Чтение онлайн

Около 4,54 млрд. л.н. температура на поверхности Земли достигала 4000°C. Планета представляла собой расплавленный шар кипящего, газонасыщенного вещества. Спустя приблизительно тридцать миллионов лет, т. е. 4,51 млрд. л.н. планета остыла до 1500°C, что создало условия для обособления газовой оболочки в относительно стабильную атмосферу. Первичная газовая оболочка – Ранняя гелиево-водородная горячая атмосфера существовала на протяжении 30 млн. лет (4,51-4,48 млрд. л.н.), состояла из газов протопланетного облака – преимущественно из водорода (~95 %), гелия (~5 %), метана (от 0,83 до 0,75 %). Отсутствие магнитного поля у ранней Земли позволяло солнечному ветру (потоку частиц от Солнца) уносить в космос легкий водород и гелий. На смену этим компонентам первичной атмосферы поступали пары воды и другие газы из дегазируемой мантии и из испаряющихся космических веществ, падавших на Землю. Прежде всего, за счет активной вулканической деятельности поступили из недр огромные объемы водяного пара и других газов. Эти летучие соединения выделились из первичного вещества планеты, в котором они находились в связанном состоянии: вода в основном в гидросиликатах, углекислый газ в карбонатах, азот в нитридах и нитратах и т. д. Поверхность планеты продолжала охлаждаться до 700°C. В результате 4,48 млрд. л.н. произошла смена воздушной геосферы – сформировалась вторая – Палеокатархейская углекисло-водяная атмосфера. Вторая атмосфере состояла сначала из одного водяного пара, а затем с добавлением нарастающей доли углекислого газа (до 44 %), и немного других веществ: водорода (7 %), азота (6 %), аммония (3 %), гелия (2,4 %), метана (0,8 %), аммиака, сероводорода, хлористого водорода и некоторых других газообразных веществ. Вторая атмосфера просуществовала также около 30 млн. лет (до 4,45 млрд. л.н.). Этот этап тепловой истории Земли можно назвать «Расплавленная Земля», к концу, которого средняя температура поверхности уменьшилась до 500°C. Скорость вращения Земли вокруг своей оси значительно превышала нынешнюю, поэтому длина суток равнялась 4 часам 8 минутам.

Начало образования второй атмосферы (около 4,48 млрд. л.н.) коррелируется с завершением первичного распределения твердого вещества земного шара на сферические оболочки. Современная степень изученности Земли позволяет представлять нынешнюю нашу планету в виде сложной динамической системы, заключенной в толстостенный шар радиусом 6371 км. Массивная твердая оболочка шара (представленная корой и мантией) толщиной около 3000 км окружает полость, заполненную относительно жидким (вязким) веществом внешнего ядра. В центре этого жидкого слоя плавает небольшое твердое внутреннее ядро. От поверхности планеты к центру возрастают давление (до 3,61011 Па), плотность (до 12,8–13 г/см3) и температура (до ~6000 °C). Вращение такой сложной системы характеризуется разными скоростями обращения твердой оболочки и ядра.

Концентрация вещества планеты по плотности началась с обособления земного ядра радиусом ~3,4 тыс. км. Тяжелые металлы (преимущественно железо и его минералы, а также никель) погрузились в центр, формируя внутреннее суперплотное ядро радиусом ~1,2 тыс. км и внешний жидкий слой железо-никелевого ядра толщиной ~ 2,2 тыс. км. Внутреннее, центральное ядро в форме шара расположено на глубинах от 5150 до 6371 км. Элементный состав этой части земного шара представлен в основном железом (около 90 %) и никелем, кроме того, присутствуют минералы серы, кислорода и ряда других элементов. Внутреннее ядро проявляет себя в геофизических полях как неоднородное тело: наружная оболочка включает огромные, протяженные кристаллы (длиной около 10 км.), ориентированные с юга на север, а центральная часть ядра заполнена кристаллами, вытянутыми с запада на восток. Однако прежде вещество как внешнего, так и внутреннего ядра было жидким. Постепенное охлаждение недр Земли со скоростью около 100 °C за миллиард лет привело к затвердению внутреннего ядра. По одним оценкам твердое ядро сформировалось к рубежу около 1,24 млрд. л.н. (к концу эктазия), по другим – около 550 миллионов л.н. (к концу венда).

