Учебное пособие Ростов-на-Дону (075. 8) Ббк 20я73 ктк 100




Сторінка18/36
Дата конвертації18.04.2016
Розмір6.45 Mb.
1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   ...   36

7.3. Геохронологическая и стратиграфическая шкалы

В геологии существует понятии геологического времени или геохронологии, которое охватывает всю историю Земли, от момента зарождения до наших дней. За последние 200 лет было накоплено, проанализировано и упорядочено огромное количество геологических фактов. Результатов работы многих поколений геологов стала стратиграфическая (палеонтологическая или биохронологическая) шкала — геологическое летоисчисление, фиксирующее относительную хронологическую последовательность формирования горных пород, слагающих литосферу Земли. Поскольку до сих пор нет единой международной стратиграфической шкалы, мы ограничимся одним из ее вариантов. Геологи уже давно классифицируют понятие геохронологии, выделяя в ней такие временные градации или геохронологические единицы как эон, эра, эпоха иногда период, отдел, время и хрон. Породы, представляющие интервал геологического времени, называются хроностратиграфическими единицами. Каждый геохронологический термин имеет хроностратиграфический эквивалент. Например, горная порода, образованная во время зона, является представителем эонатема, а во время эры — эратема. Хроностратиграфическими эквивалентами периода, эпохи, времени и хрона являются система, серия, фаза и хронозон соответственно.

258

Самое крупное подразделение геохронологической (и, соотвественно, стратиграфической) шкалы, отвечающее длительному этапу развития Земли — эон (объединяющий несколько меньших по временным масштабам эр (эра-тем)), в течение которого формируется эонотема. Древнейший эон (эонотема) криптозой, этап скрытой жизни, он же докембрий, начало которого относят на 4 млрд лет назад, имеет общую продолжительность около 3,5 млрд лет. До криптозоя выделяют эон галес и его эру катар-хей, начавшиеся с момента образования Земли, продолжительностью в 600 млн лет. Криптозой включает в себя эры. археозой (продолжительностью около 1,5 млрд лет) и протерозой (продолжительностью не менее 2 млрд лет). Последующие три эры (эратемы), палеозой, мезозой и кайнозой, образуют эон (эонотему) фанерозой — этап явной, наблюдаемой жизни длительностью в 570 млн лет.



Особую значимость в эволюции Земли имеют три последние указанные эры. Их длительность такова: палеозой — 340 млн лет, мезозой — 169 млн лет; кайнозой — 66 млн лет. Они подразделяются, в свою очередь, на 12 эпох (в некоторых шкалах, как указывалось выше, их также называют периодами или системами). Начала этих эпох и их продолжительность в млн лет такова: палеозой кембрий (570/80), ордовик — (490/65), силлур — (435/30), девон — (400/55), карбон (он же каменноугольный) — (345/65), пермь — (280/45). Мезозой триас (235/50), юра (юрский) — (185/53), мел — (132/66). Кайнозой палеоген — (66/41), неоген — (25/25), антропоген (он же часто именуется как четвертичный) — (от 0,6 до 3,5 млн лет). Кстати, для запоминания последних 12-ти эпох студенты-геологи придумали нескольких шуточных стихов, восстанавливая названия эпох по первым буквам слов стиха: «Когда одна стипендия, дуй квас пенистый, только юмора мало, пытайся найти аналог».

259


Укажем еще отделы двух последних эпох — неогена и антропогена, поскольку в это геологическое время произошло формирование современной фауны и флоры, а в конце неогена появились древнейшие люди. Неоген состоит из отделов миоцена и плиоцена, антропоген из отделов плейстоцена и голоцена. Время этих отделов в млн лет таково: миоцен — (25-9), плиоцен — (9-1,8 (2)), плейстоцен (1,8-0,01) и голоцен (0,01-0). Антропоген — это век человека, время эволюции рода Homo.

7.4. Географическая оболочка Земли

Верхняя часть, прежде всего поверхность земной коры, включающая гидросферу и атмосферу, образует географическую оболочку — особую глобальную структуру, жизнь и развитие которой определяется как результатами диссипации внутриземной энергии, так и преобразованием потока энергии, получаемой от Солнца (и в малой степени воздействием других планет и дальнего космоса). Географическая оболочка — это та окружающая среда, в которой происходит жизнь человека. Поэтому изучение ее, глубокое понимание всех происходящих в ней процессов — жизненно важная задача.

