Поверхность Земли: геологическая перспектива

Поверхность Земли разделена на два основных структурных элемента: континенты и океанические впадины (рис. 1.20). Ключевое различие между ними заключается в их гипсометрическом положении, которое обусловлено различиями в плотности и мощности земной коры:

- Континенты представляют собой стабильные тектонические блоки, характеризующиеся относительно ровной поверхностью, напоминающей плато, приподнятое над уровнем моря. Их средняя высота составляет около 0,8 километра (0,5 мили), что свидетельствует о близости к базовому уровню, за исключением локальных орогенических поясов. Континентальная кора, сложенная преимущественно гранитоидными породами с плотностью около 2,7 г/см³, имеет среднюю мощность около 35 километров (22 мили).

- Океанические впадины, напротив, характеризуются значительным погружением относительно уровня моря. Их средняя глубина достигает 3,8 километра (2,4 мили), что на 4,5 километра (2,8 мили) ниже средней высоты континентов. Океаническая кора, сложенная базальтами и габброидами, имеет среднюю мощность всего 7 километров (5 миль) и плотность около 3,0 г/см³.

Рис. 1.20. Лик Земли. Основные особенности поверхности геосферы

С точки зрения изостазии, более мощная и менее плотная континентальная кора обладает повышенной плавучестью по сравнению с океанической корой. Это приводит к тому, что континентальные блоки "флотируют" на поверхности пластичной мантии на более высоком уровне, чем океанические. Данный процесс можно сравнить с принципом Архимеда: подобно тому, как крупное судно с меньшей плотностью груза остается на плаву выше, чем небольшое, но тяжело нагруженное судно, континентальная кора занимает более высокое гипсометрическое положение благодаря своей меньшей плотности и большей мощности.

Таким образом, рельеф Земли является прямым отражением тектонических и изостатических процессов, определяющих распределение масс и плотностей в земной коре.

Основные черты континентов. Крупнейшие структурные элементы континентов можно разделить на две основные категории: обширные, плоские и стабильные платформы, которые в результате длительной эрозии были сведены практически до уровня моря, и возвышенные области, сложенные дислоцированными (деформированными) горными породами, которые формируют современные горные системы.

Обратите внимание на рис. 1.21: молодые горные пояса, как правило, представляют собой протяжённые и узкие структуры, расположенные на окраинах континентов, в то время как плоские, стабильные платформенные области обычно занимают внутренние части континентов.

Рис. 1.21. Материки. Распределение горных поясов, устойчивых платформ и щитов

Горные пояса. Наиболее заметными топографическими элементами континентов являются линейные горные пояса. Хотя распределение горных систем может казаться случайным, это не так. Если рассматривать самые молодые горы (возрастом менее 100 миллионов лет), то можно заметить, что они сосредоточены преимущественно в двух основных зонах. Тихоокеанский пояс (область, окружающая Тихий океан) включает горные системы западной части Северной и Южной Америки и продолжается в западной части Тихого океана в виде вулканических островов, таких как Алеутские острова, Япония и Филиппины (см. рис. 1.20).

Другой крупный горный пояс протягивается на восток от Альп через Иран и Гималаи, а затем поворачивает на юг, уходя в Индонезию. При детальном изучении горных регионов становится очевидным, что большинство из них представляют собой зоны, где мощные толщи горных пород были сжаты и интенсивно деформированы, словно в гигантских тисках. На континентах также встречаются и более древние горные системы. Примеры включают Аппалачи на востоке США и Уральские горы в России. Их некогда высокие вершины сейчас значительно снижены в результате миллионов лет эрозии.

Стабильные внутренние области. В отличие от молодых горных поясов, которые сформировались за последние 100 миллионов лет, внутренние части континентов оставались относительно стабильными (ненарушенными) на протяжении последних 600 миллионов лет или даже дольше. Как правило, эти регионы были вовлечены в процессы горообразования гораздо раньше в истории Земли.

