Строение земного шара - Георгий Горшков

2. Возраст Земли

С вопросом о происхождении Земли связан и другой вопрос. Сколько лет Земле? Попытаемся подойти к ответу на этот вопрос различными путями, используя данные геологии, палеонтологии, геохимии.

Геологи отвечают на этот вопрос, изучая процессы накопления осадков, процессы образования осадочных пород.

Представьте себе, что мы стоим у подножия крутого обрыва и рассматриваем породы, открывшиеся нашему взгляду в стенке обрыва. Мы видим песок, глину, известняк, которые залегают в форме горизонтальных слоев различной толщины. Исследуя эти породы, можно выяснить их происхождение, установить, где и как они образовались — в море или на суше, и сколько приблизительно лет потребовалось, чтобы данный слой накопился. Осадочные породы чрезвычайно разнообразны по своему составу, по условиям образования и т. д., но одно будет бесспорным всегда: нижние слои старше, верхние — моложе. Если составить сводную колонку отложений на всю их глубину, то можно судить об относительном возрасте пород. Подчеркнем, именно относительном возрасте, ибо точных сведений о длительности времени, в течение которого слои накапливались, из таких наблюдений мы не извлечем.

Чтобы значительно уточнить выводы, следует обратиться к палеонтологии, науке об ископаемых остатках организмов. Давно установлено, что каждому периоду в истории Земли соответствует свой комплекс животных и растительных организмов. Остатки этих организмов дошли до нас в виде окаменелостей, переполняющих нередко соответствующие пласты горных пород. Так, примитивные кишечнополостные, так называемые граптолиты, существовали на Земле лишь короткое время, которое носит наименование силурийской период, и ни раньше того, ни позже не встречаются. Другой вид организмов, так называемые нуммулиты, известен только для времени, называемого эоценом; в другие моменты истории Земли они не существовали. Следовательно, изучение ископаемой фауны и флоры позволяет сопоставлять между собою породы различных мест земного шара и с достоверностью восстанавливать историю Земли, историю жизни на Земле.

Палеонтологи, так же как и геологи, не могут определить возраст осадочных пород в абсолютных цифрах, т. е. в годах. Конечно, можно попытаться подсчитать, сколько лет требуется для того, чтобы образовался слой осадка определенной толщины, вычислить промежутки времени, необходимые для того, чтобы одна фауна сменила другую. Но точных цифр мы все же не получим, и приходится опираться лишь на сведения об относительном возрасте пород. В этом отношении сделано очень много и геологи с успехом пользуются своей относительной шкалой геологического времени.

Вся история Земли делится на эры, эры делятся на периоды, а периоды — на эпохи и века[3]). Эта схема относительного геологического возраста необходима для проведения работ по геологической съемке и поискам полезных ископаемых. Приведем таблицу деления истории Земли на эры и периоды (без подразделения на эпохи и века):

Рассмотрим в качестве иллюстрации к этой схеме колонку отложений Подмосковья (рис. 1).

В основании холмов и долин Подмосковья залегают прочные светлые известняки. Кое-где по долинам рек эти известняки выходят на поверхность, например, в с. Мячкове на Москве-реке, или вскрываются при разработке карьеров, например у г. Подольска. По заключенным в них остаткам организмов нетрудно определить, что эти известняки, представлявшие первоначально скопление известкового ила и ракушек, отлагались в море и относятся по возрасту к каменноугольному периоду. Заметим, что осадки, соответствующие какому-либо периоду, называются системой (см. рис. 1).

Рис. 1. Геологический профиль в окрестностях Москвы.

Над известняками залегают черные, вязкие глины с окаменевшими стволами деревьев, с многочисленными, хорошо сохранившимися раковинами морских моллюсков — белемнитов и аммонитов. Эти глины также отлагались в море, но уже позже — в юрский период. Заглянув на таблицу, мы можем видеть, что между каменно-угольным и юрским периодом заключены еще пермский и триасовый, но отложений, относящихся к пермскому и триасовому периодам, под Москвой не обнаружено. Следовательно, в то время на месте Москвы моря не было, никаких осадков не отлагалось, а наоборот, была суша и она размывалась древними пермскими и триасовыми реками.

Отложения следующего периода, мелового, широко известны в окрестностях Москвы: это светлые, кварцевые пески, залегающие, например, в основании Ленинских гор или Татаровских высот. Осадков третичного периода под Москвой нет.

Отложения антропогенового периода, самые молодые, в Подмосковье встречаются повсеместно: это пески и галечники современных рек, пески и глины с валунами, оставленными древними ледниками и т. п.

Так схема относительного геологического возраста помогает исследовать отложения осадочных пород далекого прошлого. Но в некоторых случаях, например, при рассмотрении многих проблем теоретической геологии, все же важно знать абсолютный возраст пород, абсолютную длительность геологического времени. Способы определения абсолютного возраста горных пород были предложены физиками и геохимиками.

В горных породах всегда содержится хотя бы самое ничтожное количество радиоактивных элементов, т. е. таких элементов, которые с течением времени самопроизвольно распадаются, превращаясь в другие элементы. Например, радиоактивные элементы уран и торий превращаются в конечном итоге в свинец и гелий. Процесс распада идет самопроизвольно и на него не влияют никакие внешние условия (в естественной обстановке). Длительность процесса распада обычно очень велика. Например, половина всех бывших в какой-то начальный момент атомов тория распадается в течение 13 миллиардов 860 миллионов лет, а половина всех атомов урана распадается за 700 миллионов лет. Другими словами, если в какой-то начальный момент этих элементов было по одному килограмму, то через соответствующее указанное выше количество лет их останется только по 0,5 кг.

При тщательном и весьма тонком анализе состава горной породы можно установить, сколько в ней, уже после момента ее образования, появилось атомов свинца или гелия и сколько осталось еще неразложившегося радиоактивного элемента. По этим данным вычисляется возраст исследуемой горной породы.

Подобные расчеты позволили построить абсолютную шкалу геологической хронологии. Можно считать установленным довольно достоверно, что от начала археозойской эры до наших дней прошло около 2 миллиардов лет, от начала протерозойской эры — около 900 миллионов лет, от начала кембрийского периода — 500, от начала триасового периода — 185, от начала третичного периода — 70, от начала антропогенового периода — 1 миллион лет и т. д.

Таким образом, древнейшие горные породы, относящиеся к археозойской эре, существуют на Земле около 2 миллиардов лет. Однако Земля как планета должна быть еще древнее. Вычисления, в основу которых положен тот же радиоактивный метод, показывают, что Земля возникла 3–6 миллиардов лет назад. Заметим здесь, кстати, что возраст Солнца определяется в 50 биллионов лет, а общее время существования и эволюции средней звезды, в том числе и Солнца, более 2 тысяч биллионов лет.

Такие длительные периоды времени представить себе с достаточной ясностью человек не может. Можно лишь обратиться к некоторым сравнениям.

Допустим, что срок существования Земли как планеты, т. е. 6 миллиардов лет, выражается отрезком в 250 метров, что соответствует высоте нового здания Московского университета на Ленинских горах. Тогда палеозойская эра выразится отрезком длиною около 20 м, а антропогеновый период, т. е. период, в начале которого появился на Земле человек, будет равен всего четырем сантиметрам. Историческое время займет тогда не более 0,1 мм: это чуть больше толщины человеческого волоса (рис. 2).

Рис. 2. Сколько лет Земле.

Как видите, кое-что зная о последних 0,1 мм нашей шкалы, геологи и геофизики решаются судить об остальном отрезке длиною до 1/4 километра. Да, и уверены в своих заключениях, ибо такова сила науки!

3. Форма и размеры Земли

Вряд ли нужно много писать о форме Земли. Всем ясно, что Земля представляет собой шар, слегка сплюснутый у полюсов, т. е. так называемый эллипсоид. Однако правильное, современное представление о форме и размерах Земли было достигнуто далеко не сразу и достигалось порою в тяжелой борьбе науки с религией.

Греческий поэт Гомер (IX–VIII в. до н. э.) изображал Землю в виде круга, схваченного со всех сторон рекой Океаном, «которая катит свои могучие воды по ободу богатого щита»; такое изображение Земли было выгравировано, якобы, на щите мифического героя Ахиллеса. Философ Фалес (VI в. до н. э.) полагал, что Земля — шар, а его ученик Анаксимандр изображал Землю в виде цилиндра. Другие философы и ученые Древней Греции представляли Землю то в виде куба, то в виде лодки и т. д.; ученики Ксенофонта и Анаксимена считали, что Земля — очень высокая гора. Греческая мифология содержит легенду о том, как Зевс, желая определить размеры Земли, выпустил одновременно двух орлов, одного на запад, другого на восток: они встретились в городе Дельфах; это называлось «обнаружение Земли путем слета двух орлов».