Канке В.А., Лукашина Л.В. Концепция современного естествознания Теория и практика

учитывать, что термины «гранитовый слой», «базальтовый слой» не означают, что соответствующие слои состоят исключительно из гранитов или базальтов. В них действительно много этих пород, но термины подчеркивают не только это обстоятельство. Они указывают на среднее значение ряда физико-геологических характеристик, например скорости сейсмических волн, которое соответствует параметрам гранитов или базальтов.

При характеристике устройства коры Земли различают горные породы трех типов — осадочные, магматические и метаморфические. Осадочные породы являются результатом выветривания или разрушения горных пород, выпадения гидросферных и атмосферных осадков, жизнедеятельности организмов и смены их поколений. Магматические горные породы, как свидетельствует их название, образовались в результате затвердения магмы. Именно они образуют базальты. Метаморфические горные породы — результат довольно резких изменений физико-химических условий, складывающихся при увеличении температуры и давления, циркуляции водных растворов и взаимодействия с ними горных пород, тектонических деформаций, падения на Землю крупных метеоритов. Метаморфические горные породы образуются глубоко в коре Земли. Ярким их представителем как раз и являются граниты. Если нет соответствующих метаморфических условий, то граниты не образуются. В силу этого обстоятельства граниты не всегда сопровождают базальты. Именно это имеет место в случае океанической коры.

Что касается так называемого субстратного слоя верхней мантии, то по химическому составу он значительно ближе к океанической, чем к континентальной, коре. По сравнению с океанической корой он обогащен оксидом магния. Химический состав субстратного вещества определяется теми фазовыми переходами, которые являются типологическими именно для него. Основными составляющими субстратного слоя являются пироксены и оливины.

Выше была упомянута граница Мохоровичича (Мохо), названная так в честь ее открывателя, хорватского геолога. По свой форме она представляет собой зеркальное отражение рельефа внешней поверхности литосферы: под океанами ее толщина от 5 до 10 км, а под континентами — от 20 до 90 км.

Выводы

•Астеносфера отличается от литосферы, прежде всего, своей вязкостью и, следовательно, пластичностью.

•Литосфера вместе с корой Земли и границей Мохо образует комплексное системное образование.

•Кора Земли имеет слоистый характер. Достаточно резко отличаются друг от друга континентальная и океаническая кора.

4.9. Тектоника литосферных плит

Концепция тектоники литосферных плит занимает в современной геологии видное место. Она восходит к идеям Ф. Б. Тейлора и А. Вегенера, который выдвинул в 1912 г. гипотезу дрейфа континентов. В его распоря-

181

жении не было достаточно фактов, которые бы позволили убедить геологическое сообщество в актуальности гипотезы. Не разрешен был вопрос о силах, движущих континентами. В 1932 г. гипотезу Вегенера пытался реанимировать А. дю Туа, который объяснял образование гималайских гор столкновением Индостана и Евразийской плиты. Но и он не мог объяснить динамические истоки указанного столкновения.

Решающие аргументы в пользу гипотезы перемещения континентальных плит были получены в славное десятилетие (1956—1966). Открытие явления периодической инверсии магнитного поля Земли свидетельствовало в пользу дрейфа континентальных образований. Многочисленные данные морской геологии, в частности обнаружение существования грандиозной системы срединно-океанских хребтов и рифтов, также удачно согласовывалось с новой теорией, которая окончательно сформировалась в 1965—1967 гг. и получила название концепции тектоники литосферных плит. Как это обычно бывает с наиболее содержательными теориями, она позволила органично согласовать друг с другом экспериментальные факты, многие из которых сначала предсказывались, а затем действительно наблюдались. Особенно крупный вклад в развитие теории тектоники плит внесли канадец Т. Уилсон, американец Дж. Морган, француз К. Ле Пишон. Перечислим кратко основные положения теории тектоники литосферных плит. В процессе ознакомления с ними рекомендуется обратиться к рис. 4.3.

точка

Рис. 4.3. Тектонические процессы

Литосфера не представляет собой однородное целое. Части литосферы называются литосферными плитами. Среди них крупнейшими являются следующие семь плит (перечисляются в порядке убывания площади поверхности): Тихоокенская, Африканская, Антарктическая, Северо-Аме- риканская, Евразийская, Австралийская, Южно-Американская.