В пределах стабильных внутренних областей выделяются зоны, известные как щиты. Это обширные, плоские регионы, сложенные деформированными кристаллическими породами. Обратите внимание на рис. 1.21: Канадский щит обнажён на большей части северо-востока Северной Америки. Определение возраста различных щитов показало, что они являются действительно древними регионами. Все они содержат породы докембрийского возраста, которым более 1 миллиарда лет, а некоторые образцы приближаются к возрасту 4 миллиардов лет.

Эти древнейшие из известных пород демонстрируют следы мощных сил, которые смяли их, разорвали разломами и изменили под воздействием высоких температур и давления. Таким образом, можно сделать вывод, что эти породы некогда были частью древних горных систем, которые впоследствии были разрушены эрозией, что привело к образованию этих обширных плоских регионов.

Другие плоские области стабильных внутренних частей континентов представляют собой территории, где сильно деформированные породы, подобные тем, что встречаются в щитах, перекрыты относительно тонким слоем осадочных пород. Такие области называются стабильными платформами. Осадочные породы на стабильных платформах залегают почти горизонтально, за исключением случаев, где они были изогнуты, образуя крупные бассейны или купола. В Северной Америке значительная часть стабильной платформы расположена между Канадским щитом и Скалистыми горами (рис. 1.21).

Основные элементы океанических бассейнов. Если бы всю воду удалили из океанических бассейнов, взору открылось бы множество разнообразных элементов рельефа, включая линейные цепи вулканов, глубокие каньоны, обширные плато и огромные пространства монотонно плоских равнин. Фактически, пейзаж был бы почти таким же разнообразным, как и на континентах (см. рис. 1.20).

За последние 70 лет океанографы, используя современное оборудование для измерения глубин, постепенно составили карты значительных частей океанического дна. В результате этих исследований были выделены три основные области: континентальные окраины, глубоководные впадины и срединно-океанические хребты.

Континентальные окраины. Континентальная окраина — это часть морского дна, прилегающая к крупным массивам суши. Она может включать континентальный шельф, континентальный склон и континентальный подъём.

Хотя суша и море встречаются на береговой линии, это не является границей между континентами и океаническими бассейнами. Вдоль большинства побережий находится пологая платформа, называемая континентальным шельфом, которая простирается от берега в сторону моря. Поскольку она подстилается континентальной корой, её считают затопленным продолжением континентов. Взгляд на рис. 1.20 показывает, что ширина континентального шельфа варьируется. Например, он широкий вдоль восточного и южного побережья США, но относительно узкий вдоль тихоокеанской окраины континента.

Граница между континентами и глубоководными океаническими бассейнами проходит вдоль континентального склона, который представляет собой относительно крутой обрыв, протягивающийся от внешнего края континентального шельфа до дна глубокого океана (см. рис. 1.20). Если использовать эту линию как разделитель, то окажется, что около 60 % поверхности Земли занимают океанические бассейны, а оставшиеся 40 % — континенты.

В регионах, где отсутствуют глубоководные желоба, крутой континентальный склон переходит в более пологий уклон, известный как континентальный подъём. Континентальный подъём состоит из мощных накоплений осадков, которые переместились вниз по склону с континентального шельфа на глубоководное океаническое дно.

Глубоководные океанические бассейны. Между континентальными окраинами и срединно-океаническими хребтами расположены глубоководные океанические бассейны. Части этих регионов представлены невероятно плоскими формами рельефа, называемыми абиссальными равнинами. На дне океана также встречаются чрезвычайно глубокие впадины, которые иногда превышают 11 000 метров (36 000 футов) в глубину. Хотя эти глубоководные желоба относительно узкие и занимают лишь небольшую часть океанического дна, они являются весьма значимыми элементами рельефа. Некоторые желоба расположены рядом с молодыми горными системами, обрамляющими континенты. Например, на рис. 1.20 Перуанско-Чилийский желоб у западного побережья Южной Америки параллелен Андам. Другие желоба проходят параллельно цепям островов, называемых вулканическими островными дугами.

На океаническом дне разбросаны подводные вулканические структуры, известные как подводные горы (или сеймунты), которые иногда образуют длинные узкие цепи. Вулканическая активность также создала несколько крупных лавовых плато, таких как плато Онтонг-Джава, расположенное к северо-востоку от Новой Гвинеи. Кроме того, некоторые подводные плато сложены корой континентального типа. Примерами являются плато Кэмпбелл к юго-востоку от Новой Зеландии и Сейшельская банка к северо-востоку от Мадагаскара.

