Орленок В.В. История океанизации Земли

Подождите немного. Документ загружается.

ного вещества как в недрах, так и наземной поверхности Возникает

вопрос: что же в таком случае представляет собой это загадочное про-

топланетное вещество и какова природа и состав земных оболочек?

Если образование планет Солнечной системы происходило путем

консолидации холодного пылегазового материала, в составе которого

были и относительно крупные тела, то естественно предположить, что

выпадающие до сих пор на земную поверхность метеориты и являются

фрагментами этого небулярного облака. Однако не исключено, что не-

которые из них являются фрагментами разрушившихся позже кос-

мических тел - комет, астероидов и даже малых планет, орбиты кото-

рых на первых этапах существования Солнечной системы еще не были

упорядочены и могли пересекаться.

Большинство астероидов движется между орбитами Марса и Юпи-

тера (рис. 24). Многие из них представляют собой гигантские ка-

менные глыбы. Например, диаметр астероида Цереры, открытого в

1801 г., равен 1000 км Суммарная масса всех астероидов равна при-

мерно одной двадцатой массы Луны, т.е. 4,5-IO

г. Это примерно со-

ответствует массе свободной воды, выработанной за всю историю

Земли

По характеру отражающей поверхности выделяются три типа ас-

тероидов - темные, светлые и поляризационные Первые соответству-

ют составу углистых метеоритов, вторые - земным силикатам (камен-

ные метеориты) и третьи - свойственны металлическим соединениям

(железные метеориты).

Из 1013 известных на Земле метеоритов, по данным Э. Кинга: же-

лезных - 551 (54%), железокаменных - 68 (6%) и каменных 404 (40%).

Сопоставление с данными об астероидах показывает, что многие ме-

теориты являются фрагментами распавшихся в результате стол-

кновения различных типов астероидов Наблюдаемая их в метеорном

поясе масса - это лишь остаток более крупных родительских тел, об-

ломки которых в течение сотен миллионов лет бомбардировали по-

верхность планет и их спутников В этом случае первоначальная масса

столкнувшихся планет или планеты и крупного астероида могла быть

соизмерима с массой Луны или даже превышать ее. Это столкновение

могло явиться также родоначальником целой группы комет, которые

благодаря грандиозному взрыву могли быть выброшены за пределы

Солнечной системы Этим можно объяснить их гигантские эллиптиче-

ские орбиты вокруг Солнца Размеры кометных ядер много меньше

астероидов и не превышают 1 - 20 км

161

Нептун

Юпитер

/Марс

Земля

/Венера/

-Меркурии

Рис 24 Строение Солнечной системы

В научной литературе продолжается дискуссия по поводу природы

астероидов, комет и метеоритов. Исчезнувшая планета даже получила

название - Фаэтон Не вдаваясь в существо спора, отметим главное,

опираясь на имеющиеся факты для решения проблемы строения веще-

ства геосфер Есть достаточно оснований считать большую часть ме-

теоритов фрагментами разрушившейся планеты. Тем не менее некото-

рые метеориты несут в себе следы формирования в условиях космиче-

ского пространства из протопланетной пыли.

Преобладание железных и каменных метеоритов, вероятнее всего,

отражает ту степень начальной дифференциации газопылевого прото-

вещества, которое имело место в условиях сравнительно небольшой

планеты, сходной с Луной, или крупным астероидом.