Географическая оболочка преставляет собой сложнейшую динамическую систему, относительная стабильность которой поддерживается системой обратных связей, обеспечивающих баланс конструктивных и деструктивных процессов. Неоднородности поверхности Земли я внутренней структуры самого верхнего ее слоя, входящего в географическую оболочку, создаются в основном внутренними тектоническими — эндогенными — силами, возникающими за счет диссипации внутренней энергии планеты. Эти неоднородности разрушаются и сглаживаются, в ос-

260


новном, за счет внешних, экзогенных, факторов — действия перепадов температуры, текучей воды, ветра, живых организмов. Экзогенные факторы действуют за счет энергии солнечного излучения. В основном это факторы деструктивные, однако они не только разрушают, но и создают. Результат действия экзогенных сил — разнообразные осадочные горные породы, специфические формы рельефа и, в значительной степени, такой созидающий и разрушающий фактор как жизнь.

Итак, в географическую оболочку входит не вся земная кора, а лишь верхняя ее часть, толщину которой точно определить затруднительно. Можно сказать, что это та часть коры, вещество которой непосредственно участвует в круговороте, непрерывном взаимном обмене с другими компонентами — гидросферой и атмосферой, — обеспечивающем стабильность географической оболочки. Это несколько верхних километров. Прежде всего это горы и горные массивы, имеющиеся на всех континентах.

Поднимающиеся горы сразу начинают разрушаться экзогенными силами, а прогибающиеся впадины — заноситься продуктами этого разрушения, образующими слои осадков. Поэтому высота гор и глубина впадин не превышает нескольких километров. Высота гор, кстати, ограничивается и предельной твердостью слагающих их пород, поскольку на основание гор давит вся над ними возвышающаяся масса, под действием которой твердые породы начинают течь. Расчеты показывают, что предельная высота гор не может быть по этой причине больше 9 км. В то же время толщина слоя осадков, заполняющих внешне неглубокую впадину, может достигать 20 км, а на вершине горы могут оказаться породы, сформировавшиеся на глубине во много километров. Слежавшиеся, сцементированные осадки образуют осадочные горные породы. На

261


большой глубине под действием высоких температур и давлений осадочные породы сильно изменяют свой облик и превращаются в так называемые метаморфические породы. Исходные материалы метаморфических пород до метаморфизма — это сланцы с несколькими минералами, песчаники с кварцем и известняк с кальцитом. Превращаются они, последовательно, на глубинах от 15 до 30 км в аспидный и кристаллический сланец, в гнейсы и филлиты; песчаники — в кварцит, а известняк — в мрамор. Слабо метаморфизованные породы не очень сильно отличаются от осадочных, а сильно метаморфизованные очень похожи на магматические. Магматические породы представляют собой поднявшиеся из глубины и застывшие расплавы. Такие расплавы пронизывают метаморфические и осадочные толщи, они могут останавливаться и застывать, не достигнув дневной поверхности, и образовывать плутонические тела, а могут изливаться на поверхность при вулканизме, в виде лавы. Вертикальные движения земной коры обычно знакопеременны — глубокое погружение сменяется поднятием столь же большой амплитуды.

Таким образом, поверхность Земли слагают три основных типа горных пород: магматические, осадочные и метаморфические. Последние — результат переработки осадков действием высоких температур и давлений.



Атмосфера — воздушная оболочка Земли, имеющая примерно такой состав: азот — 78%, кислород — 21%, благородные газы (в основном аргон) — 1% и сотые доли процента составляет углекислый газ. Состав атмосферы Земли не похож на состав атмосфер других планет солнечной системы, так как на Земле он в основном обусловлен наличием жизни. Вся атмосфера Земли, кроме 1%, лежит в узком приповерхностном слое, ограниченном высотой 30 км. Температура атмосферы сильно меняется

262


с высотой. По этому признаку образуются слои, которые назыаются тропосферой, стратосферой, мезосферой и термосферой. Температура в этих слоях колеблется от -100 до + 100 градусов Цельсия. На высотах выше 200 км температура днем достигает 1500 градусов.

Гидросфера включает воду морей и океанов, рек и озер, ледников полярных и горных, грунтовые воды, лед вечной мерзлоты, водяной пар атмосферы. Таким образом, гидросфера пересекается с литосферой и атмосферой: лед, особенно лед вечной мерзлоты — это, по существу, нормальная горная порода, а водяной пар — один из компонентов атмосферных газов. И все же всю воду выделяют в отдельную оболочку, так как только она способна в пределах географической оболочки одновременно существовать во всех трех фазах — твердой, жидкой и газообразной — и играет в ней такую исключительную роль. Географическая оболочка Земли практически совпадает с биосферой — областью распространения жизни. Жизнь не только располагается в этой зоне Земли, но является ее неотъемлемым компонентом, в значительной степени определяющим весь ее состав и структуру. Состав атмосферы Земли, в основном, сформирован жизнью, и ею же создана значительная часть горных пород (например, известняки). Полностью обязан жизни и такой важный компонент географической оболочки как почва. На огромную геологическую роль живого вещества впервые указал великий русский геохимик и мыслитель Владимир Иванович Вернадский.

Резюме

Проблема происхождения планеты Земля восходит к катастрофической гипотезе французского биолога Ж. Бюффона, затем к небулярным гипотезам французского математика, физика и фило-

263

софа Лапласа и великого немецкого философа Канта. В последующие века были высказаны гипотезы американцами Мультоном и Чемберленом, предложившим понятие планетезимали, англичанином Джинсом, нашим соотечественником Отто Шмидтом и многими другими, но так до сих пор эта проблема и не решена.



Проблема строения Земли решается, в основном, геоэлектрическими, радиофизическими и электромагнитными методами и пока считается достаточно удовлетворительной, хотя данные глубокого бурения на Кольском полуострове поставили под сомнение многие результаты по структуре и строению Земли.

8. Концепции и принципы химического естествознания

8.1. Эволюция звезд, происхождение химических элементов и планетная химическая эволюция

Процесс образования химических элементов во Вселенной неразрывно связан с эволюцией Вселенной. Мы уже познакомились с процессами, происходящими вблизи «Большого взрыва», знаем некоторые детали процессов, происходивших в «первичном бульоне» элементарных частиц. Первые атомы химических элементов, находящиеся в начале таблицы Д. И. Менделеева (водород, дейтерий, гелий), начали образовываться во Вселенной еще до возникновения звезд первого поколения. Именно в звездах, их недрах, разогретых снова (после Big Bang температура Вселенной начала стремительно падать) до миллиардов градусов, и были произведены ядра химических элементов, следующих за гелием. Учитывая значение звезд как источников, генераторов химических элементов, рассмотрим некоторые этапы звездной эволюции. Без понимания механизмов звездообразования и эволюции звезд невозможно представить процесс образования тяжелых элементов, без которых, в конечном счете, не возникла бы жизнь. Без звезд во Вселенной так бы вечно и существовала водородо-гелиевая плазма, в которой организация жизни, очевидно, невозможна (на современном уровне понимания этого явления).

265

Ранее мы отметили три наблюдательных факта или теста современной космологии, простирающихся на сотни парсек, теперь укажем четвертый — распространенность легких химических элементов в космосе. Необходимо подчеркнуть, что образование легких элементов в первые три минуты и распространенность их в современной Вселенной впервые была рассчитана в 1946 г. международной троицей выдающихся ученых: американцем Альфером, немцем Гансом Бете и русским Георгием Гамовым. С тех пор физики, занимающиеся атомной и ядерной физикой, неоднократно расчитывали образование легких элементов в ранней Вселенной и распространенность их сегодня. Можно утверждать, что стандартная модель нуклеосинтеза хорошо подтверждается наблюдениями.

Эволюция звезд. Механизм образования и эволюции основных объектов Вселенной — звезд, изучен наиболее xoponio. Здесь ученым помогла возможность наблюдать огромное количество звезд на самых разных стадиях развития — от рождения до смерти, — в том числе множество так называемых «звездных ассоциаций» — групп звезд, родившихся почти одновременно. Помогла и сравнительная «простота» строения звезды, которое довольно успешно поддается теоретическому описанию и компьютерному моделированию.

Звезды образуются из газовых облаков, которые, при определенных обстоятельствах, распадаются на отдельные «сгустки», которые дальше сжимаются под действием собственного тяготения. Сжатию газа под действием собственг ного тяготения препятствует повышающееся давление. При адиабатическом сжатии должна повышаться и температура — в виде тепла выделяется гравитационная энергия связи. Пока облако разреженное, все тепло легко уходит с излучением, но в плотном ядре сгущения вынос тепла зат-

266

руднен, и оно быстро разогревается. Соответствующее повышение давления тормозит сжатие ядра, и оно продолжает происходить только за счет продолжающего падать на рождающуюся звезду газа. С ростом массы растет давление и температура в центре, пока наконец последняя не достигает величины 10 миллионов Кельвинов. В этот момент в центре звезды начинаются ядерные реакции, превращающие водород в гелий, которые поддерживают стационарное состояние вновь образовавшейся звезды миллионы, миллиарды или десятки миллиардов лет, в зависимости от массы звезды.



Звезда превращается в огромный термоядерный реактор, в котором устойчиво и стабильно протекает, в общем, та же реакция, которую человек пока научился осуществлять только в неуправляемом варианте — в водородной бомбе. Выделяемое при реакции тепло стабилизирует звезду, поддерживая внутреннее давление и препятствуя ее дальнейшему сжатию. Небольшое случайное усиление реакции слегка «раздувает» звезду, и сответствующее уменьшение плотности приводит снова к ослаблению реакции и стабилизации процесса. Звезда «горит» с почти неизменной яркостью.

Температура и мощность излучения звезды зависит от ее массы, причем зависит нелинейно. Грубо говоря, при увеличении массы звезды в 10 раз мощность ее излучения увеличивается в 100 раз. Поэтому более массивные, более горячие звезды расходуют свои запасы топлива гораздо быстрее, чем менее массивные, и живут относительно недолго. Нижний предел массы звезды, при котором еще возможно достижение в центре температур, достаточных для начала термоядерных реакций, составляет примерно 0,06 солнечной. Верхний предел — около 70 солнечных масс. Соответственно, самые слабые звезды светят в не-

267

сколько сот раз слабее Солнца и могут так светить сотню миллиардов лет, гораздо больше времени существования нашей Вселенной. Массивные горячие звезды могут светить в миллион раз сильнее Солнца и живут лишь несколько миллионов лет. Время стабильного существования Солнца примерно 10 миллиардов лет, и из этого срока оно прожило пока половину.

Стабильность звезды нарушается, когда выгорает значительная часть водорода в ее недрах. Образуется лишенное водорода гелиевое ядро, а горение водорода продолжается в тонком слое на его поверхности. При этом ядро сжимается, в центре его давление и температура повышается, в то же время верхние слои звезды, расположенные выше слоя горения водорода, наоборот, расширяются. Диаметр звезды растет, а средняя плотность падает. Благодаря росту площади излучающей поверхности, медленно растет также ее полная светимость, хотя температура поверхности звезды падает. Звезда превращается в красного гиганта. В какой-то момент времени температура и давление внутри гелиевого ядра оказываются достаточными для начала следующих реакций синтеза более тяжелых элементов — углерода и кислорода из гелия, а на следующем этапе и еще более тяжелых. В недрах звезды могут образоваться из водорода и гелия многие элементы Периодической системы, но только вплоть до элементов группы железа, обладающего наибольшей энергией связи, приходящейся на одну частицу. Более тяжелые элементы образуются в других более редких процессах, а именно при взрывах сверхновых звезд и частично новых, и поэтому в природе их мало.

Отметим интересное, парадоксальное, на первый взгляд, обстоятельство. Пока вблизи центра звезды идет горение водорода, температура там не может подняться до порога гелиевой реакции. Для этого необходимо, чтобы

268


горение прекратилось, и ядро звезды начало остывать! Остывающее ядро звезды сжимается, при этом повышается напряженность поля тяготения и выделяется гравитационная энергия, которая нагревает вещество. При повышенной напряженности поля необходима более высокая температура, чтобы давление могло противостоять сжатию, и гравитационной энергии оказывается достаточно, чтобы обеспечить эту температуру. Аналогичный парадокс мы имеем при снижении космического аппарата: чтобы перевести его на более низкую орбиту, его надо притормозить, но при этом он оказывается ближе к Земле, где сила тяжести больше, и скорость его возрастет. Остывание увеличивает температуру, а торможение увеличивает скорость! Такими кажущимися парадоксами полна природа, и далеко не всегда можно доверяться «здравому смыслу».

