CC BY
22
УДК 552.3
КОНЦЕПЦИЯ КОСМО-ЯДЕРНОГО ЭКСПЛОЗИВНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ЗЕМЛИ
А.М. Жирнов
Институт комплексного анализа региональных проблем ДВО РАН, г. Биробиджан
Рассмотрены некоторые представления об астрономическом развитии Земли, состоянии геологической науки на пороге XXI века и эмпирические факты о закономерностях строения и эволюции Земли. Охарактеризованы главные достижения современной научной революции в гелологической науке, кардинально изменившие представления о глобальных тектонических процессах в недрах Земли и их геодинамике.
«..изучение всей Земли в целом, а не частями, надо поставить в ряд важнейших фундаментальных
направлений в науке» Академик Ю А. Косыгин, 1988
Краткое представление об астрономическом развитии Земли
Проблема образования Земли, как планеты, представляет сложнейшую проблему философии и естествознания. Она привлекала внимание передовых мыслителей еще в глубокой древности (Аристотель, Аристарх и др.), более чем за 2 тыс. лет до нашего времени. Начало научного осмысления ее произошло 400 лет назад, когда польский ученый Николай Коперник опубликовал свою работу «О вращении небесных сфер» (1543 г.) и создал новое, гелиоцентрическое, представление о строении Солнечной системы - с Солнцем в центре и вращающимися вокруг него планетами. В 17-18 вв. эта «проблема проблем» настойчиво исследовалась учеными разных направлений - философами, математиками, физиками, астрономами, географами, геологами и др. (Р. Декарт, И. Кеплер, Ф. Бекон, Ч. Лайель и др.).
Немецкий астроном Иоганн Кеплер, установивший законы движения планет, представлял Солнце в центре мощного вихря, который разбрасывает планеты по их орбитам (1609 г.). Французский философ и математик Р. Декарт поддержал представление о первоначально вихревом движении частиц материи, порождающем планеты (1644 г.). После уплотнения и консолидации вихревого протопланетного облака оно переходит в стадию расплавленного магматического тела, а при дальнейшем остывании - покрывается твердой земной корой. Общей причиной появления материи, движения материи и состояния покоя был, по его мнению, бог.
Наиболее известными гипотезами образования Земли, из первых, были: концепция немецкого философа И. Канта - о происхождении ее из холодной газово-пылевой туманности (1755 г.), и концепция французского астронома и математика П. Лапласа (1796 г.) - о происхождении Земли из раскаленного вращающегося газопылевого облака.
Новый период активного исследования данной проблемы начался в 20 веке. Гипотезы И. Канта и П. Лапласа получили поддержку со стороны последователей и дальнейшее развитие. Вначале всеобщим признанием пользовалась концепция П. Лапласа, но в 1944-1950 гг. академик О.Ю. Шмидт выдвинул новую концепцию - об образовании Солнечной системы и планет из холодной газово-пылевой туманности. В сущности он возродил представление И. Канта, но уже с учетом крупных успехов физики начала 20 века - о ведущей роли гравитационного сжатия и радиоактивного распада для разогрева формирующихся планет.
Концепция академика О.Ю. Шмидта получила широкое распространение и до сих пор рассматривается в учебниках по астрономии и природоведении в качестве ведущей современной парадигмы [13, 15].
По мнению многих современных астрономов, планеты и их спутники сформировались в результате объединения твердых и холодных тел и частиц протопланетного облака, образованного ранее совместно с Солнцем. «Земля, как планета, сформировалась в основном за время порядка 100 млн лет и вначале тоже была холодной. Последующий разогрев Земли происходил в результате ударов крупных тел, типа астероидов, гравитационного сжатия, распада радиоактивных элементов и некоторых других физических процессов» [15, с. 185].
Ряд других астрономов, в т.ч. и многие геологи, развивают, напротив, в последнее время концепцию образования Солнечной планетной системы из первично горячего вещества (плазмы) на основе гетерогенной аккреции вещества с последующей его дополнительной дифференциацией и консолидацией [6,12,16,17, 18,23,25].
В общей проблеме астрономического зарождения и развития Земли различают несколько соподчиненных: в каком состоянии было исходное космическое облако -холодном или горячем, что послужило генератором (ка-
тализатором) объединения (аккреции) частиц облака в единое плотное тело, каким образом происходило объединение первичных частиц - в процессе гомогенной или в процессе гетерогенной аккреции и т.д. По всем этим и другим аспектам общей проблемы астрономического развития Земли имеются сейчас различные представления [13, 15, 25]. Соответственно, имеются различные конкретные представления о происхождении и эволюции Земли ее спутника Луны.
Как отмечает И. Левитан: «проблема происхождения планет - очень сложная и далеко еще не решенная, во многом зависящая от развития не только астрономии, но и многих других естественных наук - прежде всего наук о Земле» [15, с. 184].
Однако науки о земле (геологические, геофизические) очень долго не могли помочь астрономии, поскольку сами находились в стадии становления и развития.
Геологическая наука на пороге XXI века
Геологическая наука - относительно молодая наука. Фактическое развитие ее составляет около 150 лет, с периода 1830-1859 гг., когда В. Смит и Ж. Кювье разработали палеонтологический метод определения возраста осадочных слоев по окаменелым остаткам в них вымерших организмов и, соответственно, создали основы таких базовых для геологии наук, как палеонтология и стратиграфия. В это же время Д. Холл обосновал учение о геосинклиналях - подвижных поясах, создавшее фундамент геосинклинальной теории развития земной коры континентов.
За первые 100 лет своего развития геологическая наука обеспечила достаточно детальное геологическое изучение поверхности земной коры континентов, завершившееся созданием крупных фундаментальных обобщений. Но только 50 лет назад стало активно развиваться новое направление геологической науки - геофизическое и были получены первые данные о слоистом строении земного шара. По результатам сейсмического зондирования Земли выяснилось наличие в ней трех оболочек: верхней тонкой оболочки - земной коры (толщиной около 40 км), средней очень мощной оболочки - мантии (до глубины 2900 км) и центрального очень крупного -3470 км, ядра (в интервале глубин 2900-6370 км, по радиусу). Ядро оказалось неоднородным по строению -внешнее жидкое, внутреннее твердое [5, 6, 17].
В последние 50 лет были проведены и активные геологические исследования земной коры на дне океанов, позволившие установить принципиально отличное, от континентов, ее строение и состав. Соответственно, теоретическая геология сосредоточила основное внимание на исследовании особенностей состава, строения и эволюции разных типов земной коры и выяснении причин образования и перемещения разных геоблоков (плит), т.е. их геодинамики (теории фиксизма, мобилизма и др.). Остальные структурные элементы земного шара - мантия и ядро - стали изучаться лишь в последние десятилетия, после завершения исследования земной коры и разработки более совершенной геофизической аппаратуры для изучения больших глубин Земли [3, 4, 6, 19, 22 и др.].
Поэтому многие вопросы внутреннего строения Земли и значимости различных ее структурных элементов в образовании и эволюции земной коры и Земли в целом оставались недостаточно понятными. Неясными оставались и источники могучих тектонических сил, вызывающих крупные преобразования земной коры - образование гор, извержения огромных масс горячей магмы и др. Не получили теоретического объяснения и многие установленные эмпирические закономерности в строении Земли [22]. Например, почему континенты сосредоточены в одном полушарии Земли, а в другом находится огромный Тихий океан?
Современная научная революция в геологической науке
Положение в геологической науке стало принципиально меняться в последние 10-15 лет. В это время были получены данные революционного значения, кардинально изменившие представления о глобальных тектонических процессах в недрах Земли и их геодинамике.
Во-первых, была установлена решающая, генерирующая, роль жидкого ядра Земли для эндогенных процессов в мантии и земной коре. Именно процессы дифференциации вещества во внешнем жидком ядре Земли обусловливают периодическое отделение от него порций избыточной энергии и вещества (тепломассопотоки, флюиды или плюмы). Эти плюмы, представляющие собой сильно сжатые высокотемпературные газы (давление более 1000 кбар, температура около 40000 С), продвигаются вверх по мантии до ее верхнего горизонта, где вызывают плавление пород и образование первичных магматических очагов. Последние порождают вторичные очаги магм и серии месторождений полезных ископаемых - уже непосредственно в земной коре, а также - тектоно-магматические процессы образования гор, глубоких впадин и масштабных излияний магм на поверхность. Циклы ядерных воздействий на земную кору повторяются в истории Земли через 30 млн лет, а наиболее мощные - через 170-200 млн лет в фанерозое и через 300-500 млн лет в докембрии, в начале геологического этапа развития Земли. [6, 7, 10, 16, 17, 18 и др.].
Эти представления появились в результате проведения учеными многих стран широких комплексных исследований. В частности, были проведены обширные геофизические (сейсмо-томографические) исследования мантии и ядра, длительные экспериментальные исследования процессов плюмообразования, а также - численное моделирование на мощных компьютерах, петро-лого-геохимические исследования и другие работы (в России эти работы выполняли группы акад. Н.П. Добре-цова, Ф.А. Летникова, А.А. Маракушева, В.Г. Моисеен-ко и В.Г. Сахно и др.).
Второе направление - это создание новой современной геотектонической концепции (теории) - линеамент-но-диапиро-ядерной. Эта концепция синтезирует текто-но-геодинамические факторы в пределах трех геосфер их проявления (ядре, мантии, земной коре) в единую систему причинно-следственных процессов: от уровня зарождения энергетических сил и тепломассопотоков на границе внешнего ядра до уровня локализации вторич-
ных магматогенных очагов и месторождении полезных ископаемых в земной коре. Данная концепция активно разрабатывалась, в ее линеаментном варианте, 20-30 лет назад (Е.А. Радкевич, М.А. Фаворская, И.С. Волчанс-кая, И.Н. Томсон и др.). Но законченное выражение, в современном аспекте, получила лишь в последние годы [1,2, 8, 9, 10, 11, 26 и др.].
Таким образом, прежние геологические теории, характеризующие геологические процессы лишь в приповерхностной оболочке Земли - земной коре и астеносфере - сменились новой всеобъемлющей теорией, объясняющей геодинамику и тектогенез в истинно глобальном масштабе - в рамках всей планеты.
Эмпирические факты в строении и эволюции Земли
В процессе географического и геологического изучения Земли был установлен ряд эмпирических фактов, не получивших теоретического объяснения. Вот некоторые из них. Все континенты планеты находятся на одной стороне земного шара, причем преимущественно в его северной части. И они составляют подчиненную часть поверхности Земли (30 %).
Северные части континентов широкие, а южные концы их резко суженные, заостренные. При этом 20 млн лет назад оба суперконтинента, Американский и Африкано-Евразийский, соединялись на севере и представляли единый мегаконтинент. Форма его была в виде сложной «морковки» - с единой общей поверхностью на севере и несколькими зауженными к югу концами («корнями»), Позже часть суши была тектонически опущена и покрыта водами Ледовитого океана (рис. 1).
Форма поверхности океанической земной коры (под океанами) выпуклая кверху и находится на глубине около 4 км. Тогда как форма днища континентов резко вогнута вниз, в нижележащую мантию. При средней высоте континентов, 800 м над уровнем моря, они возвышаются относительно дна океанов на 5 км, т.е. представляют собой как бы какие-то выступы или наросты на теле планеты.
Мощность земной коры континентов равна 40-80 км, а океанической коры - 3-5 км.
Рис.1. Континентальное (верх) и океаническое (низ) полушария Земли. По Ч. Лайелю, из работы [24].
Центр континентальной (северной) полусферы помещен в район Лондона, и почти вся суша оказывается сосредоточенной в этой половине Земли. Центр океанической полусферы располагается около Новой Зеландии - почти вся ее поверхность закрыта океаном (на схеме Лайеля отсутствует Антарктида)
Континентальная кора имеет существенно сиаличес-кий (обогащенный кремнием и кислородом) состав и сложена мощным осадочным (10-15 км) и гранито-гней-совым (15-25 км) слоями, залегающими на базальтовом слое. Океаническая кора имеет, напротив, мафический состав (обогащенный магнием и железом) и сложена тонким слоем базальтов (1-2 км), прикрытым сверху тонким слоем (0,5-1 км) осадков [3,4, 5, 6,19 и др.], как это видно на рис. 2.
Сиалические ядра континентов, составляющие 70 % их объема, образовались в древнейшее время, 3,7-
3,5 млрд лет назад, в результате наимощнейшего в истории Земли воздействия ядерных тепломассопотоков на первичную базальтовую протокору. Тогда как тонкий слой базальтов океанической коры образовался совсем недавно, 150-200 млн лет назад. А лежащая под ним мантия мафического (габбро-перидотитового) состава осталась неизменной с древности и лишь слегка серпентинизиро-вана в приповерхностном слое [3, 4, 19, 23, 25 и др.].
Тихий океан 4>/-------6,5
Себ, Америка
Атлантический Черное Катист . океан ЕВрапа Азия
Япония
Рис. 2. Разрез земной коры на 45й с. ш., по сейсмическим данным.
По Г. Клоосу и К. Бенке, из работы (Хайн, 1964).
1 - осадки и гранит; 2 - верхний базальт; 3 - нижний базальт; 4 - перидотитовый слой. Цифры обозначают скорости продольных сейсмических волн
Формирование континентов продолжалось (по их краям) до настоящего времени, вследствие повторяющихся циклов воздействия ядерных плюмов, но уже в резко ослабленном темпе - дополнительно образовалось только 30 % суши. Океаническая кора была неизменной изначально - с начального времени образования Земли (только с Мезозоя началось активное растрескивание океанической коры, с образованием мировой системы океанических хребтов и рифтов и массовым излиянием базальтов).
Таким образом, континенты формировались вследствие длительного преобразования первичной базальтовой протокоры под избирательным воздействием ядерных тепломассопотоков. Тогда как остальная, преобладающая, часть планеты (70 % ее поверхности) сохранила свой первичный симатический состав и лишь была прикрыта с поверхности тонким слоем базальтоидного материала [5, 16, 17, 18 и др.].
Концепция космо-ядерного эксплозивного образования Земли
Согласно изложенным эмпирическим данным, океаническая земная кора и мантия Земли имеют ультраба-зитовый или мафический состав, т.е. состоят из минералов, построенных за счет четырех главных химических элементов - магния, железа, кремния и кислорода. Эти элементы характерны и для других твердых планет и метеоритов, что говорит об их общем космическом происхождении [5, 18].
Земная кора континентов сложена, напротив, алюмо-силикатными минералами, в составе которых преобладают другие элементы: кислород, кремний, алюминий, натрий и кальций. В меньшем количестве присутствуют водород, углерод, железо и магний. Кроме того, на кон-
тинентах (и островах) сосредоточены все эндогенные металлические и неметаллические месторождения полезных ископаемых Указанные металлы и химические элементы обычно поступают в верхние горизонты Земли из больших глубин - из ядра, при выбросе ядерных тепломассопотоков, и из мантии, при экстракции из нее проходящими плюмами, т.е. это вторичные элементы, порожденные химико-энергетическими процессами преобразования вещества в глубоких недрах самой Земли [5,
17, 18].
Таким образом, сиалические ядра древних платформ, образованные в начале геологической эволюции Земли (вследствие исключительного по мощи катастрофического поступления из ядра Земли газовых плюмов), представляют собой гигантские геохимические аномалии на ультрабазитовом теле планеты, которые в дальнейшем только увеличивались с флангов. С другой стороны, образование таких аномалий стало возможным благодаря возникшим в теле планеты глубоким тектоническим ослабленным зонам, достигшим ядра Земли и вызвавшим его мощнейшее возбуждение.
Как можно объяснить по этим данным образование континентов?
Единственным непротиворечивым объяснением можно считать отрыв крупных сегментов газово-жидкой мантии от тела Прото-Земли - в момент времени, предшествующий консолидации Земли, т.е. в конце астрономического этапа ее развития. К участкам вырванной мантии устремились из ядра Земли мощнейшие тепломас-сопотоки газо-силикатного состава и обусловившие глубокую переработку первичной базит-ультрабазитовой коры в сиалические (существенно гранитоидные) ядра древних платформ. И в дальнейшем, на протяжении
Рис. 3. Последовательность фигур равновесия само гравитирующих вращающихся тел (жидких - слева, газовых - справа). По Пуанкаре и Макларену, из работы [21].
Ось вращения везде расположена вертикально. Начальная точка отсчета времени и начальная форма тел - сверху
3,5 млрд лет геологической истории Земли, ядерные плю-мы продолжали избирательно поступать (но уже в ослабевающем темпе) в направлении зародившихся континентов, довершая формирование их до современного облика [27].
По современным астрофизическим данным, разрыв планет и звезд на астрономическом этапе их развития -обычное и даже наиболее распространенное явление. Только за последнее тысячелетие зарегистрировано около 450 вспышек (взрывов) звезд в разных Галактиках [20]. Согласно разработкам А. Пуанкаре, Дж. Дарвина и других исследователей (в конце XIX и начале XX века), при быстром вращении самогравитирующихся однородных жидких и газообразных тел и их уплотнении происходит последовательная смена фигур равновесия (особенно при наличии некоторых возмущений) - от сферы до эллипсоида, сигарообразного тела и гантели. Неустойчивость тела резко повышается, что приводит к разрыву его на несколько новых тел (рис. 3). Предполагалось, что такой процесс мог быть в основе формирования двойных (и более) планетных систем [21].
В настоящее время созданы более обоснованные и сложные модели развития астрономических тел. По современным представлениям о гетерогенной аккреции (А. А. Маракушев, Н.А. Шило и др.), реальное протопла-нетное тело формируется в спиралевидном облаке горячего ионизированного газа (плазмы), находящегося в состоянии вихревого турбулентного движения. Это облако быстро превращается в весьма неустойчивое жидко-газовое, а затем в газово-жидкое тело (с некоторой долей твердой компоненты). По данным выполненных на мощных компьютерах трехмерных газодинамических расчетов, в исходном протопланетном теле неизбежно происходит фрагментация (деление) центрального сильно сжатого ядра на несколько новых ядер (рис. 4), а затем протопланетное тело распадается на двойную или многокомпонентную систему [21]. Распад, точнее взрыв-разрыв, происходит вследствие весьма неустойчивого состояния такой быстро вращающейся и неоднородной по физическому состоянию системы и выделения огром-
ной энергии при термоядерных реакциях во время распада центрального плотного ядра.
Приведенные географические, геолого-тектоничес-кие и геофизические особенности в строении и развитии Земли, на геологическом этапе ее развития, а также экспериментальные и известные данные об образовании двойных звезд и планет, убедительно свидетельствуют о катастрофическом разрыве крупной планеты - Прото-Земли - на астрономическом этапе ее формирования. Этот разрыв привел к образованию двух близких планет, Земли и Луны, предопределил специфическое геологическое развитие Земли в течение длительного, 4,2 млрд лет, этапа ее эволюции и стал причиной интенсивной метеоритной бомбардировки Луны в начальный период ее формирования [27].
ЛИТЕРАТУРА:
1. Амантов В. А., Блюман Б. А., Орлов Д.М. и др. Опыт составления прогнозно-минерагенических карт на глубинной геодинамической и геолого-геофизической основе. С-Пб: ВСЕГЕИ, 1998. 76 с.
2. Архангельская В.В. Линеаментная минерагения, ли-неаменты и месторождения углеводородов на территории СНГ // Известия вузов, серия геология и разведка. 1998. № 1. С. 68-76.
3. Барсуков В. А. Ранняя история Земли//Природа. 1981. №6. С.30-38.
4. Васильев Б.И. Основные закономерности строения Тихоокеанского сегмента Земли // Геологическое строение и происхождение Тихого океана. Владивосток. Дальнаука, 2005. С. 9-22.
5. Войткевич Г.В. Рождение Земли. Ростов-на-Дону: Феникс. 1996. 480 с.
6. Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г. Глубинная геодинамика. Новосибирск, 1994. 299 с.
7. Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А.Г. Физико-химические условия на границе ядро-мантия и образование термохимических плюмов // ДАН. 2003. Т. 393, № 6. С. 798-801.
Рис. 4. Трехмерная модель быстрого гравитационного сжатия (коллапса) вращающегося межзвездного облака и фрагментации его центрального ядра. По А. Боссу из работы (21).
Последовательные состояния: а - начальное облако массой в одну массу Солнца (1М= 2х1030кг, температура Т= 10 К, радиус К=0,016 пк.; б - образование центрального плотного ядра; в - первая фрагментация ядра - на три новых; г - вторая фрагментация первичных новых ядер, каждого - на два новых. Круговые линии - линии равной плотности. Плотность облака в состоянии г - в сто тысяч раз больше его плотности в начальном состоянии
8. Жирнов A.M. Ортогональные линеаменты и геобло-ковая делимость Юго-Восточной Азии // Строение и эволюция Востока Азии. III Косыгинские чтения. 22-25 января 2001 г. Хабаровск, 2001. С. 20-26.
9. Жирнов А.М. Рудоносные меридиональные линеаменты Восточной Сибири // Тектоника земной коры. Тектонич. законом, размещ. полез, ископ. Мат-лы конф. 1-4 февраля 2005 г. М.: Геос, 2005. Т. 1. С. 240-244.
10. Жирнов А.М., Бормотов В.А. Линеаменты и рудные гиганты Индигиро-Амурского сегмента Востока России в аспекте геодинамики ядра Земли // Новые идеи в науках о Земле. IV мсждунар. конф. Тез. докл. конф. 1-10 февраля 1999 г. М., 1999. Т. 2. С. 143.
11. Калягин А.Н., Абрамов В. А. Основы трансструктурной геологии в океанологии и металлогении. Владивосток: Дальнаука, 2003. 348 с.
12. Компаниченко В.Н. Рождение планетной системы Солнца // Закономерности строения и динамики планет земной группы. Междунар. науч. симп. Хабаровск, 1992. С. 11-13.
13.Короновский Н.В. Наша планета Земля. М.: Мир, 2002. 220 с.
14. Косыгин Ю.А. Тектоника геосфер. Хабаровск: Изд-во Ин-та тектоники и геофизики ДВО РАН. 1988. 87 с.
15. Левитан Е.П. Астрономия. М: Просвещение, 2005. 207 с.
16. Летников Ф.А. Сверхглубинные флюидные системы Земли и проблемы рудогенеза // Геология рудных месторождений. 2001. № 4. С. 291-307.
17. Летников Ф. А. «Тепловая машина» Земли // Земля и Вселенная. 2003. № 1. С. 3-9.
18. Маракушев А. А. Происхождение Земли и природа ее магматической активности. С-Пб, 1992. 50 с.
19. Муратов М.В. Происхождение материков и океанических впадин. М.: Наука, 1975. 176 с.
20. Павлов А.Г., Филиппов В.Р. Еще раз о происхождении Земли // Отечественная геология. 2003. № 3. С. 71-73.
21. Сурдин В.Г. Происхождение двойных звезд // Природа. 2004. №3. С. 12-18.
22. Хайн В.Е. Современная геодинамика: достижения и проблемы//Природа. 2002. № 1. С. 51-59.
23. Шило Н.А. Проблема ранней истории Земли и ее ме-таллогенические следствия // Тихоокеанская геология. 1999. №2. С 9-17.
24. Шолпо В.Н. Структура Земли: упорядоченность или беспорядок? М.: Наука, 1986. 76 с.
25. Щеглов А.Д., Говоров И.Н. Нелинейная металлогения и глубины Земли. М.: Наука, 1985. 324 с.
26. Zhu Jie - shu, Cao Jia - min, Li Xian - gui, Zhou Rin. The reconstruction of preliminary three - dimensional earth- s model and its implications in China and adjacent regions //Acta geophysica Sinica. 1997. V. 40, № 5.
27. Zhirnov A.M. Global cosmogeodynamics of the Earth: aspect of the explosive origin of the double planet Earth - Moon // Regularities of the structure and evolution of geospheres. Proceedings of VII International Interdisciplinary Scientific Symposium. Vladivostok, 2005. P. 70-72.
Some geographical and geological of the Earth, notions the dissymmetry of the Earth and the empiric facts of geological development and evolution of the Earth are considered. The main achievements of the contemporary scientific revolution in geological science, on the basis of the nucleus of the Earth general role are shown, the new astronomic data of the explosive devision of the consmic body central nucleus, as well as. On the basis of these data, a new concept — «The concept of the cosmic-nucleus explosive origin of the Earth» is suggested.
