Наукой о строении Земли установлено, что внешняя оболочка нашей планеты, закрывающая раскаленную магму, сложена из кристаллических горных пород (базальты и граниты) мощностью, т.е. толщиной, до 50 км под континентами и до 10 км под океанами. Сверху эта гранитно-базальтовая оболочка закрыта т.н. чехлом, сложенным из осадочных пород. Мощность осадочных пород над континентами достигает 5 км, а среднее значение по всему земному шару составляет 2,2 км с суммарным объемом около 1120 млн. кубокилометров. Т.н. осадочный чехол состоит из чередующихся слоев песка и глины, а также суглинков, супесей и известняков. Кроме этих нерудных материалов внутри осадочного чехла встречаются рудные месторождения, а также месторождения горючих ископаемых (газ, нефть, ископаемый уголь). Там же встречаются и поземные водные горизонты (как питьевой, так и минеральной воды).
Поясним вкратце состав осадочного чехла. Песок на 90% и более состоит из частиц кварца (SiO2) размером от 1 до 0,1мм. Глина – это смесь мельчайших частиц кварца (30 – 70%) с частицами корунда Al2O3 (10 – 40%) и водой, придающей глине пластичность. Размер частиц кварца и корунда, образующих глину – 0,01мм и менее. Суглинок – это смесь примерно 70% глины и 30% песка. Супесь – смесь примерно 70% песка и 30% глины.
В данной работе попытаемся объяснить, почему осадочный чехол сложен в основном из чередующихся слоев песка и глины, мощность каждого слоя от долей метра до нескольких десятков метров, причем слои песка и глины перемежаются с редкими слоями известняка – CaCO3.
Геологическая наука утверждает, что песок и глина, образующие осадочный чехол Земли, образовались в результате длительного процесса разрушения коренных магматических пород оболочки, прежде всего гранита. Гранит – это кислая полнокристаллическая магматическая горная порода, состоящая в основном из кварца и калиевого полевого шпата (алюмосиликата калия).
В природе разрушение гранита наиболее интенсивно идет там, где летом стоит жаркая погода с периодическими дождями, а зимой или в межсезонье наблюдаются ночные заморозки. Необходимые условия для этого процесса – поверхность гранита должна хорошо нагреваться Солнцем летом, а зимой или в межсезонье эта поверхность должна подвергаться заморозкам. Если на раскаленную Солнцем поверхность гранита падают первые капли летнего дождя, поверхность камня в первую же секунду покрывается от термоудара сеткой микротрещин. В следующие летние сезоны глубина и плотность этих микротрещин увеличится. Попавшая в межсезонье в микротрещины дождевая вода замерзает во время ночных заморозков, отчего микротрещины расширяются. Так постепенно, год за годом, в природе происходит разрушение гранита, причем непосредственно активное разрушение гранита идет не более 365 секунд в год, т.е. достаточно медленно, поскольку в году 3,15 ×107 секунд.
Для разрушения гранита природа может использовать только небольшую часть поступающей на Землю энергии излучения Солнца, составляющую 2×1017Дж/с. Эта энергия нужна прежде всего для подержания средней температуры поверхности Земли на уровне +12ºС. Уменьшение потока получаемой энергии на 10% от номинальной величины автоматически приводит к уменьшению средней температуры поверхности Земли на 6,5С, и это понижение температуры заблокирует процессы термоударного разрушения гранита. Поэтому на разрушение 1120 млн. кубокилометров (или 1,12×1024см3) гранита природа может потратить не более 1% получаемой Землей солнечной энергии, или 2×1015 Дж/с.
Если мы примем, что эффективность использования солнечной энергии при разрушении гранита в природе не хуже, чем эффективность сверления гранита при строительстве пирамид в Древнем Египте, то для разрушения 1120 млн. кубокилометров гранита в песок и глину природе потребовалось бы 2,78×1026КДж, поскольку расход энергии у древних египтян при разрушении 1см3 гранита при его сверлении составлял 224КДж. Заметим, что чем примитивнее технология, тем она более энергозатратная. При непрерывном процессе разрушения 1120 млн. кубокилометров гранита природе потребовалось бы время равное 2,78×1026КДж/2×1015Дж/с=1,4×1014 секунд. Поскольку выше было показано, что гранит в природе разрушается примерно 365 секунд в год, то на разрушение 1120 млн. кубокилометров этой горной породы потребовалось бы 3,8×1011 лет. Но таким запасом времени природа не располагала, поскольку возраст Земли составляет 4,5×109 лет, а пик гранитообразования имел место в протерозое, т.е. приблизительно 2,5×109 лет тому назад. Заметим также, что при формировании осадочного чехла за счет продуктов разрушения гранитных пород, никакой слоистости не было бы. В этом случае осадочный чехол был бы сложен из однородной массы, состоящей в основном из равномерно перемешанной смеси частиц кварца и корунда.
