Текст книги "Концепции современного естествознания. Часть 2. Биология и геология"

Аркадий Исаакович Липкин, Елена Гороховская
Концепции современного естествознания. Часть 2. Биология и геология

12. Науки о Земле

12.1. Формирование предметной области, средств описания и измерения

Науки о Земле в широком смысле представляют сегодня науку о различных геосферах, к которым традиционно относят неорганические лито-, гидро– и атмосферы, но к ним логично добавить и биосферу, о которой речь пойдет в следующей главе (куда включен и параграф по экологии, в котором обсуждается введенное В.И. Вернадским понятие ноосферы, которая сегодня выступает как техносфера). Данная глава посвящена геологии (букв. наука о Земле) – науке о Земле в узком смысле, науке о неорганических геосферах, науке о строении Земли и ее эволюции.

Науки о Земле имеют ряд принципиальных отличий от физики, химии и синергетики, представленных в Части 1. Последние имеют четкую структуру «ядра раздела науки» (ЯРН), задающую свои «первичные идеальные объекты» (ПИО), которые и составляют основание соответствующих наук и их разделов (сх. 3.1; 9.1; 10.2), их специфику определяют «первичные идеальные объекты». Эти естественные науки, образцом для которых служит физика, формируются экспериментом со структурой <Приготовление |Явление |Измернение> (сх. 1.1). Для них характерно выявление эмпирических закономерностей (на ранних этапах развития) и построение «ядра раздела науки» в зрелом состоянии.

Специфику наук о Земле определяют не ПИО, а «предмет исследования», который формируется в рамках так называемой «естественной истории», суть которой состоит в описании, выделяющем предметные области, развитии самого языка описания. Так основные первичные понятия геологии, например, «горная порода», формируются внутри некоторой профессиональной области, где обучают распознавать породы, путем сравнения с образцами. Такое распознавание образов имеет много общих черт с измерением, суть которого, как было сказано в первой части, состоит в сравнении с эталоном. По мере роста числа этих образов возникает проблема их классификации, для решения которой возникают теории классификации. Таким образом, в естественной истории мы имеем дело с другими, чем в первой части, базовыми понятиями: они не даются с помощью определений (явных или неявных) и не являются «очевидными» для всех, они существуют как образцы в рамках определенной профессиональной деятельности и умение их распознавать передается как профессиональный навык.

Круг исходных (первичных) объектов и явлений в геологии формируется, во-первых, из описания руд, минералов, горных пород, формировавшихся в горнорудном деле с глубокой древности. Из этого потока естественно-исторического описания в XVIII в. рождается геогнозия, которая использует первоначально язык, выработанный в технике поиска полезных ископаемых и металлургии. «Геогнозия… определялась А.Г. Вернером (1750–1817) как «наука, изучающая твердое тело Земли как в целом, так и в виде различных сообществ минералов и горных пород, из которых она состоит, а также их происхождение и соотношение друг с другом» [Хаин, с. 40] (выделено – А.Л). Первыми объектами описания этой науки, центральным понятием которой стало заимствованное из горного дела понятие «горная порода», стали разрезы горных массивов. Описания этих разрезов в виде описания расположения в них слоев различных горных пород (различные глины, пески, граниты и т.п.) и минералов фиксировались в виде стратиграфических схем. Вторым важным объектом описания стал общий рельеф местности (горы, равнины, моря и т.п.). Успехи физики и химии первых десятилетий XIX в. дали новые возможности в описании минералов. «Крупнейшие химики стали ведущими минерологами этого периода. В результате их активной деятельности был определен точный химический состав порядка 450 минералов, большая часть которых ранее не была известна» [Хаин, с. 66]. В результате образуется следующая последовательность понятий: химические элементы земной коры образуют природные химические соединения – минералы, а те, в свою очередь, путем химического или чаще механического соединения – горные породы. В геогнозии разрабатываются «принципы первого расчленения слоистой осадочной оболочки Земли», составившие «фундамент геологической науки» [Хаин, с. 46]

Второй круг явлений составляют извержения вулканов и землетрясения, вопросы об образовании гор, изменении русел рек, речных отложениях, происхождении окаменелых остатков морской фауны в горах. Этот круг вопросов рассматривался уже в античной натурфилософии.

Взаимодействие этих двух потоков порождает в XVIII в. две картины натурфилософского типа о происхождении слоев пород: нептунистскую и плутонистскую. Первая, не без влияния общепринятой библейской картины Всемирного потопа, утверждала, что «материал, из которого состоят слои, образовался в результате кристаллизации из водного раствора» [Хаин, с. 42]. Плутонистская концепция, исходя из наблюдений вулканической деятельности, утверждала магматическое происхождение различных пород [Хаин, с. 43]. Смещению этих рассуждений от натурфилософии к естественной истории способствовало взаимодействие с палеонтологией – в начале XIX в. стало практиковаться сопоставление слоев пород и окаменелых остатков живых организмов, которые в них находились. Результатом этого взаимодействия с исторической биологией (Ж. Кювье) стало «создание стратиграфической (геохронологической) шкалы», [Хаин, с. 47–49]. Разработанный в XIX в. биостратиграфический метод, основанный на анализе сохранившихся остатков фауны, позволил расшифровать историю Земли за последние 500– 600 млн. лет (во второй половине XX в., благодаря систематическому применению методам радиометрического датирования горных пород, удалось перейти от относительной геохронологии к абсолютной и уточнить раннюю историю Земли и ее возраст (порядка 4,5 млрд. лет)).

В результате появились значительно более богатые описания пород в пространстве и времени, что дало толчок к более сложному описанию процессов образования гор, а затем и других ландшафтов. Постепенно сформировался более широкий круг геологических явлений (поведение ледников, изменение уровня мирового океана и др.), которые пытались объяснить.

Важной вехой в переходе от естественно-исторического описания к естественно-научному объяснению явлений стал спор катастрофистов и эволюционистов по поводу характера течения геологических процессов. Первые утверждали прерывистость (пунктуализм) этого процесса, вторые – непрерывность (градуализм). Во главе этих направлений оказались великие биологи Ж. Кювье и Ж.-Б. Ламарк, разрабатывавшие соответствующие концепции эволюции в биологии. В 1830 г. в Парижской Академии наук произошел публичный спор между Ж. Кювье и Ж. Сент-Илером (Ламарка уже не было в живых), который продолжался шесть недель и был прекращен академией. В этот раз победа была присуждена Кювье, но в истории науки точка не была поставлена, и главным стала не победа какой-либо стороны, а выплеснувшееся с обеих сторон море аргументации. Один из современников этой дискуссии писал по ее поводу: «Замечательные выводы, полученные из неожиданных фактов; счастливое сочетание данных минералогии и зоологии; доказательство последовательных революций в физической истории Земли, о котором раньше не имели ни малейшего представления, – все это, вместе взятое, не только позволило в новом свете увидеть довольно неясный до этого предмет, но придало новые силы и открыло новые возможности…» [Хаин, с. 59]. Естественнонаучное объяснение состояло в построении физических, а также химических моделей геологических явлений.

В результате этого наступает новый естественнонаучный этап в развитии наук о Земле, ознаменованный появлением геофизики, становящейся центральной наукой о Земле. Ситуация с геофизикой напоминает ситуацию с физической химией, описанную в п. 10.2: геофизика представляет собой совокупность объектов и явлений, для которых строятся модели («вторичные идеальные объекты» (ВИО)), с помощью ПИО, взятых из физики, главным образом из разделов механики сплошных сред (в первую очередь гидродинамики сильно вязких жидкостей, включающей термодинамические процессы) и (в меньшей степени) из химии. Но в отличие от физической химии, первичным источником этих объектов и явлений является не естественная наука, а естественная история, которая не исчезает с появлением геофизики.

Основным источником информации о внутренней структуре Земли (измерительным инструментом) служит исследование прохождения сейсмических (разновидность акустических) волн, изменения направления и скорости их распространения при прохождении через толщу Земли. Очень важным при этом является свойство поперечных волн (волн, в которых направление колебания перпендикулярно направлению распространения) – сильная зависимость от степени текучести вещества (они не могут распространяться в жидкости). В глубинах Земли в условиях высоких температур и давлений горные породы переходят из твердого в вязкое (типа смолы) или жидкое состояния и об этих изменениях фазового состояния можно судить по изменению поведения поперечных акустических волн. Так было выяснено, что под океанами и материками залегают кристаллические породы, названная литосферой (каменная оболочка, от греч. lithos камень sphaire шар), а под ней встречаются области, названные астеносферой (мягкая оболочка), где вязкость достаточно резко падает и вещество начинает вести себя как жидкость (Daly, 1951).

