Г л а в а 5. Коэволюция биосферы и геосферных оболочек

История Земли начинается с образования земной коры, атмосферы и гидросферы. Наследующих этапах развития формируются гранитный и осадочный слои литосферы, изменяется атмосфера и гидросфера, создаются предпосылки для возникновения жизни, а затем появляется биосфера. Многое в истории Земли интерпретируется не однозначно из-за метаморфизма первичных пород и их недостаточной изученности.

Планета Земля

Экваториальный радиус Земли равен 6378 км. Масса планеты составляет 6*10²⁴ кг, а средняя плотность – 5,5 г/см³. В ядре планеты плотность вещества выше (около 12 г/см³), а на поверхности приблизительно вдвое меньше среднего значения. Недра Земли постоянно выделяют тепло. В верхней части литосферы температура увеличивается с глубиной примерно на 20°С/км, с глубиной рост замедляется и центре Земли температура не превышает несколько тысяч градусов. Схема строения Земли дана в табл. 7. Характеристика состава внешних оболочек: атмосферы и гидросферы была дана в разделе 1.2.

Состав и строение коры под континентами и океанами различаются.

Океанская коразанимает 56% площади земной поверхности, образует ложе океанов и развита в глубоководных котловинах окраинных морей. Ее средняя мощность не превышает 5‑7 км. Возраст около 180 млн лет. В коре выделяют три слоя:

· осадочный, сложенный глубоководными осадками, егомощность не более 1 км в центральных частях океанов и до 10–15 км вблизи континентальных подножий;

· базальтовый с редкими прослоями пелагических осадков мощностью 1,5‑2 км;

· магматических пород основного и подчиненно ультраосновного состава мощностью 5 км.

Континентальная кора распространена на суше, шельфе и отдельных участках океанских бассейнов. Ее общая площадь – 41% земной поверхности, средняя мощность 35‑40 км. Она уменьшается к окраинам континентов и возрастает под горными сооружениями до 70‑75 км. Подобно океанской коре, имеет трехслойное строение, но состав слоев иной:

· верхний осадочный чехол сложен осадочными породами и покровами основных магматических пород. Мощность до 10‑20 км во впадинах платформ и прогибах горных поясов. Возраст – до 1,7 млрд лет;

· гранитогнейсовый слой представлен кристаллическими сланцами, гнейсами, амфиболитами и гранитами. Возраст пород фундамента от 0,2 до 3,5 млрд лет. Мощность 15‑20 км на платформах и 25–30 км в горных сооружениях;

· нижний гранулит-базитовый слой, предположительно, отличается высоким метаморфизмом и более основным составом.

Пограничный слой пониженной вязкости между верхней мантией Земли и земной корой называютастеносферой(«слабая оболочка»). Он выражен скачком скоростей сейсмических волн с 7,5 до 8,2 км/с. В океанах отвечает переходу от габброидов к перидотитам, реже дунитам. Вдоль него происходят подвижки коры относительно мантии. На континентах выражен нечетко. Нижняя граница астеносферы лежит на глубине 250-300 км. Выделяется по пониженной скорости сейсмических волн и повышенной электропроводности.

Небольшая вязкость астеносферы обусловлена, по-видимому, высокой температурой, приводящей к частичному плавлению базальтовой магмы. Флюиды и магма проникают в земную кору и участвуют в формировании залежей полезных ископаемых. Течение или подъем вещества астеносферы увлекает литосферные плиты, вызывая их горизонтальные перемещения или подъем, а в предельных случаях – разрыв. Таким образом, астеносфера является активным, а литосфера – относительно пассивным элементом. Однако «жизнь» земной коры зависит и от процессов в мантии и ядре.

Мантия.Выделяют верхнюю и нижнюю мантии. Первая сложена перидотитами, которые обеднены кремнеземом, щелочами и другими элементами. В нижней мантии возрастает плотность вещества и содержание железа.

Ядро.По данным сейсмологии внешняя часть ядра Земли является жидкой, а внутренняя ‑ твердой. Конвекция во внешнем ядре генерирует магнитное поле Земли.

5.1. Начальный этап развития Земли (4,6‑4,0 млрд лет назад)

В настоящее время почти единодушно признается, что Солнце и планеты образовалось после вспышки Сверхновой звезды примерно 4,6 млрд лет назад из газопылевого облака, включавшего и крупные обломки (планетозимали). Вспышка привела к нуклеосинтезу элементов, из которых состоят планеты.

В процессе аккреции частиц облака формировались планеты, увеличивалась их масса, сила тяготения и скорости падавшего вещества. Кинетическая энергия превращалась в тепло. Энергия удара освобождалась на глубине, равной примерно двум поперечникам внедрившегося тела. А так как размер планетозималей достигал несколько сот километров, температура на глубинах 100-1000 км могла приблизиться к точке плавления. Дополнительно повышение температуры Земли вызывал распад радиоактивных изотопов и твердые приливы, связанные с притяжением Луны, которая возникла около 4,4 млрд лет назад и тогда располагалась ближе к Земле.

Расплав железа и никеля, имеющий высокую плотность, просачивался вниз, формируя земное ядро. Дифференциация по плотности сопровождалась выделением тепла, ускоряя процесс разогрева Земли и формирования ядра, мантии и базальтового слоя земной коры.

По составу газовых пузырьков в древнейших кварцитах судят о первичной атмосфере. В ней отсутствовал O₂, концентрация СO₂ достигала 60%, остальная часть была представлена H₂S, SO₂, NH₃, «кислыми дымами»: НСl и HF, а также инертными газами. Элементы будущих атмосферы и гидросферы входили в состав твердых веществ: вода – в гидроокислы, азот – в нитриды и нитраты, кислород – в окислы.

Дегазация мантии и образование литосферы меняют состав атмосферы. Это следует из состава газа базальтовых лав, соответствующих первичной коре. В них до 80% объема приходится на пары воды и 6‑16% на CO₂. Весьма вероятно, что из-за высокой температуры поверхности гидросфера отсутствовала. Падение температуры ниже 100^оС приводит к формированию гидросферы. Постепенно содержание пара в атмосфере уменьшается. Доля CO₂ первоначально увеличивалась, но позднее уменьшается, так как CO₂ растворяется в воде. Потеря атмосферой воды и CO₂ привели к уменьшению атмосферного давления и парникового эффекта, что вызвало дальнейшее снижение температуры поверхности Земли. Предполагают, что первичная гидросфера имела pH=1-2 и содержала HCl, HF, CO₂, SiO₂ и др.