Походження Землі. Еволюція надр
Давайте уявимо неймовірне. Наприклад, що б ми побачили, якщо земну кулю розколоти навпіл? Нашому погляду здалося б тіло, що складається з декількох концентричних оболонок, як би вкладених одна в іншу. Найбільш виразно виокремилися б три геосфери: літосфера, мантія і ядро.
Ідея про сферичному будову нашої планети була висловлена професором Геттінгенського університету Е. Віхерт в кінці XIX ст. На початку XX ст. видатний австрійський геолог Е. Зюсс запропонував виділяти п'ять оболонок Землі, кожній з яких було дано назву, виходячи з головуючих у ній елементів. Так були виділені Сіаль (Si + Al), сіма (Si + Mg), хрофесіма (Сї + Si + Mg), ніфесіма (Ni + Fe + Si + Mg) і ніфе (Ni + Fe).
Надалі ідея про внутрішню будову Землі отримала наукове обгрунтування. Глибокі свердловини і шахти дають можливість геологам вивчити лише саму верхню, найтоншу частину літосфери. Довгий час рекордною вважалася глибина, якої досягла свердловина в штаті Оклахома (США), - 9583 м. В даний час здійснюється програма вивчення надр країни за допомогою буріння надглибоких свердловин.
Набагато меншу глибину мають шахти. Максимальна глибина шахти в Південній Африці 3428 м. Якщо порівняти ці величини з середнім радіусом Землі, то виявиться, що навіть найглибша свердловина проникла в тіло Землі точно так само, як шпилькові уколи у товсту шкіру бегемота.
Але яким же чином геологи будують свої припущення про внутрішню будову Землі? Виявляється - завдяки застосуванню спеціальних геофізичних приладів і методів. Одним з головних є сейсмічний метод. Суть його полягає в наступному. На поверхні землі штучно (за допомогою вибухів) створюються пружні коливання, які поширюються углиб Землі. Чим щільніше середовище, тим вище швидкість; в рідинах ці пружні коливання майже не поширюються. Проходячи межу розділу двох середовищ з різною щільністю, сейсмічні хвилі частково відбиваються і повертаються назад на земну поверхню, де уловлюються спеціальними чутливими приладами. За повернулися на земну поверхню коливань можна відновити глибину залягання розділяє поверхні і навіть встановити фізичну природу середовища.
Про будову самої верхньої частини літосфери - земної кори - ми говорили вище. Нагадаємо, що континентальна кора складається з трьох шарів: осадового, гранітно-метаморфічного і базальтового. У океанічної корі повністю відсутня гранітно-метаморфічних шар, а потужність базальтового в кілька разів менше, ніж під континентами.
Земна кора відокремлюється від нижчого шару поверхнею з істотно різною швидкістю поширення пружних хвиль. На великих глибинах базальти можуть перебувати в розплавленому стані. Цей ослаблений шар, близький до плавлення або навіть зі тримає розплави легкоплавких порід і залягає під літосферою, носить назву астеносфери. Завдяки пластичності астеносфери, що лежать вище її тверді блоки (плити) кори можуть ковзати по ній. Її існування було виявлено Б. Гутенбергом щодо зменшення швидкостей поширення пружних хвиль. Тому нерідко астеносферу називають шаром Гутенберга. Під континентами астеносфера розташовується на глибині 120-250 км, а під океанами - на глибині 30-60 км. Однак під осями серединно-океанічних xpебтов вона нерідко підходить близько до поверхні дна.
Залягає під астеносферою шар поширюється до глибин близько 400 км. При переході цієї межі швидкість сейсмічних хвиль різко зростає. Цей шар разом з астеносферою і частково літосферою, розташованої під земною корою, називається верхньою мантією Як припускають вчені, вона складається з щільних темних порід - можливо, перидотитів, дуніт і еклогітах.
Середня мантія, або шар Голіцина, простягається до глибин 1000 км. У цьому шарі приблизно на позначці 700 км спостерігається ще одне зростання швидкості поширення сейсмічних хвиль. Це явище навіть зв'язується з подальшим ущільненням речовини. На нижній границі шару Голіцина швидкості поширення сейсмічних хвиль сповільнюються.
