Динамическая геология

Динамическая геология включает в себя тектонику (изучает движения земной коры), вулканологию и сейсмологию (изучает процессы, сопровождающие землетрясения). Данные процессы протекают на огромных территориях и продолжаются в течение миллионов и даже миллиардов лет. Поэтому именно в рамках динамической геологии рождается эволюционный подход к исследованию нашей планеты, идет поиск причин изменения облика Земли.

Первые концепции появления и дальнейшего развития нашей планеты появились в Новое время в рамках космогонических теорий. Так, Ж. Л. Бюффон считал, что планеты образовались вследствие сильного удара кометы о Солнце, отщепившего от Солнца часть его вещества. Вначале планеты пребывали в расплавленном состоянии, затем постепенно остыли. Из водяных паров, захваченных из солнечной атмосферы, образовался океан. Бюффон выделял семь этапов в геологической истории Земли:

• когда Земля и планеты приняли свою форму;

• когда Земля отвердела;

• когда воды покрыли Землю;

• когда воды схлынули и начали извергаться вулканы;

• когда слоны и другие южные животные жили на северных землях;

• когда произошло разделение континентов;

• период могущества человека.

Огромное влияние на формирование научной геологии оказали работы М.В. Ломоносова, который считал, что решающую роль в формировании облика Земли играют глубинные силы в сочетании с внешними факторами (ветры, реки, дожди и т.д.). Также он увеличил возраст Земли до 400 тыс. лет.

Очень важную роль в истории геологии сыграла ожесточенная дискуссия между двумя противостоящими друг другу школами – нептунистами и плутонистами. Их представителями были саксонец А. Вернер и шотландец Д. Геттон. Их спор был возобновлением дискуссии, начавшейся еще в античности. Нептунисты античности считали, что все произошло из воды, плутонисты же таким первоначалом считали огонь.

В конце XVIII в. нептунисты утверждали, что все горные породы образовались как осадки из водной среды. Вулканическая деятельность, по мнению Вернера, представляет собой результат подземного горения каменного угля. Правда, ни Вернер, ни его ученики так и не смогли ничего возразить тем, кто доказывал, что той воды, которая есть на Земле, не хватит для растворения в ней всего твердого вещества земной коры.

Плутонисты, напротив, говорили о вулканическом происхождении базальтов, об образовании гранитов из расплавленных масс. Также Геттон говорил о поднятии морского дна за счет внутреннего тепла Земли, называл вулканы предохранительными клапанами, выпускающими избыточное давление, накопившееся в толщах пород.

В конце XVIII – начале XIX в. начался спор между сторонниками двух других концепций в геологии – сторонниками непрерывного течения геологических процессов (униформизм) и сторонниками прерывистости их развития (катастрофизм).

Первое время огромной популярностью пользовался катастрофизм, который рассматривал геологическую историю Земли как череду эпох относительного покоя, сменяющихся сравнительно недолгими глобальными катастрофами, кардинально меняющими облик планеты. Большую роль в распространении этих идей, находивших поддержку и со стороны церкви, сыграл Ж. Кювье, который считал, что при смене геологических эпох происходила и смена органического мира нашей планеты. Старые организмы гибли в результате катастрофы, а вместо них в результате очередного акта божественного творения появлялись новые.

Ставший практически общепризнанным к началу 30-х годов XIX в., катастрофизм был подвергнут сокрушительной критике английским естествоиспытателем Ч. Лайелем в его книге «Основы геологии». Свое учение Лайель построил исходя из трех главных положений:

1) единообразия протекающих на Земле процессов в течение длительного геологического времени;

2) непрерывности действия природных явлений;

3) суммирования действия этих незначительных процессов, приводящих к огромным преобразованиям лика Земли по истечении огромного времени.

Эта точка зрения и получила название униформизма. В рамках этого подхода был разработан метод актушшзма – метод познания процессов и явлений, имевших место на ранних стадиях геологической истории Земли, в соответствии с которым было принято считать, что ключи к истолкованиям прошедших событий лежат в современных геологических событиях. Метод актуализма, основанный на отождествлении характера современных геологических процессов и геологических процессов прошлого, стал ведущим методом историко-геологических исследований.

