Текст книги "Природа земли и жизни"

Часть II. Системная геотектоника

Глава 4. Устройство Земли

Самым наглядным, но непривычным и непризнанным фактором геотектоники является вращение Земли. Это ротационные силы придали ей сферичность и полярное сжатие, причем сжатие порядка 20 км соизмеримо со средней толщиной земной коры. Среднегодовая энергия землетрясений и вулканических извержений составляет всего лишь около 3 % от годовой кинетической энергии Земли. Вариации скорости вращения соотносятся с ритмом лунно-солнечных приливов и вариаций геомагнитного поля.

Ротационные силы состоят из сил центробежной и Кориолиса. Центробежная сила отсутствует на полюсах и увеличивается в направлении экватора, понижая там на 1/288 центростремительную силу земного притяжения, силу тяжести. Центробежная сила возрастает при циклическом ускорении вращения Земли, растягивая ее по экватору и сжимая с полюсов, а при замедлении вращения эта сила снижается, сжимая ее по экватору и растягивая по полюсам. Всё это сказывается в повышении контрастности рельефа и планетарной трещиноватости от полюсов в направлении экватора.

Центробежное сжатие-растяжение Земли осложняется диагонально направленной силой Кориолиса, которая иллюстрируется реками, текущими вдоль меридиана: они подмывают в Северном полушарии правый берег (зачастую высокий), а в Южном полушарии – левый берег. Постоянно приложенные к Земле незначительные, но пульсирующие ротационные напряжения производят в итоге все ее преобразования.

Тектоническое значение ротационных сил подтверждается полярным сжатием планет и крупных спутников, Солнца и галактик. Сжатие зависит от скорости вращения и вещества планеты, составляя у Юпитера 4400 км (0,0620), у Марса 25 км (0,0052), у Земли 21,38 км (0,0034) и у Венеры первые сотни метров (менее 0,0001). Периоды их вращения 9 час. 56 мин., 24 час. 37 мин., 23 час. 56 мин. и 243 суток соответственно, то есть чем меньше скорость вращения и масса, тем менее планета сплюснута с полюсов.

Показательна и заторможенность эволюции медленно вращающейся и еще горячей Венеры. Значение ротационных сил подчеркивается сетями трещиноватости каменных планет земной группы и дифференциальным вращением газовых планет-гигантов Юпитера и Сатурна: они обращаются на экваторе на 1 и 5 % быстрее, чем на полюсах.

Динамика атмосферы, гидросферы, литосферы и ядра одинаково определяется вращением Земли, а различается только за счет вещественного состава и агрегатного состояния вещества. Атмосфере и гидросфере равно присущи турбулентные горизонтальные и конвективные вертикальные потоки, как правило, дважды в году изменяющие направление движения на обратное. Циклоны и антициклоны (вихри с пониженным и повышенным давлением) вращаются в Северном и Южном полушариях в противоположные стороны и по геометрии имеют сходство с круговыми течениями Мирового океана (рис. 24). В ходе перемещений циклоны и антициклоны изменяют очертания, а в общих чертах повторяют трансрегиональную структуру земной коры.

Сходство динамики газожидкой оболочки Земли и литосферы подчеркивается приуроченностью районов формирования и подвижек атмосферных фронтов, смерчей и ураганов и даже линейной облачности к зонам и узлам тектонических разломов, которые проявляют матрицу геодинамического поля. И в рельефе земной коры, и в направлениях ветров главенствуют широтные направления, отражающие георотационные напряжения (рис. 25). В зонах трещиноватости ледового покрова Арктического океана опознаются разломные зоны дна, а в неровностях поверхности Мирового океана (размахом до 190 м) проступают контуры структур дна, причем над тихоокеанским разломом Мендосимо водная ступень достигает 12 м. Всё это говорит о единой подоплеке динамики геосфер.

Рис. 24. Основные течения Мирового океана

Рис. 25. Глобальная карта ветров (NASA, 2013)

Поверхностные ветра со скоростью от 0 до 40 м/с показаны белым цветом. Ветра верхнего уровня от 0 до 175 м/с показаны в цвете: красный – максимальная скорость.

