Географическая оболочка в пространстве и времени

Географическая оболочка в пространстве и времени

В.В. Орленок

§1. Планетарный аспект эволюции географической оболочки

В заключение вернемся к земным географическим проблемам. Географическая оболочка – это область взаимодействия внутрипланетарных (эндогенных) и внешних (экзогенных) космических процессов, которые осуществляются при активном участии органического вещества. Отсюда границы географической оболочки должны определяться условиями, при которых возможно существование белковых тел, составляющих основу жизни на Земле. Нижняя граница регламентируется изотермой 100°С, т.е. располагается на глубине порядка 10 км; верхняя – на высоте 10 – 15 км, под озоновым слоем, экранирующим ультрафиолетовое излучение Солнца, губительное для живого вещества.

Таким образом, толщина географической оболочки составляет 

20 – 25 км и включает верхи земной коры, гидросферу, атмосферу и насыщающее их органическое вещество.

Особенности эволюции географической оболочки определяются в первую очередь темпами накопления свободной воды на поверхности планеты. Именно здесь, в пограничной области, процессы взаимодействия идут наиболее активно, создавая многообразие форм рельефа земной поверхности, очертаний континентальных, морских и океанических областей, разнообразие органического мира, наземных и подводных ландшафтов.

Динамика географической оболочки всецело зависит от энергетики земных недр в зоне внешнего ядра и астеносферы и от энергетики Солнца. Определенную роль играют также приливные взаимодействия системы Земля – Луна.

Проекция внутрипланетарных процессов на земную поверхность и последующее взаимодействие их с солнечным излучением в конечном счете отражается в формировании главных компонентов географической оболочки верхов земной коры, рельефа, гидросферы, атмосферы и биосферы. Следовательно, для выявления закономерностей ее эволюции необходимо исследовать динамику эндогенного режима планеты, эволюции магматизма, свободной воды атмосферы и рельефа земной поверхности. С появлением воды создаются предпосылки для формирования кислородной атмосферы Земли и развитой биосферы.

Современное состояние географической оболочки – результат ее длительной эволюции, начавшейся с возникновения планеты Земля. Правильное понимание процессов и явлений различного пространственно-временного масштаба, протекающих в географической оболочке, требует по меньшей мере многоуровенного их рассмотрения, начиная с глобального – общепланетарного. Вместе с тем исследование процессов такого масштаба до последнего времени считалось прерогативой геологических наук. В общегеографическом синтезе информация этого уровня практически не использовалась, а если и привлекалась, то довольно пассивно и ограниченно. Однако отраслевое подразделение естественных наук достаточно условно и не имеет четких границ. Объект исследований у них общий – Земля и ее космическое окружение.

Как было показано выше, характер эволюции космического объекта зависит от его первоначальной массы. Особенности термодинамики объектов с массой менее 1030 г определяют планетный тип эволюции протовещества, для которого характерно развитие термохимических реакций взаимодействия дигидритов и пероксидов металлов:

МеН2+ МеО2 = Ме + МеО + Н2О + Q.

В результате термохимических реакций, идущих в зоне внешнего ядра Земли, образуются металлы, их окислы, летучие и вода. Легкие продукты реакций и избытки тепла диффундируют под подошву каменной оболочки – перисферы. Из-за более низкой теплопроводности последней они не сразу прорвутся на поверхность планеты, а, скапливаясь под подошвой перисферы, формируют зону вторичного разогрева верхней мантии – астеносферу. Периодическая разгрузка астеносферы от избытков магматического материала, летучих и тепла в результате вулканизма сопровождается формированием в ней разуплотненного пространства. Вышележащая каменная оболочка перисферы, следуя уменьшающемуся объему, пассивно проседает над этими областями, образуя отрицательные формы рельефа на поверхности Земли. Области, где такого проседания не происходит, сохраняются в виде остаточных возвышенностей (см. рис. 89, с. 317). Все это подтверждается приуроченностью трапповых провинций континентов к синеклизам платформ, тесной связью массовых платобазальтовых излияний с образованием океанических впадин в кайнозое (Орлёнок, 1985). Уменьшение объема Земли за счет уплотнения протовещества, диссипации водорода, других газов и продуктов диссоциации воды сопровождается сокращением радиуса планеты и площади ее поверхности. Согласно нашим расчетам, убыль массы за всю историю Земли составила примерно 4,2× 1025 г, что соответствует сокращению объема на 4,0× 1026 см3 и радиуса – на 630 км. Таким образом, рельеф Земли отображает прежде всего уровни различного опускания сферы в ходе общей контракции. Этот процесс неравномерен как в пространстве, так и во времени. Неравномерные вдоль радиуса опускания сферы ведут к образованию разновысотных поверхностей выравнивания.

