Д. Мультона и Т. Чемберлена на основе представлений о радиоактивном разогреве Земли. Периодически накапливалось радиоактивное тепло, затем в процессе расширения, когда оживали трещины и резко активизировались вулканизм и тектонические процессы, излишнее тепло расходовалось, начиналась стадия сжатия.

В таком виде историю Земли после ее возникновения представляли себе большинство геологов примерно до середины XX века. Из известных советских ученых эту концепцию поддерживали В.А. Обручев, М.М. Тетяев и далее разрабатывали ее В.В. Белоусов, А.В. Хабаков. Она неплохо объясняет многие факты тектонической истории Земли и некоторые морфологические особенности ее поверхности.

В 1910 г. А. Бем выдвинул ротационную гипотезу эволюции земного шара. Эту гипотезу в СССР особенно поддерживали и развивали с 1931 г. Б.Л. Личков, а с 1951 г. — М.В. Стовас. Сторонники этой гипотезы считают, что осевое вращение Земли, ее собственное гравитационное поле, а также гравитационное взаимодействие Земли, Луны и Солнца — факторы, во многом определяющие историю развития нашей планеты. Известно, что приливное трение постепенно замедляет вращение Земли. Всякое же перераспределение масс внутри Земли тотчас же отзывается на ее осевом вращении. С концентрацией масс у оси вращения его скорость увеличивается, в противном случае, наоборот, уменьшается. Эти переходы нередко совершаются резко, скачкообразно, и хотя колебания осевой скорости Земли ничтожны, они могут вызвать значительные напряжения в твердом теле Земли, что приводит к разрывам и смещениям отдельных участков земной коры.

Гипотеза, разрабатываемая в СССР с 1954 г. В.В. Белоусовым, отводит решающую роль эволюции Земли процессу глубинной дифференциации слагающего Землю материала. В самом деле, в общем однородная вначале Земля за несколько миллиардов лет своего существования расслоилась на геосферы и обрела еще две оболочки, которых не было у первозданной планеты, — гидросферу и атмосферу. Очевидно, что дифференциация земного вещества продолжается, до сих пор происходит расслоение древнейших геосфер — ядра и мантии. Дифференциация сопровождается перемещением громадных масс вещества, возникновением конвективных течений, перераспределением источников разогрева — радиоактивных элементов, сконцентрированных ныне в верхних слоях Земли. Результатом дифференциации является и литосфера с ее рельефом, хотя процесс образования основных форм рельефа — океанических впадин и материковых выступов, а главное, их распределение на поверхности не могут считаться завершенными. Следствием дифференциации вещества явились конвективные течения вещества в оболочках Земли, которым придавали большое значение многие исследователи, особенно в 30-х годах нашего века.

Все три гипотезы развивались разобщенно, хотя и не исключали друг друга. Однако, как справедливо отмечал советский геолог Г.Н. Каттерфельд, не только возможен, но и необходим разумный синтез всех трех гипотез, и потому, по его мнению, наиболее правильна в методологическом отношении и наиболее перспективна в научном обобщенная ротационно-пульсационная гипотеза, основанная на диалектическом единстве пульсаций объема и формы земного эллипсоида и учитывающая процессы глубинной дифференциации вещества Земли^[12].

Именно с таких обобщенных позиций Г.Н. Каттерфельд излагал гипотетическую историю Земли — историю спорную, не во всем достаточно обоснованную, но безусловно интересную. Автор полагает, что некоторые ее положения заслуживают внимания, поэтому остановимся на ней подробнее. Отметим лишь главное в этой схеме, отсылая интересующихся подробностями к книгам Г.Н. Каттерфельда и А.М. Рябчикова^[13].

Давно уже известно, что северное и южное полушария нашей планеты несимметричны. В северном полушарии в основном сосредоточены материковые массивы, в южном — водная масса океанов. Можно считать, что одно полушарие является как бы зеркальным отражением другого. Случайно ли это?

Если бы Земля приобретала теперешнюю форму под действием только гравитационных и центробежных сил, эта форма не была бы асимметричной. Поэтому Г.Н. Каттерфельд считает, что в данном случае проявили себя особые «асимметричные» силы неизвестной природы. Заметим, что разность между радиусами, направленными из центра Земли к северному и южному полюсам, составляет всего 100 м. Но эта разница зафиксирована по измерению с искусственных спутников Земли, она реальна, а значит, должна быть как-то объяснима. Утверждение, что асимметрия Земли вызвана «асимметричными» силами, конечно, не больше, чем тавтология. Как известно, в 1958 г. профессор Н.А. Козырев пытался объяснить асимметрию Земли действием сил, рожденных самим «ходом времени». Однако эта необычная идея, легшая в основу «причинной механики» Н.А. Козырева, в дальнейшем не получила ни признания, ни достаточного обоснования. Словом, загадка асимметрии Земли и поныне остается нерешенной.

