Катастрофы в природе: Земля меняет кожу. Лавины, обвалы, оползни, провалы. Изменчивый лик Земли (Б. С. Каррыев)

Изменчивый лик Земли

Земная поверхность представляет собой совокупность разновысотных объектов различающихся по занимаемой площади, форме, физическому составу, химическим свойствам, расположенных на суше, на дне морей и океанов. Они имеют различную выраженность в рельефе лучше всего воспринимаемую через такие антонимы как: горы – низины, пустыни – поймы рек, суша – водная гладь и т. д. Вкупе они образуют сложившийся к настоящему времени рельеф земной поверхности с разнообразными ландшафтами.

Лик Земли никогда не остаётся постоянным. Он меняется с течением времени, и был иным миллион, миллиард и в момент образования планеты более четырёх миллиардов лет назад. Причин тому много, но главная определена полем тяготения Земли и её вращением.

Гравитационное поле является главной рельефообразующей силой на планете. Ему она обязана своей формой, она определяет характер происходящих в её недрах, на поверхности, в морских глубинах и в атмосфере гравитационных процессов и физико-химических превращений земного вещества. Некоторые из них протекают чрезвычайно медленно, другие, такие как обвалы, оползни и лавины очень быстро, ежегодно принося страдания десяткам тысяч человек на планете.

Только с появлением точных наук удалось разгадать тайну образования Солнечной системы. Их краеугольным камнем стало учение Исаака Ньютона о всемирном тяготении, согласно которому сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. Сформулированные Ньютоном законы классической механики позволили объяснить происходящие в недрах Земли, её атмосфере и гидросфере динамические процессы. Такие как приливы и отливы в океанах, прецессию земной оси, особенности движения Луны, сжатие Юпитера и многие другие.

Современная наука исходит из положения о том, что в начальной стадии своего существования земное вещество находилось в расплавленном состоянии. По мере остывания произошло расслоение веществ. Самые лёгкие компоненты образовали атмосферу, а более тяжелые стали материалом для железоникелевого ядра планеты.

Самый верхний слой – земная кора состоит из осадочных пород сформированных переработкой горных и вулканических пород внешними, т.н. экзогенными процессами (температура, осадки, выветривание и т.п.). Он и верхняя часть мантии образуют литосферу – твёрдую оболочку Земли, простирающуюся на глубину до ста километров. Она разбита на крупные блоки – литосферные плиты способные перемещаться по поверхности мантии и на них расположены материки.

Земная кора это один процент от радиуса планеты составляющего 6370 километров. Она состоит из блоков называемыми платформами, если образующие слоистые толщи горные породы залегают почти горизонтально. Другие места, где это не так, получили наименование складчатых поясов. Различают континентальный и океанический типы земной коры. Толщина континентальной коры в среднем 30—40 километров, но доходит под горными массивами до 75—80 километров, а толщина океанической коры около десяти километров.

В свою очередь, на дне Мирового океана расположены срединно-океанические хребты общей протяженностью до шестидесяти тысяч километров и занимающих примерно 10% от всей поверхности планеты. В своей центральной части они имеют понижения – здесь происходит генерация магматических пород, которые выплавляются в верхних частях литосферы, и через разломы в земной коре поступают на морское дно.

У берегов океанов, в первую очередь Тихого, возникли нисходящие струи конвективных течений и здесь океаническая кора пододвигается под континентальную. Подобные явления происходят не только под океанами, конвективные течения имеются и под континентами. Это приводит к тому, что земная кора постоянно находятся в напряженном состоянии.

Под земной корой расположены твердые слои верхней мантии. С земной поверхности до них простираются зоны тектонических разломов, подвижки в которых приводят к землетрясениям. Вещество внешней части верхней мантии находится в расплавленном и полурасплавленном состоянии. Из-за огромного давления и высокой температуры на геологических масштабах времени вещество мантии пластично и подвержено конвекции. Циркуляция мантийного расплава перемещает литосферные плиты и формирует облик земной поверхности.

Схема строения земной коры и литосферы.

Мощность мантии доходит до трёх тысяч километров. Это недоступная глубина для инструментальных исследований и её изучение стало возможным только с начала прошлого века благодаря наблюдениям за землетрясениями. Сейсмические волны «просвечивают» вещество мантии и по их характеристикам можно оценить её строение и физико-химическое состояние.

Циркуляция мантийного расплава является причиной образования гор, вулканизма и различных сейсмических процессов вдали от краёв тектонических плит как это происходит в районе Гавайских островов. В состоящей из силикатных расплавов мантии происходит перенос тепла из центра Земли к поверхности, и время от времени возникают т.н. мантийные плюмы. Это пробивающие литосферу к дневной поверхности раскалённые струи мантийного вещества.

Ниже мантии находится сложенное из тяжелых металлов, преимущественно железа, земное ядро. Здесь плотность вещества и температура значительно увеличиваются. Так, температура пограничного слоя между земным ядром и мантией на глубине 2700 километров составляет 2200 градусов по Цельсию, а мощность теплового потока из ядра Земли в нижние слои мантии оценена примерно в тринадцать тераватт.

В центре Земли температура выше, чем на поверхности Солнца, поскольку при распаде радиоактивных элементов излучается тепло. Оно и сохранившийся с момента формирования планеты жар служат основными источниками энергии для перемещения вещества внутри и на поверхности планеты.

Одним из крупных достижений современной науки является создание теории тектоники плит создавшей основу для понимания целого ряда геофизических и геологических явлений. Ещё в XVII веке совпадение очертаний береговых линий западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки наводило на мысль о том, что континенты перемещаются.

В 1620 году английский философ Франсис Бэкон в трактате «Novum Organum scientiarum» (Новый Органон) первым обратил внимание на поразительное сходство береговой линии континентов по разные стороны Атлантики.

Иллюстрация из книги Антонио Снидера-Пеллегрини «La Création et ses mystères dévoilés» (Мироздание и его разоблачённые тайны, 1858) с положением континентов до и после возникновения Атлантического океана.

В 1858 году итальянский географ Антонио Снидер-Пеллегрини соединил в один пять континентов. Он предположил, что Америка есть не что иное, как отколовшаяся от Африки и Европы легендарная Атлантида о которой сообщал Платон.

В 1912 году немецкий учёный приват-доцент Марбургского университета Альфред Лотар Вегенер выдвинул гипотезу континентального дрейфа, по которой относительное положение континентов менялось на протяжении истории Земли. В опубликованной в журнале «Geologische Rundschau» статье «Die Entstehung der Kontinente» (Происхождение континентов, 1912) и книге «Die Entstehung der Kontinente und Ozeane» (Возникновение материков и океанов, 1915) Вегенер привел аргументы в пользу того, что в далеком прошлом континенты были одной структурой. Тем не менее, научное сообщество отвергло его теорию и только в шестидесятых годах прошлого века идея Вегенера о движениях в твердой оболочке Земли (мобилизм) снова возродилась.

К 1960 году составлена карта рельефа дна Мирового океана. Она показала, что в центре океанов расположены срединно-океанические хребты, возвышающиеся в среднем до двух километров над покрытыми осадками абиссальными равнинами.

В 1962—1963 годах американские геологи Роберт Дитц (Robert Sinclair Dietz) и Гарри Хесс (Harry Hammond Hess) выдвинули гипотезу спрединга – геодинамического процесса раздвигания литосферных плит под воздействием нагнетаемого снизу магматического расплава в области рифтов срединно-океанических хребтов.

Последующими исследованиями рельефа и палеомагнетизма океанического дна было доказано существование процессов расширения (явление спрединга) океанической коры и пододвигания одних частей коры под другие (явление субдукции). Оказалось, что остывание вынесенных на поверхность горных пород и движение вещества привели к тому, что со временем твёрдая оболочка Земли оказалась раздробленной на большие и малые фрагменты – литосферные плиты. Эти мегаобазования и вместе с ними материки как бы «плавают» на поверхности раскаленной и вязкой астеносферы – верхней части мантии.

В современную геологическую эпоху литосферу планеты образуют восемь мегаплит, десятки меньшего размера и множество мелких. Свыше 90% земной поверхности занимают мегаплиты, и на их границах сосредоточена основная магматическая, сейсмическая и тектоническая активность на планете.

Тепловая конвекция в астеносфере является основной причиной движения литосферных плит. За миллионы лет под воздействием гравитационных и ротационных сил они совершают сложные движения. Плиты разворачиваются, и отрываются друг от друга. Одна плита может погружаться под другую, и перемещаться на значительные расстояния. Например, в Красном море со скоростью двух-пяти сантиметров в год расходятся Аравийская и Африканская литосферные плиты.

Континент Австралия смещается в год примерно на семь сантиметров в северо-западном направлении. За шесть лет он сдвигается на метр, а за шестьдесят лет на десять метров. Из-за этого время от времени производится корректировка долготы и широты на местных картах. Это достаточно важно, поскольку данные глобальных навигационных спутниковых систем вступают в противоречие с локальными координатами, которые не передвигаются вместе с континентами. С 1994 года Австралия «переехала» примерно на полтора метра к северу.

Инструментально доказано, что скорость перемещения литосферных плит может достигать более десяти сантиметров в год. Казалось бы, это немного, но если принять горизонтальный размер одной плиты примерно около одной тысячи километров, то время её существования составит примерно десять миллионов лет. Иными словами, вся история вида Homo sapiens несопоставима с временным масштабом тектонических процессов на Земле.

Как происходит циркуляция вещества в земной мантии, хорошо иллюстрирует открытие сейсмологов из университета Калифорнии в Санта-Крузе. По преломлению сейсмических волн от землетрясений на глубине 2900 километров под Центральной Америкой они обнаружили тонущую в земной мантии тектоническую плиту. Некогда она была частью поверхности планеты, но примерно пятьдесят миллионов лет назад начала погружаться в мантию увлекая за собой соприкасающееся с ней вещество мантии со скоростью несколько сантиметров в год. Этот кусок земной поверхности на 700 градусов остаётся холоднее окружающего ее расплава, нагретого до 2,5 тысяч градусов Цельсия.

Под воздействием глубинных процессов т.н. эндогенных и внешних – экзогенных воздействий происходит кругооборот вещества планеты. Осадочные породы опускаются в земные недра, где преобразуются в магму, а затем вновь поднимаются тектоническими процессами на поверхность. Они непрерывно изменяют лик земной поверхности. Появляются и исчезают горы, на месте морей образуются равнины, а реки со временем исчезают, уступая место пустыням и каньонам.

Трансформация земной поверхности от Архея до современности и через пятьдесят миллионов лет. Она сопровождается глобальными изменениями рельефа земной поверхности.

Эндогенными называются протекающие в земных недрах процессы. Это магматизм, метаморфизм, тектоника и сейсмичность. Эндогенные процессы черпают свою энергию из земных недр, извлекая ее из атомных, молекулярных и ионных реакций, внутреннего давления и др. Они обуславливают тектонические движения земной коры, под влиянием которых формируются крупные формы её рельефа, т.н. морфоструктуры – равнины, горные системы с хребтами, нагорьями и плоскогорьями.

Экзогенными называются внешние факторы обусловленные денудацией. Это выветривание, дефляция, оползни, обвалы, карсты, эрозия, экзарация, морская и озёрная абразии и др. Они связанны с древними оледенениями, работой текучих вод и ветра, перепадами температур и новым фактором – антропогенной (человеческой) деятельностью.

Геологическая работа экзогенных процессов в основном сводится к разрушению горных пород, переносу обломков и отложению их в виде осадков. Итогом является формирование на месте горного рельефа пенеплена – «предельной равнины» или слабохолмистой местности с плоскими столовыми водораздельными частями.

Формирование рельефа происходит в сложном взаимодействии земной коры с биологической, водной и воздушной оболочками Земли. Они иные, чем для остальных планет Солнечной системы, соответственно различающихся по своим формам рельефа и характеру протекания физико-химических и гравитационных процессов.

Великий архитектор Вселенной – гравитация. Вверху пирамиды Гизы в Египте (XXVI—XXIII века до н.э.), внизу рельеф в провинции Сальта (Аргентина). В обоих случаях природой и человеком выбраны наиболее эффективно сопротивляющиеся действию силы тяжести конусообразные формы.

Рельеф занимает в строении Земли особое место, являясь поверхностью раздела и одновременно поверхностью взаимодействия оболочек земного шара – атмосферы, биосферы, гидросферы и литосферы. Одной из его важных характеристик является уклон. С ним связано возникновение обвалов, оползней и лавин в горной местности. Чем больше крутизна склона, тем он опаснее с точки зрения возможности их возникновения.

В силу различных причин ослабление сцепления каменно-земляных масс породы нарушает их равновесие, и приводит к движению вниз. Именно этим обстоятельством обусловлена форма гор и возвышенностей. В поле силы тяжести Земли они приобретают наиболее устойчивую, условно конусообразную форму, позволяющей эффективно распределять давление их огромного веса на основание. Наиболее древние сооружения человека – египетские пирамиды сконструированы схожим образом просуществовав уже более четырёх тысяч лет.

В простой схеме для появлении гор их формирование должно происходить со скоростью превышающей скорость распада связей в образующем их материале – т.н. явление денудации. Это совокупность процессов сноса и переноса водой, ветром, водой и льдом в поле земного тяготения, продуктов разрушения горных пород в пониженные участки земной поверхности.

Особенно быстро всё это происходит в горах, где большие уклоны земной поверхности способствуют гравитационному сносу горных пород, а снижающие их прочность физико-химические факторы действуют наиболее интенсивно. Под действием ветровой и водной эрозии, перепадов температуры и усталостных процессов непрерывно происходит нивелирование рельефа земной поверхности, снижение абсолютных и относительных высот.

Схема строения морского дна в сопоставлении с самой высокой горой на суше – Эверест в Гималаях.

Гравитация и время превращают горы в холмистую местность, а долины и равнины в пустыни. Тектоническими силами они вновь трансформируется в горную местность и, так будет до тех пор, пока не иссякнет внутренняя энергия планеты, и она не остынет. Этот процесс идёт с самого начала её образования, а расчётное время существования тектонически активной Земли составляет около трёх миллиардов лет.

Прообразом будущего Земли является Марс. Сегодня на этой планете не обнаружена активная тектоническая деятельность, а вулканы потухли. Она окружена разряженной атмосферой и без подобного земному магнитному полю планета не в состоянии противостоять солнечной радиации.

Скорость выравнивания земного рельефа определяется прочностью образующих его пород, т.е. их способностью выдерживать гравитационную нагрузку и сопротивляться разрушению под воздействием различных факторов. Таких, как влажность, температура, химические процессы и др.

Горные породы не монолитны, они перемножаются разносоставными слоями, разбиты на крупные и мелкие блоки. На склонах силы сцепления между ними должны быть достаточны для удержания их веса. Если этого не происходит, возникают обвалы и оползни. Часто их возникновение провоцируется землетрясениями, срывающими с крутых склонов неустойчивые фрагменты породы. Подобные и более грандиозные процессы происходят на дне морей и океанов.

Морское дно в районе в центре южной части Тихого океана. Линейные структуры – тектонические разломы, светлые точки – вершины морских горных гряд выступающих над поверхностью воды. Высшая точка на острове Таити Французской Полинезии – гора Орохена возвышается над уровнем моря на 2241 метр.

Под водой скрываются горные хребты, превосходящие по высоте расположенные на суше горы. Так, системы Анд, Гималаев, Гиндукуша, Памира и Тянь-Шаня с их вершинами в 6000—8000 метров уступают по протяженности и высоте горным образованием на морском дне. Самая высокая гора на суше – Эверест (Джомолунгма) в Гималаях может с лихвой поместится в глубочайшей впадине планеты Бездне Челленджера. Здесь перепад высот между самой низкой и самой высокой точкой составляет почти двадцать километров. Он сопоставим с размерами марсианского вулкана Олимп возвышающимся на 27 километров от основания. Более слабая гравитация, чем на Земле, отсутствие жидкой воды и разряженная атмосфера четвёртой планеты обеспечат сохранность этой горы ещё длительное время.

Дно Мирового океана находится в непрерывной геологической трансформации. В зонах спрединга через разломы на дно океана поступает базальтовый расплав, и формируется новая океаническая кора. Тектонический конвейер пододвигает её под окраины континентов – в области субдукции, где она, охлаждаясь, погружается в мантию, рождая вулканы и вызывая мощные землетрясения.

Единая система срединно-океанических хребтов проходит через весь Атлантический океан, продолжается в Индийском, а затем Тихом океане. Хребты протянулись более чем на шестьдесят тысяч километров, и рассечены в центральной части продольными впадинами – рифтами. Это самые молодые участки земной коры – они непрерывно обновляются мантийным расплавом.

Начиная от островов Новой Гвинеи и заканчивая Новой Зеландией на морском дне, под архипелагом Бисмарка, Соломоновыми островами, Новыми Гебридами, Новой Каледонией, Самоа, Тонга и Кермадек, почти параллельно друг другу расположены морские горные гряды. Острова Гилберта, Маршалловы и Каролинские острова Микронезии в Тихом океане это всего лишь выступающие над поверхностью воды вершины подводных горных цепей.

На огромном пространстве от залива Аляски и до архипелага Самоа морское дно разбито громадными тектоническими трещинами и трансформными разломами. Здесь часто возникают сильнейшие землетрясения, а вокруг разломов формируются многочисленные оперяющие структуры – надвиги, складки и грабены.

На больших глубинах очень холодно и действует огромное давление. Погружение в море на каждые десять метров дает увеличение гидростатического давления в одну атмосферу. На глубине в сто метров погруженное тело испытывает давление примерно в десять атмосфер. В самом глубоком месте планеты – на дне Марианского желоба батискаф «Trieste» ВМС США на глубине 10918 метров испытал давление в 1100 атмосфер. На дне желоба Пуэрто-Рико на глубине 8390 метров батискаф «Archimede» ВМС Франции выдержал давление около 840 атмосфер.

Под большим давлением вода проникает в трещины на морском дне что облегчает потерю равновесия пластами породы. Поэтому на континентальных склонах часто возникают грандиозные подводные оползни и турбидитные (мутьевые) потоки. Со скоростью доходящей 70—90 километров в час они способны перемещать донные осадки на расстояние в сотни километров.

В 6200—6000 годах до нашей эры у берегов современной Норвегии возник гигантский подводный оползень Storegga. Он охватил площадь около четырёх тысяч квадратных километров, а оползневые массы перемещались на расстояния до пятиста километров. Вызванное оползнем цунами охватило береговую зону протяженностью почти в триста километров в северной части Атлантического океана. Морские волны проникали до восьмидесяти километров вглубь побережья. Этот оползень по объёму перемещенных масс более чем в триста раз превышал современную ежегодную поставку в Мировой океан осадочного материала всеми реками на планете.

Подобные катастрофы неоднократно возникали в прошлом, но могут возникнуть в будущем. Несмотря на все достижения современной цивилизации они не станут менее опасными, чем были в прошлом, когда погребали под собой стоянки древнего человека. Причин тому много, но главные предопределены быстрым увеличением населения планеты и ростом городских поселений. Он сопровождается нарушением естественного состояния среды из-за вырубки лесов, изменения естественных ландшафтов, прокладки инженерных коммуникаций, разработки месторождений полезных ископаемых и др.

Растёт скорость перемещения по наземным трассам, их сеть усложняется и расширяется. Зачастую они проходят по изрезанному рельефу, подчиняя себе горные склоны и пойменные низменности. В свою очередь это приводит к увеличению риска возникновения техногенных аварий там, где не соблюдены необходимые меры безопасности, а природные условия не приняты во внимание.

К XXI веку в горной местности, занимающей примерно 24% земной поверхности, проживало около 10% мирового населения. Более 50% населения находится в пределах двухсот километровой зоны от побережья морей и океанов. В долинах и устьях рек наблюдается наивысшая плотность населения, а большинство мегаполисов планеты, таких как Нью-Йорк, Токио, Шанхай и другие расположены на сейсмоопасных территориях и вблизи от морских побережий.

Природным катаклизмом присуща каскадность действия, т.н. принцип домино. Подземный удар может спровоцировать обвалы и оползни в горах на крутых склонах, тем более вероятные, если землетрясению предшествовали проливные дожди. А внезапное перемещение больших массивов породы в ущелья или речные долины в свою очередь приводит к наводнениям и селям.

Начиная с середины 80-х годов прошлого века, потери от стихийных бедствий с конца XX века растут опережающими темпами по сравнению с численностью мирового населения и степени его концентрации в городах (Каррыев, 2016).

В конце прошлого века Юджин Стормер (Eugene F. Stoermer) обозначил современный этап развития Земли термином «Антропоцен». В 2000 году Нобелевский лауреат Пауль Крутцен (Paul Jozef Crutzen) использовал его в качестве формальной единицы геохронологической шкалы. Термин стал необходим из-за всё более усиливающегося вмешательства человека в рельефообразующие процессы на планете.

Все части природной среды взаимосвязаны между собой и стремятся к равновесию – гомеостазису. Как следствие, меняя какой либо фрагмент сложившейся системы человек вносит в неё дисбаланс. В свою очередь с её стороны следует ответная реакция, и она стремится вернуться в своё естественное состояние. Но это возможно только до тех пор, пока не будет преодолён некий критический предел, за которым возникает уже другая реальность. Возможно, она уже не будет столь же благосклонна к существованию человека как предыдущая. История знает такие примеры.

Начиная с момента использования огня и формирования сельского хозяйства влияние антропогенного фактора на вид и форму рельефа земной поверхности шло по нарастающей. Яркий пример тому Австралия, где аборигены более пятидесяти тысяч лет назад научились выжигать растительность для облегчения охоты. Этих людей уже давно уже нет, но следствием подобного образа жизни стало исчезновение внутреннего озера Kati Thanda-Lake Eyre (Эйр). Тысячи рукотворных пожаров за тысячи лет изменили покров континента и его климат.

Другой пример находится в Центральной Азии. Здесь с середины прошлого века начался забор воды из основных питающих Аральское море рек Амударьи и Сырдарьи. Искусственное орошение сельскохозяйственных земель поставило этот некогда значительный водоём пресной воды на грань исчезновения.

В 1979 году английский эколог Джеймс Лавлок (James Ephraim Lovelock) в своей книге «The Revenge of Gaia» (Месть Геи) выдвинул гипотезу о Земле как суперорганизме способного благодаря механизму саморегуляции поддерживать основные параметры среды в стабильном состоянии на определённые периоды времени. Она способствовала развитию системного подхода к изучению Земли, при котором планета рассматривается как единое целое, а не как набор отдельных частей. В 2001 году в итоговой декларации международной конференции по изменению климата в Амстердаме эта идея сформулирована следующим образом: «Земля ведет себя как единая, саморегулирующаяся система, состоящая из физического, химического, биологического и человеческого компонентов».

Благодаря собранным более чем за тридцать лет американскими спутниками с приборами «Modis» и «AVHRR» обнаружено, что увеличение количества парниковых газов в земной атмосфере привело к росту площади зелёных массивов планеты. Дополнительное озеленение составило от 25% до 50% к 2016 году. Это несколько сдерживает климатические изменения, так как растительность забирает из атмосферы углекислый газ. Иными словами реакция природной среды на парниковый газ оказалась благоприятной для растительности и животного мира.

Вместе с тем, природная среда, как самоорганизующаяся система, существует только в определённых ею самой пределах, при достижении которых она переходит в новое состояние с иными условиями равновесия. В этом смысле выживание человека ценно только для него самого, а способность или неспособность соблюдать заданные природной средой условия определяет длительность периода его существования.

Развитие наук о Земле к концу ХХ века привело к пониманию того, что геосферы планеты (атмосфера, биосфера, гидросфера, литосфера и т.д.) нельзя изучать в отрыве друг от друга. Особенно явно это проявилось благодаря взгляду со стороны – мониторингу планеты с её орбиты, когда протекающие на огромных пространственно-временных масштабах процессы стали визуально доступны.

Происходившие на Земле природные катаклизмы это напоминание о возможности их повторения в будущем. Тем самым, помимо познания окружающего мира, определена научная ценность и практическая значимость их изучения.