Текст книги "Вам, земляне
(Издание второе, переработанное)"

Автор книги: Автор Неизвестен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 14 страниц)

СКОЛЬКО ЛЕТ ЗЕМЛЕ?

Присутствие радиоактивных веществ – убедительнейшее доказательство конечности возраста Земли. Их наличие также позволяет довольно точно датировать многие важные явления ранней истории Земли.

Д. Койпер

Немного геохронологии

О возрасте человека можно судить по его лицу, фигуре, осанке, о возрасте дерева – по его толщине и высоте. Но как узнать возраст камня? Или еще более трудный вопрос: сколько лег нашей планете? Когда начала она существовать как космическое тело?

В библии сказано, что Земля существует всего несколько тысячелетий. Древние персы были щедрее: по их мнению, Земля возникла 12 000 лет назад. Еще уважительнее относились к Земле древневавилонские жрецы – они считали, что ей 2 млн. лет. Но все эти цифры имели столь же малое отношение к реальному возрасту нашей планеты, как и представления древних религий о мире к современному научному мировоззрению.

Зарождение научной геохронологии датируют обычно самым концом XVIII века, когда английский геолог Смит в 1799 г. обнаружил, что в слоях одинакового возраста всегда содержатся ископаемые одних и тех же видов. Более того, он показал, что остатки древних животных и растений размещены (с увеличением глубины) в одном и том же порядке, хотя поиски их производились в разных местах, расстояния между которыми были очень большие.

Так родилась историческая геология, а вместе с ней и первые гипотезы об эволюции органического мира Земли. Стала очевидной изменчивость Земли во времени, а значит, возникла задача: определить возраст Земли и наметить хотя бы в самых общих чертах поступательный ход эволюции всей нашей планеты. Задача оказалась нелегкой. Лишь век спустя знаменитый соотечественник Смита лорд Кельвин выступил со статьей, в которой утверждал, что возраст Земли близок к 25 млн. лег.

Кельвин предполагал, что первоначально вся Земля была в огненно-жидком, расплавленном состоянии. Считая, что тепло, идущее к поверхности Земли из ее недр, есть остаточный первичный жар Земли, он подсчитал, за какое время могла образоваться и остыть до современной температуры твердая земная кора. Так и получились те 25 млн. лет, которые какое-то, правда непродолжительное, время считались «официальным» возрастом нашей планеты.

Когда Кельвин производил эти расчеты, уже была открыта радиоактивность, а в 1906 г. другой известный английский физик лорд Релей доказал, что радиоактивные элементы широко представлены в горных породах и не учитывать тепло, выделяющееся при их распаде, нельзя. Отсюда следовало, что подсчеты Кельвина неверны, и возраст Земли, установленный им, занижен. Так наука пришла к использованию естественных «радиоактивных часов», во множестве рассеянных в некоторых породах земной коры.

Следует напомнить, что тяжелые химические элементы таблицы Менделеева способны самопроизвольно распадаться, выделяя при этом альфа-лучи, бета-лучи и гамма-лучи. Первые представляют собой ядра атомов гелия, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Бета-лучи – это потоки электронов. Что же касается гамма-лучей, то это действительно настоящие лучи – электромагнитное излучение с очень малой длиной волны и очень энергичное. За счет гамма-лучей радиоактивные элементы при распаде нагревают окружающие их породы. Это и есть первоисточник радиоактивного нагрева, играющего громадную роль в эволюции Земли.

При радиоактивном распаде уменьшается первоначальная масса элемента и изменяется заряд его ядра. Следовательно, радиоактивный элемент становится неузнаваемым, в полном смысле слова другим. Так, уран с относительной атомной массой 238 (уран-238) при распаде превращается в свинец с относительной атомной массой 206.

Радиоактивный распад происходит, как говорят, по экспоненте– так именуют график показательной функции. Аналитически закон радиоактивного распада может быть представлен формулой m=m₀e^-kt, где m₀ – первоначальная масса распадающегося элемента; m – его масса в данный момент времени t; k – коэффициент, зависящий от свойств данного элемента; е – неперово число, приближенно равное 2,718.

