Глава 5. История Земли в догеологический этап

5.1. Образование Земли как планеты

Земля является одной из десяти планет Солнечной системы, третьей от Солнца, на расстоянии от него около 150 млн км. Оно является нормальной желтой звездой не очень больших размеров, содержащей 99,8 % общей массы Солнечной системы диаметром около 40 астрономических единиц. 0,2 % её массы, представленной планетами, испытывает притяжение Солнцем. Имея внутри температуру порядка 10 млн градусов, а на поверхности около 5600 °С, Солнце определяет возможность существования жизни на Земле. Термоядерного горючего – водорода у Солнца хватит ещё на 5 млрд лет. В будущем оно начнет сжиматься, особенно его гелиевое ядро, а внешние слои станут расширяться. Сначала Солнце превратится в «красного гиганта», а затем в «белого карлика», пройдя обычный путь эволюции звёзд.

Солнечная система входит в крупную галактику Млечный путь, располагаясь примерно в 2/3 от её центра. Таких галактик во Вселенной насчитывается до 10 млрд. В настоящее время предполагается, что Вселенная образовалась около 20 млрд лет тому назад в результате Большого взрыва, породившего облачные скопления водорода и гелия. Согласно современным космогоническим представлениям, исходное газопылевое протосолнечно-протопла-нетное облако образовалось из межзвёздного газа и скопления пыли, характерных для нашей и других галактик. Происхождение же вещества этих скоплений связано с взрывами крупных звёзд, в несколько раз по массе превышающих массу Солнца и полностью прошедших свой эволюционный путь. Обычно финальные взрывы таких крупных звёзд называют вспышками «сверхновых» звёзд, поскольку на короткое время их светимость возрастает в миллиарды раз, и они становятся наиболее яркими объектами в своих галактиках.

Формирование Солнца Земли и других планет произошло на временных рубежах 4.6-4.45 млрд назад в результате «холодной» аккреции газопылевого протопланетного облака, образовавшегося после взрыва гигантской звезды с коротким периодом жизни, предшественницы Солнечной системы, масса которой в десятки раз превышала солнечную. Согласно А.А. Маракушеву [13], образовавшееся при взрыве раскаленное газовое облако полностью превратилось при охлаждении в особенно быстро вращающийся диск протосолнечной небулы (газа с космической пылью). Возникшие на ее основе ледяные планетозимали в результате аккреции сформировали все разнообразие Солнечной системы, наблюдаемое в настоящее время. В периферической области образовались небольшие кометы, а также планеты Плутон и Харон. Из-за небольшого размера они остались на примитивном уровне развития.

В отличие от них в планетах сосредоточились более крупные массы ледяного вещества с железосиликатной пылью. Благодаря массивности, планеты подверглись гравитационному сжатию, плавлению и расслаиванию на железокаменные ядра и флюидные оболочки, с быстрым вращением которых связано формирование спутниковых систем планет. В околосолнечной туманности, поддерживаемой вращением, происходила конденсация вещества. Всё больше пылевых частиц накапливалось в плоскости эклиптики, соединяясь путём неупругого соударения (аккреции) в гравитационно-связанные комки – планетозимали, зародыши планет (рис. 5.1). Вблизи Солнца из-за высокой температуры происходило испарение легких веществ, оттеснявшихся к периферии. Сохранялись преимущественно жаропрочные металлические частицы, из которых затем образовались плотные и мелкие внутренние планеты – Меркурий, Венера, Земля, Марс. Во внешних областях Солнечной системы с относительно низкими температурами концентрировались громадные массы легких веществ – водорода,

гелия, метана, аммиака, углекислоты и других. Здесь сформировались планеты-гиганты – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Астероиды и кометы представляют собой первичное вещество, не вошедшее в состав планет или образовавшееся при их разрушении.

В центральной Солнечной массе, где был сосредоточен громадный объем ледяного гелий-водородного вещества, в результате сжатия и выделения тепла, начался термоядерный процесс и образование звезды, породившей звездный, солнечный ветер. Под его воздействием огромная масса водорода и гелия, первоначально заполнявшая межпланетарное пространство, была утеряна Солнечнойсистемой. Формирование Солнца из сжимающегося первичного сгустка газа и пыли происходило гораздо быстрее, чем образование планет, – всего за несколько или десяток миллионов лет. В самом начале «зажигания» ядерных реакций синтеза гелия в недрах молодой звезды, перед выходом её на режим главной последовательности развития звёзд, должна быть стадия, характеризующаяся быстрым вращением, сильными магнитными полями и очень высокой интенсивностью звездного ветра.

Как пишет А.А.Маракушев, «Гипотеза позднего образования Солнца в его активном звездном состоянии представляет логичное объяснение наблюдаемого нахождения в космосе планет-гигантов в их околозвёздной позиции. Из этого следует, что образование планет-гигантов происходило не в результате аккумуляции железокаменного (метеоритного) вещества, а путем аккреции ледяных, содержащих космическую пыль, планетозималей, сходных по физическому составу с кометами. Стяжение огромных масс вещества сопровождалось гравитационным сжатием, подъемом температуры и плавлением с формированием тяжелых ядер планет и флюидных оболочек. Последние сохранились у Юпитера и планет его группы, а Землей и околосолнечными планетами были утеряны». Земля и Луна были порождены общей для них материнской гигантской гелий-водородной планетой (Протоземлей). В максимуме скорости ее вращения создавалась и способность порождать спутники высокой плотности, аналогичные галилеевым спутникам Юпитера.

Особенности эволюции молодого Солнца должны были влиять на условия аккреции вещества в окружающем его протопланетном облаке – диске. За счёт исключительно сильного солнечного ветра (высокоэнергетического потока частиц) из околосолнечного пространства удалялись на периферию Солнечной системы газовые и летучие компоненты исходного протопланетного облака. Ионизирующее действие солнечного ветра должно было привести к сильному взаимодействию магнитного поля быстро вращающегося Солнца с веществом протопланетного диска, появлению приливных взаимодействий светила с молодыми планетами. Это вызвало перераспределение момента количества движения от Солнца к периферии протопланетного диска, уменьшению скорости осевого вращения звезды и увеличению орбитальных скоростей вращения планет вокруг неё. Этот механизм приводил, вероятно, к заметной сепарации вещества в протопланетном облаке, поскольку все легкоионизирующиеся элементы под давлением силовых линий магнитного поля вытеснялись из околосолнечного пространства на периферию протопланетного диска.

Существенное влияние на химическую дифференциацию вещества в протопланетном облаке должен был оказывать и больший прогрев Солнцем центральных областей диска. Поэтому многие из легкоиспаряющихся элементов и соединений (сера, её соединения, вода, углекислый газ и др.) переходили в газообразное состояние, после чего давлением солнечного излучения удалялись на далекую периферию Солнечной системы. В результате действия перечисленных механизмов в центральных областях протопланетного диска преимущественно конденсировались тугоплавкие элементы и соединения с высокими потенциалами ионизации (тугоплавкие металлы, в том числе Fe Ni, окислы Al₂O₃, CaO, MgO, TiO₂, SiO₂, Cr₂O₃, FeO и др.). В то же время средние концентрации легкоплавких и легкоионизирующихся элементов (Li, Na, K, Rb, Cs, In, Ba, элементов редкоземельной группы, Hg, Pb, Rn и др.) в этой части протопланетного облака оказались существенно заниженными. Газообразные компоненты (Н₂, Не и другие благородные газы, Н₂О, СО, СО₂, СН₄, NH₃, H₂S, SO₂, SO₃, HCl, HF) были выметены из внутренних областей протопланетного облака практически полностью и сконцентрировались только на его периферии, где впоследствии сформировались планеты-гиганты с массивными и плотными газовыми оболочками. По-видимому, внутренние области этого облака были обеднены гидросиликатами и карбонатами, диссоциировавшими под влиянием солнечного излучения с последующей потерей летучих.

Поэтому ещё до начала процесса формирования планет исходное протопланетное газопылевое облако оказалось существенно дифференцированным. Этим явлением, вероятно, можно объяснить и явную зависимость плотности планет от их расстояния до Солнца (Меркурий – 5.54 г/см³, Венера – 5,24, Земля вместе с Луной – 5,49, Марс – 3,94, Юпитер – 1,33, Сатурн – 0,67, Уран – 1,3, Нептун – 1,67 г/см³). Об этом же свидетельствует массивные газовые оболочки внешних планет, спутники которых покрыты мощными панцирями водяного льда, серы и другими отвердевшими или сжиженными газами (СО₂, СН₄, NH₃ и другими).

Судя по составу и сравнительно небольшой массе атмосферы и гидросферы, Земля, как и другие планеты земной группы, формировались из вещества, почти полностью потерявшего все газовые составляющие. В земной атмосфере исключительно мало даже тяжёлых первичных благородных газов. Кроме того, земное вещество резко обеднено гидросиликатами, карбонатами, серой и её соединениями, щелочными и другими легкоплавкими металлами.

Относительно образования двойной планеты Земля-Луна существует ряд гипотез. Последняя на настоящее время из них разработана О.Г Сорохтиным и С.А. Ушаковым [29]. Согласно этим авторам именно Луна как спутник нашей планеты послужила тем спусковым механизмом, который запустил и существенно активизировал тектоническое развитие молодой Земли в самом начале архея. Кроме того, Луна «раскрутила» нашу планету, определила своей орбитой захвата наклон оси её вращения. А с этим явлением, как известно, связаны климатическая зональность Земли, и происхождение её магнитного поля. Авторы разработали новую модель образования Луны за счёт приливного разрушения на пределе Роша более массивной планеты – Протолуны. Эта модель объясняет практически всю совокупность современных знаний о составе, строении и истории развития естественного спутника нашей планеты, а также происхождение осевого вращения Земли и реально существующего распределения моментов количества движения между Луной и Землёй.

При средней плотности Луны 3,34 г/см³ она содержит лишь около 5% железоникелевой фазы или с учетом средней концентрации FeO в её мантии – только 13-14% тяжёлой фракции. Это намного меньше, чем среднее содержание соединений железа в недифференцированном веществе углистых хондритов (28,6%) и тем более в земном веществе (около 37%). Кроме того, судя по изотопным отношениям свинца, Луна почти полностью потеряла весь первичный свинец, а входящий сейчас в её породы этот элемент радиогенного происхождения, т.е. образовался за счёт радиоактивного распада урана и тория.

Наряду с отмеченной аномалией содержания железа в Луне, составы её базальтов сходны с составами примитивных базальтов срединно-океанических хребтов Земли. Данные по изотопам кислорода свидетельствуют в пользу родственного происхождения Земли и Луны и отличного от них происхождения углистых и обычных хондритовых метеоритов. Отмечается крайняя степень дифференцированности вещества Луны, что свидетельствует о его образовании после расплавления. О формировании нашего спутника из первоначально расплавленной планеты говорит также наличие мощной анортозитовой коры, масса которой могла выделиться только из полностью расплавленного вещества более крупного, чем Луна, космического тела. По данным определения возраста лунных анортозитов, процесс этот развивался около 4,6-4,4 млрд лет тому назад, т.е. в период, близкий к моменту образования самой системы Земля-Луна. Следовательно, можно ожидать, что Луна прошла стадию полного планетарного плавления и дифференциации ещё во время своего образования, как считают это О.Г Сорохтин и С.А. Ушаков. Они полагают, что Луна является остатком некоей более крупной планеты – Протолуны, захваченной растущей Землёй с соседней ближайшей орбиты (или образовавшейся вблизи самой Земли из околоземного протопланетного роя планетозималей) и разрушенной гравитационным полем Земли на пределе Роша. Луна же сформировалась за счёт сохранения от разрушения в полости Роша лишь внешнего приливного горба предварительно расплавленной и прошедшей полную дифференциацию вещества Протолуны.

Кроме того, существует много моделей образования планет из межзвездного вещества. Они сводятся к двум основным группам. По одной из них, кольца диска, окружающие Солнце, распадаются на крупные части, которые, сжимаясь, превращаются в планеты. Согласно другой группе моделей, в кольцах межзвездной пыли происходит слипание, «склеивание» частиц, образующих подобие снежных комков – прообразов будущих планет, которые впоследствии сжимаются. Под действием центробежной силы легкие частицы с внешней стороны диска уносятся в пространство, тогда как в плоскости колец диска частицы также будут перемещаться наружу, а самые внутренние части колец, притягиваясь к Солнцу, падают на него, после чего диск приобретает массу, близкую к массе реальных планет.

Таким образом, различие рассмотренных групп моделей состоит в том, что в одной из них огромные шары протопланет коллапсируют до размеров современных планет, а в другой – слипание планетозималей приводит к формированию таких же по массе планет. Для планет внутренней группы (земного типа) предпочтительней выглядит модель слипания планетозималей, планет-гигантов внешней – коллапсирования огромных шаров. Внешние планеты состоят преимущественно из газов и в меньшей степени из силикатов, которые преобладают в составе пород внутренней группы. Такой состав внешних планет хорошо согласуется с их большей удаленностью от Солнца, очень низкой температурой и меньшей силой притяжения. Вследствие низкой температуры произошла конденсация в виде твёрдого вещества метана, аммиака, воды и других соединений с небольшой плотностью, поэтому внешние планеты характеризуются малой плотностью и большими размерами.

Поскольку предметом нашего исследования является история Земли, то большой интерес представляет, каким путём и в какой интервал времени произошло разделение планеты на оболочки-геосферы. Существует две модели – гомогенной и гетерогенной аккреции. По первой из них из межзвездного, хорошо перемешанного вещества, образовались первично гомогенные планеты Солнечной системы, которые затем, эволюционируя, приобрели структуру, состоящую из ряда оболочек, наблюдаемых, к примеру, на Земле (ядро, мантия, кора). По второй модели геосферы Земли формировались одновременно с её образованием, и аккреция планетозималей происходила вместе с конденсацией газово-пылевой туманности, сопровождавшейся понижением температуры. В результате процесса фракционирования наиболее высокотемпературная фаза, состоящая из железных планетозималей, образовала ядро Земли, практически не содержащее радиоактивных элементов. После того, как железные планетозимали почти исчерпались, начали слипаться планетозимали типа каменных метеоритов, состоящие из различных алюмосиликатов. Чем больше внешние оболочки нарастали на внутренних сферах, тем больше в них содержалось радиоактивных элементов.

Одновременно с образованием оболочек Земли происходила их дифференциация, имевшая экзотермический характер. Мантия по мере её нарастания служила все более эффективным теплоизолирующим экраном, и вследствие перегрева внешнее ядро приобрело пластичное состояние. Этот процесс начался ещё тогда, когда планетозимали соударялись с орбитальной скоростью, достаточной для плавления их приповерхностного слоя. Т.е. причиной плавления была кинетическая энергия сталкивающихся и слипающихся железных планетозималей. После образования ядра процесс дифференциации продолжался, вызывая перераспределение железной и алюмосиликатной фаз, в результате которого и сформировалась расслоенная структура Земли. Согласно изложенной модели аккреции, время образования ядра не должно превышать первые сотни миллионов лет. Однако О.Г. Сорохтин и С.А. Ушаков считают, что ядро Земли образовалось гораздо позже – на рубеже архея и гадея (лунного, догеологического этапа развития Земли).