Этапы эволюционного развития Земли Образование основных оболочек Земли

Земля возникла путем сгущения преимущественно высокотемпературной фракции со значительным количеством металлического железа, а оставшийся околоземной материал, в котором железо окислилось и перешло в состав силикатов, вероятно, пошел на построение Луны.

Ранние стадии развития Земли не фиксированы в каменной геологической летописи, по которой геологические науки успешно восстанавливают её историю. Даже самые древние горные породы (их возраст отмечается громадной цифрой — 3,9 млрд. лет) являются продуктом значительно более поздних событий, наступивших после формирования самой планеты.

Ранние стадии существования нашей планеты знаменовались процессом её общепланетарной интеграции (аккумуляции) и последующей дифференциации, которые привели к образованию центрального ядра и обволакивающей его первичной силикатной мантии. Образование алюмосиликатной коры океанического и континентального типов относится к более поздним событиям, связанным с физико-химическими процессами в самой мантии.

Земля как первичная планета образовалась при температурах ниже точки плавления её материала 5-4,6 млрд. лет назад. Земля возникла путем аккумуляции как химически относительно однородный шар. Она представляла собой сравнительно однородную смесь частиц железа, силикатов, меньше сульфидов, распределенных по всему объему довольно равномерно.

Большая часть её массы образовалась при температуре ниже температуры конденсации высокотемпературной фракции (металлической, силикатной), т. е. ниже 800° К. В целом завершение формирования Земли не могло происходить ниже 320° К, что диктовалось расстоянием от Солнца. Удары частиц в процессе аккумуляции могли поднять температуру рождающейся Земли, но количественная оценка энергии этого процесса не может быть произведена достаточно надежно.

С начала формирования молодой Земли отмечался её радиоактивный нагрев, вызванный распадом быстро вымирающих радиоактивных ядер, включая некоторое количество трансурановых, сохранившихся от эпохи ядерного синтеза, и распадом ныне сохранившихся радиоизотопов и.

В общей радиогенной атомной энергии в ранние эпохи существования Земли было достаточно для того, чтобы её материал местами стал плавиться с последующей дегазацией и подъемом легких компонентов в верхние горизонты.

При относительно однородном размещении радиоактивных элементов с равномерным распределением радиогенного тепла по всему объему Земли максимальный рост температур происходил в её центре с последующим выравниванием по периферии. Однако в центральных областях Земли давление было слишком высоким для плавления. Плавление в результате радиоактивного нагрева началось на некоторых критических глубинах, где температура превысила точку плавления какой-то части первичного материала Земли. При этом железный материал с примесью серы начал плавиться скорее, чем чисто железный или силикатный.

Все это произошло геологически довольно быстро, поскольку огромные массы расплавленного железа не могли находиться долго в неустойчивом состоянии в верхних частях Земли. В конце концов, все жидкое железо стекло в центральные области Земли, образовав металлическое ядро. Внутренняя часть его перешла в твердую плотную фазу под влиянием высокого давления, сформировав маленькое ядро глубже 5000 км.

Асимметричный процесс дифференциации материала планеты начался 4,5 млрд. лет тому назад, который привел к появлению континентального и океанического полушарий (сегментов). Не исключено, что полушарие современного Тихого океана было тем сегментом, в который массы железа погружались к центру, а в противоположном полушарии воздымались с поднятием силикатного материала и последующим выплавлением более легких алюмосиликатных масс и летучих компонентов. В легкоплавких фракциях материала мантии сосредоточились наиболее типичные литофильные элементы, поступившие вместе с газами и парами воды на поверхность первичной Земли. Большая часть силикатов при завершении планетарной дифференциации образовала мощную мантию планеты, а продукты её выплавления дали начало развитию алюмосиликатной коры, первичного океана и первичной атмосферы, насыщенной СО₂.

А. П. Виноградов (1971) на основании анализа металлических фаз метеоритного вещества считает, что твердый железоникелевый сплав возник независимо и непосредственно из паровой фазы протопланетного облака и конденсировался при 1500° С. Железоникелевый сплав метеоритов, по мнению ученого, имеет первичный характер и соответствующим образом характеризует металлическую фазу земных планет. Железоникелевые сплавы довольно высокой плотности, как полагает Виноградов, возникли в протопланетном облаке, спекались благодаря большой теплопроводности в отдельные куски, которые падали к центру газово-пылевого облака, продолжая непрерывно конденсационный рост. Только масса железоникелевого сплава, независимо конденсировавшаяся из протопланетного облака, могла образовать ядра планет земного типа.

Высокая активность первичного Солнца создавала в окружающем пространстве магнитное поле, способствовавшее намагничиванию ферромагнитных веществ. К числу их относятся металлическое железо, кобальт, никель, отчасти сернистое железо. Точка Кюри – температура, ниже которой вещества приобретают магнитные свойства, – для железа равна 1043° К, для кобальта – 1393° К, для никеля – 630° К и для сернистого железа (пирротина, близкого к троилиту) – 598° К. Поскольку магнитные силы для мелких частиц на много порядков превосходят гравитационные силы притяжения, зависящие от масс, то аккумуляция частиц железа из охлаждающейся солнечной туманности могла начаться при температурах ниже 1000° К в виде крупных сгущений и была во много раз эффективнее, чем аккумуляция силикатных частиц при прочих равных условиях. Сернистое железо ниже 580° К также могло аккумулироваться под влиянием магнитных сил вслед за железом, кобальтом и никелем.

Основной мотив зонального строения нашей планеты был связан с ходом последовательной аккумуляции частиц разного состава – сначала сильно ферромагнитных, затем слабоферромагнитных и, в конце концов, силикатных и других частиц, накопление которых диктовалось уже преимущественно силами гравитации выросших массивных металлических масс.

Таким образом, основной причиной зонального строения и состава земной коры явился быстрый радиогенный нагрев, определивший повышение его температуры и способствовавший в дальнейшем локальному плавлению материала, развитию химической дифференциации и ферромагнитных свойств под влиянием солнечной энергии.

Стадия газово-пылевого облака и образования Земли как сгущения в этом облаке. Атмосфера содержала Н и Не, происходила диссипация этих газов.

В процессе постепенного разогрева протопланеты происходило восстановление окислов железа и силикатов, внутренние части протопланеты обогащались металлическим железом. В атмосферу выделялись различные газы. Образование газов происходило за счет радиоактивных, радиохимических и химических процессов. В атмосферу выделялись первоначально главным образом инертные газы: Ne (неон), Ns (нильсборий), СО₂ (окись углерода), Н₂ (водород), Не (гелий), Аг (аргон), Кг (криптон), Хе (ксенон). В атмосфере создавалась восстановительная обстановка. Возможно, шло и некоторое образование NH₃ (аммиак) за счет синтеза. Затем в атмосферу помимо указанных начали поступать кислые дымы – СО₂, H₂S, HF, SO₂. Происходила диссоциация водорода и гелия. Выделение водяных паров и образование гидросферы обусловливали снижение концентраций хорошо растворимых и химически активных газов (CO₂, H₂S, NH₃). Состав атмосферы соответственно изменялся.

Через вулканы и другими путями продолжалось выделение из магмы и магматических пород водяных паров, СО₂, СО, NH₃, NO₂, SO₂. Происходило также выделение Н₂, О₂, Не, Аг, Ne, Kr, Xe за счет радиохимических процессов и превращений радиоактивных элементов. В атмосфере постепенно накоплялись СО₂ и N₂. Появилась небольшая концентрация О₂ в атмосфере, но присутствовали в ней также СН₄, H₂ и СО (из вулканов). Кислород окислял эти газы. По мере остывания Земли водород и инертные газы поглощались атмосферой, удерживались земным притяжением и геомагнитным полем, как и другие газы первичной атмосферы. Вторичная атмосфера содержала в себе некоторый остаток водорода, воду, аммиак, сероводород и носила резко восстановительный характер.

При образовании прото-Земли, вся вода была в различной форме связанной с веществом протопланеты. По мере того как из холодной протопланеты формировалась Земля и постепенно повышалась её температура, вода все более входила в состав силикатного магматического раствора. Часть её при этом испарялась из магмы в атмосферу, а затем и диссипировала. По мере охлаждения Земли диссипация водяных паров ослабевала, а затем практически прекратилась совсем. Атмосфера Земли стала обогащаться содержанием водяных, паров. Однако атмосферные осадки и возникновение водоемов на поверхности Земли стали возможны лишь значительно позднее, когда температура на поверхности Земли стала ниже 100°С. Снижение температуры на поверхности Земли до величины менее чем 100°С было, несомненно, скачком в истории гидросферы Земли. До этого момента вода в земной коре находилась лишь в химически и физически связанном состоянии, составляя вместе с породами единое неделимое целое. Вода находилась в виде газа или горячего пара в атмосфере. По мере того как температура поверхности Земли становилась ниже 100°С, на её поверхность стали образовывались довольно обширные неглубокие водоемы, в результате выпадения обильных дождей. С этого времени на поверхности стали формироваться моря, а затем и первичный океан. В породах Земли, наряду со связанной водой застывающей магмой и возникших магматических пород появляется свободная капельножидкая вода.

Охлаждение Земли способствовало возникновению подземных вод, которые значительно различались по химическому составу между собой и поверхностными водами первичных морей. Земная атмосфера, возникшая при охлаждении начального горячего вещества из легколетучих материалов, паров и газов, стала основой для образования атмосферы и воды в океанах. Возникновение воды на земной поверхности способствовало процессу возникновения атмосферной циркуляции воздушных масс между морем и сушей. Неравномерное распределение по земной поверхности солнечной энергии стало причиной атмосферной циркуляции между полюсами и экватором.

В земной коре формировались все существующие элементы. Восемь из них – кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий и магний – составили по весу и числу атомов более 99 % земной коры, а на долю всех остальных пришлось менее 1 %. Главная масса элементов рассеяна в земной коре и лишь небольшая часть их образовала скопления в виде месторождений полезных ископаемых. На месторождениях элементы обычно не встречаются в чистом виде. Они образуют природные химические соединения – минералы. Лишь не многие – сера, золото и платина – могут накапливаться в чистом самородном виде.

Горная порода, это материал, из которого построены участки земной коры с более или менее постоянным составом и строением, состоящий из скопления нескольких минералов. Основным, породообразующим процессом в литосфере, является вулканизм (рис. 6.1.2). На большой глубине магма находится в условиях высокого давления и температуры. Магма (греч. «густая грязь») состоит из ряда химических элементов или простых соединений.

Рис. 6.1.2. Извержение вулкана

При падении давления и температуры химические элементы и их соединения постепенно «упорядочиваются», формируя прообразы будущих минералов. Как только температура понизится на столько, что начнется затвердевание, из магмы начинают выделяться минералы. Это выделение сопровождается процессом кристаллизации. В качестве примера кристаллизации приведем формирование кристалла поваренной соли NaCl (рис. 6.1.3).

Рис.6.1.3. Структура кристалла поваренной соли (хлористого натрия). (Маленькие шары – атомы натрия, большие – атомы хлора.)

Химическая формула свидетельствует, что вещество построено из одинакового числа атомов натрия и хлора. Атомов хлористого натрия в природе нет. Вещество хлористого натрия построено из молекул натрий хлор. Кристаллы каменной соли состоят из чередующихся вдоль осей куба атомов натрия и хлора. При кристаллизации, благодаря электромагнитным силам каждый из атомов в структуре кристалла стремится занять свое место.

Кристаллизация магмы происходила в прошлом и происходит сейчас при извержении вулканов в различных природных условиях. Когда магма затвердевает на глубине, тогда процесс её охлаждения идет медленно, возникают зернистые хорошо раскристаллизованные породы, которые называют глубинными. К ним относятся граниты, диариты, габбро, сияниты и перидотиты. Часто под влиянием активных внутренних сил Земли магма изливается на поверхность. На поверхности лава охлаждается гораздо быстрее, чем на глубине, поэтому условия для образования кристаллов менее благоприятны. Кристаллы менее прочные и быстро превращаются в метаморфические, рыхлые и осадочные породы.

В природе нет минералов и горных пород существующих вечно. Любая горная порода когда-то возникла и когда-нибудь её существованию приходит конец. Она не исчезает бесследно, а превращается в другую горную породу. Так, при разрушении гранита его частицы дают начало слоям песка и глины. Песок, будучи погружен в недра, может превратиться в песчаник и кварцит, а при более высоком давлении и температуре дать начало граниту.

В мире минералов и горных пород идет своя особая «жизнь». Есть минералы близнецы. Например, если обнаружен минерал «свинцовый блеск», то рядом с ним всегда окажется минерал «цинковая обманка». Такими же близнецами являются золото и кварц, киноварь и антимонит.

Есть минералы «враги» – кварц и нефелин. Кварц по составу соответствует кремнезему, нефелин – алюмосиликату натрия. И хотя кварц очень широко распространен в природе и входит в состав многих пород, но он не «терпит» нефелина и некогда в месте с ним не встречается. Секрет антагонизма связан с тем, то нефелин недонасыщен кремнеземом.

В мире минералов известны случаи, когда один минерал оказывается агрессивным и развивается за счет другого, при изменении условий среды.

Минерал, попадая в иные условия, иногда оказывается недоустойчивым, и замещается другим минералом с сохранением первоначальной формы. Такие превращения часто происходят с пиритом, по составу соответствующим двусернистому железу. Обычно он образует кубические кристаллы золотистого цвета с сильным металлическим блеском. Под влиянием кислорода воздуха пирит разлагается в бурый железняк. Бурый железняк не образует кристаллов, но, возникая на месте пирита, сохраняет форму его кристалла.

Такие минералы шутливо называют «обманщиками». Научное их название – псевдоморфозы, или ложные кристаллы; форма их не характерна для слагающего минерала.

Псевдоморфозы свидетельствуют о сложных взаимоотношениях между разными минералами. Не всегда просты отношения и между кристаллами одного минерала. В геологических музеях вы, наверно, не раз восхищались красивыми сростками кристаллов. Такие сростки называются друзами, или горными щетками. На месторождениях минералов они являются объектами азартной «охоты» любителей камня – и начинающих, и опытных минералогов (рис. 6.1.4).

Друзы очень красивы, поэтому вполне понятен такой интерес к ним. Но дело не только во внешней привлекательности. Давайте посмотрим, как образуются эти щетки кристаллов, выясним, почему кристаллы своей вытянутостью всегда располагаются более или менее перпендикулярно к поверхности нарастания, почему в друзах нет или почти не бывает кристаллов, которые лежали бы плашмя или росли косо. Казалось бы, при образовании «зародыша» кристалла он должен лечь на поверхность нарастания, а не становиться на ней вертикально.

Рис. 6.1.4. Схема геометрического отбора растущих кристаллов при образовании друзы (по Д. П. Григорьеву).

Все эти вопросы хорошо объясняет теория геометрического отбора кристаллов известного минералога — профессора Ленинградского горного института Д. П. Григорьева. Он доказал, что на образование друз кристаллов влияет ряд причин, но в любом случае растущие кристаллы взаимодействуют друг с другом. Одни из них оказываются «слабее», поэтому их рост вскоре прекращается. Более «сильные» продолжают расти, и чтобы их не «стесняли» соседи, они тянутся вверх.

Каков же механизм образования горных щеток? Каким путем многочисленные разноориентированные «зародыши» превращаются в небольшое число крупных кристаллов, расположенных более или менее перпендикулярно к поверхности нарастания? Ответ на этот вопрос можно получить, если внимательно рассмотреть строение друзы, состоящей из зонально окрашенных кристаллов, то есть таких, в которых изменения окраски выдают следы роста.

Присмотримся к продольному разрезу друзы. На неровной поверхности нарастания виден ряд зародышей кристаллов. Естественно, что удлинения их соответствуют направлению наибольшего роста. Вначале все зародыши, независимо от ориентировки, росли с одинаковой скоростью в направлении вытянутости кристаллов. Но вот кристаллы начали соприкасаться. Наклоненные быстро оказались стиснутыми своими вертикально растущими соседями, для них не оставалось свободного пространства. Поэтому из массы разноориентированных мелких кристаллов «выживали» только те, которые были расположены перпендикулярно или почти перпендикулярно к поверхности нарастания. За сверкающими холодным блеском друзами кристаллов, хранящихся в витринах музеев, скрывается долгая, полная коллизий жизнь...

Еще одно замечательное минералогическое явление – кристалл горного хрусталя с пучками включений минерала рутила. Большой ценитель камня А. А. Малахов говорил, что «когда поворачиваешь этот камень в руках, кажется, что заглядываешь на морское дно сквозь глубины, пронизанные солнечными нитями». Такой камень на Урале называют «волосатиком», а в минералогической литературе он известен под пышным именем «Волос Венеры».

Процесс формирования кристаллов начинается на некотором удалении от очага огненной магмы, когда в трещины горных пород попадают горячие водные растворы с кремнием и титаном. В случае понижения температур раствор оказывается пересыщенным, из него одновременно выпадают кристаллы кремнезема (горный хрусталь) и окиси титана (рутил). Этим и объясняется пронизывание горного хрусталя иглами рутила. Минералы кристаллизуются в определенной последовательности. Иногда они выделяются одновременно, как при образовании «Волос Венеры».

В недрах Земли и в настоящее время идет колоссальная разрушительная и созидательная работа. В цепях бесконечных реакций рождаются новые вещества – элементы, минералы, горные породы. Магма мантии устремляется из неведомых глубин в тонкую оболочку земной коры, прорывает её, стремясь найти выход на поверхность планеты. Волны электромагнитных колебаний, потоки нейронов, радиоактивные излучения струятся из земных недр. Именно они стали одними из главных в зарождении и развитии жизни на Земле.