Читать книгу Рожденный жизнью. Уран: от атома до месторождения - Владимир Печенкин - Страница 6

⠀

Итак, Земля сформировалась. Что увидел бы геолог, попади он на новорожденную планету?

Во-первых, ему потребовался бы скафандр. Атмосферы на Земле не было – ни кислородной, ни бескислородной. Газы во время образования планет Солнечной системы унесло солнечным ветром далеко на периферию, где и образовались планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, состоящие в значительной мере из водорода, гелия, аммиака, метана и прочих летучих компонентов. Так что, если бы на юной Земле и образовалась какая-никакая атмосфера – ее бы тотчас сдуло. Гидросферы на планете тоже не было: ни рек, ни морей, ни облаков, ни подземных вод.

Во-вторых, ноги геолога проваливались бы в реголит, который покрывал поверхность планеты. Минералогический анализ отобранных проб показал бы, что вся планета состоит всего из 2—3 сотен минералов17, среди которых преобладали самородное (метеоритное) железо и его сплавы с никелем (камасит и тэнит), а также железисто-магнезиальные силикаты, обобщенную формулу которых можно представить в виде R₂ [SiO₄], где «R» это Mg, Fe²⁺, Mn и Ca в разных пропорциях. Изредка можно было встретить оливин, пироксены, плагиоклаз, графит, циркон, хромит, магнетит, апатит и микроскопические кристаллы алмаза. А если бы была возможность пробурить скважину хоть до центра планеты – образцы пород и минералов с глубины оставались бы те же. Ведь Земля на первых порах представляла хаотическое скопление спрессованных гравитацией однородных обломков планетезималей и метеоритов.

Вулканов на поверхности планеты пока не было, зато в районе экватора вокруг Земли, словно кольцо вокруг современного Сатурна, еще вращался остаточный рой мелких планетезималей. Падая на Землю, они взрывались, перепахивая и размельчая реголит. Колоссальные температуры, возникающие при ударах, быстро гасились окружающим холодным космосом. Но и этот остаточный рой вскоре иссяк, и вблизи Земли осталось только одно космическое тело – Луна. Ее восходы и закаты представляли пугающе-завораживающую картину: низко нависающий лунный диск занимал добрую половину небосвода – его видимые размеры в 300—350 раз превышали сегодняшние. И если бы наш геолог действительно оказался в это время на планете, он погиб бы от ежесуточных перепадов давления, создаваемого притяжением нашего спутника.

Новорожденная Земля представляла равновесную систему. И все-таки этот мир, по словам Максимилиана Волошина, «был обречен природой на распад». И космическое вещество неотвратимо стало переплавляться в земное. Процесс происходил крайне медленно, да и «раскачалась» Земля не сразу, а произошло это благодаря процессу, который запустила… Луна.

Общеизвестно, наша спутница создает на Земле приливные волны, которые на побережье морей и океанов можно наблюдать воочию. Но Луна влияет и на земную твердь, правда, сегодня для глаза это не заметно, однако на самых ранних этапах развития Земли, когда лунный диск нависал над планетой на высоте всего 7000 км, высота приливов достигала 1,5 км! Причем, воздымалась сама Земля, океанов в то время еще не было. Впрочем, и сейчас вблизи подлунной точки твердая Земля поднимается на 46 сантиметров.

И вращалась планета в то время значительно быстрее – сутки составляли всего 6 часов: Солнцу хватало три часа, чтобы пересечь небосвод и через три часа вновь взойти с востока над безжизненным горизонтом. Наша спутница не могла с такой же скоростью оборачиваться вокруг планеты, поэтому приливной «горб», возникающий на поверхности Земли, постоянно опережал Луну, убегая вперед. Луна же своим притяжением изо всех сил пыталась тормозить убегающую каменную приливную волну, в результате вращение Земли постепенно замедлялось. Но Луна с такой силой тянула этот «горб» на себя, что сама «отклонялась» в обратную сторону – то есть радиус лунной орбиты постоянно возрастал. С точки зрения физики, Луна отдалялась от Земли согласно действию кинетической энергии вращающегося тела (Рис. 3). Сегодня Луна уходит от Земли со скоростью 4 см в год и находится на расстоянии 384,4 тысячи км.

Рис. 3. Схема приливного взаимодействия Земли с Луной:

F – приливная сила, тормозящая вращение Земли; f – приливная сила,

ускоряющая орбитальное обращение Луны; δ – угол запаздывания приливов. По [Сорохтин, Ушаков, 200218].

Сейчас трудно представить, как в то отдаленное время по поверхности планеты несся колоссальный каменный вал, делая сотни оборотов в год. Согласно расчетам, он передвигался со скоростью не менее тысячи километров в час! А энергия вызываемых им приливных землетрясений в 17 тысяч раз превосходила энергетический уровень современной сейсмичности Земли19. Максимальной амплитуды приливные горбы достигали на экваторе и постепенно уменьшались к полюсам.

Породы внутри циклопической «волны» полуторакилометровой высоты разогревались от трения, однако наработанное тепло почти все уходило в открытый космос, ведь Земля еще не была защищена атмосферой. Но в глубине планеты началось постепенное увеличение температуры, которое без видимых последствий накапливалось в течение 600 миллионов лет. Наконец, к началу архея (около 4 млрд лет назад) недра в районе экватора прогрелись настолько, что метеоритное железо, входящее в состав первичного космического вещества начало плавиться.

Удельная плотность железа составляет 7,85 г/см³, а у прочих силикатных минералов, принесенных из космоса, – 3,27—2,37 г/см³. Такая более чем двукратная разница привела к тому, что расплавленное железо под действием гравитации стало медленно просачиваться вниз, а избавившиеся от тяжести металла силикаты начали всплывать. Процесс преобразования космического вещества в земное стартовал.

Термодинамические расчеты показывают: гравитационное расслоение вещества сопровождалось выделением огромного количества тепла. Чем больше железа выплавлялось и опускалось под действием гравитации в сторону центра Земли, тем больше выделялось тепла, которое растапливало выше и ниже залегающие слои. Началось зарождение и расширение астеносферы – пластичного слоя Земли. Процесс шел крайне медленно – со скоростью около 2 мм в год. Тем не менее он приобрел необратимый характер: стремление тяжелых расплавов железа вниз вызывало встречное движение силикатов – был запущен процесс конвекции – своеобразный «мотор» Земли. Физическое обоснование возникновения диссипативных структур, разновидностью которого является процесс конвекции, дал Илья Пригожин20.

Представим, что наше расплавленное железо медленно движется по колоссальной вертикальной скважине, основание которой находится в центре Земли, а устье выходит к поверхности. Стекающий металл постепенно смещает центр тяжести столба железа к основанию. При этом его потенциальная энергия (произведение массы тела на высоту подъема) неизбежно уменьшается. Но суммарная энергия Земли, если верить законам сохранения, остается неизменной. При этом потенциальная энергия, теряющаяся при стекании железа, преобразуется в кинетическую энергию молекул – то есть уходит в нагрев. Согласно расчетам, эта энергия составляет величину 4х10³⁰ кал. Этого с лихвой хватает, чтобы растопить недра изначально холодной планеты.

Примерно 3,8 млрд лет назад астеносферный слой в районе экватора расширился настолько, что его отдельные перегретые «протуберанцы» стали пробиваться к поверхности планеты, сокрушая первозданную холодную оболочку (Рис. 4). Земля начала активно «дышать»: вырывавшиеся из недр расплавы растекались лавовыми полями, выделяя огромное количество жидкости и газов. Началось формирование атмосферы и гидросферы. Планета покрылась одеялом перегретых облаков, которые состояли в основном из водяного пара (75%) и углекислого газа – СО₂ (15%), остаток приходился на соединения серы и другие вулканические газы, часть из которых оставалась в атмосфере, а часть растворялась в водах зарождающегося океана.

Рис. 4. Разрушение первичной коры Земли.

Черное поле – расплавы железа и его окислов; точки – формирующийся

астеносферный слой, обедненный железом; черточки – первичное земное

вещество; эллипсы со стрелками – конвекционные потоки; фонтаны – выбросы вулканов (H₂O, CO₂, CO, SO₂, H₂S, CH₄ и др.). По [Сорохтин, Ушаков, 200221]

с дополнениями.

Появившиеся мелководные морские бассейны начали гасить приливную энергию, и со временем она перестала заметно влиять на разогрев планеты. Но Луна уже сделала свое дело, послужив спусковым механизмом конвективных потоков. С этого времени начинается собственно геологическое развитие планеты за счет внутренней энергии.

Справедливости ради, надо заметить, что в разогрев Земли вносил свою долю и радиоактивный распад урана, тория, калия, а в то давнее время еще и плутония и других трансурановых элементов, которые к сегодняшнему дню распались. Вот только гравитационная дифференциация весь свой жар выделяла в узком прослое астеносферы, а радиоактивный распад «пытался» прогреть всю землю разом. Но уж слишком распылены были отдельные атомы радиоактивных элементов – может ли согреть отдельная искорка? Современные месторождения урана или тория содержат концентрации радиоактивных элементов в сотни тысяч раз выше, но «температура» этих месторождений не отличается от окружающих пород. Хотя полностью игнорировать тепло радиоактивного распада не стоит – особенно на самых ранних периодах развития, когда еще не «самоликвидировались» трансурановые элементы.

Между тем процесс гравитационной дифференциации вещества набирал обороты, и на Земле начала складываться неустойчивая ситуация.

Плотность первородных космических отложений, покрывавших Землю, составляла около 4 г/см³, а образовавшийся астеносферный слой после избавления от железа был гораздо легче – 3,2—3,3 г/см³, причем мощность этого слоя неуклонно возрастала. Холодный и более тяжелый космический материал какое-то время еще держался на поверхности вязкого расплава, но ситуация не могла сохраняться вечно и закономерно разрешилась «утоплением» первичного вещества в астеносфере. Там оно со временем переплавилось и постепенно превратилось в земное.

Закончился догеологический этап развития Земли – катархей. Начался архей.

Не успело утонуть в недрах последнее первородное вещество, как планета начала одеваться новой корой. Конвективные потоки продолжали поставлять к поверхности пышущую магму, наполненную растворенными газами. Вырываясь из недр, адское варево выплескивалось прямо в космическую пустоту, где царил вечный холод и практически отсутствовало давление.

При резком перепаде давления магма буквально «вскипала», выпуская растворенные газы и пары воды, а шоковое понижение температуры быстро остужало раскаленную смесь, превращая ее в пористый базальт. Плотность этой породы невелика – всего 2,8—2,9 г/см³, поэтому возникавшие над конвективными ячейками базальтовые массивы в прямом смысле слова плавали по поверхности мантии, подобно мясной пенке в кипящем бульоне.

Состав этой «пенки» был уже не тот, что у первородного вещества. Базальт, рожденный в горниле астеносферы, состоит из минералов группы пироксенов и плагиоклазов. Пироксены недалеко ушли от классических железо-магнезиальных силикатов – в них только несколько увеличилось содержание кремния и кислорода – (Mg, Fe) ₂Si₂O₆. А вот плагиоклазы – другое дело, здесь место железа прочно занял алюминий, к которому присоединились в разных пропорциях натрий и кальций. Химическая формула плагиоклазов – NaAlSi₃O₈ – CaAl₂Si₂O₈, где натрий и кальций способны полностью замещать друг друга. В базальтах резко преобладают так называемые основные плагиоклазы, где главенствует кальций.

Плагиоклазы ознаменовали появление на земле новой обширной группы минералов – алюмосиликатов, где слились в триумвирате самые распространенные на Земле элементы: кислород, кремний и алюминий.

С появлением базальтов первая минералогическая революция свершилась – космическое вещество превратилось в земное.

Плагиоклазы – это условная сотня минералов, представленная непрерывным изоморфным рядом (твердым раствором) натриево-кальциевых алюмосиликатов от альбита (NaAlSi₃O₈) до анортита (CaAl₂Si₂O₈). Состав плагиоклаза обозначают номером по процентному содержанию анортита. Например, плагиоклаз №84 представляет изоморфную смесь, содержащую 84% анортита и 16% альбита. При этом четыре промежуточные точки ряда получили собственные названия: олигоклаз (20% An), андезин (40% An), лабрадор (60% An) и битовнит (80% An), но по действующей номенклатуре Международной минералогической ассоциации (IMA), эти промежуточные члены твердого раствора не должны считаться минералами.

C увеличением анортитовой составляющей в плагиоклазах убывает содержание кремнезема, в связи с чем плагиоклазы от №0 до №30 называются кислыми, №30—50 – средними и №50—100 – основными.

В виде примесей плагиоклазы иногда содержат K₂O (до нескольких процентов) и другие окислы.

Мощность астеносферы на первых порах была невелика, и конвективные ячейки, возникшие в ее толще, имели небольшие размеры, но их было достаточно много. С расширением астеносферы вширь и вглубь увеличивался объем циркулирующей мантии и возрастали размеры конвективных ячеек. Сталкиваясь, они спаивались друг с другом, образуя ядра будущих архейских щитов (Рис. 5а-б).

Поступающий из недр расплавленный базальт, постепенно расползаясь, обволок всю поверхность планеты сплошным хрупким, но пока маломощным панцирем. Но снизу поступали на-гора все новые порции вещества, которому уже некуда было растекаться, и базальтовые плиты начали громоздиться друг на друга. Под собственным весом нагромождения базальтовых пластин все глубже погружались в перегретую мантию, но за счет высокой пористости первозданные материки высоко вздымались над уровнем океана. По оценке отечественных геологов, уровень стояния континентов в течение всего архея и начала раннего протерозоя был исключительно высоким, их поверхность возвышалась над океанами на 4—6 км22.

Незаметно пролетело полтора миллиарда лет, и к концу архея сложилась ситуация, зеркально противоположная той, которая была в начале эона, когда остатки космического вещества погрузились в астеносферу. Теперь картина оказалась перевернутой: под тонкой земной корой образовалась мощная толща раскаленного вязкого слоя, обогащенная в нижней части тяжелым расплавленным железом, а в центре Земли все еще сохранялось холодное первичное космическое вещество. Теперь уже более легкая и жесткая сердцевина планеты оказалась заключена в глубине вязкой, но более тяжелой субстанции. Рано или поздно ситуация должна была стабилизироваться.

Если в начале архея расплавленная лента астеносферы окольцовывала Землю только в узком тропическом поясе, то со временем, разрастаясь к полюсам и на глубину, кольцевой слой жидкого железа практически полностью «обернул» первичное вещество, за исключением высоких широт, где холодная сердцевина планеты до поры оставалась жестко связанной с еще не разогретыми полярными областями. Прогрев полярных областей полностью замкнул первичное вещество в оболочке расплавленного железа и нарушил хрупкое равновесие. Холодная сердцевина Земли начала всплывать, словно поплавок, а на его место постепенно стекло тяжелое железо, образовав металлическое ядро (Рис. 5в-г).

Рис. 5. Последовательные этапы развития процесса зонной дифференциации земного вещества и формирования плотного ядра Земли. Черное – расплавы железа и его окислов; белое – мантия, обедненная железом и сидерофильными элементами; черточки – первичное земное вещество; радиальная штриховка – континентальные массивы. По [Сорохтин, Ушаков, 200223].

Время всплытия остаточного холодного вещества оценивается в 400, а может быть, и все 500 миллионов лет (геология не терпит суеты). Такой чудовищный по масштабам «бульк» в центре планеты привел в конце архея к полной перестройке конвективных течений и образованию гигантской одноячеистой конвективной структуры с единым восходящим потоком над местом всплытия бывшей сердцевины Земли и нисходящим – над областью стока железа. Центростремительные потоки над нисходящей конвективной структурой стянули обособленные до этого континентальные массивы в первый в истории планеты суперконтинент Моногея (Рис. 5г). Процесс сопровождался колоссальным столкновением плит и крупнейшим в истории Земли кеноранским тектономагматическим диастрофизмом, которым завершился архейский этап развития Земли.

Наступил протерозой. До сегодняшнего дня остается 2,5 миллиарда лет.

Пока мы рассматривали процессы, которые происходили в недрах планеты. А какие события в это время разыгрывались на поверхности? А на поверхности появилась Жизнь.