С. М. Розов Введение. Предмет Естествознания Естествознание
Ранняя история формирования Земли
жүктеу/скачать 11.64 Mb.
|
Ранняя история формирования Земли. В фазе аккреции – образования из хаотического роя твердых пылевых и астероидных тел и газа под действием гравитации сферического тела Земли Земля приобрела 95% своей теперешней массы. На это потребовалось от 10 до 50 млн лет, и произошло это около 4,5 млрд лет назад. Этот возраст и считается возрастом Земли. К концу фазы аккреции в результате интенсивной бомбардировки, гравитационного сжатия и распада нестабильных изотопов Земля разогрелась до температуры 1500 – 2000 градусов и перешла в частично расплавленное состояние. Расплавленная фаза длилась недолго и восстанавливается в основном по аналогии с историей других планет – Луны, Меркурия. Лунная поверхность образована магматическими породами, которые отвердели 4 млрд лет назад. В это же время у Земли происходило образование ядра и мантии – гравитационная сепарация. Тяжелое железо образовало ядро, более легкий кремний и др. элементы – мантию. С образованием ядра в это время у Земли возникло магнитное поле, обезопасившее в дальнейшем Землю от потока заряженных космических частиц больших энергий, которые испускает Солнце и другие космические объекты. В дальнейшем это имело огромные последствия – без защищающего магнитного поля не могла бы зародиться жизнь. Лунная фаза – в это время шло остывание поверхности планеты и образование тонкой первичной коры, сложенной базальтами. В это же время в результате дальнейших извержений материала мантии образовались граниты материковой коры. Возраст самых древних гранитов – 3,8 млрд. лет. Шло постепенное охлаждение поверхности планеты от 1500 до 100 градусов. Геохронологическая история Первая геологическая эпоха на Земле — катархей — началась приблизительно 3,8 млрд лет назад. При понижении температуры поверхности Земли ниже 100 градусов Цельсия начало происходить выпадения воды из очень плотной тогда атмосферы планеты – началось образование первичных океанов. Первая осадочная порода, найденная на Земле, которая образуется в океане – бурый железняк – датируется возрастом в 3,8 млрд лет. Атмосфера Земли в это время состояла из углекислого газа, азота, аммиака, метана и паров воды. Кислорода не было. Но, тем не менее, на Земле появились водоемы – необходимое условие для возникновения жизни. Архей, или криптозой датируется приблизительно как 3,7 млрд лет назад , и называется еще эрой скрытой жизни. В это время в осадочных породах впервые появляются строматолиты – образования, сформированные микроскопическими структурами, напоминающими по своему внутреннему строению бактерии и синезеленые водоросли. Архей – это начало жизни, которая в дальнейшем станет главным фактором преобразования и эволюции Земли. В конце архея появляются эукариоты – ядерные организмы, сначала одноклеточные, потом бесскелетные многоклеточные. С появлением у многоклеточных скелетов начинается фанерозой – эпоха явной жизни. В течение всего фанерозоя климат планеты многократно менялся – происходили потепления и оледенения, поднятия и опускания суши, дрейф материков и космические катастрофы – столкновения с метеоритами и астероидами. Практически все границы между крупными геологическими слоями — это следы глобальных катастроф, приводящих к катастрофическим изменениям в биосфере и среде обитания организмов. Например, меловая катастрофа, которая произошла 65 млн лет назад – кратер диаметром более 100 км на полуострове Юкатан – столкновение с иридиевым метеоритом – выброс в атмосферу огромного количества пылевых частиц, понижение температуры, вымирание почти всей домеловой растительности и гибель динозавров. Зато после катастрофы – расцвет цветковых растений и торжество млекопитающих. Циклические колебания климата происходят на Земле постоянно, и они связаны с разными факторами – это и галактический год – 200 млн лет, и прецессия земной орбиты – ледниковая эпоха – началась 5 млн лет назад, и прецессия вращения Земли вокруг своей оси, которая вызывает ледниковый период. Ледниковый период наступает каждые 50 тыс лет, при этом ледники доходят до 40 градусов широты. До сих пор вечная мерзлота занимает больше половины территории России. Внутреннее строение Земли. Материалы, слагающие твердую Землю непрозрачны и плотны. Прямые исследования их возможны лишь до глубин составляющих ничтожную часть радиуса Земли. Самые глубокие пробуренные скважины и имеющиеся в настоящее время проекты ограничены глубинами 10 - 15 км, что составляет немногим более 0,1 % от радиуса. Возможно, что проникнуть на глубину более нескольких десятков километров не удастся. Поэтому сведения о глубоких недрах Земли получают, используя лишь косвенные методы. К ним относятся сейсмический, гравитационный, магнитный, электрический, электромагнитный, термический, ядерный и другие методы. Наиболее надежным из них является сейсмический. Он основан на наблюдении сейсмических волн, возникающих в твердой Земле при землетрясениях. Подобно тому как рентгеновские лучи позволяют исследовать состояние внутренних органов человека, сейсмические волны, проходя через земные недра, дают возможность составить представление о внутреннем строении Земли и об изменении физических свойств вещества земных недр с глубиной. Сейсмические волны подразделяются на продольные и поперечные в соответствии с тем, что смещение вещества при колебаниях направлено вдоль и поперек направления распространения волны. Продольные волны могут распространяться как в жидкости, так и в твердом веществе, а поперечные - только в твердых породах. Кроме того, скорость продольных волн в твердом веществе примерно в 1,7 раза превышает скорость поперечных волн. Располагая сетью сейсмических станций на поверхности Земли, записывая показания приборов, регистрирующих землетрясения - сейсмографов и сравнивая эти показания, можно определить эпицентр землетрясения, а также скорость распространения волн в различных внутренних областях планеты. Поскольку скорость распространения волн зависит от плотности и упругости вещества, можно получить данные об этих параметрах, а также об агрегатном состоянии вещества (жидкое или твердое) во всей внутренней области Земли. Помимо пассивного исследования сейсмических волн в настоящее время применяют метод глубинного сейсмического зондирования. Этот метод заключается в использовании генерируемых с помощью взрыва сейсмических волн, которые регистрируются сейсмографами, установленными с интервалом 200 - 500 м друг от друга. Этот метод дает самые надежные результаты, однако практическое использование его требует больших денежных затрат. В результате сейсмических исследований было определено, что внутренняя область Земли неоднородна по своему составу и физическим свойствам, и образует слоистую структуру. 
Внутренние оболочки Земли 1. Верхний слой Земли называется земной корой и подразделяется на несколько слоев. Самые верхние слои земной коры состоят преимущественно из пластов осадочных горных пород, образовавшихся путем осаждения различных мелких частиц, главным образом в морях и океанах. В этих пластах захоронены остатки животных и растений, населявших в прошлом земной шар. Общая мощность (толщина) осадочных пород не превышает 2-3 км. Под Новосибирской областью, например, слой осадочных пород составляет около километра. Различие скорости распространения сейсмических волн на континентах и на дне океана позволило сделать вывод о том, что на Земле существуют два главных типа земной коры: континентальный и океанический. Мощность коры континентального типа в среднем 30 – 40 км, а под многими горами достигает местами 80 км. Континентальная часть земной коры распадается на ряд слоев, число и мощность которых изменяются от района к району. Обычно ниже осадочных пород выделяют два главных слоя: верхний – «гранитный», близкий по физическим свойствам и составу к граниту и нижний, состоящий из более тяжелых пород, - «базальтовый» (предполагается, что он состоит главным образом из базальта). Толщина каждого из этих слоев в среднем 15 - 20 км. Однако во многих местах не удается установить резкую границу между гранитным и базальтовым слоями. Океаническая кора гораздо тоньше (5 - 8 км). По составу и свойствам она близка к веществу нижней части базальтового слоя континентов. Но этот тип коры свойствен только глубоким участкам дна океанов, не менее 4 тыс. м. На дне океанов есть области, где кора имеет строение континентального или промежуточного типа. Поверхность Мохоровичича (по имени открывшего ее югославского ученого), на границе которой резко изменяется скорость сейсмических волн, отделяет земную кору от мантии. 