CC BY
50
УДК 551.24
ГЕОЭВОЛЮЦИОННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ В.И. ВЕРНАДСКОГО И ГЕОСИСТЕМНЫЙ БАЗИС ИХ РАЗВИТИЯ
© С.Я. Сергин
Ключевые слова: геоэволюция; геотектоника; геосистемы.
Проводится анализ взглядов В.И. Вернадского на факторы геологической эволюции Земли - в сопоставлении с исходными положениями гипотез плейттектоники и плюмтектоники, а также с выводами, полученными автором статьи при разработке системной геотектонической концепции.
ВВЕДЕНИЕ - подкоровые геосферы планеты находятся в квази-
равновесном состоянии и почти не задействованы в В научном наследии В.И. Вернадского большое ме- геоэволюции;
сто занимают мысли об эволюции земной коры в ходе - все реально известные процессы геоэволюции
геологической истории [1-2]. Земной корой он называл протекают в земной коре, которой свойственны сис-
внешнюю оболочку твердого тела Земли с нижней гра- темная организация, функциональная автономия (ав-
ницей вблизи изостатической поверхности планеты (на таркия) и саморазвитие;
глубине 130-140 км). По его представлениям:
- геологическая эволюция - это изменения состава и строения земной коры, связанные с геохимическими круговоротами вещества и эволюцией биосферы;
- источники энергии геоэволюции - радиоактивные элементы в породах земной коры и солнечная радиация, ассимилированная живыми организмами и гипер-генными минералами.
Ни одно из этих геологических (в сущности, геотектонических) представлений В.И. Вернадского не принимается во внимание в ныне доминирующих концепциях плейт- и плюмтектоники. В них считается, что источники энергии и механизмы тектогенеза приурочены к земному ядру и мантии Земли; литосфера участвует в тектогенезе как пассивная составляющая этих механизмов; биосфера с ее солнечной энергией и экзогенными геологическими процессами не играет существенной геодинамической роли.
В понимании факторов геоэволюции взгляды В. И. Вернадского противоположны позициям сторонников плейт- и плюмтектоники. Трудно представить, что ошибался основатель геохимии и учения о биосфере, опиравшийся на геологические знания, достижения химии и физики. С другой стороны, можно ли считать ошибочными идеи «новой глобальной тектоники», широко внедрившиеся в науку о Земле и круг знаний людей всего мира?
С нашей точки зрения, нет сомнений в надуманности идей плейт- и плюмтектоники. Вывод о неприемлемости плейттектоники отстаивали В.В. Белоусов [3], В.Н. Шолпо [4], другие специалисты науки о Земле. Дополнения к их аргументации и критика основ плюмтектоники изложены в работе [5], особенно в ее разделе 7.3. «Нуждается ли геология в революционных переворотах и новых парадигмах?». Цель данной статьи -возвратиться к мыслям В.И. Вернадского о геоэволюции и показать, что они действенны и сегодня.
1. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ ГЕОЛОГИИ -ПЕРИСФЕРА ЗЕМЛИ
В настоящее время нет единого мнения в отношении объекта исследований геологии. Такая же ситуация имела место в эпоху В. И. Вернадского. Его позиция по этому вопросу следует из представления, что в геологической эволюции активную роль играют только биосфера и земная кора [1-2]. Способность земной коры к самоорганизации он объяснял наличием в ней твердого, жидкого и газообразного состояний материи; проникновением из биосферы в коровые оболочки круговых процессов миграции химических элементов; энергетической самодостаточностью коры. По его мнению, в подкоровых геосферах вещество находится в однородном глубинно-планетном состоянии и устойчивом равновесии: «Чрезвычайно характерно, что активная часть планеты - область геологических изменений -сосредоточена на поверхности планеты. Главная масса вещества планеты инертна и неподвижна в масштабе геологического времени» [2, с. 43].
В.И. Вернадский отвергал идеи кардинальных преобразований Земли в ходе геологической истории: «В геологии мы не видим - в пределах наблюдений - катастроф и резких нарушений устойчивости динамического уклада планеты» [2, с. 121]. Он отстаивал мнение о геологической вечности глубинных геосфер Земли, земной коры, вод океана, живого вещества, температурного режима планеты и геохимических циклов на
ней. Циклические события в развитии коры он считал частью геоэволюции.
По В. И. Вернадскому, система, где протекает геоэволюция, объективно ограничена рамками земной коры и биосферы. Подобный смысл многие геологи стали вкладывать и в понятие «тектоносфера». Тем не менее, в геотектонике возобладали идеи глубинных механизмов геоэволюции: сжатия планеты, ее расширения, пульсаций ее объема, мантийной конвекции, мантийных плюмов и т. п. Они основаны на постулировании геодинамической активности ядра и мантии Земли. Объектом исследований геотектоники считается все твердое тело планеты.
Поскольку идеи о глубинных причинах тектогенеза гипотетичны, факт состоит в том, что все реально известные геологические процессы и структуры приурочены к перисфере Земли (включая астеносферу, литосферу, гидросферу, атмосферу и биоту). Перисфера -не пассивная среда протекания геоэволюции, а глобальная геосистема (ГГС), формирующая этот процесс, если она обладает свойствами динамической системы: 1) взаимодействием компонентов; 2) относительной обособленностью от внешней среды по зонам ослабленных связей; 3) источниками энергии. Рассмотрим этот вопрос.
Принадлежность к ГГС литосферы очевидна. Астеносфера функционально связана с литосферой: базальтовые выплавки из нее поднимаются по глубинным разломам и наращивают литосферу; перетоки вещества в астеносфере поддерживают глобальное литостатическое равновесие. Пониженная вязкость астеносферы, как отмечает М.Е. Артемьев [6], обеспечивает значительную автономность процессам, протекающим в литосфере (по отношению к подастеносферной мантии). Стало быть, нижняя граница ГГС соответствует подошве астеносферы.
С другой стороны, гидросфера, атмосфера и биота, взаимодействуя с литосферой, обусловливают экзогенные геологические процессы и участвуют в геоэволюции. Через литосферу они связаны с астеносферой, поскольку механизм изостатической компенсации реагирует на разрушение гор и осадконакопление, появление и стаивание ледниковых покровов. Следовательно, гидросфера, атмосфера и биота - компоненты ГГС, а верхняя граница системы приурочена к верхней атмосфере.
В целом компоненты перисферы взаимосвязаны и относительно обособлены от глубоких недр и космического окружения. По ресурсам энергии эта комплексная оболочка почти эквивалентна Земле (см. ниже). Она обладает всеми признаками динамической системы и названа «ГГС». Подобно биосфере, эта геосистема не включает внутреннюю область планеты (рис. 1). При глубинах нижней границы астеносферы 200400 км масса ГГС не превышает 10 % массы Земли.
В исследованиях докембрия установлено, что еще в архее существовала система литосфера - гидросфера -атмосфера - биота, где происходило осадконакопление, подобное современному [7-8]. Существовала и астеносфера, о чем свидетельствует широкое распространение основных эффузивов. Следовательно, ГГС возникла в начале геологического этапа развития Земли.
В соответствии со своей компонентной структурой, ГГС обладает следующими источниками энергии:
1) теплогенерация в пределах литосферы и астеносферы (^[);
2) приток тепла через нижнюю границу системы
Ы;
3) приток солнечной энергии через верхнюю ее границу (I).
Если д1 и д2 представить в виде восходящих потоков тепла, то в стационарных термических условиях д1 + д2 = дп, где дп - тепловой поток на поверхности литосферы. В геологической истории источниками энергии тектогенеза (и дп) могли быть остаточное тепло аккреции Земли, гравитационная дифференциация вещества планеты, физико-химические реакции в ее недрах, приливные деформации Земли и распад радиоактивных элементов. По мнению многих специалистов, относительно строгой оценке поддается лишь радиогенное тепловыделение, а роль остальных факторов неопределенна [9-10]. Имеются доводы, согласно которым все источники энергии, кроме радиогенного, были активны только на догеологическом и раннем геологическом этапах развития планеты.