После начала горения гелия расходование энергии идет очень быстрыми темпами, так как энергетический выход всех реакций с тяжелыми элементами намного ниже, чем при реакции горения водорода и, кроме того, общая светимость звезды на этих этапах значительно возрастает. Если водород горит миллиарды лет, то гелий миллионы, а все остальные элементы — не более тысяч лет. Когда в недрах звезды все ядерные реакции затухают, ничто уже не может препятствовать ее гравитационному сжатию, и оно происходит катастрофически быстро (как говорят, коллапсирует). Верхние слои падают к центру с ускорением свободного падения (величина его на многие порядки превосходит земное ускорение падения из-за несопоставимой разности масс), выделяя огромную гравитационную энергию. Вещество сжимается. Часть его, переходя в овое состояние высокой плотности, образует звезду-остаток, а часть (обычно большая) выбрасывается в пространство в виде отраженной ударной волны с огромной

269

скоростью. Происходит взрыв сверхновой звезды. (Помимо гравитационной энергии в кинетическую энергию ударной волны вносит свой вклад и термоядерное догорание части оставшегося во внешних слоях звезды водорода, когда падающий газ сжимается вблизи звездного ядра -происходит взрыв грандиозной «водородной бомбы»).

На какой стадии эволюции звезды остановится сжатие и что будет представлять собой остаток сверхновой, все эти варианты зависят от ее массы. Если эта масса менее 1,4 солнечной, это будет белый карлик, звезда с плотностью 109 кг/м3, медленно остывающая без внутренних источников энергии. От дальнейшего сжатия ее удерживает давление вырожденного электронного газа. При большей массе (примерно до 2,5 солнечной) образуется нейтронная звезда (их сущствование предсказано великим советским физиком, нобелевским лауреатом Львом Ландау) с плотностью примерно равной плотности атомного ядра. Нейтронные звезды были открыты как так называемые пульсары. При еще большей исходной массе звезды образуется черная дыра — безудержно сжимающийся объект, который не может покинуть ни один объект, даже свет. Именно при взрывах сверхновых происходит образование элементов тяжелее железа, для которых нужны чрезвычайно плотные потоки частиц высокой энергии, чтобы были достаточно вероятны многочастичные столкновения. Все материальное в этом мире является потомками сверхновых, в том числе и люди, поскольку атомы, из которых мы состоим, возникли когда-то при взрывах сверхновых.

Таким образом, звезды являются не только мощным источником энергии высокого качества, рассеяние которой способствует возникновению сложнейщих структур, включающих и жизнь, но и реакторами, в которых производится вся таблица Менделеева — небходимый мате-

270


риал для этих структур. Взрыв заканчивающей свою жизнь звезды выбрасывает в пространство огромное количество разнообразных элементов тяжелее водорода и гелия, которые смешиваются с галактическим газом. За время жизни Вселенной закончили свою жизнь очень многие звезды. Все звезды типа Солнца и более массивные, возникшие из первичного газа, уже прошли свой жизненный путь. Так что сейчас Солнце и ему подобные звезды — это звезды второго поколения (а может быть, и третьего), существенно обогащенные тяжелыми элементами. Без такого обогащения вряд ли около них могли бы возникнуть планеты земного типа и жизнь.

Приведем информацию о распространенности некоторых химических элементов во Вселенной:






Относительное




Относительное

Атомы

содержание числа

Атомы

содержание числа




атомов




атомов

Водород

10000 000

Натрий

17

Гелий

1400000

Магний

290

Литий

0,003

Алюминий

19

Углерод

3000

Фосфор

3

Азот

910

Калий

0,8

Кислород

6800

Аргон

42

Неон

2800

Кальций

17







Железо

80

Как видим из этой таблицы, преимущественными химическими элементами и в настоящее время являются водород и гелий (почти 75% и 25% каждый). Относительно малого содержания тяжелых элементов, впрочем, оказалось достаточным для образования жизни (по крайней мере, на одном из островков Вселенной вблизи «рядовой» звезды, Солнца — желтого карлика). Помимо уже указанного нами ранее, надо помнить, что в открытом космичес-
1   ...   14   15   16   17   18   19   20   21   ...   36


База даних захищена авторським правом ©mediku.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка