Эволюция литосферы и экология

Эволюция литосферы и экология

В. Н. Шолпо, доктор геолого-минералогических наук Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН

ТЕКТОНИЧЕСКИЙ ФУНДАМЕНТ БИОСФЕРЫ

Актуальность проблемы взаимосвязи эволюции литосферы с экологией подтверждается двумя высказываниями. Например, академик Б. С. Соколов пишет: «Понимание геологических основ жизни человечества и развития цивилизации, свойств современной геологической среды и самого человека как геологической силы должно стать общественным явлением, частью обязательного образовательного минимума, элементом воспитания и формирования общего экологического мышления и материалистического мировоззрения».1 В очень интересной работе литолога Ю. М. Малиновского находим еще более конкретную формулировку задачи: «Именно разгадка механизма взаимодействия биосферы и тектоносферы обязательна для решения вопроса о том, что будет в ближайшем будущем с биосферой как со средой обитания человека под действием антропогенных нагрузок и естественного хода процессов».2 И все же во всех моделях, прогнозирующих экологическую ситуацию в ближайшем или отдаленном будущем, литосфера рассматривается как некие подмостки или стол, на котором разыгрывается спектакль жизни, сама же она в этом спектакле участия как бы не принимает, и как будто совершенно не важно, из чего сделаны эти подмостки — из дерева, бетона или из ка-кого-то другого материала. Представляется, что это совершенно неверный подход, ведь литосфера столь же подвижная и активно развивающаяся оболочка Земли как и все остальные, и ее участие в процессах, разыгрывающихся на поверхности планеты, не может быть нулевым.


При формулировке любой проблемы в науках о Земле всегда присутствует два аспекта: временной и пространственный. Г лобальная картина взаимосвязей и взаимодействий биосферы с эндогенными процессами во времени была показана в трудах многих исследователей. Выявлена цикличность и многопорядковая ритмичность процессов обмена веществом между биосферой и литосферой. На огромном материале это рассматривается в работах литолога Л. В. Пустовалова, геохимика А. Б. Ро-нова, и в последние годы в работах литологов А. В. Лапо и Ю. М. Малиновского. Установлено, что «тектонические движения осуществляют обмен веществ между биосферой и литосферой, поставляя их в биосферу и выводя обратно», и «можно утверждать, что причинно-следственная связь биосферы с тектоническими движениями существует и обеспечивается глобальным круговоротом вещества».3

Между тем, связь и взаимодействие биосферы с эндогенными процессами установлены в глобальном масштабе только во времени, а взаимозависимое распределение этих процессов в пространстве учитывается мало. В то же время хорошо известно, что тектоническая активность распределяется на поверхности Земли неравномерно, чем, собственно, и обусловлены все ее структурно-вещественные неоднородности.

Из этого вытекает первостепенная важность задачи выявления закономерностей пространственной организации структуры твердой оболочки нашей планеты — рельефа, геологического строения, глубинной структуры, доступной исследованию геофизическими методами. После этого в рамках установленных пространственных закономерностей структуры литосферы должна быть рассмотрена ее эволюция, и практически это должно означать исследование коэволюции литосферы и биосферы.

Поиски пространственных закономерностей в устройстве структуры Земли восходят к Френсису Бекону и насчитывают длительную историю. В связи с этой проблемой можно назвать много знаменитых имен естествоиспытателей прошлого и нынешнего века: Ч. Лайель, Эли-де-Бомон, Э. Зюсс, Э. Реклю, М. Бертран и многие,
многие другие. И эти поиски не были бесплодными, хотя сама проблема стояла как бы в стороне от главного русла развития науки о Земле как планете, и дискуссии в связи с ней не превращались в «великие геологические споры», подобно, например, спорам нептунистов и плу-тонистов или катастрофи-стов и эволюционистов.

Так или иначе, к концу прошлого — началу нынешнего века, были сформулированы четыре географические гомологии:

1) преимущественная «континентальность» северного полушария и «океаничность» южного;

2) треугольность форм всех материков, сужающихся к югу, и противоположная треугольность формы океанов, сужающихся к северу; 3) кольцо суши вокруг впадины на северном полюсе и кольцо океанов вокруг поднятия суши на южном полюсе; 4) антиподальность суши и воды.