Прямые измерения с помощью сверхточных кварцевых часов показали, что вращение Земли неравномерно. Например, сутки в марте на 0,0025 с длиннее, чем в августе, а это означает, что ежегодно вращение Земли ускоряется к августу и замедляется к марту. Отчасти это вызвано сезонными изменениями в циркуляции атмосферы, отчасти другими причинами. В общем же изменения скорости осевого вращения Земли вызваны разными причинами: приливами, неравномерным сжатием внешних геосфер Земли, перераспределением в ней масс, воздействием солнечных корпускулярных потоков и рядом других, иногда еще не вполне понятных, физических процессов. Все это не проходит бесследно для Земли. По мнению Г.Н. Каттерфельда, если бы мы проанализировали все те мелкие пульсационные и ротационные воздействия, которые накапливались за долгую геологическую историю и неприметно запечатлевались на лике Земли в результате постоянных и, казалось бы, незначительных взаимодействий, мы поразились бы их значительности. Попробуем конкретно представить себе (по Г.Н. Каттерфельду), как колебания объема и скорости вращения Земли сказались на ее облике.

Радиус Земли, как считает Г.Н. Каттерфельд, в среднем уменьшается на 5 см в столетие^[14]. Это гравитационное сжатие (учтите размеры Земли) высвобождает огромную энергию — 17×1023 Дж! Так как в мировое пространство рассеивается лишь часть этой энергии, Земля нагревается, а значит, каждый раз сжатие временно сменяется гораздо меньшим расширением нагревающейся Земли. Такова физическая подоплека прерывистого, пульсационного сокращения радиуса Земли. Та же часть тепловой энергии, которая не излучается Землей в мировое пространство, становится скрытой теплотой физико-химических превращений в недрах Земли. Эти превращения, в конечном счете, способствуют уплотнению внутренних частей Земли и, значит, уменьшению ее объема.

Расчеты показывают, что под влиянием приливного торможения скорость осевого вращения Земли замедляется и, как следствие, полярное сжатие Земли уменьшается. Казалось бы, этот процесс должен выражаться в погружении экваториальной «опухоли» Земли и поднятии полярных районов. В результате такого процесса распределение суши и вод на Земле должно было бы получиться весьма своеобразным: экватор опоясан сплошной водной полосой океана, а два огромных антиподальных материка занимают пространство от полюсов до умеренных широт. Если бы, наоборот, полярное сжатие длительно увеличивалось, экваториальную зону в конце концов заполнил бы сплошной материковый пояс, а от умеренных широт до полюсов простирались бы океаны.

На самом деле нет ни того, ни другого. Но замечательно, что северному полушарию соответствует первая из этих теоретических схем (длительное уменьшение полярного сжатия), а южному — вторая. Это, по-видимому, можно объяснить тем, что в процессе общего очень медленного уменьшения сжатия Земли северное полушарие опережает южное. Значит, и здесь наблюдается асимметричный процесс, вызванный какими-то

3*

67

неизвестными силами. Но эта гипотетическая асиммет рия хорошо объясняет самую общую черту лика Земли — неравномерное распределение воды и суши. Конечно, схема эволюции поверхности Земли, предложенная Г.Н. Каттерфельдом, не больше чем гипотеза. Она не учитывает продолжающуюся на протяжении всей истории Земли дифференциацию ее вещества и другие факторы, а потому не может рассматриваться как нечто доказанное и окончательное.

В свое время сенсацию вызвала гипотеза дрейфа материков, предложенная в 1912 г. немецким ученым А. Вегенером (рис. 10).

Рис. 10. Эволюция материков по А. Вегенеру

а — 200 млн. лет назад; 6 — 60 млн. лет назад; в — 1 млн. лет назад

Сам А. Вегенер упорно отстаивал эту идею, хотя привычному образу мыслей геологов его гипотеза представлялась абсурдной. После смерти ее главного, и тогда почти единственного, защитника о ней забыли, и, казалось, ничто уже не в силах было ее воскресить. Однако лишь в 50-х годах в связи с новыми работами по палеомагнетизму идеи А. Вегенера как будто получили опытное подтверждение. За последнее время появилось немало работ, пропагандирующих гипотезу дрейфа материков. Может быть, и в самом деле гипотеза А. Вегенера заслуживает серьезного научного анализа?

А. Вегенер обратил внимание на, казалось, случайные особенности береговых линий некоторых материков. Восточный, «бразильский» выступ Южноамериканского материка плотно укладывается во впадину Гвинейского залива. Стыковка получается особенно плотной, если вместо береговой линии брать очертание шельфа — материковой отмели.

В 1970 г. американские исследователи с помощью электронно-вычислительных машин изучили «совмещение» некоторых материков на протяжении десятков тысяч километров. Результат получился поразительным: в целом хорошо совместилось более 93 % границ шельфа, т. е. краевой части материков. Лучше всего стыковались Африка и Южная Америка, Антарктида и Африка, несколько хуже примкнули друг к другу Индостан, Австралия и Антарктида. Создавалось впечатление, что когда-то Африка и Америка составляли единое целое. Затем, по каким-то неясным причинам первичный материк раскололся на две части, и эти части, разойдясь в стороны, образовали современные Африку и Южную Америку, а также разделивший их Атлантический океан.

Сам А. Вегенер шел дальше. Он предполагал, что когда-то вся теперешняя суша составляла единый и единственный материк — Пангею. Со всех сторон он омывался безбрежным Мировым океаном, названным А. Вегенером Панталассом. Под действием каких-то сил, возможно связанных с вращением Земли, примерно 200 млн. лет назад Пангея раскололась на несколько частей, подобно исполинской льдине. Ее осколки — теперешние материки — разошлись в разные стороны и продолжают доныне свой крайне медленный дрейф. Дрейфуя на запад, американский материк на переднем, западном своем крае испытывал сопротивление подстилающего слоя Земли, по которому плывут материки. Естественно, что он смялся и образовал исполинские горные цепи Кордильер и Анд. На тыловой же части от плывущего материка отделялись, отставая, небольшие куски, например Антильские острова. Некоторые же осколки Пангеи плавали, поворачиваясь, как льдины в бурном потоке. Так, по-видимому, вела себя Япония.

Последователи А. Вегенера (Дю Тойт, 1937 г. и др.) полагали, что первоначально существовали два материка — Лавразия, расколовшаяся на Северную Америку и Евразию, и Гондвана, которая распалась на Южную Америку, Африку, Австралию и Антарктиду. Сторонники этого варианта гипотезы А. Вегенера приводят немало фактов, как будто подтверждающих реальность Лавразии и Гондваны. В частности, они ссылаются на сходство геологических структур разных материков, общность их растительного и животного мира.

В последние годы на помощь гипотезе дрейфа континентов пришла гипотеза о расширении дна океанов. В ней важнейшая роль отводилась рифтам — гигантским планетарным разломам, приуроченным к осевым частям срединно-океанических хребтов. Предполагается, что через рифты из глубин выдавливается вещество верхней мантии, которое в процессе физико-химической дифференциации превращается в базальтовые лавы. Каждая новая порция этого вещества давит на породы, возникшие ранее, и отодвигает их в стороны от рифта. Это давление передается далее, и, таким образом, дно океана постепенно расширяется, раздвигая материки. Сторонники этой гипотезы предположили, что такой точке зрения должны соответствовать и хронологические факты: самые молодые породы должны быть приурочены к рифтовым зонам, а с удалением от рифтов в стороны в точках, расположенных на одной, перпендикулярной к оси рифтов линии и на равных расстояниях, породы должны быть древнее и одинакового возраста.

Первоначально казалось, что это так и есть, но в одном из своих рейсов американское исследовательское судно «Гломар Челленджер» обнаружило между о-вом Ньюфаундленд и Бискайским заливом, что в таких сопряженных точках к западу от срединно-атлантического рифта возраст донных пород 155 млн. лет, а к востоку — 110 млн. лет. В самом же рифте взяты образцы возрастом 200 млн. лет. Указывали и на другие противоречия в этой гипотезе. Если материки раздвигаются в результате расширения морского дна, то, например, воздействие срединно-атлантического рифта должно толкать Африку на восток, а вещество, поступающее из срединного рифта Индийского океана, — на запад. Спрашивается: куда бедной Африке деваться? А ведь в таком же положении находятся все материки. И еще. На земном шаре имеются рудообразующие зоны, например вдоль восточной окраины Азии. Такие зоны развиваются на протяжении сотен миллионов — до миллиарда лет. Их геохимия остается неизменной. А это значит, что за весь период существования этих зон у них оставался один и тот же источник вещества, чего не могло быть, если бы материки перемещались.

Позже была разработана современная концепция мобилизма. Согласно этой концепции, земная кора разбита на крупные плиты. Эти плиты могут охватывать участки и материковой, и океанической коры, но есть и целиком «океанические» плиты. Такие плиты с одного края наращиваются вдоль рифта, а вдоль другого края погружаются под край соседней плиты. Например, африканско-индийская плита, расположенная между срединными хребтами Атлантического и Индийского океанов, на западе постоянно наращивается, на востоке же погружается под индоокеанскую плиту.

Долгие споры мобилистов и их противников «фиксистов» в конце концов завершились победой первых. В 60-х годах текущего столетия стала для всех ясной динамика литосферы. Огромные литосферные плиты находятся в крайне медленном, но постоянном движении. Поднимаясь из мантии в зонах срединно-океанических хребтов, они снова погружаются обратно в мантию в зонах глубоководных желобов. Земные континенты как бы впаяны в ползущие плиты океанической коры и движутся вместе с ними. Эта совокупность «плывущих» по мантии литосферных плит, собственно, и составляет литосферу. Главная сила движущейся

плиты — продолжающийся процесс дифференциации расслоения земных недр. Различают несколько литосферных плит (рис. 11). Стрелками указаны направления их перемещений. Как ни малы скорости движения литосферных плит (сантиметры в год!), за огромные промежутки времени внешний облик Земли меняется неузнаваемо. Современные географические глобусы фиксируют то, что есть сегодня, но уже никогда не повторится в будущем.

Рис. 11. Литосферные плиты