Земля. Детство и отрочество

Заглянуть в далекое прошлое Земли, понять, как сформировалась в необъятных просторах космоса наша планета, как протекали первые мгновения (в геологическом исчислении, возможно, первые миллионы лет) ее жизни - эта задача всегда увлекала ученых. Гипотезы сменяли одна другую, новые сведения о геологическом строении Земли, о происходящих на ее поверхности процессах заставляли сомневаться в одних, отвергать другие. Но интерес к самым первым, удаленным от нас на несколько миллиардов лет периодам жизни планеты остается в центре внимания геофизиков, геохимиков, геологов, словом, всех ученых, объект исследований которых - Земля. Потому что расшифровать прошлое планеты, разгадать механизм ее эволюции означает во многом понять ее будущее, дать прогноз ее дальнейшего развития. В публикуемой нами статье члена-корреспондента АН СССР А. С. Монина рассказывается об исследованиях, проведенных в Институте океанологии имени П. П. Ширшова, посвященных одному из важнейших этапов эволюции Земли - появлению на планете водной и воздушной оболочек.

В те очень далекие времена, когда Земля сформировалась из планетезималей - холодных твердых частиц и тел, поверхность ее была совершенно сухой. Это небесное тело - будущая Земля - было относительно холодным и разогрелось лишь потом, на следующих этапах своей жизни. Сейчас у ученых сложилось представление, что последние планетезимали, падавшие на Землю, по размерам близкие к метеоритам и астероидам, были самыми большими. При их падении выделялось много тепла, поэтому верхний слой Земли, на который приходились эти удары, прогрелся. Советские ученые - последователи теории О. Ю. Шмидта, и в частности доктор физико-математических наук В. С. Сафронов,- рассчитали распределение температуры по радиусу этой первичной Земли и получили, что верхние 500 километров были очень сильно прогреты.
Этот прогрев был, возможно, так велик, что в верхних слоях возникла термическая конвекция, при которой, как известно, теплый материал поднимается наверх, а холодный и поэтому более тяжелый опускается вниз. Эти теоретические расчеты, конечно, предположительные. Ведь даже размеры тех планетезималей, которые сложили Землю, гипотетические. Но многие зарубежные ученые проделали сейчас численные эксперименты, которые очень хорошо совпали с аналитическими расчетами В. С. Сафронова.
Последние, самые крупные планетезимали, сложившие Землю, помимо того, что разогрели ее внешнюю оболочку, выполнили и еще одну функцию - они сбили ось вращения Земли. То, что ось Земли наклонена к ее орбите (сейчас, как мы знаем, этот наклон составляет 23,5 градуса),- результат ударов каких-то очень крупных планетезималей. Этим В. С. Сафронов объясняет, что наклоны осей планет к эклиптике у всех планет разные.
Первичное вещество Земли было более или менее одинаковым, однородным в отличие от современной Земли, разделенной на силикатную мантию и железное ядро. Ведь вся «молодая» Земля была слеплена из более или менее одинаковых частиц. Лучше же всего был перемешан (а поэтому однороден) верхний слой, который перетасовала термическая конвекция. Поверхность Земли, по сути дела, представляла собой обнаженную мантию, в которой тогда было несколько больше железа, чем сейчас. Этому железу еще только предстояло выделиться в ядро. Земной коры - верхней оболочки Земли, как мы представляем ее себе сейчас,- в то время просто еще не было.
Как только перестали падать крупные планетезимали, конвекция в верхних слоях, вызванная появлением тепла от последних ударов, довольно быстро прекратилась, и поверхность Земли застыла. С этого момента и следует, мне кажется, отсчитывать историю Земли как планетного тела. И был этот момент примерно 4,6 миллиарда лет назад.
Мелкие метеориты продолжали падать на поверхность вновь создавшейся планеты, как они падают на Землю и сейчас, поэтому верхний слой мог быть раздроблен, даже распылен, и представлял собой такой же сухой реголит, как мы видим сейчас на поверхности Луны.
По мере развития Земли ее внутренние части сжимались под давлением вышележащих слоев, и как следствие этого процесса происходил прогрев планеты изнутри. Ведь при сжатии потенциальная энергия тела переходит в тепловую. Существовали и другие источники энергии, которые способствовали разогреванию Земли, и среди них главные - энергия лунных приливов (Луна находилась значительно ближе к Земле) и энергия распада радиоактивных элементов. Радиоактивных элементов было в то время примерно в семь раз больше, чем сейчас. И разбросаны они были по всему телу Земли, тогда как сейчас в основном содержатся лишь в коре.
