Расширяется ли Земля
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Начну с главного: есть две идеи, которые представляются мне важным звеном в общей цепи поисков современных наук о Земле. Первая — идея о том, что на протяжении четырех миллиардов лет существования нашей планеты ее размеры не оставались неизменными, точнее — что ее диаметр постепенно увеличивался, а сама она, следовательно, расширялась.
И вторая — диаметр Земли периодически изменялся, то слегка увеличивался, то слегка сокращался, иначе говоря, размеры планеты время от времени как бы пульсировали. Обе эти идеи не новы, но до недавнего времени они не пользовались значительным признанием, так как каждая из них, взятая в отдельности, не в состоянии решить многие важнейшие вопросы геологии. Однако объединение этих двух идей, как мне кажется, открывает перед геологами широкие перспективы. Регулярно возникавшие пульсации планеты происходили на фоне постепенного ее расширения — такое представление, думается, удачнее всего разрешает трудности, возникающие перед современной геотектоникой.
Как же это представление вписывается в общие взгляды современных наук о Земле? Какое место эта гипотеза занимает в ряду других концепций, посвященных тектонической истории нашей планеты?
Сильная сторона этой гипотезы в том, что она дает естественное и достаточно стройное объяснение многим явлениям в истории Земли — тем явлениям, истолкование которых представляет известные трудности для других концепций.
Таковы, например, регулярно сменяющие друг друга периоды, когда по всей планете то усиливалась, то ослаблялась вулканическая деятельность. Или — регулярное чередование эпох наступления океанов на сушу и их отступления обратно. Или — чередование различных циклов накопления осадков. Существование подобных циклических явлений в истории Земли и заставляет мысль естествоиспытателей обратиться к гипотезе о возможных пульсациях размеров планеты.
Обнаруживается любопытная закономерность: земной вулканизм резко активизируется в одни и те же периоды истории планеты — в эпохи, когда обнаруживаются признаки заметного растяжения земной коры. С другой стороны, в эпохи ее сжатия вулканизм затухает.
Проявления пульсации размеров Земли мы видим и в чередовании различных периодов в жизни Мирового океана. В эпоху сжатия земная кора коробится, емкости впадин морей и океанов возрастают, в них собираются обширные массы воды — океан как бы отступает от суши. В эпоху же расширения планеты неровности земной поверхности несколько сглаживаются, выравниваются, глубины и емкости океанических впадин уменьшаются — воды океанов распределяются по большей поверхности, и океан как бы наступает на сушу.
По-видимому, с пульсациями Земли связано и образование многих минеральных месторождений: их формирование в основном происходило в те эпохи, когда из-за растяжения земной поверхности кора планеты и ее верхняя мантия становились более проницаемыми для глубинных флюидов, чем в эпохи сжатия.
И, наконец, еще один, может быть, самый очевидный пример проявления пульсаций Земли. В дальнейшем нам не раз придется оперировать такими геологическими терминами, как геосинклиналь и рифт, а потому — несколько слов о том, что за ними скрывается. Геосинклинали — обширные, линейно вытянутые, испытывающие длительное глубокое погружение подвижные участки земной коры, отличающиеся интенсивностью тектонической жизни и заметной деформацией горных пород. Рифты же — это вытянутые на сотни или тысячи километров узкие зоны, где растягивается земная кора и где из недр планеты к ее поверхности поступают глубинные породы Земли.
Уже давно установлено, что интенсивные горизонтальные сжатия в земной коре происходят в определенные, сравнительно короткие периоды, и тогда процессы складкообразования почти одновременно охватывают многие районы Земли — главным образом ее геосинклинальные области. Силы противоположного знака — силы горизонтального растяжения в коре. Участки, где они проявляются заметнее всего, рифты. И вот детальное изучение особенностей развития рифтов на континентах и в океанах обнаружило, что в нем также есть глобальная периодичность! Как и складкообразование в земной коре, активизация рифтов, то есть усиление растяжения земной коры, происходит по всей планете в одни и те же строго определенные периоды.
При этом, вопреки теоретическим предположениям многих исследователей, довольно неожиданно обнаружилось, что периоды образования складок коры (так называемые фазы складчатости) не совпадают с периодами роста рифтов. Более того, они чередуются друг с другом по времени! Когда складчатость в геосинклинальных областях усиливается, расширение земной коры в рифтовых зонах или ослабляется, или полностью прекращается.
