Мысль о возможных причинах возникновения нашей планеты волновала философов еще в глубокой древности. Хотя первые представления основывались на непосредственных наблюдениях над природой, но в них главенствующую роль занимали фантастические вымыслы. Тем не менее возникали идеи, которые и сегодня поражают нас близостью с нашими представлениями о происхождении Земли.
После тяжелой поры средневековой эпохи господства богословия произошло возрождение науки и техники. Труды Леонардо да Винчи, Николая Коперника, Джордано Бруно, Галилео Галилея подготовили почву для появления прогрессивных космогонических идей. Они в разное время были высказаны Р. Декартом, И. Ньютоном, И. Кантом и П. Лапласом.
С момента появления космогонической теории И. Канта и П. Лапласа происхождение Солнечной системы долгое время остается предметом непрекращающихся дискуссий. Длительное время господствовала гипотеза о конденсации планет из раскаленных сгустков солнечных газов. Сейчас установлено, что вначале ничего не было. Пространство, время и вещество в нашей Вселенной возникли около 15 млрд. лет назад в результате Большого Взрыва. По мере расширения и остывания Вселенной вещество начало разрежаться, затем из гигантских туманностей стали образовываться звезды и галактики. Наша планетная система появилась из холодного газопылевого облака, которое в далеком прошлом существовало вокруг Солнца. Атомы вещества, из которых состоят Солнце и планеты, возникли при взрыве сверхновых звезд, а эти взрывы происходили в нашей Галактике на протяжении по крайней мере 10 млрд. лет. Большую ценность для научной разработки гипотез о происхождении нашей планеты имеют метеориты — пришельцы из далекого космоса. Изучая каменные и железные метеориты, ученые получают неоценимую информацию, которую широко используют в космогонических представлениях. В настоящее время к этим данным добавились сведения о химическом составе пород Луны, атмосферы и пород Марса и Венеры. Оказалось, что химический состав метеоритов близок к среднему земному, а их возраст, так же как и возраст пород Луны, определяется 4—5 млрд. лет.
По крупицам, по отдельным разрозненным фактам складывалась научная основа современных космогонических гипотез. Огромная роль в обосновании современной гипотезы происхождения Земли и Солнечной системы принадлежит советскому ученому академику О.Ю. Шмидту.
Исходным веществом для образования Солнечной системы послужило газопылевое облако. Оно находилось в холодном дисперсном состоянии и содержало в основном летучие компоненты: водород, гелий, азот, кислород, метан, углерод и т. д. Первичное планетное вещество было однородным, и его температура была низкой.
Вследствие сил тяготения межзвездные облака начинали сжиматься. Вещество уплотнялось до стадии звезд, одновременно возросла его внутренняя температура. Движение атомов внутри облака ускорялось, и, сталкиваясь друг с другом, атомы иногда объединялись. Возникали термоядерные реакции, в процессе которых водород превращался в гелий, при этом выделялось огромное количество энергии.
В страшном реве и взрывах, сопровождавших термоядерные реакции, в неукротимом буйстве стихий родилось древнее Солнце — Протосолнце. Его рождение — это вспышка сверхновой звезды, при которой излучается гигантская энергия. Из протопланетного облака в дальнейшем возникли планеты, кометы, астероиды и другие космические тела нашей Солнечной системы. Рождение Протосолнца и протопланетного облака, имевших довольно высокую температуру, произошло около 6 млрд. лет назад.
В течение нескольких сот миллионов лет протопланетное облако остывало. Из горячего парообразного облака конденсировались тугоплавкие элементы — вольфрам, титан, гафний, ниобий, молибден, платина и др. Появились пылевидные твердые частицы, и ранее раскаленное облако вновь стало относительно холодным.
Приблизительно 5,5 млрд. лет назад из холодного планетного вещества возникли первые планеты, в той числе и первичная Земля. В это время она была космическим телом, но еще не стала планетой, у нее не существовало ядра и мантии, и даже твердых поверхностных участков. Протоземля представляла собой холодное скопление космического вещества. Под влиянием гравитационного уплотнения, нагревания от беспрерывных ударов космических тел (комет и метеоритов) и выделении тепла радиоактивными элементами поверхность Протеземли стала нагреваться. О величине разогрева среди ученых нет единого мнения. По мнению ученого В. Г. Фесенкова, вещество Протоземли нагревалось до 10000°С и вследствие этого перешло в расплавлении состояние. По предположению других ученых, температура едва достигала 1000°С (а некоторые даже отрицают возможность расплавления вещества).
Дифференциация вещества Протоземли привела к концентрации тяжелых элементов во внутренних ее областях, а на поверхности — более легких. Это, в свою очередь, предопределило дальнейшее разделение на ядро и мантию.