Как известно, процесс дифференциации на малых планетах вслед-

ствие их небольшой массы начинается и завершается значительно бы-

162

стрей, чем на Земле. В частности, на Луне он закончился почти 3,5

млрд. лет назад. Это позволяет заключить, что незначительность мас-

сы выпадающих железокаменных метеоритов обусловлена их выра-

боткой в ходе такой дифференциации Иными словами, железокамен-

ные метеориты - это и есть остатки первичного планетного вещества,

правда, сконденсированного в твердое агрегатное состояние Распад

этого вещества приводит к выплавке тяжелого металлического ядра и

более легкой силикатной (каменной) оболочки планеты. В результате

разрушения этой планеты (Фаэтона?) три главные оболочки оказались

вскрытыми, и метеориты в этом случае должны отражать различные

горизонты ее строения. В ходе дальнейшего блуждания в космосе и

новых столкновений, последующему нагреву и распаду в атмосфере

Земли состав и структура этих обломков планетного тела (т.е. метео-

ритов) претерпела значительные изменения Вне зависимости от при-

роды первичной газопылевой туманности (первого или второго поко-

ления) можно с достаточно хорошим приближением заключить, что

состав трех основных геосфер - ядра, мантии и внешней каменной

оболочки - соответствует составу железных, железокаменных и ка-

менных метеоритов. Тогда внешнее жидкое ядро, верхи перисферы

(земная кора), гидросфера и атмосфера являются продуктом дальней-

шего преобразования протовещества, оказавшегося возможным в «ус-

ловиях такой большой планеты, как Земля Главными из этих условий

являются высокое давление в недрах планеты, обусловленное ее зна-

чительной массой (порядка IO

г), недостижимое в малых планетах с

массой менее IO

г, и количество солнечного тепла, достаточное для

существования на поверхности планеты воды в свободной фазе (так

называемая солнечная постоянная, которая в условиях Земли равна 1,9

кал/см

/с). Если солнечная постоянная больше указанной величины,

выносимая из недр в ходе физико-химического преобразования прото-

вещества вода полностью испаряется, а затем диссипирует в Космос из

атмосферы Если же эта постоянная меньше, то вода замерзает либо в

недрах планеты, так и не дойдя до ее поверхности, либо формирует

ледяные шапки, если ей удастся в небольших количествах (например,

при высоких температурах водных растворов, гейзерах и т.д.) излиться

на поверхность. Судя по незначительному масштабу горячей гидро-

термальной деятельности на Земле, объем таких вод не может создать

сколько-нибудь значительной гидросферы на удаленных от Солнца

планетах.

163

Близкими по массе с Землей являются Марс и Венера (5,97-IO

г,

6,4-IO

г и 4,87-IO

г соответственно). Однако из-за большего рас-

стояния от Солнца Марс получает тепла в несколько раз меньше, чем

Земля Поэтому свободная вода на марсианской поверхности могла

существовать лишь в виде льда и мерзлых растворов в верхних не-

скольких метрах поверхности пород (типа вечной мерзлоты на Земле)

Не исключено, что горячие растворы иногда прорывались на по-

верхность планеты, особенно в зонах активной вулканической дея-

тельности. Но в условиях разреженной атмосферы и низких космичес-

ких температур она быстро испарялась, а остаток ее превращался в

лед, который в условиях существующего на Марсе почти вакуума в

конечном счете тоже испарялся Поэтому здесь не должно быть ни мо-

рей, ни сколько-нибудь обширных ледяных полей.

Венера получает тепла в несколько раз больше, чем Земля, так как

расположена ближе к Солнцу. Поэтому выносимая из недр свободная

вода быстро превращается в пар и также не образует ни морей, ни

океанов

Фотолиз паров воды из атмосферы является здесь главным меха-

низмом обезвоживания планеты Но поскольку этот процесс очень

медленный (как мы видели, в условиях Земли он выводит в космос

лишь 3% годовых поступлений эндогенной воды), то происходит ско-

пление паров воды и других вулканических газов в атмосфере Поэто-

му атмосфера Венеры имеет колоссальные размеры и плотность и

сильно загазована, в частности окисью углерода

Таким образом, на Земле сложились исключительно благоприят-

ные, в сравнении с другими планетами, условия для образования и

длительного удержания воды. Земля получает ровно столько солнеч-

ного тепла, сколько необходимо для образования и длительного под-

держания развитой гидросферы на поверхности и умеренно прозрач-

ной атмосферы.

Мы, действительно, живем на уникальной планете. Это подлинное

чудо Природы и жемчужина Солнечной системы

6.3. Термохимические реакторы планет

Итак, мантия Земли (слой D в модели Буллена) сложена первичным

планетным веществом, по составу близким к железокаменным ме-

теоритам

164

Земная кора вместе с гидросферой и атмосферой образовалась в ре-

зультате переработки первичного вещества в недрах планеты. Где

именно

Как мы видели, внутри Земли имеются две аномальные зоны по-

ниженных скоростей и, следовательно, плотности вещества. Их суще-

ствование может быть связано с повышением температуры. Это зоны

внешнего ядра и астеносферы (см. рис. 14 на с. 70).