182

Плиты плавают на поверхности астеносферы.

Плиты могут раздвигаться со скоростью 2—36 см/год. Этот процесс называется спредингом. Он приводит к тому, что на поверхности морского или океанического дна образуются глубокие расщелины, рифты.

Плиты могут сближаться со скоростью до 1—16 см/год. В результате в очагах землетрясений возникают сжатия, и происходит погружение одних блоков земной коры под другие. Наиболее часто океаническая гора пододвигается под островную дугу. В зоне субдукции, т.е. погружения одних блоков земной коры под другие, наблюдается повышенный вулканизм, выход на поверхность Земли лав и горячих источников. Сближение плит может приводить также к столкновению (коллизии) плит. Бесследно такие коллизии происходят крайне редко. Как правило, кора сминается, и происходит образование горных цепей. Именно таким образом образовался Альпийско-Гималайский горный комплекс.

Третьим типом движения является сдвиг плит, в этом случае они движутся параллельно друг другу, происходит обмен энергиями между ними.

Движение плит происходит за счет мантийных конвективных теплогравитационных течений. Источником энергии этих течений служит разность температуры центральных областей Земли и ее поверхности. При этом актуальное значение имеют процессы химико-плотностной дифференциации вещества.

Перемещение плит происходит на поверхности сферы, поэтому описывается уравнениями сферической геометрии. Движение плит — это разновидность вращательного движения.

Объем поглощаемой в зонах субдукции океанской коры равен объему коры, нарождающейся в зонах спрединга (растяжения дна океана).

Даже беглый обзор основных положений концепции тектоники литосферных плит показывает, что она связала воедино историю буквально всех геологических оболочек Земли. Никогда ранее, т.е. до 1967 г., в геологии не было теории, со столь весомой объяснительной силой сочетающей в себе динамические и феноменологические подходы. Изобретение теории тектоники литосферных плит стало самой значимой революцией в геологии. По своей значимости она сравнима с созданием квантовой физики в 1920-х гг. и молекулярной биологии в 1950-х гг.

Теория тектоники литосферных плит позволила выразить самое специфическое в геологии, которое резонно брать за масштаб оценки разнообразных геологических теорий. Специфику любой геологической теории, как нам представляется, допустимо оценивать по ее месту в теории тектоники литосферных плит. Рассмотрим, например, минералогию. Сама по себе она предстает как физическая или же химическая дисциплина. Если же она рассматривается в контексте теории тектоники литосферных плит, то приобретает свое исконное геологическое значение.

Теория тектоники литосферных плит последние три десятка лет считается парадигмой геологии. Разумеется, в ней остается множество неразрешенных проблем. Но одно несомненно: никогда ранее в геологии не было концепции, которая позволяла бы объяснить столь большой массив экспериментальных данных и, самое главное, осуществлять актуальные прогнозы.

183

Выводы

•Концепция тектоники литосферных плит позволила объяснить и предсказать многочисленные геологические явления, в частности, такие как: образование рифтов, разломов, горных массивов, продуцирование землетрясений и вулканических извержений.

•Она играет ключевую роль в объяснении специфики геологических явлений.

•Ощущается острая потребность в дальнейшем развитии теории. Так, дискуссионным остается вопрос о сочетании всех тех многочисленных сил, в частности теплового, химического, гравитационного и ротационного свойства, которые вызывают взаимодействие и перемещение планет.

4.10. Экологические функции литосферы

Наше изложение достигло такой стадии, когда пора обратиться к экологии (от греч. oikos — дом, родина и logos — учение). Термин «экология» впервые использовал немецкий биолог Э. Геккель. В 1866 г. он отмечал, что понимает под экологией науку об отношениях организмов к окружающей среде, под которой относятся все как органические, так и неорганические условия существования. Эти условия обладают для организмов огромным значением, ибо они вынуждены адаптироваться к ним. В XX столетии термин «экология» приобрел исключительную популярность. По мере роста техногенной мощи человека становилось все более очевидным, что люди, оказывая значительное влияние на их окружающую среду, способны поставить под угрозу существование биоты, в том числе и самих себя. В этих условиях экология стала пониматься как оптимальное управление процессами эволюции разнообразных систем, зависящих от той или иной внешней среды. Людям необходимо максимально бережно относиться ко все геосферам Земли — это символизирует рис. 4.4.

