ГЕОЛОГИЯ лекции

11

это глыбы, захватываемые Солнцем из межзвёздного пространства в процессе его движения вокруг центра галактики. Не исключено, что могут существовать кометы различного происхождения. В частности, расчёты показывают, что при взрывных вулканических извержениях большой мощности на малых космических телах (например, спутниках планет-гигантов, где действительно обнаружены проявления активной вулканической деятельности) часть продуктов извержения может быть выброшена за пределы поля тяготения материнского тела и выйти на резко эксцентричную околосолнечную орбиту (гипотеза «эруптивных» комет, от английского eruption – взрыв). Пока в современной Солнечной системе такие кометы не обнаружены. Но есть геологические признаки того, что одна из крупных космогенных катастроф в истории Земли, произошедшая около 10 000 лет назад, была вызвана столкновением с ней кометы такого типа.

Поскольку Земля принадлежит к числу планет, рассмотрим эту группу тел в составе Солнечной системы несколько подробнее. Сравнительная характеристика размеров планет приведена в следующей таблице:

Планета	Диаметр в км	Диаметр относи-
		тельно диаметра Земли
Меркурий	4 878	0,38
Венера	12 102	0,95
Земля	12 756	1,00
Марс	6 786	0,53
Юпитер	142 984	11,21
Сатурн	120 536	9,45
Уран	51 118	4,01
Нептун	49 528	3,88
Плутон	2300	0,18

Для сравнения: Солнце имеет диаметр 1 391 980 км (109,12 диаметра Земли). Его объём многократно превосходит суммарный объём всех других тел Солнечной системы. Крупнейший астероид – Церера – имеет размер 960 км (0,07 диаметра Земли)

Плутон, по данным новейших исследований, оказался достаточно мелким телом (ещё 30 лет назад предполагали, что его размеры близки к размерам Земли, диаметр около 6000 км). Фактически по размерам он занимает промежуточное положение между астероидами и большими планетам. Высказывалось предположение, что Плутон – это, строго говоря, не самостоятельная планета, а «потерянный» спутник Нептуна. Есть также гипотеза о существовании за орбитой Нептуна целого пояса малых планетных тел, аналогичного поясу астероидов. Плутон, в таком случае – лишь одно из множества таких тел. В последние годы появляются сведения об обнаружении за орбитой Нептуна других планетных тел, подобных Плутону. Но эти данные ещё требуют подтверждения.

12

Сведения о массах планетных тел также удобно рассмотреть в их сравнении с таковыми для Земли.

Солнце	- 330 000 масс Земли
Меркурий	- 0,06
Венера	- 0,81
Марс	- 0,11
Юпитер	- 318
Сатурн	- 95
Уран	- 14,5
Нептун	- 17
Плутон	- 0,002
Церера	- 0,0002

Астероиды суммарно - 0,0015 Все спутники планет - 0,125

На Солнце, как уже было сказано, приходится 99,87% общей массы Солнечной системы. Из остатка в 0,13% основная часть приходится на самую крупную планету – Юпитер (0,1%). Но, как можно видеть, даже эта самая большая из планет по массе с Солнцем совершенно не сопоставима.

Распределение плотностей для больших планет:

Меркурий	- 5,42 г/см3
Венера- 5,25
Земля	- 5,52
Луна	- 3,34
Марс	- 3,94
Юпитер	- 1,31
Сатурн- 0,69
Уран	- 1,19
Нептун	- 1,66

(точных данных по Плутону пока нет)

В целом наблюдается определённая тенденция уменьшения плотностей планет в направлении от внутренних (близких к Солнцу) к внешним. Из ближних к Солнцу планет явно «выбивается» из этого ряда Земля. Но если усреднить её плотность с плотностью Луны (их, напомним, можно рассматривать вместе как двойную планету), закономерность будет выдерживаться. Самая низкая плотность – у Сатурна (по образному выражению одного из астрономов, эту планету невозможно было бы утопить даже в керосине). А далее (у Урана и в ещё большей мере у Нептуна) она снова повышается.