В условиях колоссальных температур, достигающих 4000°С, и дав-

лений - 1,3 млн. атмосфер - вещество железокаменных метеоритов в

зоне внешнего ядра в ходе физико-химических реакций должно терять

легкоплавкие и летучие и, как показал ленинградский космохимик

В В. Кесарев, переходить в металлы. В поле тяготения вращающейся

Земли тяжелые металлы будут стремиться к центру, наращивая внут-

реннее металлическое ядро, легкие продукты такой дифференциации,

и в первую очередь летучие и вода, будут подниматься к поверхности

планеты Однако по мере роста толщины внешней каменной оболочки

эти глубинные газы и избытки тепла не мгновенно прорвутся через эту

холодную корку. Накапливаясь, подобно горячему пару под крышкой

котла, они создадут под подошвой перисферы вторую зону разогрева -

астеносферу. Поскольку формирование астеносферы контролируется

потоками летучих и тепла из зоны внешнего ядра, то она не может

иметь сплошного распространения Надо учитывать, что разгрузка ре-

акционной зоны внешнего ядра от избытка тепла и летучих происхо-

дит через толщу протовещества слоя D, имеющего мощность около

3000 км. Значит, в этой толще должны периодически возникать ослаб-

ленные зоны, возникновение которых скорее всего будет связано с не-

равномерностью вращения Земли и ее гравитационного взаимодейст-

вия с Луной Вот над этими ослабленными зонами и будет возникать

наиболее мощная астеносфера, так как именно по ним будет осущест-

вляться транспорт избытков тепла и летучих. Таким образом, можно

предположить, что современные тектонически активные зоны Земли -

это проекции глубинных планетарных разломных зон в оболочке (слой

D), по которым происходит разгрузка продуктов физико-химических

реакций с уровня внешнего ядра.

Разгрузка астеносферы происходит главным образом с помощью

вулканизма По мере выноса летучих, магмы и тепла в астеносфере об-

разуется разреженное (разуплотненное) пространство, и в это прост-

ранство будет пассивно садиться нагруженная вулканическим матери-

алом внешняя холодная каменная оболочка (перисфера) Поэтому не

165

случайно вулканизм всегда предшествует проседаниям коры Как пра-

вило, вулканические серии перекрыты морскими осадками.

Образование первичной зоны физико-химического распада прото-

вещества во внешнем ядре обусловлено высокой температурой и дав-

лением, возникшими при аккреции (сжатии) и гравитационной консо-

лидации вещества, усиленного энергией вращения планеты и ее грави-

тационным взаимодействием с Луной. Как будет показано, первона-

чально Луна была ближе к Земле и поэтому это взаимодействие было

сильнее, чем в настоящее время Периодическая разгрузка внешнего

ядра от избытков продуктов распада диктуется простыми соображе-

ниями сохранения планеты от саморазрушения.

В свете изложенного, астеносфера является вторичной зоной ра-

зогрева за счет скопления выносимого глубинного тепла. Это позво-

ляет отказаться от привлечения аномально больших концентраций ра-

диоактивных элементов в этой зоне, наличие которых не подтвержда-

ется вулканизмом.

Ликвидация мощной астеносферы всегда сопровождается актив-

ным вулканизмом и последующим проседанием территории с затопле-

нием ее морем

Итак, можно заключить, что переработка протовещества происхо-

дит в двух зонах Земли: во внешнем ядре и астеносфере.

Для восстановления общей картины эволюции Земли принципиаль-

но важно более определенно установить состав этого протовещества

Теперь нам становиться понятным, что верхи каменной оболочки, об-

разованные вулканической деятельностью, т.е. земная кора до грани-

цы Мохоровичича вместе с гидросферой и атмосферой составляют

фрагменты некогда целого - первичного планетного вещества.

При особых термодинамических условиях (наличие высоких тем-

ператур и давлений) внешнего ядра, близкое по составу железокамен-

ным метеоритам протовещество должно терять легкоплавкие летучие

и переходить в металлы. Отсюда для восстановления его первоначаль-

ного состава необходимо состав железных метеоритов дополнить лег-

коплавкими и летучими соединениями, известными в земной коре,

океанской воде и атмосфере Впервые это было сделано ленинград-

ским космохимиком B B Кесаревым в 1976 г В результате было уста-

новлено, что основу протовещества составляют дигидриды и окислы

металлов MeH

- 54,06% и MeO

- 35,86% соответственно, перекиси

Na, К, Ca (5,69%), фосфиды, карбиды, нитриды металлов (4,37%).

Важнейшим результатом выполненных расчетов явилось установление

166

того факта, что содержание водорода в протовеществе составляет все-

го 1,9%, кислорода 21,3% В химическом плане дигидриды и перокси-

ды металлов в условиях высоких давлений и температур внешнего яд-

ра оказываются двухкомпонентным топливом с высоким химическим

потенциалом

Продукты распада протовещества слоя D формируют геосферы

Земли, ядро и астеносферу:

MeH

+ MeO

Me + MeO + H

и далее при взаимодействии с водой, карбидами, нитридами и сульфи-

дами металлов образуют вулканические газы, окислы металлов и во-

дород

MeC + ЗН

0 -» MeO + CO

и т.д.

