Внешняя оболочка Земли, называемая платформой, имеет двухярусное строение. Нижний ярус сложен из кристаллических горных пород (базальты и граниты) мощностью (т.е. толщиной) до 50км под континентами и до 10км под океанами. Верхний ярус сложен из осадочных пород, его мощность достигает 5км, а среднее значение по всему земному шару составляет 2200м, с суммарным объемом около 900 млн. км3. Но в данной работе нас будут интересовать не подробности строения внешней оболочки Земли, а только те факторы, которые сформировали верхний слой осадочного чехла нашей планеты. Отметим сразу, от структуры верхнего слоя осадочного чехла зависит и жизнь, и благополучие каждого человека, поскольку эта структура определяет режим водоснабжения в каждом регионе.
Из личного опыта большинство читателей знают, что поверхность нашей Земли почти везде (кроме гор и дна океанов) покрыта относительно тонким почвенным слоем, под которым лежит такой же тонкий слой подзола, а еще ниже – слой или песка, или глины, или суглинка, или супеси. Поясним значения этих терминов
Порода, называемая песком, состоит в основном (до 90% и более) из частиц кварца (SiO2). Частицы песка имеют размер от 0,1 до 2мм, иногда в их составе кроме SiO2 присутствуют и другие окислы и вещества, которые придают песку характерный цвет (красный, черный, белый и т.д.).
Более сложный состав имеет порода, называемая глиной. Глина, как и песок, также состоит из частиц, но эти частицы, во-первых, не однородны по составу, а во-вторых – их размер не более 0,01мм. В состав глин входят частицы SiO2(30–70%), Al2O3 (10–40%) и вода (5–10%). Наличие в глине воды придает этой породе определенную пластичность.
Суглинок – это порода, состоящая примерно на 70% из частиц глины и примерно на 30% из частиц песка. Супесь – это порода, состоящая примерно на 70% из частиц песка и примерно на 30% из частиц глины. Что касается подзола – это промежуточная прослойка между почвой и глиной (или суглинком).
Почвенный слой совместно с воздухом и влагой обеспечивают существование на Земле флоры (растительного мира) – основания пищевой пирамиды для всей фауны (животного мира) планеты, в т.ч. и для человека. В свою очередь, сам почвенный слой сложился в результате переработки корнями растений тонкого слоя верхнего пласта глины, с одновременным перемешиванием этого слоя с продуктами разложения отмерших растений. Качество почвенного слоя определяется содержанием в нем т.н. гумуса (перегноя) – высокомолекулярных органических веществ, образованных из продуктов разложения растительных остатков, содержащих элементы питания следующих поколений растений. Почвы, богатые гумусом – плодородны. А что же находится под почвой и подзолом?
Если взять результаты буровых работ, то можно сделать вывод, что Земля под нашими ногами на всех континентах, а также под дном морей и океанов, по крайней мере до глубины 200м сложена из чередующихся слоев глины и песка мощностью каждого слоя от долей метра до нескольких десятков метров. Откуда же взялись эти слои песка и глины, общий объем которых на суше и на шельфе (до глубины 200м) составляет примерно 100 млн. км3. Геологическая наука утверждает, что песок и глина в верхней части осадочного чехла нашей планеты образовались в результате длительного процесса разрушения коренных магматических пород, основная из которых – гранит.
Гранит (по-итальянски granitoозначает зернистый) – наиболее распространенная в земной коре континентов кислая полнокристаллическая магматическая горная порода, состоящая в основном из кварца (SiO2) и калиевого полевого шпата (алюмосиликаты калия – K[AlSi3O8]). Начиная с древних времен и до наших дней гранит используется в качестве строительного материала.
Попробуем оценить энергетические затраты, требуемые для размельчения такой огромной массы гранита, которая необходима для получения 100 млн. км3 (или 1.1023 см3) песка и глины. Для простоты будем считать, что из одного объема гранита образуется точно такой же объем песка и глины. Поскольку в нашем распоряжении нет тех 4,5 миллиардов лет, которые прошли с момента образования Земли и до наших дней, и в течение которых происходило изменение осадочного чехла, нам придется рассмотреть различные технологии переработки гранита в песок и глину. Самым распространенным технологическим процессом такого рода является сверление гранита, освоенное человечеством в Египте еще 5 тысяч лет назад.
Современная технология сверления гранита основана на использовании алмазного инструмента. У самого распространенного в геологической разведке бурового станка ГП-1 при использовании кольцевой алмазной коронки (внешний диаметр 59мм, внутренний – 39мм) скорость проходки по граниту составляет 0,3м в час. Зная мощность бурового станка (6,12 КВт) и определив объем кольцевого канала, разбуренного в граните за 1 час (462см3), получаем, что при бурении гранита по современной технологии для получения из него 1 см3 песка и глины требуется затратить 47,7 КДж.
Теперь рассмотрим, какие энергозатраты при сверлении гранита тратили древние египтяне при изготовлении отдельных элементов знаменитых пирамид. Для этого мы используем данные Николая Васютина, где он привел реконструкцию сверления камня в древнем Египте .
Как и строители пирамид, при работе с гранитом Н.Васютин использовал в качестве сверла медную трубку. Но в отличие от предшественников, наш современник для вращения этой трубки использовал не тетиву лучка, а обычную рукоятку. В патрон своего устройства он закрепил медную трубку диаметром 50мм с толщиной стенок 2мм. В процессе сверления вертикальная нагрузка на сверло составляла 10 кг, скорость вращения сверла человеком составляла от 100 до 150 оборотов в минуту. На режущей кромке медной трубки, как и у египтян, были нанесены насечки, которые регулярно обновлялись. В рабочую зону сверления периодически подавалась вода и естественный абразив – кварцевый песок. За 8 часов работы при нагрузке на сверло 10 кг удалось углубиться в гранит на 50 мм, при этом размеры кольцевой полости в камне составили для наружного диаметра 50,0мм и 46,0мм – для внутреннего. Следовательно, объем ручной выработки за час составил 1,884см3. Приняв, что мускульная «мощность» среднего человека составляет одну шестую от лошадиной силы (т.е. 0,12266 КВт), получаем, что Николай Васютин потратил на получение из гранита 1 см3 песка и глины 234,4 КДж. Видимо, такую же энергию на получение из гранита 1 см3 песка тратили и древние египтяне.
Вернемся еще раз к возможностям природы по переработке 1.1023 см3 гранита в песок и глину. Если бы природа смогла использовать древнеегипетскую технологию, ей пришлось бы потратить на эту операцию энергию в объеме 2,34.1025 КДж. При использовании современной технологии затраты энергии были бы в 4,9 раз меньше, но кто смог бы предоставить природе бесчисленное множество алмазных буровых коронок или медных сверлильных трубок? Скорее всего, природа при переработке гранита в песок и глину пользовалась более простой, а значит и более энергозатратной технологией, даже по сравнению с той, которую использовали древние египтяне.
Чтобы более полно оценить возможности природы по переработке гранита, посмотрим, какими энергетическими мощностями располагает наша Земля. Известно, что энергия, поступающая на поверхность Земли, на 99,98% определяется излучением Солнца. Мощность солнечного излучения, достигающего Земли, составляет 2.1017 Дж/с. Если всю эту мощность можно было бы потратить на размол 1.1023 см3 гранита в песок и глину, природе при использовании древнеегипетской технологии (или подобной ей по энергозатратам) потребовалось бы 3700 лет.
Однако природа не могла потратить на размол 1.1023 см3 гранита всей получаемой от Солнца энергии. Эта энергия нужна прежде всего на поддержание средней температуры поверхности Земли на уровне +12оС. Изменение потока получаемой энергии на ±10% от номинальной величины автоматически приводит к изменению средней температуры поверхности Земли на ±6,5оС. Так что на размол 1.1023 см3 гранита в песок и глину природа могла потратить не более 1% получаемой Землей энергии, что увеличивает длительность размола до 370 тысяч лет.
Но все дело в том, что природа не могла использовать для размельчения гранита ни современной, ни древнеегипетской технологии. Она использовала для этого свою специфическую технологию, заключающуюся в следующем. Летом в самую большую жару открытая к Солнцу поверхность гранита в ряде мест может накалиться до температуры около 80оС. Если на горячую поверхность гранита попадают первые капли летнего дождя, поверхность камня в первые же секунды покрывается от термоудара сеткой микротрещин. В следующие летние сезоны эти микротрещины разрастаются. Наконец наступает момент, когда в межсезонье попавшая в микротрещины дождевая вода замерзает во время ночных заморозков, отчего микротрещины расширяются. Так постепенно, год за годом, происходит естественное разрушение гранита, причем непосредственно процесс активного разрушения гранита происходит не более 100 секунд в год, т.е. с современной точки зрения достаточно неэффективно.
При использовании древнеегипетской технологии для размола 1.1023 см3 гранита в песок и глину при непрерывном процессе, как было показано выше, потребовалось бы 370 тысяч лет, или 1,16.1013 секунд. Если на размол гранита в песок и глину природа могла выделять не более 365с в год (т.е. по одной секунде в день), то тогда даже при использовании древнеегипетской технологии (а на самом деле в природе процесс был более примитивный), на получение 1.1023 см3 песка и глины ушло бы 3,2.1010 (или 32 миллиарда) лет. И вот здесь, как нам кажется, мы подходим к моменту истины – таким периодом времени Земля не располагала, поскольку ее возраст составляет 4,5 миллиардов лет, а пик гранитообразования имел место в протерозое, приблизительно 2,5. миллиардов лет тому назад.
Таким образом, утверждение о том, что песок и глина из верхнего слоя осадочного чехла нашей планеты образовались в результате длительного процесса разрушения гранита, верно только отчасти, не более чем на 5%. Каким же образом образовались в верхнем слое осадочного чехла остальные 95% песка и глины? Для ответа на этот вопрос нам придется обратиться к теории катастрофизма, предложенную в 1812 году французским естествоиспытателем Жоржем Кювье (1769 – 1832). Согласно Кювье, история Земли состоит из ряда последовательных этапов спокойного эволюционного развития, разделенных бурными катастрофами (катаклизмами), резко изменяющими лик Земли.
В качестве одной из основных причин скачкообразных изменений природы современная теория катастроф считает прежде всего периодические бомбардировки Земли кометами. Кометы являются малыми космическими телами (размером от 0,5 до 100км), состоящими из смеси замерзших до твердого агрегатного состояния различных газов и паров, перемешанных с т.н. космической пылью – твердыми частицами размером менее 1мм разного химического состава: металлы, силикаты, окислы, соли металлов, хлориды и т.п. Состав льдов комет (Н2О, СН4, NН3, СО2 и др.) показывает, что температура комет не выше минус 180оС.
В настоящее время считается, что первоосновой комет служат осколки взорвавшихся звезд, выбрасываемых через т.н. струйные рукава Галактики «Млечный Путь». Эти рукава каждые 30±5 млн. лет пересекает наше Солнце, движущееся со всеми своими планетами по круговой орбите вокруг центра упомянутой Галактики. При этом диаметр орбиты Солнца составляет 100 000 световых лет (в 3,15 млрд раз больше диаметра орбиты Земли вокруг Солнца). Солнце движется по галактической орбите со скоростью 220 км/с, время его полного оборота составляет примерно 240±15 млн лет (т.е. примерно в 240 млн раз дольше времени полного оборота Земли вокруг Солнца).
Осколки взорвавшихся звезд в процессе своего полета остывают до криогенной температуры, и затем, проходя через газо-пылевые туманности галактического пространства, намораживают на свою поверхность смесь различных льдов, перемешанных с космической пылью. Часть звездных осколков, постепенно превратившихся в кометы, достигают Солнечной системы. Поэтому Солнце, Земля и другие планеты и их спутники через каждые 30±5 млн. лет подвергались ранее и будут подвергаться в будущем бомбардировкам галактическими кометами. Длительность каждого бомбардировочного цикла – до 500 тыс. лет.
Интенсивность бомбардировок в каждом цикле различная, т.к. поток выброса материи из различных струйных рукавов Галактики также различный, не говоря уже о непостоянстве этих потоков во времени. Кроме того, Солнце движется вокруг Галактики не по плоской круговой орбите, а одновременно с круговым движением совершает синусоидальные колебания в вертикальной плоскости.
Как же происходит бомбардировка Земли кометами? В зависимости от размеров и степени сцепления льда в однородный конгломерат комета может либо разрушиться в верхних слоях атмосферы, либо, потеряв некоторую часть поверхностных слоев, достигнуть водной или твердой поверхности Земли.
Некоторые из комет, не столкнувшиеся с планетами или Солнцем, становятся пленниками Солнечной системы. Они периодически с периодом от нескольких десятков лет (а некоторые – апериодически) пролетают по сильно вытянутым эллиптическим орбитам, огибая Солнце, и могут наблюдаться с Земли. Во время относительно кратковременного появления в поле видимости с Земли (несколько дней) комета наблюдается как светлая точка (ядро), за которым тянется хвост, направленный в сторону от Солнца, либо к Солнцу. Как уже было сказано, ядро кометы представляет собой леденистое тело с криогенной температурой – смесь из замерзших до твердого агрегатного состояния газов, паров и вкрапленных в эту ледяную смесь частиц космической пыли. Примерное соотношение между льдом и космической пылью – 50 на 50% по объему. Частицы пыли представляют собой совокупность однородных молекул какого-либо химического элемента или его простейшего соединения с другими химическими элементами. Хвост кометы состоит из улетучивающихся из ядра под действием солнечных лучей молекул и ионов газов и паров и увлекаемых ими частиц пыли. Обычно размеры ядра находятся в пределах от 0,5 до 100 км, а видимая длина хвоста – десятки млн. км.
Если величина пылинок менее 0,1мм, они попадают под действие светового давления Солнца. В этом случае хвост кометы ориентирован в сторону от Солнца. Если же величина пылинок больше 0,1мм, они попадают под действие гравитационных сил притяжения Солнца. В этом случае хвост кометы ориентирован на Солнце. Если в ядре кометы присутствуют пылинки разного размера (как меньше 0,1мм, так и больше этой величины), комета может иметь два хвоста. В этом случае один хвост будет направлен от Солнца (в этом хвосте будут находиться пылинки размером меньше 0,1мм), а второй хвост – в сторону Солнца (в этом хвосте будут находиться пылинки размером более 0,1мм).
Ядро кометы, имеющее криогенную температуру, при прохождении через газопылевые облака Галактики, «намораживает» на своей холодной поверхности частицы (атомы, ионы и пылинки), из которых состоят эти облака. При прохождении кометы вблизи Солнца начинается испарение верхних слоев намороженного вещества. Масштаб этого процесса достаточно внушителен. Поток вещества, испаряющегося из ядра при пролете кометы вблизи Солнца, достигает десятков тысяч тонн в секунду. Поскольку прохождение комет через область внутренних планет солнечной системы никем не регулируется, периодически имеют место столкновения комет с планетами. На памяти наших прадедов 30 июня 1908 года произошло столкновение малогабаритной кометы с Землей (Тунгусский метеорит). А в июле 1994 года мы наблюдали столкновение фрагментов кометы Шумейкера-Леви с Юпитером.
Согласно теории катастрофизма, во все время эволюции, а особенно на ее ранней стадии, Земля в процессе движения нашего Солнца вокруг Галактики периодически, примерно через каждые 30±5 млн. лет подвергалась бомбардировкам галактическими кометами. Длительность каждого цикла интенсивной бомбардировки составляла не менее 500 тыс. лет, при этом в каждом цикле на Землю обрушивались десятки тысяч комет с диаметром ядра вплоть до 100 км. Отсюда следует, что водяной лед и космическая пыль из комет непосредственно попадали на поверхность нашей планеты. На относительно теплой поверхности Земли, не покрытой еще мягким осадочным чехлом, водяной лед таял, и полученная при этом вода с примесью хлоридов щелочных металлов шла на образование гидросферы Земли. Остальные леденистые компоненты ядер комет (СН4, СО2 и др.), не имея возможности зафиксироваться на твердой поверхности, после возгонки улетучивались в атмосферу. Космическая пыль от растаявшей на твердой поверхности Земли кометы оставалась без всякой сепарации на поверхности Земли. Бомбардировки Земли кометами были столь интенсивными, что уже в первой четверти архея мировой океан из растаявших комет покрыл почти всю поверхность нашей планеты.
Те кометы, которые попадали в океан нашей планеты, начинали таять. Освободившиеся от криогенного льда космическая пыль комет, в том числе окислы кремния и алюминия, которые не растворялись в воде, как это происходило с хлоридами щелочных металлов, будучи тяжелее воды опускались на дно океана в соответствии с законом Архимеда. При этом в соответствии с законом гидродинамики происходила своеобразная сепарация частичек космической пыли: более крупные частицы опускались быстрее более мелких. Таким образом, на дне океана последовательно откладывались более или менее однородные по составу слои песка и слои глины. Через некоторое время, в палеозое, океан отступил с поверхности современной суши, и чередующиеся пласты песка и глины в верхнем слое осадочного чехла естественно перешли в наследство современным континентам. Заметим, что при формировании верхней части осадочного чехла только за счет продуктов разрушения гранитных пород, никакой слоистости осадочного чехла не было бы. В этом случае осадочный чехол был бы сложен из однородной массы, состоящей в основном из равномерно перемешанной смеси песка и глины.
Современная наука признает, что в осадочном чехле Земли один слой глины (мощностью от 1 до 6 см) имеет космическое происхождение. Этот слой глины, образовавшийся на стыке отложений мезозоя и кайнозоя примерно 65 млн. лет назад, впервые обнаружил в Италии в 1977-80гг американский геолог Уолтер Альварес. Характерное отличие этого тонкого слоя глины, зафиксированного в настоящее время почти на всех континентах – повышенное в 30 раз содержание иридия по сравнению с соседними слоями известняка, между которыми он находится. А иридий, по современным понятиям, мог попасть в осадочный чехол Земли только из космического пространства.
Будем надеяться, что и остальные слои песка и глины из осадочного чехла Земли рано или поздно получат галактическую родословную. Первый шаг в этом направлении был сделан в 2014 году при выполнении «геологической» программы европейского зонда «Джотто». Основная цель зонда – мягкая посадка на комету Чурюмова-Герасименко и анализ химического состава ее ядра – не только на поверхности, но и на некоторой глубине (для этого зонд был оснащен миниатюрной буровой установкой). Результаты исследований – с помощью зонда зарегистрированы выбросы пылегазового вещества из ядра кометы в виде воды и множества органических соединений.