Возникновение Земли и доархейская история

Реферат

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЗЕМЛИ И ДОАРХЕЙСКАЯ ИСТОРИЯ

Введение

Земля является одной из 9 планет Солнечной системы, причем относительно небольшой. Для того чтобы представить себе эволюцию Земли как планеты, понять ее геологическую историю, необходимо рассмотреть ее место в Солнечной системе и обсудить существующие концепции формирования последней, которые содержат в себе, пожалуй, больше вопросов, чем исчерпывающих ответов, несмотря на все усилия, предпринятые в этом направлении большой группой исследователей различных специальностей.

1. ОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

В настоящее время установлено, что Вселенная, в которой расположена наша Солнечная система, сформировалась между 10 и 18 млрд. лет назад, т.е. Вселенная в два раза старше Солнечной системы. Причиной ее образования мог быть гигантский взрыв вещества, породивший облачные скопления водорода и гелия. В результате сжатия этих скоплений, вызвавшего разогрев внутренних зон «облаков» до температуры в миллионы градусов, образовались звезды. Слияние ядер водорода вызвало термоядерный процесс, инициировавший в свою очередь формирование гелия, углерода, кислорода и других элементов. Эволюция звезд на протяжении почти 18 млрд. лет шла по пути распада и образования новых звезд. Однако рассуждения о возникновении последних пока не выходят за рамки гипотез. В этом ряду стоит и событие, случившееся 4,6 млрд. лет назад, приведшее к образованию Солнечной системы в Галактике Млечного Пути -- одной из множества галактик Вселенной, удаленных друг от друга на десятки миллиардов световых лет.

Солнечная система располагается примерно в 3/5 расстояния от центра Галактики Млечного Пути, скрытого от наблюдений скоплением межзвездной пыли. Именно поэтому мы видим край Галактики в виде полосы звезд, огромное количество которых впервые предположил Галилей еще в 1610 г.

Рождение Солнечной системы могло развиваться по следующему сценарию, наиболее проработанному в настоящее время. Он предполагает воздействие какой-то силы на протопланетное облако межзвездного вещества с массой около 100 000 солнечных масс. Плотность газово-пылевой туманности составляла от 10 000 до 1 млн молекул на 1 см³. Температура не превышала 20-100 К (Тейлор, Мак-Леннан, 1988). Иными словами, туманность была холодной. Полагают, что состав вещества, слагавшего облако, был очень близок к составу метеоритов -- углистых хондритов (С1), но присутствие в метеоритах минералов с разной температурой плавления говорит о том, что вещество облака имело, по-видимому, сложную историю. Во время взрыва сверхновой звезды под действием ударной волны межзвездное вещество начало сжиматься. Либо в этом межзвездном веществе уже существовали различные химические элементы и их изотопы, образовавшиеся при формировании звезд задолго до взрыва, либо в самой взорвавшейся звезде за счет ядерных реакций происходил синтез всех известных химических элементов. В результате воздействия ударной волны протопланетное вещество стало сжиматься, уплощаться и превратилось в линзовидный диск, в центре которого образовалась новая звезда.

Вследствие сжатия температура стала быстро увеличиваться, достигнув за несколько миллионов лет 10-15 млн градусов. При замедлении скорости вращения линза превратилась в тонкий диск, он и далее уплощался, частицы вещества сближались и слипалась, образуя планетезимали -- зародыши планет, а центральная звезда превратилась в Солнце, в котором шли термоядерные реакции. Это событие произошло около 4,6 млрд. лет назад, хотя возможный интервал составляет от 4 до 6 млрд. лет. Этот возраст ныне подтвержден определением возраста зерен цирконов в метеоритах.

Таким образом, изложенный выше сценарий допускает возникновение планет из межзвездной пыли, находившейся в гигантских кольцах, окружавших Солнце. Так как кольца взаимно притягивались друг к другу, то планетезимали объединялись в сгустки, которые в конце концов испытали слипание, превратившись в планеты. Подобный процесс формирования Солнечной системы поддерживается большинством астрономов и астрофизиков, несмотря на отдельные расхождения в трактовке тех или иных событий.