По современным представлениям (на основании анализа состава различных метеоритов, а также полученных экспериментальных геохимических и геофизических данных), в составе Земли преобладают (как по массе, так и по числу атомов) железо, кислород, кремний и магний. В сумме они составляют более 90 % массы Земли (соответственно 34,6 %, 29,5 %, 15,2 %, 12,7 %) [Люстих].

Значительный объем новой информации, особенно о строении атмосферы, был получен в результате исследований глобальных геофизических процессов во время максимальной солнечной активности, проводившихся в рамках Международного геофизического года (1957–58) учеными 67 стран.

На основе измерений с помощью спутников была изучена структура магнитосферы, а также выявлено наличие радиационных поясов вокруг Земли. В конце 1970-х гг. с помощью геодезических спутников (GEOS-3) удалось достичь существенного прогресса в изучении геоида (точной формы Земли). Наряду со спутниковой геодезией широкое развитие получила спутниковая метеорология, что значительно повысило точность метеорологических прогнозов. С 1968 ведется международная программа глубоководного бурения в Мировом океане, что позволило существенно продвинуться в понимании тектонического строения Земли (непосредственному исследованию посредством глубинного бурения доступны сегодня только внешние 12–14 км. (максимальная глубина, достигнутая бурением, составляет немногим более 14 км (скважина Вредефорд в Южной Африке); российская сверхглубокая скважина СГ-3 на Кольском п-ве достигла глубины 12 км), но иногда в эти скважины попадаются «гости» из более глубоких слоев Земли (геосфер)). Большую информацию о недрах дают обломки сверхглубинных пород (ксенолиты) выведенных на поверхность лавой вулканов.

С началом применения мощных компьютеров появилась возможность резкого ускорения и уточнения получаемой геофизической информации. С их помощью с 1980– 90-х гг. развивается геофизическая томография, с помощью которой построены сейсмические разрезы нижней и верхней мантии (рис. 12.1).

Большое значение приобрели данные экспериментальной минералогии, после того как с помощью алмазных наковален удалось добиться получения давлений, отвечаемых предполагаемым, на различных глубинах в мантии, вплоть до ее границы с ядром.

Для изучения максимальных глубин океана стали использоваться обитаемые глубоководные аппараты. В 1960 швейцарец Ж. Пиккар и американец Д. Уолш в батискафе «Триест» достигли дна Марианского желоба – самого глубокого места Мирового океана (11022 м). С 1980– 90-х гг. подводные аппараты с человеком на борту широко используются для выполнения геологических, гидрологических и биологических наблюдений в глубинах океана.

Запуски межпланетных космических аппаратов к Меркурию, Марсу, Венере, а также к более отдаленным планетам позволили также углубить знания о строении и эволюции Земли на основе сравнительного изучения планет (сравнительная планетология). Полученные данные вместе со сведениями о структуре земной коры и глубинных недр планеты послужили основой для разработки моделей развития Земли.

Итак, естественная история Земли выявила особый предмет исследования для основных естественных наук – физики и химии, а применение современных физических и химических инструментов исследования в сочетании с построением физических моделей, породили геофизику (включившую в себя значительную часть геохимии), ставшую ведущей естественной наукой о Земле, использующую первичные идеальные объекты физики (главным образом гидродинамики вязких сред) и химии, что породило два связанных направления: теорию внутреннего строения планеты и теорию тектоники литосферных плит.

12.2. Гипотезы о происхождении Земли и внутреннем источнике ее тепловой энергии 11
  Этот параграф широко использует материал, изложенный во вводных главах книги [Еськов].


[Закрыть]

В соответствии с современными представлениями Земля сформировалась в результате аккреции (процесса падения различных фрагментов вещества в направлении центра тяжести образующейся планеты, ср. п. 6.3 Части 1) газово-пылевых частиц протопланетного облака (модель «холодного» происхождения Земли, первый вариант которой принадлежит Лапласу). В результате этого постепенно увеличивалась её масса и росла сила тяготения, а следовательно, и скорости частиц и космических тел, падавших на формировавшуюся планету. Кинетическая энергия частиц и тел превращалась в тепло, и Земля всё сильнее разогревалась. Чем крупнее были падавшие тела, тем сильнее они нагревали Землю в эпоху великой бомбардировки (около 4 млрд. лет назад), когда Земля, как и Луна, подвергалась ударам довольно многочисленных и очень крупных (сотни километров в поперечнике) метеоритов. На Луне и сегодня можно увидеть свидетельства метеоритной бомбардировки – многочисленные кратеры и моря (области, заполненные излившейся магмой). На нашей планете активные тектонические процессы и воздействие атмосферы и гидросферы практически стёрли следы этого. Энергия удара этих метеоритов освобождалась не на поверхности, а на глубине, равной примерно двум поперечникам внедрившегося тела, т.е. эта энергия выделялась в слое толщиной порядка 1000 км. Этот механизм образовал первый гравитационный источник нагревания Земли.

Энергия, выделявшаяся в ударных процессах в период аккреции планет, была, вероятно, достаточна для частичного проплавления планеты. Поскольку температура плавления железа и его сплавов ниже, чем силикатов, тяжелый расплавленный металл мог отделяться от окружающего материала и опускаться к центру планеты, формируя ядро. При этом потенциальная гравитационная энергия преобразовывалась в тепловую22
  На самом деле этот процесс не столь гладок и перемежается катастрофическими событиями [Геология… с. 46, 49].


[Закрыть]. Этот механизм «гравитационной дифференциации недр» образовал второй гравитационный источник нагревания Земли, который сегодня является главным. Суть его состоит в следующем.

В начальной стадии образования Земли «тяжелые» и «легкие» элементы и их соединения были перемешаны. Рассчитывая тепловой баланс Земли за всю ее историю, геофизики пришли к выводу, что наша планета никогда не была полностью расплавленной и на протяжении всей своей истории представляла собой твердое тело. Но при характерных временах в сотни миллионов лет Земля ведет себя как вязкая жидкость (этим объясняется и ее форма: «эллипсоид с чуть выпяченным Северным полюсом и чуть вдавленным Южным – идеально соответствует той, что должна принимать жидкость в состоянии равновесия»). И в этой вязкой жидкости постепенно тяжелые элементы (в первую очередь железо) опускаются к центру Земли, а легкие поднимаются на поверхность. Выделяющаяся при этом гравитационная энергия (типа энергии падающего тяжелого тела) по расчетам геофизиков составляет «чудовищную величину 4•10³⁰ калорий (или 10³⁰ Дж. – А.Л.) (что эквивалентно триллиону суммарных ядерных боезапасов всех стран мира)… В толще этой «жидкости» постоянно происходят чрезвычайно медленные, но немыслимо мощные движения колоссальных масс вещества, с которыми связаны вулканизм, горообразование, горизонтальные перемещения континентов и т. д… Источником энергии для всех этих процессов является в конечном счете… гравитационная дифференциация вещества в недрах планеты. Соответственно, когда этот процесс завершится полностью, наша планета станет геологически неактивной, «мертвой» – подобно Луне. Согласно расчетам геофизиков, к настоящему моменту уже 85 % имеющегося на Земле железа опустилось в ее ядро, а на «оседание» оставшихся 15 % потребуется еще около 1,5 млрд. лет» [Еськов, с. 30– 31]

Еще одним источником внутренней тепловой энергии является радиогенное тепло, связанное с распадом радиоактивных долгоживущих элементов ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th, ⁴⁰K, ⁸⁷Rb (по современным оценкам он дает не более 15 % энергии разогрева). Периоды полураспада этих изотопов соизмеримы с возрастом Земли, поэтому до сих пор они остаются важным источником тепловой энергии. В начальные этапы развития Земли могли быть поставщиками тепла и короткоживущие радиоактивные изотопы, такие, как ²⁶Al, ³⁸Cl и др.

Дополнительным источником внутреннего тепла может быть приливное трение, возникающее при замедлении вращения Земли из-за приливного взаимодействия с Луной и в меньшей степени с Солнцем.

