Непрерывность, необратимость и цикличность развития земли

Подземная гидросфера тесно взаимодействует с другими оболочками Земли, поэтому ее эволюцию следует рассматривать на фоне общепланетарных процессов. Среди наиболее важных назовем следующие:

• Зарождение Земли. Ее возраст, по современным данным, оценивается в 4,45 ± 0,02 млрд лет. Образовалась ли наша планета путем сгущения космического вещества, соударения космических тел или каким-либо другим способом - является предметом даль­нейших дискуссий.

• Необратимость развития Земли. Ее эволюция сопровожда­лась формированием внешних оболочек: лито-, атмо-, гидро-, био­сфер и расслоением внутренней части Земли на мантию и ядро. Все это происходило на фоне усиления дифференциации неоднородно­стей и разнообразия вещества, непрерывной диссипации (потери) энергии, роста объема наземной гидросферы и уменьшения флюи- досодержания в глубинных частях Земли.

• Цикличность развития Земли. Наблюдается повторяемость геологических, климатических, гидрологических, гидрогеологиче­ских и других природных событий, но каждый раз на новом уровне с некоторой периодичностью изменения темпов цикличностей и сме­щением этих процессов во времени. Разнонаправленные проявления цикличности связаны как с влиянием внешних факторов (галактиче­ских и гелиоцентрических), так и внутриземных причин - режимом поведения мантии. Проявления циклов происходят в разных направ­лениях. Перечислим некоторые из циклов: чередование полос сжа­тия и растяжения планеты в результате изменения скорости ее вра­щения, смещение местоположения магнитных полюсов во времени, смена этапов седиментации и орогенеза, колебание уровня Мирово­го океана, трансгрессии и регрессии моря, изменение органического мира биосферы, аккумуляция и рассеяние различных компонентов.

Остановимся подробнее на проблемах цикличности природ­ных процессов. В гл.З рассматривались климатический, гидрологи­ческий, гидрогеологический и геологический циклы круговорота воды подземной гидросферы. В геологии также выделяются разно­образные виды циклов (формационные, фациальные, металлогени- ческие и др.). Осадконакопление на нашей планете началось в позд­нем архее, около 3 млрд лет тому назад. Насчитывается 17 порядков таких циклов продолжительностью от одного года (ленточные гли­ны плейстоцена) до нескольких сотен миллионов лет.

Главные тектонические циклы Земли. Наибольшее влия­ние на облик нашей планеты оказали геодинамические циклы, выде­ленные Ж.Т. Вилсоном, М. Бертраном и Г. Штиле. В истории Земли насчитывается четыре цикла Вилсона. Их связывают с образованием и разрушением суперконтинентов: эпиархейского, формировавше­гося в конце архея и существовавшего от 2,6 до 2,3-2,2 млрд лет то­му назад, эпипротерозойского (от 1,65 до 1,4-1,35 млрд лет тому на­зад), эпимезопротерозойского (от 1,0 до 0,8 млрд лет тому назад), получившего название Родиния, и последнего из них Пангеи, про­державшегося 120 млн лет (от 320 до 200 млн лет тому назад). За последние 2 млрд лет прошло три цикла становления суперконти­нентов, т.е. для образования каждого из них требовалось примерно 650 млн лет [24].

Внутри циклов Вилсона располагаются тектонические циклы Бертрана. Он придерживался геосинклинально-орогенной концеп­ции, согласно которой выделялись три эпохи складчатости: каледон­ская от 545 млн лет тому назад (кембрия) до 370 млн лет тому назад (начало позднего девона), герцинская от 370 до 200 млн лет тому назад (до начала средней юры), альпийская - от 200 млн лет тому назад до настоящего времени. К этим двум циклам в дальнейшем добавили еще два: байкальский (венд) и киммерийский (середина мезозоя), характеризующие соответствующие эпохи складчатости. Продолжительность циклов Бертрана 150-200 млн лет, поэтому в цикл Вилсона входит три цикла Бертрана.