2. Мантия распространяется до глубины 2900 км. Она подразделяется на 3 слоя: верхний, промежуточный и нижний. В верхнем слое скорости сейсмических волн сразу за границей Мохоровичича растут, затем на глубине 100 - 120 км под континентами и 50 - 60 км под океанами этот рост сменяется слабым уменьшением скоростей, а далее на глубине 250 км под континентами и 400 км под океанами уменьшение вновь сменяется ростом. Таким образом, в этом слое имеется область пониженных скоростей - астеносфера, характеризуемая относительно малой вязкостью вещества. Некоторые ученые считают, что в астеносфере вещество находится в «кашеподобном» состоянии, т.е. состоит из смеси твердых и частично расплавленных пород. В астеносфере находятся очаги вулканов. Они образуются, вероятно, там, где по каким-либо причинам понижается давление и, следовательно, температура плавления вещества астеносферы. Понижение температуры плавления приводит к расплавлению вещества и образованию магмы, которая затем по трещинам и каналам в земной коре может излиться на поверхность Земли. Промежуточный слой характеризуется сильным возрастанием скоростей сейсмических волн и увеличением электропроводности вещества Земли. Большинство ученых считают, что в промежуточном слое изменяется состав вещества или слагающие его минералы переходят в иное состояние, с более плотной «упаковкой» атомов. Нижний слой оболочки отличается однородностью по сравнению с верхним слоем. Вещество в этих двух слоях находится в твердом, по-видимому, кристаллическом состоянии. 3. Под мантией находится земное ядро с радиусом 3471 км, состоящее, в основном, из железа. Оно подразделяется на жидкое внешнее ядро (слой между 2900 и 5100 км) и твердое ядро. При переходе от мантии к ядру резко изменяются физические свойства вещества, по-видимому, в результате высокого давления. Температура внутри Земли с глубиной повышается до 2000 -30000С, при этом наиболее быстро она возрастает в земной коре, далее идет замедление, и на больших глубинах температура остается, вероятно, постоянной. Плотность Земли возрастает с 2,6 г/см3 на поверхности до 6,8 г/см3 на границе ядра Земли, а в центральных областях составляет примерно 16 г/см3. Давление возрастает с глубиной и достигает на границе между мантией и ядром 1,3 млн. атм, а в центре ядра - 3,5 млн. атм. Внешние оболочки Земли. Помимо твердой внешней оболочки - литосферы у Земли выделяют также водную оболочку - гидросферу и воздушную оболочку - атмосферу. Более точно, под гидросферой понимают совокупность всех вод Земли, находящихся в твердом, жидком и газообразном состояниях. Больше всего на Земле жидкой воды - объем около 1,370 1024 см3. Она образует на поверхности Земли Мировой океан, общая площадь которого равна 3,61 1018 см2, т.е. 70,8 % площади всей земной поверхности. Вода благодаря своим уникальным свойствам имеет исключительно важное значение для создания на Земле оптимального теплового режима. Именно в ней зародилась и без нее была бы невозможна органическая жизнь. Основная масса льда располагается на суше - главным образом в Антарктиде и Гренландии. Общая масса его около 2,42 1022 г. Если бы этот лед растаял, то уровень Мирового океана повысился бы примерно на 60 м. При этом 10 % суши оказалось бы затопленной морем. Вода постепенно испаряется с поверхности Мирового океана. Она подхватывается воздушными течениями и переносится на громадные расстояния. После ряда превращений (конденсации, сублимации, коагуляции и т.п.) испарившаяся влага выпадает из атмосферы в виде осадков. Не вся влага при этом возвращается прямо в Мировой океан. Часть осадков выпадает на сушу, откуда они выносятся реками в моря и океаны. Ежегодно реки приносят с суши в Мировой океан более 3,5 1018 г воды. Во время своего пути по суше вода растворяет различные соли, захватывает мелкие, а иногда и крупные частички и выносит все это в море. Общее количество минерального вещества, выносимого реками в Мировой океан за год равно примерно 3,5 1014 г. Из них 1,8 1014 г выпадает в осадок, а 1,7 1014 г остаются растворенными. Круговорот воды на Земле существует миллионы лет. Возможно поэтому вода морей и океанов соленая, хотя на этот счет нет единого мнения.
Столб воздуха над одним квадратным сантиметром земной поверхности имеет массу около 1 кг, а масса всей атмосферы равна 5,16 1021 г. Атмосфера Земли имеет слоистое строение. Выделяют тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу. Тропосфера - это прилегающая к земной поверхности область, в которой температура более или менее равномерно убывает с высотой до 500С и ниже. Верхняя граница тропосферы понижается при движении от экватора к полюсам от 17 до 9 км. В тропосфере заключено свыше 80 % массы атмосферы и практически весь водяной пар. В ней протекают физические процессы, которые обусловливают ту или иную погоду. В тропосфере осуществляются все превращения водяного пара. В ней образуются облака и формируются осадки, очень сильно развито турбулентное и конвективное перемешивание. Стратосфера характеризуется постоянством или ростом температуры с высотой и исключительной сухостью воздуха. Верхняя граница стратосферы расположена в среднем на высотах 50 - 55 км. Температура стратосферы растет с высотой, достигая на верхней границе 0+100С. Процессы в стратосфере практически не влияют на погоду. Мезосфера - слой, лежащий над стратосферой и характеризующийся падением температуры с высотой. Верхняя граница мезосферы совпадает с минимумом температуры (около -900С) и расположена на высоте около 85км. Термосфера находится над мезосферой. Температура в ней быстро растет, достигая 1000 - 20000С на высоте 400 км. Выше 400 км температура почти не меняется с высотой. Температура и плотность воздуха очень сильно зависят от времени суток и года, а также от солнечной активности. В годы максимума солнечной активности температура и плотность воздуха в термосфере значительно выше, чем в годы минимума. Следует отметить, что все приведенные здесь величины получены путем усреднения их за большие интервалы времени и по огромным площадям. Вне всякого сомнения, мгновенные параметры атмосферы значительно отличаются от средних, так как атмосфера - это чрезвычайно изменчивая среда. Этапы химической эволюции Земли. Химико-биогенное осадкообразование. Академик Страхов в 60-е годы 20 века предложил следующее деление на этапы и описание химико-биогенных процессов в эволюции Земли: 1-й этап: — первичный кислый океан, содержащий HCl, HF, SiO2, CO2, H2S, и метан. Сульфатов – окисленных форм серы и свободного кислорода тогда не было. Атмосфера тогда содержала в основном окись углерода, метан, аммиак и пары воды. Наблюдалась очень активная вулканическая деятельность, океан на планете был неглубокий, а вулканы представляли из себя острова в этом океане. В этих условиях шло первичное осадконакопление. Осадки состояли в основном из слаборастворимых железосодержащих пород. В связи с сильнейшим парниковым эффектом (основные составляющие атмосферы – кроме азота – парниковые газы) и очень сильными процессами перемешивания атмосферы на Земле тогда еще не было климатических поясов. 2-й этап: — На этом этапе происходит зарождение жизни. Появляются первые бактериоподобные живые организмы. Одновременно происходит рост алюмосиликатной гранитной коры материков, вымывание карбонатов с гранитной суши в океан, и, как следствие, уменьшение кислотности океана. В результате жизнедеятельности появившихся синезеленых водорослей (огромные массы строматолитов – остатков синезеленых водорослей – найдены во многих местах Земли и датируются именно этим временем) в атмосфере начинает появляться свободный кислород, аммиак постепенно окисляется до азота, происходит окисление метана, уменьшается концентрация CO2. В океанах постепенно накапливаются карбонаты, соединения железа и марганца. 3-й этап. Третий этап занимает большую часть архея – или, как его еще иначе называют, докембрия, потому что кембрий является первым периодом фанерозоя. Начало этого этапа – около 3-х млрд лет назад. В это время на нарастающей коре материков возникает большое количество сильнометаморфизированных извергнутых пород. На Земле начинается тектоническая активность — только что сформировавшиеся литосферные плиты начинают плавать на астеносфере верхнего слоя мантии Земли — начинается дрейф континентов. Накопленные осадки начинают погружаться под плиты и метаморфизироваться. На Земле начинаются глобальные тектонические процессы, идущие и по сей день. К началу фанерозоя, или его первого периода – кембрия – атмосфера становится почти современной, азотно-кислородной. В океанах происходит накопление карбонатов и железа в окисной форме. 4-й этап. Четвертый этап начинается с фанерозоя — эры явной жизни. Это датируется приблизительно 500 млн лет назад. К этому времени на Земле образовались две большие континентальные платформы — Гондвана (Южная Америка, Африка, Австралия, Антарктида и Индостан) и Лавразия (Европа, Азия и Северная Америка). В это же время жизнь начинает покорять сушу. Сначала на сушу робко выходят растения – псилофиты, а вслед за ними на сушу проникают беспозвоночные животные. Морская вода в эту эпоху становится похожей на теперешнюю – она хлоридно-сульфатная, а основная масса карбонатов и силикатов концентрируется в скелетах организмов — живых или уже умерших. Вода в океане становится слабощелочной. Дрейф континентов и тектоника плит, теория спрединга. Издавна, с тех пор, как появились географические карты континентов, людей очень удивляли очертания берегов Африки и Южной Америки, а также Северной Америки и Европы. Они очень хорошо стыковались друг с другом, как соседние части одной мозаики. Современная теория континентального дрейфа утверждает, что относительное положение континентов многократно менялось на протяжении истории Земли. Внимательно рассмотрев очертания береговых линий западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки, невольно удивишься их потрясающему сходству. Еще в 1620 г. великий англичанин Фрэнсис Бэкон объяснял это совпадение возможной связью двух континентов в далеком прошлом.
