734 (Происхождение земли)

Космонавты американского космического корабля «Аполлон» говорили, что, когда они были на Луне, Земля с голубой водой и белыми облаками была для них самым манящим объектом из всех, которые они могли наблюдать на небе. Их пристрастие понятно. Они знали из личного опыта, на что похожа эта планета, и могли перевести вид облаков, океанов и континентов в свой повседневный опыт—скажем, в морской бриз, накатывающий волны на освещенный солнцем берег.

Вероятно, то, что больше всего нравится людям на Земле, даже если они не могут выразить этого словами,— это картина постоянного движения. На Земле покой заметен благодаря своей редкости. Движение всюду — от постоянного смещения песчинок в дюнах, движения бактерий и других форм жизни до мощных колебаний в самой Земле, когда она дрожит во время землетрясения и после него.

Эта планета активна. В самом деле, она активна уже 4,6 млрд.-лет и не видно никаких признаков успокоения. Земная атмосфера, океаны, тонкая кора и глубокие недра находятся в движении с тех пор, как образовались. Жизнь является составной частью поверхности по меньшей мере в течение 4/5 истории планеты.

В процессе постоянной активности Земля в своей эволюции прошла через разные стадии, сохраняя в течение всего времени состояние динамического равновесия. Равновесие включает в себя обмен веществом и энергией между недрами, поверхностью, атмосферой и океанами. Исследования в области геологии с привлечением результатов геохимии, геофизики и палеонтологии показали, как происходила эволюция поверхностных слоев Земли. Эти знания, объединенные с устоявшейся теорией внутреннего строения Земли и гипотезами о движении внутренних слоев Земли, поставляют сведения для построения теории эволюции планеты.

Статья Камерона (см. «Образование и эволюция Солнечной системы») описывает процесс возникновения Земли и других планет путем конденсации определенных областей солнечного протопланетного облака. Первоначальное строение протопланетного облака и его структура в более поздний период выводятся из строения земных горных пород, горных пород, доставленных на Землю с Луны, метеоритов и атмосфер Земли, Марса, Венеры и Юпитера.

Появлению теории развития Земли больше всех способствовали исследователи, изучавшие постепенную конденсацию и аккрецию твердой планеты по мере того как она увлекала огромны^ .. ..'ичества малых частиц из протопланетного диска, из которого обра-зовалась-теперешняя Солнечная система. Так как планета росла, она начала нагреваться в результате совместного действия гравитационного сжатия, столкновений с метеоритами и нагревания, вызванного радиоактивным распадом урана, тория и калия, (Хотя калий обычно не считается радиоактивным элементом, 0,01 °/о этого элемента на Земле является радиоактивным изотопом калия-40.) В результате внутренние слои расплавились. Процесс расплавления можно назвать «железной катастрофой»; он включал в себя обширную перестройку всего тела планеты. Расплавленные капли железа и сопутствующих ему элементов оседали к центру Земли и там образовали расплавленное ядро, которое остается в значительной степени оасплавленным и сегодня.

По мере того как тяжелые металлы оседали к центру, легкие «шлаки» всплывали наверх — к внешним слоям, которые в настоящее время составляют верхнюю мантию и кору. Возникновению более легких элементов, таких, как алюминий и кремний и два щелочных металла, натрий и калий, сопутствовало образование радиоактивных тяжелых элементов урана и тория. Объяснение возникновения этих тяжелых элементов лежит в механизме, посредством которого атомы урана и тория образуют кристаллические соединения. Размер и химическое сродство атомов препятствуют тому, чтобы они образовывали плотные, компактные структуры, которые являются устойчивыми при высоких давлениях, существующих в глубоких недрах Земли. Следовательно, атомы урана и тория были «выжаты» и вынуждены переселяться вверх, в область верхней мантии и коры, где они легко подошли к более открытым кристаллическим структурам силикатов и окислов, находящихся в горных породах земной коры.

По мере того как внутри Земли произошла дифференциация на ядро, мантию и кору, вещество в верхних областях также расслаивалось на разные фракции, i Нижние слои коры состоят из базальтов и габбро — темных горных пород, в состав которых входят кальций, магний и соединения, богатые железом, главным образом силикаты. Они образовались в результате частичного расплавления и разделения более плотных веществ верхней мантии. Базальт и габбро сами подверглись дифференциации в результате кристаллизации и частичного плавления и так же, как более легкие жидкие вещества, были выдавлены через кору. В верхних слоях коры и на поверхности они затвердевали и образовывали такие более легкие горные породы вулканического происхождения, как гранит, обогащенные кремнием, алюминием и калием.

