Происхождение Земли

Если радиоактивные отходы сбросить в глубоководный желоб, то, казалось бы, они должны вместе с океаническим дном погрузиться навсегда в мантию. Такая идея была опубликована в журнале «Нэйчур». Однако, как стало ясно в результате последних исследований, структура глубоководных желобов является не такой уж простой, как думали раньше. В частности, предсказывается возможность того, что при погружении океанического дна в мантию осадочные породы, расположенные на поверхности океанической плиты, благодаря упору в верхнюю часть глубоководного желоба могут выдавливаться на континентальную плиту. Если это так, то радиоактивные вещества, направляемые таким путем в мантию, могут вместо этого достигнуть Японских островов.
Кроме того, как недавно установили исследования, часть глубоководных желобов оказалась неожиданно активной в структурном отношении. Осенью 1977 года в ходе работ, являвшихся частью международного проекта глубоководного бурения ИПОД, при исследованиях Японского желоба на северной широте 40° всего в нескольких десятках километров от желоба был обнаружен довольно крупный массив древней суши (древняя суша Оясио). Оказалось, что часть этой суши сложена вулканическими породами неожиданно молодого возраста (22 миллиона лет назад). Погружение в Японский желоб началось, как полагают, более 400 миллионов лет назад. То, что часть глубоководного желоба сложена такими молодыми вулканическими породами, тогда как для захоронения радиоактивных отходов требуются стабильные условия в течение по крайней мере 100 миллионов лет, заставляет признать их неподходящими для этих целей.

Если обобщить все сказанное раньше, то следует признать, что единственным местом, где можно ожидать стабильного тектонического режима земной коры во временных масштабах порядка 100 миллионов лет, является простирающееся между срединно-океаническими хребтами и глубоководными желобами так называемое собственно океаническое дно. Но как можно убедиться в том, что оно действительно остается стабильным на протяжении 100 миллионов лет?
Одна из попыток ответа на этот вопрос связана с исследованиями американских ученых из океанографического института В. Хойла. Выбрав в качестве возможного стабильного участка дна район, расположенный примерно в 1000 километрах к северу от Гавайских островов (31,5° северной широты и 158° западной долготы), они провели его подробное исследование. В этом районе верхние 20—40 метров разреза занимает глубоководный ил. Используя для его отбора специальное устройство (так называемый поршневой пробоотборник), ученым удалось поднять колонку этого ила.
На основании анализа окаменелостей ими было установлено, что самая верхняя часть колонки сложена современными породами, а самая нижняя — позднемеловыми (около 65 миллионов лет назад). Подробное палеонтологическое исследование показало, что за весь этот период не было перерыва в накоплении осадков. Это указывает на то, что на протяжении последних 60 миллионов лет в этом районе не было ничего, что могло бы повлиять на обстановку осадконакопления (например, землетрясений или извержений вулканов).

Кроме того, имеет значение тот факт, что отложение глубоководного ила на протяжении последних 60 миллионов лет происходило в одной и той же обстановке. На разных уровнях в глубоководном иле найдены окаменелости, принадлежащие к различным эпохам. При этом, разумеется, в направлении сверху вниз наблюдался систематический переход от более молодых окаменелостей ко все более древним. Следовательно, пользуясь известным возрастом окаменелостей, можно определить скорость осаждения ила в разные эпохи. Если скорость накопления осадков во время какой-либо эпохи была высокой, ей будет соответствовать сравнительно толстый слой осадков, и наоборот.
Ученые из Океанографического института Хойла установили, что в центре Тихого океана на протяжении последних 60 миллионов лет скорость накопления осадков была почти одинаковой. Этот факт доказывает, что на протяжении нескольких десятков миллионов лет глубоководное дно в центральных районах Тихого океана оставалось очень стабильным.
Каждый импульс расширения океанического дна в Тихом океане сопровождается движением океанической коры к глубоководным желобам, погружением ее в мантию или выдавливанием части ее на континентальную плиту, то есть в сторону Японских островов. Однако, для того чтобы переместиться от центра Тихого океана к Японскому желобу, если считать, что наблюдаемая сегодня средняя скорость останется постоянной, потребуется свыше нескольких десятков миллионов лет. Этот срок можно считать безопасным даже для долгоживущих радиоактивных элементов.

Основываясь на результатах своих исследований, ученые Океанографического института Хойла предложили в качестве способа захоронения радиоактивных отходов запечатывать их в герметичные контейнеры и погружать в глубоководный ил на дне центральной части Тихого океана.
Приведенный выше пример захоронения радиоактивных отходов показывает, как данные изучения истории Земли в масштабе нескольких десятков миллионов лет могут дать конструктивное решение для самых насущных проблем сегодняшнего и завтрашнего дней. Однако, проводя исследования истории Земли, мы, ученые, хотя и получаем время от времени очень конкретные приложения наших исследований, все же в основном ищем ответы на такие наиболее фундаментальные вопросы наук о Земле, как состояние нашей планеты в эпохи, отстоящие от нас на сотни миллионов и миллиарды лет. Прогресс наук о Земле последних лет, основанный на изучении изотопных отношений химических элементов в природе, начинает понемногу проливать свет на почти неисследованное прошлое Земли в эпохи несколько сот миллионов — несколько миллиардов лет назад.

