Текст книги "Биосфероведение"

Глава 9. О строении Земли и динамике её коры

О ядре, мантии, астеносфере и литосфере 3eмли. О тектонике литосферных плит. Различные модели 3емли. Действие биосферы на формирование и динамику материков.

В предыдущей главе мы увидели, что биосфера Земли теснейшим образом связана с её магнитосферой. Столь же фундаментальна связь биосферы с самим телом Земли. Поэтому здесь мы обращаем свои взгляды на Землю, на её строение.

Как это получается, что наше космическое тело, наша космическая плоть – Земля, – единственная планета в Солнечной системе, которую мы можем потрогать руками, на которой нам выпало жить вместе со всей тварью земной? Как получается, что Земля уже миллиарды лет (почти столько же, сколько она существует сама) несёт на себе всё более усложняющуюся жизнь, имеет биосферу, а другие планеты этого не имеют? Значит, Земля имеет какие-то особенности, дающие ей возможность приютить у себя жизнь, быть ей домом.

На Матушке-Земле всё так чудно устроено и взаимозависимо, что «диву даёшься». Биосфера неразрывно связана с магнитным полем Земли, которое имеет связь с её ядром. Атмосфера необходима всему живому и является неотъемлемой составной частью биосферы. В то же время атмосфера связана с глубинными, химическими (и не только) процессами, происходящими в недрах Земли, с её массой и гравитационным полем. Гидросфера тоже порождена глубинами Земли, как и дно океанов, и твердь материков.

Чтобы уметь читать по лицу Земли, распознать тайны живого и биосферы надо проникнуть в недра Земли, в самые глубокие её слои, узнать их строение и понять, что и как там происходит. Проникнуть туда человечество пока ещё не способно (самая глубокая исследовательская скважина, пробуренная в России на Кольском полуострове, составляет чуть более 12 км). И всё же учёные умудряются изучать глубины Земли – и имеют представление о её внутреннем устройстве. Для этого они используют косвенные методы исследования: сейсмографию, гравитометрию, палеомагнитную съёмку, изучение древнейших пород, наблюдения из космоса и другие. Для этого работают геофизики, палеонтологи, вулканологи, сейсмологи, планетологи и другие учёные. Ими установлено, что внутри Земля многослойна.

Начнём знакомство внутреннего строения Земли с самого загадочного – с её центра. O нём почти ничего не известно, кроме того, что вещество там находится в твёрдом (вероятно, в особом кристаллическом) состоянии и состоит, скорее всего, из металлов. Высокая температура (там около 5000 °C) и громадное давление в 3 000 000 атм (3000 т на 1 см²) не позволяют металлу перейти в жидкое состояние. Здесь самая высокая скорость распространения сейсмических волн – 6000 км/сек. Эта часть Земли называется внутренним ядром.

Вокруг внутреннего ядра расположено внешнее ядро. Сейсмические волны, проходя границу между внутренним и внешним ядром, резко уменьшают свою скорость до 4000 км/сек. Внешнее ядро «толще» внутреннего. Верхняя его граница проходит на глубине около 3000 км от поверхности Земли. Она находится приблизительно на середине земного радиуса. Массивное и плотное, в сравнении с вышележащими породами, оно состоит главным образом из железа и никеля. Есть данные, что в нём много серы и кремния. Внешнее ядро жидкое: металлы в нём расплавлены, а кремний находится в металлизированном состоянии. Под большим давлением породы электронные оболочки у атомов кремния смещены и электроны движутся свободно, как в металлах. Благодаря массе свободных электронов в слоях внешнего ядра циркулируют мощные вихревые электротоки, которые и генерируют магнитное поле Земли. Есть и другая модель внешнего ядра, по которой оно состоит лишь из железа и никеля. Магнитное поле в ней образуется сходным образом.

Выше внешнего ядра наблюдается ещё один скачок скорости сейсмических волн – до 2000 км/сек. Здесь расположена мантия. Она представляет собой слой такой толщины, как и оба слоя ядра (внешнее и внутреннее) вместе. Но вещество её гораздо легче вещества ядра и плотность заметно ниже. В породах этого вещества, называемом перидотит, преобладают соединения неметаллических элементов и лёгких металлов: кремниевые, магниевые, алюминиевые окислы и другие соединения. В мантии различают тоже два слоя примерно равной толщины: нижнюю мантию (начинается на глубине около 1000 км) и верхнюю, которая находится почти сразу же под земной корой. Вещество обеих мантий пребывает в твёрдом состоянии, но отличается плотностью: в нижней мантии оно плотнее, так как содержит больше тяжёлых элементов. Между мантией и ядром идёт обмен веществом и теплом. Вещество мантии, подплавляясь, поступает в ядро: тяжёлые элементы вовлекаются в вещество ядра, а лёгкие «всплывают» и по «протокам» в нижней мантии поднимаются к верхней.

Наконец, самая верхняя и самая тонкая оболочка Земли называется корой. От верхней мантии кору отделяет поверхность Мохоровичича, открытая в 1909 году югославским геологом Мохоровичичем, заметившим на глубине 100 км скачок в скорости распространения сейсмических волн от 7 км/сек до 8 км/сек (речь идёт о продольных волнах). Кору вместе с поверхностью Мохоровичича ещё называют литосферой. Кроме твёрдой прослойки Мохоровичича кору от мантии отделяет ещё полурасплавленный «пастообразный» слой астеносферы, толщиной около 200 км, который залегает на глубине 90-120 км (это его верхняя граница) и, как слой смазки, «смягчает» соприкосновение коры с твёрдой верхней мантией. С астеносферой связаны магматические и другие динамические процессы в земной коре.

Земная кора, очень неоднородная по своему строению и составу, резко отличается в своей материковой части от океанической. На материке кора примерно в 10 раз толще, чем в океане: средняя её толщина на материке – 50 км (30–70 км), в океане – 6 км (5–8 км). На материке кора состоит, как двухслойный пирог, из лёгких пород (гранитов) – в верхнем слое, и более тяжёлых пород (базальтов) – в нижнем слое. В океане тоненькая земная корочка целиком состоит из базальта.

Но на этом отличие материковой коры от океанической не заканчивается. В то время, как материковая кора в верхней своей части слагается из множества слоёв разнородных осадочных пород, по которым, как по книге можно прочитывать прошлое Земли и биосферы, океаническая кора по своей структуре и составу однородна. Материковую кору можно назвать летописью биосферы. Вернадский назвал её «былыми биосферами». Именно по этим слоям осадочных пород на материках палеонтологи узнают, как одна страница биосферы сменялась другой, как шла эволюция жизни на Земле, какие организмы населяли Землю миллионы лет назад. Именно исследования слоёв земной коры на материках позволили составить геохронологическую шкалу, восстановить геологическое прошлое Земли. Наука, изучающая закономерности и строение этих слоёв, называется стратиграфией.

Как мы уже говорили, в базальтовой толще океанической коры таких слоёв нет. Здесь свои закономерности. Тонкая плёнка океанической коры – это как бы зона растяжения земной коры. Все океаны имеют срединную линию разлома коры, называемую «рифтом». Рифт представляет собой донный срединный хребет, проходящий через весь океан. Порой высота его доходит до 3-х километров, на вершине имеется желоб, протянувшийся по всей длине хребта. В желобе образовались трещины, через которые из недр земли выходят магматические массы, раздвигающие его края в стороны со скоростью 2–8 сантиметров в год. Этот процесс, называемый «спредингом» (растяжением), неуклонно идёт уже многие миллионы лет. Благодаря ему дно океана растягивается и становится всё больше и больше. Так растут океаны.

Всё дно океанов состоит из полос таких «растяжек». Палеомагнитные исследования «растяжек» позволили выявить динамику формирования океанического дна. Эти и другие исследования привели учёных к представлению, что в карбоне был лишь один материк Пангея, который в триасе раскололся на северную Лавразию и южную Гондвану. Дальнейшие разломы земной коры привели к формированию современных материков.

Данные палеомагнетизма, палеонтологии и другие позволили построить концепцию тектоники литосферных плит. Эта концепция «дрейфующих материков» утверждает, что вся земная кора состоит из литосферных плит. Семь крупнейших из них (Евразийская, Африканская, Австралийская, Северо-Американская, Южно-Американская, Антарктическая, Тихоокеанская) несут на себе «надстройки» – материки. Африканская плита несёт Африканский материк, Евразийская – Евразию и т. д. Лишь Тихоокеанская – без материка.

