В. В. Орлёнок, доктор геолого-минералогических наук
Ключевым вопросом, определяющим направленность эволюции протопланетного вещества Земли, является вопрос о природе ее оболочечного строения. При этом необходимо в первую очередь решить, являются ли оболочки производными физико-химических процессов, возникающих в недрах однородно-конденсированного холодного пыле-газового материала, или же основы зонального строения были заключены при первичном формировании планеты? В первом случае при однородной консолидации, вследствие равномерного распределения по всему объему планеты радиоактивных элементов (урана, тория, калия, а также некоторых недолговечных изотопов с меньшим периодом полураспада), неизбежно произошел бы равномерный разогрев всей планеты. С учетом низкой теплопроводности силикатных пород охлаждение недр путем нормальной диссипации тепла происходило бы крайне медленно, главным образом за счет охлаждения самых верхних слоев. Если же учесть, что генерация тепла осуществлялась не только за счет энергии сжатия протовещества вращающейся планеты и энергии, возникшей при этом дифференциации, в результате сильного приливного воздействия близкой Луны, а также начавшихся процессов физико-химических реакций, то общий баланс тепла был бы существенно положителен (табл. III.1). Отсюда неизбежен значительный разогрев планеты с переходом протовещества в пластичное состояние, лишенное отмеченных выше особенностей оболочечной дифференциации и, в частности, твердой нижней мантии.
Таблица III.1
Баланс тепла на Земле (по Орлёнку, 1980)
| Источник тепла | Q | |
| кал | эрг | |
| Радиоактивный разогрев (только долгоживущие изотопы) | 1,4 – 4,5×1030 | 0,6 – 1,2×1038 |
| Гравитационная дифференциация | 6-20×1031 | 1,5 – 5×1038 |
| Сжатие Земли | 3×1031 | 1,2×1039 |
| Физико-химические реакции | 4×1030 | 1,7×1037 |
| Приливное трение | 0,9×1030 | 0,36×1038 |
| Всего | 9×1031 | 3,4×1039 |
Во-вторых, потребовался бы длительный, порядка миллиарда лет, интервал времени для разогрева недр до температур, необходимых для осуществления физико-химических реакций и механизма дифференциации протовещества на геосферы (Любимова, 1968). Это, в свою очередь, противоречит данным о возрасте древнейшей земной и лунной коры равном 4,5-4,7 млрд. лет (Ботт, 1974) и указывает на ее образование сразу же после формирования планетных тел. В-третьих, нет никаких оснований полагать, что формирование Земли происходило из однородного газопылевого облака. Вполне вероятно наличие первичного ядра конденсации в виде конгломерата крупных астероидов, имевших к тому же большую, чем окружающие частицы, плотность. Приведенные соображения свидетельствуют в пользу принятия второй гипотезы, а именно – прообраз современного оболочечного строения Земли в основных чертах был заложен в самом первоначальном механизме формирования планеты. Согласно В. Руднику и Э. Соботовичу (1973), впервые предложившим зональную гипотезу аккреции протовещества, «центром» конденсации Земли служили крупные реликтовые фрагменты типа железных (а, возможно, каменных и даже ледяных) астероидов, практически не содержащих радиоактивности. По мере расходования крупных реликтовых тел уменьшался вызываемый ими общий термальный эффект на поверхности растущей Земли и над возникшем расплавом (пластичное ядро) образовалась термоизоляционная покрышка (нижняя мантия). Таким образом были сформированы протогеосферы Земли – твердое внутреннее ядро и твердая холодная мантия, между которыми, как в термосе, сохранился расплав.
В модели В. Рудника и Э. Соботовича природу слоя Гутенберга, характеризующегося, как мы видели, пониженной вязкостью, можно объяснить как зону вторичного разогрева и аккумуляции радиогенного тепла, вследствие концентрации здесь основной массы радиоактивных, в том числе короткоживущих изотопов 10Ве, 26Аl, 36Cl, 227Np и др. с периодом полураспада 106 – 108 лет (Войткевич, 1973). Следовательно, эти изотопы в первые же десятки миллионов лет после образования планетного тела способствовали быстрому разогреву и первоначальному поддержанию тепла в областях внешнего ядра и зарождающейся астеносферы. Изотопы 238U, 232Th и 40K, имеющие период полураспада соответственно 4, 5; 13,9 и 1,3×109 лет, основное тепло дали в первый миллиард лет после образования планеты; в последующем их вклад должен был уменьшаться.
Начавшаяся аккреция протовещества, физико-химические процессы и сопутствующая им гравитационная дифференциация в условиях быстро вращающейся планеты и под сильным влиянием близкорасположенной Луны (Мельхиор, 1968), образовали источники тепла и энергии. Таким образом, две зоны – реликтовая протогеосфера внешнего ядра и вторичная радиогенная астеносфера – явились, по всей вероятности, в дальнейшем тем горнилом, через которое прошла значительная часть первичного планетного вещества. Итог этой дифференциации и гетерогенной аккреции протопланетного облака известен. Он хорошо отражен в сводной таблице Гутенберга – Буллена (1966) (табл. III.2).
