Эволюция природных геосфер на примере гидросферы Земли
Вопросы к госэкзамену специальности «География»
«Палеогеография»
1. Эволюция природных геосфер (на примере одной из сфер).
«Физическая география материков и океанов»
1. Влияние четвертичных оледенений на ландшафты суши
2. Общие черты и региональные отличия современных ландшафтов экваториального пояса. Антропогенная трансформация ландшафтов
3. Зональные типы ландшафтов субэкваториального и тропического поясов. Антропогенная трансформация ландшафтов.
«Краеведение»
1. Государственное и общественное краеведение
2. Этапы освоения и краеведческого изучения территории Иркутской области
4. Топонимика Иркутской области.
«Методика преподавания географии»
1.Методика преподавания географии как наука
2. Компоненты содержания школьной географии и особенности их формирования
3. Методы обучения и новые педагогические технологии в преподавании географии.
Эволюция природных геосфер (на примере одной из сфер).
Эволюция земной коры и рельефа планеты
Время формирования Земли (порядка 4,6-4.7 млрд. лет назад) отделено от времени образования наиболее древних надежно радиометрически датированных пород - 3,8±0,2 млрд. лет промежутком более полумиллиарда лет. Этот промежуток тем самым остается практически не документированным. Его принято условно рассматривать как догеологический этап.
Догеологический этап (4,7 - 4,0 млрд. лет). О господствовавших на этом этапе в поверхностных частях Земли условиях можно лишь догадываться главным образом на основе аналогий с Луной и с другими планетами земной группы, остановившимися на более ранних, по сравнению с Землей, стадиях эволюции. Подобная аналогия была впервые использована А.П. Павловым, который соответственно выделил лунную стадию в качестве начальной стадии в эволюции нашей планеты. Позднее, на уровне уже современных знаний, к этому представлению вновь обратились М. В. Муратов и другие исследователи.
|
|
|
В эпоху 3,5 млрд. лет назад внешнее ядро Земли уже должно было существовать и быть расплавленным, так как с этого времени породы земной коры обнаруживают остаточную намагниченность. Рост внутреннего ядра за счет внешнего продолжался и в дальнейшем, особенно начиная с границы архей - протерозой, но скорее всего с конца раннего протерозоя.
Земля уже в процессе аккреции должна была существенно разогреться вследствие соударений слагавших ее частиц и, особенно, выделения ядра. Разогреву способствовал и распад естественно-радиоактивных элементов, первоначальный запас которых был значителен, а также и дифференциация мантийного вещества и твердые приливы, вызываемые гравитационным притяжением Луны.
|
|
|
Разогрев Земли на самой ранней стадии ее развития мог вызвать плавление не только внешнего ядра, но и более поверхностных частей планеты, вплоть до образования так называемого магматического океана. По другой версии, внешняя поверхностная часть твердой Земли не была расплавлена, но на небольшой глубине располагалась расплавленная зона - прототип астеносферы. Так или иначе, это создавало условия для выплавления из мантии первичной коры основного состава. Породы этой коры нигде не обнаружены за исключением ксенолитов в более молодых образованиях. Самые древние породы Земли имеют возраст 4-3,8 млрд. лет и обнаруживаются на Украинском и Канадском щитах, в юго-западной Гренландии и в Восточной Антарктиде.
Выделение лунной стадии означает признание того, что Земля на наиболее ранней стадии своей эволюции была лишена водной и газовой оболочек, которые появились лишь позднее. Ее незащищенная поверхность подверглась усиленной метеоритной бомбардировке. Если расплавленный слой находился на некоторой небольшой глубине под твердым слоем, наиболее крупные метеориты при падении могли пробивать верхний слой. Возникавшие в результате глубокие кратеры заполнялись базальтовыми лавами. Они представляют аналоги лунных морей и в дальнейшем, при образовании гидросферы, могли начать заполняться осадками, снесенными с материков. Что касается пород, слагавших поверхность материков, то, по аналогии с Луной их считают базальтоидами.
|
|
|
Наряду с лунной моделью начального этапа развития Земли предложена другая модель, основанная на возможном сходстве не с Луной, а с Венерой, более близкой Земле по своим размерам – венерианская модель (В. И. Шульдинер). Согласно этой модели Земля почти с самого начала обладала плотной атмосферой, отличной по составу от современной. Это обеспечивало, как у Венеры, «парниковый эффект» на ее поверхности, т. е. высокие температуру и давление. Такое сочетание температур и давления облегчает понимание условий появления пород, образование которых связано с процессами метаморфизма, на небольшой глубине от поверхности (так как мощной коры в это раннее время быть не могло). Что касается состава пород первичной коры, то по аналогии с Венерой это также должны были быть базальтоиды.
