Гипотеза Канта и Лапласа долго признавалась правильно объясняющей образование Земли, но в XIX веке вследствие быстрого развития астрономии, геофизики и геологии выяснился ряд ошибок этой гипотезы и появились другие объяснения. Например, ученый Чемберлен считал, что образовавшаяся так, как предполагали Кант и Лаплас, маленькая Земля увеличивалась мало-помалу выпадением на нее метеоритов — таких же сгущений вещества туманностей — из космического пространства. Астроном Джинс считал, что Солнечная система произошла в результате очень близкого прохождения около Солнца другой звезды, притяжение которой вызвало резкое нарушение равновесия во внутренних слоях Солнца и выброс из него огромной струи вещества, из которой затем, разделением струи и последующей конденсацией, образовались все планеты Солнечной системы. Эта гипотеза признавалась очень удачной в течение ряда лет, но потом была опровергнута, так как прохождение одной звезды мимо другой на таком близком расстоянии, что она может вызывать предполагаемые выбросы материала, представляет чрезвычайно редкое явление и неправдоподобно для объяснения образования планет, вращающихся вокруг Солнца. В гипотезе этой был обнаружен, главным образом трудами советских ученых, ряд серьезных ошибок.
Свыше десяти лет назад академик О. Ю. Шмидт выдвинул новую гипотезу образования нашей Земли и других планет, вращающихся вокруг Солнца. Он предполагает, что Солнце, проходя по Галактике через облако пыли и газов, образующих межзвездную материю, захватило своим притяжением часть их и вышло окруженное большим облаком этой пыли и газов. Это облако вращалось вокруг Солнца по закону всемирного тяготения; частицы, слагавшие облако, двигались в нем в разных направлениях, сталкивались друг с другом, иногда дробились, но чаще объединялись, более мелкие присоединялись к более крупным, и так мало-помалу в облаке образовались планеты. Но ближайшая к Солнцу часть облака прогревалась его лучами сильнее, и поэтому близкие к нему планеты Меркурий, Венера, Земля и Марс невелики по размерам и состоят из плотной материи, каменной и металлической, с небольшими остатками газообразной, а более далекие планеты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун огромных размеров и состоят из газообразных и летучих веществ. Не успевшие присоединиться к твердым внутренним планетам тела образуют кометы и астероиды.
Первоначально О. Ю. Шмидт предполагал, что в образовании планет большую роль играли метеориты, входившие в состав первичного облака, но в дальнейшем отказался от этого предположения и считает исходным материалом для создания планет газово-пылевую массу.
Гипотеза О. Ю. Шмидта удачно объясняет многое в образовании планет, но не лишена серьезных недостатков, как было указано на первом совещании по вопросам космогонии1.
В гипотезе О. Ю. Шмидта рассматривается образование планет Солнечной системы, а не Солнца; притом хорошо объяснено возникновение планет земного типа, в то время как большие планеты по своим физическим свойствам не укладываются в его гипотезу. О. Ю. Шмидт не изучил эволюцию Солнца, проблему происхождения и эволюции звезд, не использовал богатый материал современной астрофизики. Все это показывает, что гипотеза Шмидта не может еще объяснить образования всех небесных тел и в современной форме является недостаточно разработанной.
Большинство советских ученых, занимающихся вопросами астрономии и геофизики, считают, что Земля и другие планеты Солнечной системы образовались не из вещества, принесенного извне, а из газового или газово-пылевого вещества, находящегося в пределах этой системы.
Согласно гипотезе Шмидта и некоторым другим гипотезам предполагается, что Земля и другие планеты этого типа, образовавшиеся из газово-пылевого вещества, были первоначально холодными. В дальнейшем путем гравитационной дифференциации вещества произошли разделение его по удельному весу и расслоение земного шара, в результате подъема более легких частиц к внешним оболочкам Земли, на геосферы различной плотности.
Средняя плотность земного шара равна 5,5, а средняя плотность самой внешней части земной коры, которую мы можем изучить на поверхности, в шахтах и буровых скважинах, не превышает 2,5—3,0. Плотность ядра Земли очень велика — от 8 до 11. Одни ученые предполагают, что ядро земли состоит из никеля и железа, а другие объясняют физическое состояние ядра тем, что вещество ядра вследствие колоссального давления находится в особом «металлизированном» состоянии и что строение атома этого вещества иное, чем в земной коре, а именно — что в каждом атоме смещены внешние электроны.
Согласно гипотезе Канта — Лапласа расплавленный шар Земли постепенно остывал с поверхности и покрывался коркой, которая вначале была очень тонка и часто разрывалась под напором газов и раскаленных масс. В дальнейшем кора эта становилась все толще и крепче, но под ней на глубине от 50 до 100 километров все же сохранялась зона (геосфера) расплавленной магмы.
Открытие глубокофокусных землетрясений с очагами, залегающими на глубине более 600 километров, привело некоторых геологов к убеждению, что внешняя оболочка Земли на очень большую глубину — не менее 800 километров — состоит из-твердого вещества. Это строение земной коры лучше согласуется с предположением о возникновении «холодной» земли из космической пыли, чем с гипотезой об огненно-жидкой Земле.
По гипотезе Шмидта, первоначально «холодная» Земля заключала в своем составе радиоактивные элементы, которые, распадаясь, служили источником энергии, и Земля постепенно расплавлялась, причем твердой осталась только внешняя оболочка земли — земная кора. Но, с другой стороны, как указывает А. П. Виноградов, признавая, что метеориты представляют обломки планет (это теперь считается твердо установленным), мы должны признать также, что эти планеты прошли стадию полного расплавления. Таким образом и Земля, внутренние геосферы которой, по современным предположениям, имеют строение, аналогичное строению метеоритов разных типов, должна была вся в целом пройти стадии расплавленного тела, в котором протекали процессы жидкой дифференциации, ликвации и расслоения. По мнению А. П. Виноградова, Земля начала остывать изнутри и долгое время сохраняла расплавленную оболочку.