Солнце представляет собой обычную звезду, которая содержит 99,8% общей массы Солнечной системы, диаметром около 40 астр.ед. Неудивительно, что 0,2% ее массы, представленной планетами, испытывает притяжение Солнцем. Имея внутри температуру порядка 10 млн градусов, а на поверхности около +5600°С, Солнце создает возможность существования жизни на Земле, и для нас оно, конечно, является исключительной звездой. Термоядерного горючего--водорода у Солнца хватит еще на 5 млрд. лет. Солнце начнет в будущем сжиматься, особенно его внутреннее гелиевое ядро, тогда как внешние слои станут расширяться, и оно превратится сначала в «красного гиганта», а затем --в «белого карлика», пройдя обычный путь эволюции звезд.

2. ОБРАЗОВАНИЕ ПЛАНЕТ, КОНДЕНСАЦИЯ И АККУМУЛЯЦИЯ МЕЖЗВЕЗДНОГО ВЕЩЕСТВА

Как сказано выше, конденсация межзвездной пыли привела к формированию гигантских колец вокруг Солнца, из которых и возникли планеты. Мы можем лишь строить догадки о том времени, когда, вскоре после своего рождения, Солнце было особенно активным и его масса очень быстро уменьшалась за счет разноса вещества солнечным ветром. Эта аномальная активность, по данным астрофизиков, длилась всего около 1 млн. лет. Быстрый вынос летучих элементов из внутренних частей Солнечной системы был следствием мощных вспышек на Солнце и солнечного ветра. Несмотря на этот процесс, в околосолнечных сферах осталось достаточное количество летучих, позволившее сформироваться Земле. Естественно, что планеты, находившиеся вблизи Солнца, ныне относимые к земной группе, т.е. Меркурий, Венера, Земля и Марс, сформировались в более горячих условиях, нежели внешние планеты.

Существует довольно много моделей, рассматривающих превращение колец диска из межзвездного вещества в планеты. Однако все их разнообразие может быть сведено к двум основным моделям. По одной из них, кольца, окружающие Солнце, распадаются на крупные части, которые, сжимаясь, превращаются в планеты. Согласно другой модели, в кольцах межзвездной пыли происходит слипание, «склеивание» частиц, образующих подобие снежного кома -- прообраза будущих планет, которые впоследствии сжимаются. Под действием центробежной силы легкие частицы с внешней стороны диска уносятся в пространство, тогда 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 двух моделей состоит в том, что в одной из них огромные шары протопланет коллапсируют до размеров современных планет, а в другой -- слипание планетезималей приводит к формированию таких же по массе планет. В последнее время наметилась тенденция объединения этих моделей в одну, способную удовлетворительно объяснить особенности планет Внутренней и внешней групп. Для первой группы планет предпочтительнее выглядит модель слипания планетезималей, тогда как образование внешних планет-гигантов лучше объясняется прото-планетной моделью. Различие в составе внешних планет, которые состоят преимущественно из водорода, кислорода, углерода и в меньшей степени из силикатов, тогда как во внутренних планетах последние преобладают, хорошо согласуется с их большей удаленностью от Солнца, очень низкой температурой и меньшей силой притяжения. Именно вследствие низкой температуры происходит конденсация в виде твердого вещества метана, аммиака и воды. Так как льды из этих веществ обладают меньшей плотностью, чем силикаты, внешние планеты характеризуются малой плотностью и огромными размерами.

По мнению некоторых исследователей, начиная с В.С. Сафронова, процесс превращения диска межзвездной пыли в сгустки планет произошел очень быстро и занял около 100 млн лет. Поскольку объектом изучения для нас является Земля, то нам далеко не безразлично, каким путем и в какой интервал времени произошло ее разделение на оболочки-геосферы.

В настоящее время существуют две основные теории, которые все больше сближаются, дополняя друг друга. Модель гомогенной аккреции предполагает, что из межзвездного, хорошо перемешанного вещества образовались первично гомогенные планеты Солнечной системы и лишь впоследствии, эволюционируя, они приобрели структуру, состоящую из ряда оболочек, которые мы и наблюдаем, например, на Земле (ядро, мантия, кора). Однако этой моделью не так просто объяснить наличие метеоритов разного состава -- каменных, железных и железокаменных. Весьма проблематичной с точки зрения первоначально гомогенной Земли остается формирование ее геосфер в процессе дифференциации, когда изначально холодная Земля начала разогреваться, в результате чего выделилось железное ядро и силикатная мантия. Определенные ограничения на эту концепцию накладывает слишком маленький промежуток времени между образованием Солнечной системы (4,6--4,7 млрд. лет), возрастом наиболее древних лунных пород (4,5--4,6 млрд. лет), а также метеоритов и древнейших гранитоидов на Земле (около 4 млрд. лет), что практически не оставляет времени для дифференциации.

Модель гетерогенной аккреции, впервые предложенная Э.В. Соботовичем, А.П. Виноградовым, а также А. Рингвудом из Австралии и К. Турекяном и С. Кларком из США, объясняет указанные выше трудности, и суть ее заключается в том, что геосферы Земли формировались одновременно с ее образованием и аккреция планетезималей проходила вместе с конденсацией газово-пылевой туманности, сопровождавшейся понижением температуры. В результате процесса фракционирования наиболее высокотемпературная фаза, состоящая из железных планетезималей, практически не содержащих радиоактивных элементов, образовала ядро Земли. И только после того, как железные планетезимали почти исчерпались, начали слипаться планетезимали типа каменных метеоритов, состоящих из различных алюмосиликатов. Чем больше внешние оболочки Земли «нарастали» на внутренних сферах, тем больше в них содержалось радиоактивных элементов, так же как и у Луны.

Одновременно с образованием оболочек Земли происходила их дифференциация, имевшая экзотермический характер, а так как мантия, по мере ее нарастания, служила все более эффективным теплоизолирующим экраном, то вследствие перегрева внешнее ядро приобрело пластичное состояние. По мнению Э.В. Соботовича, расплавление внешней оболочки ядра началось еще тогда, когда планетезимали соударялись с орбитальной скоростью, достаточной для плавления их приповерхностного слоя. Иными словами, причиной плавления была кинетическая энергия сталкивающихся и слипающихся железных планетезималей. По-видимому, и после образования ядра процесс дифференциации продолжался, вызывая перераспределение металлической и алюмосиликатной фаз, в результате которого и сформировалась расслоенная структура Земли. Важно подчеркнуть, что, согласно изложенным выше моделям аккреции, время образования ядра не должно превышать первые сотни миллионов лет.

В этот же временной интервал сформировались протомантия и протокора. Возникшая на основе последней земная кора является уже продуктом достаточно длительной дифференциации первичных верхов мантии и коры, которые, будучи наиболее обогащенными радиоактивными элементами, могли подвергаться процессам многократного переплавления и метаморфизма. Важную роль в разогреве коры играла метеоритная бомбардировка Земли, особенно сильная в период 4,3--3,8 млрд. лет назад, но с кульминацией около 4,0 млрд. лет, которая и способствовала ее усиленной дегазации.

С Землей неразрывно связан ее спутник -- Луна, происхождение которой объясняется несколькими гипотезами, но важно помнить, что Луна сформировалась не позднее 4,2 млрд. лет назад, что состав ее пород очень похож на состав земной мантии и что у Луны нет магнитного поля и железного ядра. Существующие гипотезы предполагают: 1) образование Луны из того же газово-пылевого облака одновременно с Землей; 2) отрыв Луны от Земли на ранней стадии формирования последней; 3) захват Луны как постороннего тела Землей; 4) скользящий удар о Землю космического тела размером с половину Земли и выброс вещества мантии Земли в околоземное пространство с последующим формированием Луны из этого вещества. Последняя гипотеза пользуется сейчас большой популярностью.

Таким образом, Земля как планета сформировалась около 4,6 млрд. лет назад. С момента начала сжатия облака межзвездного вещества газово-пылевой туманности под воздействием вспышки сверхновой звезды прошло около 0,5 млрд. лет, а может быть, и меньше. За этот временной интервал сформировались основные земные протосферы и началась та часть истории Земли, длительностью 0,5--0,6 млрд. лет, которая скрыта от исследователей, так как возраст древнейших пород не превышает 4,0 млрд. лет.

3. ДОАРХЕЙСКИЙ (ГАДЕИСКИЙ) ЭТАП РАЗВИТИЯ ЗЕМЛИ

Что происходило с нашей планетой и особенно с ее верхней оболочкой в течение первого полумиллиарда лет с начала ее формирования и до появления тех пород, абсолютный возраст которых ближе к рубежу 4,0 млрд. лет (уже есть цифры в 3,96 млрд. лет)? К сожалению, об этом этапе у нас почти нет каких-либо фактических данных и все построения базируются лишь на общих соображениях и на сравнительном анализе с другими планетами и особенно с Луной, где сохранились следы примерно этого же или несколько более позднего временного интервала.

Наиболее правдоподобная на сегодняшний день картина самого начального, после рождения, периода жизни Земли может быть представлена следующим образом. На поверхности Земли формировалась кора из «насыпного» материала, типа лунного реголита, который будучи достаточно мощным (до десятков метров), служил хорошим тепловым экраном, что способствовало разогреванию протокоры за счет распада радиоактивных элементов. В это же время земная поверхность подвергалась непрерывной бомбардировке планет езималями разного размера, в том числе и очень большими, после удара, которых кора мгновенно нагревалась, и могли появляться настоящие магматические расплавы. Особенно интенсивная бомбардировка имела место около 4,0 млрд. лет назад. В это время пейзаж поверхности Земли мог напоминать современный пейзаж Луны. В ударных кратерах возникали лавовые озера, но скорее всего они быстро застывали, так как не было глубинных магматических очагов, которые бы их подпитывали.

Тепловой режим Земли на ранних стадиях ее формирования также можно лишь предполагать, как и ее тектоническую активность. Несомненно, что помимо метеоритной бомбардировки поверхности важную роль в термическом разогреве первично холодной Земли играл процесс гравитационной дифференциации земного вещества, который должен был привести к его расслоению с образованием тяжелого ядра и более легкой силикатной коры. Повышение температуры обеспечивалось распадом радиоактивных элементов и очень сильным приливным взаимодействием в системе Земля--Луна.

Таким образом, приведенные выше данные свидетельствуют о том, что в период метеоритной бомбардировки в верхней оболочке Земли могли возникать обширные участки плавления. Мы не знаем, какие при этом возникали породы, но скорее всего они отвечали базальтам в широком смысле этого слова. Не исключено, что в основании подобных огромных лавовых покровов могли образовываться анортозиты, как это мы наблюдаем на Луне.

Базальты, андезитобазальты, анортозиты, вероятно, слагали первичную земную кору. Эта кора, возможно, имела, как считает А.А. Маракушев (1992), состав эвкритов -- пироксен-плагиоклазовых метеоритов, но она не сохранилась. По крайней мере поиски реликтов этой протокоры до настоящего времени не увенчались успехом. Недаром В.Е. Хаин назвал эту «ору призрачной -- фантомной.

Дискуссионным является вопрос о присутствии и составе атмосферы и гидросферы Земли в период становления протокоры. Сравнение Земли с Луной на ранней стадии предполагает отсутствие атмосферы. Но есть и другая версия, которая предусматривает высокие температуру и давление на поверхности Земли и атмосферу, похожую на венерианскую, состоящую в основном из углекислого газа и отличающуюся большой плотностью.

Во время начальных стадий образования Земли все химические элементы, которые впоследствии вошли в состав гидросферы и атмосферы, находились в твердом веществе первичной Земли в связанном состоянии. Только начавшееся плавление верхней оболочки и появление базальтовых магм привело к образованию водяных паров и газов, выделявшихся из мантии при вулканических процессах.

Протоатмосфера, формировавшаяся за счет дегазации' мантии, состояла из Н₂0, С0₂, СН₄, СО, H₂S, S0₂, НС1, HBr, HF, Аг, H и целого ряда других газов и соединений, частично растворившихся в воде протоокеанских бассейнов, с которой еще тонкая атмосфера должна "была находиться в равновесии. Все это предопределило одну из важнейших особенностей нашей планеты, а именно существование гидросферы и атмосферы с самых ранних стадий ее развития, хотя воды и было еще мало и состав ее несколько отличался от современного -- воды были хлоридными и бессульфатнымн. А.П. Виноградов отмечал, что с cамого рождения воды океанов уже были солеными и дегазация мантии ответственна за содержание анионов в морской воде, в то время как катионы поставлялись за счет разрушения, эрозии горных пород.

По мнению О.Г. Сорохтина и С.А. Ушакова, в ранний период, вследствие близкого расположения Луны к Земле, из-за огромных приливов на последней происходили непрерывные и очень сильные землетрясения, которые оказывали разрушительное воздействие на любой расчлененный рельеф, нивелируя его.

Таким образом, более 0,5 млрд. лет ранней истории Земли может быть восстановлено только на основании косвенных данных и умозрительных предположений. Безусловно, все наши соображения на этот счет могут быть изменены, если мы получим какие-либо новые данные. Далека от ясности проблема степени влияния метеоритной бомбардировки Земли, результаты которой до конца еще не оценены, и гипотетичны представления о первичной коре, атмосфере и гидросфере.