Ромашов А.Н. Планета Земля:
Тектонофизика и эволюция. Изд. 2

Оглавление

Предисловие

Предлагаемая научной общественности книга может показаться некоторым недостаточно серьезной и авторитетной – ведь автор по своему образованию не является традиционным специалистом в области наук о Земле (он выпускник Московского инженерно-физического института 1954 г.). Да и Институт динамики геосфер РАН, в котором выполнена работа, является одним из самых молодых среди геоинститутов – совсем недавно он был спецсектором Института химической физики АН СССР (а потом Института физики Земли АН СССР) и долгое время занимался сугубо "частной" проблемой – взрывами. Тем не менее в этой "неспециализированности" исследователей есть не только отрицательные, но и положительные стороны – как известно, худа без добра не бывает. Да, ученые ИДГ РАН не имеют богатых традиций в изучении Земли, но зато они, будучи свободными от традиционных научных догм в этой области знаний, имеют хорошую общетеоретическую подготовку и опыт изучения очень специфического объекта – взрыва, который был исследован ими от начала и до конца, т.е. они познали этот уникальный феномен в целом.

Вот такой целостности, на наш взгляд, сейчас как раз и не хватает наукам о Земле – они раздробились на отдельные направления, в каждом из которых применяются свои методы и фактически исследуются различные, слабо увязываемые между собой стороны единого объекта – планеты Земля. Каждое из указанных направлений имеет свою богатую историю и большие научные достижения в конкретных исследованиях. Но в каждом же из них сформировалась и своя идеология о Земле как едином планетном теле. Совместить идеологии (догмы) разных научных школ и коллективов, как показывает история науки, удается далеко не всегда, и процесс этот трудный и болезненный. Чаще всего он реализуется на базе представлений, которые приходят в данную область знаний как бы со стороны. Вот как об этом писал в свое время В.И.Вернадский: "Вся история науки на каждом шагу показывает, что отдельные личности были более правы в своих утверждениях, чем целые корпорации ученых или сотни и тысячи исследователей, придерживавшихся господствующих взглядов. Многие научные истины, входящие в состав современного научного мировоззрения, или их зародыши проповедовались в прежние века отдельными исследователями, которые находились в конфликте с современным им научным мировоззрением. Истина нередко в большем объеме открыта этим научным еретикам, чем ортодоксальным представителям научной мысли" [3, с.66].

А вот еще одно аналогичное свидетельство, принадлежащее одному из крупнейших зарубежных геологов – почетному профессору Тасманского университета в Австралии С.У.Кэри: "Но во все времена и повсюду именно догма преследовала нас, определяя унаследованную нами веру и убеждения, будь то доктрина ортодоксальной науки или религиозное учение. Однако умный, но мало искушенный в науках человек может обнаружить новые истины, невидимые для ученых мужей" [9, с.30].

Опасность раздробления науки о Земле на отдельные направления очень ясно понимал В.В.Белоусов – один из выдающихся отечественных геологов. Еще в 1962 г. в предисловии ко второму изданию своего труда "Основные вопросы геотектоники" он писал: "Мы находимся сейчас в очень трудном периоде объединения геологии, с ее качественным естественно-историческим подходом к явлениям, и геофизики, с ее количественными методами. Хотя в этих условиях обобщения становятся все более трудными, однако они необходимы сейчас как никогда, так как без них дальнейшая все более дробная специализация отдельных отраслей геологии и геофизики может привести к разделению наук о Земле на не связанные между собой отдельные частные представления". И далее: "В результате сочетания методов геотектоники, геофизики и геохимии в дальнейшем должна возникнуть обобщающая наука о Земле – "геономия"" [2, с.4, 6].

Естественно, такое обобщение и объединение всех наук о Земле, о котором мечтал В.В.Белоусов, может произойти на базе новых идей, учитывающих не только уже накопленные обширные геознания, но и фундаментальные знания других наук: физики, химии, математики и даже философии.

