Геологическая история Земли

Геологическая история  Земли

Страницы геологической  летописи

В этой статье раскрывается содержание одной из самых увлекательных, но трудных проблем, стоящих перед  науками о Земле. Ведь люди не были свидетелями растянувшейся на миллиарды  лет геологической истории развития нашей планеты. Человечеству немногим более миллиона лет, и общую картину  прошлого, страницу за страницей, приходится создавать мысленно по отдельным  разрозненным фактам. 
На какие же факты опирается ученый, рисуя общую картину развития Земли? Главное в геологической летописи - сами горные породы и минералы, их состав, происхождение и дальнейшие изменения (см. ст. "Горные породы и минералы"). О многом можно судить по характеру толщ. Образование складчатости и вулканизм соответствовали активным периодам жизни Земли; накопление осадочных толщ шло в сравнительно спокойные периоды, а континентальные отложения появлялись после образования гор. Эти и другие подобные факты для разных районов поверхности Земли необходимо было установить в природе, нанести на геологические карты с таким расчетом, чтобы проследить все события во времени.

Возможность объективно восстановить общий ход геологического развития земной коры со времен ее образования  и сопоставить историю разных районов Земли появилась совсем недавно благодаря широкому применению радиометрических методов определения  возраста горных пород. О сущности этих методов рассказывается в статье "Как определяют возраст Земли  и горных пород". 
Однако, несмотря на успехи в определении абсолютного возраста горных пород по распаду радиоактивных веществ, сведения о наиболее ранних этапах истории развития земной коры все еще ограниченны и недостоверны. При общей продолжительности существования нашей планеты 5,5 млрд. лет и земной коры порядка 4,5-4,7 млрд. лет возраст наиболее древних пород - гранитов и гнейсов, который удалось определить достаточно надежно, составляет лишь 3,5 млрд. лет. Правда, совсем недавно на отдельных участках земной коры - наиболее древних щитах (Канадском, Балтийском и Южно-Африканском) - в глубинных породах обнаружены минералы, возраст которых достигает 4-5 млрд. лет. Однако не исключено, что эти малораспространенные древние породы внедрились в земную кору из более глубоких недр.

Кроме того, следует учитывать, что  чем древнее породы, тем больше различных превращений (фаз метаморфизма) они пережили и тем больше шансов, что в них нормальные соотношения  между естественно-радиоактивными веществами и продуктами их распада  нарушились. А это не позволяет  точно определить их абсолютный возраст. Возникает вообще предположение, что  на рубеже 3,5 млрд. лет вся земная кора подверглась глубокому изменению  под влиянием газовых или жидких растворов, поднимавшихся из недр Земли, при этом более древние породы земной коры полностью изменились и  по своему составу приблизились к  гранитам. Отсюда и понятие "гранитизация", которым мы будем пользоваться в дальнейшем.

Ранние этапы формирования земной коры

Догеологический этап (5,5-5,0 млрд. лет). На этом этапе завершилось формирование нашей планеты. При этом вещество Земли разделилось на две основные геосферы: ядро и мантию. Как произошло это разделение? Здесь мыслятся два пути, выраженных в двух гипотезах образования Земли. Согласно первой, Земля возникла из газово-пылевого скопления. Затем ее первично-однородная масса разделилась (дифференцировалась) на тяжелое, преимущественно железное, ядро и более легкую каменную, силикатную мантию путем "стекания" железа в ядро; этот процесс должен был сопровождаться сильным разогревом (до 2000° К). По второй гипотезе, сначала из железных же метеоритов образовалось железное ядро Земли, а затем оно "обросло" силикатной оболочкой из каменных метеоритов. Вторая гипотеза менее вероятна, хотя ее поддерживает ряд авторитетных ученых. Дело в том, что при этом варианте должны были бы существовать раздельно железные и каменные метеориты. Между тем изучение железных метеоритов говорит о том, что они могли возникнуть лишь в недрах распавшейся планеты под большим давлением, т. е. уже после образования Солнечной системы, включая Землю. Кроме того, первая гипотеза логичнее, ибо она предусматривает, что разделение первичного вещества Земли на ядро и мантию было следствием того же процесса, благодаря которому впоследствии из мантии выделилась земная кора. Наконец, первая гипотеза позволяет считать, что граница между ядром и мантией не застывшая, а подвижная, динамическая и что процессы дальнейшего разделения вещества Земли на мантию и ядро могли еще долго продолжаться, хотя и замедленно. А это очень важно для понимания дальнейшей эволюции нашей планеты.

