История Земли

Средний рифей в целом был эрой некоторого оседания платформ и наступания моря (талассократической эрой). Он завершился Гренбыльской тектоно-магматической эпохой, которая была наиболее интенсивной в Канаде и Южной Африке; в это время, как и в Готскую эпоху, гранитизация охватывала преимущественно древние, ранее уже гранитизированные породы. В верхнем рифее продолжалось оседание Китайской, а также севера и востока Русской платформ, а на Северо-Американской, Сибирской и Австралийской платформах появилась тенденция к воздыманию. Эта эра завершилась Катангинской, или Раннебайкальской, тектоно-магматической эпохой, которая на разных платформах была не вполне одновременной; на севере Китайской, юго-западе Северо-Американской и на Индостанской платформах катангинский магматизм отсутствовал. Венд еще оставался эрой низкого стояния всех платформ, кроме Северо-Американской. Его завершила Салаирская, или Позднебайкальская, тектоно-магматическая эпоха.

Ряд ученых, и в их числе автор фундаментального советского руководства по исторической геологии Н. М. Страхов [19], полагает, что после Байкальских тектоно-магматических эпох существующие ныне четыре континентальные платформы южного полушария - Африкано-Аравийская, Южно-Американская, Австралийская и Антарктическая - вместе с Индостанской платформой образовывали единый южный суперконтинент Гондвану, отличавшийся в начале фанерозоя высоким стоянием, тогда как Европейская и Северо-Американская платформы еще были перекрыты трансгрессиями моря.

После Каледонской тектоно-магматической эпохи нижнего палеозоя, проявившейся в основном на западе Европейской платформы (на Грампианской геосинклинали - от Шотландии через Скандинавию и до Шпицбергена) и по периферии Северо-Американской (а также по югу Сибирской платформы), Евразия и Северная Америка с Гренландией, испытав подъем, образовали единый северный суперконтинент Лавразию, отделенный от Гондваны, хотя бы частично, океаном Тетис.

В мезозое произошел раскол Гондваны на ее части, существующие ныне, с образованием между ними Южной Атлантики и Индийского океана. Затем раскололась и Лавразия, и между Европой и Северной Америкой образовалась Северная Атлантика.

Подробнее тектоническая история фанерозоя будет рассмотрена в главе 7.

ГЛАВА 4: ЭВОЛЮЦИЯ НЕДР ЗЕМЛИ

Гравитационная дифференциация недр Земли, результаты расчета. Энергия гравитационной дифференциации, радиогенное тепловыделение, тепловая история Земли. Зонная плавка. Конвекция в мантии, конвективные циклы. Эволюция химического состава мантии

Теперь мы попытаемся выяснить, как изменялась в течение истории Земли ее внутренняя структура. Главным процессом в эволюции недр планеты является гравитационная дифференциация веществ различного веса, при которой более тяжелые (т. е. имеющие при том же давлении большую плотность) вещества опускаются вниз, к центру планеты, а более легкие поднимаются наверх. В результате этого процесса планета должна расслоиться на оболочки так, чтобы более глубокие оболочки состояли из более тяжелых веществ.

Не рассматривая пока, каким образом осуществляется движение вверх и вниз легких и тяжелых веществ, выясним сначала, как изменяется со временем в результате этого движения внутренняя структура Земли. Чтобы ответить на этот вопрос, в работе В. П. Кеонджяна и автора [20] была рассчитана упрощенная модель Земли, состоящей из двух веществ - легкого, «мантийного», содержащего в основном силикаты, и более тяжелого (т. е. обладающего при всех давлениях, возможных внутри Земли, большей плотностью, чем «мантийное»), «ядерного», состоящего в основном из железа. Наличием в Земле очень небольшой доли наиболее легкого вещества земной коры («сиаль»), а также возможным небольшим различием состава веществ во внешней и внутренней частях ядра мы для простоты пренебрегли, так как эти осложнения могут внести в приводимые ниже результаты лишь очень незначительные поправки.

Считая, что мантия современной Земли состоит из пиролита А. Рингвуда, содержащего по массе 6.58% железа, и принимая для «ядерного» вещества, по О. Г. Сорохтину, химический состав Fe2O, получаем для концентрации «ядерного» вещества в мантии современной Земли значение 7.52%. Кроме того, о внутренней структуре современной Земли известно, что ее ядро (слои Е, F, G в сумме) составляет 32.18% массы всей Земли. Из этих цифр получается, что концентрация «ядерного» вещества в Земле в целом равняется 37.3% и что доля х всего содержащегося в Земле «ядерного» вещества, уже перешедшая в ядро, сейчас равняется 86.3%, Таким образом, процесс гравитационной дифференциации «ядерного» вещества в Земле осуществился уже на 86.3%.

Далее мы приняли, что плотности и «мантийного», и «ядерного» веществ внутри Земли зависят только от давления, на каждой глубине равного весу вышележащего вещества (тем самым мы для простоты пренебрегли малыми поправками на температурное расширение веществ). Зависимости плотности от давления мы описали следующим простым параболическим законом: давление пропорционально квадрату плотности за вычетом некоторого постоянного слагаемого. Коэффициенты пропорциональности и постоянные слагаемые в этом законе для «мантийного» и «ядерного» веществ мы подобрали так, чтобы для современной Земли с известными значениями ее радиуса (r2) и радиуса ее ядра (r1) получались правильные значения ее массы, момента инерции (I), а также массы ядра (при этом было принято еще одно упрощение: считалось, что отношение плотностей «мантийного» и «ядерного» веществ не зависит от давления).

