Гіпотези формування земної кори

Геологічні та геофізичні дані свідчать про наявність суттєвих, принципових відмінностей в особливостях будови і розвитку земної кори (і літосфери в цілому) різних ділянок нашої планети.

В динамічному плані літосфера характеризується розповсюдженням процесів розтягнення і стискування. Одночасне їх проявлення на одній ділянці земної кори суттєво ускладнює пояснення їх рушійних сил.

В тектонічному плані більшими елементами земної кори є активні рухомі області – геосинкліналі та стабільні області спокійного розвитку — платформи. Незворотність процесу геотектонічного розвитку і періодичність етапів орогенезу також ускладнюють вивчення рушійних сил, які контролюють стадійність формування земної кори. Все це є складнішою проблемою, яка ще не отримала кінцевого вирішення. Тільки деякі аспекти цієї проблеми отримують часткове вирішення в геотектонічних гіпотезах.

За характером основних рушійних сил, які пропонуються для пояснення механізму геотектонічних процесів, гіпотези можуть бути розділені на три групи:

— зміни об’єму Землі;

— зміни горизонтального дрейфу континентів;

— радіологічні гіпотези.

Спроби пояснення сучасної морфології нашої планети і будови земної кори невід’ємні від уявлень про походження Землі.

З них існують п’ять основних геотектонічних гіпотез: контракції, дрейфу континентів, гіпотеза Землі, що розширюється, та два різновиди гіпотези диференціації. Кожна з них має свої особливості, але часто вони мають в собі багато спільного.

До оцінки гіпотез будемо підходити з точки зору того, як вони пояснюють в принципі основні моменти: виникнення океанічного і континетального типів кори та їх взаємовідношення, сутність та взаємовідношення геосинклінального і платформенного етапів розвитку кори, магматизм, проблему океанічної води, палеокліматів.

Всі перераховані вище гіпотези (крім деяких різновидів гіпотези дрейфу континетів) розглядають в якості основної причини розвитку кори внутрішні фізичні та фізико-хімічні процеси в надрах планети, хоча не виключається і певна роль зовнішніх факторів, як вторинних.

Найстаріша гіпотеза — контракційна. Але всупереч неодноразовим критичним зауваженням на її адресу, ця гіпотеза досі користується певним визнанням. Ймовірно, що вона найкраще пояснює виникнення сил горизонтального стискування, які можуть бути причиною виникнення складчастості та насувів. Але вона не вирішує основної проблеми про походження двох типів кори. На сьогоднішній день сама основа гіпотези – охолодження і стискування Землі – відкинута. Вона неможлива енергетично, бо потребує на два порядки більших втрат тепла, ніж спостерігається.

Гіпотез диференціації досить багато, але коли не торкатися деталей, можна розрізнити дві основні групи: поступового розростання океанів і розростання континентів. Ці дві групи гіпотез визнають в якості головної ведучої причини тектонічного розвитку Землі фізичні та фізико-хімічні процеси в її надрах. Земна кора вважається такою, що виділилася з надр Землі шляхом виплавлення і підняття вверх найбільш легкоплавких і легких компонент речовини оболонки.

Гіпотези розростання океанів виходять з уявлень, що по всій Землі виділилася земна кора континентального типу. Сам процес міг проходити поступово, наприклад, шляхом нарощування на периферії первинних ядер стабілізації за рахунок консолідації все нових геосинклінальних областей. Ймовірно, до початку мезозою цей процес в основному завершився (а, можливо, ще раніше). У будь-якому випадку в кінці палеозою – на початку мезозою настав новий етап розвитку Землі. На Землі почали утворюватися океани шляхом переробки континентальної кори в кору океанічного типу, яка, таким чином, є вторинною.

До цього на Землі справжніх океанів не було, існували лише мілководні басейни. Цьому відповідає мілководний характер осадочних порід на всіх континетах (Білоусов, 1962; Шейман, 1959). Нерідко визнається, що молоді не всі океани, а лише частина з них (Муратов, 1957; Stille, 1948).

