Исходным веществом для образования Солнечной системы послужило газопылевое облако. Оно находилось в холодном дисперсном состоянии и содержало в основном летучие компоненты: водород, гелий, азот, кислород, метан, углерод и т. д. Первичное планетное вещество было однородным, и его температура была низкой.
Вследствие сил тяготения межзвездные облака начинали сжиматься. Вещество уплотнялось до стадии звезд, одновременно возросла его внутренняя температура. Движение атомов внутри облака ускорялось, и, сталкиваясь друг с другом, атомы иногда объединялись. Возникали термоядерные реакции, в процессе которых водород превращался в гелий, при этом выделялось огромное количество энергии.
В страшном реве и взрывах, сопровождавших термоядерные реакции, в неукротимом буйстве стихий родилось древнее Солнце -- Протосолнце. Его рождение -- это вспышка сверхновой звезды, при которой излучается гигантская энергия. Из протопланетного облака в дальнейшем возникли планеты, кометы, астероиды и другие космические тела нашей Солнечной системы. Рождение Протосолнца и протопланетного облака, имевших довольно высокую температуру, произошло около 6 млрд. лет назад.
В течение нескольких сот миллионов лет протопланетное облако остывало. Из горячего парообразного облака конденсировались тугоплавкие элементы -- вольфрам, титан, гафний, ниобий, молибден, платина и др. Появились пылевидные твердые частицы, и ранее раскаленное облако вновь стало относительно холодным.
Приблизительно 5,5 млрд. лет назад из холодного планетного вещества возникли первые планеты, в той числе и первичная Земля. В это время она была космическим телом, но еще не стала планетой, у нее не существовало ядра и мантии, и даже твердых поверхностных участков. Протоземля представляла собой холодное скопление космического вещества. Под влиянием гравитационного уплотнения, нагревания от беспрерывных ударов космических тел (комет и метеоритов) и выделении тепла радиоактивными элементами поверхность Протеземли стала нагреваться. О величине разогрева среди ученых нет единого мнения. По мнению ученого В. Г. Фесенкова, вещество Протоземли нагревалось до 10000°С и вследствие этого перешло в расплавлении состояние. По предположению других ученых, температура едва достигала 1000°С (а некоторые даже отрицают возможность расплавления вещества).
Дифференциация вещества Протоземли привела к концентрации тяжелых элементов во внутренних ее областях, а на поверхности -- более легких. Это, в свою очередь, предопределило дальнейшее разделение на ядро и мантию.
Земля не имела атмосферы сразу после образования, Это объясняется тем, что газы из протопланетного облака были потеряны на первых стадиях образования, поскольку тогда еще масса Земли не могла удержать легкие газы вблизи своей поверхности.
Образование ядра и мантии, а в дальнейшем и атмосферы завершило первую стадию развития Земли -- догеологическую или астрономическую. Земля стала твердой планетой. С этого момента и начинается ее длительная геологическая эволюция.
Итак, 4--5 млрд. лет назад на земной поверхности господствовали солнечный ветер, жаркие лучи Солнца и космический холод. Поверхность беспрерывно подвергалась бомбардировке космическими телами -- от пылинок до астероидов. В недрах планеты протекали бурные термоядерные и химические реакции. Энергия выделялась главным образом за счет радиоактивного распада, гравитационной дифференциации и различных фазовых переходов вещества, протекавших при высоких давлениях.
Гравитационная дифференциация
Главной движущей силой расслоения земного вещества и выделения тепла, кроме радиоактивного распада, была гравитационная дифференциация. При этом вещества, обладающие большой плотностью и массой, опускались на глубину, а более легкие как бы всплывали на поверхность. В результате этого возникли оболочки, т. е. начиналось расслоение земного шара.
В течение длительного времени внутри Земли скопилось колоссальное количество тепла, что вызвало частичное расплавление недр. Во внутренних частях Земли концентрировались тяжелые элементы и соединения, а на периферии скапливались сравнительно легкие. Это в конечном итоге привело к разделению земных недр на ядро и мантию. Ядро Земли в основном состоит из железа и никеля, а в мантии преобладают силикаты. В нижней мантии вещество в настоящее время находится в особом, плотном кристаллическом состоянии и имеет очень высокую температуру плавления.
Каким же образом осуществляется дальнейшее перемешивание легких и тяжелых веществ при их гравитационной дифференциации? И, вообще, происходит ли оно в настоящее время?
Под действием тепла происходит перемещение вещества и в мантии развиваются медленные конвективные течения. В различных слоях вещества образуются определенные ячейки. В одних частях ячеек осуществляется подъем вещества, а в других -- опускание.
Самой простой является конвективная ячейка, охватывающая всю мантию с одним центром подъема вещества из мантии и с одним центром опускания. В этом случае движение литосферной плиты по горизонтали происходит от места подъема горячего вещества к месту его опускания. С течением времени континентальные литосферные блоки должны объединяться друг с другом вокруг места опускания. В таком случае вокруг центра подъема горячего мантийного вещества должна располагаться океаническая литосфера. В результате действия одноячеистой конвекции в конце палеозойской эры образовалась Пангея -- гигантский материк.
Более сложная ситуация обусловливается парой конвективных ячеек. Они могут быть открытыми, с двумя приблизительно противоположными полюсами опускания вещества и с зоной подъема, расположенной примерно между ними. Здесь образуется глобальная зона растяжения с цепочкой срединно-океанических хребтов, а континенты собираются двумя группами.
Такая картина наблюдается в современную эпоху, Одну группу континентов образуют Африка, Евразия и Австралия, а другую -- Северная и Южная Америка и Антарктида. Они разделяются глобальной системой срединно-океанических хребтов. Само по себе представление о существовании конвективных ячеек в мантии современной Земли не является единственно правильным и возможным. Оно встречает множество возражений, и вокруг этой проблемы до сих пор ведутся дискуссии,
Сепарация вещества в недрах Земли протекает довольно медленно, но за длительную историю мантийный материал множество раз совершал полный кругооборот, Отзвуком грандиозных явлений и событий, происходящих на глубинах, являются бурная вулканическая деятельность, сильнейшие землетрясения. За счет глубинных процессов движутся литосферные плиты, образуются горные массивы, меняется уровень Мирового океана, происходят и другие грандиозные геологические явления.
Ответ на второй вопрос, происходит ли перемешивание легких и тяжелых веществ в глубинах Земли, будет положительным, поскольку в противном случае наша планета оставалась бы безжизненной, не происходили бы никакие внутренние процессы -- вулканизм, землетрясения и др.
Во время расчетов гравитационной дифференциации учитывается, что мантийное вещество ведет себя как твердое тело, но только в том случае, когда оно испытывает кратковременную и быстро меняющуюся нагрузку. При длительной постоянной нагрузке мантия приобретает свойства пластичности и текучести, как это, например, бывает со льдами. Мантия Земли действует как гигантский гравитационный сепаратор (отделитель). С ее помощью доставляются к границе ядро -- мантия все новые и новые порции вещества. Опускаясь сверху, более тяжелые из них (например, железо) остаются на этой границе, а более легкие восходящими горячими потоками как бы всплывают и возвращаются в верхние слои Земли -- в литосферу.
Гравитационная дифференциация увеличивает концентрацию массы по мере движения к центру Земли, но при этом потенциальная энергия всей Земли уменьшается. В результате такого процесса освобождается огромный объем энергии. Это самый мощный источник выделения энергии внутри Земли. С момента своего зарождения до настоящего времени этот энергетический источник дал 1,61 * 1032 Дж.
Теоретические расчеты показали, что масса ядра сначала возрастала медленно, но с течением времени скорость увеличивалась и, наконец, согласно расчетам советских ученых А. С. Монина и О. Г. Сорохтина, достигла максимума 1,4 млрд. лет назад во время готской тектономагматической эпохи. С этого времени рост ядра стал замедляться. Предполагается, что через 1,5 млрд. лет масса ядра достигнет 99% максимально возможного размера.
Другим энергетическим источником внутри Земли является радиоактивность. При распаде радиоактивных элементов выделяется огромное количество тепла масштабы которого оценить весьма трудно. А. С. Монин, учитывая гравитационную дифференциацию и долгоживущие радиоактивные изотопы, оценивает суммарное тепловыделение внутри Земли за период 4,6 млрд. лет величиной 2,5*1032 Дж. Часть этого тепла излучается в космос (около 1022 Дж). Эта величина выведена условно исходя из подсчета мощности геотермического потока. За все время существования Земля излучила в пространство 0,45*1032 Дж.
Возникновение Земной коры
Земная кора существенно различается под океанами и на континентах. На протяжении длительной истории Земли действовали два противоположных механизма: процессы размыва, эрозии вещества и процессы накопления. Ежегодно реки выносят в океаны около 18,5 млрд. т твердого вещества в виде взвеси и около 3,2 млрд. т в растворенном состоянии, ледники и ветер -- соответственно 1,5 и 1,6 млрд. т. Немалая роль в образовании осадков принадлежит и организмам. Оценивая общее количество осадочного материала, снесенного с континентов в океаны, за все время существования Земли, мы получим огромную величину. Оказывается, за 4 млрд. лет в водных бассейнах должны были накопиться осадочные породы общей массой 10,8 * 108 трлн. т и тогда осадочный слой земной коры имел бы среднюю толщину 120 км. Однако современная земная кора, состоящая из осадочных, метаморфических и изверженных пород, имеет среднюю толщину 30--33 км, а масса осадочных пород составляет порядка 4,7*107 трлн. т. Если расчеты верны, а они проведены многими советскими и зарубежными учеными, то очевидно, что значительная часть осадочных пород в процессе эволюции Земли куда-то исчезает. Следовательно, действуют какие-то эффективные механизмы их превращения не только в метаморфические, но и в изверженные породы. Часть осадочных пород, по-видимому, уходит из земной коры в недра планеты в местах столкновения литосферных плит, которые подробно рассматриваются ниже.
В местах раздвижения литосферных плит, в океанических рифтовых зонах, образуются зияющие трещины разрыва, заполняемые застывшими кристаллическими веществами, поднимающимися из астеносферы. Это базальтовая магма, из которой формируется одноименный слой океанической коры. Верхняя его часть состоит из застывших под водой подушечных лав. Они по внешнему виду напоминают застывших в причудливой форме огромных китов, а иногда слоновьи хоботы. Нижняя часть базальтового слоя представляет собой тесно прижатые друг к другу дайки мелкокристаллических базальтов. Каждая такая дайка когда-то служила подводящим каналом, благодаря которому на океаническое дно изливались лавы. Общая мощность базальтового слоя составляет 2 км. Ниже располагается слой изверженных пород, габбро и серпентинитов. Породы океанической коры насыщены водой. Так, например, в серпентинитах содержится до 10% связанной воды. Процесс гидратации сопровождается выносом из породы кремнезема, кальция, магния, сульфидов железа и некоторых рудных элементов и одновременным привносом калия, натрия и других элементов.
Континентальная кора, согласно концепции тектоники литосферных плит, формируется главным образом в зонах сдвига литосферных плит за счет переработки самой океанической коры и находящихся на ней осадочных образований. Не только интенсивность магматизма в зонах сдвига в десятки раз выше, чем в областях раздвижения, но и сам состав изверженных пород здесь существенно иной. Основная роль принадлежит средним и кислым породам -- диоритам, гранодиоритам, а в местах надвига островных дуг на окраины континентов -- гранитоидам.
Происходящие в зонах сдвига плит (некоторые ученые, признавая раздвижение плит как спрединг, скептически относятся к существованию сдвига) процессы дегидратации и частичного плавления океанической коры развиваются по очень сложным и многоступенчатым схемам.
Литература
1. Аугуста И., Буриан З. Пути развития жизни. - Прага, 1959
2. Вологдин А.Г. Земля и жизнь. - М., 1996
3. Гаврилов В.П. Путешествие в прошлое Земли. - М., 1976
4. Кэлдер Н. Беспокойная Земля. - М., 1995
5. Немков Г.И. Историческая геология с элементами палеонтологии. - М., 2002
Страницы: 1, 2