Период полного распада любого радиоактивного элемента равен… вечности! Иначе говоря, распад никогда не завершается, темп его, сначала очень быстрый, постепенно замедляется и в конце концов становится неощутимо малым. Вот почему имеет смысл говорить не о периоде распада, а о периоде полураспада Т какого-нибудь радиоактивного элемента, т. е. о промежутке времени, за который распадется половина первоначального количества данного радиоактивного вещества. Нетрудно сообразить, что Т=ln 2/k, где ln 2 = 0,693.

У разных элементов Т весьма различно – от ничтожных долей секунды до миллиардов лет. У урана-238 он равен 4,5 млрд. лет. Предположим, что первоначально все радиоактивные элементы (включая уран-238) на Земле еще только начинали распадаться. Если сегодня в породах, содержащих уран-238, имеется некоторое количество конечного продукта его распада (свинца-206), то можно подсчитать (пользуясь законом радиоактивного распада), за какое время из чистого урана-238 могло образоваться это количество «уранового» свинца. Это и будет нижним пределом возраста Земли, т. е. минимальным временем, протекшим с момента ее возникновения как самостоятельного космического тела.

Такова идея «радиоактивных часов». На практике все, конечно, сложнее. Применяются и более тонкие, точные методы, используются разные радиоактивные вещества и самая разнообразная аппаратура.

Самые древние породы земной коры, судя по показаниям «радиоактивных часов», имеют возраст 3,5 млрд. лет. Земля, конечно, старше своей коры. Однако возраст метеоритов, определенный аналогичными методами, не превышает 4,5 млрд. лет. В настоящее время этот колоссальный промежуток времени – 4,5 млрд, лет, который трудно себе представить, и принято считать возрастом Земли.

Как же складывалась жизнь Земли на протяжении всех этих миллиардолетий? Как формировался ее современный облик? В чем выразилась эволюция органического мира Земли, породившего в конце концов и нас, задающих эти нелегкие вопросы?

В земной коре хранятся следы прошлого нашей планеты. Проникновение в глубь Земли одновременно означает и путешествие в прошлое, тем более отдаленное, чем глубже мы проникаем. Земная кора расчленена по возрасту на слои, толщи, горизонты, ярусы, отделы, системы. Этим занимается одна из отраслей геологии – стратиграфия. Каждый слой, каждый горизонт земной коры имеет «радиоактивные часы», фиксирующие его возраст. Составлены геохронологические шкалы, или точнее разнообразные шкалы, изменявшиеся с развитием этой отрасли науки. Длительная история Земли подразделена на эпохи и периоды. Одну из новейших геохронологических таблиц мы здесь приводим.

История Земли складывается из двух частей – истории неорганического тела нашей планеты и истории ее органического мира, прослеживаемой до протерозоя. Разумеется, эти «две истории» тесно связаны, и в дальнейшем речь пойдет о единой истории нашей планеты, ставшей обиталищем множества живых существ – от микроорганизмов до человека. Остатки организмов прошлого позволяют определить относительный возраст слоев земной коры и тем самым датировать геологические события (см. таблицу).

ГЕОХРОНОЛОГИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА

Становление планеты

В длительной истории нашей планеты принято выделять две стадии – догеологическую и геологическую. Первая охватывает события, связанные с формированием Земли как отдельного космического тела, а геологическая стадия – это по существу стадия формирования земной коры. Еще раз хочется подчеркнуть, что, исследуя древнейшую историю Земли, мы испытываем такие же затруднения, как и при изучении безбрежных далей космоса. Чем дальше от нас находится объект, тем труднее получить о нем достоверную информацию. И слово «дальше» может быть отнесено как к пространству, так и ко времени.

К сожалению, мы не знаем, как произошла Земля. Все гипотезы о происхождении Земли делятся на две группы. Гипотезы одной группы рассматривают «холодный» вариант рождения Земли, например при сгущении из частиц протопланетного облака, гипотезы другой группы – «горячий» вариант. Последние предполагают, что Земля отделилась от Солнца или его звездоподобного спутника и первоначально была раскаленной. Дальнейшая эволюция ее в значительной мере определялась постепенной потерей, рассеянием энергии. Правда, и в «холодном» варианте приходится искать источники разогрева Земли, без которого объяснить ее формирование невозможно. Одни находят их в радиоактивности, другие – в гравитационном сжатии, третьи считают, что одинаково эффективно действовали оба фактора.