Если мы подведем итоги обсуждению гипотезы Шмидта на 1-й космогонической конференции, то увидим, что как вопрос о возникновении Земли и планет, так и вопрос о том, достаточно ли одной энергии распада радиоактивных элементов для разогревания и расплавления земного шара, и вопросы о том, как в дальнейшем происходила дифференциация веществ-Земли и как проходил процесс остывания Земли, пока еще не достаточно разработаны и об этом у астрономов, геофизиков и геологов нет единого мнения.
Ф. Энгельс в своем труде «Диалектика природы» указал, что на нашей Земле, как и на всех космических телах, происходит постоянная борьба сил притяжения и сил отталкивания, а после образования твердой земной коры силы притяжения получили уже перевес. «На нынешней земле, наоборот, притяжение благодаря своему решительному перевесу над отталкиванием стало уже совершенно пассивным: всем активным движением мы обязаны притоку отталкивания, идущему от солнца»2. Это дополнение к гипотезам об образовании Земли имело большое значение, так как без чередования деятельности сил притяжения и отталкивания нельзя объяснить строение земной коры, где мы наблюдаем во многих местах как результат сильного притяжения в виде сокращения земной коры, образующей складки, так и результаты отталкивания, сменившего эпоху притяжения. Растяжение это приводит к образованию разрывов, сбросов с перемещением целых толщ вниз или вверх, зияющих трещин, к оседанию мелких и крупных участков земной коры в виде так называемых грабенов. Эту поправку Ф. Энгельса необходимо принять, так как строение земной коры без нее понять и объяснить невозможно. Ее и выдвинули некоторые геологи, создав пульсационную гипотезу, согласно которой после образования твердой земной коры развитие последней представляло чередование эпох или периодов деятельности сил притяжения, вызывавших сжатие слоев коры, и сил отталкивания, вызывавших растяжение ее, разрывы, сбросы, грабены (подробнее об этом см. гл. VIII).
Приняв предположение о том, что Земля или первоначально представляла расплавленный шар или, образовавшись в виде холодного тела, затем путем внутреннего расплавления превратилась в расплавленный шар, мы можем нарисовать себе следующую картину дальнейшего преобразования земной коры.
Расплавленный шар Земли постепенно остывал с поверхности, и жидкость должна была переходить в твердое состояние, покрываться коркой, состоявшей из соединений более легких элементов. Эта корка сначала была очень тонкая и беспрерывно разрывалась то тут, то там под напором газов и паров, выделявшихся из расплавленной массы. Но постепенно она крепла, нарастая снизу, вследствие затвердевания более глубоких слоев, и сверху, вследствие застывания разлившейся по поверхности лавы при прорывах корки.
Разрывы случались уже реже и только в отдельных более слабых местах, но зато становились более катастрофичными, за ними следовали извержения и излияния, несравнимые по силе с современными. Под напором газов и паров корка поднималась пузырями, разрывалась со страшным взрывом, разбрасывая громадные обломки, и давала выход лаве; возможно, что последняя иногда изливалась и более спокойно из трещин в корке.
Так как эти процессы происходили неравномерно по всей поверхности, то корка должна была постепенно стать неровной, покрыться выступами разной величины в виде полей излившейся лавы, разделенных впадинами. Так были уже намечены первичные материки и океаны, хотя воды на Земле еще не было; температура корки в те времена была еще выше точки кипения воды, и вся вода находилась тогда в виде пара в плотной атмосфере.
Охлаждение продолжалось, пар в атмосфере сгущался и выпадал на Землю в виде страшных ливней, которые на горячей корке быстро обращались опять в пар. Воздух был насыщен электричеством, и трудно себе представить, какие ужасающие громы грохотали над землей, какие молнии рассекали густой воздух; не было покоя ни днем ни ночью, а так как густые тучи окружали Землю сплошным покровом, то солнечные лучи совсем не проникали на поверхность Земли, которая рождалась в грозах и бурях.
Но вот поливаемая и охлаждаемая ливнями корка настолько охладилась с поверхности, что выпадавшая вода испарялась не сразу и стала заполнять впадины. Сначала в этих первичных морях вода еще кипела и над ними висели завесы пара; позже кипение прекратилось, но долго еще моря оставались горячими. Нужно думать, что вода в них была уже соленая, так как среди газов, выделявшихся из магмы, были и составные части разных солей. Корка была еще недостаточно прочная, разрывалась то тут, то там, и лава, изливаясь густыми потоками по материкам, часто достигала берегов морей, огромные взрывы и облака пара сопровождали соприкосновение лавы и воды. Вероятно, вулканов, подобных современным, еще не было; корка была еще тонкой и легко разрывалась, газы, пары и лава вырывались более свободно (рис. 227).
Долго, очень долго тянулось это первобытное состояние Земли, вероятно, гораздо дольше, чем все последующие периоды в совокупности. Жить на Земле тогда было еще невозможно. Материки представляли собой поля застывшей лавы с очень неровной поверхностью; из трещин в разных местах со свистом вырывались пары и выделялись газы, в том числе удушливые или ядовитые; в морях вода была еще горяча, они дымились, как котлы. Густой воздух, насыщенный парами, затруднял дыхание; мрачные тучи покрывали небо, скрывая Солнце; молнии часто сверкали, освещая вспышками темные дни и черные ночи; то тут, то там разражались страшные ливни, и потоки воды сбегали с материков, начиная свою работу по размыву, переносу и отложению песка и ила, из которых создавались первые осадочные горные породы. Неуютно было на Земле, тем более что дышать было трудно, а питаться нечем.
Но мало-помалу условия улучшались, чаще проглядывало Солнце, реже разражались грозы, остывали водные бассейны, и в них появилась первая жизнь.
Это зарождение жизни составляет вторую, не разрешенную еще наукой загадку (первая загадка — образование Земли), и все, что говорится об этом, представляет только гипотезы. Этим пользуются все религиозные учения, выдвигая в той или другой форме всемогущего творца как создателя Земли и жизни. Но это не ответ, а отвод, так как вечное существование такого творца, которое предполагают религии, а также его всемогущество — еще большие загадки, чем зарождение жизни во Вселенной.
Наиболее вероятно, что жизнь зародилась сама в теплом первобытном океане, богатом разными солями; может быть, разряды электричества, в виде молний ионизировали воду, создали импульс для образования первых стяжений протоплазмы, комочков студенистого белкового вещества, представлявших первые организмы; из них путем бесконечно долгой и сложной эволюции развилось все живое — растения и животные.
Имеем ли мы какие-либо данные, чтобы судить о древних формах жизни на Земле? Да, имеем.
Окаменелости
Мы хорошо знаем, что в воде рек и озер существуют разные животные — рыбы, раки, лягушки, ракушки, пиявки и т. п. — и растут водоросли, кувшинки, камыши. В морях животный мир еще богаче; кроме рыб и раковин разнообразных видов, там попадаются морские ежи, звезды, лилии, кораллы, черви, губки и разные водоросли. Трупы этих животных, стебли и листья растений часто падают на дно водоема и постепенно погребаются в том слое песка, ила или глины, который в это время осаждается из воды. Мягкие части тела животных — мясо, внутренности и пр.— истлевают или съедаются другими животными, прежде чем труп совсем покроется осадком, а твердые части — кости, зубы и чешуя рыб, панцыри раков, ежей и звезд, раковины ракушек и пр. — остаются. В слоях песка, глины, мела они сохраняются целые тысячелетия и постепенно каменеют, а остатки растении превращаются в уголь. Со временем, когда река переменит свое русло, озеро высохнет или море отступит, эти остатки, обнажившись, смогут оказаться на сухом месте и даже в обрывах гор.
Эти окаменевшие или обуглившиеся остатки животных и растений называют окаменелостями (рис. 228—231). Они встречаются нередко в слоистых породах и имеют большое значение для науки, потому что только по таким окаменелостям мы можем узнать, какие животные и растения жили на нашей Земле в давно минувшие времена. Сравнивая окаменелости из разных пластов друг с другом, мы можем узнать, как изменялся животный и растительный мир на Земле. Изучение окаменелостей показало, что существа, населявшие Землю в давно минувшие, времена, сильно отличались от тех, которых мы видим теперь, и чем больше веков прошло с тех пор, как они жили, тем больше и разница между ними и ныне живущими. Поэтому по окаменелостям мы можем судить о том, какие пласты горных пород образовались раньше и какие позже, можем разделить осадочные породы по их древности. По окаменелостям и горным породам, составляющим земную кору, мы можем поэтому выяснить себе всю историю нашей Земли с древнейших времен, когда человека еще не было, а следовательно, не было никаких преданий и летописей, по которым ученые составляют представление о минувшей жизни и ее событиях.
В окаменелом виде мы находим остатки не только животных и растений, существовавших в воде. В воду часто попадают трупы животных и части растений, живущих на суше. Ветер сносит ветви и листья деревьев и кустов, растущих на берегах, в воду рек и озер, на дне которых они погребаются вместе с водорослями. В воду попадают и целые стволы деревьев, подмываемых течением или прибоем. Ливни смывают и уносят в реки, озера и моря листья и ветви, насекомых и сухопутных моллюсков, мелких птиц и зверей, даже живущих далеко от воды. Крупные животные иногда тонут, переплывая через реки или при наводнениях, вязнут в болотах, и кости их погребаются вместе с остатками рыб и ракушек.
При вулканических извержениях остатки растений и мелкие животные попадают в слои туфов, образующихся на суше и в водоемах. Поэтому в пластах слоистых пород мы можем найти в виде окаменелостей также остатки наземных растений и различных сухопутных животных.
Большие количества остатков растений — стволов, стеблей, листьев, мхов, скопляющиеся на дне озера или в болоте, превращаются постепенно в целые слои торфа, бурого и каменного угля. Кости животных иногда скопляются целыми слоями так называемых костяных брекчий.
Преобразования лика Земли
С тех пор как поверхность Земли в зависимости от неравномерности затвердевания коры и прорывов магмы покрылась возвышенными областями, составившими материки, и понижениями, в которых скопились воды, создавшие моря, геологические деятели, уже знакомые нам, начали свою работу над преобразованием этой поверхности, которую знаменитый геолог Зюсс назвал «ликом Земли».
Работа этих геологических деятелей не прерывается ни на минуту, но подвергается очень значительным колебаниям, усиливаясь в одних частях лика Земли и ослабевая в других.
Не все деятели работают непрерывно, и интенсивность работы каждого из них также колеблется вплоть до временного замирания. Так, например, в странах с умеренным и холодным климатом в зимнее время прекращается химическое и органическое выветривание и усиливается физическое. В тихие дни замирает работа ветра; но когда в одной стране тихо, в другой может свирепствовать ураган. Одни вулканы действуют непрерывно, но вяло, другие временно замирают, а потом проявляют энергичную или даже катастрофическую деятельность. Земная кора содрогается постоянно, но сильные сотрясения не так часты. Медленно, но неустанно создаются дислокации, но резкие нарушения происходят по временам, судя по сильным землетрясениям. День и ночь работает текучая вода, но в весеннее половодье и после сильных дождей работа ее усиливается, а зимой ослабевает. В горных странах работа ее энергична, на равнинах еле заметна, в пустынях проявляется очень редко, но с удвоенной силой. Работа прибоя связана с непостоянством ветров.
Наиболее равномерно работают ледники вообще, но в разных местах своего ложа они действуют с различной энергией, а на продолжительных отрезках времени их работа также подвергается значительным колебаниям.
Эта неравномерность в работе геологических деятелей, более или менее резкие колебания в интенсивности этой работы позволяют геологам говорить о стадиях, фазах и циклах развития тех или других геологических процессов на Земле, подразумевая под циклами более продолжительные, а под фазами и стадиями более короткие промежутки времени. Эти промежутки не только для различных процессов, но и для одного и того же процесса, но в разных частях лика Земли и в разные отрезки истории могут быть очень различными по продолжительности. Так, энергичную деятельность какого-либо вулкана можно назвать циклом или периодом, в котором различимы фазы или, лучше, стадии пробуждения, выброса рыхлых продуктов, излияния лавы и замирания. Этот цикл у одного вулкана длится несколько дней, у другого — целые годы или десятилетия; один и тот же вулкан в разные эпохи может сильно менять продолжительность как цикла, так и отдельных фаз.
Наибольший интерес в истории Земли представляют циклы дислокаций, эрозии и оледенений. О последних мы уже говорили в гл. VI. Рассмотрим теперь первые.
Тектонические циклы
Хотя дислокации — движения в земной коре, изменяющие ее строение и взаимные отношения пластов горных пород,— происходят, как теперь думают, непрерывно, но в различной интенсивности этих движений едва ли можно сомневаться. История Земли подтверждает, что за известными промежутками времени, характеризуемыми горообразованием, следуют промежутки, в течение которых созданные ранее горные цепи подвергаются усиленному размыву, который, конечно, происходил и во время горообразования, но позже сделался господствующим. Поэтому мы имеем право говорить о циклах дислокаций, сменяемых циклами эрозии или денудации, подразумевая под понятием денудации совокупность процессов выветривания и размыва (денудация значит обнажение).
Чтобы понять приводимые ниже термины, определяющие время циклов, взгляните на таблицу геологической хронологии, которую мы помещаем далее (см. стр. 276). В истории Земли различают следующие циклы дислокаций (тектонические) : несколько древнейших, происходивших в архейскую и протерозойскую эры; затем каледонский, характеризующий первую половину палеозойской эры; варисский (или герцинский) — вторую половину этой эры; альпийский — мезозойскую и кайнозойскую эры. Последний теперь считают более правильным разделить на тихоокеанский, охватывающий мезозойскую эру, и собственно альпийский, обнимающий кайнозойскую эру. Каждый из этих циклов делится еще на несколько фаз, отделенных друг от друга более или менее длинными промежутками замирания или, во всяком случае, ослабления горообразовательных движений.
Циклы эрозии
Представление о них было разработано американским ученым Дэвисом и оказалось весьма способствующим пониманию развития форм земной поверхности. Каждый цикл делится на стадии3. После образования горной складки б виде длинного или короткого вспучивания земной поверхности текучая вода начинает врезать ложбины в крылья складок, превращающиеся в овраги, а затем в долины; но расчлененность местности еще слабая, склоны долин пологие. Многочисленные потоки воды еще не соединяются в сложные системы, а часто кончаются в озерках; главные реки следуют по естественным уклонам местности. Это — стадия детства.
Эрозия постепенно усиливается, долины врезаются все глубже и глубже, склоны становятся крутыми, образуются острые гребни, и на них выделяются вершины и седловины. Отдельные потоки соединяются в целые системы, часть озер исчезает. Расчлененность рельефа сильная и разнообразная. Размыв преобладает везде. Это — стадия юности.
Развитие продолжается дальше. Долины расширяются вследствие боковой эрозии; реки образуют извилины, острова, делятся на рукава. Склоны под воздействием денудации становятся менее крутыми, гребни и вершины округляются, водоразделы понижаются. Потоки соединяются в сложные системы. Расчлененность рельефа сильная, но формы его уже смягченные. Размыв ослабевает. Это — стадия зрелости.
Понижение водоразделов, округление гребней и вершин все усиливается, склоны становятся очень пологими, реки в широких долинах сильно извиваются, образуются многочисленные старицы и заболоченность. Перенос реками материала сильно замедляется, преобладает отложение. Рельеф становится плоским. Это — стадия старости.
Наконец, понижение водоразделов, пологость склонов, исчезновение всех неровностей рельефа достигают максимума. Работа воды совершенно ослабевает, реки еле текут, сильно извиваясь, многие долины осушаются. Страна настолько выглажена, что приближается к равнине, и рельеф так и называют почти-равниной. Это — стадия дряхлости.
Нужно заметить, что чем дальше подвигается цикл эрозии, тем длительнее становятся отдельные стадии. В стадиях юности и зрелости это обусловлено размерами углубления и расчленения, которые должна выполнить эрозия, а в стадиях старости и дряхлости — ослаблением размыва вследствие достигнутых ничтожных уклонов в руслах и пологости склонов.
В качестве примеров местностей, находящихся в различных стадиях цикла эрозии, назовем следующие: Северный Казахстан и Финляндия дают хорошие примеры стадий старости и дряхлости, восточный склон Урала — стадии старости, водораздел и западный склон Урала, а также многие горы Сибири — стадии зрелости. Кавказ — стадии юности.
Омоложение цикла эрозии
Цикл эрозии может спокойно проходить все свои стадии только при условии полного покоя земной коры в данной местности, так как медленные движения в виде усиления складок, а тем более резкие изменения рельефа в виде сбросов, взбросов, флексур неминуемо должны более или менее сильно нарушать его. И история Земли дает немало примеров подобных нарушений. Представим себе почти-равнину или местность в стадии старости, которая будет быстро поднята в виде плоскогорья между двумя сбросами, т. е. простой горст. По окраинам последнего, где уклон резко изменился, немедленно начнет работать текучая вода, врезая ложбины. Ложбины потом превратятся в овраги и ущелья, верховья которых будут все дальше отступать вглубь горста. Последний переживет опять стадии детства, юности, зрелости и через долгое время может вернуться к стадии старости; в нем цикл эрозии возобновился, был омоложен.
Еще сложнее пойдет это омоложение, если почти-равнина будет разбита несколькими сбросами на отдельные полосы или клинья, которые будут подняты на различную высоту, по окраинам каждой полосы эрозия возобновит свою работу и превратит ступени сложного горста в расчлененные горные цепи.
Примеры такого омоложения можно привести относительно разных стран. Укажем Алтай, который был когда-то складчатой горной страной, затем был размыт и сглажен до состояния почти-равнины, разбит сбросами на клинья, различно поднятые и уже превращенные новым циклом эрозии в горные цепи различного расчленения. Но на их поверхности в разных местах можно еще видеть ровные участки прежней почти-равнины. Эти участки в совокупности со сложным строением цепей и несовпадением их направления с простиранием прежних складок говорят нам определенно, что Алтай является, как мы уже указывали, складчато-глыбовыми горами, что его возрождение в виде горной страны обусловлено омоложением цикла эрозии.