Катархейский этап (5,0 - 4,5 млрд. лет) ознаменовался формированием первичной океанической коры. В течение этого этапа в результате деятельности многочисленных вулканов и трещинных излияний образовалась первичная базальтовая оболочка Земли. Эта оболочка, по мнению ученых, была похожа на современную кору Луны. Однако этот наиболее ранний земной ландшафт уже тогда существенно отличался от лунного. Земля на этом этапе приобрела и затем, в отличие от Луны, сохранила водную и газовую оболочки. Водная оболочка первоначально могла покрывать всю поверхность Земли, кроме вулканических архипелагов, т. е. создавалась картина, похожая на современную центральную часть Тихого океана. При этом первичный океан напоминал современные океаны, но отличался меньшей глубиной - порядка 1,5-2 км.

Однако древнейшая базальтовая  оболочка после своего образования  подверглась сильным изменениям. На первичный базальтовый слой давила весьма значительная нагрузка более  молодых образований, а снизу  из мантии на него воздействовал тепловой поток, а также внедрялись газообразные и жидкие вещества. В ходе этих процессов  метаморфизма и должны были образоваться сильно измененные породы - гранулиты. Первичная базальтовая оболочка Земли могла сохраниться от последующего уничтожения в пределах современных древних платформ, где ей может соответствовать самый глубокий слой земной коры или даже верхняя часть мантии. Окончательно природа этого слоя может быть установлена лишь с помощью глубинного бурения.

Архейский этап (4,5 - 4,0 - 3,5 млрд. лет). В этот промежуток времени формируется первичная континентальная кора. Некоторые исследователи считают древнейшими породами земной коры сильно мета-морфизированные основные вулканические породы типа так называемой кивотинской серии, залегающие близ озера Верхнего в пределах Канадского щита. Но уже несколько лет назад стало выясняться, что во многих районах земного шара в щитах древних платформ ниже пород, аналогичных кивотинской серии, залегают граниты и гнейсы возрастом 3,5 млрд. лет. Есть основания полагать, что эти гранито-гнейсовые породы, или гранитоиды, распространены в пределах всех древних платформ. Видимо, в это время процессы гранитизации охватили всю планету.

Откуда взялись эти древнейшие гранитоиды, пока не вполне ясно. Наиболее вероятны два пути их образования. Во-первых, они могли непосредственно выделиться из материала мантии и внедриться в кору в виде интрузий. Действительно, в составе излияний древнейших вулканов известны, и притом в значительном количестве, не только породы базальтового состава, но и более кислые (андезиты и кварцевые порфиры). В современных островных дугах, по мнению многих исследователей, развиты андезиты, выделившиеся из верхней мантии. Поэтому можно считать, что в раннем архее мантия могла дать не только базальтовую, но и андезитовую магму, из которой и сформировался древнейший гранито-гнейсовый слой.

Однако этой гипотезе противоречат некоторые факты. Более вероятно, что древнейшие гранитоиды образовались благодаря замещению состава осадочно-вулканогенных толщ горячими выделениями газов и расплавов, приносившими кремнезем и щелочи. Эти газы и расплавы могли поступать снизу из верхней мантии или из нижних слоев самой коры. Если они шли из мантии, то гранитизации могли подвергнуться и осадочно-вулканогенныи слой и первичная базальтовая кора.

Так или иначе, за время течения  архейского этапа образовалась древнейшая часть гранитного слоя древних платформ. Его образование означало переход  от первичной океанической к первичной  континентальной коре. Последняя, вероятно, не везде имела одинаковую мощность. На следующем этапе более обогащенные  гранито-гнейсовыми породами участки коры как более легкие «всплыли» среди базальтовых пород и образовали первые участки (зародыши) будущих континентов. Эти участки имели в плане овальную или амебовидную форму и достигали в поперечнике многих сотен километров.