Тектонические циклы третьего порядка были установлены Г. Штиле. Основанием для их выделения послужили орогенические фазы. За фанерозойское время их было более двадцати. Продолжитель-

носгь циклов Штиле составляет примерно 30 млн лет. JI.H. Добрецов назвал этот цикл главной геологической периодичностью. В цикле Бер­трана их насчитывается, по крайней мере, три. Если цикл Вилсона ох­ватывает территорию огромного размера - суперконтинент, а глубина зарождения суперкокгинентов достигает 410-660 км, то циклы Штиле охватывают небольшие территории между островными дугами и кон­тинентами или между двумя соседними островными дугами, а корни заложения орогенных структур Штиле находятся в астеносфере.

Ротационно-пульсациониая гипотеза. Эндогенная дея­тельность Земли часто связывается с космическими процессами. Эта связь проявляется, прежде всего, в ротационно-пульсационном ре­жиме Земли [33], как полагают сторонники соответствующей тео­рии. Он обусловливает протекание геодинамических процессов по двум направлениям: эвстатическому и тектоническому. Первое из них реализуется перемещением объемов воды Мирового океана. Со­гласно гелиоцентрической модели в то время, когда Земля находит­ся в перигелии, часть вод Мирового океана должна переместиться из низких широт в высокие, чтобы принять форму шара. В то время, когда Земля будет находиться в офелии, часть вод Мирового океана должна уйти из высоких широт в низкие. Тектонические процессы проявляются при движении Земли по галактической орбите. Протя­женность галактического года в фанерозое непрерывно росла: 123, 161 и 231 млн лет. При нахождении в перегалактии Земля должна увеличивать свой объем и стремиться принять форму шара. Расче­тами показано, что при увеличении объема Земли на 1 %, длина эк­ватора увеличивается на 400 км. Поэтому при растяжении Земли образуются глубинные разломы, рифтообразные структуры, авлако- гены и усиливается вулканическая деятельность. В бореальных об­ластях активизируются морские трансгрессии, а в экваториальных областях море соответственно уходит от своих берегов. В апогалак- тии размеры планеты уменьшаются, и она приобретает форму эл­липсоида. Для этого времени характерны закрытие геосинклиналей, появление надвиговых и покровных структур, особенно на границах континентальной и океанической коры. Теперь в низких широтах регрессия моря сменяется трансгрессией, а в высоких, наоборот, мо­ре уступает место суше.

Все это укладывается в схему галацентрической модели, ко­торая находится в стадии разработки и требует новых доказательств для подтверждения своей правомерности. В связи с этим было бы полезно обсуждение следующих вопросов:

• близкое совпадение цикла Бертрана и галактических циклов;

• активизация базальтового магматизма, гидротермальной деятельности и рудообразования на этапах расширения планеты, соответствующих началу цикла Бертрана;

• активизация гранитоидного магматизма и гидротермально­го рудообразования на этапах орогенеза, соответствующих эпохам сжатия планеты и завершения циклов Бертрана;

• возникновение биотических кризисов и массовая гибель организмов, связанная с морскими трансгрессиями, регрессиями.

С позиций галацентрической модели, космические процессы обусловили эпохи угленакопления (в карбоне, юре и неогене) и неф- тенакопления (в кембрии, конце ордовика-девоне и перми-триасе).

Е.Е. Милановский разрабатывает пульсационную гипотезу режима Земли. Его схема демонстрирует связь эпох складчатости и возникающих при этом рифтовых зон, вулканических процессов, трансгрессий и регрессий моря с пульсациями Земли (рис.69). Это повод для размышлений о влиянии космоса на жизнь нашей плане­ты, на эндогенную и экзогенную ее деятельность.

Оледенения и климат прошлого. В.Е. Хайн [46] предлагает следующую хронологию оледенений на Земле: поздний архей 2,9 млрд лет назад (Южная Африка), поздний архей - перигляциальные образова­ния 2,53 млрд лет (Восточная и Центральная Африка); ранний протеро­зой 2,4-2,2 млрд лет (Канадский щит), средний протерозой 1,1-1,0 млрд лет (Канадский щит, Западная и Центральная Африка), поздний рифей 740-720 млн лет (почти повсеместно), ранний венд 620-600 млн лет (большинство континентов), граница венда и нижнего кембрия 454 млн лет (Северная Америка, Западная Африка, Южная Америка), поздний ордовик - ранний силур 445-429 млн лет, поздний девон — ранний карбон 363-353 млн лет, поздний палеозой 338-256 млн лет, поздний кайнозой 38 млн лет по настоящее время (Антарктида, Гренландия). Таким обра­зом, за 3 млрд лет истории Земли произошло примерно 11 крупных оле­денений. Все они связаны с резким похолоданием климата.

циклами Бертрана. Островодужный вулканизм, который возникал на орогенических фазах, приводил к интенсивному выбросу аэрозолей и затенению атмосферы; за этим следовало понижение температуры воздуха и оледенения. Плюмовый вулканизм и повышение концен­трации углекислого газа в воздухе способствовали появлению «пар­никового» эффекта, потеплению климата и таянию ледников.

Вернемся к ротационно-пульсационной гипотезе. Изменения климата тесно связаны с колебаниями солнечной инсоляции. Полу­чение тепла от Солнца зависит от наклона земной оси по отноше­нию к орбите вращения Земли (чем больше угол наклона, тем кон­трастнее колебания температуры воздуха, лето становится жарче, зима холоднее) и от места нахождения планеты на гелиоцентриче­ской орбите (при прохождении Землей перигелия, расположенного ближе всего к Солнцу, контрастность летних и зимних температур в одном полушарии сглаживается, а в другом резко возрастает). Все эти изменения происходят на фоне притяжения Луны, влияния дру­гих планет и носит периодический характер. На климат планеты мо­гут влиять и спонтанные явления, например удары о Землю крупных космических тел. Такое явление отмечено в Южной Африке и Авст­ралии, которые ранее составляли единое целое, и датируется в 3470 ± 2 млн лет назад. Крупный астероид упал на п-ов Юкотан (Центральная Америка) в юрское время. После его падения вымерли динозавры. Таким образом, эти столкновения имели глубокие по­следствия для климата Земли.

История наземной гидросферы. Зарождение нашей планеты рассматривается в основном по двум сценариям: «холодному» (сгу­щение космического вещества) и «горячему» (соударение крупных космических тел). Не обсуждая проблемы происхождения Земли, заме­тим, что наземная гидросфера образовалась в результате выплавления и дегазации мантии. Этот процесс шел неравномерно, усиливаясь на эта­пах рифтогенеза и вулканизма. Зарождение наземной гидросферы да­тируется примерно 4,2-4,1 млрд лет тому назад; в последующие 3 млрд лет объем поверхностных вод постепенно увеличивался, и к началу палеозоя (600 млн лет назад) приблизился к современному (табл.9). Можно сказать, что к этому времени стабилизировались процессы взаимодействия наземной гидросферы с подземной и надземной.

Данные табл.9 позволяют сделать некоторые выводы об эво­люции наземной гидросферы:

1. С позднего архея до наших дней площадь океанов сокра­щалась, а суши соответственно росла. Все это происходило на фоне горообразования и усиления контрастности наземного и подводного рельефа. Поэтому, несмотря на уменьшение территории водной по­верхности, объем воды в Мировом океане непрерывно увеличивался.

2. Вместе с увеличением объема Мирового океана повышался его уровень, примерно 0,8 мм за 1000 лет в последние 2-3 млрд лет.

3. На фоне общих тенденций: увеличения объема океанов, повышения водной поверхности и углубления дна - происходили резкие колебания их уровня в связи с трансгрессиями и регрессиями моря. Об их причинах шла речь несколько выше. Наиболее мощные трансгрессии в фанерозое происходили в ордовике (500 млн лет то­му назад), когда было затоплено примерно 50 % территории суши, и в меловое время (180 млн лет тому назад), когда было затоплено примерно 36 % территории суши. В фанерозое произошло семь

крупных регрессий, последняя из них началась в палеогене и про­должается в настоящее время. Благодаря ей, суша увеличила свои размеры на 10 млн км². Во время регрессии уровень океана падает на 100-200 м, а во время крупных трансгрессий поднимается до 170 м выше ординара. Тектонические процессы активно способст­вуют глобальному водообмену. Благодаря им, материки испытыва­ют тенденцию к подъему рельефа, что ведет к усилению континен­тальное™ климата. Углубление дна океана способствует увеличе­нию емкости этих водных резервуаров.

