Эволюция представлений о происхождении земных оболочек

До середины ХХ века в космогонических гипотезах господствовали представления о первично расплавленной Земле, вещество которой отделилось от Солнца (гипотезы Канта-Лапласа, Джинса). В рамках этих гипотез У.Томсон (лорд Кельвин) рассчитал возраст Земли по скорости ее остывания, который составил 40-60 млн. лет. По аналогии с металлургическим процессом, где при плавке руд вещество разделяется на три слоя (шлак, штейн и металл), В.М.Гольдшмидт разделил Землю на три оболочки (геосферы): литосферу, промежуточную окисно-сульфидную оболочку и центральное ядро.

На смену гипотезы первично расплавленной планеты во второй половине ХХ века пришла гипотеза холодной агломерации из космического газово-пылевого облака. Механизм образования Земли и планет путем агломерации твердых тел неоднократно разбирался с астро­номической и физической стороны (А.Эукен, О.Ю.Шмидт и его школа, В.Латимер и др.)

В общей истории Земли при холодной агломерации обычно различают два этапа:

1. Астрономический (догеологический), когда Земля формировалась из космической пыли и приобрела ту форму и размеры, с которыми нам приходит­ся иметь дело и сейчас,

2. геологический — начавшийся уже после пол­ного формирования планеты.

Между этими этапами фактически не про­водится достаточной связи и, более того, молчаливо допускается боль­шой временной разрыв в 1—2 млрд. лет, необходимый для радиогенного разогрева первично гомогенной, холодной планеты, когда идет выправление легкоплавкой фракции, дегазация и сопровождающий ее вулканизм. Существенным геохимическим требова­нием такого представления является отсутствие плотной первичной атмо­сферы. Согласно этим представлениям механизмами дифференциации являются кристаллизационная дифференциация и процессы, аналогичные «зон­ной плавке», при которых узкая тепловая зона расплавленного вещества движется относительно кристаллизованного столбика породы.

Таким образом, за начальную точку эволюции Земли по существу принимается холодная, лишенная первичной атмосферы и одно­родная планета современных размеров.

Геохимический анализ самых ранних этапов формирования планеты рассмотрел ученик В.И. Вернадского К.П. Флоренский (1965), показавший недостаточность учета происходящих при этом событий и их значение для правильного понимания всей дальнейшей геохимической истории Земли.

С учетом этих данных процесс роста планеты состоит из ряда последовательных падений космических тел разного размера («Теория катастроф»). Каждое падающее из бесконечности в отсутствие атмосферы тело при нулевой геоцентрической начальной скорости приоб­ретает скорость удара, равную второй космической скорости. При падении (ударе или торможении в ат­мосфере) неизбежно выделение этой энер­гии.

Средняя скорость встречи метеоритов с Землей 20—30 км/сек. Крупные тела, при ударе о поверхность Земли взрываются за счет мгновенного превращения в пар под влиянием перехода кинетической энергии в тепловую. При больших скоростях удара образуется плотный электронный газ с температурой в сотни тысяч градусов. На Земле образуется ударный кратер (астроблема). Общим во всех случаях падения является то, что существенная часть космического вещества, выпадающего на планету, претерпевает не толь­ко дробление, но проходит кратковременную стадию плав­ления и испарения. Этот процесс связан с размером протопланеты и менее зависит от отсутствия или наличия атмосферы на ней. Наличие и характер атмосфе­ры меняет относительную роль испарения, плавления и дробления ча­стиц, но не меняет принципиального существа процесса.

Х.Холленд (1984), обобщив многочисленные данные по распределению инертных газов и их изотопов в атмосфере, в метеоритных телах и земных объектах, показал идентичность их распределения (кроме гелия, самого легкого инертного газа, способного к диссипации), говорящего об общности их космического происхождения. Модели дегазации «корректны только в том случае, если на самом раннем этапе истории Земли имел место значительный выброс газов». Этот выброс и связан с ударным плавлением и ранней дегазацией метеорного вещества при его гравитационном уплотнении.

Неизбежная дегазация метеорных тел с разогревом при ударе долж­на была привести к образованию атмосферы, гидросферы и дифференциации вещества литосферы еще во время агломеративного роста планеты, по мере падения на Землю новых космических тел. Возможность ударного выплавления гранитов в настоящее время подтверждена экспериментально. Одновременно идет разогрев верхних зон планеты, гораздо ранее радиоактивного разогрева и последую­щего периода дегазации, и дифференциация ее вещества.

На наличие мощного процесса разделения вещества уже на ранних стадиях развития планеты указывает строение Луны, имеющей существенно разный цвет «материков» и «морей», который остается заметным, несмотря на нивелирование его последующими выпадения­ми космической пыли и метеоритов, строение и состав реголита, слагающего ее поверхность.

Та­ким образом, атмосфера и гидросфера планеты представ­ляют не вторичные образования, а растут параллельно с общим ростом Земли за счет агломерации космического вещества, выделения летучих компонентов при соударении метеорного вещества с поверхностью планеты и дегазации при гравитационном уплотнении. Честь выделившихся газовых компонентов диссипирует обратно в космическое пространство. Этот процесс постепенно ослабевает по мере роста массы планеты. При современной массе может диссипировать только водород и в меньшей степени гелий. Состав первичных атмосферы и гидросферы должен был существенно отличаться от современного. Химический состав первичной атмосферы, скорее всего, был углекисло-метановым, как и на других планетах земной группы.

Такие представления не противоречат основным эмпирическим данным и ликвидируют разрыв между догеологическм (космическим) и геологическим этапами развития планеты.