Проблема цикличности и геологические циклы

Понятия «цикл», «цикличность», «циклит». Открытие в начале XIX в. цикла Карно позволило не только обосновать принцип работы тепловых машин как способ минимизации энтропии, но и послужило теоретической основой для понимания функционирования термодинамически устойчивых природных систем. С тех пор цикличность стали трактовать как особый режим, или порядок протекания, определенного типа физических процессов. Как физическое явление цикличность в последнее время выделилась в самостоятельный предмет междисциплинарного исследования.

Многие природные процессы, в том числе и геологические, рассматриваются с точки зрения их цикличности. Однако следует заметить, что термин «цикл» и его производные, к сожалению, нередко еще употребляются без связи с уже выработанными формулировками. Чрезмерное увлечение терминами, относящимися к цикличности, и их использование без расшифровки и соответствующего обоснования существенно снижают роль понятий, характеризующих цикличность в интерпретации многих, в том числе и глобальных, явлений. Например, так называемыми циклами Уилсона стали объяснять многие реальные геологические образования. Однако некоторые явления, в частности коллизии литосферных плит или айсбергов в океане, как и столкновение грузовиков в тоннеле Сен-Готард (и другие подобные случаи), относятся к разряду событий вполне определенного плана, строго говоря, ничего общего с цикличностью не имеющих.

Известно, что цикл есть выражение физического феномена, существующего во времени и пространстве и имеющего свое материальное проявление. Под циклом принято понимать замкнутую последовательность функционально взаимосвязанных событий (в виде фаз, тактов, положений и т.п.), следующих друг за другом в строгой очередности с обязательным возвратом системы в исходное положение. Эталоном, в полной мере отвечающим приведенному определению, служит цикл работы четырехтактного двигателя.

Из классического примера работы четырехтактного двигателя видно, что у цикла нет четко обозначенных начала и конца. Здесь важно другое – последовательное прохождение всех тактов и возврат системы в исходное состояние. Так, сутки как цикл принято начинать и заканчивать в полночь. С практической же стороны людям удобнее строить свой суточный распорядок жизни начиная с восхода солнца, когда рождается новый день. Календарный год начинается и завершается зимой. Однако учитывая особенности многих природных событий и практической деятельности человека, год логичнее начинать весной, с момента пробуждения всего живого, или осенью, одновременно с завершающими фазами жизненного процесса многих представителей органического мира.

Как показывают приведенные примеры, цикл в обобщенном виде отражает только временн ý ю сторону явления, не затрагивая при этом ни его пространственного положения, ни материального содержания. Промежуток с момента условно принятого начального состояния до возвращения системы в точку отсчета – это лишь продолжительность цикла во времени. Другими словами, цикл есть время действия какой-либо замкнутой последовательности событий. Или, образно говоря, один полный оборот колеса (как замкнутой на себя последовательности) на стреле времени соответствует циклу. Закономерное повторение циклов или их соизмеримых принято называть ритмичностью, а применительно к пространственно-временному аспекту говорят о цикличности явления.

Если оборот колеса есть цикл, то след, оставленный этим колесом-циклом, можно рассматривать как его пространственно-вещественный отпечаток, или проекцию-развертку. Этот отпечаток, имеющий признаки пространственно-вещественного содержания, нельзя отождествлять с циклом. Для его обозначения во избежание путаницы в геологии вполне подходит уже закрепившийся термин «циклит». Цикл не имеет ни начала, ни конца, а у развертки цикла, т.е. циклита, есть и начало, и конец.

Геолог изучает сохранившиеся следы, составляющие историческую летопись Земли со времен давно завершившихся циклов. Поэтому некорректно применять слово «цикл» по отношению к конкретному геологическому объекту, а тем более утверждать, что у цикла есть верх и низ. У времени нет ни начала, ни конца, ни верха, ни низа. В соотношении цикла (время) и циклита (вещественное содержание, наполняющее пространственный объем) выражается геологический аспект проблемы единства пространства и времени. Цикл – время действия некоторого процесса, а циклит – вещественное содержание результата этого действия.

Геологические эры как глобальные циклы. Разделение фанерозоя на палеозой, мезозой и кайнозой произошло скорее чисто механически, интуитивно, нежели имело под собой какую-то теоретически обоснованную базу. Рубежи геологических эр привязывались к фазам орогенеза и с учетом другого разнообразного фактического материала эти границы проявлялись и обосабливались как бы сами собой.

В геологии задача исследователя обычно сводится к выявлению в пределах стратисферы разномасштабных ритмов, фаз, эпох и т.п., отражающих всю гамму геологических событий, которые фиксируются главным образом через смену типов осадконакопления и развитие новых форм жизни. Но до сих пор нет единой теории или даже концепции, охватывающей весь спектр глобальных процессов геодинамической активности, объясняющей направленность преобразования земного вещества, эволюционные изменения в биосфере, состав атмосферы, особенности литогенеза и эпох формирования осадочных месторождений, климатический режим и т.д.