4. С течением времени доля поверхностных вод суши в об­щем объеме наземной гидросферы постепенно растет с 1 до 4,5 %. Сначала основная роль в этом перераспределении водных ресурсов принадлежала покровным ледникам, которые начали образовывать­ся в позднем архее и периодически «занимали» у поверхностной гидросферы до 30-60 млн км³ воды, затем образовались бессточные континентальные озера, в девоне возникли речные артерии, а в кар­боне - болота и озера. В голоцене появился человек, который с раз­витием цивилизации научился строить водохранилища и регулиро­вать в пределах своих возможностей водный баланс Земли.

2. ПОНЯТИЕ О МЕТОДАХ ПАЛЕОГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Палеогидрогеология — это молодое направление гидрогеоло­гической науки. Оно возникло несколько десятков лет тому назад, благодаря усилиям А.М. Овчинникова, Е.А. Баскова, А.А. Карцева и др. Вполне понятно, что каждый геологический объект имеет свою историю развития, не представляет исключения в этом отаошении подземная гидросфера. В изучении ее истории возникает весьма много трудностей, связанных, в первую очередь, с динамичностью подземных вод - наиболее подвижного компонента геологической среды. Вспомним слова В.И. Вернадского о «вездесущности» воды и о том, что «в верхней часта планеты ею все проникнуто и охваче­но». Хотя подземные воды повсеместно распространены и участву­ют практически во всех геологических процессах, воды предыдущих эпох наблюдать уже нельзя, поскольку они ушли с места событий,

290

изменили свое состояние и свойства в ходе водообменных процес­сов и потому исходные растворитель и растворенное вещество обна­ружить невозможно.

При изучении теории развития подземной гидросферы сле­дует учитывать роль фундаментальных законов гидрогеологии (см. гл.З). Они контролируют ход наиболее важных гидрогеологических событий, объясняя направленность и степень их воздействия на раз­ных этапах развития подземной гидросферы. Реализацию такого подхода при палеогидрогеологическом анализе можно себе предста­вить следующим образом. Эволюционный закон устанавливает эта­пы развития подземной гидросферы, структурно-пространственный закон показывает закономерности размещения гидрогеологических структур на нашей планете и условия формирования резервуаров подземных вод, пространственно-временной закон позволяет оце­нить влияние круговоротов воды, вещества и энергии и их связь с другими природными циклами. Физический закон дает понятие о формах и интенсивности движения геологической материи, в ко­торой наиболее подвижным компонентом являются подземные воды, химический закон описывает преобразования состава под­земных вод, процессы водного рассеяния и концентрирования вещества, а экологический закон оценивает приспособленность геологической среды для жизнедеятельности биоты и ее участие в геологических процессах.

Палеогидрогеологический анализ можно проводить в разном масштабе: глобальном, региональном, локальном. Сужая размеры изу­чаемого объекта, можно соответственно снижать уровень применяе­мых законов, т.е. переходить от общих к частным, отраслевым и т.д. Иначе формулируется задача палеогидрогеологического анализа, когда поставлена конкретная цель и определены границы изучаемой территории. Такие задачи могут возникать при оценке роли папео- гидрогеологических условий в формировании ресурсов, состава, температуры и других особенностей подземных вод. Палеогидро- геологические исследования используют также и для решения гео­логических задач (для поиска рудных, соляных, нефтяных месторож­дений), для оценки экологической обстановки, для изучения ланд­шафтно-геохимических условий и эволюции криогенных процессов.

Методика палеогидрогеологического анализа изложена в ра­ботах Е.А. Баскова [38]. Исходными материалами для палеогидро- геологической характеристики региона служат палеогеологические, палеотектонические, палеогеографические, палеоклиматические ре­конструкции, состав пород и его изменение при литификации и ги­пергенезе, данные изучения современной гидрогеологической обста­новки, выявленные гидрогеологические закономерности. Е.А. Басков рекомендует следующие этапы восстановления гидрогеологической обстановки:

• структурно-палеогидрогеологический - реконструкция ос­новных типов гидрогеологических структур, водоносных комплек­сов, гидрогеологических формаций и др.;

• палео-гидрогеодинамический - реконструкция степени во- дообильности пород, условий питания, движения, разгрузки подзем­ных вод и др.;

• палеогидрогеохимический - восстановление степени минера­лизации, состава подземных вод, гидрохимической зональности и др.;

• палеогидрогеотермический - реконструкция температур вод, температурной зональности и др.

Приступая к реализации указанных выше реконструкций, необходимо учитывать следующие методологические положения.