Признаками омоложения в других горах Сибири являются также крутизна склонов или ущелистость в долинах среднего и нижнего течения многих рек в связи с быстротой течения, порогами и даже водопадами, свидетельствующими об энергичном размыве и стадии юности. Наряду с этим в верховьях тех же рек плоские заболоченные долины, пологие склоны, сглаженные водоразделы, слабые медленно текущие потоки явно говорят о стадии старости. Сочетание тех и других признаков доказывает недавнее поднятие горной страны, создавшее омоложение эрозии в нижнем и среднем течении рек; но это омоложение не успело распространиться до верхнего течения их, которое еще находится в стадии старости. Можно даже определить время последнего поднятия: ущелья рек врезаются в дно троговых долин, образовавшихся в последнюю ледниковую эпоху,— следовательно, поднятие произошло по окончании ее.
Первое оледенение развилось в стране с плоским рельефом, следовательно, новое поднятие имело место не в очень отдаленное время, а довольно близко к началу последней ледниковой эпохи, так как эрозия не успела еще глубоко расчленить поднятую почти-равнину.
Трансгрессии и регрессии
В истории Земли приходится предполагать неоднократное наступание моря и покрытие им более или менее значительных пространств суши, а с другой стороны отступания моря и увеличение площади суши. Первое называется трансгрессией, второе — регрессией. В одних случаях оба явления происходили одновременно, т. е. трансгрессии в одних частях земной поверхности соответствовали регрессиям в других, тогда как в иные эпохи наблюдалось преобладание или трансгрессий, т. е. вообще сокращение суши, или регрессий; последние обычно связаны с фазами горообразования.
При трансгрессии море может наступать на горную страну постепенно уничтожая ее складки и создавая на месте их волноприбойную террасу, перемещаемую вглубь суши. Этот процесс называется морской абразией, и морские осадки ложатся резко несогласно на головы пластов более древнего возраста, ранее подвергавшихся дислокации (рис. 232). Если море наступает на почти-равнину, созданную процессами эрозии и денудации, то морские осадки также будут ложиться резко несогласно на более древние пласты, имеющие различное положение, но в промежутке между теми и другими можно будет видеть остатки коры выветривания (рис. 233). Море может наступать также на равнину, сложенную из более древних пластов, не подвергавшихся дислокации, и тогда его осадки отложатся поверх древних пластов как будто согласно, хотя отделены от них более или менее значительным промежутком времени. Такое соотношение будет скрытым несогласием, и при внимательном изучении на поверхности древних пластов найдутся следы размыва или выветривания и в самом нижнем пласте из молодых — обломки древних пород (рис. 234).
Геологическая хронология
Геологическая хронология, т. е. схема последовательности событий в истории Земли, основана на изучении циклов дислокаций, эрозии, вулканизма, трансгрессий и регрессий и главным образом на изучении окаменелостей. Но отложения древнейших эпох истории Земли не содержат окаменелостей, так как первые существа, возникшие на Земле, не имели ни скелета, ни твердой оболочки, способных к сохранению в отлагавшихся осадках. Эти отложения под воздействием жара, газов и паров обильных интрузий или очутившись на большой глубине под толщами более молодых отложений также под влиянием жара совершенно изменили свой первоначальный состав, приняли новый облик и превратились в породы, называемые метаморфическими.
Древнейшие эпохи тянулись очень долго. Только в конце их, когда жизнь уже развилась и появились более разнообразные формы, в осадочных толщах появляются первые окаменелости, главным образом водоросли разных видов, слагающие целые слои, отпечатки медуз, губок, а также формы, которые определяются как первые ракообразные, примитивные кораллы, следы ползания червей. Жизнь еще ютилась в воде, суша представляла абсолютную пустыню.
Эти древнейшие времена в истории Земли, начинающиеся образованием первых осадочных пород, называют архейской эрой. Эрой называют чрезвычайно продолжительный промежуток времени, в данном случае сотни миллионов лет. В образованиях архейской эры окаменелостей еще нет, но присутствие углерода в виде графита и мощных толщ известняков, скорее всего образовавшихся из органического известкового ила, позволяет думать, что жизнь в верхней половине этой эры уже появилась. Поэтому ее называют также археозойской, что значит эра древнейшей жизни (архэос — по-гречески первоначальный, зоэ — жизнь).
Следующий отрезок времени, в течение которого образовались осадочные породы, не так сильно измененные, как архейские, а часто почти неотличимые по степени изменения от позднейших нормальных и содержащие уже несомненные остатки растений и животных, называется протерозойской эрой, т. е. эрой (протерос) или зари (эос) жизни.
Иногда обе эти эры объединяют в одну и называют ее архейской или докембрийской; но это неправильно, так как каждый из этих этапов слишком продолжителен. Кроме того, протерозойская эра отделена от архейской большим перерывом, в течение которого происходила дислокация архейских пород с обширными интрузиями, а затем созданные этой дислокацией складчатые горы были глубоко размыты, прежде чем началось отложение протерозойских осадков. Такие длительные и характерные перерывы вообще представляют лучший признак для разграничения эр друг от друга. Эти перерывы, которым свойственны явления дислокаций и размыва, а не отложения осадков, естественно лишены окаменелостей, что очень затрудняет определение продолжительности перерывов. По времени их причисляют к предшествующей эре, которую они заканчивают.
Протерозойская эра также кончается подобным перерывом, после которого начинается палеозойская эра, т. е. эра древней жизни (палеос — древний), уже содержащая многочисленные остатки разнообразной и быстро развивавшейся жизни. Они позволяют разделить эту эру на периоды, т. е. на менее продолжительные промежутки времени, именно (начиная с первых) периоды: кембрийский, силурийский, девонский, каменноугольный и пермский. Эра в общем отличается господством низших классов животных и растений, появлением наземных животных и огромным развитием наземных растений. На ее протяжении отмечают два цикла дислокаций — каледонский и варисский, каждый с несколькими фазами, несколько циклов эрозии и вулканизма, две или три большие трансгрессии, большую регрессию и оледенение в конце.
В кембрийском периоде жизнь сосредоточивалась еще в воде, а суша представляла собой пустыни. Появились уже в большом количестве ракообразные (трилобиты), оригинальные археоциаты, организмы, представлявшие нечто промежуточное между губкой и кораллом, первые плеченогие и брюхоногие (рис. 235); из растений господствовали водоросли. В начале средней эпохи произошла большая трансгрессия моря в Сибири, а в начале верхней — первая фаза каледонского цикла дислокаций и усиление вулканизма.