Иными словами, сокращение поверхности сжимающейся сферы достигается не всеобщим пликативным сжатием ее каменной оболочки, как это предполагалось Эли де Бомоном и Э. Зюссом, исходившими из модели первоначально огненно-жидкой Земли, а опусканием на разные уровни отдельных ее блоков. И в этом главное отличие “холодной” контракции от классической контракции Зюсса помимо ее исходной посылки. Огибающая этих дискретных поверхностей равна по площади начальной поверхности Земли.

Сокращение поверхности Земли вследствие уменьшения ее объема и прогрессирующего уменьшения радиуса ведет к увеличению контрастности и глубины расчлененности рельефа твердой перисферы. Следовательно, размах амплитуды дифференцированности рельефа планеты прямо пропорционален ее возрасту и внутренней активности и обратно пропорционален экзогенному фактору, характеризующему интенсивность разрушения рельефа, что в конечном итоге определяется наличием или отсутствием свободной воды на поверхности планеты. Океанические впадины и континентальные блоки – это наивысшие гармоники контракции, образовавшиеся в ходе глобального сжатия сферы, каменная оболочка которой – перисфера, – проседая над разуплотненными пространствами астеносферы, пассивно приспосабливается к уменьшающемуся объему шара. Впадины и возвышенности в пределах этих главных геотектур – гармоники сжатия более высокого порядка, наложившиеся в более поздние этапы развития Земли в ходе ее контракции.

Следы контракционной эволюции можно наблюдать и на других планетах и звездах. Многократное гравитационное коллапсирование массивных звезд по мере выработки термоядерного горючего считается основой современной теории их эволюции. Энергетику горизонтальных движений в условиях Земли теоретики неомобилизма ищут в механизме мантийной конвекции. В условиях звезды такой механизм подтверждается наблюдениями и обоснован теоретически. На холодной и неоднородной планете, где преобладают гравитационные силы сжатия, существование такого механизма постулируется. Однако надежные доказательства его существования вряд ли могут быть найдены. Термодинамические условия на планетах и звездах различны, отсюда различна и динамика их внешних оболочек. Мобильность плазменной оболочки предопределена необходимостью переноса избытка тепла из недр звезды. Горизонтальная мобильность каменной оболочки планеты в условиях отсутствия сплошного атмосферного слоя не имеет удовлетворительного энергетического объяснения.

Когда и как образовалась земная гидросфера, и каковы пути ее дальнейшей эволюции? Это оставалось вне внимания исследователей. Вместе с тем вода – главнейший итог эволюции протовещества. Ее постепенное (до рубежа между мезозойской и кайнозойской эрами) накопление на поверхности планеты сопровождалось вулканизмом и разноамплитудными нисходящими движениями перисферы. Это в свою очередь определило ход эволюции газовой оболочки, рельефа, соотношение площади и конфигурации суши и моря, а с ними и условий седиментации, климата и жизни. Иными словами, вырабатываемая планетой и выносимая на поверхность свободная вода, по существу, обусловила ход эволюции географической оболочки. Без нее облик Земли, ее ландшафты, климат, органический мир были бы совершенно иными. Прообраз такой Земли легко угадывается на безводной и безжизненной поверхности Венеры, отчасти Луны и Марса.