Из гипотез, рисующих догеологическую стадию развития Земли, упомянем популярную ныне схему акад. А. П. Виноградова. По его мнению, после того как Земля сформировалась в виде отдельного тела и разогрелась за счет гравитационного сжатия и других факторов, началось ее расслоение, дифференциация на отдельные оболочки. Этот процесс, как считает А. П. Виноградов, определялся выплавлением и дегазацией легкоплавких и летучих веществ. В ходе такой «зонной плавки» вещество верхней мантии расщепилось на легкоплавкую и тугоплавкую составляющие. Первая из них поднялась вверх и дала начало первичной базальтовой коре, причем это «всплывание» относительно легких веществ сопровождалось выделением паров и газов, из которых затем сформировались гидросфера и атмосфера Земли. Наиболее тяжелые вещества опустились в недра Земли, образовав ее внутреннюю мантию и ядро.

Геологическая стадия в истории Земли началась с той эпохи, когда на развитие нашей планеты стало активно воздействовать Солнце. Выступая в роли основного энергетического источника в гидросфере и атмосфере, Солнце разрушало (через метеорологические процессы) первичную кору, создавая осадочные породы. Толщи осадочных пород постепенно стали достаточно мощными и тогда отчасти под давлением вышележащих слоев, отчасти под действием внутреннего тепла Земли их «нижние» слои преобразовались в породы метаморфические. На большой глубине внутреннее тепло Земли частично переплавляло осадочные и метаморфические породы земной коры в породы магматические.

Внутренняя энергия Земли вызывала движения отдельных участков земной коры: в одном месте опускалась суша, заливаемая океаном, а в другом месте и в другое время (а иногда и одновременно) из морских пучин поднимался остров и даже континент. При горизонтальных смещениях земной коры образовывались складки и трещины.

Процесс саморазвития Земли имеет в качестве первоисточника ту энергию, которой обладали и Земля, и Солнце в период молодости Солнечной системы. Так как потеря энергии Землей и Солнцем – процесс необратимый, то это придает земной эволюции направленный характер. Теория эволюции Земли еще не создана, но предложенные гипотезы, возможно, лягут в ее основу.

Гипотеза пульсационная, зародившаяся примерно 100 лет назад в трудах Дж. Дарвина и других ученых, предполагает, что Земля многократно испытывала чередующиеся сжатия и расширения. В этих пульсациях доминирующим всегда оставалось сжатие, так что в целом эволюцию Земли можно представить себе как пульсационное сжатие планеты. Пульсационная гипотеза, поддержанная В. А. Обручевым (1940 г.) и А. В. Хабаковым (1949 г.), неплохо объясняет некоторые морфологические особенности поверхностей Земли и Луны.

Ротационная гипотеза была выдвинута в 1910 г, A. Бемом, а затем поддержана и развита многими учеными, особенно Б. Л. Личковым (1931 г.) и М. В. Стовасом (1951 г.). Суть ее в том, что историю развития нашей планеты во многом определили осевое вращение Земли, ее собственное гравитационное поле, а также взаимодействие Земли с Луной и Солнцем.

Известно, что приливное трение постепенно замедляет вращение Земли. Всякое же перераспределение масс внутри тотчас же отзывается на осевом вращении. С приближением масс к оси вращения скорость осевого вращения увеличивается, в противоположном случае – уменьшается. Эти переходы нередко совершаются резко, скачкообразно, и хотя колебания осевой скорости Земли ничтожны, они, по-видимому, вызывают значительные натяжения в твердом теле Земли, что приводит к разрывам и смещениям отдельных участков земной коры.

Дифференциационная гипотеза, разработанная B. В. Белоусовым (1954 г.), решающую роль в эволюции Земли отводит процессу глубинной дифференциации слагающего нашу Землю материала. Постепенная «утряска» Земли, смещения тяжелых глыб к ее центру и выдавливание на поверхность легких пород – вот в сущности те вертикальные перемещения вещества, которые главным образом и выражают геологическое развитие планеты.

Гипотеза тектоники плит в настоящее время считается наиболее обоснованной. Она еще называется гипотезой глобальной тектоники плит.

