7.3. Образование Земли

В современном естествознании существует несколько противо­речивых точек зрения, касающихся образования Земли как косми­ческого тела. Одну из них — гипотезу Альвена—Аррениуса мы рас­сматривали ранее.

Возраст Земли

Согласно современным космологическим представлениям, Зем­ля образовалась примерно 4,5 млрд. лет назад. К такому выводу ученые пришли в результате исследования возраста древнейших минералов и горных пород, а также на основе изучения процессов распада радиоактивных веществ. Кроме того, на данный возраст Земли указывают и материалы исследования метеоритов. Они отно­сятся к числу наиболее изученных космических объектов и несут ценную научную информацию. Исследования метеоритов показы­вают, что возраст как железных, так и каменных метеоритов совпа­дает и составляет примерно 4,5—4,6 млрд. лет.

Схожие данные получены и при исследовании лунных пород. Образцы этих пород были доставлены на Землю как с помощью космических станций «Луна», так и экипажами американских кос­мических кораблей «Аполлон». Оказалось, что возраст самых древ­них лунных образцов совпадает с возрастом самой Луны и состав­ляет 4—4,5 млрд. лет. Значит, первичная лунная кора возникла вскоре после образования Луны, и отдельные участки этой коры сохранились до сегодняшнего дня. Такое совпадение данных для разных тел Солнечной системы не может считаться случайным, по­этому делается вывод о возрасте нашей планеты, равном примерно 4,5 млрд. лет. К этому времени завершилось формирование. При этом считается, что ее геологическая история составляет около 4 млрд. лет, из них 0,6 млрд. лет — это ранняя история Земли.

Древнейший период в истории нашей планеты, составляющий 5/6 всей геологической истории Земли, называется докембрийским, или криптозойским. Он делится на архей (закончился 3,5 млрд. лет назад) и протерозой (до 600 млн. лет назад). Последние 600 млн. лет называются фанерозоем и делятся на три эры: палеозой (240 млн. лет), мезозой (163 млн. лет) и кайнозой (67 млн. лет). Эти эры, в свою очередь, подразделяются на более мелкие периоды (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Геохронологическая шкала фанерозоя

Группа (эра)	Система (период)	Начало, млн. лет назад	Продолжительность, млн. лет
I	2	3	4
Кайнозойская (67 млн. лет)	Антропогеновая (четвертичная) Неогеновая Палеогеновая	1,5 25 67	1,5 23,5 42
Мезозойская (163 млн. лет)	Меловая Юрская Триасовая	137 195 230	70 58 35

Палеозойская (240 млн. лет)	Пермская Каменноугольная Девонская Силурийская. Ордовикская Кембрийская	285 350 410 440 500 570	55 7—65 60 30 60 70

Ранняя история развития Земли

Ранняя история развития Земли включает три фазы эволюции:

1. фазу аккреции (рождения);

2. фазу расплавления внешней сферы земного шара;

3. фазу первичной коры (лунную фазу).

Фаза аккреции представляла собой непрерывное выпадение на растущую Землю все большего количества крупных тел, укрупняю­щихся в своем полете при соударениях между собой, а также в ре­зультате притяжения к ним более удаленных мелких частиц. Кроме того, на Землю падали и самые крупные объекты — планетезималии, достигавшие в поперечнике многих километров. В фазу аккре­ции Земля приобрела примерно 95% современной массы. На это ушло около 17 млн. лет (правда, некоторые исследователи увеличи­вают этот срок до 400 млн. лет). При этом Земля оставалась холод­ным космическим телом, и только в конце этой фазы, когда нача­лась предельно интенсивная бомбардировка ее крупными объекта­ми, произошло сильное разогревание, а затем и полное расплавле­ние вещества поверхности планеты.

Фаза расплавления внешней сферы земного шара наступила в промежутке 4—4,6 млрд. лет назад. В это время произошла обще­планетарная химическая дифференциация вещества, которая при­вела к формированию центрального ядра Земли и обволакивающей его мантии. Позже образовалась земная кора.

В этой фазе поверхность Земли представляла собой океан тяже­лой расплавленной массы с вырывающимися из него газами. В него продолжали стремительно падать мелкие и крупные космические тела, вызывая всплески тяжелой жидкости. Над раскаленным океа­ном нависало сплошь затянутое густыми тучами небо, с которого не могло упасть ни капли воды.

Лунная фаза — это время остывания расплавленного вещества поверхности Земли из-за излучения тепла в космос и ослабления метеоритной бомбардировки. Так образовалась первичная кора ба­зальтового состава. Тогда же происходило образование гранитного слоя материковой коры. Правда, механизм этого процесса до сих пор неясен.

В лунную фазу шло постепенное остывание поверхности Земли от температуры плавления базальтов, составляющей 800— 1000°С до 100⁰С. Когда температура опустилась ниже 100°С, из атмосферы выпала вся вода, покрывшая Землю. В результате сформировались поверхностные и грунтовые стоки, появились водоемы, в том числе и океан.