В основі цих уявлень лежать наступні геологічні дані:

— океанічні береги в багатьох випадках обрізають під різними кутами структури континетів, які продовжуються під водою океанів;

— дуже часто спостерігається привнос уламкового матеріалу з боку океанів;

— є випадки, коли в древніх зледеніннях лід просувався з боку океану;

— безперечне існування в давнину зв’язків між континетами, по яким мігрували фауна і флора;

— встановлена мала товщина осадочного покриву на дні океанів. За розрахунками, океани існують з початку мезозою.

Однак в цій групі гіпотез диференціації зустрічаються і суттєві труднощі, які викликають інші гіпотези, згідно з якими кора океанічного типу вважається первинною. Поступово відбувається переробка цієї кори в кору континентального типу за рахунок поступлення речовини з надр Землі. Таким чином, перехідним етапом і є геосинклінальний етап розвитку кори (Магніцкий, 1958; Павловський, 1953; Wilson, 1959).

При використанні гіпотез розростання океанів труднощі полягають в неможливості пояснення, де до утворення океанів була вода. З одного боку, коли океанічні впадини були відсутні, вода покривала би Землю шаром в 3-3,5 км. З іншого боку, немає жодних підстав вважати, що величезні маси води виділилися, починаючи з мезозою, тобто за 2×108 років, у той час як за попередні мільярди років виділилася лише дуже мала кількість води (хоча за цей же час по всій Землі виділилася з її надр потужна континентальна кора). Між тим гіпотези розростання континентів вирішують цю проблему елементарно просто: коли в мантії Землі вміщується 0,5% води, як в кам’яних метеоритах, і процес виділення кори відбувався лише у верхній мантії (до глибин 700-800 км), то, порахувавши, отримуємо 0,5×1025 г води, але континентальна кора займає лише 1/3 поверхні, це складає 1,7×1024 г води. На сьогоднішній день в океанах вміщується 1,5×1024 г води (Виноградов, 1959).

Гіпотези розростання континентів добре узгоджуються і з середнім темпом поступлення речовини з надр Землі в 2,53 км на рік (Тернер, Ферхуген, 1961). Це дає за 3×109 років всю масу кори. Саме виділення легкої і легкоплавкої компонент з оболонки при розігріві Землі та її підняття вверх не зустрічає труднощів при поясненні. Навпаки, прибічники процесу “океанізації” континентальної кори до тепер не запропонували достатнього фізико-хімічного пояснення. Надзвичайно важко зрозуміти, яким чином малощільна речовина кори могла зануритися в гравітаційне поле в щільну речовину мантії. При виділенні кори повинна була вивільнитися гравітаційна енергія 2,6×1016 ерг на 1 см2 поверхні Землі. Щоб повернути речовину кори у вихідне положення , необхідно витратити стільки ж енергії або ще більше.

Така енергія від теплового потоку Землі може бути отримана лише за 20 млн. років (Мостих, 1959). В масштабах океанів такий механізм енергетично неможливий. До того ж і геологічно не спостерігається ознак такої катастрофи. Лоно океанів дивно не сейсмічне, але дуже рівне на великих площах і лежить всюди на одному рівні, причому ніде не збереглося будь-яких рештків колишньої кори. Дещо по-іншому це питання ставить процес еклогитизації, запропонований Білоусовим (1960). Однак і цей процес не знімає труднощів при поясненні природи гранітного шару.

Щоб уникнути багатьох труднощів, які встають перед гіпотезами, і які визнають незмінність положення континентів на земній поверхні, були запропоновані гіпотези дрейфу континентів (Вагенер, 1924; (рис. 12.1). Ці гіпотези швидко втратили свою популярність. Але в останні роки швидкий розвиток палеомагнетизму надало новий поштовх до відродження цих гіпотез. Але вони так і не змогли пояснити походження двох типів кори, не знайдені сили, які викликають подібні переміщення. Незрозуміла однаковість теплового потоку на континентах і океанах.

