Факультет

Студентам

Посетителям

Биосфера в земной коре

Разложение органических веществ и поступление свободной химической энергии в биосферу продолжается непрерывно миллиарды лет — с момента появления жизни на Земле.

Эти процессы направлены на уменьшение энтропии, увеличение дифференциации, разнообразия, сложности биосферы. Поэтому биосфера — значительно более сложная и дифференцированная система, чем залегающие глубже слои земной коры, верхняя мантия.

В начале XX столетия связь между глубокими слоями земной коры и биосферой представлялась прямой. Полагали, что магматизм, складчатость, горообразование и другие так называемые эндогенные процессы влияют на выветривание горных пород, осадкообразование, деятельность подземных вод и другие процессы биосферы. Обратное влияние биосферы на глубокие слои земной коры не рассматривалось. Однако за последние десятилетия накапливается все больше фактов об обратном характере связей — что и биосфера влияет на глубины земной коры.

Все большее признание в науках о Земле находит концепция большого круговорота веществ, рассматривающего тектонические процессы, магматизм, осадкообразование и эволюцию жизни как звенья единого процесса развития земной коры и верхней мантии. «…В «земную кору» входит несколько геологических оболочек — биосфера, стратисфера, метаморфическая и гранитная оболочка. Все они когда-то в длении геологического времени находились на земной поверхности, были биосферами. Все они генетически между собой связаны, взятые в целом представляют одно явление», — писал В. И. Вернадский в 1939 г. По представлениям ученого, граниты — это «былые биосферы», продукт переплавления осадочных пород. В настоящее время происхождение гранитов трактуется с разных позиций, учитывается и механизм, предложенный Вернадским, с той поправкой, что в гранитообразовании, помимо материала осадочных пород, участвуют и газожидкие растворы (флюиды), поступающие из базальтового слоя или мантии. Участие осадочных пород в формировании гранитного слоя позволило говорить о «большом круговороте веществ в земной коре», который, как и другие круговороты, следует понимать как форму поступательного развития — циклоиду или спираль: по мере развития земной коры происходило наращивание гранитного слоя, этого порождения биосферы. Мощность его в архее была меньше, чем в современную эпоху.

Н. В. Белов и В. И. Лебедев предположили, что, опускаясь в геосинклиналях на большие глубины, глинистые толщи переплавлялись, превращались в магму, из которой кристаллизовались позднее полевые шпаты. При этом расстояние между алюминием и кислородом уменьшалось, энергия, поглощенная в биосфере при образовании глинистых минералов, выделялась. Эта энергия наряду с радиоактивностью служит причиной магматизма, горообразования и других глубинных процессов. Глинистые минералы, следовательно, играют роль «горючих ископаемых», которые в отличие от угля отдавали заключенную в них энергию лишь при высоких температурах плавления пород. Если данная гипотеза верна, то понятие о большом круговороте веществ дополняется понятием о переносе энергии, который также связывает биосферу с магматизмом.

Рассмотрим большой круговорот с информационных позиций. При переплавлении осадочных пород разнообразие уменьшается: возникает более или менее однородный расплав — магма. Тепловое хаотическое движение атомов и молекул увеличивается, энтропия системы возрастает. При остывании магматических очагов в определенной последовательности кристаллизуются изверженные породы, например диориты → гранодиориты → граниты. Разнообразие при этом увеличивается, информация растет. Еще разнообразнее гидротермальные процессы, которые распространены выше области магматических очагов. Напомним, что с горячими растворами связано формирование очень разнообразных гидротермальных месторождений. Одни ученые подчеркивают связь этих процессов с магматизмом, считая их постмагматическими, другие — с верхней частью земной коры, осадочной оболочкой, т. е. биосферой. Новейшие данные говорят, что правы те и другие: гидротермальные месторождения полигенетичны, источником воды и металлов являются нередко осадочные толщи, но не исключаются и магматические источники. Но если мы вспомним, что согласно концепции большого круговорота сама гранитная магма — былые биосферы, то опосредованная связь значительной части гидротермальных процессов с биосферой становится очевидной. И только для гидротермальных месторождений, обязанных своим происхождением базальтовому слою или верхней мантии, связь с биосферой маловероятна или во всяком случае не установлена.

Наибольшее разнообразие и уменьшение энтропии характерно для биосферы с ее миллионами видов организмов, большим числом месторождений полезных ископаемых, ландшафтов, почв и других биокосных систем. По сравнению с гранитным и базальтовым слоями биосфера характеризуется не только появлением новых видов информации, но и резким увеличением ее общего количества («информационный взрыв»).

В земной коре, следовательно, сосуществуют две противоположные категории процессов: одни идут с накоплением энергии, увеличением разнообразия, дифференциации, усложнением, уменьшением энтропии (с ростом энергии и информации), а другие с выделением энергии, увеличением энтропии, уменьшением разнообразия, сложности и информации. Обе категории процессов характерны и для биосферы и для глубоких частей земной коры, но первые явно преобладают в биосфере, а вторые — в глубинах.

В гранитном слое наряду с биосферными источниками энергии большое значение приобретают радиоактивный распад и другие глубинные энергетические факторы. Следовательно, материя и энергия биосферы тем или иным путем взаимодействуют с внутренней энергией Земли, веществом глубинного происхождения. Поэтому большой круговорот не замкнут и в нижней части, так как там продукты биосферы испытывают влияние глубинных факторов, в том числе вещества и энергии мантии.

Свыше четверти века назад автор пришел к выводу, что при разработке общей теории геологии нельзя игнорировать существование глубоких и обратимых связей между развитием жизни на Земле, осадкообразованием, тектоническими явлениями и магматизмом. Именно в этих связях — между биосферой и глубокими слоями земной коры мы видели один из основных законов геологии, а сами процессы, протекающие в земной коре, считали различными проявлениями единого грандиозного по длительности и сложности процесса ее развития.

За прошедшие годы получены новые подтверждения реальности большого круговорота. Особенно подчеркивается круговорот газов: в биосфере при осадкообразовании поглощаются СО2 (известняки и др.), Н2О (глины), O2, N2 (органическое вещество) и т. д., которые снова превращаются в газы при погружении толщ, их метаморфизме, переработке магматизмом (вулканизм и др.). Таково грандиозное «дыхание земной коры» (академик А. В. Сидоренко и другие ученые).

Итак, между тектономагматическими циклами и осадкообразованием вероятна обратная связь. Мы предполагаем, что осадочные породы, образовавшиеся в рифее и начале палеозоя, были и метаморфизованы и гранитизированы в процессе каледонского магматизма и орогенеза; осадки, накопившиеся в девоне и нижнем карбоне, — в герцинском цикле и т. д. Иначе говоря, особенности протерозойского осадкообразования должны были найти отражение в байкальской металлогении, особенности докембрийского и нижнепалеозойского — в каледонской, палеозойского — в герцинской и т. д. Таким образом, причину своеобразия металлогении отдельных эпох и зон следует искать также и в своеобразии былых биосфер — предшествующего осадкообразования. С подобных позиций трактует рудообразования А. И. Тугаринов, согласно которому появление гидротермальных урановых месторождений связано с предшествующим накоплением осадочной рудоносной формации.

Так как в ходе геологической истории дифференциация осадочных пород и биосферы в целом росла, то естественно, что в каждом последующем тектоно-магматическом цикле перерабатывались все более и более дифференцированные осадки, более богатые геохимическими аккумуляторами. А это, в свою очередь, должно было усилить энергию и разнообразие тектонических процессов, рудообразования, высоту воздымавшихся горных хребтов. Поэтому первопричина увеличения сложности и разнообразия глубинных систем земной коры, возможно, состоит в развитии биосферы, увеличении ее сложности и разнообразия, прогрессивном накоплении в ней солнечной энергии. Объяснить прогрессивное развитие глубинных систем за счет радиоактивных источников энергии трудно, так как количество радиогенного тепла со временем не увеличивалось, а уменьшалось.

Итак, своеобразие металлогении отдельных складчатых областей, их общую прогрессивную эволюцию необходимо увязать с прогрессивной эволюцией осадкообразования, ростом разнообразия биосферы, накоплением в ней солнечной энергии в углях, глинах и т. д.

Системный подход к земной коре ставит вопрос о центре этой системы, т. е. о такой ее части, которая имеет ведущее значение, определяет функционирование системы в целом. Существует ли один центр или их несколько? Вероятно, правомерно говорить о верхнем и нижнем центрах. Первый — это биосфера, которая уже несколько миллиардов лет поглощает солнечную энергию и на основе биологического и других круговоротов превращает ее в энергию геохимических процессов. Нижним центром земной коры, возможно, является верхняя мантия или нижние слои земной коры с очагами корового магматизма.

Очевидно, установление центров земной коры, в частности выявление относительной роли верхнего (биосферного) и нижнего (мантийного и др.) центров, составляет важную задачу наук о Земле.

Все сказанное позволило автору говорить о следующем законе прогрессивного развития земной коры, охватывающем как биосферу, так и глубокие слои коры: земная кора представляет собой большую сложную динамическую систему с обратными связями. Под прогрессивным в философии понимается такое развитие, при котором происходит увеличение сложности, упорядоченности, разнообразия, негэнтропии (уменьшение энтропии). Непрерывное поступление в нее солнечной и глубинной энергии Земли определяет направленное развитие данной системы, в ходе которого увеличивается ее сложность и разнообразие, неравновесность, накапливается свободная энергия, уменьшается энтропия.

Автор: Александр Ильич ПЕРЕЛЬМАН, старший научный сотрудник Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии (ИГЕМ) АН СССР, профессор географического факультета Московского университета.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.



Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: