Планета Земля – геологический Дом цивилизации

Геологическая система Земли

Планета Земля – космическая геологическая система минеральной природы, определяющей возникновение планеты, ее историю, строение и развитие жизни. Развитие планетарной геологической системы определяется взаимодействием функциональной, самоуправляемой  подсистемы структурных элементов - геосфер, обладающих  динамическими и кибернетическими свойствами, что обеспечивает непосредственное взаимодействие внешних (атмо-, гидро-, лито-) сфер и глубинных геосфер. Геосферы устойчивы во времени и пространстве, имеют стабильные минеральные параметры, сохраняя генетическую информацию, которая влияет на развитие последующих процессов(6).

Форма планеты – шарообразный геоид, несколько сплюснутый у полюсов. Внутри планета имеет концентрически-зональное строение и состоит из ядра, мантии и внешней каменной  оболочки – литосферы (от греч. литос – камень). Под континентами литосфера имеет мощность 40-60км, или менее 1% радиуса Земли. В глубоководных океанических впадинах мощность литосферы составляет 10-12км. Основные сведения о строении литосферы основаны на изучении землетрясений, при которых образуются сейсмические волны. По образному выражению академика Б.Б.Голицына, землетрясение – это фонарь, освещающий перед взором ученого недра Земли. Непосредственное изучение литосферы дает глубокое бурение, где мировой рекорд принадлежит Российской сверхглубокой скважине, достигшей глубины 12262м на Кольском полуострове, что составляет 0,2% земного радиуса.  Литосферу образуют 3500 минеральных видов, слагающих  слои магматических, осадочных и метаморфических горных пород, которые служат геологам страницами каменной летописи нашей планеты. Горная порода состоит из минералов – природных образований, определенного химического состава и минералогических свойств (цвет, твердость, кристаллическое строение). Магматические горные породы  образуются при остывании и кристаллизации магматических силикатных расплавов в недрах нашей планеты. Сочетание определенного набора и соотношения  минералов - кварца, полевых шпатов, слюды образует магматическую горную породу - гранит (от латинского "гранум" - зерно).

Горные породы верхней части литосферы, называемой земной корой, служат дном и берегами океанов, морей, рек, озер – водной оболочки – гидросферы. Снаружи гидросферу и земную кору окружает воздушная оболочка – атмосфера.

Самый распространенный и главный минерал нашей планеты – вода, которая покрывает большую часть, 71%,  поверхности планеты, образуя наземную гидросферу. Вода отличает Землю от Луны, Марса и всех планет Солнечной системы. Только на Земле лежит лед и падает снег, блестят капли росы, идут дожди, плещутся волны рек, озер, морей. Процессы испарения, конденсации, переноса и выпадения атмосферной влаги создают планетарный круговорот воды, который выполняет огромную геологическую работу по образованию и разрушению горных пород. Круговорот воды – это часть планетарного геологического круговорота минеральных веществ, он обеспечивает жизнь растений, животных, а также людей, которым земные недра служат кладовыми топлива, металлов и царством красоты, где сверкают золото и самоцветы.

Геологическая деятельность планетарной системы Земли регулируется хронологическим взаимодействием геосфер минеральной природы прошлого и настоящего и является закономерной для самоуправляемой системы, несмотря на возможные катастрофические последствия для живых организмов. Геологическая природа Земли способна превращать экзогенную, солнечную энергию  во внутреннюю энергию земных недр. Как показали российские ученые Н.В.Белов и В.И.Лебедев, осадочные горные породы, участвуя в круговороте веществ земной коры, погружаются в недра Земли, где глинистые минералы разрушаются, отдавая накопленную энергию, благодаря изменению химической связи между алюминием и кислородом. Поверхность планеты имеет резкую ассиметричность рельефа, которая постоянно поддерживается фазами горообразования, способствующими накоплению потенциальной энергии горных систем, достигающих превышения около 10 км над планетарным базисом эрозии.