Ротационные силы действуют вместе с гравитационными силами, то есть с силой тяжести. Даже сферичность Земля приобрела за счет гидростатического выравнивания вращающегося кома планетезималей, превосходящего по массе тот рубеж, за каким твердое тело течет под своей тяжестью. Этот рубеж для Земли равен слою горных пород или высоте гор порядка 10 км и опознается в сейсмогеологическом делении земной коры на нижнюю и верхнюю. Знаковая граница означает не столько смену «гранитного» слоя «базальтовым», сколько переход от сколовых деформаций к пластическим.

Смену типа деформаций удостоверяет сверхглубокая (12 262 м) Кольская скважина, вскрывшая вместо ожидавшихся гипербазитов перемятые метаморфические породы. Странные аварии, начавшиеся с глубины 10 км, и аномальные физические явления отметили прохождение переходного слоя земной коры и петрофизических волноводов, выказывающих трехмерную структуру геоматрицы. Резко возросшая температура (свыше 2200 °C) обусловлена длительными литостатическими нагрузками, которые и проясняют смысл ультравысокобарического метаморфизма. Его сверхвысокое давление было выведено из некорректных по геологической краткости экспериментов, что привело к парадоксальному выводу о подъеме древних платформ с глубин 30–40 км.

Сила тяжести считается ответственной за расслоение Земли на ядро, мантию, кору, атмосферу и гидросферу. Однако обеспечить расслоение вещества способно только неровное вращение Земли, производящее центробежную сепарацию и стимулирующее мантийную термохимическую конвекцию. Вариации скорости вращения обеспечили как выделение основных слоев Земли, отличающихся по плотности и массе, так и их преобразования за счет инерционных проворотов между собой. Провороты более показательны для нижней мантии и ядра, которые содержат 40 и 30 % массы Земли, причем проворотам твердого субъядра благоприятствует его расплавленная оболочка.

Ротационные силы и сила тяжести вместе разметили слоевые разделы Земли. Сила тяжести возрастает с 982 см/с² на поверхности до 1069 см/с² в нижней мантии, а затем снижается до 436 см/с² на границе субъядра и до ноля в центре Земли. Максимум силы тяжести на глубине 2700–2900 км отмечает радиус инерции Земли, равный 3700 км.

Не менее значим центр масс системы Земля-Луна, отстоящий от центра Земли на 4672 км (0,7 радиуса). Барицентр движется на глубине 1700 км, то есть в основании средней мантии, выделяющейся из нижней мантии на глубинах 670–1700 км. Барицентр обращается вокруг центра масс Земли по сложной траектории, обусловленной многокомпонентным циклическим движением Луны. Средняя мантия предстает в значении зоны движения барицентра, обращение и циклические подвижки которого перемешивают полурасплавленную мантию. Таким образом стимулируется термохимическая конвекция, формирующая расслоение и неоднородность Земли.

Условия для мантийной конвекции и физико-химической дифференциации вещества были подготовлены разогревом и зонной плавкой Протоземли, которая в ходе гетерогенной аккреции из протопланетного облака и гравитационного сжатия уже стала грубо расслоенной. Судя по составу современной литосферы, первичное вещество состояло из железа (34,6 %), кислорода (29,5 %), кремния (15,2 %) и магния (12,7 %).

Сравнительно легкие элементы нижней мантии, как считается, сложенной ильменитом и перовскитом, вследствие отрыва вихревых потоков от нижнемантийного яруса конвекции переходили в верхнюю мантию, в итоге сложенную оливином, пироксеном, гранатом и шпинелью. Там под контролем геоматрицы сформировался мелкоячеистый ярус конвекции, обогащенный летучими элементами и образовавший структурно-вещественные неоднородности литосферы. Под ней собирались выплавки мантии в виде маловязкой астеносферы, заполняющей неровности ее основания.

Неровно вращающаяся и пульсирующая Протоземля расслаивалась. В результате оседания легкоплавких тяжелых элементов выделилось сульфидное железоникелевое ядро с расплавленной оболочкой, насыщенной атомарным водородом. Из остаточной силикатной (железомагнезиальной) мантии в результате конвекции выделилась алюмосиликатная кора, а в результате дегазации сложились атмосфера и гидросфера.

Расслоение сопровождалось уплотнением и сжатием Земли, чему содействовало ее остывание. С этим согласуется установление NASA в 2014 году эволюционного сжатия Меркурия на 10–14 км вследствие остывания. В процессе сжатия и расслоения Земля отдавала в космическое пространство часть газов, причем потери за счет рассеяния водорода, гелия, аргона и других летучих элементов соизмеримы с массой земной коры. Поступление космической пыли незначительное (в настоящем порядка 40 тыс. тонн в год), что за всю историю Земли могло сложить слой толщиной 0,2–0,4 м, как на Луне.

Сжимающаяся Земля испытывала ускорение вращения, но оно перекрывалось замедлением из-за лунных приливов. Приливы ослабевали по мере эволюционного удаления орбиты Луны, но ослабевало и сжатие Земли по мере дифференциации по плотности первичного вещества. К тому же приливные силы наполовину тратятся на перемешивание атмосферы, океана и тектономагматическую деятельность, что следует из теоретического и регистрируемого замедления вращения (3,5 и 2 мс за столетие).

Замедление вращения Земли можно заметить по суточным слоям роста кораллов, число которых сократилось с девона (за 370 млн лет) в среднем с 390 до 360 в году. Этим подразумевается удлинение земных суток, то есть растягивание суточного лунно-солнечного георитма и биоритма. Однако удлинение суток несколько меньшее, так как одновременно идет спиральное разбегание планет от Солнца (аналогично удалению Луны от Земли), в связи с чем земная орбита постепенно расширяется и год удлиняется.

Замедление вращения наряду с дегазацией и очевидным горно-складчатым сжатием земной коры подразумевают эволюционное сокращение радиуса Земли с уменьшением ее объема на 3–5 %. О петрохимической реальности сжатия Земли свидетельствует сжатие оливина на 10–15 % при переходе в шпинель, а эти минералы относятся к основным для мантии. Контур Протоземли должен был оставить динамический след в атмосфере, и он опознается в слое тропосферы и озоновом слое на высоте 20–25 км.

Наряду с расслоением Земля обретала глубинную неоднородность, которая и дает объяснение антиподальному расположению континентов и океанов. Их противостояние было замечено уже на первых глобальных картах эпохи Великих географических открытий, и с этого картографического открытия началось выявление географических и геологических гомологий, по сути описывающих структурную симметрию литосферы.

В Северном полушарии главенствуют континенты, а в Южном полушарии – океаны, причем те и другие имеют треугольные и ромбовидные очертания. Континенты окружают океаническое полярное темя Северного полушария и тремя клиньями проходят в океаническое Южное полушарие. В свою очередь, три океана окружают материковое полярное темя Южного полушария и тремя клиньями проходят в континентальное Северное полушарие. Территория материков на 82 % антиподальна акватории океанов.

Глобальным структурам континентов и дна океанов тоже присуща антиподальность, проявившаяся в результате выделения осевых линий крупнейших горных систем (рис. 26). Обозначились два глобальных пояса окраинно-континентальных и срединно-океанских хребтов, которые выделяются высочайшей сейсмической и вулканической активностью и предстают в значении трансконтинентального и трансокеанского геотектонических поясов. Континентальный и океанский горные пояса антиподальны только в самых общих чертах, притом затушеванных примыкающими горными хребтами и возвышенностями, но лучшего порядка в разнородной земной коре трудно ожидать.

Рис. 26. Расположение геотектонических поясов

Толстые линии – осевые линии хребтов трансконтинентального пояса; точечные линии – осевые линии хребтов трансокеанского пояса.

Антиподальность континентов и океанов и их каркасных структур имеет единую подоплеку, хотя и содержащую несколько взаимосвязанных факторов. Примечательны обратные по характеру ротационные напряжения на противоположных сторонах Земли (табл. 2 в главе 1), что должно сказываться в симметрии расположения геотектонических структур, а она предопределяет географическую гомологию. Антиподальность обратных по типу разломов сама по себе немногое проясняет, но подводит ко второму фактору, который состоит в элементах геометрической правильности глобального рельефа, подразумевающих кристаллоподобную структуру Земли. Ребра идеально округленного земного кристалла проступают в виде материковых и океанских горных хребтов.

В геометрии рельефа Земли усматриваются все простые формы высшей кубической сингонии: гексаэдр, или куб (шестигранник), октаэдр (восьмигранник), ромбододекаэдр (двенадцатигранник) и тетраэдр (четырехгранник). Гексаэдр, октаэдр и ромбододекаэдр воплощаются в порой идеальных кристаллах пирита, алмаза и граната, а из спиралей тетраэдров SiO₂ сложен кварц, правый или левый по закрутке спиралей. Эти минералы образованы самыми распространенными химическими элементами. Земле по структуре ближе алмаз, который известен в виде куба, октаэдра и ромбоэдра, но встречается в виде комбинированного кубооктаэдра или додекаэдроида с выпуклыми гранями.

Кристаллографические черты Земля, должно быть, приобрела при петрохимическом расслоении примитивного исходного вещества, что сопровождалось образованием всё более сложных минералов ядра (в основном сульфиды железа), мантии (пироксены, оливины и гранаты) и коры (в основном алюмосиликаты). Шло усложнение Земли с понижением категории симметрии от высшей к средней и низшей, которые описываются шаром, двухосным и трехосным эллипсоидами симметрии соответственно. Сферическая Протоземля последовательно преобразовывалась в асимметричный трехосный геоид.

Структурные преобразования вещества направлялись принципом оптимальной (синергетической) организации, предусматривающим кратчайшие и менее энергоемкие связи. Они определяют симметрию пространственных решеток и габитус минералов, а в конечном счете, симметрию подобия подсистем природы. Кристаллографические связи усложнялись при образовании основных породообразующих минералов. Физическое поле минерала, представляющее молекулярно-энергетическую структуру, резонансно усиливалось глобальной массой однородного вещества и претворялось в структуре динамического поля Земли, в итоге приобретшей черты высшей кубической сингонии.

Одна из тройных осей симметрии планетарного октаэдра отмечена осью вращения Земли, причем в каждой паре противолежащих треугольных граней одна наложена на материк, а другая – на океан. Октаэдр как бы вложен в гексаэдр, его три четверные оси симметрии отмечены осью вращения Земли, большой и малой экваториальными осями.

Эти же оси предстают в значении осей поворотов квазиполушарных округлых морфоструктур, попарно антиподальных: арктической и антарктической, тихоокеанской и африканской, индоокеанской и североамериканской. В них вписаны ромбовидные морфоструктуры. Грани октаэдра и гексаэдра осложнены ромбовидными гранями ромбододекаэдра, в которые тоже вписаны округлые морфоструктуры. Все оси симметрии глобальных геоструктур являются осями поворотов и антиподальности.

Угловые параметры кубической сингонии – 0°, 19°, 35°, 48°, 62° и 90° – опознаны в 60-х годах XX века И. И. Шафрановским в расположении критических широт. Они были установлены на рубеже века по расположению горных цепей и контурам материков, и такие же широтные зоны деформаций открыты в 60-е годы на Марсе и Венере. Тогда же М. В. Стовас объяснил феномен критических широт вариациями скорости вращения и полярного сжатия Земли. При ускорении вращения наибольшее растяжение приходится в обоих полушариях на зоны широт 0° (главный пик) и 62°, а спад растяжения до ноля относится к зонам 35° и 90°. Самые критические зоны 35°, где при ускорении вращения высокоширотное сжатие сменяется низкоширотным растяжением, а при замедлении наоборот. В океанах эти широты известны как «ревущие сороковые».

Наряду с критическими широтами были установлены критические долготы в виде тектонически активных зон 60° в. д. – 120° з. д. и 150° в. д. – 30° з. д., которые отмечают боковое сжатие (трехосность) земного шара. Тектоническая зона 105° в. д. – 75° з. д. является промежуточным меридианом. Зоны 75° з. д. в Южном полушарии и 60° в. д. в Северном полушарии представлены хребтами Анд и Урала, а они составляют меридиональные ответвления трансконтинентального геотектонического пояса.