Таким образом, тепло выделялось всей Землей, а отдавалось только ее поверхностью. Неминуемо внутри Земли температура росла. Этот рост температуры вызвал плавление железа и постепенный переход тяжелых частиц расплавленного железа внутрь тела Земли. Так начало образовываться тяжелое ядро.
Участки мантии, потерявшие железо, становились легче, и естественным образом началась конвекция: легкие вещества устремились вверх, а тяжелые - вниз. Так появились первые ячейки конвекции. Там, где вещество поднимается на поверхность, оно начинает расходиться, растекаться от верхней точки подъема. Вот он, важнейший момент земной эволюции: появляются самые древние зоны спрединга - того процесса, который мы наблюдаем сейчас в рифтовых зонах океана. (В скобках заметим: вот какой древний этот процесс - спрединг.)
А в этих зонах происходит выплавка базальтов - появляется самая первая, самая древняя океанская кора.
Вместе с образованием первой океанской коры появляется и первая вода на поверхности Земли. Она выделяется из расплавленных базальтов. Наступает еще один необычайно важный момент в жизни Земли: дегазация мантии приводит к образованию на Земле первых океанов и атмосферы. Атмосфера образуется из тех газов, которые выделяют застывающие на поверхности Земли базальты. Считается, что на первых порах в процессе дегазации кроме водяного пара из мантии выделялись так называемые «кислые дымы» (соединения брома, фтора, хлора, йода с водородом), углекислота, угарный газ, азот, метан, аммиак. Но среди всех этих элементов самый важный для Земли - водяной пар: основной материал образования гидросферы.
Земля очень счастливо расположилась в Солнечной системе, на ее поверхности не слишком жарко и не слишком холодно. На Венере, например, находящейся ближе к Солнцу, чем Земля, водяной пар не смог бы снова сконденсироваться и образовать воду. На Марсе, более удаленном от Солнца, чем Земля, вся вода превращается в лед. На Земле же, где температуры на поверхности умеренные, из сконденсировавшихся водяных паров образовалась вода - первая вода на земном шаре, прародительница будущих океанов.
Океанская кора, то есть самая первая кора, которая появилась на Земле, постепенно остывает, становится более плотной и отодвигается от мест, где она образовалась, - от зон спрединга. Если по пути встречаются менее плотные участки земной поверхности (все-таки планетезимали были разного состава), то она «поднырнет» под эти участки, опустится в мантию и подвергнется новой переплавке. Над этими зонами - зонами субдукции, как мы теперь их называем,- и начнут образовываться островные дуги, самые первые участки континентальной переплавленной коры. Там же, где океанская кора встречала участки мантии более плотные, чем была сама эта недавно образовавшаяся кора, она как бы «налегала» на них, перекрывала их.
Таким образом, на самых первых этапах образования земная кора почти вся была океанской. Над зонами субдукции появились участки континентальной коры, а кое-где оставалась еще на поверхности и первичная мантия. В самых древних породах, с возрастом около 4 миллиардов лет, возможно, и найдутся остатки этого обнаженого реголита. Пока же надежно датированными мы можем считать породы с возрастом 3,8 миллиарда лет. Очевидно, около 4 миллиардов лет назад и начались на Земле процессы, приведшие к образованию континентальной коры.
Конвекция в мантии перестраивалась, усложнялась, а соответственно и островные дуги сдвигались, сталкивались между собой и с микроконтинентами. При этих столкновениях они как бы слеплялись друг с другом, и в архее (около 3 миллиардов лет назад) начали появляться так называемые гранит-зеленокаменные области. В них уже встречаются предвестники гранитов, а это, как известно, и есть наиболее распространенная порода континентов. В протогранитах еще нет, как в современных, калия, но по остальным признакам они близки к теперешним гранитам. Гнейсы, образовав шиеся из этих полей зеленокамен ных пород, и есть самые древние из найденных на Земле породы континентов.