Рубеж мезозоя и кайнозоя характеризуется ускорением выноса свободной воды на поверхность Земли в результате спонтанной дегидратации протовещества (Орлёнок, 1983, 1985). Внешним проявлением этого процесса явилась океанизация Земли. Это общепланетарный процесс, включающий дегидратацию, массовый вулканизм и опускание обширных сегментов перисферы. Стадия океанизации наступает в финале эволюции протопланетного вещества, а общая длительность этого процесса в условиях Земли определяется в 140 – 160 млн. лет.

В ходе океанизации происходит формирование континентальных массивов, постепенное увеличение контрастности их рельефа. Скорость и объемы перемещения протовещества из астеносферы на поверхность Земли и последующая их дезинтеграция и размыв в период океанизации, по-видимому, были значительно выше, чем в доокеаническую эпоху.

Для предшествовавших этапов эволюции были характерны лишь более или менее равномерно распределенные по земной поверхности мелководные морские бассейны. Это подтверждается преимущественно мелководным обликом осадков палеозоя и мезозоя в пределах континентальных блоков, отсутствием широтной дифференциации климата и относительно слабой расчлененностью рельефа. В таких условиях темпы эволюции географической оболочки, включая накопление, перемещение и денудацию выносимого из астеносферы материала, были по меньшей мере на порядок менее интенсивными, чем в эпоху океанизации.

Современные темпы денудации земной поверхности, оцениваемые по объему и массе твердого стока, соответствуют толще срезаемых пород примерно 0,8 км/107 лет. Они сохранились в среднем такими лишь в последние 60 – 70 млн. лет, т.е. после начала образования океанических бассейнов и обособления современных континентов. Ускорение процессов денудации вызывалось увеличением амплитуды рельефа и понижением базиса эрозии. Следовательно за 60–70× 106 лет мощность переработанной коры составила примерно 5 – 6 км.

В раннем фанерозое и докембрии скорость денудации слабо расчлененной земной поверхности была, вероятно, на порядок ниже, т.е. за 3,9× 109 лет мощность переработанной коры составила примерно 31 км. Общая мощность дезинтегрированных и окисленных пород за 4× 109 лет составила 35 – 37 км. Полученная оценка, хотя и весьма приблизительна, сопоставима со средней мощностью земной коры, равной 33 км. Можно предположить, что граница Мохоровичича в ряде случаев представляет погребенную поверхность протопланеты, сложенную веществом возраста более 4× 109 лет. Вся вышележащая толща сформирована вулканическим материалом, переброшенным из астеносферы на поверхность планеты. Дезинтеграция, окисление и горизонтальный перенос этого материала при взаимодействии с солнечным теплом, водой и биосферой совместно с процессами метаморфизма в ходе нисходящей ундуляции перисферы и создали наблюдаемое многообразие форм и состава земной коры – важнейшего элемента географической оболочки.

Важнейшим показателем внутренней активности планеты и эволюции географической оболочки является земная гидросфера. Длительное время существовали представления о постоянстве ее объема или небольших и равномерных поступлениях за геологическое время. Однако количественные оценки эндогенных поступлений и фотолитических потерь земной гидросферы показали, что до рубежа мезозоя и кайнозоя скорость выноса свободной воды на поверхность Земли была на порядок ниже, чем в последние 70 млн. лет.

