Основы геологической эволюции Земли

Рис. 15. Эволюция атмосферы Земли:

А - уход водорода из атмосферы; Б - появление фотосинтеза; В - образование озонового слоя 
 

В начале палеозойской эры, 0,5 млрд. лет назад, содержание углекислого газа в атмосфере в 15-20 раз превышало современное значение, парниковый эффект увеличивал среднегодовые температуры, по сравнению с современными, в 2,5 раза. Теплый мягко-зональный климат способствовал широкому распространению разнообразных фотосинтезирующих водорослей. Жизнедеятельность фотосинтезирующих организмов привела к существенному изменению состава атмосферы - повышению концентрации свободного кислорода до 1 % и образованию озонового слоя, защищавшего живые существа от ультрафиолетового излучения Солнца и позволившего им заселить вначале мелководные прибрежные участки морей, а затем и сушу. 

Произошел своеобразный "взрыв жизни", выразившийся в  разнообразной и быстрой эволюции органического мира - от 2000 видов в кембрии до 15000 видов в силуре; до конца палеозойской эры возникли почти все основные ветви растений и животных. 50 % видов животных, населявших океаны и моря палеозоя, были членистоногие трилобиты; широко распространились кораллы, иглокожие, различные моллюски. Появились первые позвоночные: примитивные рыбы, в ордовике - первые хрящевые рыбы (акулы), в начале силура - панцирные рыбы. 
 

Географическая  карта Земли значительно отличалась от привычной: Северный полюс находился  в районе современного Тихого океана (у экватора), Южный полюс у современного побережья Западной Африки; экватор был соответственно смещен на 900 и совпадал с 90-м и 270-м меридианами. Свыше 330 миллионов лет назад в Южном полушарии громоздился обширный суперконтинент Гондвана, отделенный Палеоатлантическим и Палеоазиатским океанами от группы северных материков, в основании которых лежали Северо-Американская и Восточно-Сибирская платформы. В эпоху "байкальской складчатости" сформировались горы Байкала, Восточного Саяна, районы Скандинавии, Индостана, Аравии и Южной Африки. 

В течение всего  раннего палеозоя земная кора была охвачена тектоническими процессами, достигшими наибольшей силы в конце  силурийского периода. 

В кембрии и  начале ордовика преобладали процессы опускания блоков коры. Погружение испытали не только участки геосинклинальных областей, но и платформы северного полушария, моря затопили обширные территории. Возросшая активность мантийных плюмов усилила вулканическая деятельность, вызвавшую образование многочисленных островов. Северные континенты постепенно сближались, пока океаны между ними не слились в единый широкий океан Палеотетис, соединявшийся на востоке с Уральским океаном, на дне которого сформировалась мощная система срединно-океанских хребтов и рифтов. 

В силуре опускание  материков сменилось их подъемом, усилился наземный вулканизм, в геосинклинальных областях выросли горы. В результате горообразовательных процессов  на базе Северо-Американской и Восточно-Европейской  платформ возник единый Северо-Атлантический материк, а материк Ангарида на базе Сибирской платформы значительно увеличился в размерах. В конце периода завершение "раннекаледонской складчатости" привело к образованию гор Британии, Скандинавии, Гренландии, Аппалачей, Алтая, Саян и Северного Тянь-Шаня; глобальное похолодание и ледниковый период затянулись на 30 миллионов лет. 

Вплоть до конца  силура суша по виду напоминала современные  каменные и песчаные пустыни. 400 миллионов  лет назад на поверхности континентов  в результате деятельности микроорганизмов, существовавших за счет разрушения горных пород и образования глин, начались нормальные почвообразующие процессы, приведшие к образованию "педосферы" - "сферы почв" - связующего звена, обеспечивающего устойчивое существование и развитие биосферы суши в ее взаимодействии с космосом. В 1 тонне почвы проживает до 25 млрд. микроорганизмов. Процесс наземного выветривания из физико-химического стал в значительной мере биохимическим. Растения-псилофиты (вероятно, потомки бурых водорослей) начали заселение суши, к ним присоединились членистоногие. 

Глобальные тектонические  процессы позднего палеозоя проходили  почти в той же последовательности, что и в начале эры. 

В раннем девоне кора на многих участках северных платформ Земли испытала мощные поднятия. Середина девона и карбон (каменноугольный период) стали временем прогибания и опускания древних платформ Северного полушария, сменившегося к концу пермского периода постепенным подъемом с последующим полным осушением и формированием мощных складчатых горных цепей Атлантического, Урало-Монгольского и Арктического поясов, превратившихся к концу палеозойской эры в самостоятельные молодые платформы. "Спаивание" горно-складчатых систем Северо-Американской, Восточно-Европейской, Китайской и Сибирской платформ привело к образованию сверхматерика Лавразия. Очертания морей и суши в Северном полушарии сильно изменились, но сверхматерик Гондвана в Южном полушарии оставался неизменным. Экватор Земли проходил по северу современной Гренландии (800 северной широты), Южный полюс находился у западных берегов Южной Африки (180-200 южной широты). 

Концентрация  свободного кислорода в атмосфере  непрерывно нарастала в результате широкого распространения и необычайно высокой скорости эволюции растений: все важнейшие группы высших растений, существующие в настоящее время, сформировались около 350 млн. лет назад в течение 20-25 миллионов лет. К членистоногим и насекомым обитателям суши в середине девона присоединились позвоночные - амфибии, к середине карбона появились крупные сухопутные пресмыкающие (звероящеры). К концу карбона сформировались все элементы современной биосферы, ставшей одним из важнейших геологических факторов разрушения, переноса и отложения горных пород. 

Среднегодовые температуры девона составляли 240-260С (до 280С). Концентрация СО2 в атмосфере сильно колебалась: то повышалась в начале карбона до кембрийских значений, то уменьшалась в конце периода в 4 раза. Содержание свободного кислорода постепенно увеличивалось. В среднем карбоне произошло сильное похолодание, сопровождавшееся оледенением континентов: 5 ледниковых эпох продолжительностью 50 млн. лет, затем в Северном полушарии установился сравнительно теплый и влажный климат. 

Заселение растениями водораздельных пространств привело в карбоне к образованию почвенной оболочки планеты, важное значение приобрел сложный биологический обмен веществ вне гидросферы. Возникла географическая зональность на материках, стали формироваться ландшафты. Окислительную стадию развития биогенных ландшафтов (средний рифей-силур) сменила окислительно-восстановительная стадия, продолжающаяся поныне. В девоне образовались и получили развитие первые лесные болота; в карбоне массы разлагающихся растений привели к окислению почвенных растворов и формированию мощных месторождений бокситов и железных руд (Казахстан; г. Магнитная, г. Благодать на Урале). Почти все мировые запасы угля и до 50 % мировых запасов нефти и газа образовались в позднем палеозое; тот же возраст имеют месторождения соли Соликамска, апатитов Хибин и т.д. 

Конец палеозойской эры (251 млн. лет назад) ознаменовался  массовым вымиранием живых организмов: 85% сухопутных и морских видов, в  т.ч. до 70% позвоночных в условиях резкого повышения концентрации СО2 (до 7,5%) при одновременном снижении концентрации кислорода. Причины этих явлений до конца не ясны; ряд ученых предполагает, что Земля столкнулась с астероидом размерами 6-12 км. 

Этап формирования фундаментов молодых платформ - процесс  образования материковой коры за счет коры океанической - был последним по времени этапом развития Земли и продолжается в течение двух эр - мезозойской и кайнозойской. Он привел к возникновению складчатого основания всех молодых платформ, значительному увеличению площади материковой коры и формированию современного рельефа планеты Земля. На протяжении последних сотен миллионов лет постоянно увеличивался объем литосферы и верхней мантии; после каждого очередного дробления коры увеличивались размеры устойчивых плит, а количество, площадь и скорость развития геосинклинальных поясов уменьшались вместе с усложнением их строения. В настоящее время развиваются лишь геосинклинальные области в пределах Тихоокеанского и Средиземноморского поясов. 

В начале мезозойской  эры впадину между континентами Лавразия и Гондвана на месте Палеотетиса заполняли мелкие моря. В зонах Средиземноморского, Урало-Монгольского, Северо-Атлантического, Тихоокеанского геосинклинальных поясов развивались молодые платформы, происходили сложные движения участков земной коры, мощные излияния магмы с накоплением вулканических пород, усложнялась тектоническая структура. На Земле был лишь один большой океан - Палеотихий. Жаркий засушливый климат триаса привел к широкому распространению пустынь, растительный покров почти исчез с обширных пространств суши. 

На рубеже триасового и юрского периодов (214 млн. лет  назад) произошло столкновение Земли  с массивным космическим телом, разрушившимся на заключительном участке  траектории полета или, что менее  вероятно, несколькими астероидами  или кометами меньшей массы. Образовалось 5 кратеров; крупнейший из них, Маникуаган, имеет диаметр около 100 км. Результатом стали значительные климатические изменения, сопровождавшиеся массовым вымиранием представителей живого мира. 

В юрском периоде  крупные участки территории Лавразии испытали опускание и были затоплены морем. Мелкие моря между Лавразией и Гондваной слились в океан Тетис. Гондвана стала распадаться на части, меж которыми пролегли глубокие впадины будущих Индийского и Атлантического океанов. Высокая активность мантийных плюмов и огромные и глубокие трещины-расколы коры привели к грандиозным излияниям магмы основного состава: толщина лавового слоя в Южной Америке достигала местами 600 м, концентрация углекислого газа в атмосфере возросла в 4-5 раз (при излиянии 106 км3 лавы в атмосферу выделяется 1014 тонн углекислого газа и почти столько же метана). Действие парникового эффекта усилилось. 

Климат смягчился. Температура воды в океанах составляла 210-280С, на суше превышала современную  на 100-150С. После глобального вымирания большинства палеозойских организмов на рубеже мезозойской эры началось бурное развитие новых групп растений (хвойных, папоротников) и животных (костистых рыб, рептилий и т. д.). Мезозойскую эру называют "веком динозавров": первые из них возникли, вероятно, на территории Гоби в Центральной Азии и вскоре расселились по всему миру. В юрском периоде в морях процветали головоногие и пластинчатожаберные моллюски, на суше - голосеменные растения, динозавры завоевали сушу и воздух, появились первые птицы. В конце триасового периода на Земле появились первые млекопитающие. 

...Самые крупные  опускания суши произошли в  конце мезозойской эры, в меловом  периоде. Океан Тетис достиг  наибольших размеров, площадь суши  на Земле сократилась до минимальных размеров за всю ее историю. Окончательно распалась Лавразия - на Северную Америку и Евразию; Гондвана распалась на Австралию с Антарктидой, Африку и Южную Америку. Сформировалась сложная структура восточной и центральной частей Северно-Ледовитого океана. Горообразовательные процессы шли на Чукотке, в Крыму, Гималаях, Тибете, Юго-Восточном Памире и Кордильерах. За счет высокой активности мантийных плюмов толщина слоя излившихся лав в отдельных местах (Индии, Гренландии и др.) достигала 2000 м! Климат мелового периода испытывал резкие колебания - от сильных похолоданий до глобальных потеплений. Господствующее положение среди растений заняли наиболее высокоорганизованные покрытосеменные растения. Установились более тесные связи между автотрофами и гетеротрофами, растительность стала определять развитие животных. В морях и океанах невиданное ранее развитие мелких беспозвоночных - планктона - увеличило скорость связывания организмами углекислого газа атмосферы и гидросферы в карбонатные породы, уменьшив его содержание в атмосфере. 

Мезозойские отложения  очень богаты горючими полезными  ископаемыми, особенно углем (месторождения  близ Челябинска, Иркутска, Канско-Ачинска  в России, залежи в США, Канаде и  Китае), нефтью и газом (месторождения  Западной Сибири, Средней Азии и Ближнего Востока (Саудовской Аравии, Кувейта, Ирака) и т. д.) - до 50% мировых запасов; металлов - олова, вольфрама, золота; алмазов (Якутия, Южная Африка); фосфоритов и мела. 

В конце мелового периода, около 65 млн. лет назад, произошло  очередное (до 25%) массовое глобальное вымирание большинства видов наземных и морских организмов, причиной которого большинство ученых считает столкновение Земли с астероидом размерами 1,4´ 4 км (палеократер Хиксулуб на полуострове Юкатан). В результате взрыва мощностью около 108 Мт тротилового эквивалента в стратосферу было выброшено около 1016 кг пыли; высота волны цунами превышала 50 м на расстоянии сотен километров от моря. 

Кайнозойская  эра началась 67 миллионов лет  назад и продолжается поныне. К  ее началу структура земной коры была достаточно сложной и похожей на современную, существовали все океанские впадины и материки, площадь геосинклинальных поясов сократилась, положение полюсов и экватора почти совпадало с современным. 

Завершался распад Гондваны. Южные платформы неумолимо расползались в разные стороны. Почти до середины эры сохранялась связь между Южной Америкой и Африкой, от которых откололась Индия, и между Австралией и Антарктидой. Исчез ("захлопнулся") океан Тетис. Северные платформы, наоборот, объединялись. После осушения Западной Сибири и Туранской низменности образовался единый материк Евразия, к ней придвинулась, а затем и присоединилась Африка; долгое время Азия соединялась с Северной Америкой в районе Берингова моря. В конце палеогена Индия "причалила" к Азии, смяв в месте столкновения кору, содействуя образованию Гималаев. Атлантический и Индийский океаны увеличились в размерах, к концу неогена полностью раскрылся Северно-Ледовитый океан. 

В раннем кайнозое в зоне многочисленных прогибов Альпийско-Гималайского геосинклинального пояса начались мощные горообразовательные процессы, названные "альпийской складчатостью". Наибольшей силы они достигли в неогене. Так возникли высочайшие в мире сложные горные системы Пиренеев, Альп, Карпат, Балкан, Кавказа, Памиро-Алтая и Гималаев. Резкая активизация тектонических процессов на молодых платформах окончательно сформировала современный горный рельеф Тянь-Шаня, Алтая, Саян, в Евразии, Аппалачей и части Скалистых гор в Северной Америке, Анд в Южной Америке и т. д. Вдоль горных цепей образовались впадины будущих морей - Черного, части Каспийского и Средиземного, заполнившихся в плиоцене и миоцене. По краям материков возникли полуострова и островные дуги - Камчатка, Сахалин, Японские острова, Филиппины; в Африке возникла система Восточно-Африканских грабенов (Красное и Мертвое моря, цепь Великих озер). Развивались Восточно-Азиатская, Тибетско-Китайская, Калифорнийская, Андская и ряд других геосинклинальных областей. Мощные вулканические извержения происходили в Азии (Закавказье, Иран), Африке (Кения).