Предлагая вниманию научной общественности свою работу, автор приглашает своих коллег – сотрудников других институтов – к диалогу и конструктивному сотрудничеству. Мы можем, в силу своей исторической специфики, взять на себя исследование общих физических моделей, один из вариантов которых как раз и обсуждается в данной работе. Но модель только тогда обретает силу и значимость, когда она согласуется с натурными данными, с реальными структурами, процессами и явлениями в недрах Земли и на ее поверхности. Знания о них добывались многими поколениями естествоиспытателей и научных коллективов, которые работали и работают в традиционных институтах наук о Земле. Эти знания поистине представляют жемчужины для человечества. Однако, чтобы по достоинству оценить эти драгоценности, их необходимо заключить в соответствующую оправу – такой оправой для конкретных знаний является как раз обобщающая их идея или модель. И если даже предлагаемый нами вариант такой модели окажется не вполне достойной "оправой" для всего огромного богатства геознаний, он может, тем не менее, положить необходимое полезное начало – его широкое обсуждение послужит как совершенствованию модельных представлений о Земле, так и более глубокой (полной) систематизации и обобщению огромного количества уже накопленных во всех науках конкретных фактов, знаний и представлений.

Польза от такого синтеза очевидна. Только на базе общей модели Земли могут быть до конца поняты законы формирования и размещения на поверхности и в глубине всех ее структурных элементов, а также движущие силы исторической и современной геодинамики. Она же (модель) позволит понять глобальные закономерности размещения минерально-сырьевых ресурсов на планете, что особенно важно для современного человечества, уже порядком истощившего кладовые Земли. О необходимости знания таких глобальных закономерностей говорил как раз академик Д.В.Рундквист в своем докладе на торжественном заседании в Миннауке РФ в феврале 2000 г., посвященном Дню науки [42]. Наконец, общая модель должна осветить более ярким светом проблему направленности развития Земли и те допустимые пределы человеческой деятельности, которые совместимы с естественной жизнью нашей планеты, с ее потенциальными возможностями – экологические проблемы человечества не могут быть успешно решены без глубокого знания общих законов развития Земли.

Введение

Настоящая книга завершает труд, начатый автором более 40 лет назад. В самом конце 50-х гг. (теперь уже прошлого столетия) автор впервые прикоснулся к проблемам "большой геофизики" – до этого главной темой исследований у него были взрывы: ядерные, крупные промышленные и специальные опытные взрывы, такие, например, как 1000-тонный взрыв на выброс, который был призван завершить огромную серию более мелких экспериментальных взрывов по изучению роли силы тяжести. Наряду с местным действием таких взрывов, главное назначение которых состоит в быстрой экскавации или перемещении огромных масс грунта (при создании завальных плотин, строительстве водоемов, дамб и других объектов), их проведение сопровождалось исследованием сейсмического действия, начало которому положил еще в 20-х гг. XX в. ныне покойный академик М.А.Садовский. Вот эта "ближняя взрывная сейсмика" и явилась для автора той школой, которая потом привела его в большую геофизику.

Наблюдая процесс возбуждения волн взрывом и их распространение в ближней зоне, мы как бы прикоснулись к одной из важнейших проблем большой геофизики – очагу землетрясений. Как в таких очагах развиваются процессы деформирования и разрушения, вызывающие сейсмические волны, остается во многом загадочным до сих пор. А при взрывах была возможность всю эту последовательность событий проследить от начала до конца – начав с воздействия на окружающую среду продуктов взрыва, можно было увидеть все стадии формирования и распространения деформационных волн, включая их взаимодействие со свободной поверхностью и с подстилающими, более плотными слоями Земли.