Мнение ученых склоняется к принятию лунной модели, однако весьма вероятно, что условия на Земле на рассматриваемом этапе не были вполне тождественны ни лунным, ни венерианским, а представляли некое промежуточное состояние. Так или иначе, в течение или, во всяком случае, к концу этого этапа Земля обладала астеносферой, приобрела свою первичную базальтоидную кору, вероятно, начали формироваться атмосфера и гидросфера; планета подвергалась интенсивным метеоритным бомбардировкам. Особенно интенсивными, по аналогии с Луной, они должны были быть в эпоху 4,2 -3,8 млрд. лет.
|
|
|
Раннеархейский этап (4,0 - 3,5 млрд. лет) - рассматривается как этап образования сиалической протокоры. Породы, возникшие на или близ поверхности Земли на этом этапе, выявлены практически на всех материках, на всех древних платформах. Они представлены в основном гранитогнейсами тоналитового состава, нередко именуемыми «серыми гнейсами». Однако найдены и основные породы данного возраста и даже осадочные, образовавшиеся в водной среде.
Первоначальная континентальная кора - протосиаль - датируется временем около 4 млрд. лет назад. Относительно происхождения тоналитовых гранитогнейсов и механизма образования первичной континентальной коры еще нет единого мнения. Достоверно установлено, что подобная кора в соответствующем количествене могла быть выплавлена непосредственно из мантийного вещества, поскольку мантия сложена бедными кремнеземом породами - перидотитами, и, кроме того, в это время она еще была насыщена флюидами, в том числе водой. Поэтому допускают, что процесс континентального корообразования был двухступенчатым. Сначала путем прямого выплавления из мантийного вещества (астеносферы) возникла океаническая кора, а затем, уже в результате плавления океанической коры при участии тех же флюидов, - континентальная.
Остается неясным, на какую площадь распространилось образование протосиаля и привело ли оно к формированию сплошного слоя. Редкая встречаемость пород с возрастом более 3,5 млрд. лет в более молодых обломочных породах привела к выводу, что протоконтинентальная кора представляла собой отдельные «острова», которые могли послужить ядрами будущих материков. Между первыми «островами» континентальной коры обособлялись пониженные участки рельефа, подстилаемые базальтовой корой - океаны и в геолого-геофизическом смысле. Приповерхностный расплавленный слой заместился лишь частично подплавленной астеносферой, которая начиналась непосредственно под тонкой и еще пластичной корой.
Таким образом, на втором этапе своего развития Земля «обогатилась» еще двумя оболочками -протоконтинентальной корой и гидросферой. Более того, в породах серии Исуа, описанных в Юго-Западной Гренландии, с возрастом 3,8 млрд. лет обнаружены следы жизни.
Средне-позднеархейский этап (3,5 - 2,5 млрд. лет) рассматривается как этап структурной дифференциации протоконтинентальной коры, возникновения собственно континентальной коры и становления первой Пангеи. В это время на «серо-гнейсовом» субстрате в условиях растяжения и существенного уменьшения мощности протоконтинентальной коры закладываются зеленокаменные пояса (первые подвижные пояса в истории земной коры). Следует сказать, что в течение архея сменилось несколько генераций подобных поясов. Кора при этом утонялась, насыщалась основными и ультраосновными магматитами, что способствовало ее утяжелению и погружению. Появление в позднем архее известково-щелочных вулканитов и нормальных гранитов свидетельствует о начале субдукции этой субокеанической коры под протоконтинентальную, т.е., по существу, о начале действия механизма плитной тектоники. Относительно времени начала проявления данного механизма нет единого мнения, иногда за таковое принимается даже ранний архей.
Зеленокаменные пояса последовательно причленялись к ядрам протоконтинентальной коры, которая на значительных площадях подверглась переплавлению с образованием калиевых гранитоидов. В конечном счете, этот процесс привел к возникновению обширных гранит-зеленокаменных областей с настоящей континентальной корой, которые составили основу фундамента будущих древних платформ. На этом этапе мощность коры достигла уже нормальных для современной континентальной коры значений порядка 30-35 км. Возникла, вероятно, и ее вертикальная метаморфическая зональность. По некоторым подсчетам, площадь, занимаемая архейской корой, составляла не менее 70% от общей площади современной континентальной коры. Значительной мощности достигла и литосфера, в частности, данные по Южной Африке позволяют говорить, что она (мощность литосферы) превышала 200 км.
Считается, что к концу архея эта кора сформировала уже единый крупный континентальный массив - суперконтинент Пангею.
Если существовала эпиархейская Пангея, то должен был существовать и ее антипод - мировой океан Панталасса с базальтовой корой океанского типа. Предпосылкой для образования Панталассы и формирования характерной для Земли асимметрии - на одной стороне Пангея (меньших размеров), на другой - Панталасса (больших размеров) - могло быть падение на Землю астероида, которое привело и к выбросу земного материала, создавшего Луну. Эпиархейская Панталасса была менее глубокой, чем современный Мировой океан, но не за счет меньшего, чем в настоящее время, перепада отметок поверхности континентальной и океанической кор, а за счет меньшего количества воды.