Плавающие материки

Странная с первого взгляда идея о материках, плавающих по мантии, была высказана впервые американским геологом Ф. Тейлором в 1910 г. Дальнейшее развитие и популяризация этой идеи принадлежат немецкому метеорологу и исследователю Гренландии Альфреду Вегенеру. С 1912 г. гипотеза о дрейфующих материках прочно связывается с именем А. Вегенера, изложившего свои взгляды в книге «Происхождение материков океанов». Эта книга вызвала горячие споры и привлекла внимание ученых. Дискуссии продолжались около 20 лет, но трагическая смерть А. Вегенера во льдах Гренландии в 1930 г. охладила страсти, его гипотеза как будто зашла в тупик, и ее надолго забыли. Второе рождение гипотезы Вегенера произошло в 50-х годах текущего века, когда идею дрейфа материков попытались (и небезуспешно) применить к объяснению некоторых загадок палеомагнетизма. В чем же суть гипотезы Вегенера?

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 поразительный: в целом хорошо совместилось более 93 % границ шельфа – древних береговых линий. Лучше всего стыковались Африка и Южная Америка, Антарктида и Африка, несколько хуже примкнули друг к другу Индостан, Австралия и Антарктида.

И все-таки создавалось впечатление, что когда-то Африка и Америка составляли одно 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 в своих предположениях. Он считал, что когда-то вся теперешняя суша составляла единый и единственный материк – Пангею (рис. 23).

Рис. 23. Эволюция материков по А. Вегенеру. Выделены участки, которые были покрыты мелкими морями.

Со всех сторон он омывался безбрежным Мировым океаном, который А. Вегенер назвал 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 начался их продолжающийся доныне крайне медленный дрейф. Дрейфуя на запад, американский материк на переднем (западном) своем крае испытывал сопротивление того полужидкого внутреннего слоя Земли, по которому плывут материки. Естественно, что он смялся и образовал исполинские горные цепи Кордильер и Анд. От тыловой части плывущего материка отделились, отставая, небольшие куски – например, Антильские острова. Некоторые осколки Пангеи плавали, поворачиваясь, как льдины в бурном потоке, – так, по-видимому, вела себя нынешняя Япония.

Некоторые последователи А. Вегенера (Дю Тойт, 1937 г.) полагали, что первоначально существовали два материка – Лавразия, расколовшаяся затем на Северную Америку и Евразию, и Гондвана, давшая начало Южной Америке, Африке, Австралии и Антарктиде. Сторонники этого варианта гипотезы Вегенера приводят немало фактов, будто подтверждающих реальность Лавразии и Гондваны[14]14
  См. статью М. Равича «Какой была Гондвана?» («Наука и жизнь», 1971, № 9).


[Закрыть]. В частности, они ссылаются на сходство геологических структур разных материков, удивительную общность их растительного в животного мира.

Магнитное поле Земли, как уже говорилось, «намагничивает» некоторые горные породы. В них запечатлеваются и интенсивность, и структура геомагнитного поля. По многим намагниченным образцам пород можно судить о том, где находятся магнитные полюсы Земли. Значит (напомним еще раз), древние горные породы позволяют судить о палеомагнетизме, т. е. о характере земного магнитного поля в отдаленном прошлом.

Конечно, результаты палеомагнитных измерений по разным причинам искажены погрешностями. И все-таки, отобрав наиболее надежные из них, можно убедиться, что магнитные полюсы Земли не всегда находились там, где мы их сейчас обнаруживаем. По палеомагнитным данным, магнитные полюсы Земли непрерывно странствуют, причем настолько значительно, что в некоторые эпохи они переходили из одного полушария Земли в другое.

Известно, что климат отдаленного прошлого Земли очень отличался от современного. Когда-то Гренландия, Шпицберген и даже Антарктида были жаркими странами с богатым растительным и животным миром, а в экваториальных областях Земли господствовали условия, близкие к тем, которые сегодня характерны для околополярных районов. Из этих бесспорных данных палеоклиматологии А. Вегенер и некоторые из его исследователей сделали вывод о непрерывном странствии географических полюсов – идея не менее удивительная, чем пресловутый дрейф континентов. Если в этом случае А. Вегенер прав, значит земная ось непрерывно и радикально меняет положение в твердом теле Земли – вывод явно абсурдный с точки зрения привычных представлений небесной механики.