При изложенных предпосылках было нетрудно рассчитать внутреннюю структуру Земли на любой стадии гравитационной дифференциации ее недр, на которой доля х всего содержащегося в Земле «ядерного» вещества опустилась к центру Земли и образовала ее ядро, а остальное «ядерное» вещество осталось равномерно распределенным по массе мантии. Современная структура Земли при x=86.3% получилась очень близкой к модели «Земля-2» (табл. 3, с. 31), построенной с использованием сейсмических данных. Результаты расчета при разных х приведены в табл. 6. В ней значения х даны в процентах, радиусы ядра rх и всей Земли r2 - в километрах, плотности ρс в центре Земли, ρ+1 и ρ-1 соответственно в ядре и в мантии на границе ядра - в граммах на кубический сантиметр, давления рc в центре Земли и р1 на границе ядра - в мегабарах (т. е. в миллионах атмосфер).

Табл. 6. Эволюция недр Земли.

В то время как масса ядра растет пропорционально х, табл. 6 показывает, что радиус ядраr1 растет чуть быстрее, чем х1/3, так что средняя плотность ядра - его масса, деленная на его объем,- слегка убывает (от 11.65 г/см3 при x=20% до 11.09 г/см3 при x=100%).

Согласно табл. 6, радиус Земли r2 за время полной гравитационной дифференциации ее недр уменьшается на 25 км. Это явление напоминает о гипотезе контракции, сформулированной в 1852 г. Эли де Бомоном и сохранявшей популярность более полувека, согласно которой Земля первоначально была расплавленной и по мере охлаждения сжималась, что приводило к сморщиванию земной коры, проявлявшемуся в образовании подвижных поясов типа зон сжатия со складчатыми горными сооружениями. Однако теперь мы придерживаемся противоположной точки зрения (О. Ю. Шмидта) о первоначально холодной Земле, постепенно разогревавшейся (и по этой причине испытывавшей небольшое термическое расширение). Кроме того, для контракционного объяснения складчатого горообразования нужно в десятки раз большее сокращение радиуса Земли, чем полученное в табл. 6. Наконец, контракция на 25 км представляется не выходящей за пределы точности нашей упрощенной модели Земли, и свой результат мы склонны расценивать лишь как указание на малость изменений радиуса Земли при гравитационной дифференциации ее недр.

По мере роста ядра количество находящегося над ним вещества (а именно «ядерного» вещества) уменьшается. Поэтому понятно, что давление р1 и плотности ρ+1 и ρ-1 на границе ядра уменьшаются, как это видно из табл. 6 (однако оказывается, что скачок плотности ρ+1-ρ-1 на этой границе слегка возрастает). Поскольку гравитационная дифференциация увеличивает концентрацию массы к центру тяжести, ясно, что плотность вещества рс в центре Земли заметно возрастает (в силу указанного выше закона зависимости плотности от давления заметно растет и давление pс в центре Земли), а момент инерции I уменьшается (в табл. 6 приведено его отношение к современному значению р*).

Момент количества движения вращающейся Земли, равный произведению момента инерции I на угловую скорость вращения ω), за счет внутренних процессов в Земле меняться не может. Поэтому скорость вращения ω возрастает обратно пропорционально моменту инерции (в табл. 6 дано отношение ω к современной скорости вращения ω*). Этот эффект противоположен приливному трению, замедляющему вращение Земли, но слабее последнего: с момента образования Земли и по настоящее время вращение Земли ускорилось за счет гравитационной дифференциации ее недр, согласно табл. 6, всего на 11%.

Каждый слой в Земле обладает потенциальной энергией в поле ньютоновского притяжения всех масс Земли. Потенциальная энергия всей Земли в процессе гравитационной дифференциации ее недр уменьшается (так как увеличивается концентрация масс к центру тяжести). Значения освобождающейся при этом потенциальной энергии П приведены в табл. 6 в единицах 1038 эрг. Это-мощный источник выделения тепла внутри Земли. Согласно табл. 6, с момента образования Земли и по настоящее время этот энергетический источник дал 1.61*1038 эрг.

В табл. 6 не указано, каким временам соответствуют различные доли х отдифференцировавшегося «ядерного» вещества; известно лишь, что х=0 соответствует моменту образования Земли, от которого следует отсчитывать время эволюции t, а x=86.3% соответствует настоящему моменту, т. е. t=4.6 млрд. лет. Использование ж вместо t сильно упростило расчет табл. 6 и сделало его более надежным. Однако теперь нам желательно иметь хотя бы приближенную оценку зависимости х от i.

Для этой цели О. Г. Сорохтин [10] предложил считать, что отделение «ядерного» вещества от «мантийного» происходит только на поверхности ядра, т. е. является поверхностной реакцией, скорость которой (скорость роста массы ядра, пропорциональная скорости роста величины х) пропорциональна поверхности ядра и концентрации «ядерного» вещества в мантии. Считая, например, коэффициент пропорциональности постоянным (не зависящим от времени), с помощью этих предпосылок нетрудно рассчитать зависимость х от t. Результаты такого расчета приведены на рис. 12. Они показывают, что масса ядра сначала росла медленно, но этот рост ускорялся. Наибольшая скорость роста была достигнута 1.4 млрд. лет тому назад, во время Готской тектоно-магматической эпохи. После этого рост ядра стал замедляться. Через 1.5 млрд. лет ядро достигнет 99% своей максимально возможной массы.