Сравнение основных параметров – размеров, массы и плотностей – даёт основания разделять большие планеты на две группы. Первую образуют относительно близкие к Солнцу планеты: Меркурий, Венера, Земля с Луной и Марс. Они характеризуются сравнительно малые размеры и относительно

13

высокая плотность. Их называют планетами земной группы. Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун получили название планет-гигантов. Их отличают большие размеры и очень низкая плотность. Большую часть объёма этих планет составляют газы – на Уране и Нептуне, преимущественно, замёрзшие. С последним фактом, видимо, связана и обратная тенденция к повышению плотностей у планет, наиболее удалённых от Солнца.

Представления о происхождении Солнечной системы.

1. Г и п о т е з ы К а н т а и Л а п л а с а . Или «небулярные гипотезы» (от латинского nebula – туманность). Обе выдвинуты практически одновременно, на рубеже XVIII и XIX веков, немецким философом и естествоиспытателем Иммануилом Кантом и французским астрономом Пьером Лапласом. Основная суть – происхождение Солнца и планет из общей гомогенной массы первичного вещества в едином процессе. Оба автора опирались в построении модели развития Солнечной системы на известные в то время законы физики, в первую очередь – закон всемирного тяготения. Именно силы тяготения должны были обеспечить группировку огромного числа рассеянных пылевых частиц и газовых молекул в ограниченное количество космических тел. Нередко эти две гипотезы рассматривают как одну (гипотезу Канта

– Лапласа). Но на самом деле это две самостоятельные гипотезы, которые, при всём их сходстве, различаются некоторыми существенными деталями. Главное отличие в том, что по И. Канту Солнечная система сформировалась из скопления холодного газа и пылевых частиц, изначально неподвижных. А по П. Лапласу - из раскаленного газового облака, которое вращалось.

Основная трудность, которую не смогли преодолеть ни И. Кант, ни П. Лаплас, ни их сторонники – несоответствие между моментами вращения Солнца и планет. По всем расчётам выходило, что если все элементы Солнечной системы возникли из первично единой «туманности», то и моменты их вращения должны были бы быть одинаковыми. Поэтому многие авторы в попытке устранить данное несоответствие, выдвигали другие гипотезы. Эти иные гипотезы, при всём их разнообразии, можно объединить в одну группу.

2. Гипотезы образования планетной системы как случайного события.

-	г и п о т е з а Б ю ф ф о н а (планеты образовались в резуль-
тате выброса солнечного вещества от падения на Солнце кометы);
-	г и п о т е з ы Ч е м б е р л е н а , М у л т о н а , Д ж и н -

с а – различные вариации на тему образования планет в результате выброса солнечного вещества в результате взаимодействия сблизившихся или столкнувшихся звёзд;

- г и п о т е з а Ш м и д т а – образование планет в результате захвата Солнцем изначально чужеродной ему газово-пылевой туманности.

Общее для всех этих гипотез - представление об образовании Солнечной системы как о случайном событии. Большинство опровергнуты как несостоятельные. Кометы слишком малы, чтобы их взаимодействие с Солнцем могло привести к столь значительным последствиям. Воздействие на Солнце дру-

14

гой звезды может оказать влияние, но, по всем расчётам, формирование в результате Солнечной системы в известной нам форме невозможно. Хотя отрыв части солнечного вещества при сближении с другой звездой достаточно вероятен, формирование из него планетных тел, находящихся на устойчивых орбитах, возможно в очень узком диапазоне условий, и при том все орбиты будут находиться лишь внутри современной орбиты Меркурия.

Аргументов, безусловно опровергающих гипотезу Шмидта, нет. Но многих учёных в ней не удовлетворяет уже то, что формирование у звёзд планетных систем не рассматривается как закономерный процесс. И. следовательно, наличие у звезды планетной системы должно рассматриваться как редчайшее исключение. Между тем, новейшие астрономические данные говорят о наличии планет у ряда ближайших к нам звёзд, и нет оснований полагать, что и в более отдалённых частях Вселенной картина будет принципиально иной. К тому же, данные космохимии свидетельствуют, что, если взять только так называемую каменно-металлическую составляющую вещества Солнца и планет, то соотношение химических элементов в ней оказывается очень сходным. А это тоже заставляет считать более вероятным изначальное родство между Солнцем и окружающими его планетными телами.

