Среди природных явлений, воздействующих на геологическую среду и географическую оболочку, немаловажную роль играют космические процессы. Они вызываются приходящей энергией и веществом падающих на Землю космических тел разного размера — метеоритов, астероидов и комет.
Космическая радиация
Мощный поток космического излучения, направленного к Земле со всех сторон Вселенной, существовал всегда. «Наружный лик Земли и жизнь, наполняющая его, являются результатом разностороннего взаимодействия космических сил… Органическая жизнь только там и возможна, где имеется свободный доступ космической радиации, ибо жить — значит пропускать сквозь себя поток космической энергии в кинетической ее форме», — считал создатель гелиобиологии А. Л. Чижевский (1973).
В настоящее время многие биологические явления геологического прошлого Земли рассматриваются как глобальные и синхронные. На живые системы воздействует внешний источник энергии — космическое излучение, действие которого было постоянным, но неравномерным, подверженным резким колебаниям, вплоть до самых сильных, выраженных в форме ударного действия. Это связано с тем, что Земля, как и вся Солнечная система, вращаясь вокруг центра Галактики по так называемой галактической орбите (время полного оборота называется галактическим годом и он равен 215—220 млн. лет), периодически попадала в зону действия струйных потоков (струйного истечения космического вещества). В эти периоды усиливались потоки космического излучения, попадавшего на Землю, увеличивалось число космических пришельцев — комет и астероидов. Космическая радиация играла ведущую роль во время взрывных периодов эволюции на заре жизни. Благодаря космической энергии были созданы условия для возникновения механизма клеточных организмов. Важна роль космической радиации на рубеже криптозоя и фанерозоя во время «популяционного взрыва». Сегодня можно более или менее уверенно говорить об уменьшении роли космической радиации в течение геологической истории. Это связано с тем обстоятельством, что или Земля находится в «благоприятной» части галактической орбиты, или у нее появились некие защитные механизмы. В ранние геологические эпохи поток космической радиации был более интенсивным. Это выражается наибольшей «терпимостью» к космической радиации прокариот и первых одноклеточных организмов, и главным образом, сине-зеленых водорослей. Так, цианеи были обнаружены даже на внутренних стенках атомных реакторов, и высокая радиация никак не отразилась на их жизнедеятельности. Воздействие жесткого коротковолнового и ультракоротковолнового облучения на организмы, обладающие различной генетической структурой, уровнем организации и защитными свойствами, было селективным. Поэтому воздействием космического облучения можно объяснить и массовые вымирания, и значительное обновление органического мира на определенных этапах геологической истории. Не без участия космического излучения возник озоновый экран, сыгравший определяющую роль в дальнейшем направлении земной эволюции живых организмов.
Космогеологические процессы
Космогеологические процессы связаны с падением на Землю космических тел — метеоритов, астероидов и комет. Это привело к возникновению на земной поверхности ударных, ударно-взрывных кратеров и астроблем, а также к ударно-метаморфическому (шоковому) преобразованию вещества горных пород в местах падения космических тел.
Ударные кратеры, образовавшиеся в результате падения метеоритов, имеют в диаметре менее 100 м, ударно-взрывные, как правило, свыше 100 м. Предполагается, что астроблемы образовались в результате падения астероидов и комет, т.е. космических тел, размеры которых намного превосходят размеры метеоритов. Астроблемы, найденные на Земле, имеют в поперечнике от 2 до 300 км.
В настоящее время на всех континентах найдено немногим более 200 астроблем. Значительно большее количество астроблем покоится на дне Мирового океана.
Их трудно обнаружить, и они недоступны для визуального изучения. На территории России одной из наиболее крупных является Попигайская астроблема, расположенная на севере Сибири и достигающая в поперечнике 100 км.
Астероиды — тела Солнечной системы диаметром от 1 до 1000 км. Их орбиты находятся между орбитами Марса и Юпитера. Это так называемый пояс астероидов. Орбиты некоторых астероидов проходят близко к Земле. Кометы — небесные тела, движущиеся по сильно вытянутым орбитам. Центральная наиболее яркая часть комет называется ядром. Его диаметр колеблется от 0,5 до 50 км. Масса ядра, состоящего из льда — конгломерата замерзших газов, в основном аммиака, воды и частиц пыли, составляет 1014—1020 г. Хвост кометы состоит из улетучивающихся из ядра под действием солнечных лучей ионов газов и частиц пыли. Длина хвоста может достигать в длину десятков миллионов километров. Ядра комет располагаются за пределами орбиты Плутона в так называемых кометных облаках Оорта.
