3.3. Основные геологические процессы и циклы кругооборота веществ

Поверхность Земли формировалась в результате сложных и длительных процессов, в которых участвовали все три сферы: твердая кора, взаимодействующая с верхней мантией, гидросфера и атмосфера. Многие геологические явления, идущие в планетарном масштабе, тесно связаны между собой и влияют друг на друга. Поэтому вполне уместно говорить о едином многообразном геологическом развитии, которое продолжается и в наше время.

Необходимо также отметить, что живые организмы — биосфера, несмотря на крайне незначительную массу и объем живого вещества, играют в ряде геологических процессов важнейшую, а в некоторых отношениях — решающую роль. Например, кислород в земной атмосфере появился и поддерживается только в результате жизнедеятельности растений.

Эффективное участие живого вещества в геологических процессах показывает, что деятельность ничтожного количества высокоорганизованной материи способна приобрести глобальный характер. Более того, только один из многих миллионов видов живых организмов, человек, являющийся наиболее высокоорганизованным существом, которого Природа одарила разумом, при общей биологической массе человечества в десять тысяч раз меньшей массы всей живой материи и в десятки, сотни миллиардов раз меньшей остальных (неживых) сфер земной поверхности (см. табл. 5), тоже способен влиять на процессы глобального масштаба, причем, как правило — неразумно, если под этим понимать деятельность, подрывающую собственное существование как вида, а заодно и существование многих других живых организмов на нашей уникальной планете.

Из многих геологических явлений, формирующих лик 3емли, самыми главными являются следующие:

• горизонтальные и вертикальные движения участков земной коры (литосферных плит), ведущие к преобразованию географической карты планеты и вызывающие образование горных систем;
• вулканическая деятельность, также формирующая горы, новые участки земной коры и выносящая на поверхность Земли вещество мантии;
• разнообразные процессы выветривания, разрушающие горы и вообще поднятые над уровнем Мирового океана участки суши;
• осадкообразование, создающее из пород, разрушенных выветриванием, новые осадочные горные породы, иногда многокилометровой толщины.

К этому перечню можно добавить процессы, идущие с участием биосферы:

• создание и поддержание кислородного состава земной атмосферы; формирование почвенного слоя на поверхности суши, который хотя и очень тонок, но играет важную роль в жизни всех организмов; участие в формировании осадочных пород.

Рассмотрим вкратце эти явления.

Горизонтальные и вертикальные движения участков земной коры. Эти движения связаны с мантией, особенно с верхней её частью. Очень медленные, незаметные перемещения способны за длительное время вызывать крупные изменения. Например, горизонтальное движение литосферной плиты со скоростью 1 см в год переместит лежащий на плите участок суши (материк) на 1000 км всего за 100 миллионов лет; вертикальный подъем или опускание участка коры со скоростью 1 мм в год создаст 10-километровые горы или впадины за 10 миллионов лет. А ведь геологическая история измеряется не миллионами — миллиардами лет. Таким образом, не требуется бурных апокалиптических событий вроде исчезновения Атлантиды в морских пучинах за одну ночь и других подобных, чтобы коренным образом преобразовался облик планеты. Скорее наоборот, различные катаклизмы типа крупных извержений, землетрясений, особенно мощных цунами и др. являются не причиной изменений, а следствием медленных и незаметных движений в земной коре. При таких движениях в твердых породах коры возникают внутренние напряжения, накапливается огромная энергия и когда материал коры наконец не выдерживает, возникают катастрофы; о многих из них хранятся сведения в памяти человечества.

Когда медленные движения литосферных плит и участков коры на них понижают уровень поверхности, на опустившихся площадях образуются новые моря, иногда очень обширные, при повышении уровня — моря уходят и на их месте образуется суша или даже горы. Это может повторяться несколько раз и иногда хорошо прослеживается в мощных толщах осадочных отложений.

Горизонтальные движения плит могут вызывать разломы и трещины в земной коре, перемещения континентов. Впадины, образующиеся между расходящимися участками суши, заполняются морями, постепенно расширяются. Подобное движение происходит сейчас в районе Красного моря, где африканский континент «отъезжает» от азиатского. Но идут и обратные процессы, когда в результате встречного движения плит возникают периферийные поднятия, образуются обширные горные системы. Именно так за последние 50–100 млн. лет образовалась молодая горная система, протянувшаяся по всей Европе от Пиренейского полуострова до Кавказа и далее через всю Азию. Она включает Пиренеи, Альпы, Балканы, Кавказ, Гималаи, Тибет и продолжается далее в Восточном Китае.