Согласно этой концепции, литосферные плиты благодаря конвективным движениям подкорковой магмы («конвективного конвейера») находятся в постоянной мобильности: либо раздвигаются, либо сдвигаются – сталкиваются, наползают друг на друга, подминают друг друга. В результате этих движений плит и возникают океаны и материки, и рельеф на них. Когда плиты, наползая друг на друга, вздымаются – образуются горы (так возникли Гималаи, Альпы), а когда подминают друг друга – образуются глубочайшие океанические впадины, типа Марианской, и рядом – островные дуги, как результат «соскабливания» верхних слоёв материков в процессе погружения края одного из «столкнувшихся» материков в недра верхней мантии (до 700 км вглубь).

Эта модель «литосферной тектоники плит», создавая стройную картину возникновения материков и океанов, всё же не может объяснить некоторые явления. Главным образом это касается движения материков. Дело в том, что материки имеют интересную особенность: чем «толще» сверху материк, чем выше на нём горы, тем – симметрично – мощнее они снизу. Под горами расположены подземные «перевёрнутые» горы, громаднее наземных в 5–9 раз. Более того, материки имеют как-бы привязку к определённым точкам Земли. Получается, что они раздвигаются, разворачиваются, но не «плавают». И вот появилась новая модель динамики земной коры – модель расширяющейся планеты. Земля, по этой модели, как бы потихоньку раздувается – в результате материки раздвигаются, а океаны расширяются.

Но и эта модель тоже имеет серьёзные недостатки. Появилась ещё одна гипотеза модульного строения Земли. Она предполагает, что Земля образована из громадных протопланетных глыб вещества или из соединения нескольких меньших доземных протопланет в одну планету. Слившись воедино, они и поныне частично сохранили свою структуру и самостоятельность.

Известный астроном С.К. Всехсвятский «достраивает» эту гипотезу. Он считает, что возле Солнца было ещё одно звёздное тело, из осколков которого после его взрыва и были «построены» планеты солнечной системы. «Планеты, содержащие столь большие запасы внутренней энергии, не могли начать своё развитие со стадии холодных тел, сконденсировавшихся из газопылевой среды». (С.К. Всехсвятский)

Все эти концепции продолжают спорить между собой, но их существование не напрасно: факты, добытые благодаря им, обогатили нас знанием о мобильности земной коры, которая движется и эволюционирует как системное целое.

* * *

В процессе формирования земной коры наряду с другими геологическими факторами «заинтересовано» участвовала и биосфера. И много потрудилась, чтобы земная кора (прежде всего на суше) стала такой, какая она есть: сложной, разнообразной, многослойной, не имеющей аналогов на других планетах.

В свою очередь процессы динамики земной коры определённым образом действовали и на биосферу. Живые организмы осваивали вновь возникающие океаны и материки. Появлялись новые виды различных организмов и новые экологические системы. Происходили биосферные катастрофы с массовой гибелью живого. Одна биосфера сменяла другую. В целом росло разнообразие живого мира и увеличивалась его жизнестойкость и надёжность.

Но с своей стороны и живое вещество биосферы действовало на земную кору, на литосферу. Больше всего это проявилось в формировании материков. Прежде мы в основном говорили о горизонтальных перемещениях литосферных плит и материков. Но существуют и вертикальные подвижки материков – так называемое постоянное «всплывание» материков.

Дело в том, что под действием разных факторов на суше постоянно идёт процесс выветривания (разрушения) материковых пород. Разрушенная порода сносится водой и воздухом в море, на кромку шельфа (подводную часть материка). Край материка (шельф) утяжеляется и в силу этого погружается и подгибается к основанию материка. А срединная часть материка, «облегчённая» процессом выветривания и выталкиваемая наверх более плотными нижними слоями, постоянно «всплывает». Если бы этого «всплывания» не было, материки, сглаженные выветриванием, были бы затоплены и поглощены океаном.

А при чём здесь живое вещество? Дело в том, что оно принимает самое активное участие как в выветривании (биовыветривании), так и в процессе осадконакопления на шельфе.