А. П. Карпинский (1846—1936), развивая это эмпирическое обобщение, дополнил его гомологиями геологическими. Но установленные закономерности остались как бы не востребованными, т. е. никак не повлияли ни на какие геотектонические концепции и идеи. Поиски продолжались.

ИСПЫТАНИЕ ЗЕМЛИ СИММЕТРИЕЙ

Попыток аппроксимации глобального распределения неоднородностей рельефа Земли известно очень много, в том числе и очень сложных. Но хотелось бы остановиться только на одной из них, с моей точки зрения, наиболее ясной, простой и с наименьшим количеством допущений и умозрительных построений. Это феноменологическое обобщение и открытие, сделанное А. А. Шульгой — ученым-экономистом, официально работавшим в области как будто далекой от проблем науки о Земле.

Алексей Анатольевич Шульга (1901—1987), кандидат экономических наук, много лет работал в Совете по изучению производительных сил (СОПС), в Гидропроекте, где занимался разработкой очень нетривиальных проектов гидротехнических и гидроэнергетических сооружений и экспертизой подобных же проектов, представляемых другими группами ученых. Однако, имея дело с большим количеством топографических карт различных масштабов и по разным регионам, он обратил внимание на подобие, повторяемость различных форм рельефа и их сочетаний. Его увлекла идея поиска системы и общих пространственных закономерностей в структуре рельефа Земли. С начала сороковых годов и до конца своей жизни А. А. Шульга отдавал этой задаче все свое свободное время, особенно после вынужденного по состоянию здоровья ухода на пенсию в 1963 г. Им сделано очень много, проработана на картах, атласах, глобусах масса вариантов, установлены не только общие глобальные закономерности устройства поверхности Земли, но и иерархия и подобие различных структурных форм рельефа, повторяемость очертаний различных географических объектов. До конца своей жизни Алексей Анатольевич ничего не опубликовал из накопленного им огромного эмпирического материала, считая, что проблема должна быть исследована до конца, а не только на феноменологическом уровне. Необходимо, считал он, снабдить его какой-то физической, или, как было бы правильнее сказать, геодинамической моделью, которая объясняла, как произошли и что означают открытые им закономерности. Его не удавалось убедить в том, что и само по себе открытие нового явления заслуживает того, чтобы стать общим достоянием, а до полного понимания процесса, порождающего его, может пройти очень много времени. Видимо, мешало еще и сознание, что он вторгается в науки о Земле, как «человек со стороны», и вряд ли вправе рассчитывать на немедленное понимание и доброжелательное отношение. Короче говоря, получилось так, что суть открытия А. А. Шульги впервые была изложена в популярном издании в 1979 г. и повторена в 1986 г., а за подписью самого А. А. Шульги были опубликованы только тезисы в материалах международного симпозиума в Чехословакии в 1987 г., но уже после смерти автора.


Сущность открытия, сделанного А. А. Шульгой, состоит в том, что распределение суши и моря на земном сфероиде подчиняется симметрии (и антисимметрии), свойственной кубу. Закономерности структуры рельефа планеты соответствуют и подчиняются трем осям симметрии четвертого порядка.

Одна из таких осей — ось вращения Земли. Две другие оси лежат в плоскости экватора; они, естественно, перпендикулярны оси вращения и друг другу. У одной из них координаты на экваторе — 135° в. д. и 45° з.д., у другой — 45° в.д. и 135° з.д. Три оси составляют систему ортогональных координат — очень привычную и естественную для нас в трехмерном мире. Можно провести некоторое испытание симметрией неоднородности поверхности Земли и соответствие найденных осей этому свойству. Для этого надо представить себе, что на обычный глобус надета сверху вторая прозрачная оболочка с нанесенными на нее контурами континентов, способная свободно скользить по глобусу, поворачиваясь в любых направлениях. Если повернуть эту прозрачную «рубашку» на 180° вокруг любой из экваториальных осей симметрии, то в обоих случаях мы увидим, как прилегают друг к другу континенты на обеих — подвижной и неподвижной — оболочках.