Нижня мантія залягає до глибини 2920 км. Далі розташовується земне ядро.
Зовнішня його частина, до позначки 4980 км, займає 15,16% обсягу та 29,8% маси всієї Землі. Вона добре пропускає поздовжні хвилі, але поперечні сейсмічні хвилі через неї не проходять. На цій підставі передбачається, що даний шар знаходиться в розплавленому-рідкому стані. Непрямим підтвердженням є наявність приливних коливань усередині Землі. Існують коливання Землі відносно осі її обертання з періодом близько 1,2 року.
Внутрішнє ядро має радіус 1250 км, близько 0,7% об'єму і 1,2% маси всієї Землі. Поздовжні сейсмічні хвилі проходять крізь ядро зі швидкостями 11,1-11,4 км / с. Однак факти проходження поперечних хвиль свідчать про те, що внутрішня частина ядра є твердим тілом, мабуть, близьким до розплавленого стану.
Таким чином, Земля являє собою складну систему. Це обертається навколо своєї осі і навколо Сонця товстостінний куля з внутрішньою порожниною, заповнений рідиною, в якій знаходиться невелике кулясте тверде ядро. Воно утримується в центрі системи силами тяжіння.
Наскільки вірні уявлення про склад порід, засновані на швидкостях проходження сейсмічних хвиль? Але, для того щоб перевірити це, необхідно повністю пробурити земну кору. Адже є на Землі місця, де межа Мохоровичича розташовується на глибині 5-10 км. Досягти цих глибин для сучасної бурової техніки не проблема.
Досягти загадкової мантії. Таку складну задачу поставили перед собою геологи. Однак спочатку вирішили проникнути в базальтовий шар. Було прийнято вважати, що він залягає досить близько від поверхні не тільки в океанах, а й у деяких частинах континентів. Зупинилися на Кольському півострові, де і була закладена перша в світі надглибока свердловина.
Кольська надглибока свердловина навіть зовні справляє незабутнє враження. Величезне надскважінное споруда нагадує собою високе заводське будівлю. Дійсно, це цілий завод, в якому зосереджені пристрої для підйому і опускання багатокілометрових труб, зроблених із спеціальної сталі. Процес буріння та зміна бурового інструменту здійснюються за допомогою електроніки. Свердловина досягла великих глибин, і вже саме по собі це велике технічне досягнення.
Результати буріння виявилися досить несподіваними. Там, де, за геофізичними даними, передбачалася наявність базальтового шару виходячи з різкої зміни швидкостей проходження хвиль, свердловина перетнула світлі архейські гнейси. Це сильно змінені, або метаморфізовані, гірські породи осадового або вулканічного походження з високим вмістом кремнезему і, що дуже важливо, одна з головних складових частин гранітного шару. Свердловина поглибилася за відмітку 12 км, але базальтів тут не виявилося. Невже це новий геологічний парадокс? Пропали базальти, що залягають під гранітно-метаморфічних шаром, добре зафіксовані за швидкостями проходження сейсмічних хвиль. Зник опорний шар, по якому будували свої висновки геофізики. Що ж тоді всі припущення геологів і геофізиків про будову глибоких частин земної кори були невірними ми? Ні, це не так. Надглибоке буріння ще раз показало, наскільки складні природні процеси і кап не просто побудовані глибокі частини нашої планети. У даному випадку різка зміна швидкостей хвиль пов'язане не з переходом від «гранітного» шару до «базальтовому», а з яких місце на великих глибинах розущільнення порід за рахунок утворення тріщин при вивільненні води з кристалічних граток мінералів під впливом високих тисків і температур.
Результати буріння змушують обережно ставитися до геологічної інтерпретації даних, одержуваних при геофізичних дослідженнях. Зараз треба враховувати, що підвищені швидкості поширення сейсмічних хвиль на глибині можуть бути викликані різними причинами. Тут відіграють роль не тільки збільшення щільності порід, але й існують тривалий час на великих глибинах всякого роду тектонічні порушення. У районі розташування свердловини на щільність порід вплинула наявність великої пологої тріщинуватості. При русі по її площині маса гірських порід сильно ущільнилася, а це відбилося на швидкості поширення сейсмічних хвиль.
Результати буріння спростували укорінена думка про розподіл температур в глибинах Землі. Раніше передбачалося, що в межах Балтійського щита і подібних йому регіонів збільшення температур з глибиною незначне. Очікувалося, що на позначці близько 7 км температура досягне 50 ° С, а на глибині близько 10 км - 100 ° С. У дійсності температура виявилася значно вище. До глибин 3 км температура збільшувалася на 1 ° С через кожні 100 м, що відповідало розрахунками. Але потім її приріст досяг 2,5 ° С на кожні 100 м, і, таким чином, на глибині 10 км температура виявилася рівною 180 ° С. Передбачається, що така висока температура повинна інтенсивному тепловому потоку, що йде від розігрітій мантії.
На глибинах 6,5-9,5 км виявлені зони низькотемпературного гідротермального зруденіння (мідні, свинцеві, цинкові і нікелеві), які раніше вважалися блізповерхностних утвореннями. У процесі буріння Кольської надглибокої свердловини виявлено гази і сильно мінералізовані води, насичені бромом, йодом і важкими металами. Гази представлені гелієм, воднем, азотом і метаном. Води і гази циркулюють в потужних зонах тектонічних порушень. Отримані відомості дають підстави вважати, що процеси рудоутворення, в яких беруть участь гази і мінералізовані води, на великих глибинах тривають.
Щоб вивчити глибинну будову Землі треба проводити геологічні дослідження в комплексі з бурінням надглибоких свердловин і різноманітними геофізичними спостереженнями.
Народження землі
Думка про можливі причини виникнення нашої планети хвилювала філософів ще в далекій давнині. Хоча перші уявлення грунтувалися на безпосередніх спостереженнях над природою, але в них чільну роль займали фантастичні вигадки. Тим не менш виникали ідеї, які й сьогодні вражають нас близькістю з нашими уявленнями про походження Землі.
Після важкої пори середньовічної епохи панування богослов'я відбулося відродження науки і техніки. Праці Леонардо да Вінчі, Миколи Коперника, Джордано Бруно, Галілео Галілея підготували грунт для появи прогресивних космогонічних ідей. Вони в різний час були висловлені Р. Декартом, І. Ньютоном, І. Кантом і П. Лапласом.
З моменту появи космогонічної теорії І. Канта і П. Лапласа походження Сонячної системи довгий час залишається предметом безперервних дискусій. Тривалий час панувала гіпотеза про конденсацію планет з розпечених згустків сонячних газів. Зараз встановлено, що спочатку нічого не було. Простір, час і речовина в нашому Всесвіті виникли близько 15 млрд. років тому в результаті Великого Вибуху. У міру розширення і остигання Всесвіту речовина початок розріджуватися, потім з гігантських туманностей стали утворюватися зірки й галактики. Наша планетна система з'явилася з холодного газопилової хмари, яке в далекому минулому існувало навколо Сонця. Атоми речовини, з яких складаються Сонце і планети, виникли при вибуху наднових зірок, а ці вибухи відбувалися в нашій Галактиці протягом принаймні 10 млрд. років. Велику цінність для наукової розробки гіпотез про походження нашої планети мають метеорити - прибульці з далекого космосу. Вивчаючи кам'яні і залізні метеорити, вчені отримують неоціненну інформацію, яку широко використовують в космогонічних уявленнях. В даний час до цих даних додалися відомості про хімічний склад порід Місяця, атмосфери і порід Марса і Венери. Виявилося, що хімічний склад метеоритів близький до середнього земній, а їхній вік, так само як і вік порід Місяця, визначається 4-5 млрд. років.
По крихтах, за окремими розрізненим фактами складалася наукова основа сучасних космогонічних гіпотез. Величезна роль в обгрунтуванні сучасної гіпотези походження Землі і Сонячної системи належить радянському вченому академіку О.Ю. Шмідту.
Вихідною речовиною для утворення Сонячної системи послужило газопилову хмара. Воно знаходилося в холодному дисперсному стані і містило в основному леткі компоненти: водень, гелій, азот, кисень, метан, вуглець і т. д. Первинне планетне речовина була однорідним, і його температура була низькою.
Внаслідок сил тяжіння міжзоряні хмари починали стискатися. Речовина ущільнювалося до стадії зірок, одночасно зросла його внутрішня температура. Рух атомів всередині хмари прискорювалося, і, зіштовхуючись один з одним, атоми іноді об'єднувалися. Виникали термоядерні реакції, в процесі яких водень перетворювався на гелій, при цьому виділялося величезна кількість енергії.
У страшному реві і вибухах, що супроводжували термоядерні реакції, в неприборкане буйстві стихій народилося древнє Сонце - протосонця. Його народження - це спалах наднової зірки, при якій випромінюється гігантська енергія. З протопланетного хмари в подальшому були створені планети, комети, астероїди та інші космічні тіла нашої Сонячної системи. Народження протосонця і протопланетного хмари, що мали досить високу температуру, відбулося близько 6 млрд. років тому.
Протягом кількох сотень мільйонів років протопланетной хмара остигало. З гарячого пароподібного хмари конденсувалися тугоплавкі елементи - вольфрам, титан, гафній, ніобій, молібден, платина і ін З'явилися пилоподібні тверді частки, і раніше розпечене хмара знову стало відносно холодним.
Приблизно 5,5 млрд. років тому з холодного планетного речовини виникли перші планети, в тій числі і первинна Земля. У цей час вона була космічним тілом, але ще не стала планетою, у неї не існувало ядра і мантії, і навіть твердих поверхневих ділянок. Протоземля представляла собою холодну скупчення космічного речовини. Під впливом гравітаційного ущільнення, нагрівання від безперервних ударів космічних тіл (комет і метеоритів) і виділення тепла радіоактивними елементами поверхню Протеземлі стала нагріватися. Про величину розігріву серед учених немає єдиної думки. На думку вченого В. Г. Фесенкова, речовина Протоземлі нагрівалося до 10000 ° С і внаслідок цього перейшло в расплавлении стан. За припущенням інших вчених, температура ледь досягала 1000 ° С (а деякі навіть заперечують можливість розплавлення речовини).
Диференціація речовини Протоземлі призвела до концентрації важких елементів у внутрішніх її областях, а на поверхні - більше легких. Це, у свою чергу, зумовило подальший поділ на ядро і мантію.
Земля не мала атмосфери відразу після утворення, Це пояснюється тим, що гази з протопланетного хмари були втрачені на перших стадіях освіти, оскільки тоді ще маса Землі не могла втримати легкі гази поблизу своєї поверхні.
Освіта ядра і мантії, а в подальшому і атмосфери завершило першу стадію розвитку Землі - догеологической або астрономічну. Земля стала твердою планетою. З цього моменту і починається її тривала геологічна еволюція.
Отже, 4-5 млрд. років тому на земній поверхні панували сонячний вітер, жаркі промені Сонця і космічний холод. Поверхня постійно було в бомбардуванні космічними тілами - від порошин до астероїдів. У надрах планети протікали бурхливі термоядерні і хімічні реакції. Енергія виділялася головним чином за рахунок радіоактивного розпаду, гравітаційної диференціації і різних фазових переходів речовини, що протікали при високому тиску.
Гравітаційна диференціація
Головною рушійною силою розшарування земної речовини і виділення тепла, крім радіоактивного розпаду, була гравітаційна диференціація. При цьому речовини, що володіють великою щільністю і масою, опускалися на глибину, а більш легкі як би спливали на поверхню. У результаті цього виникли оболонки, тобто починалося розшарування земної кулі.
Протягом тривалого часу усередині Землі накопичилося колосальну кількість тепла, що викликало часткове розплавлення надр. У внутрішніх частинах Землі концентрувалися важкі елементи і з'єднання, а на периферії скупчувалися порівняно легкі. Це в кінцевому підсумку призвело до поділу земних надр на ядро і мантію. Ядро Землі в основному складається із заліза і нікелю, а в мантії переважають силікати. У нижній мантії речовина в даний час знаходиться в особливому, щільному кристалічному стані і має дуже високу температуру плавлення.
Яким же чином здійснюється подальше перемішування легких і важких речовин при їх гравітаційної диференціації? І, взагалі, чи відбувається воно в даний час?
Під дією тепла відбувається переміщення речовини і в мантії розвиваються повільні конвективні течії. У різних шарах речовини утворюються певні осередки. В одних частинах осередків здійснюється підйом речовини, а в інших - опускання.
Найпростішою є конвективна осередок, що охоплює всю мантію з одним центром підйому речовини з мантії і з одним центром опускання. У цьому випадку рух літосферних плити по горизонталі походить від місця підйому гарячої речовини до місця його опускання. З плином часу континентальні літосферні блоки повинні поєднуватися один з одним навколо місця опускання. У такому випадку навколо центру підйому гарячого мантійного речовини повинна розташовуватися океанічна літосфера. У результаті дії одноячеістой конвекції в кінці палеозойської ери утворилася Пангея - гігантський материк.
Більш складна ситуація обумовлюється парою конвективних осередків. Вони можуть бути відкритими, з двома приблизно протилежними полюсами опускання речовини й із зоною підйому, розташованої приблизно між ними. Тут утворюється глобальна зона розтягування з ланцюжком серединно-океанічних хребтів, а континенти збираються двома групами.
Така картина спостерігається в сучасну епоху, Одну групу континентів утворюють Африка, Східна Європа та Австралія, а іншу - Північна та Південна Америка і Антарктида. Вони поділяються глобальною системою серединно-океанічних хребтів. Саме по собі уявлення про існування конвективних осередків у мантії сучасної Землі не є єдино правильним і можливим. Воно зустрічає безліч заперечень, і навколо цієї проблеми до цих пір ведуться дискусії,
Сепарація речовини в надрах Землі протікає досить повільно, але за тривалу історію мантійних матеріал безліч разів здійснював повний кругообіг, Відлунням грандіозних явищ і подій, що відбуваються на глибинах, є бурхлива вулканічна діяльність, сильні землетруси. За рахунок глибинних процесів рухаються літосферні плити, утворюються гірські масиви, змінюється рівень Світового океану, відбуваються і інші грандіозні геологічні явища.
Відповідь на друге питання, чи відбувається перемішування легких і важких речовин в глибинах Землі, буде позитивним, оскільки в іншому випадку наша планета залишалася б млявої, не відбувалися б жодні внутрішні процеси - вулканізм, землетруси та ін
Під час розрахунків гравітаційної диференціації враховується, що мантийное речовина веде себе як тверде тіло, але тільки в тому випадку, коли воно відчуває короткочасну і швидко змінюється навантаження. При тривалому постійному навантаженні мантія набуває властивостей пластичності й плинності, як це, наприклад, буває з льодами. Мантія Землі діє як гігантський гравітаційний сепаратор (елімінатор). З її допомогою доставляються до кордону ядро - мантія все нові і нові порції речовини. Опускаючись згори, більш тяжкі з них (наприклад, залізо) залишаються на цій межі, а більш легкі висхідними гарячими потоками як би спливають і повертаються у верхні шари Землі - в літосферу.
Гравітаційна диференціація збільшує концентрацію маси у міру руху до центру Землі, але при цьому потенційна енергія всієї Землі зменшується. У результаті такого процесу звільняється величезний обсяг енергії. Це найпотужніший джерело виділення енергії всередині Землі. З моменту свого зародження до теперішнього часу цей енергетичний джерело дало 1,61 * тисячі тридцять дві Дж.
Теоретичні розрахунки показали, що маса ядра спочатку зростала повільно, але з плином часу швидкість збільшувалася і, нарешті, згідно з розрахунками радянських вчених А. С. Монина та О. Г. Сорохтіна, досягла максимуму 1,4 млрд. років тому під час готської тектономагматіческой епохи. З цього часу зростання ядра став сповільнюватися. Передбачається, що через 1,5 млрд. років маса ядра досягне 99% максимально можливого розміру.
Іншим енергетичним джерелом всередині Землі є радіоактивність. При розпаді радіоактивних елементів виділяється величезна кількість тепла масштаби якого оцінити досить важко. А. С. Монин, враховуючи гравітаційну диференціацію і довгоживучі радіоактивні ізотопи, оцінює сумарний тепловиділення усередині Землі за період 4,6 млрд. років величиною 2,5 * 1 032 Дж. Частина цього тепла випромінюється в космос (близько 1022 Дж). Ця величина виведена умовно виходячи з підрахунку потужності геотермічного потоку. За весь час існування Земля випроменить у простір 0,45 * один тисячі тридцять два Дж.
Виникнення Земної кори
Земна кора істотно різниться під океанами і на континентах. Протягом тривалої історії Землі діяли два протилежних механізму: процеси розмиву, ерозії речовини і процеси накопичення. Щорічно ріки виносять в океани близько 18,5 млрд. т твердої речовини у вигляді суспензії і близько 3,2 млрд. т в розчиненому стані, льодовики та вітер - відповідно 1,5 і 1,6 млрд. т. Чимала роль в утворенні опадів належить і організмам. Оцінюючи загальну кількість осадового матеріалу, знесеного з континентів в океани, за весь час існування Землі, ми отримаємо величезну величину. Виявляється, за 4 млрд. років у водних басейнах повинні були накопичитися осадові породи загальною масою 10,8 * 108 трлн. т і тоді осадовий шар земної кори мав би середню товщину 120 км. Однак сучасна земна кора, що складається з осадових, метаморфічних і вивержених порід, має середню товщину 30-33 км, а маса осадових порід складає близько 4,7 * 107 трлн. т. Якщо розрахунки правильні, а вони проведені багатьма радянськими і закордонними вченими, то очевидно, що значна частина осадових порід в процесі еволюції Землі кудись зникає. Отже, діють якісь ефективні механізми їх перетворення не тільки в метаморфічні, але і в вивержені породи. Частина осадових порід, мабуть, йде з земної кори в надра планети в місцях зіткнення літосферних плит, які детально розглядаються нижче.
У місцях розсування літосферних плит, в океанічних рифтових зонах, утворюються зяючі тріщини розриву, що заповнюються застиглими кристалічними речовинами, що піднімаються з астеносфери. Це базальтова магма, з якої формується однойменний шар океанічної кори. Верхня його частина складається з застиглих під водою подушкові лав. Вони за зовнішнім виглядом нагадують застиглих у химерної формі величезних китів, а іноді слонячі хоботи. Нижня частина базальтового шару представляє собою тісно притиснуті один до одного дайки дрібнокристалічних базальтів. Кожна така Дайка колись слугувала подводящим каналом, завдяки якому на океанічне дно виливалися лави. Загальна потужність базальтового шару становить 2 км. Нижче розташовується шар вивержених порід, габро і серпентинітів. Породи океанічної кори насичені водою. Так, наприклад, в серпентинітів міститься до 10% зв'язаної води. Процес гідратації супроводжується виносом з породи кремнезему, кальцію, магнію, сульфідів заліза і деяких рудних елементів і одночасним привносимо калію, натрію й інших елементів.
Континентальна кора, згідно з концепцією тектоніки літосферних плит, формується головним чином у зонах зсуву літосферних плит за рахунок переробки самої океанічної кори і знаходяться на ній осадових утворень. Не тільки інтенсивність магматизму в зонах зсуву в десятки разів вище, ніж в областях розсування, але і сам склад вивержених порід тут суттєво іншою. Основна роль належить середнім і кислим породам - діоритів, гранодіоритами, а в місцях насування острівних дуг на окраїни континентів - гранітоїдів.
Які у зонах зсуву плит (деякі вчені, визнаючи розсування плит як спрединг, скептично ставляться до існування зсуву) процеси дегідратації і часткового плавлення океанічної кори розвиваються по дуже складним і багатоступеневим схемами.
Література
1. Аугуста І., Буріан З. Шляхи розвитку життя. - Прага, 1959
2. Вологдін А.Г. Земля життя. - М., 1996
3. Гаврилов В.П. Подорож в минуле Землі. - М., 1976
4. Келдер Н. Неспокійна Земля. - М., 1995
5. Немков Г.І. Історична геологія з елементами палеонтології. - М., 2002