Строение планеты земля

Теория Строение Земли

На Ньютона при разработке его теории отчасти оказал влияние труд Уильяма Гильберта, придворного врача королевы Елизаветы I, написавшего первый геофизический трактат, в котором он представил объяснение магнитного поля Земли. Ньютон не мог непосредственно проверить свою теорию тяготения, так как для этого надо было бы измерить в лаборатории очень малые силы, действующие между двумя массами. Однако он теоретически доказал, что под действием силы тяжести и центробежной силы Земля должна иметь экваториальное вздутие. Попытки французов измерить форму Земли привели сначала к выводу, что наша планета вытянута вдоль своей оси. Чтобы решить этот вопрос, Французская академия организовала в течение десятилетия (1735-1745 гг.) экспедиции к различным широтам, и с помощью собранных материалов было доказано, что экваториальное вздутие существует, т. е. что Земля не растянута, а сплюснута вдоль оси.
Создание Ньютоном теории тяготения и законов движения знаменует собой водораздел в развитии современной науки, отделяя ее от средневековой веры и алхимии. Поэтому нам кажется поразительным тот факт, что сам Ньютон считал многие свои научные открытия лишь незначительной частью своей работы, а большая часть его сочинений, содержащих 20 миллионов слов, относилась к вопросам теологии и к таким почти невообразимым темам, как топология (т.е. поиски местоположения-Перев.) ада.
Прогресс в геологии не был столь драматичным. Это наука описательная, и первые исследователи могли выяснить ее закономерности только путем кропотливого накопления многочисленных наблюдений, а не в результате изящных математических озарений, как это было в астрономии и физике.

Изучение слоев горных пород планеты земля

Однако изучение слоев горных пород, имевшее практическое значение для горного дела и строительства, было только началом систематической геологии. Постепенно утвердилась идея об отложении осадков из воды, но содержащиеся в этих осадках окаменелости вызывали большое смущение и споры. В средние века и позднее к окаменелостям относили не только остатки животных и растений, но и странной формы минеральные образования. Предполагалось к тому же, что окаменелости могут самозарождаться в горной породе. Но уже Леонардо да Винчи (1452-1519) хорошо понимал, что окаменелости, обнаруженные глубоко в земле,-это остатки давно погибших существ и что их нельзя связывать с библейским потопом. Стенон (1638-1686) четко сформулировал и доказал некоторые правила стратиграфии; он, например, вывел закон суперпозиции (закон напластования), согласно которому самый нижний слой должен быть самым древним; тем самым Стенон проложил дорогу геологическому картированию по относительному возрасту пород.

Уильям Смит (1769-1839), инженер-геодезист и строитель каналов, использовал эти идеи на практике; кроме того, он использовал окаменелости для сопоставления слоев горных пород, наблюдаемых в разных местах. В 1815 г. Смит составил первую (раскрашенную вручную) геологическую карту Британии, а на следующий год опубликовал книгу об использовании окаменелостей для разделения горных пород по их возрасту («Strata identified by organised fossils»).
В научном методе глубоко укоренился принцип, известный как принцип «бритвы Оккама» , согласно которому для объяснения чего-либо не следует применять две гипотезы, если можно обойтись одной. Но некоторые геологи доводят экономию гипотез до фанатизма и провозглашают всеобъемлющую ценность своих теорий, забывая, что если в лаборатории все условия тщательно контролируются, то за ее пределами могут одновременно действовать многие, не связанные между собой процессы. Например, нептунисты поднимали значение воды при формировании горных пород до такой степени, что объясняли этим ни много ни мало как образование всей твердой Земли. Эту теорию отстаивал Абрахам Вернер (1750-1817), профессор Фрейбергского университета, считавший, что практически все породы образовались либо путем осаждения, либо в результате кристаллизации в Мировом океане.

Теория была простой, но многие ее положения были произвольными, и их нельзя было проверить. Нерешенной проблемой оставался неизвестный, но очень большой объем воды, причем не только потому, что вода должна была исчезнуть после первого образования пород, но и потому, что она должна была возвращаться в последующие эпохи отложения осадка (библейский потоп считался только самой поздней из многих таких эпох).
Нептунистам противостояли плутонисты. Принципы их учения были выражены сэром Джеймсом Геттоном (1726-1797) из Эдинбурга в книге «Теория Земли»-одном из важнейших геологических произведений, когда-либо написанных. Плутонисты не возражали против того, что отложение осадочного материала действительно имело место, но они считали, что этот процесс не мог привести к образованию прочных пород без воздействия тепла. Их теория была не так проста, как теория нептунистов, но в соответствии с их взглядами Земля уже приобретала более динамический характер, а тела горных пород могли быть приподняты, наклонены, т.е. мог происходить процесс, противоположный выравнивающему действию эрозии. Полемика между плутонистами и нептуни-стами достигала иногда яростного накала, и с ней, конечно, не могут сравниться споры, происходящие в наше время; в Эдинбурге нептунисты освистали пьесу, сочиненную одним из пламенных приверженцев Геттона.
Спор между нептунистами и плутонистами еще при жизни одного поколения перешел в другой: в спор катастрофистов с униформистами, где главные расхождения касались времени. Нигде Библия не мешала так геологии, как в вопросе о возрасте Земли. Хорошо известно, что в 1664 г. архиепископ Ашер, современник Ньютона, подсчитал (опираясь на
Священное писание-Перев.), что Земля была создана ровно в 9 часов утра 26 октября 4004 г. до Рождества Христова. Но этот подсчет никак не удовлетворял некоторых геологов, начинавших уже понимать, что геологические процессы развиваются медленно и что должно пройти длительное время, чтобы эти процессы смогли воздвигнуть горы.
То, что геологические изменения действительно произошли, отрицать уже было нельзя. Катастрофизм связывал большую часть этих изменений с серией гигантских переворотов, вызванных сверхъестественными силами; между такими «катастрофами» геологические процессы возобновляли свое обычное действие, но производили только слабые изменения. Преимущество этой теории усматривалось в том, что чрезвычайно большие перемены можно было отнести к очень короткому промежутку времени; тем самым можно было примирить теорию с библейской хронологией. Недостатком же с точки зрения науки было то, что причина «катастроф» оказывалась вне пределов рационального объяснения. Теория униформизма, напротив, делала упор на непрерывность геологических процессов.

Геттон обнаружил геологические несогласия и сделал вывод, что осадочные толщи после своего накопления могли наклоняться и затем подвергаться эрозиив течение очень длительного времени, пока не начинался новый цикл осадконакопления. Геттону принадлежит формулировка принципа, утверждающего, что в прошлом действовали те же процессы, какие можно наблюдать сегодня: «Настоящее-ключ к прошедшему». Это позволяло рационально объяснить, как образовались горные породы, привлекая вполне вразумительные понятия о силах, влиявших на те условия, которые существовали во время образования пород.

Например, присутствие в породе морских ископаемых остатков показывает, что данный участок суши когда-то располагался ниже уровня моря. Можно построить связную картину прошлой обстановки и проверить ее на внутреннюю согласованность; следовательно, это очень эффективный метод исследования.
Идеи униформизма были развиты и разъяснены в работах Плейфера (1748-1819) и сэра Чарлза Лайеля из Эдинбурга (1797-1875). В своей книге «Основы геологии», опубликованной в 1833 г., Лайель показал, что действующие в современную эпоху процессы могли вызвать наблюдаемые геологические изменения, но что для этого требовались длительные периоды времени. Аргументы Лайеля были убедительными, и короткое до смешного библейское расписание событий мировой истории уступило место понятию об огромных отрезках времени. Но маятник качнулся к другой крайности: осторожное высказывание Геттона о том, что он не видит свидетельств начала или конца геологических процессов, стало означать для некоторых его учеников мир без каких-либо границ, в котором геологические циклы эрозии и горообразования непрерывно развиваются неопределенно долгое время.