Силурийский период заканчивает господство морской жизни, так как в конце его появились первые сухопутные животные (скорпионы) и растения (псилофитон). В море преобладали ракообразные и плеченогие, но появились также головоногие, граптолиты, кораллы и первые рыбы (рис. 236). Археоциаты исчезли. В середине и в конце периода развились две фазы каледонского тектонического цикла и в связи с ними — регрессии моря и усиление вулканизма.
Девонский период отличается уже значительным распространением наземных растений. Обширного развития достиг класс рыб, главным образом панцырных форм, которые жили не только в море, но и в устьях рек, в лагунах и, вероятно, пробовали вылезать на сушу, так как некоторые из них были двоякодышащими (рис. 237); известны также следы первых наземных амфибий. В морях сильно размножились плеченогие, разные отряды моллюсков, кораллы, ракообразные, достигавшие гигантской величины, зато исчезли граптолиты и сократились трилобиты. Последняя фаза каледонского цикла в начале периода вызвала большую регрессию моря, за которой в середине периода последовала трансгрессия, а в конце начался варисский тектонический цикл. Вулканизм был очень силен, особенно в первую и последнюю эпохи девонского периода.
Каменноугольный период отличается необычайным распространением и разнообразием флоры наземных тайнобрачных растений, образовавших огромные леса на болотистых берегах морей и создавших мощные и многочисленные пласты каменного угля, известные во многих странах (рис. 238 и 239). В этих лесах водились уже различные амфибии, появились пресмыкающиеся, в воздухе реяли крупные насекомые (стрекозы, жуки, бабочки). В морях вымирали трилобиты, пышно развивались кораллы, плеченогие, разные моллюски, крупные корненожки; из позвоночных главную роль играли акулы. Несколько фаз варисского цикла вызывали регрессии морей и вспышки вулканизма.
Пермский период характеризуется, в противоположность каменноугольному, сухим и холодным климатом, вызвавшим обширное оледенение в южном полушарии, развитие пустынь, сокращение морей и образование в их лагунах мощных отложений солей в северном полушарии.
Эти процессы были связаны с несколькими фазами варисского цикла дислокаций, создававшими горные цепи и регрессии моря; весьма усилился вулканизм. На суше появились разнообразные хищные и травоядные пресмыкающиеся (рис. 240), в лесах вымерли многие представители каменноугольной флоры и появились новые формы; пласты угля также образовывались в разных местах. В морях вымерли трилобиты, но сильно развились головоногие, особенно аммониты.
Мезозойская эра, или эра средней жизни (месос — средний), делится на периоды триасовый, юрский и меловой. Она отличается сильным развитием пресмыкающихся, а из моллюсков — белемнитов и аммонитов, из растений — более высоко организованных саговых и хвойных. Несколько циклов, эрозии, вулканизма и ряд фаз тихоокеанского цикла дислокаций создавали трансгрессии, регрессии и изменяли лик Земли.
Триасовый период был временем сравнительного спокойствия земной коры. Большая регрессия в среднюю эпоху и трансгрессия в верхнюю скорее были обусловлены плавными поднятиями и опусканиями, чем горообразованием. На суше господствуют пресмыкающиеся, представленные всеми главнейшими группами; в конце периода появились первые млекопитающие. В море жили разнообразные аммониты и морские пресмыкающиеся.
Юрский период характеризуется развитием горообразовательных движений, регрессий морей, распространением наземной флоры, создавшей ряд угленосных бассейнов; по запасам угля он стоит на втором месте после каменноугольного. Еще богаче представлены пресмыкающиеся, достигающие господства на суше и в морях; в последних, кроме аммонитов, пышно развиваются белемниты, новые формы двустворок, рифовых кораллов, ежей. Появились первые птицы, соревновавшиеся с летающими пресмыкающимися (рис. 242). Вулканизм усилился в конце периода.
Меловой период отличался усилением горообразования, большой регрессией в начале и трансгрессией в конце, оживлением вулканизма. На суше появились первые широколиственные деревья и покрытосемянные растения. Фауна представляла те же особенности, как и в юрском периоде (рис. 241); характерно появление крупных корненожек, разнообразных губок, отложение толщ белого мела. Началось вымирание аммонитов, развитие гигантских форм двустворок. Птицы были представлены зубастыми формами.
Кайнозойская эра, или эра новой жизни (кайнос — новый), делится на периоды третичный и четвертичный. В течение этой эры земная поверхность и распределение материков и океанов, возвышенностей и низменностей после ряда преобразований дошли до современного состояния. Место пресмыкающихся, господствовавших в мезозойской эре, заняли млекопитающие и птицы; в конце эры появился человек, который впоследствии сделался хозяином Земли. В растительном мире преобладающее значение получили лиственные деревья и злаки. Близкая к современности часть эры характеризовалась сильным похолоданием климата и развитием нескольких ледниковых эпох.
Третичный период отличался проявлением нескольких фаз альпийского цикла дислокаций, охвативших геосинклинали мезозойской эры и краевые области Тихого океана и постепенно приблизивших рельеф Земли и распределение суши и моря к современному виду. В связи с этими сильными движениями чрезвычайно оживился вулканизм и создалось тихоокеанское кольцо вулканов и землетрясений.
На суше господствуют быстро размножающиеся млекопитающие (рис. 243) и птицы, лиственные деревья (рис. 244) и злаки, а в морях заметную роль начинают играть млекопитающие (китообразные и ластоногие); крупные корненожки (нуммулиты), двустворки, брюхоногие образуют целые толщи пластов, тогда как аммониты и белемниты исчезают. Климат к концу периода сильно охладился, и первую эпоху оледенения, называемую гюнц, относят к этому времени.