Таковы наиболее ранние этапы развития земной коры, о которых можно лишь высказать более или менее  правдоподобные предположения; следующие  этапы устанавливаются лучше, достовернее. 
Позднеархейский – раннепротерозойский этап (3,5 - 2,0 млрд. лет). На этом этапе продолжалось наращивание земной коры: на ее поверхности со временем накапливались мощные вулканические и осадочные толщи. За время течения этапа процессы резкого изменения пород, т. е. метаморфизма и гранитизации, а также образование складчатости проявились дважды - на рубежах около 2,6 и 2,0 млрд. лет назад; это дает основание выделить два подэтапа: позднеархейский и раннепротерозойский. В течение первого подэтапа в результате главным образом подводных извержений накапливались мощные толщи вулканических пород преимущественно базальтового состава. Наряду с ними накапливаются и осадочные толщи, нередко со значительным содержанием кварца. Мощность осадочных толщ, например, на Канадском щите местами огромна - она достигает 6-9 км. Следовательно, уже на данной стадии развития коры существовали и разрушались достаточно крупные ее поднятия, сложенные гранито-гнейсовыми породами. Эти поднятия выступали в виде островов среди морей архея. Архейский подэтап завершился эпохой складчатости, сопровождавшейся метаморфизмом и гранитизацией горных пород. В результате на многих щитах - Канадском, Южно-Африканском, Балтийском - образовались чрезвычайно характерные многочисленные "семейства" гранито-гнейсовых куполов, группирующихся нередко в овалы. Кое-где такие купола располагаются настолько тесно, что осадочно-вулканогенные толщи архея сохранились лишь в узких промежутках между ними, где они слагают сжатые и сильно смятые в складки зоны прогибов - так называемыесинклинории.

Архейские области прогибания обладают многими чертами сходства с будущими геосинклиналями - в них чередуются осадочные и вулканические отложения, суммарная мощность которых весьма значительна - нередко превышает 10 и достигает 20 км. Во всех областях прогибания наблюдались явления складчатости различной интенсивности, сопровождавшиеся метаморфизмом, а также процессами гранитизации. Платформ в архее еще не было, а глубинные разломы в условиях высокопроницаемой и разогретой земной коры быстро "залечивались" и перемещались в новое положение. Мало различался и состав осадочно-вулканических толщ разных районов. Однако, как показывают исследования, проведенные в последнее время, в архее намечаются глубинные разломы и более жесткие структуры с осадками и лавами разного состава.

В результате процессов складчатости, метаморфизма и гранитизации обширные площади, поднявшиеся над уровнем океана, объединились в первичные материки, или протоконтиненты. Однако в начале раннепротерозойского подэтапа объединение сменилось раздроблением коры, при этом обособились относительно устойчивые глыбы земной коры. Эти глыбы (иногда их называют протоплатформами) включают и более древние жесткие ядра из пород гранито-гнейсового состава. На поверхности глыб местами возникли плоские прогибы, заполнившиеся красноцветными обломочными, карбонатными и вулканогенными толщами. Устойчивые глыбы имеют угловатые контуры: они ограничены разломами в древнейшей континентальной коре.

Большинство будущих древних платформ возникло в результате слияния ряда таких глыб, или массивов, разделенных  узкими (в десятки километров), но длинными прогибами. Наряду с узкими прогиба ми существовали и более  широкие подвижные пояса, сохранившие  свою подвижность и на следующих  этапах геологической истории. По всем основным особенностям своего строения и развития эти ранне-протерозойские подвижные пояса уже вполне соответствуют современному представлению о геосинклиналях. Но высоких гор, от разрушения которых образуется обломочный материал, на месте геосинклиналей того времени еще не возникло. Во многих раннепротерозойских геосинклиналях уже довольно отчетливо различаются внешние зоны, в которых отлагались почти исключительно осадочные толщи, включая известняки и доломиты, и внутренние зоны, в которых накапливались продукты подводных извержений - лавы, вулканические туфы и др. Ранне-протерозойское время закончилось новой эпохой складчатости, метаморфизма и гранитизации. Первичный гранито-гнейсовый слой еще раз увеличился таким образом; его формирование в пределах современных древних платформ на этом по существу закончилось.

