РАННИЕ СТАДИИ ФОРМИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ
Астероид ^
СиликатныйраСдЛав
Мелкие шарики расплавленного металла
^лавл^ногод, О0* —. ^
f
Металлические блоки расплавленного металла
ил
Ядро
Академик Михаил КУЗЬМИН, Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН (Иркутск)
Когда на нашей планете сформировалась первая континентальная кора? Каков был механизм этого процесса? Загадок здесь остается много, а пока высказываются лишь
более или менее доказательные предположения о том, какая же работа шла в гигантской природной лаборатории более 4 млрд лет назад и какие «ингредиенты» при этом использовались. Новейшие методы геохимической науки, появившиеся в последние годы, помогают ученым яснее представить картину
столь отдаленного прошлого.
Рис. 1. Модель образования ядра с «использованием» глубокого магматического океана (Wood, Walter, 2006; Wood, 2011).
£ 3
Переход 182Ш при распаде в 18^
Углистые хондриты
Металлическое ядро (Hf/W=0)
Отделение металлического ядра от силикатной мантии
-1-
Л-
10 20 30 40 30
Время (миллионы лет)
6(1
НА НОВОМ ЭТАПЕ ПОЗНАНИЯ
Еще недавно, в первой половине XX в., когда основной парадигмой геологии была концепция геосинклиналей, или, проще говоря, подвижных поясов Земли, считалось, что основная геологическая история планеты охватывает фанерозой (он включает палеозойскую, мезозойскую и кайнозойскую эры общей продолжительностью 540 млн лет, вплоть до настоящего времени). С появлением концепции тектоники плит* (60-е годы ХХ в.) началось изучение латеральных связей одновозрастных структур магматических и рудных образований. В связи с этим стало необходимо определить возраст формирования астеносферы** , являющейся источником магматических пород океана. Большое значение имели поиски наиболее древних пород офиолитовых комплексов***, когда-то слагавших пространства под океанами. Находки таких комплексов, сравнимых с современными породами под океаном, показали, что тектоника плит, аналогичная современной, начала «работать» на планете около 2 млрд лет тому назад.
В последнее время появились исследования астрофизиков, в которых рассматриваются вопросы начала образования Солнечной системы и ее планет. Предложены, в частности, гипотезы формирования Луны и проявления одновозрастных процессов в системе Земля-Луна в далеком прошлом.
*См.: М. Кузьмин, В. Ярмолюк, В. Кравчинский. Глубинная геодинамика — основной механизм развития Земли. — Наука в России, 2013, № 6 (прим. ред.).
"Астеносфера — слой пониженной твердости, прочности и вязкости в верхней мантии Земли, подстилающий литосферу. Верхняя граница на глубине от 200 и более километров под материками, от 40 км под срединными хребтами и до 100 км под дном океана, нижняя — на глубине 600 км (прим. ред.).
***Офиолитовые комплексы — ассоциация горных пород, встречаемых на континентах; считаются остатками древней океанической коры, сохранившейся в складчатых поясах Земли (прим. ред.).
Рис. 2. Изменение изотопного соотношения изотопов вольфрама, определенных в различных системах (металлическое ядро, углистые хондриты, силикатная мантия).
К сожалению, детальных работ, касающихся начала геологической истории Земли, отечественные геологи и геохимики пока не проводят. Данная статья — попытка на основе проработки самой новой литературы представить читателю ранние стадии образования и эволюции Солнечной системы. Они подразделяются на хаотичный эон (эпоху) и следующий за ним гаденский эон, в котором началось формирование внутренней структуры Земли — ядра, мантии и первой континентальной коры. Необходимо коснуться и начала архейского эона (общая его длительность с 4 до 2,5 млрд лет), когда формировались первые сохранившиеся породы континентальной коры — гранито-зелено каменные ассоциации.
Новые подходы к рассмотрению процессов возникновения нашей планеты были бы невозможны без совершенного научного инструментария. В последние десятилетия, когда в распоряжении геохимиков появились приборы для проведения локальных прецизионных количественных анализов — с их помощью определяется как содержание различных редких элементов, так и изотопов в конкретных точках мельчайших образцов пород и минералов, — начался новый этап в познании ранней истории Земли
ХАОТИЧНЫЙ ЭОН
Эта эпоха охватывает период от начала образования Солнечной системы из газопылевого протопланетного диска ~ 4,568 млрд лет назад до окончательного формирования Земли спустя ~100—150 млн лет (WЬod, 2011). Установлены временные ограничения хаотичного эона и главных событий внутри него. Сделано это на основе данных по короткоживущим изотопам, а также геохимическим характеристикам элементов, образовавшихся из туманности — прародителя Солнечной системы.
Состав солнечной туманности (как и подобных образований у молодых звезд) связан с Большим
Рис. 3. Образец из обнажения Джек Хиллс с кварцевой галькой в центре свидетельствует о значительных вариациях в размерах зерен (А); обнажение Джек Хиллс в западной Австралии, где гаденские зерна были впервые открыты (В); шлиф с вытянутой галькой кварца среди других мелких кластических зерен (кварц, слюда) с деформированными структурами (С); кристалл циркона RSES 96 15.10 (электронная микроскопия), на снимке показаны три различных возраста в едином зерне, определенных методом SHRIMP в Австралийском национальном университете. Кристалл содержит включения, которые изучаются (D) (Nebel et al., 2014).
взрывом, благодаря которому за счет ядерных реакций появились легкие элементы от водорода до лития, остальные химические элементы образовались в процессе звездного нуклеосинтеза (Хаин, 2003; Lauretta, 2010). Данные о них и их количестве можно получить по составу Солнца, 99% массы которого отвечает первичному составу туманности. По геохимическим характеристикам элементы следует подразделить на тугоплавкие, среди которых выделяются литофильные* — они имеют сродство с силикатами и концентрируются в мантии и земной коре. Сиде-рофильные ** же элементы накапливаются в ядре. Что касается летучих элементов, то они переходят в атмосферу, а часть из них образуют газ, «выталкиваемый» на периферию Солнечной системы и из нее.
Определенный тип метеоритов — углистые хондри-ты — отвечает «первичному» составу Земли, содержание химических элементов в них близко к составу Солнца, кроме летучих (кислород, углерод, азот) (Wood, 2011; Lauretta, 2010). Среди короткоживущих изотопов следует отметить гафний (182Hf) (литофиль-ный элемент), переходящий в вольфрам (182W) (си-дерофильный) с периодом полураспада 8,9 млн лет. «Родительский» радионуклид 182Hf окончательно распадается в системе через 50 млн лет. Большое значение для расплавления малых тел (метеоритов, асте-
*Литофильные элементы — группа химических элементов (всего их 53), слагающих основную массу минералов земной коры, литосферы и мантии Земли (прим. ред.).
**Сидерофильные элементы — группа 11 химических элементов, включающих семейство железа, платиновые металлы, а также молибден и рений; по геохимическим особенностям все они близки железу (прим. ред.).
роидов, эмбрионов планет) имеют радионуклиды железа (6^е переходящие в изотоп никеля (60№) с периодом полураспада 1,5 млн лет, и «родительский» радионуклид алюминия (26А1 «дочерним» элементом при распаде которого является изотоп магния (26Mg) с периодом полураспада 0,7 млн лет.
Возвращаясь к началу эволюции Солнечной системы, отметим, что в первые 1,5—2 млн лет в ней, благодаря летучим элементам, сформировался лед, служивший основным материалом для самых крупных планет — Юпитера и Сатурна. А вот районы образования планет земной группы были обеднены летучими элементами. В этой части Солнечной системы через 2 млн лет начали формироваться мелкие тела диаметром не выше 10 км, спустя 20—100 тыс. лет обособившиеся друг от друга. Столкновения приводили их к разрушению, но часть из них в результате коллизии «объединилась» в более крупные тела — эмбрионы планет. Примерно через 1 млн лет (т.е. через 3 млн лет после начала образования Солнечной системы) появились тела с массой ~1% массы Земли. С этого времени значительную роль играет энергия гравитации, способствовавшая росту эмбрионов — зародышей планет земной группы. Марс и большие астероиды сформировались примерно через 7 млн лет, 63% массы Земли образовались через 11 млн лет, а 93% ее массы — через 30 млн лет после начала формирования Солнечной системы.
Земля — высокодифференцированное космическое тело с металлическим (железо-никелевым) ядром и окружающей его твердой силикатной оболочкой — мантией. Дифференциация вещества планеты нача-
Рис. 4. Гистограмма локальных возрастов 207РЬ/206РЬ в образце RSES 96-15.10 из обломков цирконов обнажения Джек Хиллс, подвергнутых автоматическому анализу определения изотопов свинца на базе SHRIMPI и SHRIMP-Pg (Holden et al., 2009). Древний возраст охватывает интервал от 4,34 до 4,1 млрд лет (второй большой пик). Таким образом, гаденский эон — 4,5-4,1 млрд лет назад, максимальное формирование гаденской коры — 4,25 млрд лет.
В гаденско-архейское время отмечается 7 событий, когда происходит рециклинг гаденской коры.
Число анализов СО W СП о : Ъ MAAjJ Относительная вероятность
3100 3500 3900 4300 2O7Pb/206Pb аде
лась практически с самых ранних моментов ее образования, при зарождении эмбриона в процессе столкновения и слияния малых метеоритных тел. Благодаря короткоживущим радионуклидам (26Al, 60Fe, а в дальнейшем 182Hf), выделяющим при распаде большое количество тепла, эти тела частично расплавлялись, в них выделялись частички расплавленного железа, которые могли накапливаться в глубинах формирующихся планет. В дальнейшем, при столкновении с формирующейся планетой более крупных тел, ее силикатное вещество в связи с ударами плавилось, образовывались небольшие магматические (лавовые) бассейны. При высокой температуре и давлениях 20— 23 ГПа устанавливается равновесие между расплавом силикатов и железом и может происходить их разделение (Wood, 2011). Такие океаны (до 400 км глубиной) могут формироваться при столкновении с крупными астероидами. При столкновении же с телом по размеру близким к Марсу, ко
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.