Таким образом, официальная версия происхождения песка и глины осадочного чехла Земли за счет длительного процесса разрушения гранитного фундамента, верна только отчасти. Каким же образом образовалась в осадочном чехле основная часть песка и глины? Для ответа на этот вопрос нам придется обратиться к теории катастрофизма, предложенной в 1812г. французским естествоиспытателем Жоржем Кювье. Согласно этой теории развитие природы нашей Земли состоит из непрерывно чередующихся циклов спокойной эволюции и относительно кратковременных катастроф, скачкообразно изменяющих лик Земли. В качестве одной из основных причин этих скачкообразных изменений современная теория катастроф считает периодические бомбардировки Земли галактическими кометами.
Кометы являются малыми космическими телами (размером от 0,5 до 100км), состоящими из смеси замерзших до твердого агрегатного состояния газов и паров, перемешанных с т.н. космической пылью – твердыми частицами размером менее 1мм разного химического состава: силикаты, металлы, окислы и соли металлов, хлориды и т.п. Состав льдов комет (H2O, CH4, NH3, CО2 и др.) показывает, что температура этих космических тел не выше минус 200ºС.
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.
В случае разрушения кометы в верхних слоях атмосферы на поверхность Земли, расположенную под эпицентром разрушения, выпадает ливень ледяных осколков, нашпигованных частицами космической пыли. Этот ливень выпадает либо на поверхность мирового океана, либо на поверхность одного из материков. Заметим сразу, что площадь поверхности нашей планеты, занимаемая океаном, в процессе эволюции Земли периодически изменялась от современного значения как в большую, так и в меньшую сторону из-за периодического изменения уровня океана..
Поясним причину периодических изменений уровня океана. С позиций теории катастрофизма все просто. Если вода доливается в океан, его уровень повышается. Если вода выливается из океана, его уровень понижается. «Доливание» воды в океан обеспечивают кометы, размер которых не превышает 1км. При попадании таких комет в океан возникает огромная волна и высокий выброс воды вверх. Но суммарный баланс от таких комет – положительный. «Выливание воды из океана обеспечивают более крупные кометы, размер которых более 1км. При попадании таких комет в океан большая часть их огромной кинетической энергии кометы (эта энергия пропорциональна кубу диаметра кометы) идет на то, чтобы выплеснуть как можно больше имеющейся в океане воды в космическое пространство. Суммарный баланс от действия крупных комет – отрицательный. Т.о. уровень океана зависит от того, кометы преимущественно какого размера падают на Землю в данный бомбардировочный цикл.
Рассмотрим сначала те осколки кометы, которые выпали на поверхность океана. Можно принять, что осколки достаточно пористого кометного льда остались на плаву и постепенно растаяли. Вода от растаявшего водного льда естественно присоединяется к океанской воде. Судьбу образовавшегося при таянии метанового льда газообразного метана здесь рассматривать не будем.. Остальные газы (CO2, NH3) либо растворяются в верхних слоя океана, где вступают в химические реакции с хлоридами, растворенными в океанской воде, либо переходят в атмосферу. Что касается космической пыли, то у нее два пути. Пылинки, образованные хлоридами, достаточно быстро растворяются в океанской воде. Те же пылинки, материал которых не растворим в воде, опускаются на дно океана. Это прежде всего частицы кварца и корунда размером от 1 до 0,01мм и менее.
Скорость осаждения в воде частиц из кварца и корунда можно легко получить из гидродинамического закона Стокса, определившего силу сопротивления вязкой жидкости для шарика, равномерно движущегося в этой жидкости:
Fсопр = 6πμrv (1)
где: Fсопр – сила сопротивления жидкости,
μ – вязкость жидкости,
r – радиус шарика,
v – скорость шарика.
Уравнение (1) справедливо для малых чисел Рейнольдса:
Re = ρorv/μ (2)
где: ρо – плотность жидкости.
Падение шарика в жидкости происходит под действием силы всемирного тяготения за вычетом выталкивающей силы Архимеда:
Fдв = 4πr3(ρ – ρо)g/3 (3)
где: Fдв – сила, увлекающая шарик вниз,
ρ – плотность материала шарика,
ρо – плотность жидкости,
g – ускорение силы тяжести.
В установившемся режиме сила тяготения, уменьшенная на силу Архимеда, уравновешивается силой сопротивления жидкости, отсюда легко получить выражение для скорости равномерного опускания шарика в жидкости:
v = 2g(ρ – ρo)r2/9μ (4)
Из уравнения (4) следует, что установившаяся равномерная скорость опускания шарика в жидкости прямо пропорциональна квадрату радиуса этого шарика. Для частиц кварца (ρ = 2,65 г/см3) размером 1мм получаем скорость опускания в воде (μ = 1,308×10-4 Па×с при + 10ºС) v1мм = 6,9 м/с. Расчеты сделаны в предположении, что частицы кварца и корунда, входящие в состав космической пыли, имеют форму, приблизительно соответствующую форме шарика. Для частиц кварца размером 0,01мм получаем v0,01мм = 0,00069 м/с, т.е. в десять тысяч раз меньше.
При таких скоростях частица кварца размером 1мм, следуя закону Стокса, опустится в океане на глубину 1км за 145с, а частицы того же кварца размером 0,01мм будут опускаться на ту же глубину 1,45 млн. секунд, или 16,8 суток. Для частиц кварца размером 0,01мм, движущихся в воде со скоростью 6,9×10-4 м/с, расчет числа Рейнольдса дает Re = 0,0265 << 1, т.е. движение этих частиц подчиняется закону Стокса (это заключение в некоторой степени приблизительное, поскольку форма частиц кварца несколько отлична от шарообразной формы). У частиц кварца размером 1мм, движущихся со скоростью 6,9м/с, Re = 26500 >> 1. Значит, эти частицы не подчиняются закону Стокса, и их падение вглубь океана идет со скоростью большей, чем 6,9м/с.
Отсюда следует, что скорость падения в воде частиц кварца размером 1мм превышает скорость падения частиц размером 0,01мм не в 10 тысяч раз, как это следовало бы из закона Стокса, а гораздо больше. Но это нисколько не нарушает тот факт, что при падении на дно океана частиц кварца и корунда из осколков кометы происходит их своеобразная сепарация по размеру частиц. Быстрее всего опускаются крупные частицы кварца, которые образуют на дне океана слой песка. После этого с задержкой по времени в несколько суток, зависящей от глубины океана, сверху слоя песка начинает формироваться слой глины, в состав которой, как мы помним, кроме воды, входят частицы кварца и корунда размером 0,01мм и менее. Заметим, что площадь этого двухслойного образования из песка и глины не бесконечна, а соответствует, с поправкой на существующие в данном месте течения, размерам плавающих на поверхности океана осколков льда из каждой конкретной кометы. Таким образом, осадочный чехол, покрывающий гранитно-базальтовую оболочку Земли, напоминает конструкцию из папье-маше.То же, что чередующимися слоями песка и глины покрыт практически весь земной шар, лишний раз подтверждает, что суммарное число комет, достигших Земли, исчисляется миллионами.
В случае непосредственного падения кометы в океан комета остается на плаву, при этом ее ледяная субстанция достаточно быстро тает, а высвобождающиеся из ледяного плена частицы космической пыли начинают опускаться на дно. При этом происходит сепарация этих частиц по размеру, и на дне океана образуются два слоя – песка и глины. В случае же попадания кометы или ее осколков на твердую поверхность материка, сепарации космической пыли по размеру частиц не происходит.
Когда в палеозое (от 570 до 235 млн. лет назад) уровень океана понизился примерно на 1км, достигнув своего современного значения, вода отступила с поверхности современной суши, и чередующиеся пласты песка и глины перешли в наследство современным континентам, а значит и нам, современным обитателям Земли.