Догеологическая стадия развития Земли(лунная эра, катархей)
4,6 – 3,9 млрд л. н.
(Ковалев С.Г. Основы исторической геологии. Учебное пособие для студентов естественнонаучных факультетов высших учебных заведений. – Уфа: 2010. 64 с. )
Геологическая стадия развития Земли – это тот этап ее развития, от которого остались геологические документы – горные породы. Предшествующую ей стадию, от которой не сохранилось никаких документов, называют догеологической.
Догеологическая стадия начинается с того времени, когда Земля сформировалась как планета. По современным представлениям, не вдаваясь в подробности, Земля образовалась как сгусток холодной космической пыли и газа. В последующем этот сгусток – Протоземля – уплотнялся, и земные недра, как это показывают расчеты, по-степенно разогревались за счет радиоактивного распада. Высокие температуры при-вели к дифференциации вещества Земли: вода, водород, СО2 и другие газы, а также смеси, состоящие из легкоплавких силикатных компонентов (SiО2, Аl2О3, СаО, Nа2О, К2О, МgО, частично Fе2О3 и др.), и радиоактивные элементы начали подниматься в верхние слои. Эта легкоплавкая фаза по составу соответствовала базальтовой магме.
Тугоплавкая же часть осталась внизу, образовав перидотиты, дуниты и другие породы верхней мантии. Происхождение атмосферы и гидросферы. Современные атмосфера и гидросфера имеют, по-видимому, вторичное происхождение. Согласно существующим взглядам, они сформировались из газов, выделенных твердой оболочкой Земли (литосферой) после образования планеты. В момент формирования Земли из протопланетного облака все элементы ее будущей атмосферы и гидросферы находились в связанном виде в составе твердых веществ: вода – в гидроокислах, азот – в нитридах и, воз-можно, в нитратах, кислород – в окислах металлов, углерод – в графитах, карбидахи карбонатах.
Бомбардировка поверхности Земли планетезималями в то время могла приводить к выделению летучих веществ, но вода, углекислый газ, «кислые дымы» и другие активные вещества должны были поглощаться раздробленными породами, так что первичная атмосфера на этом этапе состояла, по-видимому, лишь из небольших количеств азота, аммиака и инертных газов. Дальнейшее наращивание атмосферы и образование гидросферы связаны с выплавками базальтов, водяного пара и газов из верхней мантии при вулканических процессах, развившихся уже в первые 0,5–1 млрд. лет существования Земли в результате разогревания ее недр при гравитационном сжатии и за счет распада радиоактивных изотопов.
Рисунок- Поверхность доисторической Земли с ударными кратерами и восходящей Луной
Как показывают исследования последних лет, газы, выделяющиеся из современных вулканов, содержат преимущественно водяной пар. Так, в газах из базальтовых лав гавайских вулканов с температурами 1200°С обнаруживается 70–80 объемных % H2O; в фумарольных газах Курильских островов с температурами около 100°С содержится 79,7 весовых % Н2О. Второй по значению составляющей является углекислый газ (гавайские базальтовые лавы – 6–15 объемных %; курильские фумарольные газы – 19,6 весовых %). В вулканических газах встречается немало хлора (в газах вулкана Килауэа (Гавайи) – около 7%), метана СН4 (иногда до 3%), аммиака (NH3) и других компонентов. Проводившиеся измерения показали, что при температурах 800–1000°С из лав отгоняются, кроме водяного пара, преимущественно «кислые дымы» – НСl и HF, при температуре 500°С – сера и ее соединения (H2S, SO2 и др.), а при более низких температурах – борная кислота и соли аммония. Большой интерес представляют результаты химического анализа содержимого га-зовых пузырьков в древнейших (по-видимому, катархейских) кварцитах Курумканской свиты (мощностью более 1000 м) Алданского щита, приводимые Л.И.Салопом и дающие сведения о составных частях катархейской атмосферы. В этих пузырьках отсутствует сво-бодный кислород, около 60% составляет углекислый газ, около 35% – H2S, SO2, NН3, «кис-лые дымы», в небольших количествах присутствуют азот и инертные газы. Таким образом, можно предполагать, что при дегазации лав на поверхность Зем-ли поступали пары воды, соединения углерода – CO2, CO и СН4, аммиак, сера и ее со-единения (H2S и SO2), галоидные кислоты (НС1, HF, HBr, HJ), борная кислота, водород, аргон и некоторые другие газы. Эта первичная атмосфера сначала, конечно, была чрезвычайно тонкой, и поэтому ее температура у поверхности Земли была очень близкой к температуре лучистого равновесия, которое получается в результате приравнивания потока солнечного тепла, поглощаемого поверхностью к потоку уходящего излучения поверхности Земли, пропорциональному четвертой степени температуры этой поверхности.
Гигантская протолуна и вызванная ее приливная волна
Эта температура при современной отражательной способности Земли – 0,28 в среднем равна +15°С. Свободный кислород мог образовываться в первичной атмосфере в результате фотодиссоциации небольшой доли молекул водяного пара, т. е. их разложения под действием жесткой компоненты солнечного излучения. Однако, по расчетам Л.Беркнера и Л.Маршалла, такое образование свободного кислорода должно быть весьма ограниченным, так как кислород сам поглощал излучение, расщепляющее молекулы воды. При равновесии между этими двумя процессами содержание кислорода в атмосфере не могло превышать одной тысячной современного уровня, на самом же деле оно было много меньше, так как равновесие никогда не достигалось; весь образующийся кислород быстро затрачивался на окисление атмосферных газов – СН4, СО, NH2 и H2S. Из-за недостатка свободного кислорода в атмосфере, по-видимому, отсутствовал озоновый экран, и тонкая первичная атмосфера была способной пропускать жесткое излучение Солнца до поверхности суши и океана. Почти весь водяной пар вулканических газов, конденсируясь, превращался в жидкую воду, формируя гидросферу. В первичный океан, растворяясь в воде, переходили и другие составные части вулканических газов – большая доля углекислого газа, кислоты, сера и ее соединения и часть аммиака. В результате первичная атмосфера, содержавшая в равновесии с океаном главным образом водяной пар и небольшие количества СО2, СО, СН4, NH3, Н2S, кислых дымов и инертных газов, оставалась тонкой. Следовательно, температурные условия не испытывали слишком больших изменений и оставались в среднем в пределах существования жидкой воды. Это и определило одну из специфических особенностей Земли, отличающую ее от других планет Солнечной системы – постоянное наличие на ней гидросферы. Прямым фактическим доказательством существования гидросферы на Земле во все геологические времена до архея и даже до катархея включительно, является обнаружение в земной коре осадочных пород соответствующих возрастов. Наиболее древние осадочные породы были обнаружены в середине 70-х годов ХХ века английскими геологами С.Мурбатом, Р.К.О'Найоном и Р.Дж.Панкхерстом в юго-западной Гренландии. Это бурые железняки, возраст которых оценен по свинцовому методу в 3,764±0,07 млрд. лет, причем это, по-видимому, возраст метаморфизма этих пород, а время их образования может быть еще более ранним. Найденные рядом изверженные породы – гранитогнейсы, имеют возраст 3,7±0,14 млрд. лет (рубидий-стронциевый метод). Для оценки массы растущей гидросферы можно исходить из того, что в расплавленном базальте при температуре около 1000° С и давлении в 5-10 тыс. атм. может раствориться до 7–8% воды. По данным ряда вулканологов, при излиянии лав из них дегазируется примерно столько же процентов воды. По оценкам энергии вулканических взрывов Е.К. Мархинин установил, что количество выделяющегося водяного пара составляет в среднем 3% массы изверженного вещества. Приведенные цифры приблизительно сходятся с долей массы современной гидросферы по отношению к массе земной коры – (1,46Ч106) : (4,7Ч107). При обсуждении состава первичного океана, следует принять во внимание два источника возможных примесей к океанской воде – во-первых, атмосферные газы, способные растворяться в воде, и, во-вторых, горные породы, подвергающиеся на поверхности суши и на дне моря разрушающему воздействию Солнца, воздуха и воды – эрозии, облегчающей вымывание из горных пород и перенос в океан ряда веществ. Как уже отмечалось, из атмосферы в океан переходили прежде всего кислоты, а также углекислый газ, аммиак, сера в чистом виде и в виде сероводорода. Кислоты, особенно в воде, реагировали с силикатами горных пород, извлекая из них эквивалентные количества щелочных, щелочноземельных и других элементов, причем, вопервых, вода переставала быть кислой, и в ней устанавливалось кислотно-щелочное равновесие (со значением водородного показателя рН = 7, отвечающим нейтральному раствору), и, во-вторых, растворимые соли извлеченные из силикатов переходили в океан, так что вода в нем сразу же становилась соленой. По оценке В.М. Гольдшмидта, на 1 кг морской воды приходится 0,6 кг разрушенных горных пород; при их разрушении извлекается и переводится в океан 66% содержащегося в них натрия, 10% магния, 4% стронция, 2,5% калия, 1,9% кальция, 0,3% ли-тия и т. д. Учитывая распространенность этих элементов в породах земной коры, нетрудно вычислить получающиеся концентрации соответствующих катионов в морской воде – они совпадают с фактическими характеристиками солености морской воды. В то же время содержание главных анионов в морской воде во много раз выше, чем их количества, которые могут быть извлечены из горных пород. Особенно это относится к хлору и брому, которых в 1 кг современной морской воды в 200 и 50 раз больше, чем в 0,6 кг горных пород. Таким образом, Cl и Br могли попасть в воду только из продуктов дегазации мантии, и мы приходим к одному из основных тезисов А.П. Виноградова: все анионы морской воды возникли из продуктов дегазации мантии, а катионы – из разрушенных горных пород. Общая соленость первичного океана, определяемая содержанием анионов в продуктах дегазации мантии, была, вероятно, близка к современной, но соотношения катионов могли быть несколько иными, так как горные породы первичной коры были преимущественно ультраосновными и основными, и соотношения Na/K и Mg/K в них были много больше, чем в современных горных породах. Здесь же следует отметить, что в водах первичного океана отсутствовал анион окисленной серы, сульфат SO2-4, что служит одним из свидетельств отсутствия в атмосфере и в океане тех времен свободного кислорода. Действительно, первые сульфатные осадки – гипсы CaSО4·H2O и ангидриты СаSО4 – обнаруживаются лишь в горных породах Канады с возрастом около 1 млрд. лет. Таким образом, воды первичного океана были хлоридными нейтральными (рН около 7) и бессульфатными. Под действием жесткого излучения Солнца, способного ускорять образование сложных молекул (фотокатализ), в океане образовался ряд сложных органических веществ, до аминокислот включительно. Одними из первых биологических организмов, за-родившихся в океане, были микроскопические одноклеточные водоросли, начиная с самых примитивных – синезеленых, которые осуществляли фотосинтез органических веществ из углекислоты и воды с выделением свободного кислорода. Такая деятельность водорослей, а затем и сухопутных растений привела в конце концов к образованию на Земле кислородной атмосферы – этого геохимического чуда, не имеющего аналогов на других планетах Солнечной системы. Первое количество кислорода, вырабатывавшееся водорослями при фотосинтезе уже с начала архея, затрачивалось на окисление атмосферных газов, а затем и пород коры. При этом аммиак (NH3) окислялся до молекулярного азота (N2) и так образо-вался почти весь азот современной атмосферы. Метан (СН4) и окись углерода (СО) окислялись до СО2, и углекислота преимущественно уходила в морскую воду, превращая ее из исходной хлоридной в хлоридно-карбонатную. Сера и сероводород (H2S) окислялись до SO2 и SO3; в океане начал появляться сульфат (S2-4), так что морская вода становилась хлоридно-карбонатно-сульфатной. По данным Р.Е. Фолинсби, проанализировавшего условия образования докембрийских осадочных и россыпных рудных месторождений, заметные количества свободного кислорода появились около 2,2 млрд. лет тому назад, что создало возможность для следующего крупного шага в эволюции атмосферы и Земли в целом – появления организмов, потребляющих кислород – животных. С биологической точки зрения критическим уровнем содержания свободного кислорода в атмосфере является так называемая точка Пастера, около одной сотой от количества кислорода в современной атмосфере, при которой организмы переходят от исользования энергии процессов ферментативного (анаэробного) брожения к энергетически более эффективному (в 30–50 раз) окислению при дыхании. По расчетам Л. Беркнера и Л. Маршалла, точка Пастера была достигнута в конце венда, около 600 млн. лет тому назад, и это привело в начале фанерозоя к настоящему биологическому взрыву – массовому распространению практически всех типов животных (кроме хордовых). Растения, осуществляющие фотосинтез первичной биологической продукции и потому являющиеся первоосновой всей жизни, вскоре начали проникать на сушу, вначале в наиболее примитивных формах (псилофиты) и очень медленно. Одним из главных препятствий для проникновения жизни на сушу являлось отсутствие в атмосфере озонового экрана, который защищал бы живые организмы от жестких излучений Солнца. Л. Беркнер и Л. Маршалл считают, что появлению озонового экрана около 400 млн. лет тому назад отвечало содержание кислорода в атмосфере порядка 10% современного уровня, после чего современный уровень был достигнут очень быстро – всего за несколько десятков миллионов лет, вследствие бурного фотосинтеза в гигантских лесах на континентах того времени.