Давайте обобщим все, что мы узнали о длившейся 4,5 миллиарда лет истории.
Как сейчас считают, Земля возникла в Солнечной системе 4,55 миллиарда лет назад. Этот возраст принят по аналогии с возрастом метеоритов, и определить его по горным породам Земли невозможно.
Химические элементы, из которых состоит Земля, образовались гораздо раньше, чем сформировалась наша планета. Оии возникли в ходе реакций нуклеосинтеза, продолжавшихся свыше 10 миллиардов лет. Полагают, что большое влияние на ход этих реакций оказал произошедший вблизи будущей Солнечной системы взрыв Сверхновой звезды. Из образовавшихся элементов вскоре сформировалась протосолнечная туманность, в которой затем началась аккумуляция вещества, приведшая к возникновению Земли.
Между завершением основного процесса нуклеосинтеза элементов и формированием Земли прошло не более 100 миллионов лет. Это установлено из того, что в Земле в момент ее возникновения присутствовал изотоп йод-129 (на присутствие этого изотопа указывает образовавшийся из него ксенон-129).
Спустя не более чем через несколько сот миллионов лет после образования Земли, то есть свыше 4 миллиардов лет назад, сформировалось ядро и почти одновременно с этим произошло крупномасштабное выделение газов из недр Земли, за счет которого сформировалась большая часть современной атмосферы и гидросферы. Это было установлено по изотопному отношению аргона земных недр, времени возникновения магнитного поля Земли и т. п.
Как следует из изотопных отношений стронция и свинца, разделение коры и мантии происходило непрерывно на протяжении почти всей истории Земли.
Активность коры докембрия еще недостаточно для нас понятна. Может ли тектоника плит, замечательно объясняющая геологические явления, начиная с мезозоя, быть применена к докембрию — это является одним из наиболее интересных и важных вопросов. Наиболее древние из известных нам пород земной коры образовались 3,7 миллиарда лет назад.
После палеозоя в течение сравнительно короткого срока, охватывающего 10% истории Земли, главными героями, видимо, стали дрейф континентов и расширение океанического дна. 200 миллионов лет назад бывший до этого единым блоком континент Пангея начал разделяться на части.
В океанической коре и осадочных породах можно проследить начинающуюся с палеозоя и доходящую до нашего времени почти непрерывную хронику земного магнетизма. Выяснилось, что, непрерывно меняя свое направление один раз в несколько сотен тысяч лет, магнитное поле Земли испытывает изменение полярности. Последняя инверсия земного магнитного поля имела место 700 тысяч лет назад.

Хотя рассматриваемые события в истории Земли сами по себе являются очень интересной темой исследований, они, кроме того, могут стать основой для разработки и мощного средства познания современного состояния нашей планеты. В качестве примера можно привести проблему магнитного поля Земли. Считают, что существующие в жидком ядре движения создают земное магнитное поле, действуя подобно токам в статорной обмотке при запуске электрогенератора. Теория происхождения земного магнетизма объясняет, какую форму имеют движения в жидком ядре и как с их помощью непрерывно поддерживается магнитное поле Земли. Однако если основываться только на современных наблюдениях, теория происхождения земного магнитного поля будет неполной, поскольку не учитывает инверсии магнитного поля Земли, являющиеся наиболее фундаментальной его особенностью.
Инверсии магнитного поля Земли можно обнаружить, только исследуя периоды истории Земли с временным масштабом в несколько десятков миллионов лет. С другой стороны, теория происхождения магнитного поля Земли не может быть полной, если она не рассматривает такие продолжительные движения вещества в жидком ядре, способствующие возникновению инверсий геомагнитного поля. Поэтому явления, подобные земному магнетизму, для лучшего понимания требуется рассматривать в масштабе времени от нескольких десятков миллионов до нескольких сотен миллионов лет.

Мы установили, что среднегодовое смещение при дрейфе континентов составляет несколько сантиметров, разделив ширину Атлантического океана на время, в течение которого происходил дрейф континентов. Иначе говоря, мы исходили из предположения, что за 200 миллионов лет материки переместились на 7000 километров. Естественно, материки не могли мгновенно совершить прыжок на 7000 километров, и поэтому наш способ получения средней скорости имеет смысл. Однако делать из этого вывод, что континенты, непрерывно двигаясь, каждый год проходят по 3,5 сантиметра, было бы опрометчиво.
И действительно, дрейфующие континенты скорее всего движутся неравномерно. Иногда за очень короткие сроки они могут перемещаться на большие расстояния (в том числе в ряде случаев в обратном направлении), а иногда в течение весьма длительного времени совершенно не двигаться. Поэтому наблюдения, проведенные за ограниченные короткие промежутки времени, могут дать совершенно неверный результат. И чтобы достоверно установить хотя бы истинное направление движения континентов, потребуются данные, соответствующие масштабу времени от нескольких десятков тысяч до нескольких сотен тысяч лет.
Средняя же скорость дрейфа континентов станет иметь смысл только при исследованиях в масштабе нескольких миллионов лет. Таким образом, дрейф континентов вряд ли является подходящим объектом для обычных физических исследований. Приведенный здесь пример лишний раз показывает, что при изучении явлений, характеризуемых в масштабах времени земной истории, необходимо в качестве средств этого изучения основываться на явлениях соизмеримого временного масштаба (тоже относящихся к истории Земли).