Земля не имела атмосферы сразу после образования, Это объясняется тем, что газы из протопланетного облака были потеряны на первых стадиях образования, поскольку тогда еще масса Земли не могла удержать легкие газы вблизи своей поверхности.
Образование ядра и мантии, а в дальнейшем и атмосферы завершило первую стадию развития Земли — догеологическую или астрономическую. Земля стала твердой планетой. С этого момента и начинается ее длительная геологическая эволюция.
Итак, 4—5 млрд. лет назад на земной поверхности господствовали солнечный ветер, жаркие лучи Солнца и космический холод. Поверхность беспрерывно подвергалась бомбардировке космическими телами — от пылинок до астероидов. В недрах планеты протекали бурные термоядерные и химические реакции. Энергия выделялась главным образом за счет радиоактивного распада, гравитационной дифференциации и различных фазовых переходов вещества, протекавших при высоких давлениях.
Гравитационная дифференциация
Главной движущей силой расслоения земного вещества и выделения тепла, кроме радиоактивного распада, была гравитационная дифференциация. При этом вещества, обладающие большой плотностью и массой, опускались на глубину, а более легкие как бы всплывали на поверхность. В результате этого возникли оболочки, т. е. начиналось расслоение земного шара.
В течение длительного времени внутри Земли скопилось колоссальное количество тепла, что вызвало частичное расплавление недр. Во внутренних частях Земли концентрировались тяжелые элементы и соединения, а на периферии скапливались сравнительно легкие. Это в конечном итоге привело к разделению земных недр на ядро и мантию. Ядро Земли в основном состоит из железа и никеля, а в мантии преобладают силикаты. В нижней мантии вещество в настоящее время находится в особом, плотном кристаллическом состоянии и имеет очень высокую температуру плавления.
Каким же образом осуществляется дальнейшее перемешивание легких и тяжелых веществ при их гравитационной дифференциации? И, вообще, происходит ли оно в настоящее время?
Под действием тепла происходит перемещение вещества и в мантии развиваются медленные конвективные течения. В различных слоях вещества образуются определенные ячейки. В одних частях ячеек осуществляется подъем вещества, а в других — опускание.
Самой простой является конвективная ячейка, охватывающая всю мантию с одним центром подъема вещества из мантии и с одним центром опускания. В этом случае движение литосферной плиты по горизонтали происходит от места подъема горячего вещества к месту его опускания. С течением времени континентальные литосферные блоки должны объединяться друг с другом вокруг места опускания. В таком случае вокруг центра подъема горячего мантийного вещества должна располагаться океаническая литосфера. В результате действия одноячеистой конвекции в конце палеозойской эры образовалась Пангея — гигантский материк.
Более сложная ситуация обусловливается парой конвективных ячеек. Они могут быть открытыми, с двумя приблизительно противоположными полюсами опускания вещества и с зоной подъема, расположенной примерно между ними. Здесь образуется глобальная зона растяжения с цепочкой срединно-океанических хребтов, а континенты собираются двумя группами.
Такая картина наблюдается в современную эпоху, Одну группу континентов образуют Африка, Евразия и Австралия, а другую — Северная и Южная Америка и Антарктида. Они разделяются глобальной системой срединно-океанических хребтов. Само по себе представление о существовании конвективных ячеек в мантии современной Земли не является единственно правильным и возможным. Оно встречает множество возражений, и вокруг этой проблемы до сих пор ведутся дискуссии,
Сепарация вещества в недрах Земли протекает довольно медленно, но за длительную историю мантийный материал множество раз совершал полный кругооборот, Отзвуком грандиозных явлений и событий, происходящих на глубинах, являются бурная вулканическая деятельность, сильнейшие землетрясения. За счет глубинных процессов движутся литосферные плиты, образуются горные массивы, меняется уровень Мирового океана, происходят и другие грандиозные геологические явления.
Ответ на второй вопрос, происходит ли перемешивание легких и тяжелых веществ в глубинах Земли, будет положительным, поскольку в противном случае наша планета оставалась бы безжизненной, не происходили бы никакие внутренние процессы — вулканизм, землетрясения и др.
Во время расчетов гравитационной дифференциации учитывается, что мантийное вещество ведет себя как твердое тело, но только в том случае, когда оно испытывает кратковременную и быстро меняющуюся нагрузку. При длительной постоянной нагрузке мантия приобретает свойства пластичности и текучести, как это, например, бывает со льдами. Мантия Земли действует как гигантский гравитационный сепаратор (отделитель). С ее помощью доставляются к границе ядро — мантия все новые и новые порции вещества. Опускаясь сверху, более тяжелые из них (например, железо) остаются на этой границе, а более легкие восходящими горячими потоками как бы всплывают и возвращаются в верхние слои Земли — в литосферу.