Нами разработана концепция взаимодействия внешних геосфер, которая позволила сформировать основы принципиально новой геохронологии [8]. Метод опирается на принцип глобальных геологических процессов, обусловленных факторами с галактическими масштабами воздействия. Отсчет внутреннего времени для «системы Земля» ведется в соответствии с астрофизической периодизацией, которая отражена в геологических процессах и явлениях (как историческая летопись) в виде глобальных геологических циклов (ГГЦ).

В основе предлагаемой концепции лежит представление о взаимосвязи процессов, протекающих в атмосфере, биосфере, гидросфере и литосфере. Из всего многообразия форм материального обмена между перечисленными геосферами учитываются главным образом только экзогенные преобразования, которые базируются на аккумуляции солнечной энергии в гипергенезе. Глобальные последствия такого взаимодействия прослеживаются на примере становления атмосферы за счет биогенного кислорода, выделяемого при фотосинтезе. Аккумуляция солнечной энергии и ее расходование во взаимодействии внешних геосфер происходят при постоянном участии водорода, кислорода и углерода.

Предлагаемый принцип ГГЦ дает возможность, во-первых, обосновать взаимосвязь эволюции биосферы, атмосферы, особенностей литогенеза и тектонической активности земной коры; во-вторых, показать взаимозависимость перемены климата, состава атмосферы, цикличность и периодичность породообразования и формирования осадочных месторождений в ритме изменения интенсивности фотосинтеза как глобального процесса, определяемого астрофизическими факторами.

Отправные положения нашей концепции базируются на идеях трех выдающихся отечественных ученых – академиков В.И.Вернадского, А.П.Виноградова и А.А.Трофимука. В.И.Вернадский определил зависимость генезиса воздушного кислорода от захоронения органического вещества в осадочной оболочке Земли. А.П.Виноградов установил, что кислород атмосферы (как результат фотосинтеза) есть кислород воды, а не углекислоты. А.А.Трофимук высказал гипотезу об углерод-водородной оболочке стратисферы как материнской основе нафтидогенеза.

Объединение этих идей в одну концепцию позволило сформулировать положение об эквивалентной связи генерации кислорода при фотосинтезе и становления углерод-водородной оболочки [9]. Поступающий в атмосферу кислород становится важнейшим агентом, определяющим условия седиментогенеза. В литогенезе он расходуется на окисление минеральных веществ, среди которых главными потребителями являются закисное железо и сульфидная сера (другими можно пока пренебречь). По массе осадочных, вулканогенных и сульфатных пород в осадочной оболочке Земли подсчитывается общий расход кислорода, потребленного на окисление минеральных веществ. Разность между «приходом» и «расходом» кислорода по геологическим эпохам показана на рисунке дифференциальной линией.

Проведенные нами расчеты водород-кислород-углеродного баланса [10] позволили оценить не только качественно, но и количественно масштабы и темпы массообмена между геосферами под воздействием солнечной энергии. Результаты расчетов показывают, что биогенный кислород, выделяемый при фотосинтезе, способен обеспечить окисление минерального вещества в литогенезе и накопление кислорода в атмосфере до современного уровня.

Накопление кислорода в атмосфере не было равномерным. На рисунке отчетливо видны повторяющиеся периоды сокращения и роста масштабов генерации биогенного кислорода при фотосинтезе и накопления органических остатков в недрах. Продолжительность этих периодов согласно масштабу стратиграфических интервалов определилась в 50–70 млн лет. Периоды падения и роста интенсивности выделения свободного кислорода разделены интервалами (в 10–20 млн лет) с переходным характером. Полный набор периодов угнетенной и активной генерации кислорода и переходные интервалы образовали глобальные циклы, продолжительность которых достигает 170 млн лет.

Результаты, полученные нами расчетным путем, были сопоставлены с широко известными геологическими данными, касающимися расчленения истории развития Земли на эры, общих закономерностей осадочного рудообразования, фаз тектогенеза, эпох различного типа осадконакопления, образования скоплений полезных ископаемых, изменений природной среды и климата и т.п. Эти данные, нанесенные на графики масс биогенного кислорода и углерод-водородной оболочки, удивительно точно совпали с полученными нами расчетными данными, гармонично вписавшись в их структуру.

С периодами сокращения и роста масштабов генерации кислорода четко согласуются коренные изменения природной среды, климата, биоты, особенности литогенеза и тектонической активности земной коры. Совпадения столь широкого спектра глобальных геологических процессов, их взаимосвязь и корреляция с цикличностью и периодичностью (выявленные расчетным путем) требуют своего объяснения.

Известно, что многие геологические процессы обусловлены периодичностью активности Солнца. Установленные вариации его активности долговременного масштаба, по мнению С.М.Шугрина и А.М.Обута [11], определенно носят космический характер и связаны с галактическими циклами. По данным этих исследователей, не вызывает сомнений существование циклов в 20–30, 40–60 и 160–200 млн лет. Выявленная нами периодичность обогащения атмосферы биогенным кислородом и формирования углерод-водородной оболочки представляет собой глобальные процессы фанерозойской истории взаимодействия геосфер. Она имеет цикличность долговременного масштаба, соизмеримую с циклами по С.М.Шугрину и А.М.Обуту.