Более полувека назад геолог А. Д. Архангельский писал: «В жизни земной коры красной нитью проходит чередование эпох, в которые эта кора испытывает грандиозное сжатие, с эпохами, в которые ярко проявляются не менее мощные растягивающие усилия. Сжатия наиболее отчетливо сказываются в формировании горных хребтов, а растяжение — в создании таких грандиозных впадин, какими являются Великий африканский грабен… и т. д.
Эти явления трудно — или даже невозможно — понять, если стоять на позициях полной неизменности диаметра и объема Земли на протяжении всей ее истории. Напротив, они получают естественное объяснение, если допустить, что диаметр планеты периодически менялся, а ее объем пульсировал, то слегка увеличиваясь, то слегка уменьшаясь по сравнению с предыдущим состоянием.
Пульсации проявляются главным образом в подвижных зонах земной коры — рифтовых и геосинклинальных. Особенности тектонического строения этих зон таковы, что одни из них (зоны рифтов) оказываются более восприимчивыми к действию сил растяжения, в то время как другие (зоны геосинклиналей) — к действию сил сжатия. Увеличивается объем планеты — растут рифтовые зоны, здесь усиливается растяжение земной коры. Уменьшается объем — Земля сжимается главным образом за счет сужения геосинклинальных зон, в которых возникают складки, надвиги и другие структуры сжатия.
Таковы причины, которые гипотеза пульсаций предлагает для объяснения ряда важнейших явлений в геологической истории Земли. Думаю, им нельзя отказать в естественности и логической стройности. Однако нелишне подчеркнуть, что эти представления пока не претендуют на большее, чем считаться гипотезой, да притом на стадии первоначальной разработки.
В самом начале статьи автор отметил, что его привлекает перспектива объединения двух идей: идеи пульсации Земли и идеи ее постепенного расширения. Какие же факты свидетельствуют в пользу второй идеи?
Такие данные известны из разных разделов геологических наук, и мы упомянем лишь некоторые из них. Так, геологов уже давно «смущают» исключительно сильные изменения структуры и состава (глубокий метаморфизм) некоторых древнейших пород, лежащих у поверхности Земли. Породы эти обладают такими особенностями, будто они образовались при давлениях, существующих ныне на глубинах 30—50 километров. Но при нынешнем уровне наших геологических знаний кажется почти невероятным допустить, что мощные массивы этих пород поднялись к поверхности с такой глубины. Однако если радиус Земли 3,5 миллиарда лет назад был меньше современного, скажем вдвое, то сила тяжести значительно превышала нынешнюю, и такое давление могло достигаться на глубинах не в 30 — 50, а всего около 7,5 — 12,5 километра, откуда эти породы уже вполне могли подняться до поверхности Земли.
Вообще надо сказать, что с гипотезой расширения Земли согласуется целая группа явлений, указывающих на уменьшение силы тяжести в ходе геологического времени.
Интересные данные тут дает нам палеонтология. Современные методы исследований делают возможным распознать не только годичные циклы, но даже суточные ритмы роста кораллов. И вот что обнаруживается: если у нынешних кораллов число суточных ритмов в годичном цикле составляет 365, то у каменноугольных (с возрастом около 300 миллионов лет) — 390, а у девонских (около 380 миллионов лет) — около 400! Значит, скорость вращения Земли (точнее, количество ее оборотов вокруг своей оси в течение года) постепенно уменьшалась. А это, скорее всего, можно объяснить тем, что радиус Земли за последние 300—400 миллионов лет увеличился на несколько процентов (3,5—4), ее поверхность расширилась до восьми процентов, и еще больше возрос объем нашей планеты, а ее средняя плотность вещества соответственно несколько уменьшилась.
Палеомагнитные данные в разное время использовались различными исследователями и для доказательства довольно значительных изменений радиуса Земли (в основном его постепенного увеличения), и для отрицания сколько-нибудь заметных его колебаний. Но вот совсем недавно австралийские палеомагнитологи П. Шмидт и Б. Эмблтон в результате проведенного ими исследования пришли к выводу, что около 1,6 миллиарда лет назад радиус Земли составлял всего около 55 процентов от современного, а все нынешние континентальные массивы близко примыкали друг к другу. Лишь позже началось значительное расширение Земли, и между континентальными глыбами возникли крупные участки океанической коры.
Обратимся теперь к проблемам глобальной тектоники. В ходе исследований дна океанов, которые интенсивно велись в последние десятилетия, были основательно изучены срединно-океанические рифтовые хребты. Здесь вдоль осей рифтов из глубины планеты наверх поднимаются нагретые породы мантии. Выходя на поверхность, эти породы сдвигают в стороны вещество, прежде них поступившее наверх, и тем раздвигают крылья, фланги срединных хребтов в разные стороны. В этих зонах, несомненно, растет площадь земной коры.