На данном этапе в составе осадочных пород, заполняющих зеленокаменные пояса, появляются достоверные остатки живых организмов, возраст которых 3,4 млрд. лет.
Главным итогом развития Земли в архее можно считать становление зрелой континентальной коры и ее разделение на верхнюю и нижнюю коры. различныепо составу, степени метаморфизма и реологическим свойствам. В это же время конвекция в мантии приняла упорядоченную форму.
Раннепротерозойский этап (2,5 - 1,7 млрд. лет) - этап распада первой Пангеи, обособления протоплатформ и подвижных поясов, дальнейшего разрастания континентальной коры с образованием второй Пангеи. К концу архея вследствие снижения теплового потока и охлаждения кора, по крайней мере, в своей верхней части, стала достаточно жесткой и хрупкой для образования серии трещин и разломов. Дробление привело в середине раннего протерозоя, между 2,2 и 1,9 млрд. лет назад, к распаду эпиархейской Пангеи на большое число отдельных блоков, которые затем сохраняли устойчивое положение с поверхностью, близкой к уровню океана, о чем свидетельствует накопление осадочного чехла из мелководно-морских или континентальных отложений в пределах плоских впадин - протосинеклиз. Чехол обнаруживает следы метаморфизма; интрузивные тела; дислокации, выраженные пологими складками и сбросами.
В это же время на платформах появляются первые рифтогенные структуры - протоавлакогены. Подобные структуры известны на Балтийском и Канадском щитах. Между протоплатформенньми блоками, имевшими полигональные очертания, заложились подвижные пояса, образованные за счет раздвига протоплатформ. В одних из них возникли оси спрединга, в других рифтогенез ограничился утонением и переработкой континентальной коры в субокеанскую. Оба эти типа подвижных поясов становились зонами накопления мощных толщ осадков и вулканитов. В дальнейшем они испытывали сжатие, складчато-надвиговые деформации, гранитизацию и региональный метаморфизм. В результате чего сформировались складчатые системы. Системы обладают шириной в сотни километров и длиной иногда более 1 000 км.
Развитие подавляющего большинства раннепротерозойских подвижных поясов завершилось к концу этапа, что привело к спайке ранее разделенных ими континентальных блоков, увеличению их размеров за счет новообразованной континентальной коры. Тем самым восстанавливалось единство Пангеи, причем вторая - раннепротерозойская - Пангея превосходила по размерам эпиархейскую.
Поскольку раннепротерозойские протоплатформы с обрамляющими их полосами океанской или субокеанской коры имели в поперечнике не более 1 тыс. км, а оси спрединга и рифтинга образовывали более густую сеть и обладали большей суммарной длинной, чем в дальнейшем, то, зачастую, раннепротерозойскую тектонику называют тектоникой малых плит.
Среднепротерозойский этап (1,7 - 1,0 млрд. лет). Этап частичного распада ивосстановления единства второй Пангеи.
В раннем рифее образованная в конце раннего протерозоя вторая Пангея подвергалась значительному разогреву вследствие накопления тепла под ее мощной корой при пониженной мощности литосферы. Это привело к широкому проявлению площадных излияний кислых лав и образованию характерных для этого времени крупных дифференцированных плутонов, в том числе гранитоидных (габбро-анортозитов и гранитов-рапакиви). В это же время появляются первые кольцевые щелочные интрузивные тела и кимберлиты. По мере снижения теплового потока и возрастания хрупкости коры стадия кратонизации сменялась стадией континентального рифтообразования. Пангея при этом в основном сохраняла свое единство, подвергаясь лишь некоторому раскалыванию с образованием континентальных рифтов.
В среднем рифее деструкция Пангеи усилилась, например, образовались такие крупные подвижные системы, как Средиземноморская и Урало-Охотская. Однако к концу эры большая часть подвижных систем завершила свое развитие, снова спаяв обособившиеся части суперкратона в единый массив. Этот массив также упоминается в литературе под названием Родиния.
Позднепротерозоско-среднепалеозойский этап (1,0 - 0,32 млрд. лет). Этап деструкции протерозойской Пангеи, заложения и начала развития подвижных поясов Неогея.
В позднем рифее, особенно во второй его половине, деструкция Пангеи (Родинии) приводит к полному ее разрушению с обособлением древних платформ - ядер современных материков - и заложением широких подвижных поясов палеоокеанов на начальной стадии, эволюция которых продолжится в фанерозое. На наиболее зрелой стадии своего развития они должны были представлять собой океаны северо-атлантического типа, т.е. с многочисленными микроконтинентами. На этом этапе заложились следующие океаны: Япетус, прото- а затем и палео-Тетис, палео-Азиатский и палео-Арктический океаны. Из них только Япетус закончил свое развитие уже к концу данного этапа, что привело к объединению Северной Америки (Лаврентии) и Европы (Балтики) в Лавруссию,остальныеокеаны продолжили развиваться на следующем этапе.