3. Возрождение небулярной гипотезы произошло в середине XX в. и является заслугой шведского астронома Х а н н е с а А л ь в е н а . Он нашёл новый путь к разрешению проблемы несоответствия между угловыми скоростями вращения Солнца и планет. Статья Х. Альвена, опубликованная в 1942 г., поначалу осталась не замеченной (общественности, в том числе и научной, было не до этого). Но с 1950-х гг. его идеи постепенно завоёвывают признание. В результате все современные модели происхождения Солнечной системы представляют собой развитие этих идей.

Х. Альвен доказал, что при взаимодействии Солнца с окружающим облаком ионизированного газа должны происходить не только гравитационные, но и магнитные взаимодействия, в результате которых вращение Солнца будет замедляться, а газового облака - ускоряться. Последнего ни И. Кант, ни П. Лаплас учесть в принципе ещё не могли, так как изучение физики электромагнитных явлений в их времена находилось в самом зачаточном состоянии. При этом расчёты показывают, что формирование планетных тел только из газов невозможно. Но достаточно наличия небольшого количества пылевых частиц, чтобы "процесс пошёл". Если считать, что исходная газовопылевая туманность была единой по составу, можно рассчитать соотношение газовой и пылевой фракций по современному химическому составу Солнца. На газы придётся 98%. Остальное - пылевые частицы трёх видов: льдинки (замерзшие газы - вода, аммиак, метан и др.), минеральные частицы на кремнекислородной (силикатной) основе, металлические частицы.

Следующая стадия процесса – аккреция (слипание) этих частиц. Буквально – «приращение» (термин применяется и к другим процессам увеличения какого-либо объекта за счёт присоединения к нему новых составных частей). В настоящее время предложено несколько различных вариантов реконструкции хода этого процесса, и именно в этой части современные модели

15

разных исследователей в наибольшей мере расходятся. Модели аккреции разработаны ещё в рамках гипотез «случайного» образования Солнечной системы, так что эти отвергнутые идеи всё же внесли свой весомый вклад в создание современных представлений о происхождения планетных систем.

Значение изучения метеоритов и других планет для познания закономерностей развития Земли и общих законов формирования и развития планет.

Метеориты (небольшие космические тела, падающие на поверхность нашей планеты) – важный объект исследования, изучение которого позволяет пролить свет на вопросы происхождения планет и их строения. Из всех космических объектов они наиболее доступны для изучения. Существует две точки зрения на происхождение метеоритов. По одной из них – это продукт незавершённой аккреции (то есть те частицы, которые так и не вошли в состав более крупных тел). В этом случае они – прямой источник информации о ранних стадиях развития Солнечной системы. Согласно другой – это обломки астероидов. В этом случае исследование метеоритов несёт информацию и о первичном веществе, из которого сформировались планеты, и о начальных стадиях эволюции этого вещества в недрах планетных тел. Современные данные позволяют считать более обоснованной вторую точку зрения.

Средний химический состав метеоритов идентичен химическому составу условной каменисто-металлической составляющей солнечного вещества (то, что осталось бы от солнечного вещества, если бы Солнце потеряло все газы). Это позволяет видеть в них образцы вещества, наиболее близкого к веществу твёрдой составляющей первичной газо-пылевой туманности.

Типы метеоритов:

1. Хондриты (88%). Смесь каменного и металлического материала с резким преобладанием первого. Название от хондр - округлых обособлений, отличающихся друг от друга по составу, структуре и, вероятно, происхождению. Именно их химический состав наиболее близок к "солнечному", поэтому они могут рассматриваться как образцы наименее изменившегося первичного вещества. Изучение вещества хондритов показывает, что оно не нагревалось выше 900°С.

а) углистые хондриты (8% от общего количества метеоритов) - содержат углеродистые соединения и различные летучие вещества, удаляющиеся при нагревании; слагающее их вещество не нагревалось выше 400°С.

2. Ахондриты. Подразделяются на каменные, железо-каменные и железные - т.е. в целом более дифференцированы по составу. Вещество явно несёт признаки кристаллизации из расплава при высоких давлениях. То есть, во внутренних частях более крупных тел. Следовательно, такие метеориты однозначно не могут быть ничем иным, как осколками более крупных космических тел – видимо, астероидов.