Возникающие при этом избытки летучих и тепла и химически связан-

ная вода выносятся через слой D под подошву каменной оболочки -

перисферы, где формируют вторую зону разогрева и физико-химиче-

ских реакций - астеносферу Здесь в результате экзотермических и

гидролитических реакций типа

MeO + H

O + Me + O

;

C + ЗН

0 -> CH

+ 3FeO + H

+ Q,

в условиях меньших температур (1200°С) и давления (0,3 млн атмо-

сфер), образуется главнейший планетный продукт - вода и обогащен-

ная кислородом внешняя каменная оболочка Земли - ее перисфера (см

рис. 14 на с. 70). Отсюда массы земных геосфер непроизвольны - они

находятся в совершенно определенных химико-эквивалентных соот-

ношениях Продукты распада протовещества - частич-но ядро (31,5%)

и верхняя мантия с перисферой, гидросферой и атмосферой (28,8%)

составляют 60,3% земной массы Оставшееся еще непереработанным

протовещество сконцентрировано в оболочке слоя D. Его масса со-

ставляет 39,7%.

Таким образом, за всю историю Земли (4,5 млрд. лет) в ходе пе-

реработки 60,3% протовещества при общем содержании водорода

1,9% его расход составил 0,95-IO

г, или 2-IO

г/год. При этом выде-

лилось, как было показано выше, 1,8-IO

г воды, в том числе в сво-

бодной фазе 25%, т е 4,0-IO

г. Остальная часть воды осталась захо-

роненной в недрах Земли.

6.4. Наша сжимающаяся Земля

Итак, расслоение земного вещества на геосферы произошло в ходе

распада и эволюции протовещества Однако этот вывод не исключает

167

возможность формирования некоторой части массы внутреннего ядра

из крупных астероидов, служивших в качестве центра конденсации на

самом раннем этапе образования нашей планеты. Вокруг таких круп-

ных, возможно, металлических астероидов, почти не содержащих ра-

диоактивных, шло нарастание тела планеты путем аккреции более

мелких и пылеватых частиц вещества первичной газопылевой туман-

ности

По оценкам В С Сафронова, современная масса Земли в ходе ука-

занного процесса аккреции образовалась в очень небольшой срок -

порядка 100 млн лет Древнейшие из известных магматических пород

имеют возраст 4 млрд лет Поскольку возраст Земли 4,6 млрд. лет, то

это значит, что реакционные зоны внешнего ядра и астеносферы воз-

никли также очень быстро - спустя 400 - 500 млн. лет после заверше-

ния аккреции.

Это полностью согласуется с данными о возрасте лунной коры, по-

лученными советскими луноходами и американскими астронавтами В

ходе последующей четырехмиллиардной эволюции протовещества

происходило уменьшение массы Земли за счет потерь водорода

(3,6-Ю

г), гелия, аргона и других летучих (1 1,4-10

г) и воды

(4,0-IO

г), что в сумме составляет примерно 4,0-IO

г. Чтобы пред-

ставить себе величину потерь, следует заметить, что полученная вели-

чина соответствует массе земной коры мощностью 33 км и плотно-

стью 2,6 г/см\ В результате Земля должна была уменьшиться в объеме

на 0,42-IO

см\ что соответствует сокращению радиуса на 680 км и

уменьшению плотности на 1,68 г/см

. Как показывают наши расчеты

(Орленок, 1980), только за последний миллиард лет радиус Земли

уменьшился на 260 км.

В свете приведенных данных гипотезы о расширяющейся Земле не

имеют под собой прочной научной основы Земля теряет массу, тепло,

вследствие этого увеличивается плотность ее вещества и происходит

уменьшение объема. Отсюда сжатие Земли, т.е. ее контракция, - это

ведущий планетарный процесс, характерный также для других планет

и Солнца

По мере уменьшения объема планеты ее внешняя каменная обо-

лочка должна чутко следовать за сжимающейся сферой. Поэтому рель-

еф Земли отражает, прежде всего, уровни различного опускания пери-

сферы.

Чем длительнее активность недр планеты, тем больше она потеряет

своей массы и тем сильнее ее сжатие. Уменьшающийся в объеме шар

168

сокращает свою поверхность. В условиях Земли это сокращение про-

исходит не путем стягивания в складки каменной оболочки, подобно

кожуре усыхающего яблока, как это предполагали создатели клас-

сической контракционной гипотезы Э. де Бомон и Э. Зюсс в прошлом

веке Планета - не лежалое яблоко Уменьшение площади поверхности

происходит в результате разновременного и разноамплитудного про-

седания блоков перисферы по мере дегазации и вулканизма в разуп-

лотняющееся пространство астеносферы.

Отсюда мы приходим к важному выводу, определяющему всю нап-

равленность эволюции рельефа планеты.

Сокращение поверхности Земли, вследствие уменьшения ее объема

и радиуса, неизбежно ведет к увеличению контрастности и глубины

расчлененности рельефа планеты. Следовательно, амплитуда рельефа

поверхности планеты A(t) прямо пропорциональна ее возрасту T и ин-

тенсивности внутренней активности K(t) и обратно пропорциональна

экзогенному фактору Q (t), характеризующему интенсивность разру-

шения рельефа, что в конечном итоге определяется наличием или от-

сутствием свободной воды Эта формула была впервые получена нами

в 1980 г Она получила название - "формула планетной контракции":

A(O = ^)KW

Учитывая, например, один порядок величин рельефа и возраста

планет Солнечной системы земной группы, о их внутренней активно-

сти относительно Земли можно судить по отношению их экзогенных

факторов:

K(t), _ Q(t),

K(t)

~ Q(I)

Например, для Луны имеем: Кремли /Клуны

—

5-10 , т е в сравнении с

Землей активность в недрах Луны близка к нулю, что действительно

имеет место.

Таким образом, рельеф Земли отражает прежде всего уровни раз-

личного опускания сферы Отсюда все горные (за исключением вулка-

нических) области - это остаточные возвышенности. В данном аспекте

океан - это области наинизшего по отношению к континентальным

блокам опускания перисферы Континенты же существуют не бла-

годаря поднятиям, как это необоснованно считается до сих пор, а

вследствие меньших по сравнению с океаническими сегментами ско-

ростями проседаний. На Земле нет сил, которые бы осуществляли под-

Зак. 13184

169

нятия против силы тяжести столь огромных континентальных масси-

вов Это к тому же противоречит общей гравитационной организации

планетных тел Пассивное опускание блоков каменной оболочки вслед

уменьшающемуся объему земного шара - механизм, не требующий

привлечения гипотетических процессов вроде расширения Земли или

гигантских горизонтальных движений, поиски энергетического меха-

низма которых давно завели науку в тупик неомобилизма

При продолжении внутренней активности Земли ее рельеф будет

все более и более усложняться за счет все более глубокого опускания

одних блоков и дробления других

Океан - это главный планетарный уровень опускания сферы, кон-

тиненты - крупнейшие планетарные остаточные возвышенности Рас-

положенные внутри тех и других горные хребты, в том числе и рифто-

вые, отражают следующий этап сокращения радиуса Земли

Континентальные и океанические платформы по обе стороны от

этих хребтов, имеющих, как правило, линейное простирание, харак-

теризуют новый уровень дальнейшего опускания земной сферы вслед

за сокращающимся радиусом. Самым новейшим проявлением этого

процесса являются глубоководные желоба океанов Они как бы мар-

кируют новый уровень опускания сферы и одновременно по наклон-

ному положению очагов очень глубоких землетрясений свыше (300-

700 км) прекрасно фиксируют сам процесс сжатия Земли Именно

здесь регистрируются сильнейшие динамические напряжения сжатия,

ошибочно ныне трактуемые как зоны засасывания (субдукции) океа-

нической коры

Как же происходят эти опускания и что их в конечном счете стиму-

лирует

Исследования советских геологов П E Оффмана по Си-

бирской платформе и Г Ф Макаренко по океанам показали, что если

магматизм развит на больших площадях и сопровождается большим

объемом выплавления жидких базальтовых магм (так называемый

трапповый магматизм), то регион после этого, как правило, испыты-

вает погружение и трансгрессию Например, образованию многих про-

гибов Русской платформы предшествовали однократные трапповые

излияния в конце протерозоя (венда) В очень глубоких и узких проги-

бах, например, в Днепровско-Донецком, Припятском и др циклы маг-

матизма повторялись позднее - в палеозое и мезозое При этом они

происходили с большим интервалом в сто миллионов лет и более

Кайнозойский трапповый магматизм охватил уже 2/3 площади плане-

ты и также предшествовал последующему погружению региона, где он

170