В середине XIX в. униформизм также был подвергнут критике за отрицание качественных изменений, прогрессивного развития в геологической истории Земли. Он был заменен принципом эволюционного развития Земли и ее обитателей. В утверждении новых взглядов в геологии огромную роль сыграли работы Ч. Дарвина и его последователей.

Параллельно развитию общегеологических концепций развивалась тектоника.

Тектоника– отрасль геологии, изучающая структуру земной коры и ее изменения под влиянием механических движений и деформаций, связанных с развитием Земли в целом.

Еще в античности было известно, что земная поверхность не находится в покое, а поднимается и опускается. Об этом свидетельствовали найденные окаменелые морские раковины на значительной высоте над уровнем моря. Поэтому во второй половине XIX в. было общепризнано, что ведущая роль в развитии земной коры принадлежит ее вертикальным движениям – поднятиям и опусканиям. Но к концу XIX в. появилась контракционная гипотеза, предложенная французом Л. Эли де Бомоном и австрийцем Э. Зюссом. В ней рассматриваются горизонтальные движения земной коры, совершающиеся вследствие постепенного уменьшения радиуса Земли и поверхности земной коры, которые идут из-за остывания Земли. Формирование горных хребтов связано с неравномерным сокращением различных частей Земли. Вертикальные или радиальные движения вызывают изменения рельефа значительно меньших масштабов.

В конце XIX – начале XX в. контракционная гипотеза пользовалась всеобщим признанием, но в дальнейшем она утратила свое значение, уступив место концепции геосинклиналей и платформ, сформулированной в работах Дж. Холла, Дж. Дэна и Э. Ога.

Геосинклиналь– это узкий и глубокий прогиб земной коры длиной в несколько сот километров.

Геосинклинали образуют систему прогибов и поднятий земной коры, отделенных друг от друга глубинными разломами. Они объединяются в геосинклинальные пояса, располагающиеся либо между древними континентальными платформами, либо между платформами и ложем океана.

Платформы– это антиподы геосинклиналей, устойчивые участки земной коры.

Таких геосинклинальных поясов на Земле существует пять:

– Тихоокеанский, кольцом окружающий Тихий океан и отделяющий его ложе от платформ Северной и Южной Америки, Азии и Антарктиды;

– Средиземноморский, протянувшийся через юг Евразии и северо-запад Африки до Гибралтара;

– Урало-Монгольский, огибающий Сибирскую платформу с запада и юга и отделяющий ее от Восточноевропейской и Китайско-Корейской платформ;

– Атлантический, окружающий побережья материков в северной части Атлантического океана;

– Арктический – вокруг Северного Ледовитого океана.

В это же время появились новые модели развития Земли: гипотеза расширения Земли О. Хильгенберга, пульсационная гипотеза (поочередное сжатие и расширение Земли) М.А. Усова и В.А. Обручева. Но особый интерес вызвала гипотеза дрейфа материков А. Вегенера, выдвинутая в 1912 г. Исходным фактом его гипотезы стало удивительное сходство очертаний материков, особенно Южной Америки и Африки, ныне разделенных Атлантическим океаном. Далее Вегенер обратил внимание на поразительное сходство ископаемых флор и фаун этих материков, а также Австралии и Индостана. Кроме того, он впервые обратил внимание на принципиальную разницу континентальной коры, сложенной из гранитов, и океанической коры, состоящей в основном из базальтов. Используя эту аргументацию, он пришел к выводу, что около 225 млн лет назад все материки были объединены в один суперконтинент, который он назвал Пангеей. Затем, примерно 180 млн лет назад, Пангея раскололась, а ее части под влиянием вращения Земли и приливных сил заняли современное положение. Так оформилось новое течение в теоретической тектонике – мобилшм, отличающийся от фиксизма, который не допускал значительных перемещений участков земной коры.

В первое время идеи мобилизма пользовались огромной популярностью, но в 30-е годы они были подвергнуты серьезной критике. Дело в том, что низлежащие слои континентов Земли слишком неэластичны, чтобы дать возможность континентам дрейфовать. Южная Америка и Африка были твердо зафиксированы на своих местах, и ни тот, ни другой континент не имел возможности дрейфовать по базальту.

Тем не менее, чем больше изучались континенты, тем больше ученые убеждались в том, что они когда-то были едины. Было бы наивным считать это обстоятельство простым совпадением, поэтому в 60-е годы ученые вернулись к идеям мобилизма. Тогда они достигли больших успехов в изучении земной коры. При исследовании океанов была открыта мировая система среднеокеанических хребтов и большой глобальной расщелины, которая делит земную кору на крупные пласты, достигающие в некоторых случаях нескольких тысяч километров в поперечнике и толщины от 70 до 150 км. Эти пласты и получили название тектонических плит.

Обнаружение тектонических плит подтвердило дрейф континентов, но не по принципу Вегенера. Континенты не плыли и не дрейфовали по базальту. Определенный континент вместе с частями прилегающего морского дна был неотъемлемой частью определенной плиты. Континенты могли двигаться, если двигались плиты, а было ясно, что плиты двигались. Причина их движения была открыта американским геологом Г. Хэммондом. Он доказал, что горячий, расплавленный камень закипал и медленно всплывал с больших глубин и затвердевал на или около поверхности. Это вскипание и затвердевание камня разделяло плиты и заставляло их раздвигаться со скоростью от 2 до 18 см в год. Таким образом, например, разделились Южная Америка и Африка. Иными словами, континенты не дрейфуют, их толкают.

Естественно, если две плиты расталкиваются в разные стороны, другие концы этих плит должны толкать соседние плиты. Когда тектонические плиты раздвигаются или соединяются, поднимаются горы, опускается морское дно, расширяются океаны, разделяются или соединяются континенты.

Большое значение для дальнейшего развития геологии имело учение о геодинамических процессах, совершающихся в недрах и на поверхности Земли. Выделяются эндогенные процессы, связанные с внутренней динамикой Земли. Это горообразование, тектоника горных пород, вулканизм, метаморфизм, землетрясения, образование ловушек для нефти и газа и т.д. Процессы, связанные с внешней динамикой, порождаемые поступающей на Землю солнечной энергией, называются экзогенными. К ним относятся: выветривание, заболачивание, работа ветра, деятельность атмосферных вод, водных потоков, морей, озер, ледников, а также оползни, лавины, обвалы, криогенные процессы и др.

Внешние экзогенные процессы происходят на поверхности Земли при давлениях и температурах, близких к нормальным. Поэтому они доступнее для изучения, чем эндогенные процессы, происходящие в глубинных слоях земной коры и верхней мантии. Поэтому изучение эндогенных процессов вызывает большие трудности. Долгое время геология могла изучать лишь экзогенные процессы.

Наиболее ярко выраженными эндогенными процессами являются вулканизм и землетрясения.

Сдвиг тектонических плит – это грандиозный геологический процесс, но он происходит очень медленно. Поэтому в течение исторического времени движение континентов можно зафиксировать только с помощью особо точных измерений. Но движение плит производит также эффекты, проявляющиеся в форме бедствий и катастроф.

Линии, по которым стыкуются плиты, – это эквивалент трещин в земной коре. Они называются «сдвигами» и представляют собой слабые места, через которые тепло и расплавленный камень, находящийся под корой, могут выйти наверх. Такое тепло может согревать грунтовые воды, образовывать выходы пара и горячие источники. Иногда вода может нагреваться до тех пор, пока давление не достигнет критической точки, после чего она вырывается на поверхность, высоко в воздух. Так образуются гейзеры.

Но в некоторых районах вверх по трещинам поднимается и застывает расплавленный камень. Новый расплавленный камень вскипает сквозь возвышенность отвердевшего камня и увеличивает ее высоту. Так образуется гора с центральным проходом, по которому расплавленный камень, или лава, может подниматься и оседать. Также этот камень может затвердевать на более или менее длительный период, а потом плавиться снова.

