Современные концепции развития геосферных оболочек

Разработка неклассической концепции глобальной эволюции Земли позволила с новых позиций представить развитие геосферных оболочек. Речь отнюдь не идет о простой констатации фактов, они интерпретируются в принципиально новой концептуальной манере. Именно в этой связи ниже рассматривается развитие геосферных оболочек.

В неклассической концепции глобальной эволюции Земли в объяснении динамических истоков развития геосферных оболочек решающее значение придается: однородности химического состава первичной Земли; изменению ее термодинамических состояний под воздействием энергетических потоков; приобретению расплавленным веществом Земли текуче-подвижных состояний, приводящих к химико-плоскостной дифференциации этого вещества; образованию в результате дифференциации вещества Земли ее геосферных оболочек; эволюции геосферных оболочек в процессе непрекращающихся изменений динамических потенциалов Земли. В этом состоит суть, главное содержание неклассической концепции глобальной эволюции Земли.

Энергетическая динамика Земли определяется в основном тремя составляющими: энергией гравитации (ок. 82%), энергией радиоактивного распада (ок. 12%), приливной энергией (ок. 4%). Что касается солнечной энергии, то она, частично поглощаясь внешними геосферными оболочками, отражается ими же в космос. Следует отметить, что Земля стала тектонически-активной далеко не сразу, а лишь после ее разогрева, который из-за наличия приливных сил (высота волн прилива достигала 1 км) оказался наибольшим в приповерхностных слоях планеты. Тепловая энергия из поверхности планеты постепенно разогревала все ее вещество, переводя его в расплавленное состояние. Вещества Земли, обладавшие наибольшей плотностью, стали диффундировать в центр планеты.

В первичном составе Земли содержалось много «металлического» железа (ок. 13%) и его двухвалентной окиси (ок. 24%).

Железо появилось отчасти за счет межзвездной материи, из которой образовалась Земля, и захвата ею метеоритов, в которых содержится около 30% железа. Стекание железа и его окислов в центр планеты привело к образованию ядра Земли. Более легкие вещества (SiО₂, MgO и др.) при этом переходили в верхние слои планеты, где они, остывая, образовывали астеносферу и литосферу. Собственно мантия Земли оказывалась заключенной между ядром планеты и ее твердыми приповерхностными областями, т.е. литосферой (астеносферу иногда причисляют к мантии Земли или же считают самостоятельной геосферной оболочкой). Дегазация планеты привела к образованию атмосферы Земли. За счет конденсации водяных паров атмосферы образуется гидросфера.

Итак, было время (4,6-4,0 • 10⁹ лет назад), когда Земля не была дифференцирована на геосферные оболочки, которые, подобно всем космическим объектам, возникают, проходят некоторые этапы своей эволюции и умирают. Все геосферные оболочки являются результатом дифференциации вещественного состава первичной Земли. Возникнув однажды, они приобретают относительную самостоятельность и становятся геодинамически активными.

Выражаясь несколько образно, атмосфера оказывает давление на литосферу и гидросферу, две последние упруго сжимают мантию планеты, которая в свою очередь спрессовывает ядро Земли. Если же идти от центра планеты к ее периферии, то динамическая картина оказывается другой. Ядро Земли притягивает к себе вещество всех других геосферных оболочек, охватывает их обручем инициированного им магнитного поля, нагревает мантию и достигающие его оболочки литосферы. Мантия Земли передает мощные потоки тепловой энергии литосфере, раздвигает океанское дно и перемещает литосферные плиты. Литосфера и гидросфера оказывают тепловое воздействие на атмосферу; выветриваясь и испаряясь, они передают ей также огромные массы-вещества. Таким образом, геодинамическая активность Земли также имеет свою историю: она находится в полном соответствии с историей эволюции геосферных оболочек.

Рассмотрим в свете неклассической концепции глобальной эволюции Земли истории основных геосферных оболочек.

История ядра Земли. Формирование ядра Земли началось примерно 4,6 • 10⁹ лет назад (здесь и в дальнейшем в данном разделе отсчет времени ведется по направлению от прошлого к современности). Соответствующие расчеты показывают, что оно особенно интенсивным было в период 3-2,6 • 10⁹ лет тому назад. После 2,6 млрд. лет наращивание массы земного ядра начало резко, а потом плавно убывать. В наши дни масса ядра увеличивается, согласно расчетам, на 130 млрд. т. в год. «Металлическое железо» покинуло мантию Земли примерно 500 млн. лет тому назад, оставшийся в ней магнетит (Fе₃О₄) распадается: 2Fe₃O₄ → 3FeO + 5О, при этом FeO переходит во внешнее ядро Земли. Остывание Земли приведет к частичному или полному затвердеванию, как ее мантии, так и ядра. Дальнейшая судьба нашей планеты будет зависеть в первую очередь от Солнца - перехода его в состояние белого карлика, что будет сопровождаться гигантским выбросом излучения, которое «опалит» Землю.

История мантии Земли. По своему вещественному составу мантия планеты наиболее близка к составу первичного вещества Земли. Тем не менее именно в ней процессы химико-плотностной дифференциации идут наиболее энергично: на протяжении 4 млрд.. лет она проходит все новые стадии своего вещественного обеднения. Тяжелое вещество уходит к центру планеты - в ее ядро. Легкие элементы перемещаются в лито-, атмо- и гидросферу. Из мантии Земли полностью исчезли FeS, Fe, Ni, по сравнению с составом первичной Земли она существенно обеднела легкими веществами (К₂О, Na₂O, N₂, H₂ и др.). Вместе с тем происходящая в мантии химико-плотностная дифференциация приводит к росту в процентном содержании окислов кремния (SiO₂) и магния (MgO). В сумме эти два окисла составляют около 83% состава современной мантии (против 57% в составе первичного вещества Земли).

Современная мантия вся охвачена мощными конвективными движениями, за счет которых тепловая энергия ядра и мантии передается другим геосферным оболочкам.

История литосферы. Литосфера образуется в процессе остывания и кристаллизации частично расплавленного вещества мантии Земли. Ее часто называют «силикатным льдом». Имеется в виду, что литосфера, состоящая в основном из силикатов, т.е. солей кремниевых кислот, содержащих SiO₄, формируется подобно образованию льда при замерзании воды. Ее формирование началось 4-3,5 млрд. лет тому назад. Около 2 млрд. лет ушло на формирование суперконтинента Пангеи. Последующая тектоническая деятельность Земли приводит к раскалыванию Пангеи и образованию новых суперконтинентов.

Современная история литосферы связана, прежде всего, с тектоникой океанических плит. При раздвижении литосферы вещество астеносферы внедряется в разломы рифтовых зон и, охлаждаясь, образует молодую океаническую литосферу. Океаническая кора способна надвигаться на концы континентальных плит, в результате чего образуются складчатые структуры. Обломки океанических литосферных плит, увлекаясь мантийными потоками, опускаются вплоть до ядра Земли, перемешиваются с другим мантийным веществом и вновь поднимаются на поверхность. Так осуществляются циклы тектонической деятельности Земли. В далеком будущем непременно произойдет их замедление вплоть до полной остановки.

История гидросферы. Молодая Земля была лишена гидросферы. Последняя появилась благодаря дегазации Земли, инициируемой изливавшимися на ее изначальную поверхность мантийными расплавами, которые, попав в условия с минимальным давлением, вскипали (как известно, температура кипения тем ниже, чем меньше давление) и выделяли летучие вещества, в том числе пары воды. Чем сильнее нарастали конвективные явления в мантии, тем чаще и в большей массе извергались на поверхность Земли потоки магмы, тем больше становился объем первоначально неглубокого океана. Из-за поглощения части воды океанической, а также континентальной корой глубина океана увеличивалась медленно. И лишь после полного насыщения водой серпентинитового слоя океанической коры, а произошло это около 2,2 млрд. лет назад, дно океана стало быстро опускаться (до средней глубины современного океана).

Наибольший приток воды происходил в период охвата конвективными движениями всей мантии Земли, т.е. около 2,6 млрд.. лет назад. Приток воды в Мировой океан имеет место и в наши дни, он будет продолжаться и в дальнейшем. Ослабление тектонической активности Земли, остывание ее мантии, образование в этой связи особо глубоких океанических впадин и поглощение части воды глубоко залегающими осадочными породами океанической литосферы приведет к тому, что будут вновь видны срединно-океанические хребты.

История атмосферы. Согласно неклассической концепции глобальной эволюции Земли, история атмосферы связана с дегазацией планеты отнюдь не меньше, чем история гидросферы. Полагают, однако, что уже на ранних этапах своей эволюции (4,7-4 млрд. лет назад) Земля, еще не приобретя гидросферы, уже обладала атмосферой, но крайне разряженной. Она, видимо, состояла главным образом из летучих соединений, которые распространены в космосе, т.е. Н₂, Не, N₂, CH₄, NH₃, Н₂О, СО₂, СО. Рождение плотной атмосферы оказалось связанным с выделением тех летучих соединений, которые попали на Землю в связанном состоянии: вода - с гидросиликатами, азот - с нитридами и нитратами, углекислый газ - с карбонатами и т.д. Подлинным динамическим источником атмосферы Земли оказалась ее начавшаяся активная дегазация (4 млрд. лет назад). Около 3 млрд. лет назад Земля была окутана плотной, состоящей в основном из азота (N₂) и углекислого газа (СО₂) атмосферой с давлением до 4 атм. Последующая история Земли связана в основном со своеобразной «заменой» углекислого газа на кислород.

Насыщение серпентинитового слоя океанической коры водой сопровождалось связыванием СО₂ в карбонатах (доломитах). Можно показать, что при избытке углекислого газа в атмосфере реакции гидратации сопровождаются его связыванием в карбонатах. Типичная в этом смысле реакция выглядит следующим образом:

Mg₂SiО₄ + 4Н₂О + 2СО₂ → Mg₆[Si₄O₁₀](OH)₈ + 2MgCO₃.

Оливин Серпентин Магнезит

Серпентинит

Серпентинитизация океанической коры привела к «извлечению» углекислого газа из атмосферы, его парциальное давление снизилось почти до современного. Обеднение атмосферы СО₂ - газом, который задерживает инфракрасное (тепловое) излучение Земли, привело к резкому снижению приземной температуры (с 90 до 6 °С). Сопровождалось это (2,4 млрд. лет назад) грандиозным оледенением.

Активную роль в извлечении углекислого газа из атмосферы сыграли также зеленые растения и фотосинтезирующие микроорганизмы. Речь идет о процессе фотосинтеза (фотосинтез проходит с участием хлорофилла, поглощающего кванты света).

Насыщение атмосферы кислородом происходило также благодаря фотодиссоциации паров воды коротковолновым излучением Солнца и галогенизации окислов щелочных и щелочноземельных металлов.

В насыщении атмосферы кислородом доминирует биогенез, а аутсайдером является галогенез.

Далеко не весь кислород переходил непосредственно в атмосферу. Его мощным поглотителем являлось свободное железо.

Свободное железо исчезло из мантии Земли около 600млн. лет назад. Это способствовало росту выхода кислорода в атмосферу, что благоприятствовало быстрому развитию многоклеточных организмов.

В современных условиях выделяющийся в мантии кислород частично поглощается:

3FeO + О → Fe₃O₄.

Расчеты показывают, что через 600 млн. лет содержащееся в мантии железо окажется в состоянии магнетита (Fe₃O₄). Магнетит устойчив в мантии, но при переходе в ядро Земли он распадается:

2Fe₃O₄ → 3FeO + 5О.

Свободный кислород, не встречая препятствий, через рифтовые зоны устремится в атмосферу. Это, согласно расчетам, приведет к быстрому росту давления атмосферы (10 атм.), приземная температура достигнет 250 С. После вскипания воды океанов давление возрастет до 350 атм., а приземная температура достигнет 450 °С. В новых обстоятельствах жизнь окажется невозможной. История жизни атмосферы прервется через 5 млрд. лет, после взрыва Солнца. Атмосфера не сможет противостоять мощному солнечному излучению и будет им испарена.