Планетарный геологический круговорот энергетически обеспечивается солнечным излучением и глубинной  энергией геосфер. Система планетарного геологического круговорота включает:

1. Литосферно-осадочный цикл.

2. Круговорот воды.

3. Биогеохимические  круговороты основных биофильных элементов - углерода, кислорода, азота, фосфора, серы, кальция, калия, магния, натрия, железа, хлора, кремния.

Геологический круговорот служит источником минеральных веществ для биологических круговоротов и функционирования экосистем.

Литосферно-осадочный цикл обеспечивает глобальный круговорот горных пород. Согласно концепции глобальной тектоники плит или концепции мобилизма, литосфера Земли представляет собой подвижную систему из литосферных плит. В литосфере ученые выделяют шесть крупных плит / Евразийская, Индийская, Тихоокеанская, Американская, Антарктическая, Африканская / и множество мелких, плавающих на относительно пластичном подкоровом веществе - астеносфере. Плиты перемещаются в горизонтальном направлении. В рифтовых / корытообразных / зонах земной коры  происходит расхождение / спрединг/ океанического дна с образованием молодой океанической коры и формированием срединно-океанических хребтов.  Срединно-океанические хребты образуют единую горную систему, опоясывающую земной шар подводным каменным поясом длиной более 60 000 км.  В зонах глубоководных желобов и островных дуг происходит сжатие и погружение /субдукция/ океанической коры под континентальный литосферный блок. Вещество земной коры уходит в мантию. Такой процесс происходит в районе Курильской островной дуги. Благодаря геологическому круговороту на дне мирового океана отсутствуют горные породы старше 170-180 млн. лет.

Рис. 2. Схема взаимодействия литосферных плит. По Г.Г.Мирзаеву.

Согласно концепции глобальной тектоники движение геоплит происходит в результате конвекции. Первоначально холодная Земля подвергалась химико-плотностной дифференциации, когда железо сконцентрировалось в ядре, а мантия обогатилась кремнеземом, глиноземом, оксидами кальция и магния. В недрах нашей планеты действуют две конвекционных ячейки, которые осуществляют обмен вещества  между астеносферой и ядром. Центры восходящих потоков располагаются в двух точках антиподах: в районе Восточной Африки /Афарский треугольник/ и в юго-восточной части Тихого океана /о-в Пасхи/. От этих фиксированных центров литосферные плиты двигаются к зонам нисходящих  потоков, которым на поверхности отвечает обрамление Тихого океана(5).

Движение плит отвечает правилам сферической геометрии в соответствии с теоремой вращения (1776г.) Леонарда Эйлера, что позволяет точно рассчитывать и прогнозировать  перемещение плит.

Динамика плит приводит к образованию определенных типов горных пород и месторождений полезных ископаемых.  В рифтовых зонах, в условиях  растяжения и наращивания плит выплавляются базальтовые магмы, несущие хром, платину, медь, свинец, цинк, редкоземельные элементы, ниобий, тантал. В рифтовой зоне Красного моря обнаружено выделение глубинных горячих металлоносных рассолов, обогащенных хлором, натрием, кальцием, железом, марганцем, медью, кобальтом, никелем, свинцом. В 10-метровом слое рудных осадков на глубине более 2 км содержится ~3млн.т цинка, 1млн.т меди, 4500 т серебра, 45 т золота.   

Одновременно с движением литосферных плит происходит разрушение материков сверху, под действием экзогенных геологических процессов выветривания и денудации. В результате эрозионного смыва осадочного материала в Мировой  океан ежегодно поступает 12км3 горных пород. При таких масштабах сноса все континенты утонули бы в морских волнах всего через 10-20 млн. лет, если бы не существовало процесса поступления вещества из недр благодаря движению литосферных плит. На суше и в морских бассейнах, происходит формирование осадочных пород, осадочной оболочки Земли, состоящей из обломочных, глинистых, песчаных, химических и биохимических осадков. Среди них количественно преобладают карбонатные породы - известняки и доломиты, образование которых происходит в самом тесном взаимодействии с биогехимическими круговоротами биофильных элементов углерода, кислорода, кальция. 