При развитии исследований в области наук о Земле, изучающих чрезвычайно продолжительные и никогда дважды неповторяющиеся явления прошлого Земли, помимо сравнительно простых физико-математических и химических методов, потребовалось создание и своих собственных. Давайте еще раз вернемся к проблеме дрейфа континентов, который сейчас принимается многими учеными, но, правда, не всеми. Однако если бы удалось более непосредственно установить вид дрейфа континентов, то вряд ли кто стал оспаривать их движение в прошлом.
Если разделение Африки и Южной Америки началось около 200 миллионов лет назад, то с учетом сегодняшней ширины Атлантического океана, 7000 километров, скорость движения континентов составит около 3,5 сантиметра в год. За 10 лет дрейф осуществляется примерно на 40 сантиметров. При дальнейшем прогрессе лазерной техники вполне станет возможным обнаружить изменение расстояния такого порядка.
Можно попытаться измерить очень малое изменение расстояния между материками с помощью теодолитной съемки, поместив вершину треугольной измерительной сети на Луну. К сожалению, поскольку вариации расстояния между Луной и Землей известны недостаточно полно, осуществить этот проект, по-видимому, не удастся. И хотя неоднократно предпринимались попытки осуществить подобный эксперимент в пределах Земли, все они заканчивались неудачным исходом.
Что касается экспериментального доказательства дрейфа континентов, дело здесь не ограничивается техническими трудностями, имеются, как мне кажется, и более глубокие причины. Они как раз связаны с необходимостью выйти за рамки физических и химических методов и разработать собственные методы в области изучения истории Земли.

На протяжении предыдущих глав мы пытались проследить простирающуюся более чем на 4,5 миллиарда лет в прошлое историю Земли. На протяжении этого долгого срока происходила непрерывная эволюция Земли, движущей силой которой была энергия распада ядер радиоактивных элементов, содержащихся в ничтожных количествах в горных породах. Этими радиоактивными элементами являются уран, торий, калий-40 и т. п. Все они имеют длительный период полураспада — от нескольких сот миллионов до нескольких миллиардов лет. Однако каким бы длинным »и был период 'полураспада этих элементов, их существование все же не беспредельно, и рано или поздно все содержащиеся в недрах Земли радиоактивные элементы распадутся и иссякнет рассматриваемая здесь движущая сила в развитии Земли.
Если рассматривать историю Земли в большом масштабе, можно сказать, что история и эволюция Земли протекали параллельно именно ритму периода полураспада урана, калия-40 н других радиоактивных элементов. То, что эволюция Земли протекает в очень медленном темпе,— факт, делающий исследования в науках о Земле уникальными. Конечно, явления земной истории не выходят за рамки физических законов. Однако обычные физические явления протекают в пределах времени человеческой жизни, и мы имеем возможность повторно наблюдать и изучать эти явления. Именно возможность повторно воспроизводить изучаемое явление служит основой лабораторных исследований. Если же рассматривать события истории Земли, то, поскольку наша жизнь крайне коротка по сравнению с периодом полураспада урана и калия-40, воспроизводимость явлений совершенно исключается.
При изучении истории Земли в отличие от рассмотрения физических и химических явлений исследования проводятся на основе анализа окаменелостей, оставленных геологическими явлениями. Как мы знаем, в качестве таких «окаменелостей» эффективно могут использоваться зафиксированные в горных породах, атмосфере и гидросфере изотопные отношения элементов. Важным источником информации о возникновении Земли стали метеориты, также являющиеся своего рода окаменелостями, в которых «заморожено» состояние начальных стадий существования Солнечной системы. В качестве «окаменелостей» геомагнитного поля Земли прошлых лет может применяться остаточная намагниченность горных пород.

Это разделение не связано с возрастом пород. Данные, относящиеся к возрасту 3,5 миллиарда лет назад, как и данные, относящиеся к возрасту 1 миллиард лет назад, одинаково отчетливо разделяются на две группы относительно содержания углерода как органического, так и неорганического происхождения. Таким образом, существование органического углерода и, следовательно, живых организмов можно считать достаточно достоверным для периода докембрийской эпохи, относящегося ко времени 3,5 миллиарда лет назад.
Если теперь допустить, что имевшиеся тогда организмы выделяли кислород при фотосинтезе, то некоторое количество кислорода впервые могло появиться в атмосфере еще 3,5 миллиарда лет назад. Однако высказываются суждения, что организмы древнего докембрия (3 миллиарда лет назад) не выделяли кислорода, и поэтому теория Сидоровски нуждается в дополнительных исследованиях. Что же касается эпохи, начинающейся со среднего докембрия, о ней можно без риска сказать, что в то время уже существовал кислород, образовавшийся при фотосинтезе растений.