Впоследствии на зеленокаменные пояса наслаивались вулканические базальты и осаждались самые первые осадки. Весь комплекс этих древнейших пород можно найти в Гренландии. И самое главное - раз мы находим сейчас древний осадочный материал, значит, были и древние бассейны, в которых этот материал осаждался. Так, изучив древние породы, мы можем сделать очень важный вывод - дегазация мантии, конденсация водяных паров привели уже к этому времени к накоплению воды в первичных морских впадинах.
С какой же скоростью происходила дегазация мантии, чтобы паров, выделяющихся из нее, было достаточно для заполнения водой морских впадин? Такие расчеты проделаны в Институте океанологии. Они показали, что процесс этот происходил неравномерно. Сначала выделение газов из мантии шло с возрастающей скоростью.
Максимума этот процесс достиг около двух с половиной миллиардов лет назад, после чего начал постепенно угасать. Процесс этот продолжается и сейчас, но идет уже очень медленно. По нашим расчетам, 86 процентов окислов железа, содержащегося в теле Земли, уже сосредоточено в ее ядре. Осталось перейти и остальным 14 процентам в ядро, именно на это время и хватит эволюционной энергии Земли. Пока не перейдет в ядро все железо, будут извергаться вулканы, происходить сейсмические подвижки и наблюдаться прочие признаки активного поведения планеты.
Наши расчеты, конечно, приблизительны, грубоваты. Но, может быть, именно некоторое упрощение и помогает сделать наглядной картину эволюции планеты.
В процессе развития Земли формы конвекции вещества внутри мантии все время меняются. Когда конвекция принимает одноячейковую форму, вещество, находящееся на поверхности Земли, скапливается у полюса подъема. А это значит, что все уже образовавшиеся островки континентальной коры «сбегаются» в суперконтинент.
Переход от одноячейковой конвекции к двухъячейковой и более сложным формам конвекции происходит тогда, когда одноячейковая форма ковекции уже не может перенести все то вещество, которое стремится всплывать. Нагрев же продолжается, и должны уже работать две конвекционные ячейки, чтобы справиться с переносом всего пришедшего в движение вещества и вместе с ним тепла.
Когда конвекция возвращалась к двухъячейковой или еще более сложной форме, суперконтинет разрывало, материки раздвигались. Наши расчеты показывают, что эти события происходили в истории Земли четыре раза. Впервые такой разрыв суперконтинента произошел в конце архея - 2,6 миллиарда лет назад. Мы приходим к такому выводу потому, что все кусочки архейских зеленокаменных областей одинаковы по своему строению и составу. Они создают впечатление осколков единого целого, где бы мы их ни находили - в Африке, Индии, Австралии, Канаде, Карелии, в Финляндии, на Украине, в Молдавии. Это все зеленокаменные поясы архейского возраста, очень богатые золотом.
Постепенно континентальная кора над зонами субдукции нарастала, образуя гранитно-метаморфический слой земной коры. Так образовались континенты. Геологи полагают, что под гранитно-метаморфическим слоем в континентальной коре расположен слой базальтов. К этому выводу они приходят на том основании, что на какой-то глубине под гранитным слоем изменяется скорость распространения сейсмических волн. Думаю, что это не совсем правильно. Скорость сейсмических волн изменяется потому, что с глубиной сильно увеличивается давление, а не потому, что меняется состав пород. Кольская глубинная скважина уже прошла границу изменения скоростей пробега сейсмических волн, а керны пока по-прежнему остаются гранитными.
Ну, а из чего состоит океанская кора? Она сложена слоем осадков, под которыми расположены подушечные лавы. Они имеют причудливые формы подушек и пустотелых кувшинов потому, что изливались под водой. Определение возраста этих подушечных лав показывает, что в архее, 3,8 миллиарда лет назад, на Земле уже была вода, а значит, и климат умеренный.
Следы жизни, океанские формы ее мы также находим в породах архейского возраста. Микроскопические одноклеточные водоросли (похожие на нынешние сине-зеленые) мы находим в породах с возрастом 3 миллиарда 500, 600 и даже 800 миллионов лет. Микро-фассилии - так называются эти микроскопические водоросли - найдены в породах Гренландии. Так геологические находки позволяют нам определить момент, когда на Земле зародилась жизнь.
Интересно отметить, что исследования последних лет позволили ученым не только выяснить механизм движения литосферных плит на поверхности Земли, что само по себе уже очень важно, но и раскрыть сущность многих геологических процессов, казавшихся ранее совершенно загадочными и непонятными. Объясняется это тем, что все внутренние процессы геологического развития Земли, теснейшим образом связаны друг с другом, они фактически управляются единым эволюционным механизмом - процессом гравитационной дифференциации земного вещества. Выявление и выяснение природы существующих между геологическими явлениями причинно-следственных связей позволяет нам с единых позиций понять развитие Земли в целом и все многообразие проявлений внешних форм этого развития.
Такой подход открывает и важные практические перспективы использования современной геологической теории при поисках; и разведке минеральных и энергетических ресурсов нашей планеты. Приведем здесь лишь один; пример, показывающий, насколько: тесно связаны между собой, казалось бы, далеко отстоящие друг от друга геологические процессы. Так, последними исследованиями удалось объяснить природу уникальной эпохи рудонакопления в раннем протерозое - около 2,6-2 миллиардов лет назад, когда в земной коре древних континентов возникло большинство из крупнейших в мире месторождений железа, золота, урана, сульфидов, редких металлов и других ценных элементов. Оказалось, что за счет дегазации Земли к этому времени в океане накопилось уже столько воды, что его уровень перекрыл гребни существовавших тогда срединно-океанских хребтов. В результате океанская кора, по сути своей являющаяся самым верхним слоем мантии, именно в раннем протерозое насытилась водой. Поэтому в зонах поддвига литосферных плит, где океанская литосфера пододвигается под островные дуги и континенты, процесс переплавления океанской коры и выплавления из нее континентальной стал в это время развиваться уже в присутствии больших объемов воды. Но вода - исключительно сильный и активный минерализатор, растворяющий при высоких температурах и давлениях большинство из рудных металлов и соединений.
Именно поэтому в раннем протерозое резко усилился вынос рудных элементов из океанской коры и мантии в континентальную кору того времени. В дальнейшем вынос этих элементов из мантии уменьшился в связи с ее истощением, так как некоторые элементы - например, никель, платина, золото, медь, свинец в основном уже успели переместиться в континентальную кору.
Интересна при этом судьба железа. В первоначальном веществе Земли, как и в метеоритах, было много этого металла. После того как в раннем протерозое уровень океана достиг гребней срединно-океанских хребтов, из рифтовых зон того времени в океанскую воду усиленно стало поступать железо. Попадая на мелководья, это железо окислялось до трехвалентного состояния (вероятно, с участием кислородвыделяющих микроорганизмов) и отлагалось там вместе с кремнеземом в виде знаменитых джеспилитовых руд криворожского типа. В позднем докембрии (примерно миллиард лет назад) все свободное железо уже перешло в земное ядро и полностью исчезло из мантии. Вот почему в последнем миллиарде лет истории Земли совсем прекратилось образование джеспилитовых руд.
Глобальный подход к проблемам эволюции Земли позволил выявить и некоторые геохимические рубежи в геологическом развитии нашей планеты, которые самым сильным образом должны были повлиять на этапы ее развития. К таким рубежам прежде всего относятся уже описанные события: начало дегазации Земли и появление свободной воды на ее поверхности приблизительно между 4 и 3,8 миллиарда лет назад. Только после этого на Земле могла возникнуть жизнь. После насыщения океанской коры водой около 2,6-2,3 миллиарда лет назад должно было резко снизиться парциальное давление углекислого газа в земной атмосфере, поскольку процесс насыщения водой океанской коры всегда сопровождается активным поглощением углекислого газа. В результате уменьшился парниковый эффект, и климат стал более контрастным. В это время появились и первые покровные оледенения континентов. Однако кислорода в атмосфере тех далеких эпох еще было очень мало. В архее и протерозое этот живительный газ, уже освобождавшийся благодаря жизнедеятельности одноклеточных водорослей и диссоциации паров ;воды (происходившей под влиянием солнечного излучения), почти полностью поглощался тем железом, которое вместе с мантийными породами поднималось на поверхность Земли в рифтовых зонах докембрия. Лишь после полного исчезновения свободного железа из мантии кислород смог в заметных количествах накапливаться в атмосфере Земли, с чем, вероятно, и был связан бурный расцвет жизни в фанерозое, то есть в последние 600 миллионов лет - на этапе развития на Земле высокоорганизованной жизни. Так изучение геологической эволюции Земли помогает нам связать воедино процессы, происходящие на планете, разобраться в сложнейших связях между живой и неживой природой.

А. Монин, член-корреспондент АН СССР