В то время как после падения астероидов остаются своеобразные кратеры — астроблемы, то после падения комет кратеры не возникают, а огромная их энергия и вещество перераспределяются своеобразным образом.
При падении космического тела — метеорита или астероида — за очень короткое мгновение, в течение всего 0,1 с, выделяется огромное количество энергии, которая расходуется на сжатие, дробление, плавление и испарение пород в точке соприкосновения с поверхностью. В результате воздействия ударной волны образуются породы, имеющие общее название импактитов, а возникающие при этом структуры называют импактными.
Пролетающие близко к Земле кометы притягиваются земным притяжением, но земной поверхности не достигают. Они распадаются в верхних частях атмосферы и посылают на земную поверхность мощную ударную волну (по разным подсчетам она составляет 1021—1024 Дж), которая приносит сильные разрушения, меняющие природную среду, а вещество в виде газов, воды и пыли распределяется по земной поверхности.
Признаки космогенных структур
Космогенные структуры могут выделяться на основании морфоструктурных, минералого-петрографических, геофизических и геохимических признаков.
К морфоструктурным признакам относится характерная кольцевая или овальная кратерная форма, хорошо видная на космических и аэрофотоснимках и выделяемая при внимательном рассмотрении топографической карты. Кроме того, овальным формам сопутствует наличие кольцевого вала, центрального поднятия и отчетливое радиально-кольцевое расположение разрывных нарушений.
Минералого-петрографические признаки выделяются на основании присутствия в ударно-метаморфических кратерах высокобарических модификаций минералов и минералов с ударными структурами импактитов, раздробленных и брекчированных пород.
К высокобарическим минералам относятся полиморфные модификации SiO2 — коэсит и стишовит, мелкие кристаллы алмаза, морфологически отличающиеся от алмазов кимберлитов, и наиболее высокобарические модификации углерода — лонсдейлит. Они возникают в глубоких частях земных недр, в мантии при сверхвысоких давлениях и не характерны для земной коры. Поэтому присутствие этих минералов в кратерах дает полное основание считать их происхождение ударным.
В породообразующих и акцессорных минералах кратера, в таких, как кварц, полевые шпаты, циркон и др., образуются планарные структуры, или деформационные ламелли, — тонкие трещины в несколько микрон, расположенные обычно параллельно определенным кристаллографическим осям зерен минералов. Минералы с планарными структурами называют шоковыми.
Импактиты представлены стеклами плавления, часто с обломками различных минералов и пород. Они подразделяются на туфоподобные — зювиты и массивные лавоподобные — тагамиты.
Среди брекчированных пород выделяют: аутигенную брекчию — интенсивно трещиноватую часто переработанную дроблением до состояния муки горную породу; аллогенную брекчию, состоящую из крупных перемещенных обломков различных пород.
Геофизическими признаками космогенных структур являются кольцевые аномалии гравитационных и магнитных полей. Центру кратера обычно соответствуют отрицательные или пониженные магнитные поля, гравитационные минимумы, осложненные иногда локальными максимумами.
Геохимические признаки определяются обогащенностью тяжелыми металлами (Pt, Os, Ir, Co, Cr, Ni) анализируемых горных пород кратеров или астроблем. Перечисленные элементы характерны для хондритов. Но, кроме того, наличие импактных структур может диагностироваться изотопными аномалиями углерода и кислорода, которые существенным образом отличаются от пород, сформированных в земных условиях.
Сценарии образования космогенных структур и реальность космических катастроф
Один из сценариев образования космогенных структур был предложен Б. А. Ивановым и А. Т. Базилевским.
Приближаясь к поверхности Земли, космическое тело соударяется с нею. От точки удара распространяется ударная волна, приводящая в движение вещество в месте удара. Начинает расти полость будущего кратера. Частично за счет выброса, а частично за счет преобразования и выдавливания разрушающихся пород полость достигает максимальной Глубины. Образуется временный кратер. При малом размере космического тела кратер может оказаться устойчивым. В другом случае разрушенный материал сползает с бортов временного кратера и заполняет дно. Формируется «истинный кратер».
В ударном событии большого масштаба происходит быстрая потеря устойчивости, приводящая к быстрому вздыманию днища кратера, обрушению и опусканию его периферических частей. При этом образуется «центральная горка», а кольцевое углубление заполняется смесью обломков и импактного расплава.