Четвертичный период, называемый также антропогеном ввиду господства человека, продолжающийся и в настоящее время, приводит последними фазами альпийского цикла к современному состоянию Земли. Смены похолодания « потепления климата создают три ледниковые эпохи: миндель, рисс и вюрм, разделенные межледниковыми. В областях, охваченных оледенением, происходит переселение фаун; арктические формы, продвигаясь на юг, вытесняют теплолюбивые, которые вымирают или эмигрируют еще южнее. В межледниковые эпохи уровень океанов повышается, так как растаявшие льды увеличивают массу воды; происходят трансгрессии (а в ледниковые эпохи регрессии) морей. В середине четвертичного периода в разных местах появился человек (рис. 245), судя по найденным разнообразным остаткам орудий, но развивался он из обезьяноподобного животного раньше. Ряд медленных поднятий суши отмечается морскими и речными террасами, а последнее из них — омоложением эрозии.
С другой стороны, происходят опускания, и вода заливает прежнюю сушу в восточной части Средиземного моря, в южной части Черного моря, на севере и на востоке Сибири, где Сахалин отделяется от материка; создаются провалы — цепи озер-Африки, грабены Красного и Мертвого морей и озера Байкал. Вулканизм сравнительно с третичным периодом мало-помалу ослабевает, хотя в начале периода вулканы дымились и лава изливалась еще на Кавказе и в Восточной Сибири.
Сведем теперь хронологическое деление истории Земли для удобства в таблицу, отметив, что отрезкам времени соответствуют и определенные толщи отложений осадочных горных пород, совокупность которых обозначается известными терминами. Так, отрезку времени «эра» соответствует для горных пород термин «группа»; «периоду» соответствует «система», «эпохе» — «отдел», «веку» — «ярус».
В настоящее время большинство геологов делит силурийский период на два и называет нижний — ордовик и верхний — силур или готланд. Название эр и периодов вообще принято сокращать и говорить архей, протерозой, палеозой, мезозой, кайнозой, а для периодов — кембрий, силур, девон, карбон (вместо каменноугольного), пермь, триас, юра и мел.
Возраст Земли
Наша хронологическая таблица дает нам понятие только о последовательности отдельных промежутков времени, которые установлены для истории Земли. Она показывает, что кембрийский период предшествует силурийскому и является первым по возрасту в палеозойской эре, которую заканчивает пермский период, что тот период, в котором мы живем, является десятым из установленных более точно на основании изучения окаменелостей, погребенных в пластах земной коры, что этим десяти периодам предшествовали еще целые две эры, очень продолжительные, в течение которых уже появилась жизнь. Но возраста, выраженного в годах, в той единице времени, которую мы принимаем для истории человечества, эта таблица не дает. А между тем очень интересно знать, сколько лет продолжался тот или другой период, сколько лет вообще существует Земля.
Этот вопрос, естественно, занимал ученых уже давно, с тех пор как наука отвергла достоверность библейского летоисчисления, определившего возраст Земли со времени ее создания «всемогущим творцом». По исчислению англиканской церкви теперь идет 5959 год от сотворения мира, а по старому русскому — 7464 год. Эти цифры опровергаются уже тем подсчетом, который приведен в гл. VI и который показал, что понадобилось около 2000 лет только на то, чтобы убывавший в Швеции северный ледник отодвинулся на 400 километров; этот отрезок времени составляет только небольшую часть последней ледниковой эпохи, продолжительность которой, как предполагают, свыше 50 000 лет. А вся эта эпоха представляет только небольшую часть четвертичного периода.
Интересно отметить, что библейское летоисчисление не согласуется даже с летописями и преданиями других народов. Так, в летописях древнего Вавилонского государства говорится, что после сотворения мира праотцы вавилонян управляли страной в течение нескольких сот тысяч лет. Японские предания говорят о существовании первоначального населения островов Японии в течение нескольких миллионов лет. Древние китайские летописцы полагали, что до начала правления патриарха Яо в 2357 году до нашей эры прошло уже 3 266 000 лет, разделенных на 10 периодов; по другим данным насчитывают 2 миллиона лет. Эти исчисления японцев и китайцев, конечно, нужно считать преувеличенными, так как продолжительность всего четвертичного периода, как увидим далее, оценивают теперь в 1 миллион лет, а он обнимает всю историю человечества, включая и древнейший каменный век, о котором до нашего времени не могло сохраниться никаких преданий.
Возраст Земли пытались уже определить разными способами. Подсчитывали время образования дельты Нила на основании ее площади, мощности слоев и быстроты их отложения рекой. Пробовали определить, сколько лет понадобилось для образования в морях толщ осадочных пород всех периодов, начиная с палеозоя, на основании их общей мощности и скорости размыва суши, учитывая площадь последней и площадь отложения осадков. По геотермической ступени определили, сколько лет понадобилось для охлаждения Земли до современного состояния. Теорию эволюции применили для определения числа лет со времени появления органической жизни. Астрономические данные — изменение эксцентриситета Земли, периоды перигелия и афелия, перемещения Солнечной системы в пределах Млечного Пути, эксцентриситет Меркурия, гипотеза приливного происхождения Луны — также были использованы для вычисления возраста Земли. Накопление солей в океанах позволило вычислить время, протекшее с начала их образования. Но все эти методы дали очень разнообразные и ненадежные результаты с колебаниями возраста Земли от 20 до 5000 миллионов лет, потому что все они были основаны или на предположениях о том, что процессы размыва и отложения осадков и накопления солей в прежние периоды шли с той же интенсивностью, как и в настоящее время, или на гипотезе постоянства астрономических данных, также сомнительной.
Гораздо лучшие результаты дали методы, основанные на открытом в XX веке превращении одних элементов в другие. Все содержащие радий вещества образуют два ряда изменяющихся и переходящих постепенно друг в друга элементов; один ряд начинается торием, другой — ураном, а оба оканчиваются свинцом; радий составляет один из промежуточных членов ряда уран —свинец. В этом ряду чем ближе к концу, тем скорее происходит переход одного элемента в другой.
Поэтому, если мы возьмем минерал, в котором содержатся и уран и свинец или торий и свинец, и определим количество того и другого, то мы сможем вычислить, сколько лет прошло со времени образования этого минерала. А так как такие минералы можно найти среди отложений разных периодов, то этим способом мы определим и возраст каждого из них.
Второй метод заключается в определении количества гелия, выделяющегося при промежуточных превращениях урана и тория; возраст породы определяется по соотношению урана или тория, с одной стороны, и гелия — с другой.
