Формирование Земли: геолого-астрономический аспект Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»



ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ АКАДЕМИИ

СЕРИЯ: ГЕОЛОГИЯ И ГЕОФИЗИКА

Вып.10

I. ОБЩАЯ, ИСТОРИЧЕСКАЯ И РЕГИОНАЛЬНАЯ ГЕОЛОГИЯ

•• 3: 523.52

С.Г.Паняк

ФОРМИРОВАНИЕ ЗЕМЛИ: ГЕОЛОГО-АСТРОНОМИЧЕСКИЙ АСПЕКТ

Многие проблемы геологии ранней Земли тесно увязаны с особенностями ее эволюции на зеххслном этапе от астрономического к геологическому периоду исторического развития. Агтговомия постоянно подвергает свои экспериментальные наблюдения количественному физико-«г-гчзтическому контролю, геология, к сожалению, базируется на нередко разрозненных существенных наблюдениях, не позволяющих ограничивать научную фантазию. До определенной сяззенн это обстоятельство объективно, однако в геологии в настоящее время делаются яебе-туспешные попытки построения реперных моделей, когда при помощи физико-математических зьг=етов определяются пределы возможных колебаний геологических представлений.

Физико-математическое моделирование накладывает серьезные ограничения, прежде всего, на тзчэческий состав и агрегатное состояние протопланетного вещества, а следовательно и на химию Зеч.-и з целом. Не выдерживают критики некогда доминировавшие представления, заложенные акад. АН Виноградовым, о метеоритном составе первичного планетного вещества. Некоторые пгс-гелователи этой идеи дошли до того, что геохимическую специфику крупнейших сегментов »^гней оболочки Земли объясняют тем, что наша планета была сформирована из нескольких кГ'Тных астероидов, различающихся по химическому составу [3].

Представители астрономической науки сочли бы подобные идеи некомпетентной наивностью, -л самые грубые расчеты, увязывающие массу аккретируемых частиц в процессе образования юстктных космических тел, жестко ограничивают вес элементарного "кирпичика". Дня Земли, «Егимер, после некоторых упрощений эта масса "т" увязывается с температурой уравнением

Т=102б ш .

Так как по самым разным оценкам температура в центре Земли не превышала 103-104 °С, то

■¡ум элементарного "кирпичика" должна приближаться к массе атомарного водорода (1,67 г), "-составления о пылевидной туманности, сохраняющиеся со времен Канта, на самом деле не могут ггс-гматриваться как реальные. Ничего общего с пылью, а тем более с астероидами и метеоритами, нзгетируемое вещество иметь не может. Расчеты показывают, что вес элементарных "кирпичиков" лг-гхен приближаться к так называемому "космическому соотношению", в котором доминирующую то-- играют водород и гелий с некоторой долей более тяжелых элементов. Это обстоятельство ставит планету в один ряд с другими телами Вселенной. А существование твердых планет типа Земли и ~хх€ых типа Юпитера - результат определенной эволюции, о которой речь пойдет ниже.

Из упомянутого ограничения вытекает неизбежное следствие: на астрономическом отрезке :з:сй эволюции Земля проходила стадию газового шара. Несколько повышенное содержание в нем

тяжелых элементов по сравнению с "космическим соотношением" ас ■оовочено по известным причинам, обуславливающим общую тенденцию утяжеления удежывого веса первичного газового облака по направлению к Солнцу*. В таком протопланетном газовом шаре, радиус которого для

Земли как минимум был около 10 тыс.км (с плотностью около 1 г/см-*, как у других планет типа Юпитера), средняя температура может быть получена из уравнения

T=GMm/2kR ,

где G - гравитационная постоянная, М - масса планеты, ш - масса аккретируемых частиц (около 2 10"

г), к - постоянная Больцмана, R - радиус газового шара. В этом случае средняя температура составит несколько тысяч градусов, а при дальнейшем уплотнении до современного состояния возрастет в несколько раз.

На порядок выше температура в центре такого газового шара (сколо 20 тыс.градусов), которая

рассчитывается с учетом плотности р :

Т=4р GM/AR,

где А - универсальная газовая постоянная.

Очевидно, что при увеличении массы аккретнруемой частицы на два-три порядка по отношению

к атому водорода температура превысила бы 10^ градусов, т.е. такое тело стало бы звездой, вышло бы на так называемую "главную последовательность" с термоядерным синтезом в ядре. Расчеты показывают, что при существенно водородном составе газа компактные тела с массой больше 0,08 Me (массы Солнца) достигают в центре температуры около 8 10б градусов, когда начинается термоядерный синтез, определяющий начало звездной эволюции на "главной последовательности". При массе газового шара менее 0,08 М® протекает планетная эволюция с гравитационным источником энергии.

Интересные выводы вытекают из дальнейшего анализа эволюции планетных тел. В соответствии с уравнением состояния (формулой Клапейрона) получаем связь температуры газового шара и егс давления:

Р=А/ц(р T)-NkT ,

где |Х - молярная масса, р - плотность, N - число Авогадро. Одновременно рассчитывается гравитационное давление в центре шара.

Pr=3GM2/xtR4 .

Сопоставление силы гравитационного сжатия и теплового расширения приводит к некоторым важным выводам.

По мере увеличения массы космического тела гравитационное сжатие постепенно начинает доминировать над тепловым расширением. Известен феномен гравитационного коллапса для массивных звезд, в результате которого по мере расходования внутренней энергии звезда может испытать имплозию (коллапс) с образованием нейтронных звезд (пульсаров) и черных дыр.

На планетном уровне, когда доминирует энергия сжатия, по мере уменьшения массы тел гравитация, как оказалось, не способна надежно удерживать легкие компоненты газового шара Для:

Земли, например, гравитация и тепловое расширение очень близки и составляют окаю 10^ дин/см2. Некоторое превышение гравитации Земли над тепловым расширением не способно удерживать, водород во всем диапазоне скоростей, что влечет за собой постепенную потерю этого элемента. В тэ же время для Юпитера имеется надежное перекрытие гравитационного сжатия над тепловые расширением, что позволяет сохранять водород в полном объеме Сброс протуберанцев на Солнце

* Аналогичное "утяжеление" отмечается в системах спутников с «уб — и я ютерннскнм планетам

s

•=астся конвекцией и реакциями термоядерного синтеза, способного поддерживать гт -:*л нашей звезды на протяжении Ю10 лет.

"шы образом, для небольших космических тел с массой, близкой к массе Земли, появляется удержания легкой фракции газового шара В таких условиях начинается разделение планет группы, существенно водородного состава типа Юпитера и каменных типа Земли.

аналогичных проблем формирования и эволюции Земли, акад. А.А Маракушев (4] приходит к близким выводам Его построения, базирующиеся на преимущественно петрографическом и новейших данных космической геологии, позволили выдвинуть комегную гипотезу [ения планет. В соответствии с ней состав исходного всшества для формирования планет I" ;."ж«дным, газовым, близким по химическому составу к современным кометам, а не метеоритам, являются продуктом планетной эволюции. Касаясь различия каменных планет типа Земли и типа Юпитера, А.А.Маракушев полагает, что потеря флюидных оболочек у каменных планет

с эволюцией Солнца, достигшего стадии т Тельца, когда резко возрастала его светимость, этом, по А.А.Маракушеву, "флюидные оболочки внутренней зоны мигрировали и возникли кчной группы". Физический смысл понятия "мигрировали" в данном случае несколько ей. Представляется, однако, что потеря флюидных обэлочек обусловлена относительно тепловым расширением планет с малой массой, »тором были созданы модели тепловой эволюции Земли | з результате аккреции с использованием уравнении [Т\. Кроме того, была рассчитана модель сепарации элементов в процессе аккреции на протоплансгиоГ! ло гравитационной дифференциации Интегрированием «Ш— '-* уюшя Максвелла получено уравнение для определенны личины р, отражающей относительное число частиц, энергия которых меньше потенциальной энергия этих частиц в бесконечность, т.е. способных к на формирующееся и растущее ядро Земли (рис 2)

В достигает для водорода 0,5 лишь при величине радиуса rt г пределах современной верхней мантии Этот вывод ^ежгт ¿1>жн1ь основанием для утверждения 0 том. что планеты группы наращивали свой объем в атмосфере водорода и 5 счет сепарации атомов более тяжелых элементов. При гюерстируемое вещество не испытываю существенной

г^с эеремииацнн, что вытекает из близости параметра Р для в железа. Таким образом, уже в процессе аккреции Земля некоторую расслоешюсть. "с неопределенностей возникает у исследователей при

и мзтсмаппеской модели скорости аккреции Хаббарда (1987). По этой модели ! • рост температуры по мерс увеличения радиуса Земли зависит от принятия главного личины начальной температуры облака Одно из решений описывает модель "холодной" з другое - "горячей". Из приведенных выше расчетов, показывающих среднюю >ру сжатого протопланстного облака, вытекает возможность исключения из внимания модели аккреции.

даровые скопления, разогретые до 10М05 градусов в результате первоначального сжатия, сравнительно быстро терять часть тепла вследствие интенсивной конвекции. Даже Солнце

т н. молодые звезды до стадии т Тельца проходят сравнительно кратковременный путь (10° не выйдут на "главную последовательность", когда меняется источник энергии на более Ж=-эзро«енный (1010 лет) В планетах длительное термостатирование после аккреции

H,»DVH

Рис.1. Кривые распределения

температур: I - адиабатической, 2 - плавления железа, 3 - по модели горячей. 4 -

катодной аккреции, но до формирования ядра. Пунктирная линия - область неопределенности

обеспечивается дифференциацией недр. Отсутствие возможностей масштабной конвекции в планета:

земной группы позволяет им сохранять тепловой баланс н:

о_о?5__ '.о ', протяжении Ю10лет.

Вызывает некоторое удивление сохранность значительной количества тепла в планетах типа Юпитера, которые испытываю глобальную конвекцию. Этот факт является дополнительны» свидетельством корректности физико-математических моделей утверждающих, что первоначальные температуры в недрах сжатоп протопланетного газа (Юпитера) были, по крайней мере, на порядо! выше современных (20 тыс.градусов).

А.А.Маракушев увязывает формирование спутниковых систем ; планет с образованием их каменных ядер. Сопоставлен» вулканически активного спутника Юпитера Ио с очень близкой п(

многим физическим параметрам и давно "потухшей" Луно! приводит А.А.Маракушева к предположению о том, что спутнию Юпитера очень молоды, а значит, формирование каменного ядра ; этой планеты задержалось на несколько миллиардов лет. Вопро остается спорным. Энергоемкость пород Луны и сегодня удивляе ученых, а продукты вулканизма на ней - высокотемпературны базальтовые лавы. На Ио извергаются преимущественно сернисты соединения. Кроме того, несомненную роль в поддержанш вулканической активности Ио играет приливное трение, вызванное близостью к Юпитер\ Гравитационные воздействия Луны на Землю и, наоборот, Земли на Луну общеизвестны. Эти.* экзоэнергетическим источником объясняется наиболее ранний вулканизм на Земле и ее спутнике обеспечивающий приповерхностное плавление обоих тел на протяжении первых полугор; миллиардов лет их эволюции. С учетом того, что массы, плотности, размеры и расстояния Ио и Лунь до материнских планет сопоставимы, в рассуждениях А.А.Маракушева упущен весьма важный д.г последствий термической истории спутника Юпитера параметр - масса последнего, котора превышает земную в 318 раз. Удаляющаяся от Земли Луна испытывала мощное приливное трение способное разогреть внешнюю оболочку до расплавления на значительно более корогком, чем Ио расстоянии, а по мере удаления ее вулканическая активность угасала. Предварительные расчел показывают, что современная вулканическая активность на ближайшем к Юпитеру спутнике - И вполне может быть обусловлена энергией приливного трения. Следы тектонической активносл фиксируются даже на следующем и более удаленном от Юпитера спутнике - Европе. Ледяная корк на этом спутнике несет следы подвижек активной и сравнительно теплой коры в виде разветвленно] системы трещин. В подножье ледяной коры полагают наличие жидкой воды с возможными (? следами жизни.

Источник вещества для образования планет и их спутниковых систем требует дополнительны: расчетов. Не исключено, что те 0,2 % массы Солнца, необходимые для формирования планет, был!

выброшены из звезды при прохождении им стадии т Тельца. Ведь расчетная температура поел гравитационного сжатия звезды достигала 50-60 млн градусов, в то с^-глня она лиш

несколько превышает 10 млн.градусов. По предварительным оиен:о.у з_гйся энерги!

достаточно для придания планетам необходимого момента кол.^есты поиск которог

тормозит сегодня космогонические построения

Планетные системы, как показывают расчеты. та*:се —:•: стиэио х Тельц

в момент максимального сжатия Приведенные * -а-—-, — - • -г- т» i ---тральных частя

газовых шаров минимальны, они рассчитаны а*: — - . - а-.:облака. Есл:

допустить участие молекул других |=азшя сметной гипотез

0.3-

г/Я

Рис.2. Сепарация химических

элементов в процессе аккреции до гравитационной дифференциации

Маракушсна), то эти температуры возрастет на порядок, а обшей энергии станет достаточно для . хкнроаання спутниковых систем.

Одной из проблем, возникающих при подобных построениях, является поиск источника ^цразуюшихся в ядрах звезд тяжелых элементов, изобилующих в планетных системах и их спутниках. : тгам случае обычно утверждается, что Солнечная система унаследовала при своем формировании . ^епшенное тяжелыми элементами облако - продукт взрыва "сверхновой" звезды, а наше Солнце • эг-и второй генерации. Однако при любых механизмах "смерти" звезд остается компактный ■етток белый карлик, пульсар, черная дыра. Подобных объектов в ближайших окрестностях не I эгаггужено.

Признавая существенную роль вспышек на стадии т Тельца, можно было бы полагать их • ю роль в формировании планетных систем и их спутников. Модель А.Л.Маракушева, о которой спутниковые системы образуются как следствие формирования каменных ядер, право на существование, но содержит ряд противоречий. По мере роста каменных ядер планет 1 -=«£згратура их возрастает и для Земли может превышать 5 тыс.градусов. Однако, если для газовых г *Че*тов известна теория ударных волн, способных выбрасывать в космическое пространство I ЭЕГтягтгльные массы таких объектов, то для планетной эволюции ее использовать трудно. Нынешняя » ехкфгра и гидросфера Земли несомненно не представляют собой реликта протопланетного облака. * -яз аляются продуктом более поздней дегазации недр планеты, а начиная с 3,5 млрд лет, их состав » • г--эжтвеннон степени испытал влияние живого вещества на Земле. До этого времени существовала I г^а*-? атмосферная оболочка с подавленным потенциалом кислорода, а палсоклиматичсскис условия , шиегмннали обстановку на современной Венере. Известный феномен безградиентного гранулитового . «с-с*зрфизма, характерный для пород раннего докембрия, обусловлен именно такими I ^■сстиостными условиями на'Нашей планете.

Нети палеогеографическая обстановка ранней Земли напоминала венерианскую, то к т^гггнческая - лунную Несложные расчеты показывают, что массовый вулканизм Луны.

> г^1^с£живасмый земным приливным трением, мог существовать ограниченное время, пока Луна - «=~~тутась за пределом Роша на расстоянии, в несколько раз меньшем, чем сегодня. Сегодня она гтута со скоростью около 3 см в год Специфику петрографического состава (наличие

> «сжхинеральных анортозитовых пород) на Луне трудно объясшггь за рамками модели системы

- Луна. Только в условиях длительного термостатирования, обусловленного взаимодействием , " деты и ее спутника, возможна массовая сепарация полевошпатового компонента из базальтового

izз£ГJz153 Однако, если глубина расплавленной оболочки Луны, по данным Дж.Вуда [1], достигала 19 вето на Земле она составила всего 50-60 км [2] ^ Изучение геохимических тенденций при формировании древнейших генотипнчсскнх

> ~т-т~~-рмо-вещественных комплексов с последующим моделированием их пстрохимической показало, что вертикальный временной ряд последовательных образований вплоть до

ов мог быть образован за счет протокоры базальтового состава. В этом ряду льно выделяются анортозитовая (4,6-4,2 млрд лет), зндербит-чарнокитоьая (4,2-3,6 млрд яокалитовая (3,6-3,0 млрд лет) и грашпгоидиая (3,0-2,6 млрд лет) стадии [6] . В участках, где процессы всех четырех стадий были телескопированы, сформировался й стой в том виде, в каком мы имеем возможность наблюдать его в кристаллических щитах архейские образования не претерпели существенной активизации. В связи с постепенным ем площадей петрогенетичсских преобразований различных стадий отмечается лъкая неоднородность состава древнего "гранитного" слоя с реликтами продуктов предыдущих

В заключение приведем несколько общих замечаний. Под влиянием новейших данных ой геологии, с одной стороны, а также физико-математических моделей (5,6), " -узкьгчиваюших рамки возможных построений, - с другой, сегодня создалы возможности для Цюкзз 5 области космогонических теорий формирования Земли и Солнечной системы в целом. Тх: • г-гзесгвуюших гипотез, в максимальной степени учитывающих новейшие данные космической

геологии и менее других противоречащих физико-математическим моделям, выделяется комспш гипотеза акад. А.А.Маракушева. Однако и она содержит ряд эклектичных положений, требующих дальнейшего разрешения. Донлеющая при теоретических построениях эмпирика нередко тормозит экстраполяции, допустимые в рамках количественных моделей Кометное вещество, несомненно ближе, чем метеориты, к составу протоплаиетного Однако вряд ли современная астрономия могла бы согласиться с представлениями о подобном агрегатном состоянии межзвездного пространства Сложные молекулярные и даже минеральные образования комет так же. ках и метеориты, по всей вероятности, являются продуктами планетной эволюции, хотя соотношение химических элементов в кометах, за некоторым исключением, по-видимому, можно использовать как важнейшую объективную характеристику при космогонических построениях.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Вуд Дж. Метеориты и происхождение Солнечной системы. - М.. Мир. 1971. - 173 с.

2. КеЙльмян Г.А., Шпик С.Г. Проблемы планетарной корообразуюшей гранитизации //Геология] метаморфических коматексов: Мсжвуз.науч.темзгсб Вып 7. - Свердловск, 1979. - С.3-13

3. Клсиопя М.В., Лавров В.М Геология Атлантического океана - М.: Наука, 1976. - 456 с.

4. Маракушсв А, А. Происхождение м эволюция Земли и других планет Солнечной системы - М Наука. 1992 .-207 с.

5. Мярон М.Я. Планеты Солнечной системы. -М.: Наука. 1986 - 320 с.

6. Папяк СГ. Геолого-геохронологкчсскис аспекты ранней эволюции земной коры //ДАН СССР - Т 273.1 №. 1983. - С.419-422.

7. Хаббард У. Ви>треннее ароенне планет - М. Мир. 1987. - 327 с

УДК 563.713

О.В.Богоявленская

ОПЫТ ЭКОЛОГО-СТРА ТИГРАФИЧЕСКОГО ИЗУЧЕНИЯ ОРГАНОГЕННЫХ ПОСТРОЕК (НА ПРИМЕРЕ СРЕДНЕГО-ВЕРХНЕГО ДЕВОНА ЗАПАДНОГО БОРТА МАГНИТОГОРСКОГО СИНКЛИНОРИЯ)

В районе Ирнклннского водохранилища на реке Урал, по долинам рек Кум а к и Суундук ■ (Оренбургская область), давно известны выходы рифогенных известняков живстского-франского ■ яруса (рис.1) Нами они изучались в районе пос.Новоссвасгополь и села Лужки К живетскому ярусу в долине реки Суундук отнесена шубартаусская толща, которая объединяет агломератовые туфы, содержащие обломки диабазовых порфнритов и органогенных известняков, а также органогенные известняки, В долине р.Кумак (разрез "Лужки") живстскне отложения представлены суундукской толщей, которая близка по составу к шубартаусской (туфы, туфоконгломераты, органогенные -известняки) (рис.2). Как суундуксках, так и шубартаусскд» толщи перекрываются солончатской толщей, которая слагается переслаивающиеся песчаниками, алевролитами с прослоями кремнистых и карбонатных пород (см.рис.2) и соответствует фраискому ярусу Полевые исследования проводились о тесном сотрудничестве с ГА Степановой ("Оренбурггсология") при участил Е В Короровой и В А.Козлова (УГТТА|