До юры она составляла порядка 0,01 мм/100 лет и в кайнозое более 0,1 мм/1000 лет, причем в последние 1 – 2 млн. лет достигла наивысшего значения – 0,6 мм/1000 лет (Орлёнок, 1985). Зная общую массу вулканического материала, можно определить количество воды, принесенное вулканами на земную поверхность за 4× 109 лет геологической активности. Поскольку переработке подвергалось протовещество, в котором содержится в среднем 5% воды, от общей массы вулканического материала – 3,6× 1025 г – это составит 1,8× 1024 г. Потери на фотолиз за это время при средней скорости 7,0× 1015 г/год составили бы 2,8× 1024 г. Но это при условии, что площадь зеркала морей и проокеана была соизмерима с современной. Однако это почти в 2 раза превышает общую массу воды, переброшенной на поверхность Земли за время ее геологической активности. Отсюда мы получаем еще одно независимое свидетельство, что в докайнозойское время Мирового океана современных размеров не существовало на поверхности планеты, а общая площадь морских бассейнов была более чем на порядок меньше современной общей площади зеркала вод морей и океана. Только при таком соотношении суши и моря приведенное значение фотолитических потерь (которые зависят в первую очередь от площади поверхности испарения) должно быть уменьшена на порядок ~ 1,8× 1023 г. Современный Мировой океан содержит воды 1,6× 1024 г. Общая масса вынесенной на земную поверхность воды оценивается величиной 4,2× 1024 г. Часть воды поступила невулканическим путем (по глубинным разломам, сольфатарам, фумаролам, ювенильные воды). За последние 70 млн. лет темпы выноса воды возросли более чем на порядок и составили 2,2× 1024 г. Таким образом, почти половина выработанной планетой воды поступила на земную поверхность за период океанизации, т.е. за последние 60 млн лет.

Отсюда видно, что Мировой океан – молодое геологическое образование преимущественно кайнозойского возраста. Никогда ранее на Земле не было подобного глубоководного и обширного резервуара свободной воды. Тщетно искать следы древних океанов на современной суше – их там никогда не было. Об этом свидетельствует и преимущественно мелководный облик осадков палеозоя и мезозоя континентальных платформ и океанических котловин.

Расчеты показывают, что Земля еще в состоянии произвести около полутора объема вод Мирового океана. При сохранении современных темпов дегидратации это займет еще примерно 60 – 70 млн. лет, после чего ресурсы протовещества будут выработаны и поступление воды на поверхность полностью прекратится. При отрицательном балансе водных поступлений и современных темпах фотолиза планета может полностью потерять водную оболочку через 25 – 30 млн. лет.

Каковы прогнозы на более близкую перспективу?

При наблюдаемых темпах поступления эндогенной воды 0,6 мм в 1000 лет через 10 тыс. лет уровень океана поднимается на 6 м. Это неизбежно будет сопровождаться ускорением таяния полярных ледников Гренландии и Антарктиды. Их исчезновение повысит уровень в ближайшие тысячелетия еще на 63 м, что приведет к затоплению всей низменной суши, треть которой лежит на отметке ниже 100 м. Через 100 тыс. лет уровень моря поднимется еще на 60 м и достигнет +120 – 130 м.

Под водой окажутся все равнины Земли. В дальнейшем подъем уровня воды замедлится, пока темпы фотолитических потерь не превысят темпы эндогенных поступлений. Согласно нашим расчетам, максимум океанизация достигнет в ближайшую сотню тысяч лет, а затем начнется падение уровня океана. Таким образом, океанизация – это финал эволюции планетного вещества, а продолжительность его в условиях Земли составляет 120 – 140 млн. лет.

Анализ эволюции географической оболочки будет неполным, если не рассмотреть еще один ее компонент – атмосферу. Как и гидросфера, газовая оболочка Земли формировалась за счет дегазации и вулканизма из зоны астеносферы. В связи с этим следовало бы ожидать, что ее состав будет близок составу глубинных газов, т.е. она должна содержать Н2, СН4, NН3, Н2S, СО2 и др. Вероятно, такой состав был в глубоком докембрии. С началом фотолиза паров выносимой воды в атмосфере образовались атомы водорода и свободный молекулярный кислород. Свободные атомы водорода поднимались в верхние зоны атмосферы и диссипировали в космос. Молекулы кислорода достаточно велики, чтобы диссипировать, поэтому, опускаясь в нижние зоны атмосферы, они становятся ее важнейшим компонентом. Постепенно накапливаясь, кислород положил начало химическим процессам в земной атмосфере. Благодаря химической активности кислорода в первичной атмосфере начались процессы окисления глубинных газов. Образовавшиеся при этом окислы выпадали в осадок. При этом часть газов, в том числе и метана, осталась в коллекторах земной коры, дав начало глубинным залежам нефти и газа.