В останні роки з метою збереженння переваг як гіпотез дрейфу, так і диференціації рядом дослідників стала розроблятися гіпотеза Землі, що розширюється (Іваненко, Сагітов, 1961; та ін.).

За цією гіпотезою, спочатку маленька Земля була вся покрита корою континентального типу. Потім в процесі розширення Землі континентальна кора була розірвана на шматки — континенти, які розійшлися, те, що знайшлося між ними, стало лоном океанів. Ця гіпотеза, дійсно, на перший погляд знімає багато недоліків попередніх гіпотез. Однак і перед нею постає багато труднощів. Незрозуміло, чому Земля існувала мільярди років і не зазнала сильного розширення і лише 200 млн. років потому зазнала гігантського збільшення об’єму. Зовсім незрозуміло, чому виникла концентрація континетів в одній півкулі, а океанів в іншій, що могло викликати таке нерівномірне розширення?! Але ця гіпотеза заслуговує на увагу, коли її застосувати, наприклад, для пояснення розширення при розігріві або до пояснення ряду особливостей будови Землі (утворення середньоокеанічних валів з їх серединною рифтовою долиною, появу Червоного моря; рис. 12.2).

Рисунок 12.1 – Схема Пангеї та її розпад (за А. Вегенером)

а – кінець карбону, б – еоценова епоха, в – початок четвертинного періоду

Питання походження Землі, планет і Сонячної системи в цілому хвилювало людей ще з глибокої давнини. Міфи про походження Землі простежуються у багатьох стародавніх народів. Китайці, єгиптяни, шумери, греки мали своє уявлення про формування світу. На початку нашої ери їх наївні уявлення замінили релігійні догмати, що не терплять заперечень. У середньовічній Європі спроби пошуку істини іноді закінчувалися багаттям інквізиції. Перші наукові пояснення проблеми відносяться тільки до XVIII в. Навіть зараз немає єдиної гіпотези походження Землі, що дає простір для нових відкриттів і їжу для допитливого розуму.

міфологія древніх

Людина — істота допитливе. З давніх-давен люди відрізнялися від тварин не тільки бажанням вижити в суворому дикому світі, але і спробою зрозуміти його. Визнаючи тотальна перевага сил природи над собою, люди стали обожнювати перебіг передвиборних процесів. Найчастіше саме небожителям приписується заслуга створення світу.

Міфи про походження Землі в різних куточках планети значно відрізнялися один від одного. За уявленнями древніх єгиптян, вона вилупилася з священного яйця, зібраного богом Хнума зі звичайної глини. За віруваннями острівних народів, землю вивудили боги з океану.

Теорія хаосу

Ближче всіх до наукової теорії підійшли стародавні греки. За їхніми поняттями, народження Землі сталося з первородного Хаосу, наповненого сумішшю з води, землі, вогню і повітря. Це стикується з науковими постулатами теорії походження Землі. Гримуча суміш елементів хаотично оберталася, заповнюючи все суще. Але в якийсь момент з надр первородного Хаосу народилася Земля — ​​богиня Гея, і її вічний супутник, Небо, — бог Уран. Спільними зусиллями вони наповнили мляві простори різноманітністю життя.

Схожий міф сформувався і в Китаї. Хаос Хунь-тунь, наповнений п’ятьма елементами — деревом, металом, землею, вогнем і водою — кружляв у формі яйця по безмежного Всесвіту, поки в ньому не зародився бог Пань-Гу. Прокинувшись, він виявив навколо себе лише мляву темряву. І цей факт його сильно засмутив. Зібравшись з силами, божество Пань-Гу розломило шкаралупу яйця-хаосу, вивільнивши два начала: Інь і Ян. Важкий Інь опустився вниз, сформувавши землю, світлий і легкий Ян злетів вгору, утворивши небо.

Класова теорія формування Землі

Походження планет, і зокрема Землі, сучасними вченими достатньо вивчене. Але є ряд принципових питань (наприклад, звідки взялася вода), що викликають палкі суперечки. Тому наука про Всесвіт розвивається, кожне нове відкриття стає цеглинкою у фундаменті гіпотези походження Землі.

Знаменитий радянський вчений Отто Юлійович Шмідт, більше відомий за полярним дослідженням, згрупував всі запропоновані гіпотези і об’єднав їх в три класи. До першого належать теорії, які виходять з постулату про утворення Сонця, планет, лун і комет з єдиного матеріалу (туманності). Це відомі гіпотези Войткевича, Лапласа, Канта, Фесенкова, недавно перероблені Рудником, Соботович та іншими вченими.

Другий клас об’єднує уявлення, згідно з якими планети формувалися безпосередньо з речовини Сонця. Це гіпотези походження Землі вчених Джинса, Джеффріса, Мультона і Чемберлина, Бюффона та інших.

І, нарешті, до третього класу належать теорії, які не об’єднують Сонце і планети спільністю походження. Найбільш відома гіпотеза Шмідта. Зупинимося на характеристиці кожного класу.

гіпотеза Канта

У 1755 році німецький філософ Кант походження Землі коротко описав наступним чином: первісна Всесвіт складався з нерухомих пилоподібних частинок різної щільності. Сили гравітації привели їх рух. Відбувалося налипання їх один на одного (ефект акреції), в кінцевому підсумку призвело до утворення центрального розпеченого згустку — Сонця. Подальші зіткнення частинок призвели до обертання Сонця, а разом з ним і пилової хмари.

В останньому поступово утворювалися окремі згустки речовини — зародки майбутніх планет, навколо яких за подібною схемою сформувалися супутники. Утворена таким шляхом Земля на початку свого існування представлялася холодної.

концепція Лапласа

Французький астроном і математик П. Лаплас запропонував дещо відмінний варіант, що пояснює походження планети Земля і інших планет. Сонячна система, на його думку, утворилася з розпеченої газової туманності зі згустком частинок в центрі. Вона оберталася і стискалася під дією всесвітнього тяжіння. При подальшому охолодженні швидкість обертання туманності росла, по периферії від неї відшаровувалися кільця, які розпадалися на прообрази майбутніх планет. Останні на початковій стадії представляли собою розпечені газові кулі, які поступово охолоджувалися і затвердевали.

Недолік гіпотез Канта і Лапласа

Гіпотези Канта і Лапласа, що пояснюють походження планети Земля, були панівними в космогонії аж до початку ХХ століття. І зіграли прогресивну роль, слугуючи основою природничих наук, особливо геології. Головним недоліком гіпотези є нездатність пояснити розподіл всередині Сонячної системи моменту кількості руху (МКР).

МКР визначається як добуток маси тіла на відстань від центру системи і швидкість його обертання. Дійсно, виходячи з факту, що Сонце має більш ніж 90% всієї маси системи, воно повинно мати і високий МКР. Насправді ж Сонце має лише 2% загального МКР, планети ж, особливо гіганти, наділені іншими 98%.

теорія Фесенкова

Зазначене протиріччя в 1960 спробував пояснити радянський вчений Фесенков. Згідно його версії походження Землі, Сонце з планетами утворилися в результаті ущільнення гігантської туманності — «глобули». Туманність володіла дуже розрідженій матерією, складеної в основному з водню, гелію і невеликої кількості важких елементів. Під дією сили гравітації в центральній частині глобули виникло звездообразное згущення — Сонце. Воно швидко оберталося. В результаті еволюції сонячної речовини в навколишнє його газово-пилову середу час від часу здійснювалися викиди матерії. Це призводило до втрати Сонцем своєї маси і передачі створюваним планетам значної частини МКР. Формування планет проходило шляхом акреції речовини туманності.

Теорії Мультона і Чемберлина

Американські дослідники астроном Мультон і геолог Чемберлін запропонували схожі гіпотези походження Землі і Сонячної системи, згідно з якими планети утворилися з речовини газових гілок спіралей, «витягнутих» з Сонця невідомої зіркою, яка пройшла на досить близькій відстані від нього.