Таблица III.2
Внутреннее строение Земли (по Гутенбергу-Буллену, 1966)
Геосфера | Интервал глубин, км | Интервал плотности, г/см3 | Доля объема Земли, % | М×1025 г | Доля полной массы, % |
| Кора А | 0 – 33 | 2,7-3,0 | 1,55 | 5 | 0,8 |
| Мантия В | 33-400 | 3,3-3,6 | 16,67 | 62 | 10,4 |
| С | 400-1000 | 3,6-4,6 | 21,31 | 98 | 16,4 |
| D | 1000-2900 | 4,6-5,6 | 44,28 | 245 | 41,0 |
| Ядро Е | 2900-5000 | 9,4-11,5 | 15,16 | - | - |
| F | 5000-5100 | 11,5-12,0 | 0,28 | 188 | 31,5 |
| G | 5100-6371 | 12,0-12,3 | 0,76 | - | - |
Третья часть массы Земли приходится на ядро и 2/3 на ее мантийную оболочку. При этом почти половина вещества планеты сконцентрирована в нижней мантии в интервале 1000 – 2900 км. Учитывая тот факт, что древнейшие породы земной коры имеют возраст порядка 3,9×109 лет, а возраст Земли не превышает 4,6×109 лет, необходимо признать, что процесс тепломассопереноса из недр к перисфере начался еще на ранней стадии развития Земли. Следовательно, формирование планетного тела шло очень быстро.
Согласно оценкам В. Сафронова (1972), время образования современной массы Земли составляет 107 – 108 лет, что вполне согласуется с данными о возрасте (4,5×109 лет) лунной коры. А это значит, что астеносфера сформировалась уже в первые сотни миллионов лет.
Как же шла дальнейшая эволюция протопланетного вещества и каков современный состав оболочек Земли? От решения этих вопросов во многом зависит установление ведущего механизма в формировании конечного звена всей иерархии процессов – внешней перисферы Земли в ее океанических и континентальных секторах. В литературе этот вопрос обсуждается давно, начиная с работ Г. Джеффриса (1960), Б. Гутенберга (1949, 1963), В. Лодочникова (1939), А. Капустинского (1958), К. Буллена (1966), В. Магницкого (1965), Б. Личкова (1965), В. Виноградова (1962) и др. и кончая последними работами В. Жаркова и др. (1971), Ф. Стейси (1972), М. Ботта (1974), Г. Войткевича (1973), В. Кесарева (1976) и др. Однако, несмотря на превосходный синтез, выполненный в большинстве указанных работ, и высокий авторитет исследователей, труды которых фактически создали новое направление в естественной науке – «физику Земли», единого мнения по рассматриваемой проблеме нет. Наиболее же противоречива та часть этих работ, где авторы начинают рассматривать приложение физических процессов, идущих в недрах Земли, их проявление в тектогенезе перисферы.
Вместе с тем рассмотренные выше данные и их последующий синтез с известными явлениями и процессами в перисфере Земли и других планет позволяет выстроить логику фактов и следующих из них простых умозаключений (допускающих проверку натурным экспериментом), которые приводят к закономерным следствиям, объясняющим многие аспекты рассматриваемой проблемы.
И дело здесь отнюдь не в недостатке информации. Выводы могут уточняться и, как справедливо заметил В. Кесарев (1976), «сущность проблем состоит не только и не столько в дополнительной информации, сколько в выработке определенного угла зрения на имеющуюся информацию» (с. 8 – 9).
По единодушному мнению исследователей, выпадающие на Землю метеориты являются остатками космического материала, который пошел на формирование протопланет Солнечной системы. Поскольку все метеориты подразделяются на три класса – железные, железно-каменные и каменные (есть еще и ледяные астероиды) – и практически содержат все элементы, известные в породах Земли, то вслед за Г. Юри и В. Гольдшмидтом исследователи полагают следующий состав главных оболочек: железные метеориты отражают состав твердого субъядра, каменные – состав верхней мантии, железокаменные – внешнее «жидкое» ядро. Нижняя мантия скорее всего представлена материалом железо-каменных метеоритов.
В физическом плане первичное планетное вещество со средней плотностью 2,9 г/см3 представляет собой твердую фазу. Именно из такого твердого холодного вещества формировалась первоначальная масса протопланеты. В химическом плане, согласно В. Кесареву (1976), протопланетное вещество можно рассматривать как двухкомпонентное топливо, состоящее из гидридов металлов (FeH2) – восстановителей и пероксидов металлов (СаО2) – окислителей. Первые в условиях высоких температур и давлений, порождаемых энергий термогравитации, высоких скоростей вращения, сильных приливных возмущений и падения на начальном этапе больших масс крупных метеоритов, играли роль горючего, вторые – окислителя. Окислы кремния, алюминия, магния и др. металлов – инициирующих добавок к топливу. Катализатором и регулятором физико-химических процессов в молодой Земле, несомненно, явилось мощное приливное воздействие сравнительно близко расположенной Луны и большая скорость вращения (Орлёнок, 1980, 1985).