Вопрос о том, в какой степени эти процессы были завершены на ранней стадии, по мнению автора, остается нерешенным. Некоторые геологи утверждают, что значительная, а возможно, и большая часть гранитной коры была образована уже на этой стадии. Другие считают, что процесс мог едва начаться даже через 1 млрд. лет после образования Земли.

Одним из результатов разогревания внутренних слоев явилось начало вулканической деятельности и горообразования. Они привели не только к изменению формы поверхности, но и к громадным изменениям в строении внутренних слоев. В течение этого времени различные газы, которые вошли в состав планеты, когда она образовалась в результате аккреции, начали искать путь к поверхности. Среди них были углекислый газ, метан, водяной пар и газы, содержащие серу. Газы должны были течь к поверхности особенно интенсивно в период перестройки и дифференциации. Они оставались на поверхности, так как сила тяжести на Земле была достаточной для того, чтобы помешать всем газам, кроме самых легких (водорода и гелия) , уйти в окружающее пространство. Температура в то время должна была быть достаточно низкой и допускала конденсацию воды. Растворяясь в воде, другие газы вступали в химические реакции с такими элементами, как кальций и магний, которые выщелачивались из горных пород, когда выпадение дождей начало приводить к выветриванию. Если бы температура была выше, наличие плотной атмосферы с большим содержанием углекислого газа привело бы к установлению так называемого «парникового эффекта», который, по-видимому, возник на Венере, что привело к образованию горячей облачной атмосферы этой Планеты (с^. «Венера» Э. и Л.Янгов).

^По мере того как остывала поверхность Земли и в результате конденсации воды образовались океаны, процессы эрозии под действием ветра и воды начали действовать в основном так же, как они действуют и сейчас. Жидкая вода стала преобладающей формой переноса и перераспределения продуктов выветривания гор. Речные системы на поверхности являются видимыми следами сети, которая несла продукты выветривания к океанам, где большая их часть скапливалась в виде наносов осадочных отложений вдоль континентальных шельфов и континентальных выработ^^) Остатки осадочных отложений в результате оседания и движений мутьевых потоков распределились тонким слоем глубоко на дне океанов.

Некоторые геохимики и геофизики рассматривали несколько по-иному цепочку событий, которые привели к аккреции Земли из конденсирующегося солнечного протопланетного облака. В соответствии с этими воззрениями Земля и другие планеты являются продуктами постепенной конденсации солнечного протопланетного облака, в течение которой определенные тяжелые элементы, главным образом железо, кристаллизовались .первыми, в то время как более легкие части протопланетного облака находились еще в газообразном состоянии. В процессе аккреции ядро планеты будет обогащено железом в центре, а более легкие фракции будут располагаться последовательно в порядке, соответствующем порядку их кристаллизации из газа, собирающегося во внешних чаях по мере роста планеты.

Каков бы ни был механизм аккреции, история эволюции Земли на более поздней стадии (после первого миллиарда лет) в основном может быть восстановлена по записям,

которые содержат в себе горные породы коры. То, о чем они свидетельствуют, лучше всего может быть рассказано языком геологических «часов», которые начали идти в докембрийские времена. Наиболее старые из известных в настоящее время горных пород—это метамор-физованные осадочные и вулканические. горные породы, которым по содержанию радиоактивных элементов может быть приписан возраст около 3,7 млрд. лет. Они еще старше, чем очень старые горные породы, относящиеся к периоду времени, известному в геологии под названием архейского. Считается, что горные породы, относящиеся к этому периоду, имеют возраст более 2,2— 2,8 млрд. лет (возраст границы с более молодыми геологическими эпохами меняется в разных частях районов Земли с древними горными породами). Большинство «записей», содержащихся в горных породах, отрывочны, но они реальны, и никому больше не приходится полагаться на одни лишь соображения правдоподобия теории^

Оказывается, что горные породы архейской эры несколько отличаются от пород последующих периодов в том смысле, что в это время были распространены определенные их типы, а многие другие типы относятся к более поздним периодам. Среди архейских пород преобладают базальты и андезиты — вулканические породы, богатые железом и магнием при недостатке натрия и калия и относительно низком содержании кремниевых соединений. Песчаники и сланцы архейской эры образовались в результате выветривания и переработки этих вулканических пород. Здесь отсутствуют большие тела из гранита — породы, более богатой щелочами и кремниевыми соединениями. Такие отклонения в строении по отношению к более поздним породам наводят на мысль, что выделение гранитных пород в результате кристаллизации и частичного плавления пород с меньшим содержанием кремния продвинулось не настолько далеко, как это произошло позднее.