Так образуются вулканы, которые могут быть действующими или недействующими. Если вулкан демонстрирует определенную активность в течение длительных периодов времени, он не очень опасен, хотя периодические извержения, в ходе которых потоки лавы изливаются наружу, вынуждают эвакуировать находящиеся поблизости населенные пункты.

Намного опаснее вулканы, длительное время являющиеся неактивными. У таких вулканов центральный проход, по которому лава поднималась раньше, обычно затвердевает, и новые потоки лавы, поднимающиеся из глубин в период усиления активности, не находят себе прохода. В результате создается давление, под воздействием которого верхушка вулкана прорывается. При этом происходит резкий, неожиданный выброс газа, пара, твердых камней и раскаленной лавы. Если вулкан долгое время оставался неактивным, и возле него возникли людские поселения, неожиданное извержение влечет за собой многочисленные человеческие жертвы. Именно так произошло с вулканом Везувием в 79 г. н.э. В результате извержения были полностью уничтожены города Помпеи и Геркуланум, располагавшиеся на его южном склоне.

Самое крупное извержение современности произошло на острове Кракатау 27 августа 1883 г. В результате извержения остров был практически полностью разрушен. В воздух было выброшено около 21 км³ вулканического вещества. Пепел выпал на площади 800 тыс. км² и погрузил в темноту прилегающие районы на два с половиной дня. Пыль достигла стратосферы и распространилась по всей Земле, вызывая эффектные закаты на протяжении почти двух лет. Звук взрыва был слышен на расстоянии 1/13 земного шара, а сила извержения была в 26 раз больше, чем у самой мощной водородной бомбы. Кроме того, взрыв вызвал волну цунами, которая достигла высоты 36 метров и уничтожила 163 деревни и почти 40 тыс. человек. На Кракатау все виды животных и растений были полностью уничтожены.

Еще более губительным следствием движения тектонических плит являются землетрясения. Их сложно предсказать, так как они зарождаются по разным причинам, на разной глубине. Небольшие тектонические поднятия и опускания являются результатом процессов, происходящих внутри земной коры на глубине 10–20 км, а самые глубокие очаги землетрясений находятся на глубине 700 км. В основном землетрясения происходят на границах соединения тектонических плит, которые могут подниматься или опускаться друг относительно друга, а также двигаться в разных направлениях.

Само землетрясение продолжается лишь несколько минут и состоит из нескольких толчков. Но за это время может быть нанесен огромный ущерб обширному району. Сила землетрясений характеризуется по специальной шкале, предложенной в 1935 г. американским сейсмологом Ч. Рихтером и носящей его имя. В его шкале 12 баллов. Каждая последующая цифра этой шкалы соответствует десятикратному увеличению количества энергии, высвобождаемой при землетрясении. Так, разрушение зданий начинается при 5 баллах. Землетрясение в 7 баллов считается сильным, а в 8 баллов и выше – катастрофическим.

Самое сильное землетрясение произошло в Китае в 1556 г., когда одновременно погибло 830 тыс. человек. В Западной Европе очень крупным было землетрясение 1755 г. в Португалии. При этом полностью была разрушена столица Португалии город Лиссабон и погибло 60 тыс. человек. Часто случаются землетрясения в Сан-Франциско, который стоит на тектоническом разломе. Да и в нашей стране достаточно сейсмически опасных зон. В 1988 г. произошло землетрясение в Армении, при котором погибло свыше 20 тыс. человек и более 500 тыс. остались без крова. А в 1995 г. сильнейшее землетрясение полностью разрушило город Нефтегорск на Сахалине.

Наиболее распространенным экзогенным процессом является выветривание – процесс преобразования горных пород в приповерхностной части земной коры под действием колебаний температуры, химического воздействия воды, газов и органических веществ.

Огромную роль в выветривании играет ветер, выдувающий и разносящий рыхлые частицы горных пород. В результате образуются пески, лёсс, барханы и т.д. Текучие воды, моря и океаны способствуют осадконакоплению, эрозии, приводящим к формированию осадочных пород. Подземные воды растворяют некоторые горные породы, в результате чего образуются провалы на поверхности земли, а также пещеры и другие подземные полости.