Поворот подвижной оболочки на 180° вокруг оси вращения, т. е. совмещение западного и
восточного полушарий, тоже приводит к совпадению различных форм и линий рельефа, в этом случае надо нанести на прозрачную оболочку не только контуры континентов, но основные гидро-орографйческие линии. Например, Алеутская дуга в этом случае точно ложится на водораздел Европы, разделяющий реки северных морей и бас-
Испытание структуры поверхности Земли симметрией (по А. А. Шульге): вращение подвижной «рубашки» глобуса вокруг оси, лежащей в плоскости зкватора — а) с координатами 135* з.д. и 45* в.д., б) с координатами 45* з.д. и 135* в.д.

1 — контуры континентов на неподвижной «рубашке» глобуса; 2 — контуры континентов на подвижной «рубашке глобуса
сейн Средиземного моря. Повороты не только на 180° будут давать такую картину удивительных совпадений и конформности разных форм рельефа, но и на 90°, 60° и 30°. Все повороты, кратные 30° и целое число раз укладывающиеся в 180°, будут демонстрировать самые разные совпадения и подобия разных форм рельефа. Это испытание фигуры Земли симметрией свидетельствует о том, что не только самые крупные формы рельефа Земли подчиняются законам симметрии и антисимметрии куба в глобальном масштабе, но и внутренняя организация секторов сфероида (условно говоря, граней куба) оказывается построенной по законам периодичности и подобия (с шагом 30°).

УПОРЯДОЧЕННОСТЬ ПОДВИЖНЫХ ПОЯСОВ

Можно сказать, что закономерности, присущие земному сфероиду, выявляются не только в геометрических упражнениях с глобальными формами рельефа Земли, но имеют и геологический смысл. Геологическое содержание упорядоченности структуры лучше всего проявлено в расположении и внутреннем строении крупнейших подвижных поясов Земли. Известно, что максимальная тектоническая активность континентов сосредоточена на современной Земле в двух глобальных подвижных поясах — круговом Тихоокеанском и Средиземноморско-Гималайском. Тихоокеанский проходит по окраине всех континентов,
окружающих океан, образует почти точный большой круг сфероида планеты, смещенный и деформированный по экватору. Средиземноморско-Гималайский протягивается в широтном направлении по югу Европы и через Ближний и Средний Восток до Памира, и затем отклоняется к югу по Гималаям и в Индонезии причленяется к Тихоокеанскому поясу. К западу от Европы по многим признакам он может быть продолжен через Атлантику до Карибского региона, где он опять соединяется с Тихоокеанским поясом. Средиземноморско-Гималайско-Атлантический пояс, составляющий полукольцо, тоже проходит по большому кругу, отмечая «геологический экватор» по выражению П. Фурмарье, смещенный в восточном полушарии к северу относительно экватора географического.
На мой взгляд, убедительное свидетельство того, что биосфера и тек-тоносфера развиваются в тесном взаимодействии не только во времени, но и в пространстве — то, что все установленные великим биологом Н. И. Вавиловым (1887—1943) центры распространения культурных видов растений попадают в современные пояса повышенной тектонической активности. А там, где такие центры выходят за пределы Средиземноморского подвижного пояса (Восточная Африка), они остаются все-таки приуроченными к магматически и тектонически активной Восточно-Африканской рифтовой системе. Такое совпадение не может считаться случайным, нельзя его объяснить и только климатическими факторами. В основе его, безусловно, лежат биогеохимические процессы, которые приводят и к более интенсивному видообразованию в биосфере, и к зарождению и возрождению цивилизаций, главные центры которых тоже лежат в пределах подвижных поясов в обоих полушариях планеты.

Поскольку нам известно, что подвижные пояса Земли чрезвычайно неоднородны по интенсивности проявления эндогенных процессов, но ввиду того, что неоднородность упорядочена и построена иерархически, открываются возможности для более детального исследования конкретных механизмов взаимодействия процессов обмена веществом и энергией в системе биосфера-литосфера. Для этого потребуется кооперация усилий специалистов в самых разных областях — геологов, биологов, геохимиков, биогеохимиков.