Однако вскоре должна была появиться и оппозиция такой неопределенной хронологии.
Физики уже установили законы термодинамики, из которых следовало, что процессы не могут продолжаться бесконечно долго: их механизм должен остановиться, когда энергия будет исчерпана. Выдающуюся роль сыграл лорд Кельвин, который в середине прошлого века подсчитал время, необходимое для остывания Земли от состояния расплавленного шара до современной температуры. При своих вычислениях Кельвин исходил из значений температурного градиента, измеренных в шахтах, и из факта существования вулканов. Он получил значение всего лишь около 100 млн. лет. Эта цифра обескуражила не только геологов, но и Дарвина, чья теория эволюции (опубликованная в 1859 г.) во многом опиралась на представления Лайеля и могла быть принята только при условии, что существовали гораздо более длительные промежутки времени, в течение которых эволюция могла бы привести к необходимым изменениям. Теперь мы знаем, что Земля получает много тепла от радиоактивного распада, но тогда кельвиновские расчеты казались безупречными; физические законы, соединенные с математикой, значили больше, чем совпадение полуколичественных оценок времени, основанных на скоростях геологических или биологических процессов.

Через какое-то время все больше и больше геологов стали склоняться к тому, чтобы принять оценку в 100 млн. лет, и это стало для них почти что догмой

Через какое-то время все больше и больше геологов стали склоняться к тому, чтобы принять оценку в 100 млн. лет, и это стало для них почти что догмой. Однако физики продолжали уточнять свою оценку возраста Земли, причем обычно в меньшую сторону, в некоторых случаях даже до 20 млн. лет. Это все больше стесняло геологов и вынуждало их уточнять свои оценки, основанные на таких величинах, как скорость осадконакопления и общая мощность осадочных толщ, пока они не приобрели достаточную уверенность, чтобы бросить вызов физикам. Но к тому времени, т.е. к концу прошлого века, была открыта радиоактивность, и вскоре стало ясно, что физическая оценка времени остывания больше соответствует минимальному, а не максимальному значению возраста Земли. Таким образом, закончился еще один плодотворный спор и была принята хронологическая шкала длиной в сотни миллионов лет, что открыло новые возможности не только в геологии, но и в науках о развитии жизни и в космологии. (В настоящее время возраст Земли-в действительности не только Земли, но и всей Солнечной системы-оценивается величиной около 4,6 млрд. лет. Как выведена эта оценка, объясняется в приложении 6, помещенном в конце книги.)

Первым, кто попытался реалистически установить внутреннее устройство Земли, был Бюффон

Первым, кто попытался реалистически установить внутреннее устройство Земли, был Бюффон. Он полагал, что для образования экваториального вздутия (под действием вращения) необходимо, чтобы земные недра находились в расплавленном состоянии, и в 1776 г. опубликовал теорию, согласно которой огненно-жидкая Земля образовалась в результате того, что какая-то комета столкнулась с Солнцем и выбила из него «клок» вещества. Бюффон считал, что при последующем развитии Земли более тугоплавкие материалы должны были затвердевать первыми, а из оставшихся летучих веществ образовались океаны; позднее отделились континенты, и наконец, появился Человек. Бюффон провел некоторые грубые эксперименты по измерению скорости остывания небольших масс различных веществ. Экстраполируя полученные результаты на массу размером с Землю, он получил общее время остывания около 75 тыс. лет, тем самым предвосхитив кельвиновский метод оценки возраста Земли.
В 1828 г. Кордье1 провел измерения температур в шахтах и определил величину геотермического градиента у поверхности Земли, равную 30°С/км, что удивительно хорошо согласуется с современными данными. Это послужило дополнительным свидетельством горячего состояния земных недр, что связывалось (поскольку радиоактивность была тогда неизвестна) с первичным расплавленным состоянием.
Дальнейшим развитием модели остывающей Земли был вывод о том, что отвердевшая кора должна коробиться, образуя горы, по мере того как внутренние области остывали и сокращались в объеме. Однако на пороге нынешнего столетия, когда было, открыто радиоактивное выделение тепла, потребовалось новое объяснение процесса образования горных поясов, так как выяснилось, что Земля развивается значительно более длительное время и если и остывает, то совсем немного. Тем не менее ранние геологи были правы, когда рассматривали внутреннее тепло как крупный источник энергии, поднимающей земную поверхность и противодействующей разрушительным силам эрозии, которые питаются солнечной энергией.

Издавна внимание привлекали землетрясения
Естественно, что издавна внимание привлекали землетрясения. Среди объяснений, которые предлагались для них в античные времена, были движение внутренних вод, поддерживающих поверхность Земли, прорывы подземного огня, обрушение пещер. В средние века эти физические, хотя и туманные, идеи сменились анималистскими объяснениями; например, серьезно говорилось о беспокойных движениях некой гигантской змеи, обитающей в морских глубинах. Начало современным представлениям положили Гук, установивший в 1705 г., что землетрясения связаны с движениями поверхности суши, и Маллет  (1810-1881), обнаруживший в середине прошлого века, что при землетрясениях большая часть разрушений обусловлена не крупными подвижками самих массивов суши, а волнами, которые возникают при этих подвижках и расходятся во все стороны от своего источника. С большой проницательностью Маллет предположил, что, определяя время прибытия сейсмических волн, прошедших прямо через тело Земли, можно расширить наши знания о земных недрах. Он оказался прав: сейсмология стала теперь одним из важнейших методов изучения внутренних областей Земли.

Землетрясения, извержения вулканов и геологически недавние изменения уровня моря

Землетрясения, извержения вулканов и геологически недавние изменения уровня моря, о чем свидетельствует непрерывно увеличивающееся число данных, делают все определеннее тот факт, что Земля не только изменялась в прошлом, но и теперь остается динамичной планетой. Какие же, однако, силы вызывали вертикальные движения и как Земля реагировала на эти силы? Один из ответов на такой вопрос пришел с несколько неожиданной стороны. Попытка Буге, предпринятая в 1735-1745 гг., «взвесить Землю» путем сопоставления гравитационного притяжения Земли и Анд показала, что горы, по всей видимости, имеют значительно меньшую массу, чем можно было бы ожидать, исходя из их объема. Позже этот эффект был обнаружен повсеместно, и в особенности в Гималаях во время исследований, проводившихся сэром Джорджем Эверестом и другими. Было высказано предположение, что дефицит масс обусловлен тем, что породы под горами имеют меньшую плотность, чем на соседних площадях. Но как это получилось? Случайностью это быть не могло, так как данное явление оказалось обычным, поэтому надо было искать механизм, который естественным образом приводил бы к такому состоянию. В 1855 г. Пратт и Эри независимо друг от друга опубликовали свои теории изостазии — представление о том, что поверхностные горные породы плавают на субстрате, состоящем из более плотных, но податливых пород, и земная поверхность оказывается выше там, где более легкие породы имеют большую мощность.

Это было только частичным объяснением горообразования, так как оставалось непонятным, каким образом более легкие породы могли накопиться в одном месте, образовав мощные массивы. Проблема была решена только недавно, с появлением теории тектоники плит. Тектоника плит-это развитие более ранней идеи о дрейфе континентов, впервые выдвинутой в связной форме в 1910 г. Альфредом Вегенером, немецким метеорологом. На основании различного рода данных о совпадении границ материков он заявил, что несколько сотен миллионов лет назад существовал единый сверхматерик, который затем распался на отдельные части. Представление о континентальном дрейфе получило широкое признание только в 1950-е годы, с расцветом палеомагнетизма, когда были получены независимые доказательства движения материков.
Примерно в это же время стали разрабатываться методы изучения тех двух третей земной поверхности, которые скрыты под водой, изучения тем более необходимого, поскольку все понимали, что дно океанов совершенно непохоже на поверхность континентов. Это различие получило объяснение в теории тектоники плит, которая была сформулирована в конце 1960-х годов и в отличие от гипотезы дрейфа континентов охватывала всю поверхность земного шара. Эта теория утверждает, что поверхность Земли разделена на несколько крупных кусков, или плит, которые с хорошим приближением можно считать жесткими, так что все виды тектонической активности приурочены главным образом к границам плит, где можно наблюдать относительное движение плит. Характер таких явлений, как землетрясения, вулканизм, горообразование и т.д., зависит от того, сходятся плиты или расходятся, и от того, какие участки плит граничат между собой — континентальные или океанические.
Все эти явления, охватывающие огромные площади земной поверхности,-изостазия, вулканизм, тектоника плит-вызываются, очевидно, процессами, происходящими глубоко в Земле, и поэтому их изучение способствовало тому, что интерес исследователей был сфокусирован на внутренних областях нашей планеты. Они, конечно, и составляют предмет данной книги, о них и пойдет речь в следующих главах.