Вченими було введено в космогонію поняття «планетезималь» — це згустки, сконденсовані з газів початкового речовини, які стали ембріонами планет і астероїдів.

судження Джинса

Англійський астрофізик Д. Джинс (1919) припустив, що при зближенні з Сонцем іншою зіркою з останньої відірвався сигароподібний виступ, який в подальшому розпався на окремі згустки. Причому з середньої потовщеною частини «сигари» утворилися великі планети, а по її краях — дрібні.

гіпотеза Шмідта

У питаннях теорії походження Землі оригінальну точку зору в 1944 році висловив Шмідт. Це так звана метеоритна гіпотеза, згодом фізико-математично обґрунтована учнями відомого вченого. До речі, в гіпотезі проблема освіти Сонця не розглядається.

Відповідно до теорії, Сонце на одній зі стадій свого розвитку захопило (притягнуло до себе) холодну газово-пилові метеоритне хмара. До цього воно володіло дуже малим МКР, хмара ж оберталося зі значною швидкістю. У сильному гравітаційному полі Сонця почалася диференціація метеоритного хмари по масі, щільності і розмірів. Частина метеоритного матеріалу потрапила на світило, інша, в результаті процесів акреції, утворювала згустки-зародки планет і їх супутників.

У цій гіпотезі походження і розвиток Землі залежно від впливу «сонячного вітру» — тиску сонячного випромінювання, яке відштовхувало легкі газові компоненти на периферію Сонячної системи. Утворена таким чином Земля була холодним тілом. Подальший розігрів зв’язується з радіогенним теплом, гравітаційної диференціацією і іншими джерелами внутрішньої енергії планети. Великим недоліком гіпотези дослідники вважають дуже низьку ймовірність захоплення Сонцем подібного метеоритного хмари.

Припущення Рудника і Соботович

Історія походження Землі до сих пір хвилює вчених. Відносно недавно (в 1984 році) В. Рудник і Е. Соботович представили власну версію походження планет і Сонця. Згідно з їхніми уявленнями, ініціатором процесів в газово-пилової туманності міг послужити близький вибух наднової зірки. Подальші події, на думку дослідників, виглядали так:

1. Під дією вибуху почалося стиснення туманності і освіту центрального згустку — Сонця.
2. Від формується Сонця МРК передавався планетам електромагнітним або турбулентному-конвективним шляхом.
3. Стали утворюватися гігантські кільця, що нагадують кільця Сатурна.
4. В результаті акреції матеріалу кілець спочатку з’явилися планетезимали, згодом сформувалися в сучасні планети.

Вся еволюція проходила дуже швидко — протягом близько 600 млн років.

Формування складу Землі

Існує різне розуміння послідовності формування внутрішніх частин нашої планети. Згідно з однією з них, протоземля представляла собою невідсортоване конгломерат залізо-силікатного речовини. Надалі в результаті гравітації відбувся поділ на залізне ядро ​​і силікатну мантію — явище гомогенної акреції. Прихильники гетерогенної акреції вважають, що спочатку акумулювалось тугоплавке залізне ядро, потім на нього налипали більш легкоплавкі силікатні частинки.

Залежно від вирішення цього питання може йтися і про ступінь первісного розігріву Землі. Дійсно, відразу ж після свого утворення планета почала розігріватися внаслідок спільних дій декількох факторів:

• Бомбардування її поверхні планетезималями, що супроводжувалося виділенням тепла.
• Розпад радіоактивних ізотопів, в тому числі короткоживучих ізотопів алюмінію, йоду, плутонію та ін.
• Гравітаційна диференціація надр (якщо прийняти гомогенну акреції).

На думку ряду дослідників, на цій ранній стадії формування планети зовнішні частини могли перебувати в стані, близькому до розплаву. На фото планета Земля виглядала б розпеченим кулею.