Вот к концу 1950-х гг. как раз и были завершены в основном исследования по изучению природы и механизмов возбуждения сейсмических волн при взрывах. Было, в частности, установлено, что взрыв вблизи свободной поверхности является двойным источником излучения волн: вначале, на первой стадии, он работает как центр расширения, возбуждая по всем направлениям волну сжатия – этим и исчерпывалось, по тогдашним представлениям, все действие взрыва; многообразие волновых колебаний в сейсмическом цуге связывалось с последующими многочисленными взаимодействиями этой волны (ее отражениями и преломлениями) с границами разделов.

Но этой первой стадией, как оказалось в результате наших исследований, действие взрыва не ограничивается. На его второй стадии продукты взрыва теряют сферическую симметрию расширения и устремляются преимущественно в сторону свободной поверхности подобно поршню, который выталкивает перед собой грунт. Взаимодействие этого грунта с окружающим массивом оказалось очень важным дополнительным источником возбуждения новых волн, обладающим интересными особенностями: источник является относительно низкочастотным (по сравнению с первым) и возбуждает две длиннопериодных волны. Этот источник имеет осевую симметрию, в отличие от первой стадии взрыва, когда возбуждается сферически симметричная волна сжатия. При куполообразном движении в сторону свободной поверхности выбрасываемый грунт тянет за собой и весь остальной массив, он как бы выдергивается продуктами взрыва из этого массива, создавая в нем волну растягивающих объемных деформаций (волну разрежения) и одновременно возбуждая волну сдвиговых деформаций – длиннопериодную поперечную волну в приповерхностном слое, что и создавало иллюзию поверхностного типа этой волны: ее путали с традиционной поверхностной волной Релея.

Вокруг природы указанных волн и развернулась тогда дискуссия между геофизиками-теоретиками, "выводившими" их природу из взаимодействия первоначального импульса волны сжатия со свободной поверхностью, и автором этих строк, который усмотрел в низкочастотных волнах проявление самостоятельного и независимого второго взрывного источника. Казалось также очевидным, что второй источник может присутствовать и в очагах землетрясений, который способен проявляться вслед за первым источником "упругой отдачи", считающимся в сейсмологии единственным [29].

Оглядываясь теперь назад, можно сказать, что именно успешное решение задачи о взрыве как двойном источнике излучения сейсмических волн побудило автора обратиться к проблемам большой геофизики. И хотя спор о природе взрывных волн тогда так и остался незавершенным (каждый остался при своем мнении), для молодого научного работника было очень заманчиво и перспективно попробовать свои силы при решении именно основополагающих проблем возбуждения сейсмических волн в очагах землетрясений. Но для этого необходимо было "вступить" в область этих проблем – выпускнику Московского инженерно-физического института они были практически неведомы и потому необходимо было начать их изучение заново. Этим автор занимается и по сей день.

"Геобукварем" для автора, в силу теперь уже забытых причин, оказался капитальный труд В.В.Белоусова "Основные вопросы геотектоники", к изучению которого автор приступил в 1959 г. И по мере того, как постигалось его обширное энциклопедическое содержание (разумеется, вначале очень смутно и приближенно), у автора все отчетливее и отчетливее складывалась своя общая картина (свое видение) геологических событий – они как бы сами собой укладывались в физически естественную схему развития планетарного сферического тела, оболочка которого постепенно утолщается и потому распирающее внутреннее действие, разрушающее эту оболочку, проявляется во все более и более крупных структурах.

Так родилась идея Земли как космической "конструкции", которая состоит из двух основных элементов: внутренней мезосферы, которая расширяется, и внешней оболочки, сдерживающей это расширение и подвергающейся растяжению, периодическому разрушению и сложному, но упорядоченному структурированию. В этом взаимодействии указанных глобальных элементов существенная роль отводилась также силе тяжести, которая является, наряду с прочностными силами оболочки, важным фактором сдерживания расширяющегося внутреннего вещества и всего процесса развития Земли.

