Внутреннее строение и история геологического развития Земли

Радиус Земли 6,3 тыс. км. Масса 6²¹т. Плотность 5,5 г/см³. Скорость вращения вокруг Солнца 30 км/с.

Земля состоит из литосферы (земной коры), протяженностью 10–80 км, мантии и ядра. В атмосфере Земли преобладают азот и кислород.

Атмосфера разделяется:

–       на тропосферу (до 9–17км) – “фабрику погоды”;

–       стратосферу (до 55 км) – “кладовую погоды”;

–       ионосферу, которая состоит из заряженных под воздействием излучений Солнца частиц;

–       зону рассеивания, располагающуюся на высоте 800–1000 км.

Пояса радиации из частиц высоких энергий выше атмосферы предохраняют Землю от жестких космических лучей, губительных для всего живого.

В XIXв. в геологии сформировались2 концепции развития Земли:

       посредством скачков – “теория катастроф” Ж. Кювье;

       посредством небольших, но постоянных изменений в одном и том же направлении на протяжении миллионов лет, которые, суммируясь, приводили к огромным результатам – “принцип униформизма” Ч. Лайелля.

В 1915 г. немецкий геофизик А. Вегенер предположил, исходя из очертаний континентов, что в геологический период существовал единый массив суши, названный им Пангеей. Пангея раскололась на Лавразию и Гондвану. Африка отделилась от Южной Америки 135 млн лет назад, а 85 млн лет назад Северная Америка – от Европы; 40 млн лет назад Индийский материк столкнулся с Азией и появились Тибет и Гималаи.

Решающим аргументом в пользу принятия данной концепции стало эмпирическое обнаружение в конце 50-х гг. расширения дна океанов, что послужило отправной точкой создания тектоники литосферных плит. В настоящее время считается, что континенты расходятся под влиянием глубинных конвективных течений, направленных вверх и в стороны и тянущих за собой плиты, на которых плавают континенты. Эту теорию подтверждают и биологические данные о распространении животных на нашей планете. Теория дрейфа континентов, основанная на тектонике литосферных плит, ныне общепринята в геологии.

Также в пользу этой теории говорит то, что береговая линия восточной части Южной Америки поразительно совпадает с береговой линией западной части Африки, а береговая линия восточной части Северной Америки – с береговой линией западной части Европы.

Время существования Землиделится надва периода– ранняя история и геологическая история.

I. Ранняя история Земли разделяется на три фазы эволюции: фазу рождения, фазу расплавления внешней сферы и фазу первичной коры (лунную фазу).

Фаза рожденияпродолжалась 100 млн лет. При этом на растущую Землю падало большое количество крупных тел. Вместе с крупными телами на Землю падали и самые крупные объекты – планетезимали, зародыши “неудавшихся” планет. Их поперечники измерялись километрами и даже десятками километров. В фазу рождения Земля приобрела приблизительно 95 % современной массы.

Фаза расплавлениясуществовала 4,6–4,2 млрд лет назад (длительность 0,4 млрд лет). Во время аккреции Земля долго оставалась холодным космическим телом, и только в конце этой фазы, когда началась предельно интенсивная бомбардировка ее крупными объектами, произошло сильное разогревание, а затем полное расплавление вещества сначала внешней зоны планеты, потом и внутренней области.

Наступила продолжительная фаза гравитационной дифференциации вещества: тяжелые химические элементы и их соединения опускались вниз, легкие поднимались вверх. Поэтому постепенно в процессе дифференциации вещества в центре Земли сосредотачивались тяжелые химические элементы (железо, никель и др.), из которых образовалось ядро, а из более легких соединений возникла мантия Земли. Кремний и другие химические элементы стали основой формирования континентов, а самые легкие химические соединения образовали океаны и атмосферу Земли. В земной атмосфере первоначально было много водорода, гелия и таких водородосодержащих соединений, как метан, аммиак, водяной пар. Со временем водород и гелий улетучились.

Лунная фазапродолжалась 400 млн лет (от 4,2 до 3,8 млрд лет назад). При этом остывание расплавленного вещества внешней сферы Земли привело к образованию тонкой первичной коры базальтового состава. В это же время происходило формирование гранитного слоя материковой коры. Континенты сложены в основном гранитами и гнейсами, то есть горными породами, содержащими 65–70 % кремнезема (Si0₂) и значительное количество щелочей (калия и натрия). Между тем ложе океанов выстилается базальтами – породами, содержащими 45–50 %SiO₂и богатыми магнием и железом. Таким образом, континенты оказываются построенными менее плотным, более легким материалом, чем дно океанов. К тому же кора континентов намного толще (в среднем 35–40 км), чем кора океанов (5–7 км). Благодаря этому континенты минимум на 5–6 км возвышаются над ложем океанов. На некоторой глубине, где в верхней мантии находится пластичный слой (так называемая астеносфера), легкие, но толстые континентальные глыбы и тяжелые, но тонкие океанские плиты должны уравновешивать друг друга (закон равновесия, или закон изо-стазии).

Поэтому главным фактором формирования рельефа земной поверхности является взаимодействие движущихся в горизонтальном направлении литосферных плит. В зонах разлома плит, проходящих в океанах, происходит образование срединно-океанских хребтов.

Из-за широкого распространения метеорных кратеров фаза существования ранней коры называется лунной фазой. В лунную фазу существования Земля постепенно охлаждалась от температуры плавления базальтов (1000–800°С) до 100°С. С преодолением температурногорубежа +100°С связано все последующее преобразование природной среды и эволюцияземной коры.

