Происхождение Земли

В работах школы Хаяши процесс образования планет тоже моделируется на основе идеи об их аккумуляции из твердых тел и частиц. Отличие же состоит в следующем. Японские ученые полагают, что в течение всего процесса роста Земля оставалась окруженной газом первичной туманности, который, по их мнению, улетучился значительно позднее. Они нашли, что при таких условиях и начальное состояние Земли должно быть совсем другим — вокруг нее должна была образоваться мощная (в 2000 раз массивнее современной) непрозрачная первичная атмосфера, из-за которой температура поверхности Земли на этой стадии должна была превышать 4000 К.
При этом возникают значительные трудности с последующим «удалением» такой гигантской атмосферы с помощью солнечного ветра или ультрафиолетового излучения Солнца. Японские ученые полагают, что эта первичная атмосфера была удалена в первые 500 миллионов лет жизни Земли.

Однако недавние наблюдения молодых звезд солнечного спектрального класса указывают, что необходимые интенсивности (на порядки большие современных) солнечного ветра и коротковолнового излучения присущи лишь самым ранним стадиям развития звезды — в первые десятки миллионов лет ее жизни. Образцы лунного реголита, хранящие память о первых миллиардах лет Солнечной системы, также свидетельствуют1 лишь о пятикратном увеличении мощности солнечного ветра в ту эпоху.
Таким образом, идея массивной атмосферы на Земле не поддерживается современными астрофизическими данными. Неясно также, как согласовать столь высокую температуру Земли, получающуюся в такой модели, с данными наук о Земле. Как указывают исследования, проведенные членом-корреспондентом АН СССР А. И. Ту-гариновым, вряд ли можно сомневаться в существовании водных бассейнов (хотя бы и не столь обширных, как сейчас) уже в первые сотни миллионов лет жизни Земли.

Современное состояние теории происхождения планет Солнечной системы подробно освещено в ряде последних обзоров: Происхождение Солнечной системы (М., Мир, 1976); Сафр о но в В. С. Современное состояние теории происхождения Земли (Изв. АН СССР. Сер. физика Земли, № 6, 1982); Сафронов В. С, Витя-зев А. В. Происхождение Солнечной системы (М., ВИНИТИ, 1982). В них можно найти более детальные сведения о вероятном строении первичной Земли и ранней стадии ее эволюции.
Из недавних советских публикаций, посвященных эволюции земных оболочек, необходимо отметить книгу члена-корреспондента АН СССР А. С. Монина, имеющую то же название — «История Земли» (Л., Наука, 1979), в ряде аспектов более полно описывающую систему фактов, гипотез и теорий, связанных с современными представлениями об эволюции Земли. Читатель, ознакомившийся с этими работами, увидит, что многие факты еще трактуются по-разному, ряд основных проблем пока далек от окончательного решения. До сих пор идет спор о времени возникновения ядра Земли, способе его формирования. Не вполне ясны вопросы о составе и мощности первичных атмосферы и гидросферы, их эволюции, со временем, связи коры материков, формирующейся на протяжении миллиардов лет, со значительно более молодой океанической корой.

Необходимость прогресса в разрешении этих вопросов диктуется и некоторыми практическими потребностями. Так, например, М. Озима как одно из практических следствий результатов, полученных при исследованиях океанического дна, выделил проблему захоронения радиоактивных отходов атомной энергетики. Однако хотя сама по себе это и очень важная задача, но вариант захоронения радиоактивных отходов в глубинах океана, не подвластных оперативному вмешательству человека, чреват опасностью заражения окружающей среды. Известны опыты с металлическими контейнерами, быстро разрушающимися в активной водной среде, инциденты с внезапным и неконтролируемым распространением радиоизотопов при случайной утечке.
Все это говорит против поспешных выводов и рекомендаций и еще раз напоминает о необходимости комплексного подхода к данной проблеме.