Отметим, что тектонические процессы в раннем протерозое сопровождались выносом из мантии и более глубоких горизонтов коры значительных количеств  естественнорадиоактивных элементов - урана, тория, калия, которые концентрировались в гранитоидах и в обломочных толщах. Конец раннего протерозоя - 2 млрд. лет до н. э. - оказался очень важным рубежом в тектонической истории Земли. К этому времени в основном закончились процессы изменения общего характера развития литосферы, начавшиеся на рубеже 2,5 млрд. лет, поэтому ранний протерозой можно считать переходным этапом в развитии земной коры.

Среднепротерозойский  этап (2,0 - 1,4 млрд. лет). Этот этап, в течение которого продолжалось развитие континентальной коры, относительно плохо "документирован" осадками и потому с трудом поддается расшифровке. Как постепенно проясняется в последние годы, эволюция коры на протяжении этого периода подразделялась, видимо, на два подэтапа. 
В течение первого подэтапа (2 - 1,7 млрд. лет), соответствующего среднему протерозою, еще дожинали отдельные геосинклинальные системы, заложенные в раннем протерозое, а также развивались узкие прогибы. Этот процесс завершился новой эпохой складчатости, вулканизма и движений коры в интервале примерно 1,7 - 1,6 млрд. лет, при этом формировались толщи из излившихся и глубинных (интрузивных) пород, включающие кислые лавы и граниты типа рапакиви. (Эти красные граниты выступают, в частности, в Выборгском массиве на Карельском перешейке; ими облицованы набережные, и из них высечены постаменты многих памятников в Ленинграде.) Эти очаги магматизма в пределах самой земной коры свидетельствуют о ее разогреве (вплоть до нижней части гранитного слоя) под воздействием все еще высокого теплового потока из глубоких недр. Благодаря частичному плавлению гранитного слоя и насыщению его щелочными растворами повышалась однородность фундамента будущих древних платформ. На ранее объединившихся участках коры в течение этого подэтапа местами возникли плоские прогибы и впадины - так называемые синеклизы, в которых накапливались красноцветные толщи обломочных пород с прослоями покровных базальтовых излияний, поднимавшихся из мантии по расколам уже охлажденной коры. В начале среднего протерозоя в некоторых районах (в частности, в Центрально-Азиатском поясе между Сибирской и Китайской платформами) возобновились опускания и накапливались не мощные и однородные карбонатные толщи.

На втором подэтапе (1,7 - 1,4 млрд. лет) на площади современных континентов преобладали поднятия, в ходе которых к началу позднего протерозоя, вероятно, сформировался огромный континентальный платформенный, массив - "Большая Земля", занимавший все континентальное полушарие Земли. Предположение о его существовании теперь подтверждается данными радиогеохронометрии. 
Какова же была при этом судьба океанов? В раннем протерозойском этапе воды покрывали практически всю поверхность Земли за исключением вулканических архипелагов и небольших участков островной суши - "микроконтинентов". За счет появления этих осушенных участков и дополнительного поступления образовавшейся в недрах ювенильной, т. е. первичной, воды, поднимавшейся на поверхность в ходе вулканических извержений, глубина первичного океана должна была несколько возрасти примерно до 2,5 - 3,0 км. Но ведь в среднем протерозое уже огромная площадь стала сушей. Отдельные участки ее временами покрывались неглубоким морем, в котором отлагались известняки. Куда же в таком случае делась вода? Приходится допустить, что вместилищем воды стала возникшая в это время впадина Тихого океана, породившая затем по своей окраине геосинклинальный пояс вокруг всего океана. Протерозойская кора, бывшая на месте этого океана, могла в дальнейшем войти в состав фундамента складчатых горных сооружений, опоясывающих Тихий океан. В центре же океана древняя кора заместилась более молодой океанической корой. Но это, конечно, лишь одно из возможных предположений.