II. Геологическая история – это принципиально новый период развития Земли как планеты в целом, так и ее коры и природной среды. После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100°С на ней образовалась огромная масса жидкой воды, которая представляла собой не простое скопление неподвижных вод, а находящихся в активном глобальном круговороте. В структурном отношении круговорот распадался на звенья: атмосферное (испарение, перенос влаги, осадки), литосферное (поверхностные и подземные стоки), океаническое. В процессе круговорота происходит поглощение солнечной энергии и распределение ее по земной поверхности.

Глобальная эволюция Земли происходила под влиянием космического, эндогенного и экзогенного факторов. К эндогенной энергииотносится гравитационная энергия. Земля обладает наибольшей массой из планет земной группы и поэтому имеет наибольшую внутреннюю энергию – радиогенную, гравитационную и др.

В экзогенном факторенеобычайную активность проявила вода, находившаяся раньше в виде пара в атмосфере. Земля стала тем космическим телом, которое оказалось неблагоприятным для длительного сохранения ударных кратеров вследствие высокой активности действующих на ней экзогенных процессов разрушения.

За счет парникового эффекта температура поверхности повышается на 38 градусов; вместо 250 К (–23°С) стало 288 К (+15°С). Если бы этого не произошло, то в природной среде жидкой воды было бы не 95 % от общего количества в гидросфере, а во много раз меньше. Мощность потока солнечной радиации у верхней границы земной атмосферы (солнечная постоянная) составляет 1,9  кал/см²в мин, что в годовом исчислении выражается в 1000 ккал/см²в год. В связи же с шарообразностью Земли, а следовательно, с учетом неосвещенной Солнцем стороны планеты, а также тех пространств земной поверхности, где солнечные лучи падают под острым углом, средняя мощность потока солнечной радиации оказывается равной приблизительно 250 ккал/см²в год. При альбедо (коэффициент отражения света) Земли 0,33–0,35 в земную атмосферу вступает энергетический поток напряженностью лишь 167 ккал/см²в год. Часть этой энергии поглощается атмосферой, и лишь 79 ккал/см²в год задерживается земной поверхностью, трансформируется ею и работает, то есть возбуждает и поддерживает течение экзогенных процессов.

Поглощаемая земной поверхностью солнечная радиация 79 ккал/см²в год используется следующим образом: 66 ккал/см²в год идет на испарение; 11 ккал/см²в год – на турбулентный теплообмен тропосферного воздуха; 1 ккал/см²в год – на биологические процессы и химические превращения минералов коры выветривания. Мощность теплового потока из недр Земли на континентах 0,033 ккал/см²в год. Таким образом, земная поверхность использует на природные процессы солнечную радиацию в количестве 79 ккал/см²в год, то есть в 2182 раза больше, чем тепловой поток Земли.

Поэтому глобальный процесс формирования географической оболочки и ее функционирования возможен только на основе солнечной радиации с учетом потенциальной энергии силы тяжести масс горных пород. Солнце снабжает Землю теплом, необходимым для поддержания ее температуры в подходящем диапазоне, охватывающем всего около 100 градусов, не нагревая ее чрезмерно. Следует, однако, иметь в виду, что небольшое изменение всего лишь на несколько процентов количества тепла, получаемого Землей от Солнца, приведет к сильным изменениям земного климата. Земная атмосфера играет чрезвычайно важную роль в поддержании температуры в допустимых пределах. Она действует как одеяло, не допуская слишком сильного повышения температуры днем и чрезмерного понижения температуры ночью.

Эволюция атмосферы. В фазу расплавления огромные массы выделявшихся газов образовали первичную атмосферу Земли. Основными компонентами выделявшихся из недр Земли газов были углекислый газ и водяной пар, что аналогично составу летучих компонентов при современных вулканических извержениях (~80 % воды, ~10 % углекислого газа). После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100°С произошел переход атмосферного водяного пара в жидкую воду. Так как углекислый газ легко растворяется в воде, то преобладающая его часть была поглощена водой. В настоящее время в океанических водах в 60 раз больше углекислого газа, чем в атмосфере. Воздушная среда не только утратила почти всю воду, находившуюся в ней в виде пара, но в ней осталось мало и СО₂. Во много раз уменьшилось и ее давление. Дальнейшая эволюция атмосферы связана, главным образом, с появлением и развитием органического мира, прежде всего растительного.

Развитие литосферы и рельефа. Наиболее характерная особенность строения рельефа и земной коры – наличие материковых массивов и океанических впадин. Общая направленность структурного развития земной коры заключается в том, что на первичной базальтовой коре под влиянием действия геосинклинального процесса, то есть образования линейных тектонических структур, стали возникать острова материковой коры. Этот процесс начался в архейскую эру. В результате действия геосинклинального процесса, включающего в себя складчатость и гранитизацию, происходила консолидация обширных областей земной коры. Она сопровождалась увеличением масс горных пород гранитного слоя материковой коры, возрастанием ее мощности над уровнем моря. С мезозойской эры начался процесс раскола материковой коры и движения ее в стороны от образовавшихся рифтов. Это привело к дрейфу континентов. С появлением на Земле воды произошло скачкообразное возрастание темпа развития ее внешней области. Геотектонический процесс создания материков (геосинклинальный процесс) также мог развиваться только в условиях морских бассейнов.

В современных условиях наибольшая активность тектонической деятельности Земли проявляется через землетрясения.