Правдоподобнее предположение, что дрейфуют материки, а не странствуют полюсы (магнитные и географические). В свете этой основной идеи Вегенера в принципе объяснимы и палеоклиматические парадоксы – в конце концов материк может «приплыть» с экватора на полюс или обратно, и при этом коренным образом изменится на нем и климатическая обстановка. Но эта простота кажущаяся. В самом деле, если принять гипотезу Вегенера, то как объяснить причину дрейфа материков? Какая сила движет исполинские материковые глыбы? Почему распад Пангеи произошел в сравнительно недавнем геологическом прошлом Земли, а не раньше?

Земная кора, по-видимому, тесно связана с подстилающей ее мантией. Они развиваются совместно, образуя единую оболочку – тектоносферу. Дрейф материков в таком случае означает перемещение исполинских твердых глыб толщиной до 1000 км, что некоторым ученым кажется невозможным. Как полагает известный советский геолог В. В. Белоусов, тектоносфера не образует изолированных глыб. Она окутывает непрерывной оболочкой весь земной шар, и тогда материковой тектоносфере просто некуда смещаться. В. В. Белоусов приходит к выводу, «что материки никуда не движутся», что они, так же, как океаны, образовались там, где сейчас находятся.

Однако большинство современных геологов стоит на позициях «мобилизма», т. е. признания подвижности отдельных блоков земной коры. Это особенно ярко было выражено в работе XV Ассамблеи Международного Союза геофизики и геодезии, проходившей в Москве в 1971 г., и год спустя – в работе Международного Геологического Конгресса. Английский геофизик М. Ботт, делая подробный обзор современного состояния гипотезы мобилизма[15]15
  Ботт М. Внутреннее строение Земли. М., «Мир», 1974, с. 272.


[Закрыть], подчеркнул, что «совершенно независимые данные, почерпнутые из многих областей геологии, палеомагнетизма, морской геофизики, дают поразительно согласованные подтверждения континентального дрейфа».

В новейшей редакции гипотеза Вегенера основывается на факте разрастания океанического дна и концепции так называемой тектоники плит. Суть этих новых идей заключается в следующем. Земная кора состоит из нескольких исполинских плит – Евразийской, Африканской, Китайской, Индо-Австралийской, Антарктической, Западно– Атлантической и Тихоокеанской (рис. 24).

Рис. 24. Плиты земной коры. Стрелками показано движение плит.

Эти плиты разделены линиями разломов – участков повышенной вулканической и тектонической активности. Так, одна из них проходит вдоль срединного подводного хребта Атлантического океана.

Установлено, что океаническая кора очень молодая (ее возраст не более 100 млн. лет) и по толщине значительно уступает коре континентальной. Как считают сторонники гипотезы тектоники плит, молодая океаническая кора формируется по линиям разломов, разделяющих плиты, из вещества верхней мантии, выдавливаемого наружу. Этот процесс, порожденный конвективными движениями вещества в мантии, приводит к раздвижению континентальных плит и зон поднятий. Встречаясь со старыми блоками материковой коры в районе островных дуг вблизи границ материков, расходящиеся плиты уходят под материковую кору, погружаясь обратно в мантию. Все эти перемещения плит совершаются по астеносфере – верхнему слою мантии, имеющему пониженную плотность.

Таким образом, в концепции тектоники плит рассматриваются не плавающие материки, как у А. Вегенера, а плавающие плиты. Скорость этих движений, конечно, невелика, но вполне ощутима (это подтвердили, например, результаты измерений с помощью искусственных спутников Земли). Так, Тихоокеанская плита дрейфует на северо-северо-запад по отношению к Западно-Атлантической плите со скоростью 5 см в год. Таковы же примерно скорости относительных перемещений и других плит.

С точки зрения тектоники плит землетрясения возникают тогда, когда внезапно освобождаются напряжения, возникшие на границах плит при трении их об астеносферу.

А. Вегенер не мог ответить на вопрос, куда и под действием какой силы плывут материки. С позиции тектоники плит источником энергии этого движения служат конвективные движения вещества мантии, а рождение плит и материков и их «гибель» (т. е. возвращение в мантию) происходило, по-видимому, на протяжении всей геологической истории Земли. Постоянный обмен веществом и энергией между земной корой и мантией, непрерывное обновление коры – вот главное, что меняло внешний облик нашей планеты.

Так объясняет факты тектоника плит. Возможны, однако, и другие истолкования наблюдаемых явлений. Пример тому – удивительная гипотеза о расширении Земли.