Контракційна теорія освіти материків

Однією з перших гіпотез походження материків була контракційна, по якій горотворення пов’язувалося з охолодженням Землі і скороченням її радіусу. Саме вона служила фундаментом ранніх геологічних досліджень. На її підставі австрійський геолог Е. Зюсс синтезував всі існуючі на той час знання про структуру земної кори в монографії «Лик Землі». Але вже в кінці XIX ст. з’явилися дані, що свідчать, що в одній частині земної кори відбувається стиснення, в іншій — розтягнення. Остаточно звалилася контракційна теорія після відкриття радіоактивності і наявності в корі Землі великих запасів радіоактивних елементів.

дрейф материків

На початку ХХ ст. зароджується гіпотеза дрейфу материків. Вчені давно помітили схожість берегових ліній Південної Америки і Африки, Африки та Аравійського півострова, Африки та Індостану і ін. Першим зіставив дані Піллігріні (1858 г.), пізніше Біханов. Сама ідея дрейфу материків була сформульована американськими геологами Тейлором і Бейкером (1910) і німецьким метеорологом і геофізиком Вегенером (1912). Останній обґрунтував цю гіпотезу в своїй монографії «Походження материків і океанів», яка вийшла в світ у 1915 році. Аргументи, які наводились в захист цієї гіпотези:

• Подібність обрисів материків по обидві сторони Атлантики, а також материків, що оздоблюють Індійський океан.
• Подібність будови на суміжних материках геологічних розрізів позднепалеозойских і раннемезозойских порід.
• Скам’янілі останки тварин і рослин, які свідчать, що древня флора і фауна південних материків утворювала єдину угруповання: особливо про це свідчать скам’янілі останки динозаврів роду лістрозавров, знайдені в Африці, Індії і Антарктиді.
• Палеокліматичні дані: наприклад, наявність слідів позднепалеозойского покривного заледеніння.

Формування земної кори

Походження і розвиток Землі нерозривно пов’язане з горотворенням. А. Вегенер стверджував, що материки, що складаються з досить легких мінеральних мас, як би плавають на підстильному їх важкому пластичному речовині базальтового ложа. Передбачається, що спочатку тонкий шар гранітного матеріалу нібито покривав всю Землю. Поступово цілісність його була порушена приливними силами тяжіння Місяця і Сонця, які впливають на поверхню планети зі сходу на захід, а також відцентровими силами від обертання Землі, які впливають від полюсів до екватора.

З граніту (імовірно) складався єдиний суперматерик Пангея. Він проіснував до середини мезозойської ери і розпався в юрському періоді. Прихильником цієї гіпотези походження Землі був учений Штауб. Потім виникло об’єднання материків північної півкулі — Лавразия, і об’єднання материків південної півкулі — Гондвана. Між ними виявилися затиснуті породи дна Тихого океану. Під материками залягало море магми, по якому вони рухалися. Лавразия і Гондвана ритмічно переміщувалися то до екватора, то до полюсів. При зміщенні до екватора суперматерик фронтально стискалися, при цьому флангами натискаючи на тихоокеанську масу. Ці геологічні процеси багато хто вважає основними чинниками утворення великих гірських масивів. Рух до екватора відбувалося тричі: під час каледонского, герцинского і альпійського горотворення.

висновок

На тему формування Сонячної системи випущено багато науково-популярної літератури, дитячих книг, спеціалізованих публікацій. Походження Землі для дітей в доступній формі викладено в шкільних підручниках. Але якщо взяти літературу 50-річної давності, видно, що на деякі проблеми сучасні вчені дивляться вже по-іншому. Космологія, геологія і суміжні науки не стоять на місці. Завдяки підкорення навколоземного простору люди вже знають, якою бачиться на фото планета Земля з космосу. Нове знання формує нове уявлення про закони Всесвіту.

Очевидно, що для створення з первородного хаосу Землі, планет і Сонця були задіяні могутні сили природи. Не дивно, що стародавні предки зіставляли їх зі звершеннями Богів. Навіть образно неможливо уявити походження Землі, картинки реальності напевно перевершили б найсміливіші фантазії. Але по крупицях знань, зібраних вченими, поступово вибудовується цілісна картина навколишнього світу.