Рис. 4.4. Бережно управляйте геосферами

Экология не ограничивается изучением отношений тех или иных систем с их окружением, которые лишь констатируются. Речь идет об оптимальном управлении их функционированием. Оптимальность в данном случае означает выделение некоторых предпочтительных сценариев эволюции

184

и развития систем, которые определяются при этом в качестве экосистем. Неправомерно сводить экологическую деятельность лишь к охране окружающей среды, исключая возможность ее изменения. Люди не в состоянии прекратить свою деятельность, а ее продолжение, естественно, приводит к некоторым изменениям в природе. Важно не допустить их пагубности. Таким образом, экология — это наука об оптимальном управлении экосистемами, характерных для нее отношений с внешней средой. В приведенном определении не случайно внешняя среда не отождествляется с самой экосистемой. Дело в том, что экосистема, с одной стороны, и внешние условия, с другой стороны, всегда описываются различными дисциплинами. А это означает, что экология непременно имеет междисциплинарный характер. Акцент делается именно на нем. Поясним сказанное несколькими примерами.

Биоэкология — это биологическая наука, но с акцентом на соотносительности биоты и внешней среды, например геологических условий. В этой связи можно было бы использовать термин «биогеоэкология». На первое место целесообразно ставить имя той науки, в которой изучаются законы данной экосистемы. С этой точки зрения, геобиоэкология отличается от биогеоэкологии. В случае геобиоэкологии изучается геологическая экосистема, но с акцентом не ее влияния на биоту, а последней на эту систему.

Вслучае геобиоэкологии первична геология, а вторична биология. В случае биогеоэкологии первична биология, а вторична геология. После сказанного читатель, очевидно, без труда даст интерпретацию, например, таких терминов, как «геотехноэкология» и «техногеоэкология». К сожалению, многие авторы не следуют нашему предложению указывать в именах экологических дисциплин первичные и вторичные науки. Это приводит к путанице.

Визвестной степени это касается и геоэкологии.

О природе геоэкологии

Геоэкология — это геологическая дисциплина. Основной ее задачей является изучение влияния антропогенных факторов на геосферные оболочки. Как правило, в центр анализа ставятся негативные воздействия этих факторов на геооболочки. Но до тщательного анализа интердисциплинарных отношений геологии с другими науками, в частности с техникологией, дело не доходит. Способы управления состоянием геосфер также не рассматриваются. Надо полагать, это будущее геологии.

Интересно, что сфера распространения экологического подхода расширяется. В геологию он пришел из биологии. Достаточно быстро он был распространен на почвы, гидросферу и атмосферу. Что же касается теории литосферы, то в ней экологический подход стал широко использоваться лишь в последние 20 лет. В этой связи, во-первых, отмечается, что она является абиотической основой жизни. Трудно представить себе организмы, особенно высшие млекопитающие, на планете, лишенной литосферы. Во-вторых, выделяют четыре экологические функции литосферы: ресурсную, геодинамическую, физическую и химическую.

Ресурсная функция литосферы определяет роль ресурсов, содержащихся в литосфере. По мере развития человеческого общества ресурсная напряженность не убывает, а возрастает. При добыче полезных ископае-

185

мых далеко не всегда учитываются особенности литосферы. К увеличению сейсмичности приводит интенсивная добыча нефти и газа, закачка воды глубоко под землю, рытье котлованов и карьеров, заполнение водой котловин; оседают плотины электростанций, крупные города, напримерТокио и Москва. Глубина депрессий поверхности Земли достигает сотен метров. В будущем человечеству будет тесно на поверхности Земли. Когда же оно обратится к подземному пространству, то, возможно, пожалеет о его деструкции.

Геодинамическая функция литосферы определяется состоянием тех динамических механизмов, которые характерны для нее, в частности перемещением тектонических плит. Человечество вынуждено приспосабливаться к ним. Но, с другой стороны, оно все в большей степени само формирует динамику литосферы. Добыча полезных ископаемых часто приводит к аномалиям и напряженностям в горных массивах. Взрыв ядерных зарядов приводит к неконтролируемым геодинамическим потрясениям. Экосистемы, находящиеся вблизи зоны взрыва, как правило, не восстанавливаются.