Третий метод основан на радиоактивном распаде калия, приводящего к образованию аргона. Так как калий очень широко распространенный минерал, то можно во многих породах, определяя соотношение калия и аргона, узнать абсолютный возраст породы. Есть еще ряд методов, основанных на радиоактивном распаде других элементов. Самым точным является свинцовый метод; гелиевый и аргоновый в настоящее время дают еще иногда крупные ошибки в определении возраста.
Этими способами выполнено уже много определений возраста пород и минералов из разных геологических периодов и получены следующие цифры продолжительности эр и периодов в миллионах лет (по последней таблице Марбли и Холмса, 1950 год).
Продолжительность эр, таким образом, составляет (в миллионах лет):
Цифры эти не вполне точные, так как определения дают иногда разницу в несколько миллионов лет. Со временем, когда будет выполнено много определений из разных стран и из разных эпох одного периода, эти колебания будут все более уменьшаться. Точность до миллиона лет, которая может быть достигнута, будет вполне достаточна, так как при том огромном времени, с которым мы вообще имеем дело, миллион лет представляет для более далеких периодов величину небольшую.
В итоге эта хронология показывает, что продолжительность эр сильно возрастает вместе с их древностью. Это соответствует и другим данным, основанным на преобразованиях лика Земли, определениях мощности отложений соответствующего времени и на развитии органической жизни.
Нет еще точного определения продолжительности протерозойской и архейской эр, что обусловлено неизвестностью точного начала каждой из них.
Полагают, что обе эти эры в совокупности продолжались не менее 1500 миллионов лет, из которых 500—600 миллионов лет занимает протерозойская эра. В общем продолжительность существования Земли со времени образования первых материков и океанов можно принять с достаточным основанием в 2 миллиарда лет.
Плавающие материки. В последние годы возникла гипотеза, иначе объясняющая образование современных морей, предложенная германским ученым Вегенером в 1912 году и американским — Тайлором в 1910 году (в менее подробно разработанном виде). Эти ученые полагают, что отдельные первоначальные выступы земной коры собрались в одно место, подобно тому, как маленькие пузыри на поверхности воды, притягиваемые друг к другу, сливаются в крупные. Так образовался первый большой материк Пангеа, т. е. праматерик, в котором совмещались все современные, включая Антарктиду. Затем, уже в каменноугольный период, Пангеа начала распадаться на части: Австралия и Антарктида отошли на юг, а Америка — на запад.
Этот распад продолжался десятки миллионов лет, и впадина Атлантического океана, отделившая обе Америки от Европы и Африки, образовалась только в третичный период, а окончательно сформировалась в четвертичный (см. рис. 246). Мысль о прежнем соединении материков возникла при рассматривании карты: очертания западного и восточного берегов Атлантического океана действительно совпадают, особенно Африки и Южной Америки; если придвинуть их друг к другу через океан, берега будут соприкасаться почти везде, и небольшие пробелы легко объяснить размывом. На это впервые обратил внимание в 1877 году русский ученый Е. В. Быханов.
Но приходится спросить, почему материки сначала соединились друг с другом, а потом опять распались?
Вегенер считает, что распадение Пангеи обусловлено вращением Земли. Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток, и западная часть Пангеи должна была при этом движении постепенно отставать и отрываться от восточной части вследствие силы инерции, т. е. стремления масс остаться на месте, которое противодействует силе движения на восток, развивающейся на земной поверхности при вращении Земли. В настоящее время производятся точные определения положения берегов Атлантического океана, чтобы узнать, разошлись ли материки или нет.
Но вы, конечно, спросите, каким образом громадные массы материков могут двигаться, хотя бы очень медленно, по поверхности Земли?
Вам знакома сила тяжести, обусловленная притяжением Земли. Благодаря этой силе мы держимся на земной поверхности, несмотря на быстрое вращение Земли; благодаря ей мячик или камень, который вы подбрасываете высоко вверх, падает потом вниз. Благодаря той же силе земной шар состоит из слоев разного состава; когда он был в расплавленном состоянии, самые тяжелые вещества, как железо, свинец и другие металлы, собрались большими массами ближе к центру шара, а более легкие остались на его поверхности и образовали при остывании кору. Поэтому Вегенер пришел к выводу, что материки, состоящие из более легких горных пород, плавают на более тяжелом внутреннем базальтовом слое, подобно тому, как льдины плавают на воде. А если они плавают, то могут перемещаться, конечно очень медленно, потому что базальтовый слой гораздо более вязкий, чем вода.
Верхний слой, состоящий из горных пород с преобладанием кремнезема и алюминия, называют «сиаль» (соединяя первые буквы слов «силиций» и «алюминий»), а нижележащий, более тяжелый, на котором сиаль плавает, называют «сима», так как в его составе, кроме кремнезема, много магния.
Гипотеза Вегенера объясняет образование высокой горной цепи Кордильер и Анд, окаймляющей берег обеих Америк, тем, что при смещении этого материка на запад получилось сильное смятие осадочных толщ у западного берега вследствие сопротивления слоя «сима» напору слоя «сиаль» на запад.
Гипотеза Вегенера, сначала увлекшая многих ученых, вызывает серьезные возражения, между прочим и потому, что расположение отдельных горных цепей на земной поверхности не согласуется с ней или даже противоречит ей. В Европе и Африке, которые также должны напирать на запад в связи с вращением Земли на восток, нет горных цепей вдоль западных берегов, а в Азии горные цепи расположены вдоль восточных берегов, которые согласно этой гипотезе не подвергаются давлению слоя «сима».
В настоящее время гипотеза перемещения материков считается геологами непригодной для объяснения изменений лика Земли.
Примечания
1. О. Ю. Шмидт. 4 лекции о теории происхождения Земли. М., 1950, и Труды 1-го совещания по вопросам космогонии 16—19 апреля 1951 г. М., 1951.
2. Ф. Энгельс. Диалектика природы. Госполитиздат, 1955, стр. 53.
3. Под фазами нужно понимать совокупность процессов, которые приводят к определенному результату, а затем прекращаются, т. е. фазы разделены промежутками, тогда как стадии незаметно переходят одна в другую.
Источник: «Основы геологии», В. А. Обручев, 1956