На очереди стоят и другие практические задачи, воплощение в жизнь которых вряд ли мыслимо без существенного прогресса в решении фундаментальных проблем наук о Земле. Знание движущих сил тектонических процессов будет способствовать более уверенному прогнозу, а может быть, и предотвращению землетрясений. Поиск полезных ископаемых нуждается в более полной теории эволюции верхних оболочек Земли. Без понимания общих закономерностей формирования климата сложно оценить последствия вмешательства человека в окружающий ландшафт, водную и воздушную оболочки нашей планеты.
Ввиду сложности перечисленных проблем трудно ожидать их решения уже в ближайшие годы. Без сомнения, что для эюго требуется широкое обсуждение их специалистами разных направлений и школ. Можно надеяться, что геологи, геохимики и геофизики с интересом прочтут «Историю Земли» М. Озимы. В еще большей степени книга будет полезна молодым читателям, выбирающим или осваивающим профессию в сфере наук о Земле. Перевод этой книги на русский язык — один из важных шагов в продолжении конструктивного диалога между всеми интересующимися прошлым, настоящим и будущим нашей планеты.

В первой главе гранит был назван одной из наиболее распространенных пород земной коры. Как уже указывалось, химический состав земной коры соответствует составу смеси из гранитов и базальтов, взятых в пропорции 1 :3. Но поскольку, как мы знаем, земная кора формировалась непрерывно на протяжении существования Земли, не означает ли это, что и граниты тоже непрерывно поднимались из мантии в кору?
Оказалось, что ответить на этот вопрос не так-то просто. Хотя гранит и чрезвычайно широко распространен, попытка выяснить, где образовались граниты, стала семенем, из которого взошла крайне ожесточенная и длительная дискуссия между геологами и петрографами, изучающими состав и происхождение пород Земли.
Гранит обычно содержит до 5% калия. С другой стороны, как полагают, содержание калия в мантии не превышает нескольких сотых долей процента. Если теперь представить, что граниты, как и базальты, образовались из магмы, поднимающейся к земной поверхности из мантии, то для образования магмы, содержащей 5% калия, необходимо расплавить в 500 раз больше количества мантийного вещества, чем входит в магму. Вспомним о том, как много гранитов в земной коре, и станет ясно, что количество магмы должно быть таким же огромным.

Таким образом, проблема происхождения гранитов чрезвычайно усложнилась, когда мы предположили, что они исходят из мантии. Но если допустить, что граниты образуются в процессе перекристаллизации уже сформировавшихся пород в коре, то эту проблему, вообще говоря, удается решить. Это связано с тем, что средний состав пород коры ближе всего именно к гранитам.
Однако в этом случае вступает в противоречие с действительностью модель непрерывного образования земной коры за счет вещества, поступающего из мантии, построенная по изотопным отношениям стронция и других элементов. Возникает также вопрос, что же тогда, вообще говоря, считать возрастом гранитов?
При ответе на него вновь оказалось очень полезным изотопное отношение стронция. Калия и рубидия в мантийном веществе очень мало по сравнению с веществом коры. Это в некоторой степени можно установить при анализе обломков мантийного материала, встречающихся в виде случайных примесей в вулканических породах. Используя, кроме того, результаты сопоставления с метеоритами (в обычных хондритах содержание калия составляет несколько сотых долей процента), значение теплового потока через земную поверхность и другую информацию, можно оценить содержание калия в современной мантии равным 0,01—0,03%.

Как уже говорилось, рубидий и калий принадлежат к одной и той же группе щелочных металлов и имеют весьма схожие химические свойства. Следовательно, в породах, включающих большое количество калия, содержание рубидия должно быть также велико. Однако независимо от типа пород отношение содержания калия и рубидия обычно составляет 100—500. Можно поэтому предположить, что в мантии, где по сравнению с земной корой мало калия, содержание рубидия тоже будет невысоким. Поскольку рубидий-87, распадаясь, образует стронций-87, в обогащенной рубидием коре должно, видимо, происходить более быстрое накопление стронция-87, чем в мантии. Поэтому изотопное отношение стронция в коре по сравнению с мантией должно увеличиваться гораздо быстрее. Эта ситуация наглядно изображена.
Давайте вернемся к гипотезе о вторичном происхождении гранитов. Будем согласно ей считать, что граниты образовались из вещества земной коры. Тогда изотопное отношение стронция для гранитов должно быть похоже на то, которое показано сплошной линией на горизонтальной оси отложен возраст гранитов). Изотопное отношение стронция для гранитов, имеющих мантийное происхождение, показано пунктирной линией. В последнем случае изотопное отношение стронция должно быть гораздо меньшим, чем в первом.
Изотопное отношение, существовавшее в момент образования гранита, называется изотопным отношением кристаллизации. По этим отношениям можно составить довольно четкое представление о месте возникновения гранитов. Изотопное отношение кристаллизации в этом смысле можно сравнить с записью на генеалогическом древе в родословной аристократа.

При определении изотопного отношения кристаллизации сначала измеряют существующее изотопное отношение стронция в граните. Затем, после определения возраста гранита и содержания в нем рубидия, из этого значения вычитают долю стронция, образовавшегося после возникновения гранита.
В 60-х годах, после того как появилась возможность точно определять изотопные отношения стронция, геохронологами всего мира было проведено очень большое число измерений изотопных отношений кристаллизации этого элемента. И если посмотреть на полученные к настоящему времени результаты, станет очевидно, что большей части исследованных гранитов соответствуют низкие значения изотопных отношений кристаллизации (0,703—0,706) и лишь небольшой части — высокие (0,710 и более). Таким образом, если основываться на изотопных отношениях кристаллизации, можно считать, что большая часть обнажающих на поверхности Земли гранитов поднималась непосредственно из мантии. С другой стороны, и граниты, образовавшиеся из уже существовавших пород земной коры, по-видимому, тоже не являются исключением.
Итак, было установлено, что довольно значительная часть гранитов поднялась в земную кору из мантии. Результаты изучения изотопного отношения стронция оказались совершенно несовместимыми с предположением о том, что породы современной 'земной поверхности возникли при перекристаллизации древней земной коры, образовавшейся целиком на ранних стадиях существования нашей планеты. Скорее всего, земная кора все-таки образовывалась непрерывно — на протяжении всей истории Земли.

Давайте обобщим все, что мы узнали о длившейся 4,5 миллиарда лет истории.
Как сейчас считают, Земля возникла в Солнечной системе 4,55 миллиарда лет назад. Этот возраст принят по аналогии с возрастом метеоритов, и определить его по горным породам Земли невозможно.
Химические элементы, из которых состоит Земля, образовались гораздо раньше, чем сформировалась наша планета. Оии возникли в ходе реакций нуклеосинтеза, продолжавшихся свыше 10 миллиардов лет. Полагают, что большое влияние на ход этих реакций оказал произошедший вблизи будущей Солнечной системы взрыв Сверхновой звезды. Из образовавшихся элементов вскоре сформировалась протосолнечная туманность, в которой затем началась аккумуляция вещества, приведшая к возникновению Земли.
Между завершением основного процесса нуклеосинтеза элементов и формированием Земли прошло не более 100 миллионов лет. Это установлено из того, что в Земле в момент ее возникновения присутствовал изотоп йод-129 (на присутствие этого изотопа указывает образовавшийся из него ксенон-129).
Спустя не более чем через несколько сот миллионов лет после образования Земли, то есть свыше 4 миллиардов лет назад, сформировалось ядро и почти одновременно с этим произошло крупномасштабное выделение газов из недр Земли, за счет которого сформировалась большая часть современной атмосферы и гидросферы. Это было установлено по изотопному отношению аргона земных недр, времени возникновения магнитного поля Земли и т. п.
Как следует из изотопных отношений стронция и свинца, разделение коры и мантии происходило непрерывно на протяжении почти всей истории Земли.
Активность коры докембрия еще недостаточно для нас понятна. Может ли тектоника плит, замечательно объясняющая геологические явления, начиная с мезозоя, быть применена к докембрию — это является одним из наиболее интересных и важных вопросов. Наиболее древние из известных нам пород земной коры образовались 3,7 миллиарда лет назад.
После палеозоя в течение сравнительно короткого срока, охватывающего 10% истории Земли, главными героями, видимо, стали дрейф континентов и расширение океанического дна. 200 миллионов лет назад бывший до этого единым блоком континент Пангея начал разделяться на части.
В океанической коре и осадочных породах можно проследить начинающуюся с палеозоя и доходящую до нашего времени почти непрерывную хронику земного магнетизма. Выяснилось, что, непрерывно меняя свое направление один раз в несколько сотен тысяч лет, магнитное поле Земли испытывает изменение полярности. Последняя инверсия земного магнитного поля имела место 700 тысяч лет назад.