Современные значения дп и вертикальное распределение температуры в Земле удовлетворительно описываются моделями, в которых учитывается только радиогенный источник тепла [9, 11]. В соответствии с тепловой моделью Земли, предложенной Ф. Стейси
[11], перисферная составляющая этого источника обеспечивает тепловой поток д1 = 0,05 Вт/м2, а нижележащая мантия и ядро - поток д2 = 0,01 Вт/м2.
Источник энергии для ГГС и Земли в целом со стороны Космоса - солнечная радиация (инсоляция). Средняя плотность ее потока на внешней границе атмосферы (I) составляет 340 Вт/м2 [5]. Доля инсоляции, поглощаемая поверхностью Земли, такова: 1п = 1(1 - А) = = 240 Вт/м2 , где А - планетарное альбедо, равное 0,3. Поглощенная радиация затрачивается на климатообразование и функционирование биосферы, в т. ч. на экзо-
Рис. 1. Компонентная схема глобальной геологической системы [5]
Воздействия со стороны ГГС Геологическая эволюция
Воздействия на околоземное
Космоса (Собственные
Воздействия со стороны „ динамические космическое пространство Воздействия на
земных недр свойства системы)
подастеносферную мантию""
ГГС Земля
240 240
0,05 0,06
0,01 -
Рис. 2. Блок-схема глобальной геологической системы с ее входами и выходами [13-14]
генные геологические процессы. После всех преобразований она почти полностью теряется в виде уходящего излучения Земли (рис. 1). Малой добавкой к последнему является дп. Тем самым поддерживается стабильный термический режим планеты.
Данные об источниках энергии ГГС и системы Земля представим в виде притоков тепла к поверхности планеты (Вт/м2):
поглощенная солнечная радиация собственное радиогенное тепловыделение
приток радиогенного тепла из глубин Земли
Практически все доступные для геоэволюции энергоресурсы Земли сконцентрированы в ГГС. Инсоляци-онный источник энергии обеспечивает наиболее масштабные (по массообмену) геологические процессы: глобальную денудацию, накопление осадков, образование осадочных пород. Возникает вывод об энергетической самодостаточности ГГС. Он распространяется на весь геологический этап развития Земли: согласно
[12], на этом этапе светимость Солнца и радиоактивная теплогенерация в теле планеты не претерпели кардинальных изменений.
В гипотезах плейт- и плюмтектоники не учитывается концентрация энергии в перисфере Земли. Следовательно, эти гипотезы не способны вскрыть реальные механизмы геоэволюции.
Факт существования ГГС открывает возможность системной постановки задачи изучения причин геоэволюции. С этой целью воспользуемся блок-схемой ГГС (рис 2).
Согласно схеме, главная часть задачи - исследование собственных динамических свойств ГГС и их роли в геоэволюции. Предусматривается возможность учета реальных воздействий на ГГС со стороны глубинных геосфер - в качестве возмущающих факторов. То же самое касается воздействий со стороны Космоса.
Из схемы на рис. 2 также следует, что ГГС, подобно другим динамическим системам, воздействует на окружающую (вмещающую) среду и неизбежно изменяет ее. Воздействие ГГС на нижнюю мантию, как показано в [5], обусловливает пространственные различия свойств мантии, выявленные сейсмической томографией. Они возникают вследствие особенностей функционирования разных областей ГГС. Из воздействий ГГС на околоземное космическое пространство большой интерес представляет то, что там находится внешняя часть геомагнитного поля, которое генерируется в пределах ГГС [5], а не в земном ядре.
2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПЕРИСФЕРЫ ЗЕМЛИ
Последователи В.И. Вернадского главное внимание уделяют изучению биосферы. По нашему мнению [5, 13-14]), акцент переведен на системную организацию перисферы. Функциональные ее блоки - это литосфера и астеносфера, глобальная экологическая система (ГЭС), глобальная климатообразующая система (ГКС), ансамбль геосинклинально-орогенных систем (ГОС), ансамбль разломно-магматических систем (РМС). Все блоки охвачены взаимными и обратными связями (рис. 3).
Рис. 3. Функциональная схема ГГС, по [4]: 1 - биосферная область; 2 - тектоносферная область; ГЭС - глобальная экологическая система; ГКС - глобальная климатообразующая система; ГОС - геосинклинально-орогенная система; РМС -разломно-магматическая система. ЭВл, ЭВа, ЭВпм - потоки энергии и вещества из литосферы, астеносферы, подастено-сферной мантии. ФЛгос, ФЛрмс - формирование литосферы в ГОС и РМС. Стрелками обозначены входы блоков, а линиями из блоков - их выходы. Точками показаны разветвления связей. Некоторые связи опущены, чтобы не усложнять схему
ГЭС включает верхнюю часть литосферы, гидросферу, различные льды, атмосферу и биоту. Для динамики ГГС и геоэволюции наиболее существенны такие процессы в ГЭС, как изменение состава атмосферы, денудация и седиментация, биогеохимическая аккумуляция солнечной энергии в осадочных отложениях.
ГКС почти совпадает с ГЭС по структуре и занимаемому пространству, но обладает функциональной самостоятельностью (те или иные климатические условия формируются на планетах и в отсутствие биоты). С динамикой ГКС связаны экзогенные геологические процессы, а также изменения климата, материкового и морского оледенения, уровня океана и температуры его вод, термического состояния литосферы.
ГОС - это участки тектоносферы, где протекают циклы: аккумуляция осадочных и эффузивных отложений - последующая реализация геохимической энергии осадочных пород, региональный метаморфизм, грани-тоидный магматизм и орогенез. Глобальный ансамбль этих систем распределен по геосинклинально-орогенным областям и поясам. Там формируется континентальная кора.
РМС - это участки тектоносферы, где с появлением глубинных разломов возникает цикл: выплавление
базальтовой магмы из астеносферы - компенсационное оседание литосферы, новое разломообразование и магматизм. Исходная региональная причина появления разломов - охлаждение земной коры орогенов и молодых платформ, а глобальная - понижение температуры литосферы, особенно в холодные геологические периоды.
Литосфера и астеносфера вместе с ансамблями ГОС и РМС образуют тектоносферную область ГГС. Она функционально объединена с биосферной областью системы. Последняя заходит в литосферу, но это не удается отобразить графически. На схеме видно, что параметры литосферы (ПЛ) и астеносферы (ПА) - их состав, строение, температура и т. д. - это результат корпоративных биосферно-тектоносферных взаимодействий в ГГС.
Все блоки и связи, представленные на схеме, имеют геологическое содержание и геоэволюционное значение. Схема не поддается ни усечению, ни расширению за счет оболочек, не входящих в ГГС. Отражая организацию системы, она полезна для построения и восприятия системной геотектонической концепции.
3. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ВЕЧНОСТЬ ПЕРИСФЕРЫ ЗЕМЛИ
В исследовании причин геоэволюции неизбежен вопрос: на каком этапе геологического времени существовала перисфера, подобная современной (для которой применимы схемы рис. 1, 3)? Ответ на него более всего зависит от понимания истории возникновения океана. В геотектонике преобладало представление о постепенном выделении воды из земных недр и медленном формировании океана. Оно отпадает, поскольку имеются факты раннего появления океана [7-8, 15]. Но остается открытым вопрос о происхождении воды и первоначальном ее объеме.
В.И. Вернадский доказывал, что земные недра не могут быть источником вод гидросферы; вода вечно присутствует на Земле; ее количество почти не изменяется [1-2]. Вслед за Э. Зюссом он допускал, что изначально Земля могла быть полностью океанической. Земную кору океанов он считал древней и стабильной.