Фотолитическое образование кислорода атмосферы было основным процессом в начале эволюции Земли. По мере очищения от глубинных газов формировалась вторичная атмосфера на основе углекислоты и двуокиси азота, создавались условия для появления фотосинтезирующих сине-зеленых водорослей и бактерий. С их появлением процесс насыщения атмосферы кислородом значительно ускорился. При ассимиляции углекислоты зелеными растениями образовывался кислород, а почвенными бактериями – азот.

По мере накопления свободной воды на поверхности Земли и появления многочисленных морских бассейнов происходит связывание СО2 атмосферы и химическое осаждение доломитов. Повсеместное интенсивное химическое доломитообразование, по Н.М. Страхову (1962), завершается в палеозое и замещается биогенным. Следовательно, в палеозое происходит постепенное уменьшение содержания СО2 в атмосфере и щелочного резерва в морских водах.

Неустойчивая вторичная атмосфера в конце палеозоя переходит в третичную, состоящую из смеси свободного азота и кислорода, причем количество кислорода продолжало накапливаться и в последующее время. Степень устойчивости этой современной атмосферы определяется массой планеты и характером ее взаимодействия с жестким солнечным излучением.

Земля непрерывно теряет газы с молекулярным весом менее 4, т.е. водород и гелий. Время полной диссипации атмосферного водорода при температуре газовой оболочки 1600 К составляет всего 4 года, гелия – 1,8 млн. лет, кислорода – 1029 лет. Следовательно, постоянное присутствие в атмосфере водорода и гелия свидетельствует о непрерывном пополнении ее этими элементами за счет глубинных газов. Диссипация начинается с высоты наибольшего разряжения атмосферы, т.е. примерно с 500 км. Этот факт подтверждает действенность механизма фотолиза и эффективную потерю массы Землей (Ермолаев, 1975).

Таким образом, эволюция химического состава атмосферы происходила в тесной взаимосвязи с темпами накопления свободной воды на поверхности Земли и формированием морских седиментационных бассейнов. Вплоть до середины палеозоя (карбона), когда наземная растительность распространилась повсеместно, атмосферный кислород накапливался преимущественно фотолитическим путем. Начиная с карбона этот процесс усилился за счет фотосинтеза.

Изменение органического мира мезозоя и кайнозоя, по-видимому, обусловлено в немалой степени “кислородизацией” атмосферы.

В ходе эволюции географическая оболочка осваивалась и насыщалась органическим веществом. Адаптируясь к изменяющимся условиям, биосфера прошла длинный путь от простейших одноклеточных до сложных многофункциональных органических систем, венцом которых около 50 тыс. лет назад стал homo sapiens. “Человек, как всякое живое вещество, есть функция биосферы, – писал В.И. Вернадский, – а взрыв научной мысли в 20-м столетии был подготовлен всем прошлым земной биосферы”. Постепенная цивилизация человечества явилась не чем иным, как формой организации этой новой геологической силы на поверхности Земли.

Homo sapiens как активный фактор географической оболочки в отличие от остальной существующей с ним биосферы характеризуется наличием разума, а с точки зрения экологии разум – это высшая способность целесообразно реагировать на изменение внешних условий.

Из проведенного анализа также видно, что современный баланс суши и моря оказывается величиной непостоянной. Становится также понятным, что зарождение и развитие земной цивилизации пришлось на лучшую пору эволюции географической оболочки в смысле сбалансированности суши и моря, климатических условий, органического мира и т.д. Однако уже в ближайшие столетия цивилизации придется вести трудную борьбу с наступлением океана, приспосабливаться к новым условиям существования. Многие страны Средиземноморья и Европы начиная с XII века уже ведут эту борьбу, возводя дамбы и плотины на морском побережье и в устьях рек.

Будущее Земли в значительной мере зависит от ее внутренних ресурсов. А эти ресурсы, как мы видели, еще достаточно велики.