Рис. 12. Масса ядра x(1) и скорость ее роста х(2) в различные моменты времени t.

Другим важным энергетическим источником внутри Земли является тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных элементов. Мощность этого источника оценить гораздо труднее, так как каких-либо прямых данных о концентрациях радиоактивных веществ в недрах Земли мы не имеем. Наибольшее внимание здесь следует уделить долгоживущим, т. е. имеющим большие периоды полураспада, радиоактивным изотопам U288, U235, Th232 и К40, о которых мы уже говорили выше при обсуждении изотопных методов определения абсолютного возраста минералов в горных породах.

Они относятся к литофильным химическим элементам, имеющим сродство с силикатами (т. е. способным замещать атомы в кристаллических решетках силикатов - легче всего в решетках с наименее плотной упаковкой атомов). Поэтому при дифференциации веществ внутри Земли эти изотопы должны накапливаться там, где образуются наибольшие концентрации силикатов (т. е. кремнекислоты SiO2), меньше всего их должно быть в ядре, лишь очень немного - в плотных ультраосновных породах мантии и больше всего- в сиале коры, особенно в кислых породах. И действительно, установлено возрастание концентрации урана, во-первых, от ультраосновных пород земной коры к основным и кислым (см. с. 8, 9) и, во-вторых, от более плотных минералов к менее плотным (оливин < ортопироксен < клинопироксен < шпинель < гранат).

Исходя из сведений о содержании радиоактивных изотопов в расплавах и кристаллах мантийного вещества, А. Масуда (1965 г.) получил следующие оценки мощности соответствующего тепловыделения в различных слоях современной Земли:

Глубины, км

Удельная мощность тепловыделения, эрг/г ·год

0-37

50

37-103

7

103-500

0.8

500-1700

0.3

1700-2900

0.2

Поскольку радиоактивные вещества со временем распадаются, раньше их было больше, чем теперь (и они, вероятно, сначала были распределены внутри Земли равномерно). Следовательно, они генерировали больше тепла (по имеющимся оценкам, в момент образования Земли - в 4-7 раз больше, чем сейчас). По оценке Е. А. Любимовой [5], за все время существования Земли долгоживущие радиоактивные изотопы выделили 0.9 ⋅ 1038 эрг тепла, что составляет около половины нашей оценки потенциальной энергии, освободившейся при гравитационной дифференциации. Впрочем, мы вынуждены подчеркнуть значительную неопределенность в оценках мощности радиогенного тепловыделения.

Другие энергетические источники внутри Земли, кроме освобождения потенциальной гравитационной энергии и тепловыделения долгоживущих радиоактивных изотопов, имеют, по-видимому, гораздо меньшее значение. Так, например, в природе обнаружены в больших количествах по сравнению с нормой космической распространенности продукты распада 27 короткоживущих радиоактивных изотопов (Al26, Be10, Np237, Fe60, Cl36 и др.), имеющих периоды полураспада меньше, чем сотни миллионов лет. Их тепловыделение могло быть существенным лишь в первые 100-200 млн. лет формирования зародыша Земли из «планетезималей», но это тепло быстро излучалось в космос, как это свойственно небольшим нагретым телам. Выделение тепла внутри Земли вследствие торможения ее вращения приливным трением в настоящее время много энергии дать не может, так как полная кинетическая энергия вращения Земли сейчас составляет всего 2.16 · 1036 эрг. Раньше, когда Земля вращалась быстрее, а приливы были сильнее (так как Луна была ближе), тепловыделение из-за приливного трения было больше, чем теперь, но все же, согласно имеющимся оценкам, его доля в общем тепловыделении внутри Земли за все время ее существования невелика.

Таким образом, учитывая лишь гравитационную дифференциацию и долгоживущие радиоактивные изотопы и пренебрегая другими энергетическими источниками, мы можем оценить суммарное тепловыделение внутри Земли за все 4.6 млрд. лет ее существования цифрой 2.5·1038 эрг. Часть этого тепла была излучена в космос. Как указывалось в гл. 2, сейчас эти теплопотери (геотермический поток тепла) оцениваются цифрой 1.5·10-6 кал./ см2 ⋅ сек., или 9.9·1027 эрг со всей поверхности Земли в год (эти цифры, по-видимому, нужно несколько увеличить, так как при измерении геотермического потока на океанском дне не учитывается возможный вынос тепла из трещин термальными водами). Если эти теплопотери были такими же и в прошлом, то за время своего существования Земля излучила в космос 0.45·1038 эрг.

Менялись ли теплопотери в течение истории Земли, можно пытаться выяснить путем расчетов эволюции распределения температуры в недрах Земли по уравнению теплопроводности, задавая начальное распределение температуры в момент образования Земли и распределения коэффициента теплопроводности и тепловыделения. Но в этих трех пунктах столь много неопределенности, что по одним моделям теплопотери все время нарастали, а по другим проходили максимум на ранних стадиях истории Земли и затем убывали. Все же, по оценкам Е. А. Любимовой [5], суммарные теплопотери Земли не превысили 0.74·1038 эрг.

Вычтя из суммарного тепловыделения суммарные теплопотери, мы убеждаемся, что за всю историю Земли внутри нее накопилось около 2·1038 эрг тепла, что привело к разогреву, а частично и к плавлению земных недр. Приняв для скрытой теплоты плавления «ядерного» вещества оценку 70 кал., как для железа, убеждаемся, что на расплавление слоя Е (внешнего слоя ядра), имеющего массу 1.78·1027 г, затрачено всего только 5·2036 эрг. Следовательно, практически все накопившееся тепло ушло на повышение температуры земных недр. Если разогреть Землю на всех глубинах до температуры плавления, то, согласно Е. А. Любимовой [12], внутренняя энергия будет не меньше 3.2·1038 эрг.

Указанного выше накопленного тепла (2·1038 эрг) для этого не хватает, если только начальная внутренняя энергия Земли в момент ее образования не превосходила 1.2·1038 эрг. При средней теплоемкости земного вещества 0.3 кал./г·град, это означает, что средняя по массе начальная температура земных недр не должна была превосходить 1600°. Фактически она, по-видимому, не превышала 1200° (см. работу В. С. Сафронова [21]). Из этого следует, что Земля никогда не была полностью расплавленной.

Однако частичное плавление происходило - оно произошло в слое Е и могло происходить в некоторых зонах мантии, особенно на первых этапах истории Земли, когда радиоактивных веществ было больше и они были распределены в недрах Земли более равномерно, а отвод тепла наружу через неподвижное вещество происходил крайне медленно. Наиболее эффективным механизмом отвода тепла наружу в таких условиях могла быть зонная плавка, рассмотренная А. П. Виноградовым и осуществленная им экспериментально на веществе метеоритов.

Механизм зонной плавки и вместе с тем один из возможных механизмов движения легких (точнее, легкоплавких) веществ вверх и тяжелых вниз, т. е. гравитационной дифференциации веществ, заключается в следующем. Скорость роста с глубиной температуры плавления вещества мантии, имеющая значения около 3° на 1 км, значительно превышает скорость роста температуры опускающихся вниз веществ, создаваемого их сжатием из-за роста давления, имеющую значения около 0.5° на 1 км (это-так называемый адиабатический градиент температуры). Поэтому в образующейся расплавленной зоне верхние слои расплава оказываются плотнее нижних, и в расплаве возникает вертикальное перемешивание (конвекция) - более плотные вещества опускаются вниз, а менее плотные всплывают вверх. Поднявшееся вверх вещество оказывается перегретым, оно подогревает и плавит кровлю, а опустившееся вниз вещество оказывается переохлажденным и выпадает из расплава на дно расплавленной зоны. Поэтому и верхняя, и нижняя границы расплавленной зоны двигаются вверх (верхняя - медленнее из-за затрат части тепла на подогрев кровли), пока зона не «захлопнется» или не выйдет к охлаждающейся сверху литосфере, создавая широко распространенный вулканизм (не таково ли происхождение астеносферы?).

При движении расплавленной зоны вверх расплав все время обогащается легкоплавкими веществами, так как тугоплавкие вещества первыми выпадают из расплава на дне зоны, а слишком тугоплавкие вообще не плавятся. Поэтому вынос тепла из недр Земли при зонной плавке сопровождается разделением тугоплавких веществ (железо, никель, кобальт, хром, магний и др.), смещающихся вниз, и легкоплавких веществ (щелочных, щелочноземельных, литофильных, включая U, Th и К), а также легколетучих (таких как Н2O, НСl, HF, NH3 и т. п.), смещающихся вверх.

Вероятно, процессы образования расплавленной зоны и ее продвижения вверх могли повторяться неоднократно, каждый раз несколько иначе, так как распределение ряда веществ по глубинам при зонной плавке со временем изменяется (в частности, радиоактивные источники тепла поднимаются вверх, а их суммарная мощность со временем уменьшается).

В математической модели зонного плавления Земли, рассчитанной А. Н. Тихоновым, Е. А. Любимовой и В. К. Власовым [22] (правда, без расчета дифференциации легкоплавких и тугоплавких веществ, но с задававшимся изменением со временем распределения источников тепла), расплавленные зоны возникали в верхнем 500-километровом слое Земли многократно, в зависимости от отношения коэффициентов теплопроводности в расплаве и в твердом веществе - до 13-20 раз, через промежутки времени около 170-100 млн. лет такой же длительности, как эры между тектоно-магматическими эпохами (рис. 13).

Рис. 13. Многократные зонные плавки верхней мантии Земли по одной из моделей А. Н. Тихонова, Е. А. Любимовой и В. К. Власова [22] при коэффициентах теплопроводности в твердом веществе 0.07 и в расплавленном 0.1 кал./см ⋅ сек. ⋅ град.

В нижней мантии вещество находится в особенно плотном кристаллическом состоянии и имеет очень высокие температуры плавления, так что процессы зонного плавления там представляются маловероятными; и действительно, в моделях [22] в нижней мантии зонного плавления не происходит. Тогда как же осуществляются там вертикальные перемещения легких и тяжелых веществ в процессе их гравитационной дифференциации?

Для ответа на этот вопрос надо учесть, что вещество в мантии Земли ведет себя как твердое тело только при быстро меняющихся нагрузках, а при очень долго действующих нагрузках оно обретает способность течь, как вязкая жидкость. Поэтому, например, под действием центробежных сил, создаваемых вращением, Земля приобрела форму сжатого по оси эллипсоида вращения, почти в точности такого, как равновесная фигура вращающейся самогравитирующей жидкости.