1. При проведении палеогеографических реконструкций де­лаются допущения, схематизации, упрощения, что связано с исполь­зованием метода актуализма. Понятно, что современные гидрогео­логические процессы не могут повторять то, что было ранее, по­скольку эволюционный закон констатирует, что развитие подземной гидросферы шло непрерывно и необратимо. Поэтому невозможно в полном объеме вернуть «на круги своя» то, что было - происходило движение плит, изменялись оболочки Земли, ландшафтная обста­новка, климат и многое другое. Нельзя забывать и о том, что для па- леогидрогеологических построений используются, прежде всего, косвенные признаки: структурно-тектонические условия, состав, свойства, условия залегания пород, признаки прошлых ландшафтов и климата, сохранившиеся остатки флоры и фауны.

Корректный палеогидрогеологический анализ открывает нам страницы гидрогеологической истории (может быть с некото­

рой долей условности), позволяет оценить роль палеогидрогеоло- гических условий в создании современной гидрогеологической об­становки, ее значение в формировании подземных вод, их ресурсов и состава, а также образовании других полезных ископаемых (руд, нефти, солей).

2. Подходы к реконструкции палеогидрогеологических об­становок на территории складчатых областей и платформ, естест­венно, различны. При изучении истории орогенов основное внима­ние уделяется изучению тектонических, магматических процессов, рельефообразованию, а для истории платформ наиболее важными считаются процессы седиментации, литогенеза и воздействия кли­мата. (Эрогенные и платформенные территории имеют соответст­венно эндогенный и геодинамический режимы, для них характерно образование разных типов скоплений подземных вод (трещинно­жильных в складчатых областях и пластовых в артезианских облас­тях платформенного типа). Неодинаковы также полнота геологиче­ской летописи и мощность пород.

3. При палеогидрогеологическом анализе наиболее сложным является обоснование этапов развития гидрогеологических струк­тур. Для складчатых областей наиболее существенным представля­ется определение времени и условий перехода от одних типов к дру­гим; для осадочных бассейнов - выделение этапов седиментогенеза (морских трансгрессий) и перерывов между ними (регрессия моря), что соответствует преобладающему развитию, в первом случае, ли­тогенного, а во втором, инфильтрагенного режима подземных вод. При выделении палеогидрогеологических этапов необходимо, в пер­вую очередь, учитывать строение гидрогеологических структур. Каждый последующий этап должен отличаться от предыдущего строением гидрогеологических структур, формированием опреде­ленных типов водоносных комплексов и пр. Для каждого новейшего этапа с учетом палеотектонических и палеоформационных реконст­рукций следует выделять основные типы водоносных комплексов с разными вещественным и литологофациапьным составом и усло­виями скопления подземных вод в горных породах.

4. Наиболее простой представляется реконструкция палеоус­ловий по аналогии. Изучаемому палеообъекту подбирается совре­

менный аналог со сходными структурно-геологическими условиями и протекающими в них процессами. При сопоставлении палеообъ­ектов с современными руководствуются принципом инвариантно­сти, предполагающим неизменность законов природы, в том числе и гидрогеологических, не зависящих от временных и пространст­венных ситуаций. При этом важно соблюдать комплексность ис­следований, использовать наиболее достоверные и, насколько воз­можно, полную информацию, позволяющую понять суть происхо­дивших ранее событий.

При проведении палеогидрогеологических реконструкций широко используются разные виды картографирования прежних об­становок (карты водоносных горизонтов и гидрогеологических струк­тур, гидроизогипс и пьезоизогипс, гидрогеодинамической и гидрогео­химической зональности, фаций и формаций, температурных, клима­тических и ландшафтных типов) для реконструкции палеоусловий изучаемых объектов. Для количественной оценки палеогидрогеологи­ческих процессов разработаны методы гидрогеологических расчетов (гидрогеодинамических, гидрогеохимических, температурных и др.), способы оценки возраста подземных вод по изотопным данным, этим же целям служит статистический анализ полученных материалов и моделирование гидрогеологических процессов.

В заключение подчеркнем, что при одних и тех же эмпири­ческих данных, результативность и полнота гидрогеологических ре­конструкций во многом зависит от корректности выбранной схемы палеогидрогеологического анализа и соблюдения порядка этапов его проведения.