Осадочная оболочка служит субстратом для формирования почвенного покрова, где развиваются наземные экосистемы с малыми биологическими круговоротами вещества, которые включаются в общий миграционный процесс геологического круговорота.                                                          

Большую роль в геологическом круговороте играет вода - главный транспорт химических элементов на Земле. "Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества минерала, горной породы, живого тела, которое бы ее не заключало", - писал В.И. Вернадский в своей работе "История минералов земной коры".  В. И. Вернадский обратил внимание на "обводненность" биосферы, где вода самое распространенное вещество.  Около 40 млн. т водяного пара в год выбрасывают в атмосферу все вулканы Земли.  Любой минерал или горная порода, нагретые до 500°С растрескиваются под давлением водяного  пара, заключенного внутри микроскопических трещин и полостей. Вода - основной компонент жизни, например, у человека она составляет 60-70%  массы тела, у грибов 80%, у медуз 98%. Как говорил французский зоолог Р.Дюбуа,  жизнь есть "одушевленная вода". Поверхность планеты Земля фактически представляет собой  водную оболочку, 71% площади планеты покрыто океанами и морями. "Вода определяет и создает всю биосферу, она создает основные черты механизма земной коры ,"- писал В.И. Вернадский.

Вода находится на Земле в трех агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном, что , в свою очередь, влияет на климат и динамику атмосферы. Движение воды вызывает размыв, денудацию горных пород, а перемещение, отложение твердых частиц и химическое осаждение растворенных в воде соединений образует осадочные горные породы, осадочную оболочку Земли. Вода присутствует в трех главных оболочках Земли - атмосфере, гидросфере, литосфере.

Вода в биосфере распределена крайне неравномерно:

В океане сосредоточено 97% общей массы планетарной воды. Основную роль в циркуляции воды играет атмосферная влага, которая поступает в атмосферу при испарении с поверхности гидросферы под влиянием солнечной радиации. Нагретый влажный воздух поднимается в верхние слои атмосферы, где он охлаждается и водяной пар конденсируется, образуя облака, которые возвращают воду на сушу или в море в виде атмосферных осадков /дождя, снега, града/. Над океанами выпадает 7/9 общего количества осадков, над континентами 2/9. Таким образом, главный по массе круговорот воды происходит между атмосферой и океаном. Вода, выпавшая на сушу расходуется на просачивание, испарение /транспирацию/ и сток.

Просачивание или инфильтрация снабжает водой почву и растительность. Просачиваясь ниже почвенного покрова,  вода поступает в грунтовые воды и частично в подземные воды. Испарение с поверхности почвы обычно перекрывается процессом транспирации - выделением влаги в атмосферу  растениями.  Гектар леса за день испаряет 20-50 т воды.

Вода осуществляет грандиозную работу, по транспортировке химических элементов и соединений. Среднее содержание органического углерода Сорг. в подземных водах составляет  50мг/л. По расчетам профессора В. М. Швеца количество органических  веществ в подземных водах земного шара составляет 2,5×1012т, что в 10 раз больше мировых запасов нефти.

Высокая теплоемкость воды создает большую инерцию температурных характеристик океанов и морей,  которые действуют как тепловые машины, определяющие климат на всех континентах. Нарушение водного баланса, имеет самые неблагоприятные экологические последствия. Уничтожение Аральского моря вызвало целый комплекс катастрофических явлений: соляные бури, гибель рыбных ресурсов, засоление и загрязнение почв и пресных вод, ухудшение здоровья населения. На берегах усыхающего Арала изменился климат - лето стало, короче и холоднее.

Ежегодное мировое потребление пресной воды составляет 4200км3, причем половина расходуется безвозвратно. В России за период 1900-1990гг. потребление воды увеличилось в 15 раз и достигло 400 км3 в год, причем основной расход приходится на орошаемое земледелие(70%).