Крошечная разница между фактическим сжатием Земли 0.0033528 и чуть меньшим сжатием 0.0033370 фигуры равновесия жидкости при современной скорости вращения Земли объясняется тем, что мантия течет как жидкость с очень большой вязкостью, порядка 1026 пуаз, и поэтому не вполне успевает приспосабливаться к вековому замедлению вращения Земли из-за приливного трения, составляющему около 0.2% за 107 лет; вследствие этого сейчас фигура Земли совпадает с фигурой равновесия при большей скорости вращения - такой, как 107 лет тому назад.

В интересующих нас процессах долгодействующими нагрузками являются архимедовы силы плавучести, действующие на объемы мантии, потерявшие часть «ядерного» вещества при контакте с поверхностью ядра и потому обладающие пониженной плотностью и положительной плавучестью, а также на объемы, уплотнившиеся в результате выплавки из них в верхних слоях Земли некоторой доли легкого вещества земной коры и охлаждения из-за теплоотдачи наружу, а потому обладающие отрицательной плавучестью. Под действием архимедовых сил в мантии могут развиваться очень медленные конвективные движения (со скоростями, по-видимому, порядка всего лишь нескольких сантиметров в год).

Установившиеся (т. е. не изменяющиеся со временем) медленные конвективные движения в том или ином слое вещества организуются по горизонтали в ячейки. По краям так называемых открытых ячеек происходит подъем, а в центрах - опускание вещества; у верхней границы слоя в открытых ячейках вещество движется от их краев к центрам, а у дна слоя - от центров к краям (возможны также закрытые ячейки с противоположным направлением движения).

Конвективные движения должны, по-видимому, пронизывать всю мантию от поверхности ядра до астеносферы. Движения вещества мантии в верхнем слое конвективных ячеек должны увлекать литосферные плиты вместе со «впаянными» в них континентами, заставляя их двигаться по горизонтали от областей подъема к областям опускания вещества мантии. Таким образом, если наблюдаются горизонтальные перемещения литосферных плит (а данные, которые мы рассмотрим в главе, посвященной тектонике плит, определенно указывают на такую возможность), то по ним можно пытаться восстанавливать очертания мантийных конвективных ячеек.

Простейшим случаем будет одна конвективная ячейка, охватывающая всю мантию, с одним полюсом подъема вещества и с одним полюсом опускания и с движениями литосферных плит от полюса подъема к полюсу опускания, благодаря которым континенты должны собираться воедино вокруг полюса опускания, освобождая океаническое полушарие вокруг полюса подъема. Таким могло быть, например, происхождение гипотетической Мегагеи Г. Штилле в конце среднего протерозоя и Пангеи А. Вегенера в начале фанерозоя.

Следующим по сложности случаем будет пара конвективных ячеек, например открытых, с двумя приблизительно противоположными полюсами опускания вещества и с зоной подъема приблизительно по соответствующему экватору между ними или по линии, получающейся в результате волнообразного изгибания экватора с образованием на нем двух гребней и двух ложбин, - так выглядит шов на поверхности теннисного мяча, склеенного из двух лоскутов. По этому шву должна образовываться глобальная зона растяжения с цепочкой срединно-океанических хребтов, а континенты должны собираться в две группы по осям лоскутов. Нечто похожее мы наблюдаем на современной Земле, где одну группу континентов образуют Африка, Евразия и Австралия, а другую - Северная и Южная Америка и Антарктида, и эти два континентальных «лоскута» разделены глобальным «швом» срединно-океанических хребтов. На иллюстрирующем это рис. 14 заштрихован американо-антарктический «лоскут», заметно меньший по площади, с осью, проходящей приблизительно по меридиану 60° з. д., и с центром на этой оси в Южной Америке, около южного тропика; другой, африкано-евроазиатско-тихоокеанский, «лоскут» имеет центр около о. Тайвань, а его осью служит дуга большого круга, полюс которого расположен на полярном круге в Гренландии.

Рис. 14. Двухъячеистая стилизация поверхности современной Земли типа лоскутов теннисного мяча. Штриховая линия - линия подъёма; сплошные линии - оси опускания мантийного вещества; кружки - центры этих осей; заштрихован Американо-Антарктический 'лоскут'.

Впрочем, пока еще, конечно, трудно настаивать на том, что такое восстановление конвективных ячеек в мантии современной Земли является единственно возможным или наилучшим. Так, например, О. Г. Сорохтин [23]

Допускает возможность существования пары закрытых ячеек типа Лоскутов теннисного мяча с полюсами подъема мантийного вещества в треугольнике Афар в Африке, чуть южнее места поворота Красного моря в Баб-эль-Мандебский пролив, и у о. Пасхи в Тихом океане и с зоной опускания вещества вдоль соответствующего этим полюсам большого круга, содержащей почти все геосинклинальные области тихоокеанской периферии (рис. 15). Правда, при этом приходится предполагать, что зона растяжения вдоль срединно-океанических хребтов не обязана соответствовать линии подъема мантийного вещества, а лишь должна как-то размещаться в области подъема.