В истории Земли органический мир неоднократно испытывал потрясения, в результате которых происходили массовые вымирания. За сравнительно кратковременные отрезки времени исчезло значительное число родов, семейств, отрядов, а иногда и классов животных и растений, некогда процветавших. В фанерозое насчитывается по крайней мере семь наиболее значительных вымираний (конец ордовика, граница фамена и франа в позднем девоне, на рубеже перми и триаса, в конце триаса, на границе мела и палеогена, в конце эоцена, на рубеже плейстоцена и голоцена). Их наступление и существующую периодичность многократно пытались объяснить многими независимыми причинами. Сегодня исследователи убеждаются, что биотические изменения во время события вымирания трудно объяснить только внутренними биологическими причинами. Все большее число фактов свидетельствует о том, что эволюция органического мира — не автономный процесс и среда жизни — не пассивный фон, на котором развивается данный процесс. Колебания физических параметров среды, ее неблагоприятные для жизни изменения — непосредственный источник причин массовых вымираний.
Наиболее популярными являются такие гипотезы вымирания: облучение в результате распада радиоактивных элементов; воздействие химических элементов и соединений; термическое воздействие или действие Космоса. Среди последних — взрыв сверхновой звезды в «ближайших окрестностях» Солнца и «метеоритные ливни». В последние десятилетия большую популярность приобрела гипотеза «астероидных» катастроф и гипотеза «метеоритных ливней».
Долгие годы считали, что падение комет на поверхность Земли — явление достаточно редкое, происходящее раз в 40 — 60 млн. лет. Но в последнее время, исходя из галактической гипотезы, высказанной А. А. Баренбаумом и Н. А. Ясамановым, было показано, что кометы и астероиды на нашу планету падали довольно часто. Более того, они не только корректировали численность живых существ и видоизменяли природные условия, но и привносили вещество, необходимое для жизнедеятельности. В частности, предполагается, что объем гидросферы практически полностью зависел от кометного материала.
В 1979 г. американскими учеными Л. Альваресом и У. Альваресом была высказана оригинальная импактная гипотеза. Основываясь на находке в Северной Италии повышенного содержания иридия в тонком слое на границе мела и палеогена, несомненно космического происхождения, они предположили, что в это время произошло столкновение Земли с относительно крупным (не менее 10 км в диаметре) космическим телом — астероидом. Вследствие удара изменились температуры приземных слоев атмосферы, возникли сильные волны — цунами, обрушившиеся на берега, и произошло испарение океанской воды. Это было вызвано тем, что астероид при входе в земную атмосферу раскололся на несколько частей. Одни Обломки упали на сушу, а другие погрузились в воды океана.
Эта гипотеза стимулировала изучение пограничных слоев мела и палеогена. К 1992 г. иридиевая аномалия была обнаружена более чем в 105 пунктах на разных континентах и в керне буровых скважин в океанах. В тех же пограничных слоях были обнаружены микросферы минералов, образовавшихся в результате взрыва, обломочные зерна шокового кварца, изотопно-геохимические аномалии 13С и 18O, пограничные слои, обогащенные Pt, Оs, Ni, Сг, Аu, которые характерны для хондритовых метеоритов. В пограничных слоях, кроме того, было обнаружено присутствие сажи, что является доказательством лесных пожаров, вызванных усиленным притоком энергии во время взрыва астероида.
В настоящее время появились данные, свидетельствующие о том, что на границе мела и палеогена не только упали осколки крупного астероида, но и возник рой болидов, которые породили целую серию кратеров. Один из таких кратеров обнаружен в Северном Причерноморье, другой — на Полярном Урале. Но самой крупной импактной структурой, образовавшейся в результате этой бомбардировки, является погребенный кратер Чиксулуп на севере полуострова Юкатан в Мексике. Он имеет в диаметре 180 км и глубину около 15 км.
Этот кратер обнаружен во время бурения и оконтурен по гравитационной и магнитной аномалиям. В керне скважины установлены брекчированные породы, импактные стекла, шоковый кварц и полевой шпат. Выбросы из этого кратера обнаружены на далеком расстоянии — на острове Гаити и в Северо-Восточной Мексике. На границе мела и палеогена обнаружены тектиты — сферы оплавленного стекла, которые диагностированы как образования, выброшенные из Чиксулупского кратера.
Второй кратер, возникший в результате космической бомбардировки на рубеже мела и палеогена, — Карская астроблема, расположенная на восточном склоне Полярного Урала и хребта Пай-Хой. Она достигает 140 км в поперечнике. Еще один кратер обнаружен на шельфе Карского моря (Усть-Карская астроблема). Предполагается, что крупная часть астероида упала и в Баренцево море. Она вызвала необычайно высокую волну — цунами, испарила значительную часть океанской воды и вызвала крупные лесные пожары на просторах Сибири и Северной Америки.
Хотя вулканическая гипотеза выдвигает альтернативные причины вымирания, она, в отличие от импактной, не может объяснить массовые вымирания, случившиеся в другие отрезки геологической истории. Несостоятельность вулканической гипотезы выявляется при сравнении эпох активной вулканической деятельности с этапами развития органического мира. Выяснилось, что во время крупнейших вулканических извержений практически полностью сохранилось видовое и родовое разнообразие. Согласно этой гипотезе, считается, что массовые излияния базальтов на плато Декан в Индии на рубеже мела и палеогена могли привести к последствиям, сходным с последствиями падения астероида или кометы. В значительно больших масштабах излияния траппов происходили в пермском периоде на Сибирской платформе и в триасе на Южно-Американской, но массовых вымираний они не вызвали.
Активизация вулканической деятельности способна привести и не раз приводила к глобальному потеплению благодаря выделению в атмосферу парниковых газов — углекислоты и водяного пара. Но одновременно вулканические извержения выделяют и оксиды азота, которые приводят к разрушению озонового слоя. Однако вулканизм не способен объяснить такие особенности пограничного слоя, как резкое повышение иридия, имеющего несомненно космическое происхождение, появление шоковых минералов и тектитов.
Это не только делает импактную гипотезу более предпочтительной, но и дает основание предполагать, что излияние траппов на плато Декан могло быть даже спровоцировано падением космических тел вследствие передачи энергии, которая была привнесена астероидом.
Изучение фанерозойских отложений показало, что практически во всех пограничных слоях, по времени соответствующих известным фанерозойским вымираниям, установлено присутствие повышенного количества иридия, шокового кварца, шокового полевого шпата. Это дает основание считать, что падение космических тел в эти эпохи, так же как и на рубеже мела и палеогена, могло вызвать массовые вымирания.
Последней крупнейшей катастрофой в новейшей истории Земли, возможно, вызванной столкновением Земли с кометой, является Всемирный потоп, описанный в Ветхом Завете. В 1991 г. австрийские ученые, супруги Эдит Кристиан-Толман и Александр Толман, по годичным кольцам деревьев, резкому увеличению содержания кислот в ледниковом покрове Гренландии и другим источникам установили даже точную дату события — 25 сентября 9545 г. до н. э. Одним из доказательств связи Всемирного потопа с космической бомбардировкой является выпадение дождя из тектитов на огромном пространстве, охватывающем Азию, Австралию, Южную Индию и Мадагаскар. Возраст тектитсодержащих слоев составляет 10 000 лет, что совпадает с датировками супругов Толман.
По-видимому, основные обломки кометы упали в океан, что вызвало катастрофические землетрясения, извержения вулканов, цунами, ураганы, ливни глобального масштаба, резкое повышение температуры, лесные пожары, общее затемнение от массы пыли, выброшенной в атмосферу, а затем похолодание. Таким образом, могло возникнуть явление, известное в настоящее время как «астероидная зима», сходная по своим последствиям с «ядерной» зимой. В результате этого многие представители наземной фауны и флоры исторического прошлого исчезли. Особенно это касается крупных млекопитающих. Уцелели морская биота и мелкая наземная фауна, наиболее приспособленная к условиям обитания и способная спрятаться на некоторое время от неблагоприятных условий. К числу последних относились и первобытные люди.
Земля представляет собой открытую систему, и поэтому на нее оказывают сильнейшие воздействия космические тела и космические процессы. С падением космических тел связано возникновение на Земле своеобразных космогеологических процессов и космогеологических структур. После падения на Землю метеоритов и астероидов на земной поверхности остаются взрывные кратеры — астроблемы, в то время как после падения комет энергия и вещество своеобразным способом перераспределяются. Падения комет или их пролет в непосредственной близости от Земли фиксируются в геологической истории в форме массовых вымираний. Крупнейшее вымирание в органическом мире на рубеже мезозоя и кайнозоя скорее всего было связано с падением крупного астероида.