Биогеохимические круговороты основных биофильных элементов /углерода, кислорода, азота, фосфора, серы, кальция, калия, магния, натрия, железа, хлора, кремния.

Элементы биофилы / углерод, кислород, азот, фосфор, сера, кальций / образуют главную массу живого вещества, а их глобальные круговороты определяют динамику и функциональную сущность биосферы. Биогеохимическая миграция основных структурных элементов живого вещества является всеобщим планетарным  обязательным процессом, охватывающим все уровни биосферы от отдельных организмов и популяций до Мирового океана, который представляет собой грандиозный аккумулятивный геохимический ландшафт, где накапливается углерод, фосфор, кальций. Природная биогеохимическая миграция элементов в биосфере характеризуется цикличностью,  благодаря которой поддерживается стабильность биосферы(4). Техногенные потоки химических элементов, создаваемые человеком, отличает линейный характер. Поэтому промышленная деятельность, техногенез  разрушает биосферу.

Большое влияние на круговороты ряда биофильных элементов имеет вулканическая деятельность и процесс газового дыхания Земли. Выделение СО2, SO2, Н2S в вулканических процессах оказывает влияние на балансы С, О2, S. Ежегодно вулканы поставляют  в атмосферу около 3 млн. т сернистых соединений.  Круговороты биофильных элементов пронизывают все звенья биосферной миграции,  включая малые и большой круговорот, соединяя все подсистемы биосферы, взаимодействуя между собой. Основным резервуаром кислорода является литосфера, где он занимает 1-е место по распространенности  и присутствует в силикатных минералах (Рис.7.).  Резервуар свободного кислорода, находится в атмосфере, а в морских карбонатах происходит его минерализация при взаимодействии кальция морской воды и углекислоты при участии живого вещества, т.е. углерода. Например, высокое содержание СО2 в рифейских морях определяло ненасыщенность воды кальцием, который находился в растворимой форме  Са/НСО3/2. Соответственно морским животным было трудно строить карбонатный скелет, пока на границе кембрия не произошло резкое понижение концентрации СО2 в атмосфере, что привело к нарушению сложившегося карбонатного равновесия, СаСО3 стал насыщать морскую воду, и известковые и фосфатные скелеты стали устойчивыми. При этом одновременно интенсифицировалось осаждение ванадия, урана  и других металлов, что отразилось на химическом составе осадочных пород в конце венда. Снижения концентрации СО2 привело также к накоплению органического вещества и возникновению сероводородного геохимического барьера, благоприятного для осаждения  многих металлов.

Постоянный приток СО2 в атмосферу является необходимым условием фотосинтетической биопродуктивности. В то же время увеличение биопродуктивности служит источником кислорода, регулирует круговорот углерода в биосфере и служит потенциальным средством снижения прироста антропогенной углекислоты в атмосфере. Так высокопродуктивное земледелие, лесное, пастбищное и парковое хозяйство могут не только решать проблему  продовольствия, но стабилизировать биогеохимию биосферы.

Продолжение следует.

Литература.

1. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М.,1990.

2. Зверев В.Л. Основы экологии и проблемы в ее развитии.М.,2010.-383с.

3. Зверев. В.Л. Система экологии и проблемы ее развития. Самиздат, Экоделоорг, 2013.

4. Камшилов М.М. Эволюция биосферы. М.,1979.

5. Короновский Н.В. Наша планета Земля, М.,2002.

6. Сывороткин В.Л. Глубинная дегазация Земли и глобальные катастрофы. М.,2002.

7.Рамад Ф. Основы прикладной экологии. Л., 1981.

8. Реймерс Н.Ф., Яблоков А.В. О большой экологии и экологическом всеобуче. "Наука и жизнь", 1987,№4, с.2-7. 

9. Тюрюканов А.Н., Федоров В.М., Тимофеев-Рессовский Н.В.: Биосферные раздумья. М.,1996.-368с.

10. Odum Б.E. Fundamentals of Ecology. Philadelphia – London

Вячеслав Зверев

http://www.vlvzverev.narod.ru                 

март- апрель 2016.