Рис. 15. Схема возможного расположения восходящих и нисходящих мантийных потоков по О. Г. Сорохтину [23]. 1 - центры восходящих потоков; 2 - области нисходящих потоков; 3 - рифтовые зоны; 4 - современные развивающиеся геосинклинальные зоны; 5 - экваториальная линия по отношению к центру восходящего потока в Афаре.

Поскольку под действием архимедовых сил плавучести мантия Земли ведет себя, как очень вязкая жидкость, конвективные движения в ней должны преодолевать силу вязкости. При этом часть энергии движения расходуется, превращаясь в теплоту. По схеме, предложенной О. Г. Сорохтиным [23], при одноячеистой конвекции эта теплота выделяется преимущественно в астеносфере и превосходит теплопотери в литосферу, так что мантия разогревается. Перенос перегретого вещества конвективным течением из астеносферы в нижнюю мантию приводит к понижению в ней вязкости и, более того, - к уменьшению ее отношения к вязкости астеносферы. Это, по расчетам О. Г. Сорохтина, нарушает устойчивость одноячеистой конвекции, и она перестраивается в двухъячеистую. При двухъячеистой конвекции, наоборот, теплота выделяется преимущественно в нижней мантии и оказывается меньше теплопотерь в литосферу, так что мантия охлаждается. Это повышает вязкость нижней мантии и увеличивает ее отношение к вязкости астеносферы, что приводит к обратной перестройке в одноячеистую конвекцию. Такие перестройки можно сопоставить с тектоно-магматическими эпохами. Промежутки времени между ними должны быть сравнимыми с периодом полного перемешивания мантийного вещества (т. е. его прохождения через слой активной дифференциации у поверхности ядра), которое можно назвать конвективным циклом.

Согласно этому определению, приращение массы ядра за конвективный цикл должно быть пропорциональным объему мантии в начале цикла; коэффициент пропорциональности δρ будет иметь смысл уменьшения плотности вещества мантии при его прохождении через слой активной дифференциации у поверхности ядра. Среднее значение δρ, соответствующее возрастам 19 тектоно-магматических эпох прошлого, указанным в табл. 2, при использовании данных табл. 6 получилось равным 0.1 г/см3. При этом оказалось, что в будущем наступят еще три тектоно-магматические эпохи - через 0.16, 0.56 и 1.24 млрд. лет. Все 22 тектоно-магматические эпохи прошлой и будущей истории Земли показаны на кривых рис. 12 точками (впервые аналогичный график, несколько отличающийся от этого в количественном отношении, был построен О. Г. Сорохтиным [10]).

В заключение рассмотрим, опять следуя предположениям О. Г. Сорохтина, эволюцию химического состава мантии Земли при постепенной потере ею «ядерного» вещества, Fe2O. Предполагается, что вначале железо находилось в мантии в виде окиси FeO и в свободном виде с концентрациями около 22 и 14% соответственно, а окиси трехвалентного железа Fe2O3 практически не существовало. Кислород, освобождавшийся при переходе Fe2O3 в ядро, сначала тратился на окисление свободного железа до FeO, а когда свободного железа уже не осталось, то на окисление FeO до Fe2О3. Последний процесс, по расчету О. Г. Сорохтина, начался в конце протерозоя и будет продолжаться еще около 0.4 млрд. лет, после чего железо в мантии останется лишь в форме Fe2О3, и освобождающийся кислород пойдет на окисление других веществ. Первичное вещество Земли было сильно недонасыщено кремнеземом - концентрация SiO2 в нем оценивается в 31%. Такое вещество состоит из так называемых ортосиликатов и не содержит ромбических пироксенов, (Mg, Fe)2Si2O8, которые образовались позднее - по мере накопления в мантии SiO2 в результате разрушения железистого оливина фаялита. Изменения со временем концентраций окислов железа, кремния и магния в мантии показаны на рис. 16.

Рис. 16. Изменения со временем главных компонент химического состава мантии Земли по О. Г.Сорохтину. 1- Fe; 2 - FeO; 3 - Fe2O3; 4 - SiO2; 5 - MgO.

О. Г. Сорохтин рассчитал также изменения со временем мантийных концентраций ряда веществ, выносящихся из мантии в кору, гидросферу и атмосферу, считая скорости относительных изменений концентраций пропорциональными скорости роста земного ядра. Коэффициенты пропорциональности (называемые показателями подвижности) можно определять путем сопоставления известных в настоящее время концентраций веществ в мантии и в коре. Для оценки подвижности воды О. Г. Сорохтин ориентировочно принял, что при погружении океанических литосферных плит 70-километровой толщины в мантию под геосинклинальными зонами (см. главу о тектонике плит) из них удаляется половина содержащейся в них воды. Тогда в течение каждого конвективного цикла мантия, перетекая через верхний 350-километровый слой Земли, теряет (1/2)70 км/350 км=10%воды. Если принять суммарную массу воды в современных гидросфере и коре равной 2.25·106 триллионов т, то концентрация воды в современной мантии получится равной 7·10-5. Результаты О. Г. Сорохтина для щелочей и воды приведены на рис. 17.

Рис. 17. Изменения со временем мантийных концентраций щелочей и воды по О. Г. Сорохтину. 1 - Na2O; 2 - H2O; 3 - K2O.