12.3. Внутреннее строение Земли

Внутреннее строение Земли, как и других планет солнечной системы, представляет собой последовательность сферических слоев или геосфер (рис. 12.1). Сферическая форма является следствием действия гравитационных сил, которые в достаточно массивных космических телах являются определяющими. Поэтому астероиды могут иметь любую форму, а планеты – только сферическую (при характерных временах порядка сотен миллионов лет граниты, базальты и прочие твердые породы под действием колоссальных сил гравитации во многих отношениях ведут себя как вязкие жидкости).

Формирование различных внутренних геосфер происходит в результате указанной выше гравитационной дифференциации недр планеты, которые оказываются разделенными на три основных слоя: «тяжелый» (ядро), «промежуточный» (мантия) и «легкий» (кора). Средняя плотность земной коры в целом – 2,8 г/см³ (при этом средняя плотность трех основных составляющих ее слоев: осадочного – 2,4–2,5 г/см³, «гранитного» – 2,7 г/см³, «базальтового» – 2,9 г/см³). На границе земной коры и мантии (поверхность Мохоровичича) плотность увеличивается скачком от значений 2,9– 3,0 г/см³ до 3,1–3,5 г/см³. Далее она плавно растет, достигая у границы ядра 5,6 г/см³. В ядре плотность скачком поднимается до 10,0 г/см³, а далее плавно возрастает до 12,5 г/см³ в центре Земли [Люстих].

Ядро

«Уже в 1896 г. Е. Вихертом на основе данных по каменным и железным метеоритам было высказано предположение, что Земля состоит из внешней оболочки (мантии), окружающей более плотное металлическое ядро. В 1906 г. Р. Олдхэм привел первое сейсмологическое доказательство существования центрального ядра и дал грубую оценку его радиуса ~ 1600 км. Позднее крупнейшие геофизики ХХ в. Б. Гутенберг и Х. Джеффрис подтвердили наличие центрального ядра и довольно точно оценили его размеры. По современным геофизическим данным радиус ядра Земли оценивается равным 3480– 3485 км… Было установлено, что на границе между мантией и ядром происходит скачкообразное увеличение плотности (с 5.55 до 9.9 г/см³), сопровождающееся резким уменьшением скорости распространения продольных волн (с 13.7 км/с в подошве мантии до 8 км/с в кровле ядра), и показано, что эта поверхность раздела не пропускает поперечные волны. По этой причине внешнее ядро считается жидким» [Кадик, Кусков].

Согласно большинству физических моделей, подтвержденных данными геофизических исследований, Земля обладает внутренним ядром радиусом около 1221 км, состоящим из нескольких твердых слоев железа с различной степенью ориентации кристаллов, окруженным внешним жидким ядром толщиной 2225 км. Предполагается, что оно состоит, в первую очередь, из сплавов железа, никеля, сульфида железа FeS (4 %) и других металлов и тяжелых химических элементов и соответствует по составу железным метеоритам. Оценки температура в центре Земли порядка 5000 ^oC (они колеблются в диапазоне от 4000 до 6000 ^oC).

Проблема происхождения магнитного поля Земли (Земля действует как гигантский магнит) до настоящего времени не может считаться окончательно решенной, общепринятым является представление, что магнитное поле Земли генерируется вращением насыщенной железом жидкости внешнего ядра. «Почти общепризнанной является гипотеза магнитного гидродинамо. Тепловая конвекция, то есть перемешивание вещества во внешнем ядре, способствует образованию кольцевых электрических токов. Скорость перемещения вещества в верхней части жидкого ядра будет несколько меньше, а нижних слоев – больше относительно мантии в первом случае и твердого ядра – во втором. Подобные медленные течения вызывают формирование кольцеобразных (тороидальных) замкнутых по форме электрических полей, не выходящих за пределы ядра.

Рис. 12.1. Внутреннее строение Земли 33
  Рисунок взят из [Румянцев] (комментирующая подпись изменена в соответствии с данным текстом)


[Закрыть]

1. Кора. 2. Часть верхней мантии выше астеносферы, входящей в состав литосферы. 3. Часть верхней мантии ниже астеносферы. 4. Мантия нижняя. 5. Внешнее ядро. 6. Внутреннее ядро. 7. Мантийный плюм

Благодаря взаимодействию тороидальных электрических полей с конвективными течениями во внешнем ядре возникает суммарное магнитное поле дипольного характера, ось которого примерно совпадает с осью вращения Земли… В рамках этой картины можно построить модель инверсий магнитного поля. Токовая, а следовательно, и магнитная переменная колеблются сначала около некоторого стационарного состояния, а затем, увеличивая амплитуду, внезапно начинают испытывать колебания уже вокруг другого стационарного состояния (по Т. Рикитаки, 1968)… В реальном магнитном поле Земли время, в течение которого происходит изменение знака полярности, может быть как коротким, вплоть до тысячи лет, так и составлять миллионы лет» [Кадик, Кусков].

Внешняя «каменная» оболочка Земли называется литосферой. Она включает земную кору и верхний слой мантии (субстрат), находящийся над астеносферой, о которой речь пойдет ниже (до 60-х гг. XX в. литосфера понималась как синоним земной коры).

Земная кора (и литосфера в целом) – это, во– первых, продукт дифференциации вещества мантии, т.е. разделения этого вещества по плотности. Более легкоплавкое и менее плотное вещество, в соответствии с законом Архимеда, всплывало сквозь толщу мантии и сформировало первичные, изверженные горные породы, образовавшиеся при охлаждении и затвердевании магмы, (из нее формируются граниты и базальты). Вторичные, осадочные горные породы образовывались в результате эрозии и накопления осадков на дне водоемов. Осадочные породы почти полностью покрывают поверхность суши, формируя (в числе прочего) значительную часть высочайших горных систем. Это означает, что порода, из которой слагаются ныне вершины Альп и Гималаев, когда-то формировались под водой, ниже уровня моря» [Еськов, с. 35].

Плотность литосферы 2,8 г/см³ Земная кора почти наполовину состоит из кислорода и более чем на четверть из кремния. Значительная доля принадлежит также алюминию, магнию, кальцию, натрию и калию. Кислород, кремний, алюминий дают наиболее распространённые в коре соединения – кремнезём (SiO₂) и глинозём (A1₂O₃). Мантия состоит преимущественно из тяжёлых минералов, богатых магнием и железом. Они образуют соединения с SiO₂ (силикаты). В общем случае в строении коры Земли выделяют 3 слоя: осадочных горных пород, гранитов под материками (в океанической коре этот слой отсутствует) и, под ними, плотных базальтов (разделение на слои с таким названием не означает, что породы действительно имеют состав гранитов или базальтов, это только значит, что по сейсмическим характеристикам, т.е. по скоростям прохождения сейсмических волн через этот слой они сходны с соответствующими породами).

Земная кора имеет сложный рельеф. Она имеет толщину 4–6 км под океанами и 30– 70 км под материками. В рельефе суши различают горные системы, плоскогорья и равнины, а также подчиненные им формы. При этом, под горами находится приблизительно симметричная часть горы (эффект «зеркального отражения»), что объясняется теорией изостазии, говорящей, что горы, подобно плавающим айсбергам, должны иметь соответствующую подземную часть: по закону Архимеда вес погруженного тела (коры) равен весу вытесненной им жидкости – мантийного вещества (как уже было сказано, на больших временах (сотни миллионов лет) вещество Земли ведет себя как вязкая жидкость), при этом плотность пород высоких гор ниже плотности равнинных пород.

Область между корой и ядром называется мантией. В мантии температура везде ниже температуры полного расплавления слагающего её материала. Под материковой корой она предполагается близкой к 600– 700 ^oС. В астеносфере температура, по-видимому, близка к точке плавления (1500– 1800 ^oС). В более глубоких слоях мантии из-за повышения давления ее температура оказывается опять выше ее температуры плавления и она становится более твердой (как стекло, т.е. ее вязкость возрастает на много порядков): материал мантии был бы расплавлен, если бы не высокое давление, вследствие которого вся мантия находится в твёрдом кристаллическом состоянии, за исключением, вероятно, астеносферы (агрегатное состояние вещества земных недр обусловлено наличием высоких температур и давлений).