16

Возраст вещества метеоритов - около 4,5 млрд. лет. Время пребывания в открытом космосе - не более 60 млн. лет (определяется по содержанию в поверхностном слое изотопов, образующихся под воздействием космического излучения). Судя по слабой в целом дифференцированности вещества метеоритов, это вряд ли осколки единой крупной планеты. Скорее, вещество метеоритов испытало лишь самую зачаточную дифференциацию в сравнительно небольших телах (астероидах), но далеко этот процесс не зашёл. А попадающие на Землю метеориты – не что иное, как обломки астероидов, возникающие при их соударениях между ними. Косвенно об этом свидетельствуют и их траектории, резко отличающиеся от траекторий движения большей части тел пояса астероидов.

Следовательно, изучение вещества метеоритов позволяет понять, в каком направлении развиваются процессы дифференциации вещества в недрах планетных тел. А это, в свою очередь, помогает объяснить причины расслоения глубинных частей Земли на оболочки с различными свойствами (геосферы), реконструировать их происхождение и состав.

Небольшие планеты земной группы - Луна, Меркурий – представляют собой примеры консервации развития планетных тел на достаточно ранней стадии. Развитие их остановилось из-за незначительности ресурсов внутренней энергии. Вероятно, их строение отвечает стадии, пройденной Землёй около 4 млрд. лет назад.

Венера - планета с намного более высокой температурой поверхности, следствием чего является более тонкая и более пластичная литосфера, чем на Земле. В результате для Венеры характерны другие типы тектонических движений. Не исключено, что подобные условия существовали и на Земле на ранних этапах её развития.

Большое значение для развития геологической теории имеет сравнение хода экзогенных (поверхностных) геологических процессов на различных планетах, в зависимости от наличия или отсутствия атмосферы, различий в её составе, температурном режиме и других факторах.

Другой аспект – сопоставление развития планетных тел, в различной степени удалённых от Солнца и потому изначально различавшихся по химическому составу.

Важное значение имеет открытие в последние десятилетия активной вулканической деятельности на спутниках планет-гигантов. Этот вулканизм проявляется в иных условиях, ему может быть свойствен иной, отличный от земного, состав магматических расплавов.

ЗЕМЛЯ КАК ПЛАНЕТА

Земля – третья (по удалению от Солнца) планета Солнечной системы. О её размерах, плотности сказано выше.

Фигура Земли.

17

Фигура Земли – неправильное сфероидальное тело, называемое геоидом. Геоид ограничивается поверхностью уровня моря, мысленно продолжаемой под материками. Внешняя газовая оболочка при определении формы геоида не учитывается, так как не имеет резко выраженной границы с окружающим космическим пространством. Теоретическая геометрическая модель формы Земли как планетного тела – эллипсоид вращения – с реальной формой геоида совпадает лишь приблизительно. Отклонения формы геоида от эллипсоида вращения связаны с проявлениями глубинных тектонических процессов, распределение которых в объёме планеты неравномерно. Вероятно, именно форма эллипсоида вращения является усреднённой идеализированной формой Земли в её геологической истории, а все частные отклонения от этой формы возникают и исчезают в ходе тектонических движений.

Физические поля Земли.

М а г н и т н о е п о л е .

Магнитосфера резко асимметрична. Она "сжата" в направлении от Земли к Солнцу, и вытянута в противоположном направлении. В направлении Солнца она простирается на 14 земных радиусов. Из них регулярное магнитное поле - на 10, далее - хаотичное, что обусловлено взаимодействием с "солнечным ветром".

Поле в целом дипольное (то есть, имеются два полюса – северный и южный), но есть и недипольная составляющая, и наложенные внешние. Их изменения вызывают колебания напряженности поля и его ориентировки (положения магнитных полюсов). Изучение истории магнитного поля Земли геологическими методами показало, что время от времени магнитные полюса менялись местами. Это явление получило название инверсий магнитного поля. Следует особо подчеркнуть, что речь идёт о смене положения только магнитных полюсов. Нет абсолютно никаких данных, которые свидетельствовали бы о смене положения полюсов вращения (то есть географических). Поэтому встречающиеся иногда в негеологической литературе различного рода высказвания о том, что это сама планета, по мнению геологов, «переворачивалась», являются явным недоразумением.

Магнитное поле имеется не у всех планет. Следовательно, природа земного магнетизма нуждается в особом объяснении. Современные модели объясняют возникновение магнитного поля Земли на основе "теории динамо" - вихревых токов в ионизированной жидкой среде, возникающих в недрах вращающегося планетного тела. Следовательно, для формирования у планеты магнитного поля нужны два условия: 1) наличие во внутренних частях оболочек со свойствами жидкости; 2) достаточно высокая скорость вращения вокруг своей оси. На нашей планете оба эти условия имеются. В рамках модели «динамо» находят своё объяснение и инверсии – их проявление геофизики связывают со сменой ориентировки вихревых токов в земном ядре. По их предположениям, магнитное поле у Земли в момент инверсии не исчезает полностью, а распадается на недипольные составляющие, после чего «собирается» в новую дипольную систему. Возможно, именно поэтому признаков

18

явного влияния инверсий на биосферу Земли и её развитие, по данным исторической геологии, не обнаружено.

Г р а в и т а ц и о н н о е п о л е .

Такое поле свойственно любому планетному телу. Основные параметры его зависят от массы планеты. Гравитационное поле у Земли, как и у любой планеты, не вполне однородно. Сила тяжести в разных местах поверхности Земли неодинакова. Отклонения от расчетного среднего значения называют аномалиями - положительными и отрицательными. Их распределение зависит от глубинного строения Земли. Поэтому изучение аномалий позволяет понять закономерности этого строения.

Т е п л о в о е п о л е .

Связано с энергией глубинных процессов внутри Земли. Его структура также неоднородна. Это связано в первую очередь с тем, что существует два различных механизма переноса тепла из глубинных частей Земли к поверхности – кондуктивный и конвективный. При кондуктивном переносе происходит только передача тепловой энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым, без перемещения самого вещества-теплоносителя. При конвективном переносе нагретые массы, как более лёгкие, поднимаются к поверхности, а относительно холодные опускаются вниз. Конвективный перенос тепла на порядок более эффективен по сравнению с кондуктивным. Кроме того, кондуктивный перенос протекает относительно равномерно по всему объёму планеты, а конвективный сосредоточен в местах, где функционируют восходящие потоки глубинного вещества.

Поэтому количественная характеристика параметров теплового поля Земли величина – величина теплового потока – значительно изменчива. Средние значения должны быть характерны для тех участков поверхности, где на глубинах основной формой является кондуктивный перенос. Над восходящими потоками глубинного вещества закономерно возникают положительные аномалии величины теплового потока. Над нисходящими - отрицательные. Поэтому вариации распределения теплового потока на поверхности в определённой мере позволяют судить о процессах, протекающих в недрах нашей планеты.

Источники знаний о глубинном строении Земли.

Непосредственное наблюдение земных недр возможно только до глубин около десятка километров. Таков порядок глубин, достигнутых при бурении самых глубоких исследовательских скважин (максимум – более 12 км, до которого пройдена Кольская сверхглубокая скважина). Достичь большей глубины наблюдений современные технические средства не позволяют.

Тем не менее, прямые данные о вещественном составе возможны для глубин до нескольких десятков километров. Хотя никакие шахты и скважины таких глубин не достигли, но существуют геологические процессы, в результате которых включения и целые блоки глубинного вещества могут оказаться

19

на поверхности Земли и становятся доступны непосредственному наблюдению.

Для исследования ещё больших глубин возможны только косвенные методы:

1. Т е о р е т и ч е с к о е м о д е л и р о в а н и е .

Суть методов заключается в вычислении физических параметров (температур, давлений и т.д.), которые должны существовать на различных глубинах, и расчётах свойств, которые должно иметь вещество при таких условиях.

2. Г е о ф и з и ч е с к и е м е т о д ы – изучение физических полей (гравитационного, теплового, магнитного), а также распространения внутри планеты сейсмических волн. Наибольшую роль в реконструкции глубинного строения Земли сыграли сейсмические методы, внедрение которых началось

вконце XIX в. С тех пор сейсмические исследования глубинного строения продолжают неуклонно расширяться, а их методика – совершенствоваться. Основа сейсмических методов в том, что при любом землетрясении через всю толщу планеты распространяются сейсмические волны – вызванные сотрясением колебания. Наблюдая над распространением волн по различным направлениям можно судить о свойствах вещества на любых глубинах. В первую очередь – о плотности вещества: от этого параметра в наибольшей мере зависит скорость распространения сейсмических волн. Кроме того, надёжно устанавливается тип агрегатного состояния, в котором находится вещество (твёрдое оно или жидкое). Дело в том, что имеются два типа сейсмических волн, колебания в которых распространяются различным способом: продольные волны (частицы колеблются вдоль направления распространения волны) и поперечные (колебания совершаются в поперечном направлении). И оба типа волн распространяются только через твёрдое вещество. Таким образом, наблюдения над распространением сейсмических волн позволяет выявлять участки, сложенные веществом с разными свойствами, а также поверхности, на которых наблюдаются резкие изменения свойств вещества, явления преломления и отражения сейсмических волн. Особенно много информации получено за последние годы в результате создания густой планетарной сети сейсмических станций, данные с которых мгновенно поступают

вмощные быстродействующие компьютеры и, в результате обработки методами компьютерной томографии, представляются в виде очень детальной объёмной картины.

3. Э к с п е р и м е н т а л ь н о е м о д е л и р о в а н и е глубинных процессов. То есть, создание в лабораторных условиях основных параметров (температур, давлений), существующих на тех или иных глубинах, и изучение реального поведения различных природных веществ при этих условиях. Такое моделирование является технически очень сложным, и широкое применение этих методов началось лишь с 50-60-х гг. ХХ века. Но уже за это время, благодаря экспериментальному моделированию геологи смогли намного лучше понять суть различных природных процессов, протекающих в недрах Земли на глубинах в сотни километров. К сожалению, воспроизведе-

20

ние в лабораториях условий, существующих на больших глубинах, невозможно: мы не имеем материалов, которые на земной поверхности могли бы выдержать такие температуры и давления.

4. И з у ч е н и е м е т е о р и т н о г о в е щ е с т в а , о чём уже сказано выше. Это позволяет поныть общие тенденции эволюции вещества в недрах планетных тел.

Внутреннее строение Земли.

В строении нашей планеты отчётливо проявлены элементы вертикальной расслоенности. В её разрезе можно выделить крупные вещественные оболочки, характеризующиеся различными свойствами – геосферы. Среди них выделяются внешние геосферы (атмосфера, гидросфера) и внутренние (земная кора, мантия, внешнее и внутреннее ядро).

Г л у б и н н ы е г е о с ф е р ы :

1.Земная кора – внешняя из твёрдых оболочек. Распространена до глубин от 5-10 км на одних участках до 50-70 км – на других. За её нижнюю границу принят рубеж, определяемый резким увеличением скоростей сейсмических волн, соответствующий увеличению плотности вещества. Он получил название поверхности Мохоровичича, по имени хорватского геофизика,

установившего этот рубеж в начале ХХ века. Средняя плотность вещества земной коры – 3,22 г/см3. Температура в её пределах постепенно возрастает с глубиной, со средним градиентом 20ºС/км. Давление с глубиной также постепенно увеличивается, от 0 до 2,2 млрд. Па под океанами, и до 9,7 млрд. Па

–под континентами. В результате рост температуры, который при обычном атмосферном давлении привёл бы к расплавлению вещества, компенсируется увеличением давления. Поэтому почти весь объём земной коры находится в твёрдом состоянии, но в глубинных частях встречаются и отдельные очаги расплава.

2.Мантия расположена ниже земной коры, до глубины 2900 км. Плотность вещества в пределах мантии изменяется от 3,64 г/см3 в верхней её части 9,7 г/см3 – в нижней, у границы с земным ядром. Температура в сравнении с земной корой существенно увеличивается. Уже в верхней части мантии, на глубинах более 100 км (где сосредоточена большая часть очагов расплава), она оценивается величинами порядка 1100ºС. У нижней границы мантии температура достигает примерно 4000ºС. Давление при этом возрастает до величин порядка 1300 млрд. Па. Вещество мантии в целом твёрдое (хотя очаги расплава встречаются и здесь, причём их больше, чем в земной коре). Но в условиях существующих здесь высоких температур и давлений даже твёрдое кристаллическое вещество способно к медленному пластическому течению со скоростями порядка нескольких сантиметров в год. Именно благодаря такой способности внутри мантии и возможен отмечавшийся нами выше конвекционный перенос вещества и тепловой энергии из глубинных частей к поверхности.