Существование такого процесса (спрединга) и его большое значение в развитии океанов признается ныне большинством исследователей.
Но если в срединно-океанических рифтовых хребтах образуется новая океаническая кора, то в случае неизменности объема где-то должен происходить обратный процесс — исчезновение части древней коры, ее «поглощение». Сторонники гипотезы тектоники плит предполагают, что этот процесс происходит в пределах геосинклинальных областей и в основном заключается в пододвигании одной литосферной плиты под другую — в так называемой субдукции. В ходе субдукции (при постоянном объеме Земли) должно происходить «поглощение» участков земной коры, равных по своей площади тем, что образуются в результате спрединга. Но реальность этого процесса еще не доказана, и субдукция пока остается лишь остроумным предположением, которое еще не получило достаточного подтверждения ни данными сейсмических исследований, ни материалами глубоководного бурения.
Согласно гипотезе тектоники плит за последние 150 миллионов лет зоны субдукции должны были «поглотить» около двух третей всей поверхности Земли, а если такой механизм «работал» в течение последних полутора миллиардов лет, то они должны были бы уже несколько раз «пропустить» через себя ранее существовавшую земную кору. Однако большая часть площади материков обладает континентальной корой с возрастом более 1,5—2 миллиардов лет. Сомнительность идеи субдукции и тем более того грандиозного масштаба, который приписывается ей в модели тектоники плит, является одной из главных причин недоверия к ней многих исследователей.
Наиболее перспективное для геологии следствие из гипотезы расширения Земли состоит в том, что открывается возможность объяснить происхождение океанических впадин или во всяком случае их внутренних, рифтовых зон, не прибегая при этом к помощи субдукции.
Представления, которые развиваются в рамках гипотезы расширения Земли, согласуются с многочисленными наблюдениями за грандиозными процессами преобразования лика Земли, которые яркой нитью проходят через всю ее историю. Признаки вероятного расширения планеты мы находим на различных стадиях ее развития, но, конечно, оно проявлялось неравномерно во времени, резко усиливаясь в одни эпохи и ослабевая или даже временно сменяясь преобладающим сжатием в другие. Эпохи, когда наблюдается заметное усиление процессов растяжения и раздробления земной коры в глобальном масштабе, относятся к архею (примерно 3,5 — 3,0 миллиарда лет назад), началу раннего протерозоя (примерно 2,5 миллиарда лет назад), позднему протерозою (примерно 1,5—1,0 миллиарда лет назад) и мезокайнозою (от рубежа примерно в 250 миллионов лет назад до наших дней).
И еще несколько важных вопросов. Прежде всего, каковы масштабы расширения Земли в рамках гипотезы, о которой идет речь?
Наиболее вероятными мне кажутся представления об относительно умеренном масштабе расширения Земли, при котором с раннего архея (то есть за 3,5 миллиарда лет) ее радиус мог увеличиться не более чем в полтора-два (?) раза, с позднего протерозоя (то есть за 1,6 миллиарда лет) — не более чем в 1,3—1,5 раза, а с начала мезозоя (то есть за последние 0,25 миллиарда лет) — не более чем на 5, максимум 10 процентов.
А какой может быть длительность отдельных циклов пульсаций Земли? Вероятно, в развитии планеты проявляются, накладываясь друг на друга, «пульсы» различного порядка и масштаба. Они могут быть про¬должительностью в сотни миллионов лет (геотектони¬ческие «циклы»), в десятки миллионов лет, в несколь¬ко миллионов лет (с таким периодом чередуются, ви¬димо, фазы складчатости и рифтогенеза). Есть и еще более кратковременные пульсации, возможно, даже в несколько лет.
И еще один, быть может, самый трудный вопрос: каковы возможные причины расширения Земли? Надо сказать, что уверенного ответа на него пока дать нельзя.
Некоторые исследователи, как, например, известный австралийский геолог С. У. Кэри, открыто признают, что не знают причин расширения планеты, и склоняются к этой гипотезе потому, что она дает единственную, по их мнению, возможность объяснить, не впадая в противоречия, главные закономерности геологического строения и развития Земли.
Другие ученые вслед за рядом физиков — П. Дираком, П. Иорданом, Д. Д. Иваненко — допускают, что в ходе развития Вселенной уменьшалась гравитационная постоянная. А это — в интересующей нас области — должно было сказаться на плотности вещества нашей планеты: давление на него с течением времени должно было падать, плотность уменьшаться, а объем Земли расти. Однако представление об уменьшении гравитационной постоянной во времени пока строго не доказано, более того — оно весьма дискуссионно, и сейчас высказываются даже сомнения в том, что подобное явление, если оно и происходило, могло сопровождаться увеличением объема планеты.
Из числа иных предположений остановлюсь на одном, которое мне как геологу кажется наиболее вероятным. Можно допустить, что размеры Земли увеличивались вследствие уменьшения плотности ее вещества, однако причину разуплотнения согласно этой точке зрения следует искать (не исключая возможных изменений гравитационной постоянной) в сложных процессах, происходивших в недрах планеты. Что имеется в виду?
Преобразование вещества планеты в ее глубинных слоях — астеносфере, верхней и нижней мантии, а может быть, даже и в ядре, сопровождавшееся смещением их границ. Геологи рассматривают сейчас историю Земли не как спокойное существование изначально сложившихся ее внутренних оболочек, а как сложные процессы дифференциации вещества Земли и динамической перестройки этих глубинных слоев. И какой бы характер — согласно взглядам различных научных школ — такие перестройки ни имели, они обязательно должны были сопровождаться перемещением огромных масс вещества снизу, из глубин планеты, наверх, к ее поверхности, и наоборот. Одновременно шло множество различных физико-химических процессов — всплывание легкоплавких материалов, дегазация глубинных пород, выделение воды и прочее. А главное — менялась плотность «упаковки» вещества: она обычно увеличивалась, когда вещество опускалось вниз, и уменьшалась, когда оно поднималось к земной поверхности.
Целый ряд самых различных признаков указывает, что все эти процессы в мощном котле глубинных недр Земли имели общую направленность: уменьшение средней плотности вещества планеты. То есть тот именно эффект, какой мы ищем.
Сравнивая планеты земной группы, мы находим признаки наиболее значительного расширения именно на Земле, которая остается «живой» планетой с мощными проявлениями тектонической и магматической активности на протяжении всей ее истории. И это, как мне кажется, явно указывает на то, что главную причину расширения нужно искать во внутренних процессах, ведущих к разуплотнению вещества планет.
К сожалению, мы еще плохо знаем химический состав ядра и нижней части мантии Земли, плохо представляем себе характер происходящих в них процессов. Недостаточно ясна и природа тепловой энергии Земли. И все же ряд ученых, даже придерживающихся различных взглядов на состав глубинных слоев Земли, тем не менее, приходят к представлениям о неизбежности ее большего или меньшего расширения.
Что же касается возможных причин пульсаций объема Земли, то природа наиболее короткопериодических из них пока совершенно не ясна и, возможно, связана не с внутренними, а с внешними по отношению к Земле космическими факторами. Наиболее же продолжительные пульсации (длительностью в миллионы, десятки и сотни миллионов лет) скорее всего, могут вызываться неравномерным во времени выделением тепловой энергии в глубоких недрах планеты и ее распространением к внешним оболочкам и поверхности Земли как бы отдельными «тепловыми волнами».
Итак, общий ход развития планеты может, как кажется, вызывать постепенное уменьшение плотности вещества Земли и, стало быть, некоторое увеличение ее объема. А колебания в выделении глубинной тепловой энергии и в активности глубинных слоев планеты — прежде всего динамичной астеносферы — определяют регулярно возникающие относительно продолжительные пульсации ее размеров. Объединяясь, накладываясь друг на друга — то усиливая, то противодействуя друг другу, эти явления могут порождать весьма сложную и противоречивую картину жизни земной коры, какую мы в действительности и наблюдаем.
Сторонников пульсационной гипотезы нередко упрекают в том, что они якобы игнорируют свидетельства одновременности проявлений сжатия и расширения на земной поверхности. Этот упрек, конечно, основан либо на явном недоразумении, либо на стремлении «оглупить» и тем дискредитировать идею пульсаций. Разумеется, эти силы в разных районах Земли действуют одновременно, и речь может идти лишь о преобладании той или другой тенденции в различные эпохи истории Земли.
И последнее. В начале статьи я говорил, что сильная сторона гипотезы пульсаций и общего расширения Земли в том, что она предлагает естественное и достаточно логичное объяснение многим важным явлениям в геологической истории планеты. Но вместе с тем нельзя не отметить, что в ее нынешнем виде она не лишена слабостей и мало разработанных положений. К числу их, прежде всего, относятся вопросы о вероятном масштабе расширения, о возможных причинах, порождающих предполагаемые пульсации Земли и ее общее расширение.
Автор: Е. Милановский.