На этом этапе начинают проявляться различия в эволюции северной и южной частей Пангеи. В северной части деструкция господствовала на протяжении всего этапа, благодаря чему платформы северного ряда приобрели свои очертания, близкие к современным. В южной части уже к началу палеозоя она сменилась замыканием существовавших здесь узких рифейских подвижных систем, в результате чего возник суперкратон Гондвана, объединивший южную группу материков. В течение всего этапа Гондвана оставалась, за исключением Австралийской платформы, поднятой выше уровня океана и только в среднем палеозое начала испытывать частичное погружение.
Платформы в позднем рифее, так же как и в среднем, переживали авлакогенную стадию развития, местами затянувшуюся до кембрия. Как, например, у Северо-Американской. Но в большинстве из них, в том числе Восточно-Европейской, Сибирской и других, данная стадия эволюции завершилась в венде с переходом к следующей - плитной.
В рифее и в начале палеозоя еще продолжалось развитие некоторых складчатых поясов, заложившихся в конце архея - раннем протерозое и выступавших как линейные зоны поднятий и повторного метаморфизма, например Мозамбикского, Приатлантического в Южной Америке, Восточно-Гатского и других. Отдельные пояса этого типа, например Гренвильский, закончили свое активное развитие к позднему рифею в одноименную эпоху тектогенеза.
Тектоника плит с позднего рифея приобрела свой современный характер и сопровождалась всеми своими атрибутами, в том числе: офиолитами, островодужными вулканитами, гранитными батолитами и другими. Установилась близкая к современной картина конвективных течений в мантии. Обособились две главные их системы - отдельно в нижней и верхней мантии.
Позднепалеозойско-раннемезозойский этап (0,32 - 0,2 млрд. лет). Этап возрождения Пангеи.
На этом этапе межконтинентальные подвижные пояса, образовавшиеся за счет распада позднепротерозойской Пангеи стали, испытывать нарастающее сжатие, складчато-надвиговые деформации, гранитизацию, региональный метаморфизм и перерождаться в складчатые горные пояса. Этот процесс резко усилился в середине карбона и достиг кульминации в середине триаса. Он привел к замыканию северной части палео-Азиатского океана и объединению Лавруссии с Сибирской платформой в суперконтинент Лавразия. Затем в результате смыкания на месте западной части Тетиса Лавразии с Гондваной единство Пангеи восстановилось. Смена орогенного режима складчатых поясов платформенньм привела к возникновению молодых платформ - Скифско-Туранской, Западно-Сибирской, Дунбэйской, Восточно-Австралийской, Пампа-Патагонской, Марокканской, которые нарастили древние платформы или заполнили промежутки между ними. Но настоящий платформенный чехол на них начал накапливаться только на следующем этапе, а во второй половине данного этапа они переживали стадию, сходную с авлакогенной стадией развития древних платформ, - т.н. тафрогенную.
Пангея была окружена кольцом зон субдукции, в которых поглощалась океанская кора, формировавшаяся в зонах спрединга Панталассы. В южной части океана, по периферии Австралии, Антарктиды и Южной Америки, субдукция шла по андскому типу с формированием одноименных окраин с вулканоплутоническими поясами. В северной половине, вблизи Азии и Северной Америки, развивались островодужные системы, здесь существовали и микроконтиненты. Предполагают, что на данном этапе акватория Тихого океана (Панталассы) расширилась за счет полного или частичного осушения двух океанов (палео-Азиатского и палео-Тетис).
Развитие суши Пангеи вновь не было спокойным. В конце карбона-начале перми гондванская часть суперкратона была охвачена мощным покровным оледенением, вызвавшим резкое эвстатическое понижение уровня Мирового океана. Далее, за счет разогрева верхней мантии под континентом, в конце перми-начале триаса в Сибири, в Тунгусской синеклизе и на юге Таймыра, а в конце триаса-середине юры в Патагонии, Южной Африке, Антарктиде, на о. Тасмания (которые в это время тесно примыкали друг к другу) отмечалась вспышка траппового вулканизма. Развивались и процессы рифтообразования, особенно интенсивные с середины триаса, как начальная стадия распада Гондваны.
Позднемезозойско-кайнозойский этап (0,2-0 млрд. лет). Главным событием последнего крупного этапа истории Земли и развития земной коры стал распад Пангеи, начавшийся в конце средней юры, и продолжающийся до сих пор. Началом этого процесса считается образование Центральной Атлантики, соединение ее с Тихим океаном через Карибский пролив и с реликтовьм Тетисом через Средиземноморье, т. е. восстановление океанского бассейна, разделившего Лавразию и Гондвану. Позднетриасский Тетис был смещен к югу относительно позднедокембрийско-палеозойского палео-Тетиса, но в целом унаследовал его простирание. Одновременно начинается обновление коры Тихого океана.
В конце юры-начале мела началось формирование долготно ориентированного Атлантического и северной части Индийского океана, а также широтно ориентированного южного океана, опоясывающего Антарктиду. С начала кайнозоя закладываются Норвежско-Гренландский и Евразийский бассейны Северного Ледовитого океана. Что приводит к смещению Евразии в южном направлении и ее сближению с обломками Гондваны. Тетис испытывает сжатие и окучивание коры, которое завершилось столкновением (коллизией) континентальных масс Евразии и Гондваны, и формированием Альпийско-Гималайского складчатого горного пояса. Особенно эти процессы усилились в эоцене.
Панталасса в результате раскрытия молодых океанов должен был испытать сокращение, превращаясь в Тихий океан. Происходило смыкание фрагментов активных окраин распавшейся Пангеи с образованием подвижного пояса т.н. «Тихоокеанского кольца». Пояс отличался и отличается в настоящее время исключительно высокой тектонической активностью. Отдельные звенья пояса развивались различно. На северо-западной, азиатской, окраине в первую половину рассматриваемого этапа шло наращивание вулканических дуг и микроконтинентов, которое привело к преобразованию этой окраины в окраину андского типа. В дальнейшем, начиная с позднего мела, происходило образование непрерывного пояса окраинных морей, отделивших от материков островные дуги, т.е. сформировался западно-тихоокеанский тип активных окраин.
На окраине Северной Америки активно шел процесс наращивания площади пока она не превратилась в окраину андского типа. В олигоцене началось столкновение с ней Восточно-Тихоокеанского поднятия, значительный его отрезок ушел под континент и северо-американская окраина на калифорнийском участке превратилась в трансформную. Южно-американская и антарктическая окраины сохраняли свой андский тип на протяжении всего этапа.
Оси разрастания океанической коры первоначально находились в западной части Тихого океана и имели субширотное простирание, но с середины мела переместились на восток.
На рубеже эоцена и олигоцена завершилось формирование главных черт структуры и рельефа Земли - то есть сложилось современное распределение континентов и океанов, платформ и подвижных поясов, включая и срединно-океанические хребты, начался заключительный этап развития большинства современных горных сооружений. Континенты вступили в период усиления поднятий, тектонической активизации платформ, обычно называемый неотектоническим этапом. По своему значению этот этап сравним с позднепротерозойско-раннепалеозойским, который так же ознаменовался распадом Пангеи и новообразованием океанских впадин.
Общая направленность эволюции структуры земной коры. Общая направленность развития Земли определяется снижением величины теплового потока и потока флюидов, поступающих из недр планеты к ее поверхности. Предполагается, что в архее тепловой поток мог быть в 3-4 раза выше современного. Снижение потоков не было постепенным, происходило длительное накопление и относительно быстрое сбрасывание эндогенного тепла, что сказывалось на изменении интенсивности тектонических процессов и магматизма. С этим должны коррелироваться изменения радиуса Земли, ее полярного сжатия и скорости вращения. Общей тенденцией должно было быть уменьшение радиуса планеты, сказывающееся в повсеместном преобладании в земной коре напряжения сжатия над напряжением растяжения, локализованными в рифтовых системах. На фоне прогрессирующего охлаждения Земли происходила дифференциация первично-однородного вещества планеты на оболочки.
Эволюция земной коры представляет собой последовательное разрастание и усложнение структуры континентальной коры. Процесс этот начался ранее, чем 4,0 млрд. лет назад с формирования первичной базальтовой коры. В интервале 4,0-3,0 млрд. лет назад ее стала замещать протоконтинентальная тоналитовая, а к 2,5 млрд. лет уже зрелая континентальная кора. Её интенсивное наращивание продолжалось до рубежа 1,7 млрд. лети к этому времени возникло до 60-80% современного объема. Далее рост продолжался уже более медленными темпами, прерываясь деструкцией. Наращивание континентальной коры должно было идти за счет истощения верхней мантии, нижняя же мантия подпитывала верхнюю, главным образом, флюидами.
Образование континентальной коры за счет дифференциации мантийного вещества происходит в два этапа, на первом из которых образуется океанская кора, и является необратимым процессом, поскольку эта кора обладает «плавучестью» благодаря меньшей плотности по сравнению с океанской. Даже «уничтожение» верхней части континентальной коры денудацией приводит лишь к перераспределению ее материала, поскольку продукты сноса накапливаются в пределах подводных окраин континентов и в дальнейшем снова входят в состав последних. Континентальная кора при этом становится тоньше, но занимаемая ею площадь увеличивается. Другой способ уничтожения континентальной коры установлен сравнительно недавно - это тектоническое разрушение краев континентов в зонах субдукции. Продукты разрушения, поглощаясь зонами субдукции, наращивают континентальную кору снизу. И, таким образом, континентальный материал, в конечном счете, возвращается в состав континентов.
Структура континентальной коры в истории Земли систематически усложняется в связи с появлением новых подвижных поясов и систем, несмотря на то, что более молодые структуры в определенной степени унаследованы от древних. В ходе развития земной коры и литосферы меняется и общий характер деформаций и создаваемых ими структурных форм. Менялись и формы проявления и состав продуктов магматической деятельности.
Появление особенно значительного числа новых типов магматических образований совпадает с концом архея - началом протерозоя, когда в развитии литосферы начинает утверждаться тектоника плит, а в мантии устанавливаются устойчивые системы конвективных течений.
Тип конвекции также менялся с течением времени. Предполагается,что в истории Земли наблюдалось чередование общемантийной конвекции и двухъярусной, раздельной в верхней и нижней мантии. Общемантийная (одноячеистая) конвекция возникала в период существования Пангей и приводила к их распаду, после чего сменялась двухъярусной (дву- или многоячеистой).
Периодическое образование Пангей начиная с конца архея и их распад (суперконтинентальные циклы), а также противостояние материкового и океанического полушарий Земли представляют собой одну из важнейших закономерностей развития литосферы. Пангей всегда оказывались неустойчивыми. Не успев образоваться, они начинали подвергаться раскалыванию, рифтогенезу, что объясняется накоплением под их мощной литосферой эндогенного тепла. Накопление тепла могло приводить к частичному плавлению верхней мантии и концентрации в основании коры базальтовой магмы, в особенности в зонах рифтинга и под трапповыми полями. Первые поля платобазальтов образовались в конце архея и раннем протерозое. Далее они распространены в среднем и позднем протерозое, полностью отсутствуют в палеозое, и вновь приобретают большое значение в мезозое и кайнозое в связи с образованием молодых океанов.
Помимо чередования периодов возникновения и распада Пангей, в истории Земли отмечалась и тенденция перемещения континентов в течение позднего фанерозоя в северном направлении с их откалыванием от Антарктиды. Кроме того, в палеозое и мезозое шло откалывание микроконтинентов от Гондваны с последовательньм причленением к Лавразии. Тихоокеанской области свойственна иная тенденция: здесь отколовшиеся микроконтиненты вновь входили в состав материнских континентов. В мезозое и кайнозое в Северной половине Тихоокеанской области по обе стороны океана шло смещение микроконтинентов и океанских поднятий в северном направлении.
Эволюция природных геосфер на примере гидросферы Земли
Долгое время считалось, что первично расплавленная Земля на ранних этапах своего развития была окутана мощной атмосферой, насыщенной парами воды. При последующем охлаждении происходила конденсация паров в жидкую воду. и таким образом формировалась водная масса Мирового океана. При таком способе образования первичной гидросферы, первоначально воды Мирового океана должны были ли бы быть пресными. Минерализованной океаническая вода стала бы позднее под воздействием вторичных процессов (выщелачивания солей при взаимодействии с породами земной коры и сноса растворенных веществ с поверхности суши). Но, так как в настоящее время принято считать первичную Землю твердым, относительно холодным телом, следовательно, приходится отказаться от подобной схемы зарождения и развития первичной гидросферы.
Наиболее известные современные гипотезы происхождения и развития первичной гидросферы связаны с именами А.П. Виноградова и Г. Юри. Согласно данным гипотезам, уточнявшимся и дорабатывавшимся в последующие годы, первичные атмосфера и гидросфера образовались вследствие дегазации лав, выплавлявшихся из верхней мантии и создававших первичную земную кору. При плавлении первоначально однородного вещества верхней мантии происходила его дифференциация на тугоплавкую и легкоплавкую фракции. Последняя представляла собой в основном базальты с заключенными в них водой и летучими газами.
Непосредственная фильтрация летучих и подвижных элементов и соединений через плотное вещество мантии из-за низких коэффициентов диффузии в мантийном веществе невозможна без плавления. Следовательно, из мантии во внешние геосферы литофильные и летучие компоненты (H2O, К2О, Nа2O, CO2, N2 и другие) могут переходить по открытым глубинным разломам и только вместе с излиянием базальтовых магм мантийного происхождения.
Анализ данных интенсивности современного вулканизма показывает, что имеющийся объем вещества гидросферы вполне мог образоваться в результате вулканической деятельности. Согласно экспериментальным данным, в расплавленном базальте при температуре 1000°С и давлении 5-10 тыс. атмосфер (соответствующем глубине 17-35 км) может быть заключено 7-8% воды. По данным вулканологов, при излиянии лав из них дегазируется примерно такое же количество воды.
Масса современной гидросферы составляет по разным оценкам от 5,5-6,5 до 7% таковой земной коры. Даже если земная кора, единожды сформировавшись, больше бы не претерпевала изменении, то и такого процентного содержания воды было бы достаточно для формирования современного объема гидросферы. Принимая же в расчет, что некоторая часть океанической земной коры была преобразована в мантийное вещество в зонах Беньофа, то для образования гидросферы будет достаточно дегазации из базальтов порядка 3% воды.
Что касается химического состава вулканических газов, определивших, согласно данным схемам, химический состав первичной гидросферы, то его установление сопряжено со значительными трудностями. Они обусловлены тем, что анализ состава палеовулканических газов проводится, главным образом, методом актуализма. Однако, попадая в современную кислородную атмосферу, вулканические газы в значительной степени меняют свой первоначальный химический состав.
Тем не менее, с большей степенью достоверности установлено, что при дегазации .таи на поверхность Земли поступали пары воды, соединения углерода (углекислый и угарный газы, метан), аммиак, сера и ее соединения (сернистый газ (SO2) и сероводород), галоидные кислоты (НCl, HF, HBr, HI), борная кислота, водород, аргон и некоторые другие газы. Средняя температура поверхности Земли на ранних этапах эволюции планеты за счет тонкости атмосферы составляла, по расчетам, примерно +5°С. В этих условиях большая часть водяного пара должна была конденсироваться, превращаясь в воду и образуя гидросферу.
Кислые дымы НCl, HF, HBr, аммиак, сера и ее соединения, значительная часть углекислого газа растворялись в каплях конденсировавшейся воды и выпадали на поверхность Земли в виде кислотных дождей. Эти кислые потоки стекали в понижения первичной поверхности, одновременно реагируя с подстилающими породами и извлекая из них эквивалентное количество щелочей и щелочных земель. Таким образом, воды гидросферы со времени своего образования были солеными, а не пресными.
Все это время, вероятно, температурные условия поверхности Земли существенно не менялись, что позволяло существовать жидкой воде. Это определило одну из специфических особенностей, которая делает ее уникальной планетой Солнечной системы, - постоянное наличие у нее гидросферы. Имеются фактические свидетельства существования на Земле гидросферы в геологический период истории до архея и даже катархея включительно. По геофизическим условиям формирования пород достоверно установлено, что жидкая вода существовала на Земле уже 3.8 млрд. лет назад.
В истории палеогеографии четко обозначаются три группы концепций изменения объема гидросферы, и, в частности. Мирового океана. Одни исследователи считали, что количество воды на поверхности Земли убывает, другие - что оно остается постоянным, третьи высказывали предположения об увеличении объема гидросферы.
Гипотеза высыхания в значительной степени базировалась на концепциях первично горячей Земли (Канта-Лапласа и других). Мысль об усыхании Земли первоначально принадлежала Канту. Поскольку дать гипотезе усыхания физико-химическое обоснование в это время не представлялось возможным, идеи Канта были в значительной степени умозрительны и исходили из общего взгляда на Землю, как на умирающую планету. При этом безводная Луна рассматривалась, как пример далеко зашедшего угасания небесного тела. Последователи Канта считали, что стадия потери воды является общей стадией состояния планет по мере их развития.
В дальнейшем от данных представлений наука отказалась. Так. В.И. Вернадский уже был противником гипотезы уменьшения объема гидросферы. Он полагал, что масса гидросферы не меняется, что она остается более или менее одинаковой на протяжении всей истории Земли. Третьей точки зрения - об увеличении во времени объема вод Мирового океана - придерживался А. Пенк, который первый привел расчеты поступления вод глубинного магматического происхождения для иллюстрации увеличения объема океанических вод.
В настоящее время мнения большинства исследователей склоняются к следующему. В процессе дифференциации вещества Земли в результате развития процессов выплавления и дегазации шло постепенное нарастание объема поверхностных вод. Скорость данного процесса могла варьировать по времени. По мнению О.Г. Сорохтина, наиболее интенсивное выделение воды происходило в протерозое (около 1,1 млрд. лет назад), когда тектономагматическая активность Земли достигала максимума.
Однако, не вся вода, выделившаяся из мантии, наращивает объемы гидросферы. Некоторое ее количество связывается в породах земной коры и, прежде всего в океанической ее части. Происходит так называемая серпентинизация основных и ультраосновных пород земной коры, которая может осуществляться путем реакций типа:
4(Мg, Fе)2SiO4 + 4Н2O + 2СO2 = (Мg, Fе)6Si4O10(ОН)8 + 2(Мg, Fе)СО3
оливин серпентин магнезит, сидерит
или
6МgSiO3 + 8H2О = Мg6Si4O10(ОН)8 + 2Si(ОН)4. энстатит серпентин
Процессы метаморфизма базальтов и габбро в океанической коре также обогащают ее водой. Например:
2СаAl2Si2O8 + 4H2O + 2CO2 = Al4Si4O10(OH)8 + 2СаСО3
анортит каолин кальцит
Вместе с водой во многих реакциях такого типа поглощается еще и углекислый газ, так что эти процессы являются мощным механизмом удаления из гидросферы CO2.
По мнению О.Г. Сорохтина, в катархее и архее уже существовали срединно-океанические хребты. Первоначально уровень океана находился ниже их вершин, и океаническая кора не могла поглощать большого количества воды гидросферы. Вода, поглощаемая верхним слоем океанической коры, почти в полном объеме возвращалась в Мировой океан в процессе субдукции. Поэтому первоначально объем гидросферы увеличивался относительно быстро.
Количество воды, связываемой в океанической коре, резко увеличилось, когда уровень океана поднялся выше срединно-океанических хребтов. Это произошло, по мнению О.Г. Сорохтина, примерно 2,6 млрд. лет назад. С этого времени до рубежа 2 млрд. лет (т.е. до нижнего протерозоя) объем океана практически не увеличивался. Лишь после того, как вся океаническая кора приняла свой современный облик, объем океана вновь начал быстро увеличиваться. Предполагается, что большая часть гидросферы сформировалась к началу палеозоя - около 600 млн. лет назад. Рост объема Мирового океана происходит и в настоящее время, и будет продолжаться, постепенно замедляясь, еще порядка 2 млрд. лет.
Геохимической эволюции гидросферы в истории палеогеографии уделялось много внимания. Можно утверждать, что изменения во времени состава океанических вод более определенны, чем объема.
Интерес к вопросу изменения солевого состава гидросферы проявляется более 300 лет назад. В 1715 г. в Лондонском королевском обществе Галлей (больше известный как астроном) сделал доклад о солености озер и океана. Он указывал, что в бессточном озере непрерывно концентрируются соли, приносимые реками, и что океан в этом отношении подобен бессточному озеру. Таким образом, по мнению Галлея, соли океана имеют материковое (речное) происхождение, и с течением времени концентрация их увеличивается.
В истории палеогеографии существовали и иные взгляды на генезис морских солей. Например, согласно концепции А.П. Виноградова, соли (ионы), растворенные в морской воде имеют глубинное (магматическое) происхождение, и, таким образом, формирование солевого состава вод параллельно увеличению их объема, и Мировой океан изначально был соленым.
В настоящее время принято считать, что солевой состав океана формируется под влиянием двух этих процессов. Количество основных анионов в воде океана во много раз выше, чем могло бы поступить вследствие извлечения из горных пород. Прежде всего, это относится к хлору и брому. Исходя чего, был сделан вывод, что вся анионная часть солей океана (в т.ч. карбонат ион, ионы S, Сl, Br) возникла из продуктов дегазации лав, а катионная (ионы К, Ca, Mg) - вследствие разрушения горных пород.
Всю геохимическую историю гидросферы можно разделить на две стадии.
На первой стадии воды первичного океана представляли собой растворы кислот НCl, HF и других. Кислотность первичного океана усугублялась высоким содержанием кремнекислого. В гидросфере полностью отсутствовал свободный кислород, поэтому соединения серы были бескислородными, а воды бессульфатными. Однако уже в этом океане еще до возникновения органической жизни происходили процессы химического осаждения веществ, главным образом углерода и кремнезема. Вода была полностью лишена растворенных карбонатов, которые не могли существовать, пока в ней удерживались даже незначительные количества сильных кислот. Катионный состав древнейшего океана был предположительно кальциево-натриевым или магниево-кальциево-натриевым. Повышенные содержания магния, кальция, калия в водах океана были следствием воздействия сильных кислот на силикатные породы океанического ложа, а так же выветривания пород суши под действием углекислоты с образованием карбонатов калия, натрия, кальция, магния, железа и марганца. Поступая в кислую воду океана, карбонаты вступали в реакцию со свободными кислотами и превращались в хлориды, кислотность раствора при этом понижалась. В конце данной стадии воды постепенно трансформировались в воды хлоридного типа, которые отличались от современных обилием хлоридов алюминия, железа, марганца и полным отсутствием растворенных карбонатов.
Вторая, переходная, стадия геохимической эволюции гидросферы связана с зарождением и развитием жизни на Земле, а, следовательно, с появлением в водах свободного кислорода. В связи с этим начинается окисление серы и сероводорода, в водах появляется сульфат-ион. Состав вод постепенно преобразуется в хлоридно-карбонатно-сульфатный. По мере выветривания силикатных пород и поступления продуктов выветривания в океанские воды их рН возрастал и постепенно произошел переход к современным его значениям в океане. Увеличению щелочности вод способствовало растворение в воде аммиака атмосферы. С достижением величины рН равной7,5 в океане начали активно осаждаться карбонаты. Считается, что современный химический состав вод гидросферы (по разным данным) сформировался уже в кембрии-перми. А.Б. Ронов определяет время установления современного соотношения катионно-анионного состава вод концом палеозоя-началом мезозоя. Предполагается, что в дальнейшем концентрация солей существенно не менялась, но в отдельных регионах и в определенные моменты могла достигать 41‰.
Однако вопросы геохимической эволюции гидросферы являются сложными и в настоящее время в значительной степени так же продолжают оставаться дискуссионными.
Дата добавления: 2018-10-26; просмотров: 526; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!