Геохимическая функция литосферы проявляется как вполне определенный спектр химических превращений, сложившийся естественным путем, но затем нарушаемый деятельностью человека. В этой связи далеко не случайно говорят о химическом загрязнении, привнесении в литосферу различных токсикантов, т.е. веществ, оказыающих вредное влияние на организмы (тяжелых металлов, пестицидов, пластмасс). Значительный вклад в химическое загрязнение литосферы вносят отходы производства. Химическое загрязнение не отменяет геохимическую функцию литосферы. Тем не менее оно вызывает беспокойство. Основная причина этого беспокойства состоит в том, что нарушается тот механизм химических реакций, который характерен для данной экосистемы. Процесс контролирования ее эволюции затрудняется.

Геофизическая функция литосферы реализуется посредством совокупности физических факторов, таких как радиация, шумовые и тепловые эффекты. Все эти факторы испытывают на себе влияние техногенных процессов. На геологический фон радиации, шума и теплового режима накладываются техногенные факторы. И на этот раз не обходится без деструкции естественно сложившихся геоэкосистем.

Потребность в развитии геоэкологии возникла неслучайно. Все ее разновидности, в том числе геотехноэкология, геобиоэкология, геосоциоэкология, свидетельствуют о том, что человечество распоряжается литосферой неумело: деструкция преобладает над конструкцией. Выход из этой ситуации один — всемерное развитие интердисциплинарных отношений, проводимых от имени геологии, в том числе учения о литосфере.

Выводы

•Экология — это теория, предметом которой является оптимальное управление процессами эволюции разнообразных систем, зависящих от той или иной внешней среды.

•Геоэкология — геологическая теория. Геобиоэкология отличается от биогеоэкологии.

186

•Геоэкологические функции стали энергично изучаться лишь в последние 20 лет.

•Под влиянием антропогенных, по большей части технических факторов происходит деструкция естественно сложившихся экологических функций литосферы.

Врезультате существенно затрудняется целенаправленное контролирование ее эволюции. Указанная проблемная ситуация может быть разрешена не иначе, как посредством экогеологии.

4.11. Гидросфера

Гидросфера — одна из геооболочек Земли. В силу наличия подземных вод нельзя утверждать, что гидросфера расположена между корой Земли

иатмосферой. В отличие от литосферы и атмосферы гидросфера не образует сферическую оболочку. Общий объем воды на Земле около 1,5 млн км 3. По массе она составляет всего 0,023% от общей массы Земли. Водой покрыто более 70% поверхности Земли. Вода в основном сосредоточена в океанах — более 96%. Ледники составляют около 2%, несколько меньше подземные воды. На долю же поверхностных вод (озера, реки, ручьи, болота) остается не более 0,02% об общей массы гидросферы. Пресные воды составляют около 2,5%, причем 2/3 их запасов приходятся на ледники. Средняя глубина океанов составляет 3,8 км. Максимальная глубина океана 11,022 км (Мариинская впадина). В гидросферу не включается вода, которая находится в связанном состоянии в литосфере и в мантии Земли. Ее объемы также весьма значительны. На этот счет существуют разные оценки. Видимо, в мантии Земли масса связанной воды не меньше массы всей гидросферы. В литосфере ее около 16% от массы гидросферы.

Гидросфера представляет собой весьма ярко выраженный динамический объект. Об этом свидетельствует круговорот воды в природе, при котором масса осадков приблизительно равна массе подземных потоков

ииспарений.

Облако

Рис. 4.5. Круговорот воды

Круговорот воды приводит к обновлению буквально всех объектов гидросферы. Средние времена их обновления указаны в табл. 4.7.

187

Гидросфера является зоной обитания людей. Естественно, им приходится приноравливаться к ее особенностям. Особенно это касается катастрофических явлений, таких как цунами, волны-убийцы, циклоны и наводнения. Цунами (в переводе с японского языка — волны в порту) вызываются землетрясениями, значительно реже извержениями вулканов, подземными ядерными взрывами, падениями крупных метеоритов. Смещение дна под водой приводит к образованию на поверхности океана волн, которые перемещаются с большой скоростью, около 200 м/сек. Высота этих волн небольшая — 0,5—1,0 м, но расстояние между гребнями волн достигает сотен километров. В колебательное движение вовлечены огромные массы воды. Если она достигает порта или гавани, то высота волн резко возрастает, составляя порой 30—40 м. Такая волна может натворить много бед. В этом смысле показательно, что цунами, случившееся у берегов Японии 11 марта 2011 г., вызвало тяжелую аварию на АЭС Фукусима I.

