Изучение истории формирования земной коры могут быть наиболее полно и глубоко выявлены лишь при правильном понимании места нашей планеты в Солнечной системе, Галактике, Вселенной. Земля формировалась из космического материала, испытывает непрерывное его поступление и другое воздействие космоса, характеризуется разнообразными движениями и перемещениями, которые необходимо знать и учитывать. Вместе с тем, она обладает рядом уникальных особенностей строения и развития, отличающих ее от всех других тел Солнечной системы. Обычно такие сведения студентам геологических специальностей подаются в «Общей геологии»; здесь выбрана информация, которая понадобится для понимания историко-геологического развития.
Изучение Земли в мировом пространстве позволило обосновать представления о Вселенной – бесконечном и вечно существующем космическом окружении. В ее составе выделяется система галактик, или гигантских звездных скоплений. Количество звезд в галактиках может достигать многих сотен. Наша Галактика, включающая Солнечную систему, не является единственной во Вселенной. Интересной ее особенностью является существование двойных звезд, вращающихся друг вокруг друга. По некоторым представлениям наша Солнечная система также состоит из двух звезд; вторая невидимая ее часть получила наименование Немезиды. Результатом взаимодействия таких двух звезд нашей системы является, как считают некоторые исследователи, периодическое проявление бомбардировки Земли крупными космическими телами – метеоритами.
Вплоть до XVI века существовали представления, что центром мироздания является Земля. Лишь Н. Коперник в работе «Об обращении небесных шаров» обосновал гелиоцентрическую систему мира, центром которого стало Солнце. Позднее эти взгляды были существенно дополнены и развиты. Ученых древности и особенно современных астрономов и геологов интересовало и интересует происхождение Земли и Солнечной системы.
Солнечная система, находящаяся на окраине нашей Галактики, совершает, по разным представлениям, полный оборот вокруг ее центра за 190-300 млн. лет (в последнее время оно чаще определяется значениями в 235-250 млн. лет). В ее составе известно 9 планет. К планетам земной группы относятся Меркурий, Венера, Земля, Марс, а к так называемым внешним планетам – Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Радиус Солнечной система 5,9 млрд. км (от Земли до Солнца 149,51 млрд. км). Большинство планет окружено спутниками, которых насчитывается более 40. Распределены они неравномерно: у Меркурия и Венеры их нет, а у Юпитера и Сатурна – 16 и 17 соответственно.
Кроме планет и их спутников в Солнечной системе существуют другие космические тела. Главнейшие среди них – астероиды, метеориты, кометы. Астероиды – небольшие космические тела, самые крупные из которых имеют в поперечнике менее 1000 км. Между орбитой Марса и Юпитера насчитывается несколько тысяч таких тел. Эту зону астероидов называют иногда «каменоломней Солнечной системы». По одному из представлений они являются не успевшей еще сформироваться планетой, а по другому – продуктом разрушения планеты Фаэтон. Наиболее важной задачей современного их изучения является установление возможности столкновения с Землей наиболее крупных представителей этой группы и предупреждение такого события.
Метеориты – небольшие тела, попадающие из межпланетного пространства в зону притяжения Земли. Большинство метеоритов сгорают в атмосфере, а некоторые – достигают поверхности планеты. Геологов интересуют как следы их падения (метеоритные кратеры, или импактные структуры), так и сами сохранившиеся остатки этих космических тел; по результатам их изучения делают предположение о составе внутренних зон Земли и даже ее возрасте. Среди метеоритов выделяются железные и каменные. Источником метеоритного вещества могут быть разрушающиеся астероиды или кометы. Возраст большинства метеоритов определяется в 4,6 млрд. лет, что совпадает с предполагаемым возрастом Земли.
Кометы – в переводе с греческого они обозначают «звезда с хвостом». Их происхождение и состав до сих пор вызывают наиболее острые дискуссии. Предполагают, что ядро кометы на 75% состоит изо льда и на 25% – пыли и каменного материала. Их хвост направлен в сторону, противоположную Солнцу. Период обращения комет вокруг Солнца составляет обычно не более 200 лет. Так, для наиболее известной кометы Галлея он составляет 76 лет. Некоторые исследователи предполагают важную роль воздействия этих космических тел на развитие органического мира Земли.
Само Солнце понимается как небольшая звезда (звезда-карлик) с диаметром 1,39 млн. км. Однако, он в 190 раз больше земного. Средняя плотность Солнца 1,41 г/см3. Судя по спектральному анализу, оно на 90% состоит из водорода и на 10% из гелия. Все планеты вращаются вокруг Солнца по орбитам, лежащим практически в одной плоскости. Планета Уран имеет обратное вращение.
Человека издавна интересовало происхождение Солнца, Земли,других планет. Первоначально эти представления имели форму мифов или других сказочно-фантастических предположений и связывались с действиями богов и чудовищ. Утвердившиеся гелиоцентрические взгляды, по которым в центре нашей системы располагалось Солнце с вращающимися вокруг него планетами, заставили искать другие объяснения.
В числе первых гипотез о происхождении Земли были представления Ж. Боффона (1745), предположившего, что наши планеты образовались в результате удара о Солнце крупной кометы. Впоследствии такие взгляды были модернизированы Т. Чемберлином (1901), Ф. Мультоном (1905) и Дж.Х. Джинсом (1919), согласно которым рождение планет было результатом приливного притяжения прошедшей возле Солнца другой звезды: именно она «вырвала» из него сгустки раскаленного вещества, впоследствии остывшего и превратившегося в планеты нашей системы.
Вероятно, первая серьезная попытка создать картину происхождения Солнечной системы была предпринята И. Кантом (1755), а затем уточнена П. Лапласом. Они считали, что Солнце и планеты образовались из вращающейся газопылевой туманности. В результате такого вращения вокруг плотного ядра туманность превратилась в огромный диск, который затем разделился на оставшееся раскаленным Солнце, а также планеты и их спутники. Представления о первоначально расплавленной Земле существовали еще в течение всего XIX ст. В геологии эта идея нашла отражение в гипотезе контракции, по которой образование складок и разломов в земной коре произошло за счет остывания нашей планеты.
В 1944 г. О.Ю. Шмидт предложил гипотезу образования нашей системы в результате прохождения Солнца через холодное газопылевое облако. Планеты сформировались в результате взаимного притяжения и слипания (аккереции) данного метеоритного вещества, начавшего вращаться вокруг Солнца. Такие представления хорошо подтверждались расчетами масштабов современного поступления на Землю космического вещества. Если бы оно поступало с такой же интенсивностью как сейчас, то наша планета могла бы сформироваться за 7 млрд. лет. Учитывая, что на ранних этапах истории, а также в какие-то другие моменты этот процесс был более активным, данная гипотеза хорошо подтверждает существующие взгляды на возраст составных элементов Солнечной системы.
Ф. Холл в середине XX ст. предположил, что Солнечная система, состоявшая из двух звезд, образовалась в результате взрыва второй звезды, давшей материал для создания планет. Эти и ряд других аналогичных гипотез, хотя и отличаются по механизму космического планетообразования, но исходят из представления об общем веществе и близком времени формирования всей Солнечной системы. Земля прошла путь почти в 5 млрд. лет прежде, чем приобрела современный вид. Рассмотрение истории и условий формирования земной коры лежит уже в сфере интересов геологии.
Разделы «Земля в космическом пространстве» («Вселенная и ее строение», «Солнечная система») и общие представления о нашей планете являются составными частями школьных учебных планов по общей и региональной географии. Не будем здесь их повторять. Вместе с тем, ряд важных вопросов, которые разрабатывались в последние десятилетия, в этих программах отсутствует. Попробуем дополнить их, что полезно будет знать не только учителям, но и широкому кругу читателей.
Изучая планеты Солнечной системы, сравнивая их размеры, движения и другие параметры, мы всегда отмечаем существенные отличия Земли, неповторимость многих особенностей строения и развития, что позволяет формулировать представления о ее уникальности. Она заключается в том, что только наша планета имеет мощную гидросферу, которая покрывает три четверти ее поверхности. Не менее мощной и практически сплошной является подземная гидросфера – менее знакомые нам подземные воды, насыщающие верхнюю часть земной коры. Это обусловливает разнообразие ее природных процессов, в том числе активное химическое выветривание, формирование мощных толщ осадочных пород, составляющих иногда первые десятки километров. Только на Земле существует жизнь, точнее даже высокоразвитая биосфера, формирующаяся на протяжении примерно 3,5 млрд. лет. Это сопровождается накоплением большого объема продуктов ее жизнедеятельности; мощности так называемых органогенных или биогенных пород достигают местами первых сотен метров.
Еще одной особенностью Земли, чему обычно не уделяют достаточного внимания, следует считать мощное магнитное поле, образующее активные радиационные пояса планеты. Земное магнитное поле является в 104 раз более мощным, чем у Марса, и в 107 – чем у Меркурия. Это сыграло важную, а в чем-то и определяющую роль в развитии нашей биосферы. Наконец, у Земли имеется только один спутник – Луна, однако размеры его близки к нашей планете. И хотя радиус Луны в 3,7 раза меньше земного, а масса в 82 раза уступает нашей, в целом, систему Земля–Луна рассматривают иногда как двойную планету. А это, по некоторым представлениям, не только обусловило своеобразие Земли, но и стало причиной ее уникальности в целом. В частности, такую точку зрения или даже концепцию развивает В.Б. Шмакин (1990).
Под действие силы притяжения Луны и Солнца возникают периодические колебания уровня океана – хорошо известные нам приливы и отливы. Подобные движения гидросферы происходят два раза в сутки, и превышение уровня океанских вод достигает местами 10-12 и даже 16-17 м. Намного меньше мы знаем о так называемых твердых приливах – аналогичных ежедневных поднятиях и опусканиях земной поверхности, которые должны обусловить трение в верхней ее зоне и, как следствие, – дополнительно наращивать величину ее электромагнитного поля. Формирование мощной магнитосферы, ее радиационных поясов–экранов защищало и защищает образовавшуюся и развивавшуюся на Земле жизнь от ионизирующего воздействия космоса.
Развитию уникальности способствовал ряд других причин. Если бы Земля была меньшей и более легкой, то существовавшая сила тяготения обусловила бы исчезновение части ее атмосферы. Такое явление мы наблюдаем на Луне, а также Меркурии и Марсе. И, наоборот, если бы Земля была большей и более тяжелой, с большей силой тяготения, то таким легким газам как водород и гелий потребовалось бы больше времени, чтобы покинуть нашу атмосферу. Это нарушило бы оптимальное нынешнее равновесие в ней газов, которое мы считаем наиболее приемлемым для развития современной жизни.
Еще одной особенностью Земли является ее почти круглая орбита. При более вытянутой ее форме органический мир страдал бы от непрерывных резких перепадов температуры и не мог бы иметь современный уровень развития. Большие планеты Солнечной системы – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун – вращаются вокруг Солнца на безопасном для нас расстоянии. Они не несут с собой угрозу жизни на Земле. И даже наоборот, – являются своеобразным экраном, «небесным пылесосом», по образному выражению некоторых специалистов, спасающим нас от активной космической бомбардировки. Таким образом, идеальное, с точки зрения современного состояния органического мира, размещение Земли в Солнечной системе, благотворное воздействие Луны и больших планет создали условия для зарождения жизни и активного развития биосферы и, в конечном счете, той уникальности, что наша планета имеет.
В числе вероятно главных проблем исторической геологии следует считать объемы и закономерности поступления космического материала на нашу планету. Вероятно, главную часть поступающего на поверхность Земли космического материала составляли метеориты – каменные, железные и железно-каменные тела, частично сгоревшие в атмосфере или упавшие на планету. Мы и сейчас периодически можем наблюдать данное явление. Поступление такого материала было неравномерным. Наиболее интенсивной была бомбардировка в интервале времени 4,3-3,9 млрд. лет назад, следы которой нашли отражение в формировании крупных кольцевых структур с диаметром 500–3800 км, получивших наименование нуклеаров. В настоящее время детально изучено несколько десятков таких структур. Именно с этим явлением связывают первичную дифференциацию вещества верхних зон планеты, формирование древнейших ее овоидно-кольцевых систем.
Определенный интерес имеют начавшие развиваться сейчас представления о том, что космическая бомбардировка могла быть одной из причин формирования на Земле некоторых полезных ископаемых и изменения климатов. Недавно появилась гипотеза о том, что накопление железных руд, имевшее место 2,3 млрд. лет назад, является не только результатом жизнедеятельности особых железобактерий, развивавшихся в своеобразных геохимических условиях того времени, а в первую очередь из-за встречи нашей планеты с громадным поясом железных метеоритов. Следствием этого стало формирование крупнейших на Земле железорудных скоплений, известных в Криворожье, КМА, на Балтийском и Канадском щитах и во многих других регионах, а также удоканских медных руд Алдана. Интересно, что по времени с этим накоплением железных и других руд совпадает наиболее древнее из известных оледенений, названное гуронским. Конкретная причина такой связи не имеет однозначного пока объяснения, но факт его совпадения может трактоваться как важная причинно-следственная связь земных и небесных событий.
Наиболее детально изученной следует считать космическую бомбардировку последних 500–600 млн. лет, результатом которой стало формирование свыше полутораста известных сейчас метеоритных кратеров, или импактных структур. Наиболее крупными из них являются Попигайский (Россия) и Вредефорт (ЮАР), диаметры которых достигают 100 и 140 км соответственно. Около 10 % этих структур имеют размеры свыше 30 км и примерно два десятка относятся к мелким (диаметр 0,01-2 км). В результате специальных исследований (определение абсолютного возраста образовавшихся при ударе пород – импактитов) удается датировать время падения метеоритов, что позволяет изучать закономерность развития этого процесса во времени.
Анализ возраста кратеров показывает, что бомбардировка была неравномерной во времени: она образует своеобразный ритм, повторяющийся примерно через 26 млн. лет. В отдельные из таких моментов истории земной коры зафиксировано падение 4-5 подобных больших метеоритов. В частности, это имело место 13, 40, 65, 90, 100, 167, 300, 350 млн. лет назад. Фактическое же количество упавших метеоритов было намного большим. Это явление условно можно называть большой космической бомбардировкой. Интересно и другое: такая бомбардировка совпадает по времени с активизацией тектоно-магматических процессов, проявлением так называемых тектонических фаз, разграничивающих эпохи разной тектонической подвижности, эпизодичного магматизма. Кроме того, она стала причиной различного рода вымираний или эволюционных скачков в развитии органического мира. Об этом мы уже говорили при рассмотрении тектонических движений и крупнейших катастроф.
Необходимо обратить внимание еще на одну форму поступления на земную поверхность космического материала, который можно называть рассеянным. Это практически непрерывный процесс сгорания в атмосфере небольших метеоритов, распыленные продукты которых известны на Земле как тектиты, влтавиты и другие мелкие оплавленные частицы неземного происхождения. Такое поступление также не было равномерным. В частности, 10 тысяч лет назад сформировался гигантский Австрало-Азиатский тектитовый пояс. Он резко активизировал сейсмо-вулканическую деятельность и, вероятно, стал главной причиной быстрого таяния льдов в приполярных районах, обусловил начало нынешнего голоценового потепления.
По данным А.П. Лисицына, годовое поступление в Мировой океан космогенного материала составляет лишь 0,02 % от общего количества приносимых в него осадков. Однако это непрерывно действующий процесс, а в отдельные моменты истории темпы его резко возрастали (большая космическая бомбардировка и др.). Кроме того, это не внутрипланетный круговорот вещества, а поступление его на Землю извне. Ранее мы уже говорили, что если бы темп поступления космического вещества был таким, как сейчас, то наша планета сформировалась бы за 7 млрд. лет. Это, вероятно, наиболее яркая характеристика роли космического фактора в формировании Земли, земной коры, ее истории.