Эволюция Земли, ландшафтной оболочки, климата и биосферы

Наша планета образовалась из протопланетного газопылевого облака 4,5 млрд лет назад. В процессе своего развития Земля остывала, формировалась кора, океаны, атмосфера, изменялись конвективные режимы в мантии. Менялись очертания суши – тектоника плит приводила к образованию и распаду суперконтинентов. Установить особенности этих процессов оказалось возможным с помощью современных методов геологических исследований – анализа химического состава пород, их радиоизотопного датирования. Оказалось, что следствием непрерывного экспоненциального остывания планеты стали глобальные геологические процессы с четкой периодичностью: по крайней мере четыре известных на сегодня древних суперконтинента возникали через практически равные промежутки времени.

Развитие нашей планеты – от планетного зародыша, сформировавшегося из окружавшего Солнце газопылевого облака, до ее современного состояния – прошло ряд важных стадий. Основным фактором, влияющим на изменение внутреннего и внешнего облика Земли, является ее непрерывное остывание после формирования ее 99,9 % массы, а также ступенчато-прогрессивное окисление ее поверхности и приповерхностных оболочек (земной коры, гидросферы, атмосферы). Информацию об этих изменениях можно получить путем сравнения эндогенных и приповерхностных процессов и явлений, а также анализа геологических данных, включающих содержание различных элементов в коре и ядре, радио­изотопный состав пород, результаты палеомагнитных исследований.

Реконструкция исторической картины происходивших с нашей планетой изменений, позволяет лучше понять ее современное состояние, оценить перспективы развития. Эти познания имеют для человечества значение, которое трудно переоценить.

От Пангеи до Пангеи

Современные астрофизические данные говорят о том, что формирование Земли происходило по механизму горячей аккреции. В результате нагрева от падающих планетных зародышей и распада короткоживущих изотопов молодая планета была горячей, разогретой до достаточно высоких температур. В процессе эволюции Земля остывала – уменьшался средний тепловой поток и средняя температура мантии. Современная температура на границе верхней и нижней мантий составляет 2000—2100 °С, а в конце архея — начале протерозоя (2,6—2,7 млрд. лет назад) достигала 2400 °С. Затем это тепло рассеивалось в виде излучения в окружающее космическое пространство, запас тепловой энергии в недрах уменьшался.

Конвекционные процессы в мантии Земли приводят в движение литосферные плиты. Благодаря этому с определенной периодичностью происходит сборка и распад суперконтинентов. На рисунке приведена схематическая карта последнего из суперконтинентов – Пангеи.

Данные о температуре и тепловом потоке из мантии позволяют оценить интенсивность конвекции в нижней мантии. Происходившие при остывании Земли изменения теплового потока даже при практически постоянном температурном перепаде между верхней и нижней мантиями, по современным оценкам, могут приводить к существенным, на 2—3 порядка, изменениям вязкости магмы и числа Рэлея, характеризующего конвективные процессы. В архее из-за высоких значений теплового потока конвекция в нижней мантии была гораздо более интенсивной и близка к конвекции в современной астеносфере, восходящие потоки могли затрагивать и всю мантию в целом, и приводить к общемантийной конвекции, а в итоге – к «тектонике малых плит».

РОЖДЕНИЕ ПЛАНЕТ

Планеты Солнечной системы образовались из газопылевого протопланетного диска, окружавшего Солнце. Механизм зарождения крупных объектов из газопылевого облака называется аккрецией, он изучен пока -недостаточно. В течение первых сотен тысяч лет благодаря гравитационным взаимодействиям и столкно­вениям частиц облака сформировались объекты размерами до 10 км. Моделирование этих процессов при помощи систем многих тел показывает, что есть определенный размер планетных зародышей (планете­зималей), после превышения которого их размеры начинают быстро расти. Это происходит из-за того, что наиболее крупные объекты теряют кинетическую энергию за счет внутреннего трения во взаимном гравитационном взаимодействии, а траектории более мелких фокусируются на них. Такой механизм роста зародышей планет называется олигархическим, и этот процесс, по оценкам специалистов, длился несколько миллионов лет. После завершения фазы олигархического­ роста сформировалось несколько десятков объектов с массами порядка нескольких процентов от массы Земли. В дальнейшем скорость их роста уменьшалась экспоненциально и финальная стадия аккреции была достаточно медленной, ее характерное время для Земли составляло десятки миллионов лет. Эта стадия сопровождалась как вылетом зародышей за пределы Солнечной системы в результате рассеяния на крупных телах, так и серией мощных аккреционных столкновений с все более увеличивающимися в размерах объектами (Wood, 2011)

Изменения в режимах конвекции, и соответственно, в тектонике плит, приводили к сборке и распаду суперконтинентов. Этот процесс имел периодический характер. Наиболее крупный цикл (600—700 млн лет) можно установить прежде всего по периодам от «Пангеи до Пангеи» и максимумам изотопных датировок геологических пород. Достоверно установлена пермская Пангея IV, «собирание» которой достигло максимума в конце девона — начале карбона, 360 млн лет назад.

Распад Пангеи IV начался в триасе около 230 млн лет назад. Cуперконтинент III – Родиния – существовал в интервале 1100—920 млн лет. Предшествующий супер­континент II, называемый Карелий (или Колумбий), существовал около 1800—1650 млн лет. Доказательство существования Суперконтинента I пока еще весьма проблематично, интервал между ярко выраженными максимумами 2680 и 1880 млн лет равен 800 млн лет. Таким образом, оценки варьируют от 690 (645) до 800 млн лет, условно можно принять интервал от Пангеи до Пангеи 700 млн лет.

Данные по химическому составу род, содержащих повышенное количество выносимых из глубины планеты элементов, доказывают, что формирование суперконтинентов проходило вследствие конвективных процессов в мантии. Кривые содержания изотопов стронция в карбо­натных осадках, калиевости гранитов и аркозовых песчаников показывают возрастание их количества в интервале от 3000 до 2000—1700 млн лет и периодические колебания в дальнейшем. Главные максимумы отношений ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr и К₂O/Na₂O, как и максимумы изотопных датировок основных пород, формирующих кору, коррелируют со временем существования суперконтинентов (Condie, 2005).

Непрерывное остывание Земли приводило к перестройке режимов конвекции в мантии. Удивительно то, что приблизительно экспоненциальное падение теплового потока из недр имело следствием хорошо прослеживающуюся периодичность формирования супер­континентов, а следовательно, изменения в конвекции при этом носили так же периодический характер.

Сначала Земля была без Луны…

История Земли как планеты началась 4,55—4,44 млрд лет назад. Длительность первоначального роста и выделения железного ядра решающим образом зависела от динамической вязкости мантии, которая могла изменяться во время аккреции на два-три порядка. Поэтому оценки длительности этого этапа отличаются также на два порядка – от 10 млн лет до 1 млрд лет. Уточнить временные рамки позволили измерения содержания элементов гафния и вольфрама в земных и лунных породах, из которых следует, что земное ядро формировалось практически одновременно с ростом планеты, а именно – в первые 30—50 млн лет ее существования.

Истории образования Земли и ее состояния после аккреции сильно зависит от механизма формирования Луны. Согласно гипотезе мегаимпакта, Луна образовалась примерно 4,48 млрд лет назад в результате удара гипотетической планеты размером с Марс о практически уже сформировавшуюся Землю. К этому времени верхняя оболочка Земли представляла магматический океан глубиной 600—1000 км с тонкой, до 10 км, базальтовой корой, регулярно взламываемой метеоритами. В результате удара часть коры и мантии Земли и столк­нувшегося с ней тела были выброшены на околоземную орбиту, и из них впоследствии сформировалась Луна. Однако, по мнению некоторых исследователей, гипотеза мегаимпакта маловероятна, так как сильный удар массивного небесного тела должен был привести к эксцентриситету орбиты Земли, на порядок превышающему современный.

Так, по представлению художника Николая Ковалева, выглядела Земля в начале своей геологической истории.

Согласно другой гипотезе, Луна могла образоваться за счет серии более мелких импактов тел, размером сопоставимых с ней самой. В этой модели Земля могла обладать небольшим по мощности (< 300 км) магматическим океаном. Но и в этом случае, как и в случае одного большого удара, трудно объяснить сохранение выброшенного материала на околоземной орбите и вторичную аккрецию из него Луны.

Наконец, серьезные геохимические и космохимические обоснования имеет гипотеза одновременного образования Земли и Луны в виде двойной планеты.

Все эти три гипотезы различаются по степени возможного возмущения состояния Земли. Мегаимпакт мог привести к наибольшим возмущениям в составе мантии, высокой степени дифференциации во внутреннем строении Земли и ее температуры. Гипотеза одновременного образования Земли и Луны наоборот, предполагает невозмущенное развитие процессов внутренней эволюции обоих небесных тел.

ГАФНИЙ И ВОЛЬФРАМ – МЕТКИ ВРЕМЕНИ

Для определения времени формирования металличе­ского ядра Земли исследуют содержание радио­активного изотопа 182Hf и продукта его распада 182W в геологических породах. Оба этих элемента тугоплавки, они присутствуют в одной и той же относительной распространенности в планете перед выделением ядра. Со временем благодаря распаду гафния-182 доля вольфрама-182 возрастает относительно других устойчивых, но нерадиогенных вольфрамовых изотопов, таких как 184W. В процессе выделения железа из слагавших Землю пород растворимый в железе сидерофильный вольфрам большей частью уходит в ядро, а литофильный гафний остаётся целиком в силикатном слое. Поэтому в этом слое соотношение 182W/184W из-за радиоактивного распада гафния будет больше, чем это было в первоначальной смеси, и его количество зависит от того, сколько этого элемента еще не успело распасться на момент вымывания вольфрама из породы в ядро. Измеряя соотношение изотопов вольфрама в коре и сравнивая эти данные с содержанием их в хондритах – метеорных телах, сформировавшихся в протопланетном диске во времена, предшествующие началу образования Земли, – можно определить разницу в возрасте между хондритами и древними породами и тем самым датировать время формирования ядра (Wood, 2011)

Главным образом за счет падения комет к концу этапа аккреции была создана горячая атмосфера, состоявшая в основном из водорода и метана. В пересчете на воду ее масса могла составлять от 2 до 10 масс современной гидросферы. Но к рубежу 4,4 млрд лет ранняя атмосфера была потеряна за счет интенсивной диссипации водорода в космос, и началось ее окисление. Окисление атмосферы, поверхности Земли, а затем коры и верхней мантии продолжалось и в последующие этапы.

Хадей – юная Земля, океаны без жизни

Интервал от конца аккреции, 4,44 млрд лет, до 3,9 млрд лет носит название Хадей, или догеологическая стадия, поскольку геологическая летопись этого периода практически не сохранилась. В это время происходило наиболее интенсивное остывание планеты, исчезновение магматического океана, существовавшего в объеме, близком к верхней мантии, и разделение мантии на верхнюю и нижнюю. Начала формироваться кора, в том числе континентального типа, образовался Мировой океан на поверхности. Свидетельством существования в это время континентальной коры и океана считаются окатанные (что свидетельствует о наличии воды в жидком состоянии) цирконы с возрастом 4,0—4,2 млрд лет, а также отдельные цирконы, датируемые временем 4,4 млрд лет, выделенные из более молодых осадочных пород. В этих цирконах в некоторых случаях были найдены микровключения алмазов, для которых микроструктура и распределения тория и ванадия сходны с импактными алмазами на Луне. Этот факт говорит об их происхождении в результате интенсивной бомбардировки крупными метеоритами поверхности Земли.

В процессе эволюции планеты изменялось ее внутреннее строение. Мантия разделилась на два резервуара, различающихся режимами и характером конвекции. Оформилось ядро, в нем выделилась твердая часть; появились твердые силикатные слои – кора и антикора, а также твердый слой толщиной до 100 километров, отделяющий нижнюю мантию от жидкого ядра.

Время существования магматического океана и его глубина, как указано выше, зависит от механизма образования Луны и интенсивности метеоритной бомбардировки и колеблется в значительных пределах, но после 4,0 млрд лет наличие магматического океана маловероятно. Тем не менее, B. C. Шкодзинский (2009) считает формирование магматического океана мощно­стью до 1000 км важнейшим событием в истории Земли и допускает наличие реликтов этого океана довольно длительное время (см. статью В. С. Шкодзинского в этом выпуске журнала на стр. 12).

Алмазный рубеж

В течение архея, 3,9—2,7 млрд лет назад, остывание мантии и ядра продолжалось, из-за чего появилось внутреннее ядро Земли и заметно, в 1,5—2 раза, усилилась напряженность магнитного поля. Отражением остывания верхних оболочек явилось массовое образование алмазов — 90 % древних алмазов, выносимых кимберлитами, появилось в интервале 3,2—2,9 млрд лет. Это связано, во-первых, с утолщением литосферы и, как следствие, возрастанием давления, создаваемого в твердых недрах весом пород — к середине архея толщина литосферы (кора плюс твердая мантия) превысила мощность 100 км. До этого времени толщина литосферы была 50 км и меньше. Примерно такую же толщину имеет современная океаническая литосфера. Во-вторых, происходило заметное окисление мантии, появились карбонатиты и растворы, обогащенные СО2. Они реагировали с метаном, выделяя углерод, из которого впоследствии формировались алмазы. Таким образом, «алмазный рубеж» является важным показателем изменения теплового режима и окисления мантии.

ГЛУБОКИЙ МАГМАТИЧЕСКИЙ ОКЕАН

Существует две основных модели, описывающих различные сценарии формирования Земли и образования ее металлического ядра. Первая модель предполагает, что падавшие на Землю метеориты и планетезимали разрушались и гомогенно распределялись в земной коре. Железо и сопутствующие ему элементы затем выделялись из материала коры и мантии под воздействием высокого давления и температуры и опускались в ядро. Согласно другой модели, уже сформировавшиеся ядра бомбардирующих Землю планетных зародышей объединялись с ядром Земли, а их силикатная часть – с земной корой.

В пользу модели гомогенной аккреции говорят данные по содержанию никеля и кобальта в земной коре – наблюдающееся их соотношение возможно только в том случае, если разделение вещества на сидерофилы (сродственные железу) и литофилы (сродственные материалу коры) происходило при достаточно больших давлениях, которые могли существовать только в уже полностью сформировавшейся Земле на глубине 700 км. Эти факты позволили сформулировать модель ранней Земли, называемую моделью «глубокого магматического океана». Глубокий слой расплавленной породы возникает в результате разогрева от столкновений, и, на самых ранних стадиях, в результате распада короткоживущих радионуклидов. Прибывающие планете­зимали и планетные зародыши распадаются на составляющие части, их металлические компоненты падают через расплавленный силикат, непрерывно взаимодействуя с ним, пока не достигают глубины, на которой силикат находится в твердом состоянии. Металл накапливается на этой глубине до тех пор, пока его количество не станет достаточным, чтобы продавить твердый слой силиката. Затем металл быстро стекает в ядро огромными каплями примерно 100 км в диаметре (Wood, 2011)

В целом к концу архея сформировалось от 20 до 50 % объема континентальной коры.

От «тектоники малых плит» к «тектонике плюмов»

и суперконтинентам

Границе архея и протерозоя, отстоящей от наших дней на 2,6—2,7 млрд лет, соответствует один из главных максимумов формирования гранитов и щелочных пород, слагающих кору. Вероятно, в это же время образовался первый суперконтинент, но для установления его контуров и даже самого факта его существования не хватает геологических и палеомагнитных данных. До этого времени режим конвекции в мантии был близок к турбулентному и преобладала «тектоника малых плит». Весь архей, по мнению некоторых исследователей, режим конвекции в мантии был двуслойным, хотя, по другим оценкам, он мог быть скорее хаотичным (высокотурбулентным), но охватывал всю мантию.

В любом случае, на рубеже 2,6—2,7 млрд лет режим конвекции в мантии изменился, и это вызвало вышеописанные, а также и другие крупные последствия.

Из-за смены конвективных режимов появились супер­плюмы (восходящие потоки в мантии) и началась «тектоника плюмов». Этому соответствует первый максимум возрастов мантийных пород. Вероятно, режим двуслойной конвекции в верхней и нижней мантии, если он имел место до этого рубежа, сохранился, но он нарушался крупными струями восходящих супер­плюмов и крупными каплями плавящейся коры из зон субдукции, которые погружались до ядра. Магматические резервуары нижней и верхней мантии, по геохимическим данным, обособились вновь к 2,0—1,8 млрд лет.

Важнейшим процессом, способствовавшим появлению на Земле жизни, является субдукция, или погружение твердой земной коры обратно в мантию. При субдукции осадочный материал и водные минералы заносятся под континенты, их высота над уровнем моря растет из-за «разбухания» мантии, что создает предпосылки для формирования систем рек, делает ландшафт более неоднородным, создавая условия для формирования устойчивых экосистем. По: (Maruyama, Liou, 2005; Superplumes, 2007)

В палеопротерозойский период, 2,6—1,8 млрд лет назад, сформировался основной объем континентальной коры. В конце этого этапа в интервале 1,9—1,7 млрд лет произошли крупнейшие коллизионные процессы тектонических плит, наблюдался второй по величине максимум гранитообразования. В это время произошло формирование суперконтинента, названного «Карелий» или «Колумбий».

Следующие за этим 1,7—0,7 млрд лет назад характеризуются низкой внутренней активностью Земли. В это время произошла перестройка мантийных течений – режим конвекции в мантии изменился от общемантийного к двуслойному, снизилась активность плюмов. В этот же период произошло собирание и распад третьего суперконтинента – Родинии (от рус. «родить»).

«Мертвая Земля» породила жизнь

Специального внимания заслуживает период около 750 млн лет назад. До рубежа 1 млрд лет все извлекаемые метаморфические породы свидетельствовали о достаточно небольшом давлении, существовавшем при их формировании. Примерная глубина, на которой может наблюдаться такое давление – порядка 40—60 км. Возрастом в 750 млн лет датируются породы, для образования которых необходимо более высокое давление. Это свидетельствует об увеличении глубины их формирования, 150—200 км, или, что то же самое, о снижении температуры при той же самой глубине. Например, для глубины 100 км температура могла снизиться от 1000 до 400—600 °С.

Это возможно только в том случае, если скорость субдукции (погружения коры в мантию) заметно повысилась и достигла или превысила современную максимальную скорость субдукции (около 10 см/год).

Ускорение процессов субдукции привело к возможности «затаскивать» водные минералы в мантию в зонах субдукции, что привело к гидратации и разбуханию верхнемантийного клина под континентом, из-за чего произошел подъем континентов и понижение уровня моря. Вследствие повышения разности высот континентов и моря появились системы больших рек, выносимые ими породы расширили шельф, усилилось шельфовое осадконакопление, произошло усиление фотосинтеза и увеличение концентрации углеводородов.

Этапы ранней истории Земли – до появления организмов (Заварзин, 2010). Показано возникновение организмов из «мира РНК» или внеземное их происхождение.

Фотосинтез привел к увеличению содержания кислорода в атмосфере, возникновению озонового слоя, защищающего поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения, и на Земле создались условия для возникновения жизни на суше.

Перечисленным событиям предшествовало снижение внутренней активности Земли. Этот интервал некоторые авторы (Ш. Маруяма и др.) называют «Мертвая Земля», его особенности объясняются перестройкой конвективных течений и плюмов в мантии. Изменение мантийных течений привело к охлаждению поверхности Земли, и в интервале 750—600 млн лет проявились частые и крупные оледенения, из них, возможно, наиболее крупное – около 640 млн лет назад. Для состояния Земли в этот период применяют определение «snowball Earth» – замерзшая Земля, похожая на снежный шар. Первые гипотезы о возможности такого состояния родились из геохимических данных и палеомагнитных определений ледниковых отложений, которые в ряде случаев оказывались вблизи палеоэкватора. Здесь еще много неясностей и противоречий, поэтому приведенный сценарий глобальных оледенений – один из возможных.

Усиление субдукции в интервале 750—600 млн лет дало вспышку островодужного магматизма, сопровождавшегося масштабными извержениями вулканов, массовое, но очень изменчивое поступление СO2 в атмосферу, ее дополнительное окисление и потепление климата. Начиная с 600 млн лет и эндогенные системы, и климат, и биосфера развиваются по сценариям, сходным с современными.

Таким образом, имеющее непрерывный характер остывание и окисление Земли приводило к ряду разнообразных процессов. Менялись конвективные режимы в мантии, из-за чего собирались и распадались суперконтиненты. Росла толщина литосферы и земной коры, остывала поверхность, формировались моря и, соответственно, – осадочные породы. Кристаллизовавшаяся кора погружалась в зонах субдукции в мантию, поднимая находящиеся над ней континенты. Постепенно геологический характер планеты становился все более спокойным, снижалась средняя температура поверхности, возникли условия для жизни и эволюции живых форм.

Несмотря на то, что остывание Земли носило экспоненциальный характер, происходящие в ней тектонические и геологические процессы демонстрируют периодичность. Существует корреляция между химическим составом, возрастом пород, глубиной и температурой их образования, временем существования суперконтинентов, интенсивностью накопления осадков и рядом других показателей. Это указывает на то, что происходившие на планете процессы взаимосвязаны – геологические изменения поверхности являются следствием взаимодействия внутренних и внешних факторов, таких как активность конвекции в мантии, cолнечная активность и др. Это говорит о целостности происходящих на нашей планете явлений, о том, что Земля является единым организмом, живущим и развивающимся в своих различных аспектах согласованным образом.

Источник:

• N. L. Dobretsov. The formation and differentiation of Earth // Physics Today. December 2011. P 40—45.