Теория, считающая горизонтальные движения крупных участков земной коры — литосферных плит основной движущей силой геологических изменений, получила название мобилизма. Существует и иная точка зрения, считающая главной причиной геологических процессов вертикальные движения коры, обусловленные термическими изменениями в верхней мантии (разогревание, расширение и «вспучивание» коры или охлаждение, сжатие, образование складок). Эту теорию обычно называют фиксизмом [2.15]. Спор между сторонниками двух течений пока не завершен.

Отдельные высказывания, указывающие на возможность движения континентов, делались еще в 18–19 столетиях, но отчетливо концепция мобилизма была изложена в работах А. Вегенера в 1912–1915 годах [2.28]. Первоначально эти идеи не признавались, вероятно из-за их новизны (до этого в науке господствовала теория вертикальных движений), а также потому, что возможная причина горизонтальных перемещений материков была Вегенером указана неверно. Да и сам факт существования литосферных плит не был достаточно серьезно обоснован. Однако, в процессе исследований продолжали появляться всё новые и новые факты, не укладывающиеся в рамки фиксизма и свидетельствующие в пользу мобилизма. Особенно решающие доводы были получены в результате исследований морского дна, проводившихся по ряду национальных и международных программ начиная с 50–60 годов 20 века. Непосредственной побудительной причиной этих исследований были хозяйственные нужды, в частности, разведка полезных ископаемых, но значительное, и иногда первостепенное внимание уделялось и научным результатам.

Крупнейший вклад внес проект глубоководного бурения, осуществлённый США с помощью специально построенного и оснащенного для этой цели исследовательского судна «Гломар Челленджер». Огромные технические трудности, связанные с глубоководным бурением в открытом океане, были успешно преодолены; в разных местах Мирового океана были пробурены сперва сотни, а затем тысячи скважин, взяты и исследованы многочисленные пробы земной коры под дном океана. Был определен характер и возраст пород. Результаты этих исследований во многом оказались неожиданными и сильно укрепили позиции мобилизма. Так, в частности, было установлено, что кора на океанском дне — очень молодое геологическое образование, причем возраст и толщина коры понижаются по мере приближения к линии срединно-океанических хребтов. В районе самих хребтов возраст пород составляет всего 3–5 миллионов лет; новые участки коры в этих районах формируются буквально на наших глазах.

Постепенно накапливались данные из различных отраслей науки, подтверждающие теорию движения континентов:

• географические (сходство очертаний континентов, разделённых океанскими просторами);
• геологические (сходство геологических структур, включая их возраст, для далеко отстоящих районов);
• палеонтологические (удивительная близость некоторых ископаемых видов животных);
• исследование пород океанского дна, их состава, возраста, характера остаточной намагниченности.

Очень ярко подобные признаки проявляются в сходстве береговых очертаний, геологических структур и останков вымерших животных на западном побережье Африки и восточном побережье Южной Америки. Например, листозавры, остатки которых находят в Африке и в Южной Америке, не могли бы преодолеть океан; когда-то (100–150 миллионов лет назад) они жили в общем сухопутном районе.

Под давлением этих и многих других фактов теория мобилизма стала преобладающей и в настоящее время её поддерживает большинство учёных.

Вулканическая деятельность и землетрясения. Как уже отмечалось, вулканические и тектонические явления возникают вследствие мощных глубинных движений в верхней, а может быть и во всей мантии. Их роль в формирования поверхности Земли исключительно велика. В настоящее время на Земле насчитывается около 500 сухопутных и в несколько раз больше подводных вулканов. Практически все они сосредоточены в зонах субдукции — районах, где проходит граница между океаническими и материковыми литосферными плитами, а также в районах средне-океанических хребтов (см. карту на рис. 5, стр. 427). В этих районах, а также областях горообразования, где сталкиваются материковые литосферные плиты, сосредоточены сейсмические области, в которых наблюдаются частые землетрясения.

Наземные и подводные вулканы выносят на поверхность твёрдые вещества, формирующие земную кору, и, что особенно важно, материал для подавляющего большинства полезных ископаемых; газы (в основном $\text{CO}$2 — углекислый газ и пары воды), из которых при участии растений формируется атмосфера, и воду с растворенными в ней газообразными и твёрдыми химическими веществами, которая в прежние эпохи образовала Мировой океан и продолжает пополнять его в настоящее время. Как показывает оценка, количество всех этих веществ, поступающих на поверхность, вполне достаточно, чтобы за время существования Земли — на протяжении 4,5 миллиардов лет образовалась современная кора, атмосфера и гидросфера.

Выветривание. Только одна, правда крупнейшая, река — Амазонка выносит в море за год вместе с водой около двух миллиардов тонн вещества, отчасти в виде мелких частиц размером от 1 до 0,001 мм (твёрдый сток), отчасти в составе растворенных в воде химических веществ. Общий годовой вынос в океан вещества суши всеми реками составляет около 25 миллиардов тонн [2.1; 2.53]. Вся эта масса вещества, непрерывно выносимая с суши, образуется в результате выветривания, разрушения высоких гор, просто поднятых над общим уровнем участков и даже равнинных областей.

Термин выветривание объединяет несколько различных физических и химических процессов, простых и очень сложных; в них решающую роль играет атмосфера и вода.

Вероятно, все видели или, по крайней мере, представляют себе по литературе глубокие ущелья в горах и речные долины, возникшие в результате непрерывной работы рек. Поговорка «вода камень точит» имеет к этому прямое отношение. Особенно сильное размывание горных пород, почвы связано с паводками, возникающими при таянии снегов весной или при выпадении больших масс осадков. Многим знакомо также разрушение морских побережий под воздействием волн, особенно в штормовую погоду. Когда текущая вода подтачивает нижние участки ущелий или речных долин или морские волны размывают основания крутых берегов, возникают обвалы, оползни, селевые потоки. Опускающиеся вниз породы измельчаются, размываются и выносятся в океан.

Большие массы песка, камней, валунов, в том числе многотонных, переносятся на десятки, сотни километров льдами в ледниковые эпохи.

Под воздействием колебаний температуры, суточных (день-ночь), сезонных (зима-лето) возникают деформации и на поверхности даже твёрдых пород появляются микротрещины. В трещины попадает вода, которая, расширяясь при замерзании, углубляет их; в этом процессе участвуют корни растений. Так год за годом, столетие за столетием происходит разрушение пород, а вода и ветер уносят отколовшиеся, размельчённые частицы.

Ещё один механизм разрушения и перемещения пород связан с ветрами, от которых и произошел термин выветривание. Сильные ветры могут переносить, причем на значительные расстояния, массы рыхлого поверхностного слоя — песка, почвы. При этом в атмосферу поднимаются тучи мелких частиц пыли, которые потом выпадают в других местах и, конечно, над поверхностью океана. Например, известно, что из Сахары, преимущественно в западном направлении, переносятся ветрами большие массы песка и пыли, выпадающие в Атлантический океан. В равнинных и безлесных степях, являющихся важными сельскохозяйственными районами, ветровая эрозия часто приводит к бедствиям: пыльные бури выдувают и уносят плодородный слой почвы, в результате чего целые районы становятся непригодными для земледелия.

Описанные процессы разрушения носят наглядный, так сказать, механический характер. Но еще большие масштабы имеют невидимые химические реакции, идущие на поверхности и в мельчайших порах горных пород при участии воды и растворённых в ней солей и кислот. Химические процессы идут повсюду, а наличие микротрещин многократно увеличивает поверхность, на которой происходят реакции. В итоге растворимые или ставшие растворимыми в результате химических реакций вещества уносятся водой; иногда при этом изменяется химический состав минералов. Так, например, зёрна полевого шпата ($\text{KAlSi}$2O3) в гранитах преобразуются в каолин ($\text{Al}\text{(}\text{OH}\text{)}$8Si4O10), углекислый калий ($\text{K}$2CO3) и окись кремния ($\text{SiO}$2). Таким путём образуются глины. Многочисленные и сложные процессы химического выветривания описаны в ряде работ, например в [2.25].

Образование осадочных пород. Начнём с очень простого бытового примера. Хорошо известно, особенно хозяйкам, что со временем на всех предметах оседает слой пыли, и если его периодически не убирать мокрыми тряпками и пылесосами, то слой будет расти; в конце концов это заметит даже муж и будет недоволен. То же самое происходит не только в квартирах, но и везде в природе: оседает и постепенно накапливается пыль, возникающая в атмосфере в результате только что рассмотренных процессов эрозии (выветривания). Правда, дожди могут смывать, а ветры уносить эту пыль (например, с крыш, листвы и т. п.), но она ведь совсем не исчезает, куда-то уносится.

Сделаем произвольное предположение: пусть за год накапливается слой пыли в 0,1 мм; как будто это совсем немного. Тогда всего за миллион лет образуется слой толщиной 100 метров, а за 10 миллионов лет, что тоже ничтожный срок для геологических масштабов, толщина достигнет 1 километра. Это уже будет не рыхлый слой пыли; под давлением вышележащего материала за длительное время он спрессуется и образует твёрдое вещество. Это и будет осадочная порода.

Накопление осадков происходит везде — на суше и в море, куда частицы тоже попадают из атмосферы или образуются в самой толще воды в результате химических реакций, дающих нерастворимые соединения (например, окись железа гематит ($\text{Fe}$2O3), образующийся в подходящей (морской) среде из хорошо растворимой закиси ($\text{FeO}$2), выносимой речным стоком, некоторые соединения кальция и др.). Морские осадки образуются также из скелетов и раковин отмирающих организмов — некоторых видов планктона, моллюсков. Но самым главным источником, поставляющим материал для осадочных пород в море, являются реки, выносящие в океан размытые породы суши. Именно в океанах, особенно в мелководном шельфе и районах, прилегающих к большим рекам, накапливаются слои осадочных пород толщиной 4–6–10 километров. Эти слои были бы ещё больше, и вообще, при современной скорости выветривания и осадкообразования за 4,5 миллиарда лет геологической истории покрыли бы всю Землю слоем 120 километров [2.1], если бы одновременно не происходило погружение осадочных пород в мантию, особенно в зонах субдукции, переработка в другие (метаморфические) породы под воздействием высоких давлений и температур и новый вынос на поверхность в составе вулканической магмы.

Мы рассмотрели только крупнейшие — наиболее важные геологические явления, которые представляют собой основные движущие силы геологической истории. Кроме них на поверхности Земли и в океане происходит ещё множество других более мелких процессов. Многие из них связаны с разделением и преобразованием химических веществ, перемешанных в мантии Земли и образованием полезных ископаемых. Они представляют для нас особый интерес. Живые организмы — растения и животные являются активными участниками геологических преобразований, а в некоторых случаях, например, в поддержании кислородного состава атмосферы, играют решающую роль. Самые последние страницы длительной геологической истории написаны с участием человечества, деятельность которого пока приходится рассматривать скорее всего как вредную с точки зрения естественного хода развития жизни на Земле, да и для развития человечества в целом тоже.

Практически все естественные (т. е. идущие без участия человека) геологические процессы, образуют замкнутые циклы, внутри которых осуществляется кругооборот веществ. Исключения из этого правила составляют только некоторые явления:

• металлы группы железа ($\text{Fe}$, $\text{Ni}$, $\text{Co}$, $\text{Mn}$) опускаются к центру Земли, постепенно наращивая ядро и обратно уже не вернутся;
• распад радиоактивных элементов с выделением большого количества энергии носит необратимый характер. Короткоживущие элементы или изотопы с периодом полураспада до ста миллионов лет уже давно исчезли и от них на Земле ничего не осталось. Долгоживущие радиоактивные элементы, такие как уран 238 ($\text{U}$238), уран 235 ($\text{U}$235), торий 232 ($\text{Th}$232), калий 40 ($\text{K}$40), с периодом полураспада миллиард лет и более, ещё существуют. Они продолжают распадаться, выделяя энергию внутри Земли. Этот процесс постепенно затухает, по мере уменьшения количества не распавшегося вещества;
• можно предположить, что из верхних слоев атмосферы продолжает улетучиваться (диссипировать) свободный водород, остатки гелия, может быть некоторые другие летучие вещества, которые земное притяжение удержать не в состоянии. В настоящее время этот процесс идет крайне медленно и компенсируется (в смысле общей массы) выпадением на Землю крупных и мелких метеоритов, а в некоторые периоды галактического вращения Земли вместе с Солнцем, и космической пыли.

На рисунках 7–9 представлены некоторые (важнейшие) циклы кругооборота веществ на земной поверхности. Эти рисунки несколько упрощены; отражены только главные потоки вещества. В действительности все сферы поверхности — мантия, литосферные платформы, сухопутная и подводная кора, океан, атмосфера, живые организмы и органическое вещество многообразно и сложно взаимодействуют между собой и с верхней мантией. Попытка учесть все эти взаимодействия привела бы к слишком сложным, труднообозримым схемам.

На рис. 7 изображен кругооборот твёрдого вещества. При извержениях вулканов магма поднимается наверх из верхней мантии. В результате образуются горы, сложенные из ультраосновных, основных и метаморфических пород. Напомним, что основными называются породы, содержащие 45–55% кремнезёма $\text{SiO}$2 (базальты, габбро, эклогит и др.), ультраосновные породы (периотит, пироксенит и др.) содержат менее 45% $\text{SiO}$2. Из основных и ультраосновных пород состоит мантия, по крайней мере, в верхней её части. Метаморфическими называются породы, образовавшиеся из участков земной коры, (в том числе осадочного происхождения), которые после формирования погрузились в нижние слои (в частности, в верхнюю мантию) и там подверглись переработке при высоких давлениях и температурах. Они, как правило, богаты кремнеземом (т. е. относятся к «кислым» породам, с содержанием $\text{SiO}$2 более 55%); типичным представителем является гранит.

Вынос вулканического вещества может происходить на суше (линия 1 на рис. 7), в океане (линия 2 — подводные извержения, вулканические острова) и непосредственно в атмосферу в виде пыли (3). Поднятая в атмосферу пыль затем постепенно оседает на сушу и в океан (линии 4, 5). Некоторое количество твёрдого вещества попадает в атмосферу из космоса (линия 6) — это космическая пыль и остатки сгоревших метеоритов. Крупные метеориты не успевают сгореть в атмосфере и достигают поверхности Земли. Космический приток вещества в общем балансе невелик. Подъём твёрдого вещества может происходить не только в результате вулканической деятельности и при обычных вертикальных движениях участков суши, но также при образовании горных систем на границах сталкивающихся литосферных плит. На рис. 7 этот процесс не показан.

Одновременно с подъёмом твёрдого вещества идут и противоположные процессы, в результате которых преобразованное вещество опускается вниз — до самой мантии. Различные физико-химические явления эрозии разрушают горы и вообще поднятые над уровнем моря участки суши (линия 7). Частицы разрушенных пород переносятся ветром, ещё в большей степени водой, и оседают в более низменных местах, образуя осадочные породы (8, 9). В конце концов, это вместе с речным стоком поступает в прибрежные зоны морей, и там накапливается в виде многокилометровых осадочных слоёв. Породы осадочного происхождения в море образуются не только из мелких частиц, но и из растворённых в речной воде веществ, которые в результате химических реакций превращаются в нерастворимые (точнее — плохо растворимые) соединения и выпадают в осадок, а также из скелетов и раковин отмирающих морских организмов. На рис. 7 эта линия получения осадков не показана.

Исследованиями установлено, что скорость нарастания осадочных слоев в океане сильно зависит от места и составляет 1 мм за 1000 лет (иногда даже 0,1 мм за 1000 лет) в глубоководных впадинах, 3–10 мм за 1000 лет в центральных частях Индийского и Тихого океанов, (в Атлантическом океане в несколько раз больше), 30–100 мм за 1000 лет в прибрежных морях и достигает 100–500 мм за 1000 лет (иногда даже 4–5 метров за 1000 лет) в районах, примыкающих к устьям больших рек [2.1]. Но надо иметь в виду, что даже при малой скорости, например, 10 мм за 1000 лет, для образования километровой толщи потребуется всего 100 миллионов лет.

Вполне естественно, что под давлением слоя осадков в несколько километров происходит не только уплотнение вещества с образованием твёрдых («каменных») пород, но под тяжестью вышележащих слоёв может прогибаться и опускаться в мантию земная кора, особенно на морском дне, где толщина коры невелика. Погружение вещества коры в мантию на рис. 7 отражено линиями 10 — плавление нижних слоёв коры и 11 — явление субдукции, которое было рассмотрено ранее в связи с движением литосферных плит.

По известным данным о площади суши ($1,5\cdot 10^8$ км${}^2$), её средней высоте над уровнем моря (0,8 км), средней плотности (2,7 т/м${}^3$) и выносу твёрдого вещества в океан ($25\cdot 10^9$ т/год) можно подсчитать, что вся суша переместилась бы на дно океана за каких-нибудь 14–15 миллионов лет. Пожалуй, только рыбы и моллюски могли бы приветствовать такой ход событий. К счастью, процессы горообразования компенсируют вынос суши в океан и 3емля остаётся удобным местом обитания не только для морских, но и для сухопутных существ.

Привлекая дополнительные данные о средней толщине земной коры в целом (33 км), можно также подсчитать, что при существующей сейчас скорости выноса вещества вниз и подъёма его вверх в течение 500 млн. лет в кругообороте примет участие вся масса земной коры. За геологическую историю (4,5–5 млрд. лет) было проделано 9–10 циклов таких кругооборотов. Это, однако, не означает, что все участки поверхности как на конвеере «стоят в очереди», ожидая своего часа. На Земле есть отдельные места, где из под слоя осадочных пород на поверхность выходят породы гранитного и даже самого нижнего базальтового слоя литосферы (см. рис. 3, стр. 421). При этом (правда, редко) среди них встречаются такие, которые образовались на начальных этапах формирования коры и уцелели до сих пор. Такие породы встречаются в юго-западной Гренландии (бурые железняки с возрастом $3,7\cdot 10^9$ лет), в районах Блайнд-Ривер в Канаде, Витватерсланд в Южной Африке, Жакобина в Бразилии, на Кольском полуострове и в ряде других мест планеты. Среди этих пород иногда находятся и залежи полезных ископаемых, образовавшиеся в те древние времена. При кругообороте вещества может происходить (и происходит) разделение химических соединений с образованием залежей полезных ископаемых — руд различных металлов, химического сырья и удобрений и др., которые затем снова разрушаются и рассеиваются в результате эрозии. Процесс формирования и разрушения таких залежей — долгий, он занимает десятки, сотни миллионов лет.

Движение вещества требует затрат энергии. В данном случае источниками энергии являются внутреннее тепло Земли, поднимающее магму на поверхность, и Солнце, которое вызывает испарение воды и потоки ветра. Выпадающие затем осадки, а также ветер обеспечивают эрозию и перенос вещества вниз.

Некоторые явления, связанные с кругооборотом вещества — извержения вулканов и землетрясения, крупные паводки, оползни, цунами, иногда носят катастрофический характер, вызывают значительные разрушения с многочисленными человеческими жертвами. Так, 8 мая 1902 г. в результате извержения вулкана Мон-Пеле на острове Мартиника за одну минуту было уничтожено все население города Сен-Пьер, разумеется вместе с городом — около 30000 человек. В основном они были сожжены тучей горячих газов и пепла с температурой около 700 ${}^{\circ }$C.

Разрушения и число жертв при землетрясениях бывают еще больше и иногда исчисляются сотнями тысяч. При землетрясении 23 января 1556 г. в г. Сиань (Китай, провинция Шаньси), погибло 830000 человек. Не меньшее, даже большее число жертв бывает при катастрофических паводках крупных рек, когда заливаются обширные густонаселённые равнины, гибнут люди, скот, постройки, урожай (Китай, разлив реки Хуан-Хе, в 1931 г., число жертв превышало З700000 человек). Перечень всевозможных катастроф можно продолжать; он очень велик. Интересные сведения содержатся в монографиях, посвященных специально этому вопросу [2.29]. Летописи содержат сведения о многих подобных событиях на протяжении последних 1–2 тысячелетий. Многие произошли совсем недавно, в течение 2–3 истекших столетий. Вероятно, в доисторические времена случались и гораздо большие по масштабам катастрофы, которые послужили поводом для возникновения многочисленных мифов и легенд, в том числе и религиозных — например, сказания о всемирном потопе, о разрушении островов и городов.

Несмотря на бедствия, которые иногда приносят вулканические извержения и сопутствующие им явления — потоки расплавленной магмы и горячих газов, взрывы с выбросом пепла и камней, вулканическая деятельность все же полезна и даже необходима для пополнения атмосферы, суши и гидросферы и с нею необходимо мириться. Надо только научиться надёжно прогнозировать катастрофы и заблаговременно осуществлять эвакуацию населения из опасных точек.

Землетрясения и сопутствующие им разрушительные явления — оползни, провалы, трещины, гигантские цунами вряд ли приносят какую-либо пользу, и без них человечество вполне могло бы обойтись. Но тут уж, как говорится, ничего не поделаешь. Поэтому и здесь надо, опираясь на науку, научиться предвидеть опасности и заранее принимать необходимые меры. К тому же землетрясения — это все-таки вторичные события, а вот первичные и связанные с ними процессы горообразования тоже необходимы, так как без них, как уже отмечалось, выветривание и речной сток способны за короткий срок вынести в океан всю сушу. Просто, негде будет жить.

На рис. 8 представлена схема другого циклического процесса — кругооборота воды. Основными участниками здесь являются суша, океан и атмосфера, между которыми происходит обмен по «быстрому циклу» (тонкие линии). Эта система «подпитывается» водой, поступающей из верхней мантии (жирные линии), но уже медленно.

Вода испаряется с поверхности океана, сухопутных водоемов и просто влажной поверхности суши. Кроме того водяной пар поступает в атмосферу в процессе жизнедеятельности растений. Для испарения одного килограмма воды необходима затрата анергии — $5,39\cdot 10^5$ кал или $2,26\cdot 10^6$ Дж; поставщиком этой энергии является Солнце. На рис. 8 этому процессу соответствует линия 1. При охлаждении в атмосфере пар конденсируется и выпадает на сушу и в океан в форме осадков, большей частью жидких, в виде дождя, иногда — твёрдых, в виде снега (линии 2 и 3). Часть осадков, выпавших на сушу, испаряется и снова поступает в атмосферу, а часть речным стоком переносится в океан (линия 4). Таким образом, линии 1, 2, 3, 4 образуют замкнутую цепь, по которой осуществляется кругооборот воды. Известны и указаны на рисунке средние потоки, характеризующие интенсивность циркуляции и количество воды, запасённой в океане (основная масса), на суше и в атмосфере. Таким образом, имеется три резервуара с водой: океан, содержащий $1,46\cdot 10^{18}$ (1,46 миллиона триллионов тонн), суша, содержащая примерно в 10 раз меньше, и атмосфера, в которой находится «всего только» 13 триллионов тонн воды.¹⁴ Отметим, что вода на суше заключена не только в реках, озерах и внутренних морях, но и в подземных и грунтовых водах (до глубин 4,5 км), антарктических и гренландских льдах, ледниках на вершинах гор и в очень небольшой количестве — «каких-то» 10–12 триллионов тонн в тканях растений и животных. Солнце выполняет роль насоса, непрерывно перекачивающего по 520 триллионов тонн воды в год между указанными тремя резервуарами, и было бы непонятно зачем этот сизифов труд, но надо учесть, что именно в ходе этой перекачки происходит эрозия горных пород и, главное, поддерживается жизнь на суше.

Из данных на рис. 8 можно заметить, что количество осадков и испарение над сушей и океаном не совсем пропорциональны их площадям. Легко подсчитать, что на сушу, площадь которой равна $1,5\cdot 10^8$ км${}^2$, ежегодно выпадает слой осадков толщиной 722 мм (в среднем), а на океан с поверхностью $3,64\cdot 10^8$ км${}^2$ выпадает слой в 1231 мм.

Кроме того, на сушу с осадками приходит больше воды, чем уходит с испарением, а над океаном, наоборот, испаряется больше, чем выпадает с осадками. Разница в 37 триллионов тонн в год компенсируется речным стоком с суши в океан (линия 4). Эта некоторая и относительно небольшая неравномерность определяется глобальной циркуляцией атмосферы, которая не является случайной и подчинена определенным закономерностям. Да и из обычной практики всем хорошо известно, что на суше тоже осадки выпадают неравномерно: есть районы с засушливым и влажным климатами.

В системе планетного кругооборота воды, естественно, происходят некоторые потери. В основном они связаны с уходом воды в составе горных пород в верхнюю мантию (линии 5 и 6). Эти потери компенсируются притоком воды, поступающей из мантии при вулканических извержениях (линии 7, 8, 9, 10). Вода поступает наверх в составе магматических пород, в горячих источниках, а также в виде пара, который всегда и в большом количестве (70–80%) входит в вулканические газы и при извержениях поступает прямо в атмосферу (линия 10). Полезно отметить, что вулканические газы и горячая вода поступают на поверхность не только при бурных извержениях, сопровождающихся излиянием лав, взрывами и т. п., но и в спокойные периоды между извержениями. По грубым оценкам общее годовое количество воды, доставляемое на поверхность вулканическими процессами, составляет около $7\cdot 10^8$ т/год и это не только компенсирует, но и существенно превышает потери воды в ходе основного планетарного кругооборота. Поэтому, количество воды на поверхности (в основном — в океане) в настоящее время продолжает медленно увеличиваться.

На рис. 9 представлен планетарный кругооборот вещества для двух химических элементов, играющих исключительную роль в жизнедеятельности как растений, так и животных — углерода $\text{C}$ и кислорода $\text{O}$. Как и в случае воды, основной круг обмена осуществляется между сушей, океаном и атмосферой, причем главную роль играют живые организмы. Сухопутные растения и животные непосредственно обмениваются с атмосферой: растения в процессе фотосинтеза поглощают из атмосферы углекислый газ $\text{CO}$2 и использует углерод для построения собственных тканей, а кислород выделяют в атмосферу (линии 1, 2). Разложение $\text{CO}$2 и синтез белков требуют затрат энергии, которая поступает от Солнца в виде светового излучения: реакции фотосинтеза идут только на свету. Таким образом, Солнце и здесь является тем насосом, который поставляет энергию и обеспечивает кругооборот вещества ($\text{CO}$2 и $\text{O}$2) во всей системе. Только, если в случае воды происходит простое испарение, то фотосинтез, осуществляемый органическими молекулами хлорофилла, является исключительно сложной физико-химической реакцией. Животные питаются растениями (линия 3) или другими животными, получая в составе пищи углерод и энергию для своей жизнедеятельности. При дыхании животные, в отличие от растений, потребляют из атмосферы кислород и выделяют углекислый газ (линии 4, 5).

В воде океана в растворённом виде содержатся углекислый газ и кислород, которые находятся в динамическом равновесии с $\text{CO}$2 и $\text{O}$2 атмосферы (линии 6, 7). Морские растения и животные взаимодействуют с водой в процессе обмена $\text{CO}$2 и $\text{O}$2 точно так же, как сухопутные организмы взаимодействуют с атмосферой (линии 8, 9, 10, 11, 12). Фотосинтез в океане происходит в верхних слоях, куда еще проникают солнечные лучи. Основную часть этого обмена осуществляет фитопланктон — мельчайшие растения, свободно плавающие вблизи морской поверхности. Некоторая часть морских животных, в основном млекопитающие (киты, дельфины и др.) дышат воздухом. У них обмен $\text{CO}$2 и $\text{O}$2 происходит не с водой, а непосредственно с атмосферой. В общем балансе движения $\text{CO}$2 и $\text{O}$2 эта часть незначительна и на рис. 9 она не отражена. Большая часть отмерших живых организмов, содержащих углерод, подвергается разложению (линии 13, 14); при этом потребляется кислород и образуется углекислый газ, который выделяется в атмосферу или в морскую воду (линии 15, 16). Некоторая часть органических остатков сохраняется и в результате сложных и длительных процессов превращается в запасы энергетических полезных ископаемых — горючих сланцев, торфа, угля, нефти. Эти запасы представляют собой аккумулированную солнечную энергию, которая постепенно накапливается в течение десятков и сотен миллионов лет. Когда человечество использует эти запасы для технических целей, в атмосферу выделяется углекислый газ, замыкая кругооборот $\text{CO}$2 (линии 15, 16). Значительная часть углерода уходит из морской воды и поступает в осадочные породы в результате химических реакций с образованием карбоната $\text{CaCO}$3. который плохо растворяется и выпадает в осадок. Кроме того, многие морские организмы используют карбонат для построения раковин и скелета. После отмирания эти карбонатные остатки также выпадают на дно, образуя мощные толщи осадков (мраморы и другие известковые породы). Удаление углерода в составе $\text{CO}$2 из океана автоматически означает его удаление и из атмосферы, поскольку между $\text{CO}$2 в атмосфере и в виде раствора в морской воде поддерживается динамическое равновесие.

Существенная часть кислорода, который является очень активным окислителем, вступает в химические реакции, образуя окислы металлов и неметаллических элементов и другие химические соединения, которые входят в состав горных пород. Таким образом, кислород и отчасти углерод утекают из общего кругооборота между поверхностью Земли, океаном и атмосферой, и переходят в рассмотренный ранее кругооборот твёрдого вещества (линии 17, 18). Компенсация этой утечки происходит за счет вулканических процессов, при которых в атмосферу и океан поступает значительное количество $\text{CO}$2 (линии 19, 20, 21) и воды.

В заключение следует отметить два момента, связанных с наличием и кругооборотом кислорода в атмосфере.

1. Как уже отмечалось, часть молекул кислорода $\text{O}$2 превращается в озон $\text{O}$3, находящийся на высоте 20–55 км. Именно этот слой почти полностью поглощает ультрафиолетовую радиацию Солнца, делая возможной жизнь не только в воде, но и на суше. На рис. 9 слой озона условно показан пунктиром в верхней части атмосферы. Озон $\text{O}$3 и кислород $\text{O}$2 находятся в динамическом равновесии, непрерывно превращаясь друг в друга. Этот момент на рисунке условно отражен короткой линией 22.
2. Только растительность за счет фотосинтеза обеспечивает поддержание кислорода в атмосфере. Общее выделение кислорода составляет около $3\cdot 10^{11}$ (триста миллиардов) тонн в год; из них 3/4 ($2,25\cdot 10^{11}$ тонн) выделяет растительность суши, в основном — тропические и субтропические леса и 1/4 ($7,5\cdot 10^{10}$ тонн) выделяют морские растения, в основном фитопланктон [2.25]. Если бы не было растений, например, если бы они погибли в результате термоядерной войны и последующего похолодания (ядерная зима), то весь кислород в кратчайшие сроки, через каких-нибудь 10–15 тысяч лет, был бы израсходован на реакции окисления и исчез бы из атмосферы (разумеется, вместе со слоем озона). При этом всякая жизнь на Земле, не только на суше, но и в море, прекратилась бы, за исключением простейших анаэробных организмов, живущих в океанских глубинах, донном иле и не нуждающихся в свободном кислороде (см. далее п. 3. и главу 4). С растительностью, в частности с тропическими лесами надо обращаться бережно, и это — забота всего человечества.

Кроме рассмотренных кругооборотов твёрдого вещества, воды, кислорода и углерода на земной поверхности существуют и другие циклы с участием иных веществ или химических элементов: кругооборот калия, фосфора и азота, являющихся небольшими, но абсолютно необходимыми элементами в составе всех живых организмов, кругооборот микроэлементов (йод, бром, сера, железо и многие другие), входящих в организмы в ничтожном количестве, но также необходимых, циклы, связанные с созданием и поддержанием плодородного слоя почвы, веществ, водящих в состав полезных ископаемых, используемых человечеством в технической деятельности и необходимых для поддержания современного уровня жизни и дальнейшего развития, и многие другие. Мы приспособились жить в мире, в котором все очень связано и довольно точно сбалансировано. Человечество заинтересовано в том, чтобы не нарушать этот баланс, ибо нарушая его, мы подрываем основы своего собственного существования.