Геологическое развитие и строение Земли

Результатом геологического развития Земли стало формирова­ние самых верхних оболочек — атмосферы, гидросферы и литосфе­ры. Это произошло в результате остывания поверхности Земли и привело к образованию первичной базальтовой или близкой к ней по составу коры Земли. Почти одновременно за счет конденсации водяных паров образовалась водная оболочка планеты — гидросфера.

Образование и строение литосферы. Земная кора образована гор­ными породами, имеющими различные формы залегания. Породы лежат горизонтальными слоями или нарушены разломами и смяты, складками. Залегание горных пород чаше всего обусловлено внут­ренними (эндогенными) силами. Строение земной коры, созданное эндогенными процессами, называется тектоническим строением, или тектоникой.

Современный рельеф планеты складывался на протяжении мно­гих сотен миллионов лет и продолжает видоизменяться под влия­нием совместного действия на ее поверхности тектонических, гидросферных, атмосферных и биологических процессов. Начало этому было положено около 3,5 млрд. лет назад, когда начали формиро­ваться вулканические дуги. Формирование вулканических дуг про­исходило на первичной остаточной или вторичной коре, образо­ванной при растяжении океанической коры над зонами подлезания (столкновения литосферных плит и подлезания их друг под друга с об­разованием вулканической дуги). В результате примерно 2,7—2,5 млрд. лет назад возникли значительные площади континентальной коры, которые, по-видимому, соединились в единый суперконтинент — первую Пангею в истории Земли. Толщина этой коры уже достига­ла современной толщины в 35—40 км. Ее нижняя часть под влия­нием высоких давлений и температур испытывала значительные превращения, а на средних уровнях произошло выплавление боль­ших масс гранита.

Следующий важный момент в развитии Земли имел место примерно 2,5 млрд. лет назад. Возникший на предыдущем этапе суперконтинент — первая Пангея — претерпел существенные изменения и 2,2 млрд. лет назад распался на отдельные, относительно небольшие континенты, разделенные бассейнами с новообразованной океанической корой. Отдельные следы этих этапов тектоники плит можно обнаружить и сейчас. Первый этап (до возникновения Пангеи) принято называть эмбриональной тектоникой плит, а второй — тектоникой малых плит. К концу второго периода, около 1,7 млрд. лет назад, континенты вновь слились в единый суперконтинент. Образовалась Пангея-II. Ее распад начался около 1 млрд. лет назад, хотя частичные разъединения и воссоединения могли иметь место и

до этого.

В интервале 1—0,6 млрд. лет назад структурный план Земли претерпел радикальные изменения и существенно приблизился к современному. С этого момента началась полномасштабная текто­ника плит. Она связана с тем, что литосфера Земли разделена на ограниченное число крупных (5 тыс. км) и средних (1 тыс. км) по размерам поперечника жестких и монолитных плит, которые рас­положены на более пластичной и вязкой оболочке — астеносфере. Литосферные плиты стали двигаться по астеносфере в горизонталь­ном направлении, образуя раздвижения и подлезания, которые в среднем компенсируют друг друга в масштабах планеты. Таким об­разом, в истории Земли как планеты неоднократно происходил процесс формирования и распада Пангеи. Длительность таких цик­лов составляет 500—600 млн. лет. На эту крупномасштабную перио­дичность накладывается периодичность меньших масштабов, свя­занная с растяжением и сжатием земной коры.

В результате тектонической активности рельеф земной поверх­ности сегодня характеризуется глобальной асимметрией двух полу­шарий (Северного и Южного): одно из них представляет собой ги­гантское пространство, заполненное водой. Это океаны, занимаю­щие более 70% всей поверхности. В другом полушарии сосредото­чены поднятия коры, образующие континенты. Глобальная асим­метрия в строении поверхности нашей планеты была замечена давно, что позволило планетарный рельеф поделить на две основные области — океаническую и континентальную. Дно океанов и континенты от­личаются друг от друга строением земной коры, химическим и пет­рографическим составом, а также историей геологического разви­тия. Кора имеет повышенную мощность в области континентов и пониженную в областях океанического дна.

Средняя мощность континентальной коры — 35 км. Ее верхний слой богат гранитными породами, нижний — базальтовыми магма­ми. На дне океанов гранитный слой отсутствует, и земная кора со­стоит только из базальтового слоя. Ее мощность — 5—10 км. Кроме того, континентальная кора содержит больше радиоактивных эле­ментов, генерирующих тепло, чем тонкая океаническая кора.

Земная кора, образующая верхнюю часть литосферы, в основном состоит из восьми химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, магния, натрия и калия. Половина всей массы коры приходится на кислород, который содержится в ней в связанном состоянии, главным образом, в виде окислов металлов.

Земная кора сложена горными породами различного типа и раз­личного происхождения. Более 70% приходится на магматические породы, 20% — на метаморфические, 9% составляют осадочные породы.

Не следует забывать и о том, что поверхность Земли сложена из литосферных плит, число и положение которых менялось от эпохи к эпохе. Плита — это вся масса земной коры и подстилающей ман­тии, которые движутся как единое целое по поверхности Земли. Сегодня выделяют 8—9 больших плит и более 10 малых. Плиты медленно перемещаются горизонтально (глобальная тектоника плит). В районах рифтовых долин, где вещество мантии выносится наружу, плиты расходятся, а в местах, где горизонтальные смеще­ния соседних плит оказываются встречными, они надвигаются друг на друга. Вдоль границ литосферных плит расположены зоны по­вышенной тектонической активности. При движении плит смина­ются их края, образуя горные хребты или целые горные области. Океанические плиты, берущие свое начало в рифтовых разломах, наращивают толщину по мере приближения к континентам. Они уходят под островные дуги или континентальную плиту, увлекая за собой накопившиеся осадочные породы. Вещество погружающейся - плиты достигает в мантии глубин до 500—700 км, где оно начинает плавиться.

Возникновение атмосферы и гидросферы. Составные части атмо­сферы и гидросферы Земли являются летучими веществами, кото­рые появились в результате ее химической дифференциации. Со­гласно имеющимся данным, пары воды и газы атмосферы возникли в недрах Земли и поступили на ее поверхность в результате внут­реннего разогрева совместно с наиболее легкоплавкими веществами первичной мантии в процессе вулканической активности.

Вода и углекислый газ как компоненты газопылевого облака долго пребывали в виде молекул, когда большая часть твердых кон­денсатов уже сформировалась. Поэтому оставшиеся газы в какой-то мере поглощались пылевыми частицами путем адсорбции и различ­ных химических реакций. Так летучие вещества внедрились в пла­неты земного типа. Из недр Земли они поступают на поверхность в результате вулканической деятельности. Кроме того, как считают Альвен и Аррениус, уже в период бомбардировки Земли планетезималиями, когда шел разогрев и плавление земных пород, выделя­лись газы и пары воды, содержавшиеся в породах. При этом Земля теряла водород и гелий, но сохраняла более тяжелые газы. Таким образом, именно дегазация земных недр стала источником атмосферы и гидросферы. По некоторым расчетам, от 65 до 80% общего количества летучих компонентов Земли выделилось в результате ударной дегазации.

Мировой океан возник из паров мантийного материала, и пер­вые порции конденсированной воды были кислыми. Затем появи­лись минерализованные воды, а собственно пресные воды образо­вались значительно позже в результате испарения с поверхности первичных океанов в процессе естественной дистилляции.

Проблема происхождения океана связана с проблемой проис­хождения не только воды, но и растворенных в ней веществ. Гид­росфера Земли, как и атмосфера, также появилась в результате де­газации недр планеты. Материал океана и вещество атмосферы воз­никли из общего источника.

Океаническая вода представляет собой уникальный природный раствор, содержащий в среднем 3,5% растворенных веществ, что и обеспечивает соленость воды. В воде земных океанов содержится множество химических элементов. Среди них важнейшую роль иг­рают натрий, магний, кальций, хлор, азот, фосфор, кремний. Эти элементы усваиваются живыми организмами, и их концентрация в морской воде контролируется ростом и размножением морских рас­тений и животных. Большую роль в составе морской воды играют растворенные в ней природные газы — азот, кислород, углекислый газ, которые тесно связаны с атмосферой и живым веществом суши и моря.

Как считается сегодня, первичная атмосфера Земли по своему составу была близка к составу вулканических и метеоритных газов. Скорее всего, она напоминала современную атмосферу Венеры. На поверхность Земли поступали вода, углекислый газ, окись углерода, метан, аммиак, сероводород и др. Они и составили первичную ат­мосферу Земли. В целом первичная атмосфера имела восстанови­тельный характер и была практически лишена свободного кислоро­да, хотя незначительные его доли образовывались в верхней части атмосферы в результате фотолиза воды.

Таким образом, состав первичной атмосферы Земли, возникшей в результате ударной дегазации и вулканической активности, весьма сильно отличался от состава современной атмосферы. Эти отличия связаны с наличием жизни на Земле, оказывающей самое сущест­венное воздействие на все процессы, протекающие на нашей плане­те. Таким образом, химическая эволюция атмосферы и гидросферы проходила с неизменным участием живых организмов, причем веду­щую роль при этом играли фотосинтезирующие зеленые растения.

Современная азотно-кислородная атмосфера — результат дея­тельности Жизни на Земле. То же можно сказать и о современном составе вод Мирового океана планеты. Поэтому сегодня на нашей планете жизнь и преобразованная им окружающая среда образуют самостоятельную оболочку Земли — биосферу.