Грандиозный горный пояс фестончато опоясывает Землю и тем самым обрисовывает критические диагональные направления, которые предопределили ее глобальную треугольно-ромбовидную «огранку». Очевидная древность глобальных геотектонических структур на критических широтных, долготных и диагональных направлениях Земли свидетельствует о неизменном положении осей и плоскостей ее симметрии.

Кристаллоподобная модель Земли восходит к космогонической геометрии Пифагора и Платона: они уподобили четыре стихии – огонь, воздух, воду и землю – тетраэдру, октаэдру, икосаэдру и гексаэдру, а Вселенную – пентагон-додекаэдру. С конца XIX века открываются и элементы симметрии Земли: Э. де Бомон заметил черты икосаэдра (20-гранника), Л. Грин, А. Лаппаран и Ш. Лаллеман – кубического тетраэдра, Дж. Грегори, И. И. Шафрановский – двуцветного октаэдра, А. А. Шульга – гексаэдра, Фай – додекаэдра, а Н. Ф. Гончаров, В. А. Макаров и В. С. Морозов – икосаэдра и пентагон-додекаэдра (12-гранника) (рис. 27). В. И. Васильев усмотрел элементы октаэдрического 48-гранника с вписанным додекаэдром (нижняя мантия) и тетраэдром (земное ядро).

Рис. 27. Икосаэдро-додекаэдрическая структура Земли (по Н. Ф. Гончарову и др., 1981)

Каждая из моделей отражает элементы реальности, которые вкупе обрисовывают сложную форму, содержащую пентагон-додекаэдр и икосаэдр с пятерными осями симметрии, весьма редкими в кристаллах. Между тем пятерные оси присущи живой природе и характерны для вирусов, сочетающих свойства и косного, и живого вещества и в большинстве имеющих форму тетраэдров, додекаэдров и икосаэдров. Пятиугольники также присутствуют в фуллеренах (соединяя их шестиугольные грани), а эти полые и усеченные икосаэдрические молекулы углерода составляют третью (после алмаза и графита) форму углерода и поразительны сходны с ажурными скелетами радиолярий. Но об органоидных чертах Земли речь пойдет в главе, посвященной жизни.

Кристаллографические элементы усматриваются не только у Земли. Вокруг северного полюса в атмосфере Сатурна в 1980 году открыт и неизменно сохраняется шестиугольный вихревой поток поперечником 30 тыс. км, движущийся со скоростью 322 км в час (рис. 28). В его эпицентре вращается массивная буря. Вращающимся вихрем отмечен и южный полюс. Приполюсная облачность, должно быть, проявляет структуру каменного ядра и динамического поля Сатурна, имеющего осевую симметрию.

Рис. 28. Гигантский гексагон на северном полюсе Сатурна (NASA)

Сложная кристаллографическая симметрия Земли не противоречит симметрии сферы, содержащей в потенции элементы высшей кубической сингонии. Еще Лаппаран заметил, что фигура Земли при деформациях стремится от наименьшей поверхности к наибольшей, то есть от шара к тетраэдру. Его оси и плоскости симметрии и опознаются в осях и плоскостях эллипсоида деформации вращающейся Земли. Лучше выражена связанная с осью вращения экваториальная плоскость симметрии – относительно ее горные хребты трансконтинентального и трансокеанского геотектонических поясов зеркально симметричны. Также симметричны эти пояса относительно меридиональных плоскостей симметрии, связанных с большой и малой экваториальными осями Земли.

Все три оси Земли суть оси антиподальности, которая означает гидростатическое уравновешивание диаметрально противоположных неоднородностей литосферы – уплотненных океанических и разуплотненных континентальных. Из связности развития антиподальных геоструктур следует согласованность формирования континентов и океанов, в том числе антиподальных горных поясов и разделяемых ими платформ. Это удостоверяется синхронностью тектонических событий на континентах и в океанах и единой цикличностью осадконакопления. Судя по горным поясам континентов, антиподальные им срединно-океанские хребты были заложены на рубеже фанерозоя.