КРАТКИЙ ОЧЕРК ГЛОБАЛЬНОЙ ЭВОЛЮЦИИ ЗЕМЛИ

Происхождение планет Солнечной системы и их эволюция активно изуча­лись в XX в. в фундаментальных работах О.Ю. Шмидта, В.С. Сафронова, X. Аль-вена и Г. Аррениуса, А.В. Витязева, А. Гингвуда, В.Е. Хаина, О.Г. Сорохтина, С.А. Уманова, Л.М. Наймарка, В. Эльзассера, Н.А. Божко, А. Смита, Дж. Юрай-дена и др. Согласно современным космологическим представлениям, заложенным О.Ю. Шмидтом, Земля и Луна, равно как и другие планеты Солнечной системы, образовались за счет аккреции (слипания и дальнейшего роста) твердых частиц газопылевого протопланетного облака. На первом этапе рост Земли шел в уско­ряющемся режиме аккреции, но по мере исчерпания запасов твердого вещества в околоземном рое планетезималей протопланетного облака этот рост постепенно замедлился. Процесс аккреции Земли сопровождался выделением колоссального количества гравитационной энергии, примерно 23,3 • 10³⁸ эрг. Такое количество энергии способно было не только расплавить вещество, но даже растворить его, но большая часть этой энергии выделялась в приповерхностной части Протозем-ли и терялась в виде теплового излучения. На то чтобы Земля сформировалась на 99 % ее современной массы, потребовалось 100 млн лет.

На первом этапе молодая Земля сразу же после образования была относите­льно холодным телом, и температура ее недр не превышала температуры плавле­ния земного вещества, в силу того что при формировании планеты происходил не только нагрев за счет падающих планетезималей, но и остывание за счет теп-лопотерь в окружающее пространство, кроме того, Земля имела однородный со­став. Дальнейшая эволюция Земли обусловлена ее составом, теплозапасом и ис­торией взаимодействия с Луной. Влияние состава сказывается прежде всего через энергию распада радиоактивных элементов и гравитационную дифференциацию земного вещества.

До формирования планетной системы звезда Солнце представляла собой практически классический красный гигант. Звезды этого типа в результате внут­ренних ядерных реакций водородного горения формируют более тяжелые химиче­ские элементы с выделением огромного количества энергии и возникновением сильного светового давления с поверхности на газообразную атмосферу. В резуль­тате комбинационного воздействия этого давления и огромного притяжения ат­мосфера звезды испытывала попеременное сжатие и расширение. Этот процесс в условиях динамического увеличения массы газовой оболочки продолжался до тех пор, пока в результате резонанса внешняя газовая оболочка, оторвавшись от Солнца, не превратилась в планетарную туманность.

Под воздействием силового магнитного поля звезды ионизированное вещест­во планетарной туманности подверглось электромагнитной сепарации слагающих его химических элементов. Постепенная потеря тепловой энергии и электриче­ских зарядов газов привело их к слипанию. При этом под воздействием магнит­ного поля звезды обеспечивалась эффективная передача момента вращения к образовавшимся в результате аккреции планетезималям, которые послужили нача­лом формирования всех планет Солнечной системы. При потере заряда ионизи­рованными химическими элементами последние превращались в молекулы, реа­гировавшие друг с другом, образуя простейшие химические соединения: гидриды, карбиды, оксиды, цианиды, сульфиды и хлориды железа и др.

Процесс постепенного уплотнения, разогревания и дальнейшей дифференци­ации вещества в образовавшихся планетах происходил с захватом частиц из окру­жающего пространства. В центре формирующейся протопланеты концентрирова­лись металлы за счет гравитационного разделения вещества. Вокруг этой зоны собирались карбиды железа и никеля, сернистое железо и оксиды железа. Таким образом образовалось внешнее жидкое ядро, которое в своей оболочке содержало гидриды и оксиды кремния и алюминия, воду, метан, водород, оксиды магния, калия, натрия, кальция и другие соединения. При этом происходила зонная плавка образовавшейся оболочки и сокращение поверхности и уменьшение объе­ма планеты. Следующими этапами было формирование мантии, протокоры и вы­плавление астеносферы. Протокора дробилась за счет упомянутого выше сокра­щения объема и поверхности. За счет этого на поверхность изливались базальты, которые после остывания вновь погружались в глубинную часть мантии и под­вергались следующей переплавке; затем часть базальтовой коры постепенно трансформировалась в гранитную.

Поверхностные слои Земли на этапе формирования состояли из мелкопори­стого реголита, который активно связывал выделявшиеся воду и углекислый газ за счет своего ультраосновного состава. Общий теплозапас Земли и распределе­ние температуры в ее недрах определялись скоростью роста планеты. В целом, в отличие от Луны, Земля никогда не плавилась полностью, а процесс формирова­ния земного ядра растянулся приблизительно на 4 млрд лет.

Примерно 600 млн лет продолжалось состояние холодной и тектонически пассивной Земли. В это время медленно разогревались недра планеты и пример­но 4 млрд лет назад на Земле проявилась активная гранитизация и сформирова­лась астеносфера. При этом Луна как самый массивный спутник «вычищал» из околоземного пространства все имевшиеся там меньшие спутники и микролуны,

а на самой Луне произошла вспышка базальтового магматизма, что совпало с на­чалом тектонической активности на Земле (период продолжался от 4,0 до 3,6 млрд лет назад). В этот же момент в недрах Земли возбуждается процесс гра­витационной дифференциации земного вещества — главного процесса, поддержи­вавшего тектоническую активность Земли во все последующие геологические эпохи и приведшего к выделению и росту плотного оксидно-железного земного ядра.

Так как в криптотектоническую эпоху (катархее) земное вещество никогда не плавилось, то не могли развиваться процессы дегазации Земли, поэтому первые 600 млн лет существования Земли на ее поверхности полностью отсутствовала гидросфера, а атмосфера была исключительно разряженной и состояла из благо­родных газов. В это время рельеф Земли был сглаженным, состоявшим из тем­но-серого реголита. Все освещалось желтым слабогреющим Солнцем (светимость была на 30 % меньше современной) и непомерно большим без пятен диском Лу­ны (она приблизительно в 300—350 раз превышала современную видимую пло­щадь диска Луны). Луна была еще горячей планетой и могла обогревать Землю. Стремительным было движение Солнца — всего за 3 ч оно пересекало небосвод, чтобы через 3 ч вновь взойти с востока. Гораздо медленнее двигалась Луна, так как она быстро вращалась вокруг Земли в ту же сторону, так что и фазы Луны проходили все стадии за 8—10 ч. Луна обращалась вокруг Земли по орбите с ра­диусом 14—25 тыс. км (сейчас радиус 384,4 тыс. км). Интенсивные приливные деформации Земли вызывали вслед движению Луны непрерывную (через каждые 18—20 ч) череду землетрясений. Амплитуда лунных приливов составляла 1,5 км.

Постепенно, примерно через миллион лет после образования, за счет осуще­ствлявшегося отталкивания лунные приливы снизились до 130 м, еще через 10 млн лет до 25 м, а через 100 млн лет — до 15 м, к концу катархея — до 7 м, а сейчас в подлунной точке современные приливы твердой Земли составляют 45 см. Приливные землетрясения в то время были исключительно экзогенного характера, так как никакой тектонической деятельности еще не было. В архее, в самом начале, дифференциация земного вещества происходила путем выплавле­ния из него металлического железа на уровне верхней мантии. В связи с исклю­чительно высокой вязкостью холодной сердцевины молодой Земли возникшая гравитационная неустойчивость могла быть компенсирована путем выжимания этой сердцевины к земной поверхности и затекания на ее место выделившихся ранее тяжелых расплавов, т. е. путем формирования у Земли плотного ядра. Этот процесс завершился к концу архея около 2,7—2,6 млрд лет назад; в это время все обособленные до этого континентальные массивы стремительно начали двигаться к одному из полюсов и объединились в первый на планете суперконтинент Мо-ногея. Ландшафты Земли изменились, контрастность рельефа не превышала 1—2 км, все понижения рельефа постепенно заполнялись водой и в позднем ар­хее образовался мелководный (до 1 км) единый Мировой океан.

В начале архея Луна удалилась от Земли на 160 тыс. км. Земля вращалась вокруг своей оси с большой скоростью (в году было 890 суток, а сутки продол­жались 9,9 ч). Лунные приливы амплитудой до 360 см деформировали поверх­ность Земли через каждые 5,2 ч; к концу архея вращение Земли существенно за­медлилось (в году стало 490 суток по 19 ч), а Луна перестала влиять на тектоническую активность Земли. Атмосфера в архее пополнилась азотом, угле­кислым газом и парами воды, но кислород отсутствовал, так как он мгновенно связывался свободным (металлическим) железом мантийного вещества, постоянно поднимавшегося через рифтовые зоны к поверхности Земли.

В протерозое за счет перераспределения конвективных движений под супер­континентом Моногея восходящий поток привел к его распаду (примерно 2,4—3,3 млрд лет назад). Последовавшие затем формирования и дробления супер­континентов Мегагеи, Мезогеи и Пангеи проходили с образованием сложнейших тектонических структур и продолжались вплоть до кембрия и ордовика (уже в палеозое). К этому времени масса воды на поверхности Земли стала настолько

большой, что уже проявилось в формировании более глубоководного Мирового океана. Океанская кора подверглась гидратации и этот процесс сопровождался усилением поглощения углекислого газа с образованием карбонатов. Атмосфера продолжала оставаться обедненной кислородом за счет продолжавшегося связыва­ния его выделявшимся железом. Этот процесс завершился только к началу фане­розоя, и с этого времени земная атмосфера стала активно насыщаться кислоро­дом, постепенно приближаясь к ее современному составу.

В этой новой ситуации произошла резкая активизация жизненных форм, об­мен веществ которых был построен на реакциях обратного окисления органиче­ских веществ, синтезируемых растениями. Так появились организмы царства жи­вотных, но это уже к концу кембрийского периода, в фанерозое, и это привело к возникновению всех типов скелетных и бесскелетных животных, сказавшихся на многих геологических процессах в поверхностной зоне Земли в последующие гео­логические эпохи. Геологическая эволюция фанерозоя изучена гораздо подробнее, чем другие эпохи, и можно коротко описать ее следующим образом. В это наибо­лее близкое нам время, как было выявлено, происходили трансгрессии и регрес­сии океана, глобальные изменения климата, в частности, чередование леднико­вых и практически безледниковых периодов, кстати, первым, как предполагается, на Земле было Гуронское оледенение в протерозое.

Процессы трансгрессий и регрессий океана при мощном развитии жизнен­ных форм, активная эродирующая деятельность ледников и эрозионная деятель­ность ледниковых вод привели к значительной переработке пород, слагавших по­верхностную зону земной коры, накоплению терригенного материала на океанском дне, седиментационным процессам накопления органогенного и хемо-генного материала в водных бассейнах.

Пространственное расположение материков и океанов постепенно менялось и было весьма различным относительно экватора: попеременно, то северное, то южное полушарие было континентальным или океаническим. Климат также не­однократно менялся, находясь в тесной связи с эпохами оледенений и межледни-ковий. Активно от палеозоя до кайнозоя (и в нем) происходили изменения глу­бин, температуры и состава вод Мирового океана; развитие жизненных форм привело к выходу их из водной среды и постепенному освоению суши, а также эволюции жизненных форм вплоть до известных. На основании анализа геологи­ческой истории фанерозоя следует вывод, что все главные рубежи (разделение геохронологической шкалы на эры, периоды и эпохи) в значительной степени обусловлены столкновениями и расколами материков в процессе глобального пе­ремещения «ансамбля» литосферных плит.