Проводившиеся в середине нашего столетия интенсивные исследования океанического дна привели к открытию глобальной системы подводных гор, так называемых срединно-океанических хребтов. Одновременно была выдвинута важная гипотеза, что в области осей океанических хребтов постоянно происходит формирование новых участков океанического дна, расходящихся в стороны от хребта. Действием этого процесса можно объяснить сходство очертаний континентальных окраин. Действительно, можно предполагать, что между частями расколовшегося континента образуется новый океанический хребет — зона спрединга, или поднятия вещества мантии, а океаническое дно, наращиваемое симметрично в обе стороны от него, формирует новый океан. Скорее всего, таким образом возник Атлантический океан, посреди которого теперь расположен рассекающий его на две части срединно-Атлантический хребет. Концепция континентального дрейфа завоевала общее признание исследователей Земли лишь в период между 1967 и 1970 годами. До этого изучение твердой Земли велось в основном на континентах, где ярко проявляются вертикальные движения земной коры. Хотя в поддержку новой концепции выдвигались убедительные аргументы, почти все геофизики выступали против нее. Их возражения основывались, по большей части, на представлениях о жесткой мантии Земли - части земных недр, заключенной между корой и ядром, - и отсутствии эффективного механизма движения континентов. Но вскоре было установлено, что вся тектоническая — сейсмическая и вулканическая активность в океанах сосредоточена именно вдоль срединных хребтов — зон поднятия вещества мантии, в которых формируется новая океаническая кора, и глубоководных океанических желобов, где старая океаническая кора погружается под материковые плиты, уходя на глубину 700–800 км. Мантия земли к тому времени уже не представлялась жесткой — была открыта астеносфера — слой внутри верхней мантии, находящийся в полурасплавленном состоянии и порождающий очаги вулканической активности. Вдали от этих зон — в глубине литосферных плит — тектоническая активность не наблюдается. Было установлено, что вся земная кора состоит из приблизительно 15 больших литосферных плит, которые плавают в астеносфере мантии. Под действием конвекционных тепловых потоков в астеносфере плиты постоянно движутся, сталкиваются, надвигаются друг на друга — при этом происходит горообразование — или погружаются друг под друга (зоны субдукции). Геологические данные убедительно свидетельствуют о том, что формирование континентальной коры началось около 4,0–3,8 млрд лет назад, т. е. с задержкой приблизительно на 600–800 млн лет по отношению к моменту образования самой Земли. С тех пор происходило последовательное, но весьма неравномерное наращивание массы коры вплоть до ее современных размеров. Интенсивнее всего образование коры происходило в позднем архее. Однако в течение почти всего архея крупных континентов еще не существовало, а их зародыши и древние щиты – скорее всего развивались изолированно друг от друга. Первый же крупный суперконтинент, Моногея, по-видимому, сформировался только на рубеже архея и протерозоя, около 2,6 млрд лет назад, в момент образования у Земли плотного окисно-железного ядра. В последующие эпохи неоднократно возникали другие суперконтиненты, происходили их дробления на отдельные материки, дрейфовавшие в стороны друг от друга, и новые их объединения в новые суперконтиненты типа Пангеи позднего палеозоя. При этом теоретическое рассмотрение проблемы и численное моделирование конвективных процессов в мантии показывает, что суперконтиненты могли формироваться c периодичностью около 800 млн лет и только после архея, а за все послеархейское время они могли возникать только четыре раза. жүктеу/скачать 11.64 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|