СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОИСХОЖДЕНИИ ЗЕМЛИ

Планеты Солнечной системы, в том числе и Земля, возникли в результате аккумуляции частиц газово-пылевого облака, которое вращалось вокруг Солнца. Обычно полагают, что во внутренней части этого облака, близкой к Солнцу, были сконцентрированы менее летучие химические элементы, а во внешней области, удален­ной от Солнца,— более летучие элементы. Согласно альтернатив­ной модели А.А.Маракушева, первоначальное распределение хими­ческих элементов в газово-пылевом облаке было гомогенным, но планеты, удаленные от Солнца, сохранили летучие элементы в виде мощных атмосфер, а планеты, близкие к Солнцу, потеряли эти атмосферы и в настоящее время представляют собой ядра неле­тучего материала. Какая бы из этих моделей ни казалась более обос­нованной, фактом остается то, что состав планет, расположенных на разном удалении от Солнца, неодинаков. Для Меркурия, кото­рый находится ближе всего к Солнцу, характерно обогащение не­летучим железом, а внешние планеты-гиганты (Юпитер и др.) в зна­чительной мере состоят из воды, аммиака и других летучих соединений.

Планеты земной группы (Венера, Земля, Марс) первоначально были сложены преимущественно силикатами (кислородсодержа­щими соединениями кремния). В меньшем количестве в протопла-нетное вещество входили металлические частицы, отвечавшие по со­ставу железным метеоритам. Твердый силикатный материал, из которого была сформирована ранняя Земля, обычно отождеств­ляют с хондритами — наименее дифференцированными каменны­ми метеоритами, падающими и сейчас на поверхность нашей пла­неты. По содержаниям нелетучих химических элементов хондриты близки к современной фотосфере Солнца и средним составам пла­нет земной группы (табл. 2.1). Как полагают, источником хондритов служит пояс астероидов, расположенный между орбитами Марса и Юпитера. Поскольку этот пояс находится на большем удалении от Солнца, чем Земля, следует учитывать возможную разницу между си­ликатной составляющей земного протопланетного вещества и хон-дритовыми метеоритами, в частности, обеднение вещества Земли ле­тучими компонентами, например, калием, рубидием, натрием.

Согласно современным моделям, на начальной стадии накоп­ления протопланетного вещества (этот процесс называется аккре-

Таблица 2.1. Состав фотосферы Солнца, планет земной группы и хондритов разных типов(F, Н,L), ат.%, по

А.А.Маракушеву, 1991г.

Часть III. Магматические горные породы (петрология)

цией) возник твердый металлический зародыш Земли — сгусток железных метеоритов, соответствующий ее современному внут­реннему ядру. Затем этот зародыш был окружен внешней оболоч­кой, состоявшей из смеси железных и каменных метеоритов, при­чем последние преобладали по массе и были близки по составу к хондритам.

Содержание железа в хондритах составляет не менее 20 мас.%, а количество железа в современной верхней мантии и коре не пре­вышает 6—7 мас.%. Следовательно, в процессе аккреции или после ее завершения значительная часть железа была удалена из внешней оболочки Земли, по крайней мере, из верхней ее части и перемеще­на в глубь планеты. Как полагают, железо стекало к центру Земли в виде металлического расплава, имевшего состав, близкий к эвтек­тике Fe + FeS, температура плавления которой равна 990 °С. Добав­ление третьего компонента (Fe₃C, FeO и др.) снижает эту темпера­туру еще на несколько десятков градусов. В металлическом расплаве был растворен никель и другие химические элементы, имеющие химическое сродство к железу и сере. Содержание сидерофильных и халькофильных элементов в современной верхней мантии и ко­ре в десятки—сотни раз ниже, чем в хондритах, но примерно во столько же раз выше, чем можно ожидать при химическом равно­весии металл—силикат. По-видимому, отделение металлического расплава произошло так быстро и таким способом, что равновесия достигнуто не было.

Верхняя мантия и кора обеднены железом не только относитель­но валового состава хондритов, но и относительно их силикатной фракции, содержащей 13—15 мас.% Fe¹. Это означает, что часть ок­сида железа, входившего в силикаты, была восстановлена и также мигрировала в глубь планеты в виде металлической жидкости.

Тяжелый металлический расплав, перемещаясь к центру Земли, образовал в конечном итоге внешнее ядро, которое сохранилось в жидком состоянии до настоящего времени. Формирование внеш­него ядра сопровождалось экзотермическим эффектом, который оценивается в 1.5 • 10³¹ Дж. Примерно столько же тепловой энергии выделилось в результате быстрой аккреции протопланетного веще­ства, которая, как полагают, продолжалась от 10 до 100 млн лет. Для сравнения заметим, что энергия, связанная с радиоактивным распадом U, Th и К за все время существования Земли оценивает-

¹ Железо в хондритах содержится в силикатах, сульфидах и в самородной фор­ме.

2. Современные представления о происхождении Земли

ся в 0.6*10³¹ Дж. Интенсивная метеоритная бомбардировка поверх­ности планеты на заключительной стадии аккреции привела к допол­нительному выделению тепловой энергии. Парниковый эффект, связанный с формированием ранней атмосферы Земли, способст­вовал сохранению высокой температуры внешней силикатной обо­лочки. Все это делает весьма вероятным предположение о том, что к концу аккреции верхние сотни километров ранней Земли испыта­ли плавление с образованием глобального магматического океана, при затвердевании которого протопланетное вещество преврати­лось в систему мантия—кора, сложенную земными породами.

Возраст Земли принимается равным возрасту содержащегося в ней урана; как показывают радиохронологические данные, он со­ставляет 4.55-4.65 млрд лет. Возраст земного урана определяют, ре­шая уравнение радиоактивного распада изотопов урана с образова­нием соответствующих изотопов свинца и допуская, что начальное распределение радиогенных изотопов свинца в Земле было таким же, как в железных метеоритах, а их среднее современное распределе­ние таким же, как в глубоководных океанических осадках.

Большая часть каменных и железных метеоритов, а также самые древние породы Луны имеют возраст 4.4—4.7 млрд лет. Таким обра­зом, планеты Солнечной системы возникли почти одновременно 4.7—4.5 млрд лет назад.

Древнейшие горные породы, обнаруженные на Земле, имеют возраст 3.8 ± 0.2 млрд лет. Они представлены метаморфизованны-ми магматическими породами кислого состава, а также останцами анортозитовых массивов и осадочно-вулканогенных толщ, включа­ющих подводные лавы основного-ультраосновного состава, кислые вулканиты, карбонатные и кремнистые отложения, железистые кварциты. Возраст отдельных обломочных зерен циркона из ар­хейских кварцитов и конгломератов в Австралии достигает 4.1-4.3 млрд лет. Древнейшие цирконы возникли за счет размыва гра­нитов, существовавших более 4 млрд лет назад (данные Р.Мааса и др., 1991,1992 гг.).

Таким образом, ранняя дифференциация Земли, которая при­вела к образованию внешнего металлического ядра и окружающих его силикатных оболочек, завершилась относительно быстро в те­чение первых сотен миллионов лет существования Земли. Этот процесс следует рассматривать как важнейший эпизод в истории на­шей планеты, который в значительной мере предопределил ее по­следующее геологическое развитие.

Часть III. Магматические горные породы (петрология)

Дополнительная литература

Добрецов Н.Л. Введение в глобальную петрологию. Новосибирск: На­ука, 1980.

МаракушевА.А. Петрография. М: Изд-во МГУ, 1993.

МонинА.С. Ранняя геологическая история Земли. М.: Недра, 1987.

Ранняя история Земли. М.: Мир, 1980.
Ранняя кора: Ее состав и возраст. М.: Наука, 1991.

Рудник В.А., Соботович Э.В. Ранняя история Земли. М.: Недра, 1984.

РингвудА.Е. Происхождение Земли и Луны. М.: Недра, 1982.

Тейлор СР., МакЛеннан СМ. Континентальная кора, ее состав и эво­люция. М.: Мир, 1988.

Шкодзинский В. С. Природа строения и ранней эволюции Земли в све­те модели фракционирования магматического океана при ее образова­нии // Геология и геофизика, 1997. Т. 38. № 6. С. 1151-1161.

Abe Y. Physical state of the very early Earth // Lithos. 1993. Vol. 30. P. 223-235.

Ohtani E. The primordial terrestrial magma ocean and its implication for stratification of the mantle // Phys. Earth Planet. Int. 1985. Vol. 38. P. 70-80.