Волны-убийцы возникают неожиданно в силу динамики больших водных масс, включающей сочетание турбулентных факторов и интерференционных максимумов. Они достигают высоты 30 м и представляют большую опасность для судов и морских сооружений.

Циклоны возникают в зонах нестабильной атмосферы с высокой влажностью над теплой океанической водой. Согласно шкале Бофорта скорость ветра при шторме составляет 20,8—24,4 м/с (средняя высота волн 7 м), при сильном шторме — 24,5—28,4 м/с (средняя высота волн 9 м), при жестоком шторме — 28,5—32,6 м/с (средняя высота волн 11,5 м), при урагане — более, 32,6 м/с (средняя высота волн более 11,5 м).

Наводнения, т.е. затопления суши водой, вызываются дождями, таянием снегов, цунами, повышением уровня дна рек, прорывами дамб и плотин. Прогнозирование наводнений позволяет существенно уменьшить вызываемые ими потери.

Для гидросферы, очевидно, характерен определенный процесс эволюции. Возникла она благодаря дегазации Земли, инициируемой изливавши-

188

мися на ее изначальную поверхность мантийными потоками. Часть воды поглощалась водой, поэтому нарастание толщи Мирового океана происходило медленно. Она достигла современных значений лишь 2,2 млрд лет тому назад. Видимо, решающее значение для судеб гидросферы будет иметь процесс ее нагревания под действием постепенно увеличивающегося в размерах Солнца. Через 2 млрд лет температура воды достигнет величины, при которой она вскипит. Превращение же Солнца в красный гигант, видимо, просто-напросто испарит гидросферу.

Выводы

•Гидросфера представляет собой объект с ярко выраженной динамикой, проявлениями которой является круговорот воды в природе и периодически совершаемое обновление всех ее объектов.

•Гидросфера полностью обновляется по крайней мере раз в 10 тыс. лет. Дело

втом, что за этот промежуток времени успевают обновиться все ее объекты.

•Будущее гидросферы в решающей степени, видимо, будет определяться сначала постепенным разогревом Солнца, а затем его превращением в красный гигант.

4.12. Атмосфера

Атмосферой (от греч. atmos — пар) называется газовая геооболочка Земли. Состоит она из естественной смеси газов, которая называется воздухом. Условно считается, что верхняя граница атмосферы, отделяющая ее от космоса (ионосферы), расположена на высоте 120 км от уровня моря. Ниже этого уровня в маневрировании летательных аппаратов существенной становится опора на воздушные массы. У поверхности Земли нормальными считаются следующие параметры воздуха: плотность — 1,2 г/см 3, давление — 1 атм, температура — 20оС, относительная влажность — 50%. Основными объемными составляющими воздуха являются азот (N2) — 78,1% и кислород (O2) — 20,9%. На все остальные газы, включая взвешенные (аэрозольные частицы), приходится всего 1% объема воздуха (1,4% от общей массы воздуха).

Строение атмосферы представлено в табл. 4.8.

189

Строение атмосферы постоянно уточняется. Всего различают четыре атмосферные оболочки — тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу. Термосфера, высота которой достигает 690 км, лишь своей нижней частью входит в атмосферу. Экзосфера, высота которой оценивается в 10 тыс. км, также не относится к атмосфере. Переходные слои разделяют атмосферные оболочки, их называют паузами постольку, поскольку в них почти прекращается изменение температуры с высотой. Наиболее строго это условие выполняется для тропопаузы. Все эти особенности отображает рис. 4.6.

Рис. 4.6. Температуры и высоты атмосферных оболочек

Тропосфера (от греч. trope — поворот) представляет 80% всей массы воздуха. При подъеме температура понижается на 6,5оС на каждые 10 м. В яркой форме представлены турбулентные и конвективные явления. Именно в составе тропосферы развиваются процессы, определяющие погоду и климат на Земле. Выше тропопаузы облака обычно отсутствуют. Поэтому там идеальные условия для полетов воздушных судов.

В стратосфере по сравнению с тропосферой резко меняется температурная динамика. В тропосфере она определяется в основном конвектив-

190