Срединно-океанические хребты. Наиболее заметным элементом рельефа океанического дна является срединно-океанический хребет. Как показано на рис. 1.20, Срединно-Атлантический хребет и Восточно-Тихоокеанское поднятие являются частями этой системы. Этот широкий приподнятый элемент образует непрерывный пояс, который протягивается более чем на 70 000 километров (43 000 миль) вокруг земного шара, напоминая шов на бейсбольном мяче. В отличие от гор на континентах, которые часто сложены сильно деформированными породами, срединно-океаническая система хребтов состоит из слоёв вулканических пород, которые были раздроблены и приподняты.

Понимание топографических элементов, формирующих лик Земли, крайне важно для изучения механизмов, которые сформировали нашу планету. Каково значение огромной системы хребтов, простирающейся через все океаны мира? Существует ли связь между молодыми, активными горными поясами и глубоководными желобами? Какие силы сминают горные породы, создавая величественные горные хребты? Эти вопросы будут рассмотрены в последующих главах, где мы исследуем динамические процессы, которые сформировали нашу планету в геологическом прошлом и продолжают формировать её в будущем.

Земля как система

Любой, кто изучает Землю, быстро понимает, что наша планета представляет собой динамичное тело, состоящее из множества отдельных, но взаимодействующих частей, или сфер. Гидросфера, атмосфера, биосфера и геосфера, а также все их компоненты могут изучаться по отдельности. Однако эти части не изолированы друг от друга. Каждая из них связана с другими определённым образом, и вместе они образуют сложное и непрерывно взаимодействующее целое, которое мы называем системой Земли.

Наука о системе Земли. Простой пример взаимодействия между различными частями системы Земли происходит каждую зиму, когда влага испаряется из Тихого океана и затем выпадает в виде дождя на холмах и горах южной Калифорнии, вызывая разрушительные селевые потоки (рис. 1.22).

Рис. 1.22. Смертоносный селевой поток. Это изображение служит примером взаимодействия между различными частями системы Земли. 10 января 2005 года необычайно сильные дожди вызвали этот селевой поток (в просторечии называемый оползнем) в прибрежном посёлке Ла-Кончита, Калифорния

Процессы, которые перемещают воду из гидросферы в атмосферу, а затем на твёрдую поверхность Земли, оказывают глубокое влияние на растения и животных (включая людей), населяющих затронутые регионы.

Учёные пришли к пониманию, что для более полного познания нашей планеты необходимо изучить, как её отдельные компоненты (земля, вода, воздух и живые организмы) взаимосвязаны. Эта задача, называемая наукой о системе Земли, направлена на изучение Земли как системы, состоящей из множества взаимодействующих частей, или подсистем. Вместо того чтобы смотреть через ограниченную призму только одной из традиционных наук — геологии, атмосферных наук, химии, биологии и т.д., — наука о системе Земли стремится интегрировать знания из нескольких научных областей. Используя междисциплинарный подход, специалисты в этой области пытаются достичь уровня понимания, необходимого для осмысления и решения многих глобальных экологических проблем.

Система — это группа взаимодействующих или взаимозависимых частей, образующих сложное целое. Большинство из нас часто слышат и используют термин «система». Мы можем обслуживать систему охлаждения автомобиля, пользоваться городской транспортной системой и быть участниками политической системы. Новостной репортаж может сообщить нам о приближающейся погодной системе. Кроме того, мы знаем, что Земля — это лишь небольшая часть более крупной системы, известной как Солнечная система, которая, в свою очередь, является подсистемой ещё более масштабной системы под названием Галактика Млечный Путь.

Система Земли. Система Земли включает в себя практически бесконечное множество подсистем, в которых материя перерабатывается снова и снова. Один из хорошо знакомых циклов, или подсистем, — это гидрологический цикл. Он представляет собой непрерывную циркуляцию воды Земли между гидросферой, атмосферой, биосферой и геосферой. Вода попадает в атмосферу через испарение с поверхности Земли и транспирацию растений. Водяной пар конденсируется в атмосфере, образуя облака, которые, в свою очередь, создают осадки, выпадающие обратно на поверхность Земли. Часть дождя, попадающего на сушу, просачивается вглубь и затем поглощается растениями или становится грунтовыми водами, а часть стекает по поверхности в сторону океана.

Если рассматривать процессы в долгосрочной перспективе, породы геосферы постоянно формируются, изменяются и преобразуются. Цикл, включающий процессы, посредством которых одни породы превращаются в другие, называется круговоротом горных пород (или петрогенным циклом) и подробно обсуждается в главе 3. Циклы системы Земли не являются независимыми друг от друга. Напротив, существует множество точек, где эти циклы пересекаются и взаимодействуют.

Части системы связаны между собой. Части системы Земли взаимосвязаны таким образом, что изменение в одной части может вызвать изменения в любой или всех остальных частях. Например, когда извергается вулкан, лава из недр Земли может вытекать на поверхность и блокировать близлежащую долину. Это новое препятствие влияет на дренажную систему региона, создавая озеро или заставляя реки менять своё русло. Большое количество вулканического пепла и газов, выбрасываемых во время извержения, может быть поднято высоко в атмосферу и повлиять на количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли. Результатом может стать понижение температуры воздуха во всём полушарии.

Там, где поверхность покрыта лавовыми потоками или толстым слоем вулканического пепла, существующие почвы оказываются погребёнными. Это заставляет процессы почвообразования начинаться заново, чтобы преобразовать новый поверхностный материал в почву (рис. 1.23). Почва, которая в конечном итоге образуется, будет отражать взаимодействие многих частей системы Земли — вулканического исходного материала, климата и воздействия биологической активности. Безусловно, произойдут и значительные изменения в биосфере. Некоторые организмы и их места обитания будут уничтожены лавой и пеплом, а новые условия для жизни, такие как озеро, образованное лавовой дамбой, будут созданы. Потенциальное изменение климата также может повлиять на чувствительные формы жизни.

Рис. 1.23. Когда в мае 1980 года произошло извержение вулкана Сент-Хеленс, территория, показанная здесь, была погребена под вулканическим грязевым потоком. Сейчас растения восстановились, и формируется новая почва

Масштабы времени и пространства. Система Земли характеризуется процессами, которые варьируются в пространственных масштабах от долей миллиметра до тысяч километров. Временные масштабы для процессов Земли охватывают диапазон от миллисекунд до миллиардов лет. По мере изучения Земли становится всё более очевидным, что, несмотря на значительные расстояния или временные промежутки, многие процессы связаны между собой, и изменение одного компонента может повлиять на всю систему.

Энергия для системы Земли. Система Земли питается энергией из двух источников. Солнце управляет внешними процессами, происходящими в атмосфере, гидросфере и на поверхности Земли. Погода и климат, океанические течения и процессы эрозии приводятся в движение энергией Солнца. Внутренняя часть Земли является вторым источником энергии. Тепло, оставшееся со времени формирования нашей планеты, и тепло, непрерывно генерируемое радиоактивным распадом, питают внутренние процессы, которые создают вулканы, землетрясения и горы.

Люди и система Земли. Люди являются частью системы Земли — системы, в которой живые и неживые компоненты переплетены и взаимосвязаны. Поэтому наши действия вызывают изменения во всех остальных частях системы. Когда мы сжигаем бензин и уголь, утилизируем отходы и расчищаем землю, мы заставляем другие части системы реагировать, часто непредсказуемым образом. На протяжении этой книги вы узнаете о многих подсистемах Земли, включая гидрологическую систему, тектоническую (горно-образующую) систему, круговорот горных пород и климатическую систему. Помните, что эти компоненты, как и мы, люди, являются частью сложного взаимодействующего целого, которое мы называем системой Земли.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам геологических специальностей, профессиональным геологам-тектонистам, специалистам в области геодинамики и региональной геологии, а также всем, кто интересуется фундаментальными процессами формирования и эволюции земной коры.