Наша интерпретация полученной картины строится на факте прямой зависимости темпов производства свободного кислорода от богатства растительного мира и, следовательно, от интенсивности процессов фотосинтеза. Такая взаимосвязь позволяет (по количеству захороненных органических остатков) судить об изобилии или ущербности растительного мира на том или ином отрезке геологической истории, об активности фотосинтеза и генерации кислорода.

Прежде всего обращает на себя внимание совпадение расчетных снижений интенсивности выделения биогенного кислорода (или активности фотосинтеза) с эпохами глобальных обледенений и других проявлений признаков похолодания в кембрии, позднем ордовике – силуре, девоне, перми, палеогене, на которое указывали многие исследователи [12]. Похолодание климата на планете должно было вызывать угнетение воспроизводства растительности, что и проявилось в уменьшении массы углерод-водородной оболочки и снижении активности генерации биогенного кислорода. Эпохи продолжительных (более 50 млн лет) глобальных похолоданий на Земле некоторые исследователи стали именовать «зимами нашей планеты» [13]. Условно их можно назвать также «глобальными геологическими зимами».

В истории Земли «глобальные зимы» с относительно скудной растительностью неизменно сменялись эпохами буйного расцвета органической жизни, которые, также условно, можно именовать «глобальным геологическим летом». Чередование эпох с закономерной изменчивостью интенсивности фотосинтеза в фанерозое хорошо видно на рисунке.

Итак, по аналогии с годовой сезонностью на Земле, определяющей вегетативный период, фанерозойскую изменчивость фотосинтеза можно объяснить глобальными «сезонными» колебаниями условий жизнедеятельности кислородпроизводящей флоры. Периоды буйного расцвета растительности с интенсивным фотосинтезом можно уподобить «глобальному лету», а спад интенсивности генерации кислорода – условно считать «зимой» глобального геологического цикла, когда кислородгенерирующая растительность подавляется.

Периоды глобальных «летнего» и «зимнего» сезонов по продолжительности примерно равны между собой (50–70 млн лет). Они разделены кратковременными (10–20 млн лет) интервалами «глобального межсезонья». Наступление «глобальной осени» характеризуется снижением активности генерации кислорода, а времени резкого повышения этой активности соответствует приход «глобальной весны».

Обозначившиеся глобальные геологические циклы (как графическое отражение расчетов) удивительно точно совпали со стратиграфическим расчленением фанерозоя. Палеозой равен двум таким глобальным циклам, мезозой – одному, а кайнозой представлен первой половиной очередного цикла. Здесь следует заметить, что положения основных границ рубежей геохронологической шкалы фанерозоя А.А.Баренбаум и Н.А.Ясаманов [14] увязывают «в зависимости от силы галактического воздействия». Правомерно предположить, что изменения многих земных событий с долговременной периодичностью (в том числе изменения интенсивности фотосинтеза, выраженной через генерацию биогенного кислорода) также обусловлены внеземными факторами.

Определившиеся циклы интенсивности фотосинтеза на Земле, вне всякого сомнения, суть следствие воздействия астрофизических факторов. Однако отождествлять глобальный геологический цикл с галактическим годом пока еще преждевременно. Понятие геологического года не совсем еще определено ни в отношении времени, ни в отношении орбитального пространства. К тому же галактическим годом невозможно объяснить существование глобальных «зимнего» и «летнего» сезонов.

Совпадение глобального земного геологического цикла с продолжительностью геологической эры (выделенной на основании огромной совокупности фактов) позволяет не только датировать геологические события фанерозоя, но и провести расчленение докембрия. Используя принцип ГГЦ, можно обосновать стратиграфическое расчленение «немых» толщ, упорядочить во времени фазы тектогенеза, эпохи древних оледенений, интервалы развития различного типа формаций. Выделенные по интенсивности фотосинтеза глобальные геологические циклы, совпадающие по продолжительности с геологическими эрами, позволяют говорить о том, что найдена природная закономерность, в которую последовательно вписываются все глобальные процессы, как экзогенные, так и эндогенные, и тем самым появляется возможность установления корреляции разнообразных геологических событий или явлений.

***

Подводя итог нашим рассуждениям о философии и методологии геологии, отметим следующее.

Во-первых, геология как наука в большей степени историческая и вместе с тем как методическое основание для поиска и разведки полезных ископаемых нуждается в разработке собственных теоретических построений и собственной философско-методологической базы, связывающих теоретическую геологию и практические рекомендации в единое целое.

Во-вторых, хорошей иллюстрацией решения фундаментальных проблем с позиций философских и философско-методологических положений служит разработка представлений о глобальных геологических циклах с использованием конкретно-научных данных и расчетов. Полученные представления отражают закономерность (цикличность и периодичность) развития геологических процессов на Земле и одновременно характеризуют возрастное распределение мировых запасов полезных ископаемых.

Поиск по сайту: