Планета Земля. Познакомьтесь с миром, который мы называем домом
Шрифт:
Эти включения содержат на удивление мало дейтерия – почти на 22 % меньше, чем в сегодняшней морской воде. То есть первоначально наша вода была очень бедна дейтерием – скорее всего, ее источником были не метеориты, потому что в метеоритах это соотношение изотопов водорода обычно выше. Из полученных результатов следует, что вода должна была возникнуть в облаке, сгущение которого привело к образованию Солнца и планет.
С этим выводом согласуются и теоретические исследования, согласно которым молекулы воды могли крепко цепляться за слипающиеся частицы пыли даже в условиях жаркого климата формирующейся Земли.
В последние годы ученые также обнаружили, что глубоко в недрах Земли содержится намного больше воды, чем можно было ожидать. Частично эта вода могла подняться наверх, на поверхность. По оценкам, объем внутреннего резервуара может в три раза
Есть и такие исследования, которые показывают, что этот резервуар – далеко не самый глубокий. В лавовых потоках найдены алмазы с включениями гидроксильных ионов, которые являются верным признаком наличия воды. Они образуются на глубине около 1000 километров, что говорит о возможности циркуляции воды в глубоких слоях мантии.
Беспокойная кора
Сейчас мы знаем, что Земля покрыта несколькими большими жесткими плитами, которые постоянно движутся и трутся друг о друга. Этот процесс зовется тектоникой плит, или платформ (см. главу 4). Земные породы постоянно перемешиваются и преобразуются, без этого у планеты не было бы стабильного климата, а также запасов нефти и минералов, от которых зависит наша жизнь.
Земля – единственная известная нам планета, на которой происходят тектонические процессы такого рода. Почему это так? Моделирование показывает, что для развития тектоники планета должна быть нужного размера: если она слишком мала, то ее литосфера – твердая часть коры и верхняя часть мантии – будет слишком толстой. Если же планета слишком большая, то ее гравитационное поле накрепко прижмет друг к другу любые плиты, удерживая их вместе. Должны выполняться и некоторые другие условия: породы на поверхности планеты не должны быть ни слишком горячими, ни слишком холодными, ни слишком влажными и ни слишком сухими.
Наши знания о том, какова могла быть кора у юной Земли, основаны на процессах, которые мы наблюдаем сегодня. Если говорить об океанической коре, то мы видим, что сейчас она формируется в срединно-океанических хребтах, где расплавленная порода из мантии вытекает наверх и распространяется по поверхности. Образуются породы, богатые твердым черным базальтом, – из таких пород состоят Гавайские острова, которые имеют вулканическое происхождение.
Другое дело – континентальная кора. Она, как правило, состоит из пород типа гранита, которые образуются при погружении базальта вглубь, его плавлении и дальнейшем преобразовании. Во время этих процессов гранит обогащается кремнеземом, алюминием и более легкими металлами. Гранит менее плотный, чем базальт, поэтому он располагается в мантии выше, чем океаническая кора.
Там, где встречаются эти два типа коры – например, на краях океанических бассейнов, – холодное и плотное дно океана вместе с большим количеством воды, грязи и ила погружается под более легкую континентальную кору и затем в мантию; этот процесс называется субдукцией.
Но вернемся к прошлому. Очень важно получить ответ на вопрос, когда и как литосфера треснула так, что часть коры впервые поднырнула и погрузилась под другую ее часть. Из-за неразберихи с гадейским периодом количество необходимых сведений остается весьма скудным. Но все же благодаря опубликованным в 2016 году геохимическим исследованиям цирконов и пород возрастом порядка 4 миллиардов лет, найденных в северо-западной части Канады, можно сказать, что в то время на поверхности Земли не было континентальной коры, а было нечто, больше похожее на базальтовую океаническую кору. Если это подтвердится, то тектоники плит в том виде, в каком мы ее знаем, во времена гадейского периода еще не было.
Бытует мнение, что Земля в течение первых 2 миллиардов лет обладала тонкой базальтовой коркой, погруженной в воду. Кое-где из воды выступали цепочки вулканов, и это была единственная суша на планете. Вулканы изрыгали водяной пар и газы, такие как углекислый газ, сернистый газ и хлористый водород, создавая плотную атмосферу.
Остается неясным, как именно появились первые трещины в этой коре. Шлейф горячего вещества из мантии мог пробить кору и сделать в ней первое отверстие; возможно, спусковым крючком послужил удар астероида или кометы: они могли пробить поверхностный слой и создать цепочку событий, которые привели в
Когда это произошло? Одна из оценок основана на исследованиях офиолитов – редких осколков древней океанической коры, которые не погружаются в мантию, а, наоборот, поднимаются в верхнюю часть континентальной коры в зоне субдукции. В 2007 году было проведено исследование офиолита из Гренландии, возраст которого оценен в 3,8 миллиарда лет. Эта оценка начала тектонической деятельности является самой древней.
Наблюдаем за другими мирами
С помощью наблюдений Ио, спутника Юпитера, мы можем понять, как у Земли появилась ее кора. Некоторые ученые считают, что на заповедной Земле клокотал океан магмы; по-видимому, все планеты прошли через эту фазу развития. Но как бурление магмы сменилось движением тектонических плит?
На Ио нет тектоники плит, но там много действующих вулканов, которые переносят тепло из внутреннего слоя на поверхность. Тепло выходит на поверхность через тепловые трубки – своеобразную систему вулканического теплоснабжения, которая перемещает горячую расплавленную породу, или магму, на поверхность через относительно узкие каналы. Лава, распространяясь по поверхности, охлаждается и образует новый слой коры, на который позже наслаивается вещество от более свежих извержений. Со временем с помощью тепловых трубок создается толстый верхний слой коры. На Ио эта кора очень мощная – она поддерживает горы высотой более 20 километров.
Уильям Мур из Университета Хэмптона в Вирджинии и Александр Уэбб из Университета штата Луизиана (Батон-Руж, США) построили модели тепловых трубок – вроде тех, которые существуют на Ио, – и применили их к процессам, происходящим на молодой Земле, чтобы исследовать состав возникающих при этом пород и поведение коры. Полученные результаты они сравнили с самыми древними породами, известными на Земле, включая алмазы и цирконы возрастом 3 и 4,3 миллиарда лет соответственно.
Ученые пришли к выводу, что пока Земле не исполнилось 3,2 миллиарда лет, она вполне могла успеть избавиться от избыточного тепла через систему тепловых трубок, подобных трубкам на Ио. Земля тогда представляла собой совершенно голый и пустынный мир, и только в некоторых местах на ее поверхность выходили эти трубки. Ученые предполагают, что Земля в конце концов настолько остыла, что тепловые трубки захлопнулись, в горячей мантии возникло напряжение и она оказалась запертой под колпаком у коры. Согласно этой версии событий, под действием напряжений, нарастающих в конвекционных потоках мантии, внешняя оболочка сломалась и начались тектонические процессы плит.
Как менялась наша планета
За последние 4,5 миллиарда лет абсолютно все на нашей планете – от атмосферы до ядра – претерпело очень сильные изменения. Даты могут меняться в зависимости от результатов новых исследований.
4,567 млрд лет назад
Солнечная система образуется из вращающегося газового облака.
4,55 млрд лет назад
Земля формируется как планета на 65 %.
4,53 млрд лет назад
Луна возникает в результате катастрофического столкновения.
4,4 млрд лет назад
Найденные цирконы указывают на то, что на Земле уже имеются твердая поверхность и жидкая вода.
4,29 млрд лет назад
Химические вещества, найденные в цирконах, предполагают наличие жизни.
4,28 млрд лет назад
Возраст самых древних целых пород, найденных на севере Квебека (Канада).
4,1–3,8 млрд лет назад
Земля и Луна подвергаются ударам последней метеоритной бомбардировки.
3,8 млрд лет назад
Офиолит из Гренландии как самое раннее подтверждение тектоники плит.
3,43 млрд лет назад
Первое свидетельство о бактериальной, или архейской, жизни.
3,4 млрд лет назад
По-видимому, уже существуют фотосинтезирующие бактерии.
2,8 млрд лет назад