Науки о Земле

Как уже упоминалось, в 1553 г. Н. Коперник научно обосновал гелиоцентрическую систему мира, согласно которой Земля и другие планеты обращаются вокруг Солнца. Окончательное признание этой системы обязано открытию в начале XVII в. И. Кеплером законов движения планет и обоснованию в 1687 г. И. Ньютоном закона всемирного тяготения.

Земля - третья планета Солнечной системы. Среднее расстояние Земли от Солнца составляет 149,5 млн. км. По размеру и массе Земля занимает пятое место среди больших планет, но из планет так называемой земной группы, в которую кроме нее входят Меркурий, Венера и Марс, она самая крупная. Важнейшее отличие Земли от других планет Солнечной системы - существование на ней жизни, достигшей с появлением человека высшей, разумной формы.

Открытие радиоактивного распада элементов привело к коренному пересмотру многих фундаментальных концепций происхождения Земли. В частности, представление о первоначальном огненно-жидком состоянии Земли было заменено идеями о ее образовании из скоплений холодных твердых частиц (гипотеза О. Ю. Шмидта). Были разработаны методы определения абсолютного возраста горных пород по радиоактивному распаду, позволившие объективно оценивать возраст Земли и скорость процессов на ее поверхности и в недрах.

Согласно современным космогоническим представлениям, Земля образовалась примерно 4,5 млрд. лет назад путем гравитационной конденсации из рассеянного в околосолнечном пространстве газопылевого вещества, содержащего все известные в природе химические элементы.

Формирование Земли сопровождалось дифференциацией вещества, которой способствовав постепенный разогрев земных недр, в основном за счет теплоты, выделявшейся при распаде радиоактивных элементов - урана, тория и др. Результатом такой дифференциации стало разделение Земли на концентрически расположенные слои - геосферы, различающиеся химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. В центре образовалось ядро Земли, окруженное так называемой мантией. Из наиболее легких и легкоплавких компонентов вещества, выделившихся из мантии в процессе выплавления, возникла расположенная над мантией земная кора. Ее толщина под океанами 5-8 км, на континентах она достигает 30-40 км. Дифференциация вещества мантии Земли и пополнение водной и воздушной оболочек продуктами земной коры происходили на протяжении всей геологической истории и продолжаются до сих пор.

Большую часть поверхности Земли занимает Мировой океан (361,1 млн. км², или 70,8%). Суша составляет 149,1 млн. км² (29,2%) и образует шесть крупных материков: Евразию, Африку, Северную Америку, Южную Америку, Антарктиду и Австралию.

Земля обладает гравитационным, магнитным и электрическим полями. Гравитационное поле Земли удерживает на околоземной орбите Луну и искусственные спутники. Действием гравитационного поля обусловлены сферическая форма Земли, многие черты рельефа земной поверхности, течение рек, движение ледников и другие процессы.

Магнитное поле создается в результате сложного движения вещества в ядре Земли. В межпланетном пространстве это поле занимает область, объем которой намного превосходит объем Земли, а по форме оно напоминает комету с хвостом, направленным от Солнца. Эту область, как уже упоминалось выше, называют магнитосферой.

С магнитным полем Земли тесно связано ее электрическое поле. "Твердая" Земля несет отрицательный электрический заряд, который компенсируется объемным положительным зарядом атмосферы, так что в целом Земля, по-видимому, электронейтральна.

Землю изучают многие науки. Фигурой и размерами Земли занимается геодезия, движениями Земли как небесного тела - астрономия, силовыми полями Земли - отчасти астрофизика и геофизика, которая изучает также физическое состояние вещества Земли и физические процессы, протекающие во всех геосферах. Законы распределения химических элементов Земли и процессы их миграции исследует геохимия. Вещественный состав литосферы и историю ее развития изучает комплекс геологических наук. Одной из старейших наук о Земле является география, что в буквальном переводе означает "описание Земли".

Состоявшийся в Москве в августе 1976 г. XXIII Международный географический конгресс с участием 3 тыс. ученых из 70 стран отметил как бы второе рождение географии. Современная география - это уже не прежняя, по преимуществу описательно-познавательная, паука, главным объектом исследования которой были неведомые земцтш и страны. Дать научное обоснование работе человечества по многообразному использованию природных ресурсов, охране окружающей среды - главная задача географии наших дней. Одна из ее проблем связана с умением научно предсказать, как отразится на природе та или иная деятельность человека. Недаром В. И. Вернадский писал: "Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой".

В наше время родилось новое направление в науке и практике - космическая геология. В исследованиях Вселенной все более применяются геологические методы - составляются геологические карты Луны, ведутся геофизические и аэрогеологические наблюдения из космоса и т. п. С развитием космических исследований значение геологических наук в познании Вселенной будет возрастать. Без геологических знаний невозможно осмыслить информацию о планетах, которую дают космические исследования. Изучение космического пространства и планет поможет лучше понять геологические процессы, проходящие на Земле. Ведь вещество Земли и Вселенной - часть единой космической материи.

Академик А. В. Сидоренко отмечает: "Глобальные процессы развития Земли, такие, как возникновение оболочек земной коры, тектонические движения, эволюция вещества Земли, могут быть поняты только при тесном сотрудничестве геологических и астрономических наук, при их взаимном обогащении сведениями, которые добывает космонавтика.

Мне кажется, что мы, геологи, в своих геологических концепциях слишком мало рассматриваем Землю как часть Вселенной. Выводы космохимии - науки, которая нацелена на изучение состава других небесных тел, - еще недостаточно используются для понимания геологических процессов на Земле. Понимание экзогенных процессов (тех, что происходят в поверхностных частях земной коры) мы связываем с солнечной энергией и процессами, происходящими в Солнечной системе. Теперь, вероятно, нам предстоит установить связи эндогенных явлений (вызывающих вулканические извержения, землетрясения, горообразования) с процессами, протекающими во Вселенной в целом.

Еще меньше мы, геологи, осознали и связь вещества Земли с веществом Вселенной, и роль пылевидного метеоритного вещества в формировании земной, коры и даже месторождений полезных ископаемых. Говоря о происхождении вещества Земли, мы чаще всего думаем только о нашей планете и не учитываем всю материю Вселенной в целом. Как в свое время, когда от птоломеевских представлений о Земле был совершен переход к стройному учению Коперника о Вселенной, так и теперь мы должны понять, что геологические процессы нельзя ограничивать только рамками нашей планеты. Процессы, протекающие в Земле, необходимо рассматривать как часть процессов Вселенной".

В последнее время появились работы о влиянии метеоритного вещества на металлогению Земли. Высказаны предположения, что глобальные накопления железа, марганца, меди и других металлов в отдельные периоды геологической истории Земли, возможно, связаны с массовым поступлением вещества космического происхождения в тот период, когда она пересекала метеоритный поток. Ряд ученых придерживается той точки зрения, что, вращаясь вокруг центра Галактики вместе с Солнцем и другими планетами, Земля неоднократно пересекала железистые туманности Млечного Пути и проходила сквозь них. Колоссальные массы пылевидного метеоритного железа в докембрийское время могли осесть на Землю. Другие, более поздние периоды геологического развития Земли, возможно, были благоприятны для выпадения марганца. Этим некоторые ученые объясняют огромные накопления марганцевых конкреций на дне океанов.

На проходившем в 1972 г. в Киеве симпозиуме "Космическое вещество в земной коре" приводились очень интересные данные. Исследования показали, что на поверхность Земли выпадает куда больше космического вещества, чем считалось раньше, - свыше миллиона тонн в год. Минимальная масса каждой из оседающих на земную поверхность пылевых частиц может быть около десятимиллионной доли грамма. Более мелкие частицы, подталкиваемые солнечным ветром, проносятся мимо Земли.

За миллиарды лет толщина выпавшего на Землю слоя космического вещества должна составлять минимум несколько километров. И хотя этот слой уже мало заметен, ибо успел смешаться с веществом планеты, совершенно очевидно, что он существенно влияет на состав горных пород и испокон, веков участвует в геологических процессах, происходящих в земной коре.

Очевидно, космогеохимия - наука, которая ныне успешно развивается, - должна быть направлена не только на изучение химического состава других планет и тел Вселенной, но и на познание закономерностей формирования горных пород и месторождений полезных ископаемых нашей планеты.

Опыт применения космических исследований для геологических целей пока невелик. Несомненно, что по мере совершенствования космической техники, аппаратуры и методов исследования, а в дальнейшем с помощью космических систем, созданных специально для геологических целей, космическая геология сделает значительный шаг вперед. Особенно эффективными для геологического изучения Земли будут долговременные обитаемые орбитальные станции. Они смогут поставлять регулярную космогеологическую информацию.

Безусловно, космические исследования в геологических целях должны проводиться комплексно, в тесной увязке с аэрогеологическими и наземными работами. Наступило время планомерного изучения строения земного шара с космических высот.

Космогеология - новая качественная ступень в развитии геологической науки. Космические корабли и автоматические аппараты намного расширяют "кругозор" геологов. Ведь из иллюминатора космического аппарата можно наблюдать и фиксировать на фотопленку не только какой-нибудь материк, но и целое полушарие нашей планеты.

"Немало проблем, - рассказывает директор Института геологии, рудных месторождений, минералогии и геохимии АН СССР, академик Ф. В. Чухров, - стоит перед мировой наукой о движении континентов.. Давно замечено, что конфигурация восточного берега Южноамериканского континента вполне соответствует очертаниям западного берега Африканского материка. Это обстоятельство привело ученых к мысли, что некогда оба континента представляли собой единую сушу. В результате каких-то грандиозных геологических катастроф или других неизвестных причин и образовался столь огромный разрыв. Споры вокруг этой еще недостаточно установленной гипотезы не утихают и ждут более глубоких и вполне надежных научных подтверждений. Приблизить ответ на эту и другие важнейшие проблемы геологической истории нашей планеты и должна всеобъемлющая космогеология".

Планомерные исследования земного шара с космических высот дадут возможность более подробно изучить пути развития земной коры, найти общие закономерности в древлих геологических пластах Азии, Африки, Америки, Австралии.

Расшифровка особенностей геологического строения Земли с помощью космических средств открывает широкие возможности как для глобального, так и для локального исследования и изучения всего спектра излучений земного шара - теплового, радиационного и гравитационного. Каждый из этих видов излучений может оказать существенную помощь в познании нашей планеты.

Одним из важнейших моментов полета корабля "Союз-9" явились геологические съемки о орбиты. При полете над нашей страной космонавты наблюдали и фотографировали различные геологические образования на поверхности Земли. В. И. Севастьянову удалось сделать фотосъемки геолого-географических объектов южного района европейской части СССР, Казахстана и Западной Сибири. Одновременно в этих районах велась фотосъемка с самолетов геологической разведки. Такой способ, по мнению ученых, позволяет уточнить геологические, тектонические, обзорные и другие специальные карты.

Аналогичные съемки выполняли экипажи других кораблей "Союз". Так, с борта одного из них были получены фотографии геологических образований восточного побережья Каспия. Было собрано большое количество ценной информации по геологии земного шара. Фотографии, полученные с бортов космических кораблей и станций, помогли выделить разные геологические структуры земной коры.

Космогеология открывает огромные перспективы и перед тектоникой - одним из разделов геологической науки, изучающим движение земной коры и формы залегания в ней горных пород. - Разломы, т. е. разрывные нарушения, возникают в земной коре в результате серьезных тектонических движений. Изучать их можно, лишь зная о глубинном строении Земли. По снимкам, полученным из космоса, уточняют положение этих разломов. Почему геологов, особенно практиков, так интересуют разломы? Считается, что по некоторым из них в земную кору из земной мантии поднимались минерализованные растворы, которые могли участвовать в формировании месторождений полезных ископаемых.

Космическая съемка позволила уточнить и скорректировать мелкомасштабные тектонические, геологические, геоморфологические и другие карты. Наблюдения из космоса помогут определить степень разрушения гор и возвышенностей, характер накоплений прибрежных осадков. С космической высоты можно зафиксировать появление новых островов, возникновение цепей рифов, изучить миграции айсбергов. Под наблюдение могут быть взяты изменения очертаний ледяных кромок Антарктиды и Арктики в целях изучения всего комплекса ежегодного потепления и похолодания в полярных районах планеты. Организация системы периодической съемки земного шара из космоса даст возможность регулярно осуществлять контроль за изменением облика поверхности Земли. "Наша планета, - говорит Ф. В. Чухров, - нуждается в дальнейшем, более глубоком изучении ее поверхности. По материалам ЮНЕСКО известно, что еще более трети поверхности земного шара не имеет подробных топографических карт. Составление таких карт - очень сложный процесс. В условиях труднодоступных районов это требует больших материальных и технических затрат. На помощь должны прийти искусственные спутники, управляемые космические корабли и орбитальные научные станции".

В Отчетном докладе ЦК КПСС XXV съезду партии в качестве особо важных и актуальных направлений развития науки отмечена проблема разработки дистанционных методов изучения природных ресурсов Земли с использованием космической "съемки и современных методов обработки информации. Техника наших дней не только вывела человека в космос и приблизила к тайнам космических процессов, но и вооружила совершенными средствами наблюдения и познания процессов на Земле и в космосе. Благодаря фотографированию в широком диапазоне оптических, инфракрасных волн и радиоволн мы можем представить себе поверхность нашей планеты и окружающее ее пространство как единый комплекс природных объектов и их закономерностей.

"Получаемая при этом информация, - рассказывает академик А. А. Трофимук, - уже с успехом используется для расширения задач геологии, сельского и лесного хозяйства, контроля за состоянием природы и ее охраны. Трудно перечислить все приложения этой информации. О возможности использования ее для различных народнохозяйственных целей говорит, в частности, хотя бы такой пример. После дешифровки изображения Земли, оказывается, можно определять влажность почвы и некоторые другие характеристики. Совместно с другими данными, получаемыми из космоса, это позволяет прогнозировать урожайность. Рентабельность такого прогноза трудно переоценить. Здесь речь может идти об окупаемости всего комплекса научных работ в течение года".

Человечеству предстоит раскрыть множество законов, явлений и свойств космического мира, узнать тайны образования пород, руд и многие другие процессы, происходящие в недрах нашей планеты. Пока еще люди углубились в Землю всего лишь на 7-9 км. В настоящее время в Азербайджане монтируется буровая установка "Уралмаш-15000" для проходки самой глубокой в мире пятнадцатикилометровой скважины.

Советские ученые проводят уникальный эксперимент по исследованию астеносферы - еще неизученного состояния вещества верхней мантии Земли, обнаруженного под Каспийским морем на глубине более 100 км. Миллиарды лет стерли следы соединения двух континентов - Европы и Азии, известная нам граница довольно условна. Удалось установить участок реальной границы континентов. Это участок гигантской мегавпадины, которая начинается в песках Туркмении, проходит через Каспийское море и кончается у подножия Кавказских гор.

Сотрудники Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР, МГУ, Института физики Земли и атмосферы АН Туркменской ССР организовали научный эксперимент на полигоне, охватывающем акваторию Каспийского моря от Красноводска до Баку. Они разработали новый метод глубинного электромагнитного зондирования, использующий - естественные колебания магнитного поля Земли. Источником таких колебаний служат электромагнитные бури, возникающие в верхних слоях атмосферы нашей планеты и индуцирующие мощные токи в земных глубинах. Верхние слои атмосферы можно условно считать "первичной", а Землю "вторичной" обмотками гигантского природного трансформатора. Снимая своего рода электрокардиограммы данного района Каспия, ученые надеются установить природу загадочного вещества верхней мантии Земли - астеносферы. Их работа значительно расширит наши представления о строении глубин планеты.

XXV съезд КПСС поставил перед геологической наукой как одну из важнейших задачу - расширить изучение земной коры и верхней мантии Земли в целях исследования процессов формирования и закономерностей размещения месторождений полезных ископаемых. Мы должны познать ядро нашей планеты, лежащее под земной мантией на глубине 2900 км. Оно обладает свойствами вязкой жидкости, плотность его в 2-3 раза превышает плотность земной мантии. Заведующий кафедрой геофизики Будапештского университета, академик Дьердь Барта предложил новую модель Земли, которая во многом противоречит существующим. Проанализировав орбиты искусственных спутников Земли, Барта пришел к выводу, что ядро Земли расположено не в центре планеты, а смещено от него на 450 км в сторону Австралии. Более того, ядро это, как считает ученый, движется, изменяя при этом форму Земли.

С помощью новых открытий и изобретений в геологической науке мы сможем проникнуть глубоко в подземные кладовые нашей планеты и понять происходящие там геофизические и геохимические процессы.