ГЛАВА 5: ИСТОРИЯ АТМОСФЕРЫ И ГИДРОСФЕРЫ

Образование атмосферы и гидросферы как результат вулканических процессов. Вулканические газы. Первичная атмосфера и гидросфера при температуре лучистого равновесия. Происхождение и рост массы океана. Происхождение солености океана. История атмосферного кислорода по геологическим данным. История углекислого газа. Происхождение атмосферы Венеры.

В этой главе излагаются в основном представления А. П. Виноградова [7], согласно которым атмосфера и гидросфера образовались в результате дегазации лав, выплавлявшихся из верхней мантии Земли и создавших земную кору.

Атмосфера и гидросфера состоят из легких и летучих веществ, содержание которых в Земле в целом очень мало - гораздо меньше, чем в космосе. Так, по Б. Мейсону [24], отношение массы инертных газов к массе кремния в Земле в 106-1014 раз меньше, чем в космосе; для водорода это различие составляет 106.6 раз, для азота - 105.9 раз, для углерода - 104 раз. Этот дефицит легких и летучих веществ возник, по-видимому, еще в протопланетном облаке, из которого затем сформировалась Земля. Причинами образования дефицита могли быть нагрев части протопланетного облака солнечным излучением и короткоживущими радиоактивными изотопами (по некоторым оценкам, до 500-600°). и «выметание» из облака выделяющихся при нагреве легких и летучих веществ «солнечным ветром» (т. е. потоками солнечной плазмы) и давлением света. Указанный дефицит и объясняет относительную малость атмосферы и гидросферы, массы которых составляют только одну миллионную и одну четырехтысячную долю массы всей Земли. Такие же рассуждения справедливы и для других планет земной группы.

В момент формирования Земли из протопланетного облака все элементы ее будущей атмосферы и гидросферы находились в связанном виде в составе твердых веществ: вода - в гидроокислах, азот - в нитридах и, возможно, в нитратах, кислород - в окислах металлов, углерод - в графитах, карбидах и карбонатах. Бомбардировка поверхности Земли планетезималями в то время могла приводить к выделению летучих веществ, но вода, углекислый газ, «кислые дымы» и другие активные вещества должны были поглощаться раздробленными породами, так что первичная атмосфера на этом этапе состояла, по-видимому, лишь из небольших количеств азота, аммиака и инертных газов.

Дальнейшее наращивание атмосферы и образование гидросферы связаны с выплавками базальтов, водяного пара и газов из верхней мантии при вулканических процессах, развившихся уже в первые 0.5-1 млрд. лет существования Земли в результате разогревания ее недр при гравитационном сжатии (включая формирование и рост уплотненного ядра) и за счет распада радиоактивных изотопов (как остатков короткоживущих изотопов, так и, главное, долгоживущих изотопов, которых тогда было в 4-7 раз больше, чем сейчас).

Мы говорим здесь о выплавках веществ именно из верхней мантии (а не из коры), так как магматические очаги, питающие вулканы, находятся в основном в астеносфере (приоритет на установление этого факта принадлежит советскому вулканологу Г. С. Горшкову).

Интенсивность современных вулканических процессов на Земле представляется вполне достаточной для образования за время существования Земли всей ее коры, гидросферы и атмосферы. В доказательство этого Е. К. Мархинин [25] приводит следующие подсчеты. Количество твердого вещества, ежегодно поставляемого вулканами Курильских островов, оценено в 0.08 км3, т. е. при среднем удельном весе этих пород 2 г/см3 - в 0.16 млрд. т. Курильские острова - это только одна из 22 островных дуг периферии Тихого океана. Стало быть, все эти островные дуги в сумме дают ежегодно порядка 0.16 · 22=3.52 млрд. т вещества (приблизительно такая же величина получается из суммирования объемов веществ, извергнутых из недр Земли во время наиболее сильных вулканических извержений за 1800-1964 гг.). Чтобы учесть вулканизм вне островных дуг (т. е. главным образом в срединно-океанических хребтах), увеличим полученную цифру в 2-3 раза. Тогда интенсивность современного вулканизма будет оцениваться в 6-10 млрд. т вещества в год (указанный здесь нижний предел принимался в качестве допустимой оценки Н. М. Страховым [26]). Если вулканизм имел интенсивность такого же порядка и раньше (а по рис. 12 максимум интенсивности эволюционных процессов, выражаемой скоростью роста земного ядра, был достигнут 1.4 млрд. лет тому назад), то за 4.6 млрд. лет существования Земли он доставил на ее поверхность (2.8-4.6)·107 триллионов т вещества, т. е. как раз количество порядка массы земной коры.

Газы, выделяющиеся из современных вулканов, содержат преимущественно водяной пар (его, по-видимому, не менее 75%; так, в газах из базальтовых лав гавайских вулканов с температурами 1200° С обнаруживается 70-80 объемных % Н2O; в фумароль-ных газах Курильских островов с температурами около 100° С содержится 79.7 весовых % Н2O). Второй по значению составляющей является углекислый газ (в газах из гавайских базальтовых лав его 6-15 объемных %, в курильских фумарольных газах - 19.6 весовых %). В вулканических газах встречается немало хлора (в газах Килауэа - около 7%), бывает метан СН4 (иногда до 3%), аммиак NH3 и другие компоненты (в газах Килауэа содержится 4.3·104 SO2, 4·10-4 S, 2.5·10-4 Вr, 2·10-5 F, 1.2·10-5 Se, 4.5·10-6 J, 3.2·10-6 В). Проводившиеся измерения показали, что при температурах 800-1000° из лав отгоняются, кроме водяного пара, преимущественно «кислые дымы» - НСl и HF, при температуре 500° - сера и ее соединения, H2S, SO2 и другие, а при более низких температурах - борная кислота и соли аммония. Правда, ряд вулканических газов (NH3, CH4S, H2S, CO) быстро окисляется кислородом современной атмосферы.

Большой интерес представляют результаты химического анализа содержимого газовых пузырьков в древнейших (по-видимому, катархейских) кварцитах Курумканской свиты (мощностью более 1000 м) Алданского щита, приводимые Л. И. Салопом [18] и дающие сведения о составных частях катархейской атмосферы. В этих пузырьках отсутствует свободный кислород, около 60% составляет углекислый газ, около 35% - H2S, SO2, NH3 и «кислые дымы», НСl и HF, в небольших количествах присутствуют азот и инертные газы.

Таким образом, можно думать, что при дегазации лав на поверхность Земли поступали пары воды, соединения углерода - СO2, СО и СН4, аммиак, сера и ее соединения, H2S и SO2, галоидные кислоты, НСl, HF, HBr, HJ, борная кислота, водород, аргон и некоторые другие газы. Эта первичная атмосфера сначала, конечно, была чрезвычайно тонкой, и поэтому ее температура у поверхности Земли была очень близкой к температуре лучистого равновесия, получающейся в результате приравнивания потока поглощаемого поверхностью солнечного тепла потоку уходящего излучения поверхности Земли, пропорциональному четвертой степени температуры этой поверхности (по некоторым предположениям, температура могла быть выше, чем при лучистом равновесии, из-за парникового эффекта, создававшегося аммиаком). Эта температура (при современной отражательной способности Земли 0.28) в среднем равна +15° С. Следовательно, почти весь водяной пар вулканических газов должен был конденсироваться, превращаясь в жидкую воду и тем самым формируя гидросферу.

В первичный океан переходили, растворяясь в воде, также и другие составные части вулканических газов - большая доля углекислого газа, кислоты, сера и ее соединения и часть аммиака. В результате первичная атмосфера, содержавшая в равновесии с океаном главным образом водяной пар и небольшие количества СO2, СО, СН4, NH3, H2S, кислых дымов и инертных газов, оставалась тонкой. Следовательно, температурные условия не испытывали слишком больших изменений и оставались в среднем в пределах существования жидкой воды. Это и определило одну из специфических особенностей Земли, отличающую ее от других планет Солнечной системы,- постоянное наличие на ней гидросферы. В свою очередь оно наложило существенный отпечаток на дальнейшую эволюцию земной коры, поверхности Земли и атмосферы.

Прямым фактическим доказательством существования гидросферы на Земле во все геологические времена до архея и даже до катархея включительно является обнаружение в земной коре осадочных пород соответствующих возрастов. Наиболее древние осадочные породы недавно обнаружены английскими геологами С. Мурбатом, Р. К. О'Найоном и Р. Дж. Панкхерстом в юго-западной Гренландии. Это - бурый железняк, возраст которого оценен по свинцовому методу в 3.76 ± 0.07 млрд. лет (причем это, по-видимому, возраст метаморфизации этих пород, а время их образования может быть еще более ранним). Найденные рядом изверженные породы - гранитоидные гнейсы - имеют возраст 3.7 ± 0.14 млрд. лет (по рубидий-стронциевому методу).

Для оценки массы растущей гидросферы можно исходить из того, что в расплавленном базальте при температуре порядка 1000° С и давлении в 5-10 тыс. атм. может раствориться до 7-8% воды. По данным ряда вулканологов, при излиянии лав из них дегазируется примерно столько же процентов воды. По оценкам энергии вулканических взрывов Е. К. Мархинин [25] установил, что количество выделяющегося водяного пара составляет в среднем 3% массы изверженного вещества. Приведенные цифры приблизительно сходятся с долей массы современной гидросферы по отношению к массе земной коры - (1.46·106) : (4.7·107) ≈ 3.1%.

На рис. 17 мы приводили кривую О. Г. Сорохтина, иллюстрирующую изменения со временем концентрации воды в мантии Земли. Умножая изменения концентрации на массу мантии, равную 4.05·109 триллионов т, получаем количество освободившейся воды; оно изображается кривой 1 на рис. 18, заимствованном опять у О. Г. Сорохтина. Наибольшая часть этой воды пополняет гидросферу, часть же поглощается породами земной коры. Главный интерес здесь представляет поглощение воды с углекислотой мантийными оливинами (их серпентинизация) при образовании третьего слоя океанической коры, т. е. химическая реакция

4(Mg, Fe)2SiO4 + 4H2O + 2CO2 =

(Mg, Fe), Si4O10 (OH)8 +

2 (Mg, Fe) CO3.

Оливин

Серпентин

Магнезит, сидерит

Вода поглощается также и при серпентинизации пироксенов; например, гидратация простейшего магнезиального пироксена - энстатита может идти по формуле

6MgSiO3 + 8Н2O =

Mg6Si4O10(OH)8 + 2Si(OH)4.

Энстатит

Серпентин

Упомянем еще процессы метаморфизма базальтов и габбро в океанической коре, в частности, низкотемпературную реакцию каолинизации с разрушением полевого пшата плагиоклаза-анортита: