Современные концепции развития геосферных оболочек

Разработка концепции глобальной эволюции Земли позволила представить развитие геосферных оболочек.

Каждый новый шаг в осмыслении возникновения, эволюции и развития (коренных преобразований) геосферных оболочек требует четкого выделения тех динамических факторов, которые детерминируют геологические события. В этом состоит суть, главное содержание концепции глобальной эволюции Земли.

Следует отметить, что Земля стала тектонически активной далеко не сразу, а лишь после ее разогрева, который из-за наличия приливных сил (высота волн прилива достигала 1 км) оказался наибольшим в приповерхностныхслояхпланеты.

Тепловая энергия поверхности планеты постепенно разогревала все ее вещество, переводя его в расплавленное состояние. Вещества Земли, обладавшие наибольшей плотностью, стали диффундировать в центр планеты.

В первичном веществе Земли содержалось много железа (около 13%) и его двухвалентной окиси (около 24%). Железо появилось отчасти за счет межзвездной материи, из которой образовалась Земля, и захвата ею метеоритов, в которых содержится около 30% железа.

Стекание железа и его окислов в центр планеты привело к образованию ядра Земли. Более легкие вещества (диоксид кремния SiO2, оксид магния МgО и др.) при этом переходили в верхние слои планеты, где они, остывая, образовывали астеносферу и литосферу.

Итак, было время (4,6–4,0 млрд лет назад), когда Земля не была дифференцирована на оболочки. Все геосферные оболочки являются результатом дифференциации вещественного состава первичной Земли. Атмосфера оказывает давление на литосферу и гидросферу, две последние упруго сжимают мантию планеты, которая в свою очередь спрессовывает ядро Земли.

Если же идти от центра планеты к ее периферии, то динамическая картина оказывается другой. Ядро Земли притягивает к себе веществовсехдругихгеосферныхоболочек, охватывает их обручем инициированного им магнитного поля, нагревает мантию и литосферу.

Мантия Земли передает мощные потоки тепловой энергии литосфере, раздвигает океанское дно и перемещает литосферные плиты. Литосфера и гидросфера оказывают тепловое воздействие на атмосферу; выветриваясь и испаряясь, они передают ей также огромные массы вещества.

Таким образом, геодинамическая активность также имеет свою историю: она находится в полном соответствии с историей эволюции геосферных оболочек.

Рассмотрим в свете концепции глобальной эволюции Земли историю основных геосферных оболочек.

Ядро Земли. Формирование ядра Земли началось примерно 4,6 млрд лет назад. Расчеты показывают, что особенно интенсивным оно было 3–2,6 млрд лет тому назад. Позже темпы наращивания массы земного ядра начали резко, а потом плавно убывать. В наши дни масса ядра увеличивается, согласно расчетам, на 130 млрд т в год.

“Металлическое железо” покинуло мантию Земли примерно 500 млн лет тому назад, оставшийся в ней магнетит (Fe3O4) распадается по схеме 2Fе3О4 → 6FеО + О2, при этом магнетит переходит во внешнее ядро Земли. Остывание Земли привело к частичному пли полному затвердеванию как ее мантии, так и ядра.

Мантия Земли по своему вещественному составу наиболее близка к составу первичного вещества Земли. Тем не менее именно в ней процессы химико-плотностной дифференциации идут наиболее энергично: на протяжении 4 млрд лет она проходит все новые стадии своего вещественного обеднения.

Тяжелое вещество уходит к центру планеты — в ее ядро. Легкие элементы перемещаются в лито-, атмо- и гидросферу. Из мантии Земли полностью исчезли сернистое железо, железо Fе, никель Ni. По сравнению с составом первичной Земли она существенно обеднела легкими веществами (оксиды калия и натрия КО, NaО, азот N2, водород Н₂ и др.).

Вместе с тем происходящая в мантии химико-плотностная дифференциация приводит к росту процентного содержания окислов кремния (SiO2) и магния (МgО). В сумме эти два окисла образуют около 83% состава современной мантии (против 57% в составе первичного вещества Земли).

Современная мантия охвачена мощными конвективными движениями, за счет которых тепловая энергия ядра и мантии передается другим геосферным оболочкам.

Теплопотери Земли приведут к ее остыванию и переходу мантии в твердое, литосферное состояние.

Ее формирование началось 4–3,5 млрд лет тому назад. Около 2 млрд лет ушло на формирование суперконтинента Пангеи. Последующая тектоническая деятельность Земли привела к раскалыванию Пангеи и образованию новых суперконтинентов.

Современная история литосферы связана прежде всего с тектоникой океанических плит. При раздвижении литосферы вещество астеносферы внедряется в разломы рифтовых зон и, охлаждаясь, образует молодую океаническую литосферу.

Океаническая кора способна надвигаться на концы континентальных плит, в результате чего образуются складчатые структуры. Обломки океанических литосферных плит, увлекаясь мантийными потоками, опускаются вплоть до ядра Земли, перемешиваются с другим мантийным веществом и вновь поднимаются на поверхность.

Так осуществляются циклы тектонической деятельности. В далеком будущем непременно произойдет их замедление вплоть до полной остановки.

Гидросфера. Молодая Земля была лишена гидросферы. Последняя появилась благодаря дегазации Земли, инициируемой изливавшимися на ее изначальную поверхность мантийными расплавами, которые, попав в условия с минимальным давлением, вскипали (как известно, температура кипения тем ниже, чем меньше давление) и выделяли летучие вещества, в том числе пары воды.

Чем сильнее нарастали конвективные явления в мантии, тем чаще и в большей массе извергались на поверхность Земли потоки магмы, тем больше становился объем первоначально неглубокого океана.

Из-за поглощения части воды океанической, а также континентальной корой глубина океана увеличивалась медленно. И лишь после полного насыщения водой слоя океанической коры около 2,2 млрд лет назад дно океана стало быстро опускаться (до средней глубины современного Мирового океана).

Наибольший приток воды происходил в период охвата конвективными движениями всей мантии Земли, т. е. около 2,6 млрд лет назад. Приток воды в Мировой океан имеет место и в наши дни, он будет продолжаться и в дальнейшем.

Ослабление тектонической активности Земли, остывание ее мантии, образование в связи с этим особо глубоких океанических впадин и поглощение части воды глубоко залегающими осадочными породами океанической литосферы приведет к тому, что будут вновь видны срединно-океанические хребты.

Атмосфера. Согласно концепции глобальной эволюции Земли история атмосферы связана с дегазацией планеты не меньше, чем история гидросферы. Полагают, однако, что уже на ранних этапах своей эволюции (4,7–4 млрд лет назад) Земля, еще не приобретя гидросферы, уже обладала атмосферой, но крайне разреженной.

Подлинным динамическим источником атмосферы Земли оказалась ее начавшаяся активная дегазация (4 млрд лет назад). Около 3 млрд лет назад Земля была окутана плотной, состоящей в основном из азота (N) и углекислого газа (СО₂), атмосферой с давлением до 4 атм. Последующая история Земли связана в основном со своеобразной “заменой” углекислого газа на кислород.

Насыщение слоя океанической коры водой сопровождалось связыванием углекислого газа в карбонатах (доломитах). Можно показать, что при избытке углекислого газа в атмосфере реакции гидратации сопровождаются его связыванием в карбонатах.

Это привело к “извлечению” углекислого газа из атмосферы, его парциальное давление снизилось почти до современного. Обеднение атмосферы углекислым газом, который задерживает инфракрасное (тепловое) излучение Земли, привело к резкому снижению приземной температуры (с 90 до 6 °С). Сопровождалось это (2,4 млрд лет назад) грандиозным оледенением.

Активную роль в извлечении углекислого газа из атмосферы сыграли также зеленые растения и фотосинтезирующие микроорганизмы. Речь идет о процессе фотосинтеза, суммарное выражение которого, как известно, выглядит следующим образом:

6 СО2 + 6 Н2 hv хлорофилл С6Н12О6 + 6 О2 (фотосинтез проходит с участием хлорофилла).

Насыщение атмосферы кислородом происходило также благодаря фотолизу паров воды под воздействием коротковолнового излучения Солнца и галогенизации (галогенами являются хлор и фтор) окислов щелочных и щелочноземельных металлов:

Nа2О + 2С1 → 2 NaС1 + О; 2 СаО + 2F2 → 2СаF2 + О.

Далеко не весь кислород переходил непосредственно в атмосферу. Его мощным поглотителем являлось свободное железо:

3Fе + 2О₂ → Fе₃О₄.

Свободное железо исчезло из мантии Земли около 600 млн лет назад. Это способствовало росту выхода кислорода в атмосферу, что благоприятствовало быстрому развитию многоклеточных организмов.

В современных условиях выделяющийся в мантии кислород частично поглощается:

4FеО + О2 → 2Fе2O3.

Расчеты показывают, что через 600 млн лет содержащееся в мантии железо окажется в состоянии магнетита (Fe3O4). Магнетит устойчив в мантии, но при переходе в ядро Земли он распадается:

2Fе3O4 → 6FеО + О2.

Подводя итог, отметим, что с позиции концепции глобальной эволюции Земли развитие геосферных оболочек связано главным образом с динамическими факторами. Среди них наиглавнейшим является энергия, выделяемая при химико-плотностной дифференциации вещества в мантии и ядре Земли.

Энергетика Земли определяется в первую очередь тем, что происходит внутри нее. Механизм химико-плотностной дифференциации вещества определяет как само наличие геологических явлений, так и их специфику.