Архейские породы служат также подтверждением того, что характер тектонических явлений, т. е. горообразовательная активность, которая определила форму поверхности, отличался от современного. В настоящее время принято, что тектонические явления связаны с существованием больших плит литосферы (которая включает в себя кору и часть верхней мантии), движущихся над астеносферой (горячим, пластичным и, вероятно, частично расплавленным слоем мантии). Движущей силой являются движения в мантии, хотя точная природа этого движения • не определена. Геологическая активность землетрясений, вулканов и горообразования концентрируется вдоль границ плит.

Считается, что архейские породы очень рассеяны и дают мало информации, однако изучение наиболее старых архейских площадок в Канаде и площадок такого же возраста в Африке и Скандинавии не подтверждает того, что горообразование происходило там вдоль границ больших плит. Это подтверждает модель интенсивной деформации вдоль границ неправильных площадок гораздо меньшей протяженности, чем плиты. Многие геологи подозревают, что архейский период был временем, когда литосферная кора была очень тонкой, временем активной вулканической деятельности и столкновений между множеством маленьких тонких «плиточек» с возникновением «швов», или поясов сморщивания, спаивающих их вместе.

Хотя архейская эра заметно отличалась от современной тектоническим стилем и средним строением вулканических пород, она была похожа на современную всеми существенными процессами эрозии и осаждения на поверхности. Все отличительные признаки выветривания, механической переработки пород, переноса реками и осаждения в областях, где кора постепенно понижается и допускает скопления больших толщин осадочных пород, обнаруживаются в осадочных породах архейского периода. Это было показано более 30 лет назад Петтенд-жиллом из Университета Джонса Гоп-кинса, который изучал ранние докемб-рийские осадочные породы в районе озера Верхнее. Глядя на эти песчаники, сланцы и конгломераты, трудно найти какое-нибудь заметное различие между ними и относящимися к более позднему периоду, так как все это — затвердевшие эквиваленты современного гравия, песка и глины.

В настоящее время в эрозии и химическом разрушении пород принимают участие земные растения. Однако известно, что высшие растения на суше возникли не ранее чем через 2 млрд. лет после архейского периода, т. е. в середине палеозойской эры. Вероятно, до того, как возникли растения, на суше существовали более низшие формы, так же как они, несомненно, существовали и в море.

Доказательство существования морских водорослей в позднюю до-кембрийскую эпоху было получено несколько лет назад, когда палеоботаник Баргхорн из Гарвардского университета, работающий вместе с Таймером, специалистом по осадочным породам из Университета штата Висконсин, обнаружил микроскопические остатки морских водорослей в кремнистом сланце из Ганфлинта — плотной осадочной породе, состоящей из кремнезема. По содержанию радиоактивных элементов и периоду их полураспада было установлено, что возраст этого сланца порядка 2 млрд. лет. После этого другие органические структуры, которые похожи на остатки организмов, были обнаружены в еще более старых породах. Самая старая из них — кремнистый сланец из Свазиленда (Африка) — имеет возраст около 3,4 млрд. лет.

Эта работа по поиску свидетельств древней жизни является кропотливым трудоемким процессом. Тысячи образцов пород должны быть распилены на сверхтонкие пластины, а затем отполированы для того, чтобы их можно было изучать под оптическим и электронным микроскопами. Хотя органический углерод был обнаружен в старых породах задолго до открытия в упомянутых выше кремнистых сланцах, можно всегда предположить множество простых химических механизмов для объяснения этого. Полученное недавно доказательство существования характерных форм клеточной жизни в древние времена трудно опровергнуть.

Теперь о том, как возникла жизнь на Земле. Это рассказ о правдоподобных химических механизмах, которые следуют из определенных предположений о раннем химическом составе поверхности. Можно начать с возникновения ранней архейской атмосферы (образовавшейся в результате выхода газа из внутренних слоев), в которой преобладали вода, метан и аммиак. Свободный кислород отсутствовал, так как он является продуктом жизни, а не предшественником ее; Атмосфера могла также включать в себя заметные количества углекислого газа.

Существование и характер этой атмосферы связаны с тем фактом, что Земля меньше Юпитера и больше Луны. Юпитер способен удержать свой водород, который был самым обильным элементом в солнечном протопланет-ном облаке. Луна не могла удержать никакого газа

В воздушной оболочке Земли и под ней в поверхностных слоях моря и больших озерах было интенсивным ультрафиолетовое излучение Солнца. Поверхность не была защищена от ультрафиолета слоем озона, как сейчас, за неимением кислорода (02 ), из которого образовался бы озон (С)з). Высокая энергия ультрафиолетового излучения способствовала синтезу множества органических соединений, например аминокислот. Возможно, многие из этих соединений уже существовали там, поскольку теперь известно, что многие простые органические соединения присутствуют в межзвездном пространстве.