Методология построения общей теории глобальной эволюции Земли
Оглядываясь на историю развития геологии, можно утверждать, что до появления теории тектоники литосферных плит в науке не существовало общей и строго научной геологической теории, удовлетворяющей всем требованиям, предъявляемым современным научным теориям. До конца 60-х годов геология представляла собой лишь описательную науку. Однако из этого не вытекает, что в геологии не существовало частных теорий, наоборот, они существовали и даже в изобилии, например теория распространения сейсмических волн в слоистых средах, осадочно-миграционная теория нефтегазообразования, теория литогенеза, термодинамическая теория магматической дифференциации и др. Но все они узкой направленности и предназначались для описания лишь отдельных геологических процессов, рассматриваемых в отрыве от остальной геологической обстановки, и никогда не создавали единого мировоззренческого подхода к изучению Земли. При этом отдельные попытки создания общей геологической теории, как показывает история геологии, либо не выдерживали количественной проверки (например, контракционная гипотеза), либо не отвечали элементарным требованиям, предъявляемым к современным научным теориям (например, гипотезы океанизации земной коры, расширяющейся, пульсирующей или гидридной Земли и т.д.). Пользуясь терминологией П. Куна (1975), можно утверждать, что до конца 60-х годов геология ещё находилась на допарадигмальном уровне развития науки.
Многие из геологов «классической» школы тогда полагали, что для создания настоящей и всеобъемлющей геологической теории собрано ещё мало фактических данных о строении земной коры в различных регионах Земли. Но парадокс «классического» подхода заключался в том, что чем больше собиралось дополнительных данных, детализирующих строение отдельных участков земной поверхности на континентах, тем более запутанной и противоречивой казалась общая картина развития Земли. Говоря словами известного физика начала ХIХ в. О. Френеля, создавалось впечатление, что природа как бы издевается над нашими аналитическими затруднениями: применяет она лишь простые средства, но их сочетание порождает почти неразрешимую путаницу.
Для расшифровки этой «путаницы» действительно была необходима дополнительная геологическая информация, но не детализирующая до бесконечности строение континентов, а принципиально новая информация о строении и развитии океанического дна. Нужны были также новые и конструктивные идеи, позволяющие по-новому взглянуть на все накопленные прежде геологические данные и знания. Воистину, чтобы увидеть лес, надо было выйти из него и посмотреть со стороны.
Принципиально новые данные, заставившие отказаться от старых представлений о происхождении земной коры и о природе геодинамических процессов в литосферной оболочке Земли, были получены только за последние 40-45 лет благодаря комплексному и широкому изучению геологического строения, состава и динамики дна Мирового океана. Именно эти данные позволили выдвинуть новые идеи о природе глобальных процессов, определяющих развитие земной коры и всей Земли в целом. Созданная на базе этих идей новая геологическая теория (тектоника литосферных плит) привела к глубокому преобразованию классических геологических представлений и, по существу, произвела революцию в науках о Земле. При этом новая теория вовсе не противостояла позитивным геологическим знаниям, собранным за все время существования геологии как науки. Наоборот, она органически впитала их в себя и дала им новое звучание. Значение этой теории для геологии без преувеличений можно сравнить лишь со значением ньютоновской или квантовой механики для физики, молекулярной генетики для биологии и кибернетики для вычислительной техники.
Теперь становится понятным, почему одна из древнейших наук, геология, до середины ХХ в. не имела собственной общей теории. Объясняется это тем, что «ключ» к познанию процессов геологического развития Земли лежал на дне океана и «поднять» его можно было лишь ценой организации широких океанологических исследований по всем акваториям Мирового океана. Но такие исследования начались только в 50-х годах ХХ в. во время работ по программам II Международного геофизического года и другим международным проектам. В этих исследованиях принимали участие многочисленные специалисты из разных стран мира, в том числе и советские океанологи — геофизики и геологи (включая и авторов этой книги), внёсшие в них и свой весомый вклад.
С появлением теории тектоники литосферных плит положение в геологии резко изменилось. Можно с полной ответственностью утверждать, что сейчас в геологии уже существует своя строгая теория, полностью соответствующая всем высоким требованиям, предъявляемым к современным научным теориям. Важно также, что эта теория объединила три главные раздела в науках о Земле: собственно геологию, геохимию и геофизику.
Однако тектоника литосферных плит имеет свои ограничения: она описывает процессы только в верхней, жёсткой оболочке Земли — в её литосфере (включая земную кору). Для создания же более общей теории планетарного развития всей Земли в целом (естественно, включающей в себя и тектонику литосферных плит) нужен единый и последовательно физический подход ко всей проблеме в целом. Но для этого, прежде всего, необходимо исходить из следующих общих положений.
1. Земля является физическим телом и развивается по строгим законам физики. Отсюда, в частности, следует, что развитие Земли, согласно первому началу термодинамики, должно происходить под влиянием процессов, в максимальной степени уменьшающих её потенциальную (внутреннюю) энергию, переходящую в конце концов в тепло. Генерируемое эндогенными процессами тепло, как известно, излучается Землёй в космическое пространство, т. е. безвозвратно теряется. Следовательно, развитие Земли необратимо.
2. Движение Земли вокруг Солнца, центра тяжести Галактики и вообще в мировом пространстве происходит по эквипотенциальным поверхностям гравитационного поля, и само по себе такое движение не требует затрат энергии. Передача энергии от внешнего гравитационного поля телу Земли может происходить только в том случае, если это поле переменное, т.е. если возникают приливные силы. В Земле такие силы возникают при её вращении вокруг собственной оси в градиентных гравитационных полях Луны и Солнца. Однако современная доля приливной энергии, рассеиваемой в земных недрах, в настоящее время не превышает 1% суммарных теплопотерь Земли. Отсюда следует важный вывод, что главные источники энергии эндогенного развития Земли, прежде всего, следует искать внутри самой Земли, тогда как развитие её экзосферы, включая климат планеты, процессы выветривания пород и осадкообразование, в большей мере управляются солнечной энергией.
3. Как и любая физическая задача, глобальная эволюция Земли должна описываться уравнениями математической физики, решение которых возможно находить, только задавшись начальными и краевыми условиями задачи. В качестве начального условия необходимо принять время образования, строение и состав первичной Земли, а в качестве краевых (граничных) условий — строение и послойный состав современной Земли и всю её геологическую летопись.
4. Землю с её геосферами (ядром, мантией, корой, гидросферой, атмосферой и биосферой) следует рассматривать как единую, физически взаимодействующую динамическую систему, объединённую внутренними связями. Очевидно, по этой причине механические перемещения в Земле нельзя отрывать от развивающихся в её недрах физико-химических процессов, приводящих к изменениям состава, плотности и объёма вещества, при этом надо также учитывать, что механические деформации сами приводят к разогреву и даже плавлению вещества. Это требует рассмотрения развития всех геологических процессов, в том числе и тектонической активности Земли, в пространстве и времени.
5. Скорость развития большинства эндогенных процессов в Земле сдерживается высокой диффузионной вязкостью земного вещества, поэтому многие из таких процессов развиваются исключительно медленно (в течение многих миллионов и даже миллиардов лет). Все это требует рассмотрения взаимодействия разномасштабных геологических процессов, в том числе и тектонической активности Земли, в категориях пространства и времени. Поэтому при изучении проявлений геолого-тектонических процессов в прошлые геологические эпохи полезно использовать все возможности актуалистического подхода в исторической геологии. При таком подходе, правда, необходимо вносить соответствующие эволюционные поправки за необратимость процессов тектонического развития и химической дифференциации Земли и её отдельных геосфер.
Отмеченный энергетический подход к изучению глобальной эволюции Земли в сочетании с его привязкой к конкретной геологической летописи (т.е. к краевым условиям для нашей планеты) позволяет выделить и ранжировать по мощности главные планетарные процессы, управляющие эволюцией Земли. После изучения каждого из таких определяющих процессов можно оценить и их суммарное воздействие на тектоническую активность Земли и на отдельные проявления этой активности. В свою очередь, лишь всесторонний и комплексный подход к изучению отдельных геологических явлений и процессов как к частным формам проявления наиболее общего и глобального процесса развития всей Земли в целом позволяет, например, объяснить происхождение и развитие океанов и атмосферы на Земле, выявить основные закономерности роста континентов, выяснить причины возникновения уникальной металлогенической эпохи раннего протерозоя или природу эволюционных изменений металлогении континентов и т. д. Особенно показательна в этом отношении проблема происхождения докембрийских железорудных формаций. Для её разрешения необходимо рассматривать самые фундаментальные и разноплановые проблемы происхождения и глобальной эволюции Земли, включая химическую дифференциацию вещества в протопланетном газопылевом облаке, из которого образовалась Земля, состав земного ядра и природу механизмов его выделения из мантии, эволюцию химического состава мантии и конвективный массообмен в ней, дегазацию Земли и условия формирования океанов и атмосферы на её поверхности, условия развития жизни на Земле, продуктивность биосферы докембрия и т. д.
Разрешить все эти слившиеся воедино проблемы позволила разработанная российскими учёными наиболее общая геологическая теория глобальной эволюции Земли. Возникла эта теория, как уже отмечалось, за счёт органического слияния и дальнейшего совместного развития тектоники литосферных плит, современной космогонической концепции о происхождении Земли и гидродинамической теории, описывающей конвективный массообмен в мантии. Описанию этой общей геологической теории и посвящена данная книга.
Многие из геологов «классической» школы тогда полагали, что для создания настоящей и всеобъемлющей геологической теории собрано ещё мало фактических данных о строении земной коры в различных регионах Земли. Но парадокс «классического» подхода заключался в том, что чем больше собиралось дополнительных данных, детализирующих строение отдельных участков земной поверхности на континентах, тем более запутанной и противоречивой казалась общая картина развития Земли. Говоря словами известного физика начала ХIХ в. О. Френеля, создавалось впечатление, что природа как бы издевается над нашими аналитическими затруднениями: применяет она лишь простые средства, но их сочетание порождает почти неразрешимую путаницу.
Для расшифровки этой «путаницы» действительно была необходима дополнительная геологическая информация, но не детализирующая до бесконечности строение континентов, а принципиально новая информация о строении и развитии океанического дна. Нужны были также новые и конструктивные идеи, позволяющие по-новому взглянуть на все накопленные прежде геологические данные и знания. Воистину, чтобы увидеть лес, надо было выйти из него и посмотреть со стороны.
Принципиально новые данные, заставившие отказаться от старых представлений о происхождении земной коры и о природе геодинамических процессов в литосферной оболочке Земли, были получены только за последние 40-45 лет благодаря комплексному и широкому изучению геологического строения, состава и динамики дна Мирового океана. Именно эти данные позволили выдвинуть новые идеи о природе глобальных процессов, определяющих развитие земной коры и всей Земли в целом. Созданная на базе этих идей новая геологическая теория (тектоника литосферных плит) привела к глубокому преобразованию классических геологических представлений и, по существу, произвела революцию в науках о Земле. При этом новая теория вовсе не противостояла позитивным геологическим знаниям, собранным за все время существования геологии как науки. Наоборот, она органически впитала их в себя и дала им новое звучание. Значение этой теории для геологии без преувеличений можно сравнить лишь со значением ньютоновской или квантовой механики для физики, молекулярной генетики для биологии и кибернетики для вычислительной техники.
Теперь становится понятным, почему одна из древнейших наук, геология, до середины ХХ в. не имела собственной общей теории. Объясняется это тем, что «ключ» к познанию процессов геологического развития Земли лежал на дне океана и «поднять» его можно было лишь ценой организации широких океанологических исследований по всем акваториям Мирового океана. Но такие исследования начались только в 50-х годах ХХ в. во время работ по программам II Международного геофизического года и другим международным проектам. В этих исследованиях принимали участие многочисленные специалисты из разных стран мира, в том числе и советские океанологи — геофизики и геологи (включая и авторов этой книги), внёсшие в них и свой весомый вклад.
С появлением теории тектоники литосферных плит положение в геологии резко изменилось. Можно с полной ответственностью утверждать, что сейчас в геологии уже существует своя строгая теория, полностью соответствующая всем высоким требованиям, предъявляемым к современным научным теориям. Важно также, что эта теория объединила три главные раздела в науках о Земле: собственно геологию, геохимию и геофизику.
Однако тектоника литосферных плит имеет свои ограничения: она описывает процессы только в верхней, жёсткой оболочке Земли — в её литосфере (включая земную кору). Для создания же более общей теории планетарного развития всей Земли в целом (естественно, включающей в себя и тектонику литосферных плит) нужен единый и последовательно физический подход ко всей проблеме в целом. Но для этого, прежде всего, необходимо исходить из следующих общих положений.
1. Земля является физическим телом и развивается по строгим законам физики. Отсюда, в частности, следует, что развитие Земли, согласно первому началу термодинамики, должно происходить под влиянием процессов, в максимальной степени уменьшающих её потенциальную (внутреннюю) энергию, переходящую в конце концов в тепло. Генерируемое эндогенными процессами тепло, как известно, излучается Землёй в космическое пространство, т. е. безвозвратно теряется. Следовательно, развитие Земли необратимо.
2. Движение Земли вокруг Солнца, центра тяжести Галактики и вообще в мировом пространстве происходит по эквипотенциальным поверхностям гравитационного поля, и само по себе такое движение не требует затрат энергии. Передача энергии от внешнего гравитационного поля телу Земли может происходить только в том случае, если это поле переменное, т.е. если возникают приливные силы. В Земле такие силы возникают при её вращении вокруг собственной оси в градиентных гравитационных полях Луны и Солнца. Однако современная доля приливной энергии, рассеиваемой в земных недрах, в настоящее время не превышает 1% суммарных теплопотерь Земли. Отсюда следует важный вывод, что главные источники энергии эндогенного развития Земли, прежде всего, следует искать внутри самой Земли, тогда как развитие её экзосферы, включая климат планеты, процессы выветривания пород и осадкообразование, в большей мере управляются солнечной энергией.
3. Как и любая физическая задача, глобальная эволюция Земли должна описываться уравнениями математической физики, решение которых возможно находить, только задавшись начальными и краевыми условиями задачи. В качестве начального условия необходимо принять время образования, строение и состав первичной Земли, а в качестве краевых (граничных) условий — строение и послойный состав современной Земли и всю её геологическую летопись.
4. Землю с её геосферами (ядром, мантией, корой, гидросферой, атмосферой и биосферой) следует рассматривать как единую, физически взаимодействующую динамическую систему, объединённую внутренними связями. Очевидно, по этой причине механические перемещения в Земле нельзя отрывать от развивающихся в её недрах физико-химических процессов, приводящих к изменениям состава, плотности и объёма вещества, при этом надо также учитывать, что механические деформации сами приводят к разогреву и даже плавлению вещества. Это требует рассмотрения развития всех геологических процессов, в том числе и тектонической активности Земли, в пространстве и времени.
5. Скорость развития большинства эндогенных процессов в Земле сдерживается высокой диффузионной вязкостью земного вещества, поэтому многие из таких процессов развиваются исключительно медленно (в течение многих миллионов и даже миллиардов лет). Все это требует рассмотрения взаимодействия разномасштабных геологических процессов, в том числе и тектонической активности Земли, в категориях пространства и времени. Поэтому при изучении проявлений геолого-тектонических процессов в прошлые геологические эпохи полезно использовать все возможности актуалистического подхода в исторической геологии. При таком подходе, правда, необходимо вносить соответствующие эволюционные поправки за необратимость процессов тектонического развития и химической дифференциации Земли и её отдельных геосфер.
Отмеченный энергетический подход к изучению глобальной эволюции Земли в сочетании с его привязкой к конкретной геологической летописи (т.е. к краевым условиям для нашей планеты) позволяет выделить и ранжировать по мощности главные планетарные процессы, управляющие эволюцией Земли. После изучения каждого из таких определяющих процессов можно оценить и их суммарное воздействие на тектоническую активность Земли и на отдельные проявления этой активности. В свою очередь, лишь всесторонний и комплексный подход к изучению отдельных геологических явлений и процессов как к частным формам проявления наиболее общего и глобального процесса развития всей Земли в целом позволяет, например, объяснить происхождение и развитие океанов и атмосферы на Земле, выявить основные закономерности роста континентов, выяснить причины возникновения уникальной металлогенической эпохи раннего протерозоя или природу эволюционных изменений металлогении континентов и т. д. Особенно показательна в этом отношении проблема происхождения докембрийских железорудных формаций. Для её разрешения необходимо рассматривать самые фундаментальные и разноплановые проблемы происхождения и глобальной эволюции Земли, включая химическую дифференциацию вещества в протопланетном газопылевом облаке, из которого образовалась Земля, состав земного ядра и природу механизмов его выделения из мантии, эволюцию химического состава мантии и конвективный массообмен в ней, дегазацию Земли и условия формирования океанов и атмосферы на её поверхности, условия развития жизни на Земле, продуктивность биосферы докембрия и т. д.
Разрешить все эти слившиеся воедино проблемы позволила разработанная российскими учёными наиболее общая геологическая теория глобальной эволюции Земли. Возникла эта теория, как уже отмечалось, за счёт органического слияния и дальнейшего совместного развития тектоники литосферных плит, современной космогонической концепции о происхождении Земли и гидродинамической теории, описывающей конвективный массообмен в мантии. Описанию этой общей геологической теории и посвящена данная книга.