Указанная идея родилась, естественно, не на пустом месте – она явилась как бы продолжением уже существовавших, более ранних представлений, в частности, пульсационной гипотезы, обобщающей концепции М.М.Тетяева, радиомиграционной гипотезы В.В.Белоусова и др. Но это не значит, что автор произвел "ревизию" чужих представлений и отобрал из них "положительное" для своей схемы – чтобы отбирать, надо уже иметь некоторый критерий отбора, т.е. вначале должна была появиться самостоятельная своя идея.

Удивителен феномен человеческого познания мира! С одной стороны, оно представляет как бы эстафету, которую передают от поколения к поколению. С другой стороны, каждая новая гипотеза всегда оригинальна и самобытна. В каждой такой гипотезе заложена определенная индивидуальная основа в виде набора фактов или явлений, которые к моменту ее формулировки уже были известны автору этой гипотезы. На их базе он и начинает строить общую картину (свое видение) Земли. Чем дальше мы заглянем вглубь истории, тем беднее, очевидно, будут эти наборы, и наоборот, по мере накопления опыта изучения они расширялись и возрастали. Но на каждом из уже минувших этапов общий набор сведений о Земле, по всей вероятности, всегда оказывался недостаточным, чтобы построить полную картину ее развития. Поэтому каждый раз фактически получался только некоторый фрагмент этой картины. Со временем такие фрагменты как будто объединялись в умах исследователей следующего поколения и получался более крупный фрагмент. Но так ли это?

Процесс познания можно отдаленно сравнить с ростом дерева. Ведь оно возникает далеко не сразу, а вырастает постепенно. И на каждом этапе у него есть своя вершина. Но рост дерева – это не непрерывное поднятие какой-то начальной вершины, а их постоянная смена, своеобразная эстафета вершин. Предыдущие вершины как бы уклоняются в стороны, образуя боковые ветви дерева, а откуда-то из центра, по оси ствола поднимается новая вершина. И так продолжается до тех пор, пока дерево полностью не вырастает – тогда у него формируется окончательная вершина, которая венчает это дерево до конца дней его существования.

Спрашивается, что же направляет весь длительный и непостижимо сложный процесс роста простого дерева (и всего остального сущего) и руководит "эстафетой", несущей его вершину и все дерево в целом к окончательному финишу? На этот и подобные ему "вечные" вопросы автор пытался ответить в своих предыдущих работах [38–40]. Существо ответов, коротко говоря, кроется в общей структуре нашего мироздания, как бы имеющего две половины (духовную и материальную), неразрывно связанные между собой. И развитие каждой материальной реалии, будь то конкретное дерево или процесс познания Земли, направляется духовной половиной, в которой содержатся идеи (программы создания) всех этих реалий, представляющих своеобразные динамические структуры (участки) единого "духовного конвейера". "Детали" для сборки каждой данной реалии поступают из окружающей среды (с соседних участков этого конвейера).

В процессе познания любого объекта человек должен воспроизвести его идею в своей душе. И делает он это с помощью тех образов, которые у него имеются, из них в душе человека как из своеобразных деталей возникает комбинация (частная идея), которая и становится его путеводной звездой. А затем он эту частную идею сопоставляет с общей идеей, воплощенной в реальном объекте, который он изучает – теория проверяется практикой. При конструировании модели Земли, например, такими "деталями" являются конкретные факты и явления, которые известны данному исследователю на основании его опыта и опыта других. В его же душе отражается общая идея развития Земли (как и все другие идеи), в соответствии с которой он и начинает свое гипотетическое строительство "древа познания".

Ограниченность набора "деталей" (конкретных знаний) позволило, очевидно, некоторому гипотетическому первому исследователю как бы "собрать" (вырастить) только начальный участок (или фрагмент) общего "древа". На полное "строительство" у него не хватало настоящих "стройматериалов" (надежных знаний), и потому он вынужден был использовать, наряду с ними, и "некондиционные" детали (предположения, фантазии, мифы) – строительство при этом, естественно, оказалось трудным, а построенный объект (модель) – не вполне соответствующим проекту (идее-конвейеру, т.е. действительности), что и предопределило общую недолговечность всей постройки (выдвинутой гипотезы) – деревце оказалось маленьким.

Вслед за первым исследователем появился, очевидно, второй, потом, третий и так далее, вплоть до наших дней. Каждый раз проходит время, в течение которого "старые постройки" (гипотезы) разрушаются (нижние ветви дерева засыхают). Но при этом "детали" их, т.е. твердо установленные факты (знания), сохраняются, и к ним добавляются новые детали-знания. К моменту времени, когда общая идея Земли отражается в душе очередного исследователя и им как бы вновь запускается "конвейер" сборки общей модели, набор необходимых для этого "деталей" уже оказывается больше. Поэтому ему удается вырастить и более высокое "деревце познания". И так, очевидно, будет продолжаться до тех пор, пока не вырастет все "древо". В процессе его выращивания (познания) не только поднимается вершина древа, но и удлиняются боковые ветви – дерево в целом должно иметь достойную его крону.

Из данной аналогии (образного сравнения) видно, что и в процессе познания Земли могут быть как принципиально новые гипотезы и концепции, способные поднять общую вершину этого "древа", так и представления (гипотезы), как бы создающие или удлиняющие его отдельные боковые ветви (хотя их авторам они должны казаться вершинами) – для познания в целом важны и те, и другие.

Более подробно история развития знаний о Земле, с учетом приведенных выше общих рассуждений, будет рассмотрена в заключительной главе, в которой мы попытаемся сопоставить нашу модель развития Земли с теми основными гипотезами, которые составляют историю изучения нашей планеты, особенно с концепцией В.В.Белоусова, которая представляет, по нашему мнению, современную вершину знания о Земле. Мы же, разумеется, надеемся на дальнейшее поднятие этой вершины, что вполне естественно – иначе остановился бы процесс познания. А теперь, после затянувшегося "лирического" отступления, вернемся снова "на грешную землю".

Первое оформление нашей "конструктивной" идеи состоялосьв 1962 г. – была написана обстоятельная статья, которую автор попытался предложить в журнал "Природа". Можно сказать, что ее написание носило тоже "взрывной" характер – огромный фактический материал, впервые увиденный автором целиком, как бы сам собой упорядочился в соответствии с возникшей общей идеей. Разумеется, статья была отклонена (она была слишком одиозна), но автор уже так и не смог остановиться и отступиться от обуявшей его идеи развития Земли. Она и вела его все время. В ходе работы над нею шло и самообразование, и постепенное наполнение идеи конкретными образами, которые черпались как из обширной литературы (геологической и геофизической), так и в многочисленных модельных экспериментах, которые ставились в лаборатории – шел процесс "примерки" к новой идее существующих "деталей" (знаний) и изготовление новых "деталей" (проведение экспериментов) при одновременном уточнении самой идеи. Подготовка и проведение модельных исследований потребовали усилий большого коллектива научных сотрудников, инженеров и техников бывшего спецсектора ИФЗ АН СССР, которым автор выражает свою искреннюю признательность и благодарность. В соавторстве с ними была проделана огромная работа и написано большое количество научных отчетов и статей. Первая публикация автора по проблеме Земли как конструкции увидела свет только в 1980 г., да и то "полулегально": она появилась в книге "Особенности действия крупных подземных взрывов" [29], которая как бы подводила итоги предыдущего этапа работы по взрывной тематике.

Первоначально в представлениях автора господствовал механизм расширения внутренней мезосферы и Земли в целом, а оболочка выступала в качестве пассивного элемента, только сдерживающего расширение внутреннего вещества. И хотя подразумевалось, что оболочка со временем утолщается, т.е. в целом преобладает процесс охлаждения Земли, сам этот процесс был еще лишен активности и внутренней физической согласованности с расширением мезосферы. На этой стадии исследований, тем не менее, шло продвижение вперед: была предложена двухслойная модель оболочки и установлены важные закономерности ее деформирования и разрушения. Так, например, были получены интересные результаты по блочному строению земной коры [43] и другим ее особенностям, в том числе о природе глобальной асимметрии Земли и других планет [33, 37]. Коротко об этих результатах будет сказано в главе 1. Однако в целом единая и саморазвивающаяся модель Земли на указанном этапе исследований еще не получалась, были фактически только отдельные фрагменты этого общего развития и всей конструкции.

Качественный скачок в представлениях автора произошел несколько лет назад, когда процесс охлаждения Земли и образования твердой оболочки был осознан как такой же активный фактор развития, как и разогревание (расширение) внутренней мезосферы, даже более активный, по существу, ведущий – произошло, очевидно, укрупнение или усложнение авторской идеи Земли в целом. С этого момента модель получила логическое завершение – она предстала действительно как диалектическое единство и борьба двух противоположностей: охлаждения и разогревания, сжатия и расширения. Эта заключительная часть работы является, по мнению автора, наиболее интересной и вместе с тем наименее известной – по ней опубликовано всего две статьи [36].

Учитывая эти обстоятельства, в настоящей работе в основном излагаются результаты именно последнего этапа исследований, причем это изложение ведется в том порядке и виде, в каком результаты появлялись и излагались в соответствующих рукописях и статьях. Поэтому в ней до некоторой степени воспроизводится весь процесс исследования последних лет. При этом, естественно, оказались неизбежными некоторые повторы, особенно во вводных частях отдельных разделов, что может справедливо раздражать некоторых читателей, хотя в них, учитывая новизну представлений, есть и положительный смысл. Некоторая сложность изложения в отдельных местах также определяется именно новизной проблемы, когда автору самому еще многое было непонятно – познание фактически происходило в ходе изложения мыслей и результатов на бумаге, когда они и приобретали окончательную упорядоченность и ясность. Задним числом, конечно, все это можно будет изложить короче, яснее и полнее, с включением результатов и первого этапа исследований.

Разумеется, такой стиль написания настоящей книги сложился как наиболее легкий путь изложения только что полученных результатов. С точки зрения их понимания, было бы, по-видимому, лучше изложить эти результаты не в хронологическом порядке их получения (хотя в нем как бы отражен сам процесс познания в виде истории продвижения автора к окончательному представлению), а систематически в виде целостной картины развития Земли. Автор надеется, что такое изложение у него еще впереди, а пока на это нет ни сил, ни времени. К тому же такое изложение потребует дополнительных исследований не только модели, но и обширного натурного материала (надо как бы собрать все имеющиеся "детали"), которым автор пока что в полном объеме не владеет. В идеале оно станет возможным, очевидно, после осмысления всей геологической истории Земли в рамках предлагаемой модели, а такое осмысление доступно, по-видимому, только коллективу различных специалистов – научных работников разных областей обширного поля знаний о нашей планете, способных объединиться в едином проекте.

Настоящий же труд можно рассматривать как приглашение его автора научной общественности начать такую коллективную работу – "сборку" единой модели Земли. Следует, однако, признаться, что автор не очень надеется на быстрый положительный отклик. Хотя многочисленные публикации в печати и выступления автора на семинарах и конференциях уже давно стали реальностью, реакция на них остается молчаливой – нет выступлений ни "за", ни "против" предлагаемой общей концепции развития Земли. По-видимому, такая реакция вполне естественна – ведь в нашей концепции фактически предлагается новый взгляд на Землю с попыткой обобщения существующих представлений, а в науках о Земле уже сформировались научные коллективы и школы со своими идеологическими основами. В этом отношении коллектив Института динамики геосфер РАН, как самый молодой в ОГГГГН РАН, наиболее способен, по-видимому, к разработке новой концепции – он не обременен грузом традиционных представлений и идей. Как бы то ни было, но синтез знаний в рамках некоторой общей модели развития Земли необходим и неизбежен – он стал насущной потребностью современной геонауки: в ней пришло время собирать камни.

Об авторе