В [5] описан механизм раннего возникновения воды на Земле. В протопланетном скоплении («облаке») космической материи преобладал водород и присутствовали частицы с оксидами металлов, в т. ч. железа. В ходе сжатия «облака» в условиях высоких температур происходило восстановление металлов водородом и образование воды (например, Ге304 + 4Н2 ^ 3Ге + + 4Н20). Такого рода реакции протекали слева-направо, поскольку металлы удалялись из реакционной зоны к центру «облака», а вода - к его периферии. По завершении формирования геосфер вода оказалась на поверхности Земли и возник океан.
Отмеченный космохимический механизм обеспечивал генерацию воды в количестве, намного превышающем современную массу гидросферы [5]. Это -довод в пользу того, что океан ранней Земли был самым многоводным и обширным. Жизнь на Земле зарождалась в океане, который, по-видимому, полностью окутывал планету. Стало быть, подкрепляется мнение В. И. Вернадского о геологической вечности океана и биосферы. Это касается и всей перисферы (см. также п. 1 данной статьи).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Закономерности состава, строения и развития земной перисферы В.И. Вернадский выявлял в границах реальных знаний. Тот же принцип заложен в разработку системной геотектонической концепции. Ниже представлены основные выводы этого исследования. В них явственно проступают воззрения В.И. Вернадского.
1. Объектом исследований геологии является пери-сфера - глобальная геологическая система. ГГС обладает относительной обособленностью, функциональной организованностью, энергетической самодостаточностью. Геологическая эволюция - это проявление, главным образом, собственной динамики ГГС.
2. Все компоненты ГГС существовали в начальную эпоху геологического развития Земли. Их геологическая вечность предопределила преемственность геоэволюции. В частности, сохранялась географическая стабильность областей существования океанических и континентальных платформ.
3. Радиогенный и инсоляционный источники энергии Земли сосредоточены в ГГС. Этот и некоторые другие факторы обусловливают протекание геоэволюции именно в ГГС. Глубокие земные недра почти лишены источников тепла. Повышенная их температура -всего лишь следствие низких теплопотерь.
4. Главные механизмы геоэволюции - это круговороты вещества в перисфере, обусловленные совместной работой всех подсистем ГГС (рис. 3). Они порождают экзогенную сепарацию химических элементов и соединений, что влияет на развитие литосферы. Континентальная литосфера приобретает отличие от океанической по составу, плотности и гипсометрическому положению.
5. Океаническая литосфера - это слоисто-линзовая толща эффузивных базальтов с прослоями метаморфи-зованных осадочных отложений. Базальты выплавляются из астеносферы при образовании разломно-магматических систем (РМС). Сети РМС активно возникают в холодные геологические периоды, подобные кайнозойскому. Литосфера пронизана преимущественно вертикальными базитовыми дайками, которые остаются после отмирания РМС.
6. Континентальная литосфера - генетически более сложная. Нижний ее этаж - это ранее возникшая океаническая литосфера, а верхний - это коровая (в т. ч. гранитно-метаморфическая) толща, сформировавшаяся в ходе геосинклинально-орогенных циклов и последующего платформенного осадконакопления.
7. Область былых биосфер включает, наряду с осадочным и гранитно-метаморфическим слоями, все нижележащие слои литосферы. Эти слои постепенно ассимилируются астеносферой - особенно под океанами, где сосредоточены РМС, активны процессы эффузивного выноса базальтовой магмы из астеносферы и сопутствующего оседания литосферы.
8. Горно-складчатые структуры Земли - это результат развития геосинклинально-орогенных систем (ГОС). Развитие ГОС включает циклы: накопление осадочных толщ - реализация имеющейся в них химической энергии, региональный метаморфизм, гранито-идный магматизм и орогенез. Энергия отложений заключена в гипергенных минералах, органическом веществе и повышенной концентрации радиоактивных элементов.
9. ГГС - автоколебательная система. Это ее свойство - причина глобальных геологических (геотектонических) циклов, включая чередование теплых и холодных геологических периодов. Циклы отражают взаимодействие биосферной и тектоносферной областей ГГС. Они генерируются в связи с геосинклинально-орогенными циклами и саморазвитием оледенения Земли в эпохи орогенеза.
10. Поступательная геологическая эволюция обусловливается необратимыми изменениями перисферы в ходе геосинклинально-орогенных и глобальных геологических циклов. Решающую роль играет разрастание континентов. Оно влечет за собой увеличение разнообразия биоты, усложнение биосферы, похолодание климата Земли, активизацию экзогенных и эндогенных геологических процессов. В перспективе все материки объединятся континентальными «мостами». Мировой океан распадется на отдельные бассейны, имеющие разные уровни и соединенные проливами.
B.И. Вернадский отрицал идеи мобилизма, контракции Земли, ее расширения, пульсаций ее объема. Он упрекал отечественных сторонников этих идей за нежелание следовать реальным знаниям [1-2]. Его упрек переходит и на ученых, внедрявших в Советском Союзе и России идеи плейт- и плюмтектоники. Они помогли образованию в геологической науке монополии (парадигмы) «новой глобальной тектоники», которая олицетворяет застой в теоретической геологии, процветание в ней откровенно фантастических геоэво-люционных идей и построений.
Научное наследие В.И. Вернадского помогает противостоять геологическому мифотворчеству. Не случайно многие его последователи, в т. ч. географы, проявили критическое отношение к «новой глобальной тектонике». Это наследие дает отечественной геологии преимущества в решении реальных и устранении надуманных проблем геотектоники и геоэволюции.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вернадский В.И. Очерки геохимии. М.: Наука, 1983. 422 с.
2. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы и ее окружения. М.: Наука, 2001. 376 с.
3. Белоусов В.В. Тектоника плит и тектонические обобщения // Геотектоника. 1991. № 2. С. 3-12.
4. Шолпо В.Н. Роль эмпирических обобщений и гипотез в геотектонике // Отечественная геология. 2004. № 2. С. 41-49.
5. Сергин С.Я. Системная организация процессов геологического развития Земли. Белгород: Изд-во БелГУ, 2008. 360 с.
6. Артемьев М.Е. Современное состояние проблемы изостазии // Строение и эволюция тектоносферы. М.: ИФЗ АН СССР, 1987.
C. 216-252.
7. Сидоренко С.А. Органическое вещество и биолитогенные процессы в докембрии. М.: Наука. 1991. 104 с.
8. Nutman A. P., Friend C.R.L., Bennett V.C. Review of the oldest (44003600 Ma) geological and mineralogical record: glimpses of the beginning // Episodes. 2001. V. 24. № 2. P. 93-100.
9. Любимова Е.А., Любошиц В.М., Парфенюк О.И. Численные модели тепловых полей Земли. М.: Наука, 1983. 126 с.
10. Хаин В.Е., ЛомизеМ.Г. Геотектоника с основами геодинамики. М.: Изд-во МГУ, 1995. 480 с.
11. Стейси Ф. Физика Земли. М.: Мир, 1972. 342 с.
12. Войткевич Г.В., Бессонов О.А. Химическая эволюция Земли. М.: Недра, 1986. 212 с.
13. Сергин С.Я. Глобальная геологическая система и системная геотектоническая концепция // Исследование и формирование геосистем. Туапсе, 2009. С. 7-40.
14. Сергин С.Я. Системная геотектоническая концепция: основы формирования и главные выводы // Научные ведомости БелГУ. Естественные науки. 2011. № 15. Вып. 16. С. 109-120.
15. Huston D.L., Blewett R.S., Champion D. Australia through time: its tectonic und metallogenic evolution // Episodes. 2012. V. 35. № 1. P. 23-43.
nocTynma b pegaKunro 27 ceHTfl6pa 2012 r.
Sergin S.Y. V.I. VERNADSKIY VIEWS ON GEO-EVOLUTION AND GEO-SYSTEM BASIS FOR THEIR DEVELOPMENT
The views of V.I. Vernadskiy on factors of Earth geological evolution are under analysis in comparison to initial statements of the plate-tectonic and plume-tectonic, and with derivatives from systemic geotectonic conception which the article’s author made.
Key words: geo-evolution; geotectonic; geosystems.