Связано это с тем, что шельфовое сгущение жизни поглощает стоки вещества с суши, не позволяет ему рассеиваться и способствует его отложению на шельфе. Материки в верхней своей части «насквозь» переработаны живым веществом, и земная кора на материках растёт за счёт биогенных осадочных пород, образованных живым веществом.

В жизни постоянно идёт сложный процесс взаимодействия литосферы и биосферы: литосфера действует на биосферу – биосфера действует на литосферу. О более сложных и грандиозных следствиях этого взаимодействия расскажем в следующей главе.

Глава 10. Галактические ритмы биосферы

Связи биосферы с дальним космосом. Загадочные «великие вымирания» и «волны жизни». Планетарные циклы. «Вмешательство» биогенной энергии в тектонику планеты, дирижируемой Галактикой. Соритмичность Земли Вселенной.

Из предыдущих глав вам уже известно, что на развитие и существование биосферы оказывают воздействие не только земные, а и космические факторы: солнечные и лунные циклы, межпланетное магнитное поле и другие. В этом же ряду не менее закономерно и важно действие галактических факторов, хотя оно гораздо менее изучено.

Наша Галактика – гигантская космическая система, состоящая из миллиардов звёзд. Есть у неё ядро и периферическая часть. Подобно солнечной системе она вращается вокруг своего центра. Имеет свой ритм жизни, своё магнитное поле, которое формирует потоки галактических космических лучей.

Галактические процессы по-разному действуют на земной мир. Так, например, изменение магнитного поля Земли с периодом 8 900 лет совпадает с всплеском излучений галактического происхождения. Резкие повороты в развитии биосферы совпадают с ритмом вспышек сверхновых звёзд в глубинах Галактики. Другие ритмические проявления Галактики тоже отображаются в жизни Земли.

Почему 65 миллионов лет назад вымерли динозавры? Этот, казалось бы, праздный вопрос, ведёт к серьёзным исследованиям. Палеонтологи давно заметили, что не менее загадочно и неожиданно исчезли множества других животных, да и растений тоже. Исчезали тысячами видов в самые разные геологические эпохи. Исчезали в расцвете сил, без видимой казалось на то причины.

Учёных обступили загадки. Почему в конце карбона исчезли панцирные рыбы? Исчезли все виды, хотя и были они вне конкуренции. Почему в конце триаса, 230 миллионов лет назад, погибли древние амфибии – стегоцефалы и тероморфы? Куда подевались в конце мела гигантские древние рептилии? Куда исчезли в среднем девоне псилофитовые леса? А за ними так же «беспричинно» исчезли хвощовые, а затем и папоротниковые леса. Палеонтологи назвали эти вымирания, свершающиеся в кратчайшие сроки, – «великими вымираниями».

Некоторую подсказку для решения этой загадки даёт следующий факт. Учёными установлено, что 85 миллионов лет назад, когда произошёл один из крупнейших кризисов биоты и последовало одно из «великих вымираний», то буквально накануне начались инверсии магнитного поля Земли, частота которых достигла максимума к началу биотического кризиса. Инверсии повлекли за собой жёсткое облучение поверхности Земли.

Однако этот пример не даёт ясности биосферных циклов и их связи с галактическими ритмами. Современные же данные позволяют представить картину гигантских ритмов биосферы в единстве с общепланетарными геологическими процессами.

В далёкие от нас геологические эпохи жизнь на Земле расцветала с фантастической силой. Многим формам казалось ничто не предвещало конца: не было у них ни соперников, которые могли бы вытеснить их, ни врагов, которые угрожали бы их существованию. Но пробил час – и они в один момент исчезли со сцены, отыграв свой грандиозный спектакль жизни. Творец взглянул и задёрнул занавес. Время идёт, а сцена пуста. Будто на ней и не играла во всей своей красе и силе жизнь. И только в осадочных породах сохранились следы её былого пиршества.

Но вот творческое горнило пробудилось и заработало с новой силой! После периода опустошения сцена заполняется новыми, более совершенными формами жизни. Им никто не мешает размножаться, расселяться, создавать свои экологические связи, свою почву, свои ландшафты, свой климат – свой новый мир, непохожий на прежний. Этот мир тоже достигает расцвета, не помышляя ни о деградации, ни о вымирании. Но тайный механизм действует, «орбита» поворачивается – и весь этот живой мир со всеми его особенностями и неповторимостью покидает сцену, как и прежний, словно по мановению жезла. И сцена вновь пуста, ждёт новых форм, новую «пьесу».

И так повторяется в жизни биосферы каждые 90 млн. лет. Конечно, не следует эту картину воспринимать буквально: жизнь вымирает не вся, а лишь какие-то группы организмов, нарушая этим экологическое равновесие, существовавшее в биосфере. Палеонтологи Б.Л. Личков и Д.Н. Соболев назвали эти всплески бурного творчества, когда взрывообразно увеличивающееся разнообразие жизни сменяется «великими вымираниями», – «волнами жизни» и определили в фанерозое шесть таких волн. Кроме того, на биостратиграфической шкале фанерозоя ими были отмечены периоды в 214±20 миллионов лет.

В более отдалённые геологические эпохи проследить эти волны жизни оказалось очень сложно. Этому препятствуют и сами формы жизни, которые «не стремились» оставлять следы, и собственные закономерности биосферы. Известны гигантские биосферные мегациклы продолжительностью 0,450 миллиарда лет. В конце такого цикла всякие следы живой материи превращаются в магму, в гранит, в тектоническую энергию. Следы жизни миллиардной и большей давности обнаружить также сложно, как сгоревшее топливо ракеты.

Тем не менее, наличие периодических кризисных явлений в биоте и в биосфере на протяжении доступной исследованию истории Земли «можно считать твёрдо установленным фактом». Такой вывод сделали авторы монографии «Современная палеонтология», вышедшей в 1988 года под руководством С.В. Мейена.

Помимо ритмов живой природы с той же ритмичностью (с периодами 90 и 180–200 миллионов лет) совершаются и геологические процессы. Геологам хорошо известна цикличность тектонической и магматической (вулканической) активности, скорости расширения океанического дна, изменений уровня Океана, отложения осадочных пород, климатических изменений, инверсий магнитного поля. В свою очередь астрофизик В.Б. Ляцкий выделил в истории Земли циклы продолжительностью около 200 миллионов лет.

Учёными замечены и более крупные циклы – мегациклы в 600 миллионов лет[6]6
  «Л.Н. Салоп предположил, что циклы в 600 млн. лет определяются ритмами катастрофических вспышек сверхновых звёзд, когда, дозы облучения превышают 25000 рентген. В результате происходят резкие повороты в развитии биосферы, отмирают семейства и классы живых организмов… Внутри мегациклов выделяются циклы в 300, 200±20 и 50 млн. лет». И.В. Давиденко. «Земля – твой дом». М. 1982.


[Закрыть]. В один из этих циклов «укладывается» фанерозой, который длился именно около 600 млн. лет. Ещё три таких мегацикла отмечают в протерозое и три в архее.

На Земле все эти геологические и геофизические циклические явления действуют не разрозненно, а как единый механизм. Мощные тектонические процессы просто взламывают в разных районах земную кору. На равнинах появляются горы. Старые материки погружаются в воду: уровень Океана поднимается иной раз на 300 метров и суша в большей своей части затопляется. Эти наступления Океана на сушу, сопровождающиеся горообразованием, называются трансгрессией.

Затем Земля успокаивается: горообразование прекращается, воды Океана отступают, а на суше остаётся ещё множество озёр и морей. Формируется влажный и прохладный климат, который сменяется умеренным. Сушу буйно заполняют растения. А за ними на материках появляется масса новых животных. Далее рельеф сглаживается, климат становится засушливым. Высыхают растения, а за ними погибают и животные. Этот период стабилизации геологических процессов и засухи при минимальном уровне Океана называется регрессией. Такова типичная картина геологических явлений в 90 и 180–300 миллионолетних циклах.

Два ряда описанных циклических событий – биологический и геологический – не существуют независимо друг от друга. Они взаимосвязаны. Крупнейший палеонтолог нашего времени С.В. Мейен писал: «В последнее время выясняется, что степень синхронности биотических и геологических событий, происходящих в разных частях планеты, может быть очень высокой. Однако в большинстве случаев речь идёт не о глобальных катастрофах, а скорее о глобальном резонансе каких-то событий, произошедших в одном месте планеты».