Сохранение к настоящему времени довольно высокой температуры во внутреннем ядре может быть объяснено, в какой-то степени радиоактивным распадом изотопов урана, тория и возможно некоторых других элементов. Хотя этот источник тепла не может быть основным по причине ничтожно малого содержания радиоактивных элементов в ядре по сравнению с земной корой. В земной коре эти, очень тяжелые долгоживущие радиоактивные элементы оказались потому, что их соединения с легкими элементами имеют малую плотность. Благодаря весьма высокому давлению вещество в ядре не кипит, несмотря на огромную температуру. Считается, что внутреннее ядро постепенно увеличивается в размерах за счет охлаждения и затвердевания переходной зоны от жидкого ядра.

Внешний слой железо-никелевого ядра (слой E), или, иначе говоря, внешнее ядро, представляет собой жидкую оболочку, которая обволакивает внутреннее твердое ядро. Состав внешнего ядра представлен в основном железом, его оксидами, никелем, в небольшой пропорции – кремнием, серой и другими примесями. Жидкое его состояние объясняется тем, что меньшее давление при высокой температуре в этом слое не обеспечивает затвердение раскаленного металла. Сохранение до настоящего времени на нашей планете жидкого состояния вещества во внешнем ядре является важным её отличием от других планет земного типа Солнечной системы. Наличие твердого ядра (слоя G) в жидкой оболочке представляется одной из тех важных особенностей планетного направления эволюции природы, которое связано с Земной развилкой. Конвекция вещества во внешнем ядре, которая подобна бушующему морю жидкого металла, порождает земной магнетизм. Появление и эволюция жизни на нашей планете во многом обязаны наличию геомагнитного поля, генерация которого связана с присутствием именно пары – внутреннее твердое ядро в жидком слое внешнего ядра, что является своеобразной динамо-машиной. Магнитосфера вокруг Земли защищает все живое от губительного воздействия заряженных частиц космоса и солнечного ветра, о чем описано выше, в разделах: Ранняя магнитная развилка и Поздняя магнитная развилка эволюции Земли.

Исследования показали, что внутреннее ядро и внешний слой вращаются в разные стороны. Внешнее жидкое ядро вращается вокруг своей оси с востока на запад, а внутреннее – с запада на восток. Интересно, что скорость вращения внутреннего ядра немного превышает скорость обращения в целом планеты. Центр Земли является мотором, который обеспечивает активность всех систем планеты, включая биосферу. Например, на Марсе всё ядро уже отвердело и там прекращена глобальная тектоника, отсутствует магнитное поле, способное защитить живые организмы. Эта планета лишилась внутренней энергии, она стала «мертвой», не способной к рождению и эволюции жизни.

Обособление земного ядра не означало прекращение его подпитывания новыми порциями тяжелого вещества, источником которого была и остается мощнейшая оболочка – двухслойная мантия, перекрывающая ядро. В мантии собрано две трети планетного объема, в то время как на ядро приходится одна треть. Мантия состоит в основном из соединений кремния, магния, кислорода, железа, кальция и алюминия. Её состав до сих пор остаётся очень близким к первичному веществу Земли, несмотря на продолжающиеся более 4 млрд. лет активные процессы химико-плотностной дифференциации. За счет такой дифференциации происходит вещественное обеднение мантии. Постепенно тяжелые соединения перемещаются из мантии к центру – в ядро. Легкие элементы и их минеральные комплексы всплывают в верхние слои планеты, формируя и обновляя литосферу, гидросферу и атмосферу. В результате в мантии теперь отсутствуют тяжелые железо, никель, а также соединение железа и серы – сульфид железа. А также произошло обеднение состава первичного вещества мантии легкими веществами (азотом, водородом, оксидами калия и натрия и др.). Зато за счет химико-плотностной дифференциации мантия обогатилась окислами кремния (SiO2) и магния (MgO). Первичное вещество Земли содержало 57 % этих двух окислов, а современная мантия – 83 %.

Мантия перекрыта корой, подошва которой называется границей Мохоровичича (сокращено, Мохо). Переход от коры к мантии отражается резким возрастанием плотности горных пород, который прослеживается на глубинах от 7 км (под океанами) до 70 км (под горными массивами). Мантия разделена на две части: верхнюю мантию и нижнюю. Верхняя мантия имеет толщину ~ 980 км, нижняя – 1920 км.

В верхней мантии самый верхний слой (волновод Гутенберга) имеет твердую кристаллическую структуру, не отличающуюся от вышележащей коры. Поэтому этот слой мантии совместно с корой образуют литосферу. Литосфера подстилается пластичной оболочкой мантии – астеносферой. Кровля астеносферы характеризуется фазовым переходом от кристаллических пород к пачке частично расплавленных пород, совпадающим с изотермой 1200–1300 °С. Она простирается на разных глубинах: от минимальных в зонах срединно-океанических хребтов под океанами (50 км) до максимальных (~ 200 км) под материками. Толщина астеносферы ~ 150–200 км и более. Нижняя граница нерезкая, приблизительно совпадает с изотермой 1500–1600 °С. Повышение температуры или снижение давления приводит к увеличению расплава в астеносфере и к образованию магматических камер, питающих магматизм. Астеносфера образует сплошную оболочку с изменяющейся по латерали вязкостью-пластичностью. Предельная глубина самых глубокофокусных землетрясений соответствует подошве глубокозалегающей астеносферы, до ~ 650 км, что указывает на определенную роль астеносферы в происхождении всех землетрясений. В астеносфере реализуется наиболее активная мантийная конвекция, движущая литосферные плиты. В астеносфере зарождаются все тектонические процессы, которые происходят в литосфере. Поэтому астеносфера в совокупности с литосферой называется тектоносферой.

Астеносфера состоит из 5–6 слоев, представленных чередованием твердых и расплавленных ультраосновных пород (дунитов, перидотитов и др., состоящих в основном из цветных минералов – оливина, пироксенов; бедных кремнием – SiO2; обогащенных магнием). В целом состав астеносферы представлен минералами: оливином 57 %, пироксеном 29 %, гранатом 23 %. Плавление пород при огромных температурах и давлениях на таких глубинах возможно только в присутствии воды. Откуда вода там? Дело в том, что находящийся там минерал роговая обманка имеет в своем составе связанную воду, которая при тех температурах приобретает свободную форму. Эта вода способна обеспечить частичное плавление пород астеносферы.

Вещество астеносферы не обладает пределом прочности, в отличие от литосферы, поэтому оно может деформироваться (течь) под действием даже очень малых избыточных давлений. Конвективное течение вещества астеносферного слоя увлекало за собой литосферу, расколов ее на ряд крупных и множество мелких плит. Под воздействием поднимающихся по разломам раскаленных магматических масс из мантии происходило раздвижение (спрединг) плит в океанах и наращивание новых участков океанической коры. Такие зоны называются срединно-океаническими хребтами. От этих зон литосферные плиты медленно раздвигаются. В зонах столкновения одна плита поддвигается под другую (субдукция), возникает глубокий океанический желоб. Рядом возникает цепь вулканов и гряда высоких гор (например, Гималаи поднялись 45 млн. л.н. в процессе столкновения Индийской и Евразийской плит). В океанических желобах литосферные плиты погружаются в земные недра с температурами более 500 °С, где происходит переплавление погрузившихся пород. Проникшие в мантию горные породы снова изливаются на поверхность в виде раскалённой магмы в зонах раздвижения плит. Такой механизм постоянной переработки вещества планеты за счет горизонтального перемещения литосферных плит способствует продолжению дифференциации вещества по плотности и формированию все более сложных минеральных форм. Астеносфера является основным источником эндогенных процессов в земной коре (магматизма, метаморфизма).

Под тектоносферой, между верхней и нижней мантией на глубине ~ 400 км существует следующий фазовый переход (слой Голицына [17] , слой C, переходная зона толщиной 600 км), обусловленный увеличением давления с глубиной без изменения химического состава. На этой границе минералы граната и шпинели приобретают более плотную структуру перовскита и ильменита (FeTiO2, примеси: магний, марганец), характерную минералам нижней мантии. Распространяется нижняя мантия до глубин около 2900 км. Толщина её достигает 2230 км. Температура составляет до 2000 °С.