Догеологическое развитие Земли в катархее
На ранних этапах планетарной эволюции Земли ее строение, состав, тепловое состояние и «приливная» тектоника настолько резко отличались от всех последующих режимов геологического развития Земли, что эту уникальную эпоху, продолжавшуюся около 600 млн лет (от момента рождения нашей планеты приблизительно 4,6 млрд лет тому назад до начала раннего архея), следует выделять в качестве самостоятельного подразделения истории Земли. Однако общепринятого термина для её обозначения в геологической номенклатуре пока ещё не существует. Иногда эту эпоху от образования Земли до архея называют лунной. Но как мы старались показать это выше, такой термин к Земле абсолютно не применим. По сути, эту эпоху можно было бы называть доархейской, но значительно раньше в 1893 г., Дж. Седерхольмом был введён термин «катархей», примерно с тем же смыслом — ниже архея, т.е. до архея. Но во времена Седерхольма понятие архея ещё не устоялось, и под ним тогда понимали возраст древнейших гранито-гнейсовых комплексов Скандинавии. Когда же выяснилось, что архей следует распространять во всяком случае до возрастов приблизительно 3,8 млрд лет (включая, например, формацию Исуа в Западной Гренландии), то термин «катархей» иногда стали использовать как синоним нижнего (раннего) архея, что уже семантически неверно. Поэтому нам представляется правомерным сместить понятие «катархей» по временной шкале истории Земли на эпоху от её рождения до начала архея, т. е. на время приблизительно от 4,6 до 4,0 млрд лет назад.
Ниже будет показано, что после архейского эпизода расплавления верхней мантии и её перегрева с возникновением в этой геосфере «магматического океана» вся первозданная поверхность Земли вместе с её первичной и относительно плотной (около 3,9 г/см3) литосферой очень быстро буквально утонула в расплавах верхней мантии, т. е. опустилась вниз (в мантию). Поэтому перевод греческой приставки ката — вниз, по-видимому, можно понимать как напоминание о том, что все геологические объекты до архейского, т.е. катархейского, возраста опустились вниз, в расплавленную верхнюю мантию Земли, и там полностью исчезли из её исторической летописи.
Рассмотрим теперь те внешние условия, которые господствовали на поверхности молодой Земли, и специфику приливной тектоники в катархее. Это тем более полезно сделать, поскольку о начальных условиях на Земле бытуют произвольные и умозрительные представления о якобы бурной вулканической и гидротермальной деятельности, происходившей под покровом густой и плотной атмосферы. Такие представления перешли к нам в основном из научно-популярной литературы эпохи господства в геологии контракционной гипотезы, исходившей, как известно, из идеи «горячего» происхождения Земли.
Условия на поверхности молодой Земли действительно были необычными, но как раз в противоположном смысле. В те далёкие времена существовали только ландшафты неприветливой, суровой и холодной пустыни с чёрным небом, яркими немигающими звёздами, жёлтым слабо греющим Солнцем (его светимость была приблизительно на 25–30% ниже современной) и непомерно большим диском Луны, на котором ещё не существовало привычных нам «морей». Рельеф Земли напоминал испещрённую кратерами поверхность Луны. Однако из-за сильных и практически непрерывных приливных землетрясений этот рельеф был существенно сглажен и сложен только монотонно тёмно-серым первичным веществом, перекрытым сверху столь же тёмным и сравнительно толстым слоем реголита. Никаких других более дифференцированных пород типа базальтов, перидотитов, анортозитов или гранитов тогда на Земле вообще не существовало.
Пустынный пейзаж первозданной Земли временами нарушался сотрясениями взрывов падавших на Землю остаточных планетезималей. Но частота их падения со временем быстро сокращалась. Только в экваториальной зоне молодой Земли в то время ещё продолжали выпадать из спутниковых роев недавно разрушенной Протолуны обильные, буквально ливневые потоки мелких каменных и железных обломков. Поэтому земная поверхность в экваториальной зоне ещё какое-то время и после образования Луны оставалась раскалённой (во всяком случае в течение сотен или первых тысяч лет).
Хотелось бы ещё раз обратить внимание, что никаких вулканов, извергающих на поверхность молодой Земли потоки лавы, фонтаны газов и паров воды в то время не было, как не существовало тогда ни гидросферы, ни плотной атмосферы. Те же очень небольшие количества газов и паров воды, которые выделялись при тепловых взрывах падающих на Землю планетезималей и осколков Протолуны, активно и быстро сорбировались пористым реголитом ультраосновного состава, покрывавшим тогда толстым слоем всю поверхность молодой Земли.
Удивительным тогда было и стремительное движение Солнца: всего за 3 ч оно пересекало небосвод, с тем чтобы ещё через 3 ч вновь взойти с востока над безжизненным горизонтом первозданной Земли. Хотя продолжительность года была такой же, как и сейчас, но состоял он почти из 1 500 суток! Движение Луны было более медленным, поскольку она быстро вращалась вокруг Земли в ту же сторону, но фазы Луны менялись буквально на глазах, проходя все стадии всего за 6-8 ч. Месяц в самом начале эволюции системы Земля-Луна также приблизительно равнялся периоду обращения спутника на пределе Роша, т. е. тем же 6 ч, хотя со временем этот период тогда очень быстро возрастал. Удивительными были и кажущиеся размеры Луны, в 300-350 раз превышающие видимую площадь диска современной Луны.
В самом начале своего существования Луна была ещё горячей планетой и излучала тепловую энергию в красной части спектра. Поэтому днём и ночью помимо отражённого солнечного света она светилась ещё собственным тёмно-красным светом и в связи с огромными видимыми размерами заметно обогревала земную поверхность. Временами, особенно с восточной стороны лунного диска, вспыхивали ярко светящиеся оранжевым светом пятна изливающейся на лунную поверхность магмы, освобождавшейся из-под тонкой корки застывших пород при падениях на Луну метеоритных тел, выметавшихся тогда Луной из околоземного спутникового роя. Кроме того, весь огромный лунный диск временами как бы пронзался зигзагообразными яркими стрелами — трещинами, возникавшими в тонкой коре лунных пород при быстрых изменениях радиуса кривизны приливных вздутий Луны, стремительно удалявшейся в то время от Земли.
Поразительным было и наличие у Земли диска мелких частиц, вращавшихся вокруг неё на близких орбитах в экваториальной плоскости. Траектории отдельных частиц сливались воедино и создавали иллюзию существования у Земли сплошных полупрозрачных дисков типа колец Сатурна. При определённых углах зрения эти диски отражали солнечный свет, и тогда они казались жёсткими, но на самом деле по-прежнему оставались эфемерными, и вскоре все их вещество выпало на Землю (см. рис. 23).
Необычным было и наличие у Земли нескольких более мелких, чем Луна спутников — «микролун», удалённых от Земли на значительно большие расстояния, чем «главная» Луна, но также хорошо видимых с поверхности Земли в отражённом солнечном свете в виде мелких дисков или просто ярких «звёздочек». Всего наиболее крупных спутников из этой серии, по-видимому, было не менее 10-12 (все они в дальнейшем выпали на Луну, образовав на ней крупные залитые базальтами кратеры, называемые сейчас «лунными морями»).
Однако самыми впечатляющими, вероятно, были рои разрушительных и непрерывно сменяющих друг друга землетрясений, вызываемых интенсивными приливными деформациями Земли. Вслед за Луной и вместе с приливными горбами эти землетрясения буквально потрясали первозданный лик Земли. Периодичность приливных землетрясений определялась разностью периодов осевого вращения Земли и орбитального обращения Луны, поэтому она все время менялась. Вначале, когда Луна ещё находилась на пределе Роша и угловые скорости вращения Земли и Луны совпадали (случай стационарного вращения планет), приливные вздутия Земли практически не перемещались по её поверхности, поэтому и землетрясения такого типа должны были отсутствовать. Но как только Луна сошла с предела Роша и стала удаляться от Земли, сразу же возникли и интенсивные приливные землетрясения, дважды потрясавшие земную поверхность при каждом видимом обороте Луны вокруг Земли.
Высота лунных приливов на поверхности Земли обратно пропорциональна третьей степени расстояния между центрами тяжести планет. На пределе Роша центр тяжести Луны отстоял от центра Земли на 17,2 тыс. км (сама же лунная поверхность в то время нависала над земной поверхностью на высоте всего около 7 тыс. км). Поэтому высота лунных приливов на Земле в это время была очень высокой, приблизительно равнялась 1,5 км (на Луне же «земные» приливы тогда достигали 870 км!). Столь высокие приливы при их перемещениях по земной поверхности, естественно, сопровождались роями многочисленных и сильных землетрясений, непрерывно сотрясавшими поверхность молодой Земли. Однако в связи с быстрым приливным отталкиванием Луны от Земли (обратно пропорциональным степени 5,5 от расстояния между планетами) в это время уже через 1 млн лет после образования планет, лунные приливы на Земле снизились до 130 м, ещё через 10 млн лет их амплитуда уменьшилась до 45 м, а через 100 млн лет — до 15 м. К концу катархея около 4 млрд лет назад, когда Луна находилась приблизительно на расстоянии 168 тыс. км от Земли, лунные приливы уже снизились до 7 м. Для сравнения отметим, что сейчас Луна отстоит от Земли на расстоянии 384,4 тыс. км, а современные приливы твёрдой Земли вблизи подлунной точки достигают примерно 46 см.
Стремительное отодвигание Луны от Земли в раннем катархее и как следствие этого резкое снижение приливной энергии, рассеиваемой в недрах молодой Земли, спасли её от перегрева, но и быстро снизили уровень приливной сейсмичности нашей планеты. Так, если предположить, что на возбуждение землетрясений расходовалась только 1/1000 часть приливной энергии, и принять суммарную энергию современных землетрясений равной 1025 эрг/год, то оказывается, что энергия приливных землетрясений в самом начале катархея (около 4,6 млрд лет назад) примерно в 17 тыс. раз превосходила энергетический уровень современной сейсмичности Земли. Однако уже через 100 млн лет суммарная интенсивность приливных землетрясений снизилась приблизительно до уровня, лишь в 2,2 раза превышающего современную сейсмичность, а к концу катархея 4 млрд лет назад она уменьшилась ещё примерно в 6 раз.
Рассматривая сейсмичность молодой Земли в катархее, важно помнить, что её природа и характер проявления тогда принципиально отличались от сейсмических характеристик современных землетрясений. Во-первых, приливные землетрясения катархея были только экзогенного происхождения и никак не привязывались к каким-либо фиксированным тектоническим зонам (их тогда просто не существовало на Земле). Во-вторых, эти землетрясения вместе с бегущей приливной волной закономерно перемещались по Земле и её поверхности со скоростью, определяемой видимым вращением Луны вокруг Земли. Как и у обычных приливов, кульминации землетрясений происходили дважды за каждый оборот Земли относительно Луны. В-третьих, наибольшей интенсивности приливные землетрясения достигали в экваториально-тропическом поясе Земли и минимальной — на её полюсах.
Ниже будет показано, что после архейского эпизода расплавления верхней мантии и её перегрева с возникновением в этой геосфере «магматического океана» вся первозданная поверхность Земли вместе с её первичной и относительно плотной (около 3,9 г/см3) литосферой очень быстро буквально утонула в расплавах верхней мантии, т. е. опустилась вниз (в мантию). Поэтому перевод греческой приставки ката — вниз, по-видимому, можно понимать как напоминание о том, что все геологические объекты до архейского, т.е. катархейского, возраста опустились вниз, в расплавленную верхнюю мантию Земли, и там полностью исчезли из её исторической летописи.
Рассмотрим теперь те внешние условия, которые господствовали на поверхности молодой Земли, и специфику приливной тектоники в катархее. Это тем более полезно сделать, поскольку о начальных условиях на Земле бытуют произвольные и умозрительные представления о якобы бурной вулканической и гидротермальной деятельности, происходившей под покровом густой и плотной атмосферы. Такие представления перешли к нам в основном из научно-популярной литературы эпохи господства в геологии контракционной гипотезы, исходившей, как известно, из идеи «горячего» происхождения Земли.
Условия на поверхности молодой Земли действительно были необычными, но как раз в противоположном смысле. В те далёкие времена существовали только ландшафты неприветливой, суровой и холодной пустыни с чёрным небом, яркими немигающими звёздами, жёлтым слабо греющим Солнцем (его светимость была приблизительно на 25–30% ниже современной) и непомерно большим диском Луны, на котором ещё не существовало привычных нам «морей». Рельеф Земли напоминал испещрённую кратерами поверхность Луны. Однако из-за сильных и практически непрерывных приливных землетрясений этот рельеф был существенно сглажен и сложен только монотонно тёмно-серым первичным веществом, перекрытым сверху столь же тёмным и сравнительно толстым слоем реголита. Никаких других более дифференцированных пород типа базальтов, перидотитов, анортозитов или гранитов тогда на Земле вообще не существовало.
Пустынный пейзаж первозданной Земли временами нарушался сотрясениями взрывов падавших на Землю остаточных планетезималей. Но частота их падения со временем быстро сокращалась. Только в экваториальной зоне молодой Земли в то время ещё продолжали выпадать из спутниковых роев недавно разрушенной Протолуны обильные, буквально ливневые потоки мелких каменных и железных обломков. Поэтому земная поверхность в экваториальной зоне ещё какое-то время и после образования Луны оставалась раскалённой (во всяком случае в течение сотен или первых тысяч лет).
Хотелось бы ещё раз обратить внимание, что никаких вулканов, извергающих на поверхность молодой Земли потоки лавы, фонтаны газов и паров воды в то время не было, как не существовало тогда ни гидросферы, ни плотной атмосферы. Те же очень небольшие количества газов и паров воды, которые выделялись при тепловых взрывах падающих на Землю планетезималей и осколков Протолуны, активно и быстро сорбировались пористым реголитом ультраосновного состава, покрывавшим тогда толстым слоем всю поверхность молодой Земли.
Удивительным тогда было и стремительное движение Солнца: всего за 3 ч оно пересекало небосвод, с тем чтобы ещё через 3 ч вновь взойти с востока над безжизненным горизонтом первозданной Земли. Хотя продолжительность года была такой же, как и сейчас, но состоял он почти из 1 500 суток! Движение Луны было более медленным, поскольку она быстро вращалась вокруг Земли в ту же сторону, но фазы Луны менялись буквально на глазах, проходя все стадии всего за 6-8 ч. Месяц в самом начале эволюции системы Земля-Луна также приблизительно равнялся периоду обращения спутника на пределе Роша, т. е. тем же 6 ч, хотя со временем этот период тогда очень быстро возрастал. Удивительными были и кажущиеся размеры Луны, в 300-350 раз превышающие видимую площадь диска современной Луны.
В самом начале своего существования Луна была ещё горячей планетой и излучала тепловую энергию в красной части спектра. Поэтому днём и ночью помимо отражённого солнечного света она светилась ещё собственным тёмно-красным светом и в связи с огромными видимыми размерами заметно обогревала земную поверхность. Временами, особенно с восточной стороны лунного диска, вспыхивали ярко светящиеся оранжевым светом пятна изливающейся на лунную поверхность магмы, освобождавшейся из-под тонкой корки застывших пород при падениях на Луну метеоритных тел, выметавшихся тогда Луной из околоземного спутникового роя. Кроме того, весь огромный лунный диск временами как бы пронзался зигзагообразными яркими стрелами — трещинами, возникавшими в тонкой коре лунных пород при быстрых изменениях радиуса кривизны приливных вздутий Луны, стремительно удалявшейся в то время от Земли.
Поразительным было и наличие у Земли диска мелких частиц, вращавшихся вокруг неё на близких орбитах в экваториальной плоскости. Траектории отдельных частиц сливались воедино и создавали иллюзию существования у Земли сплошных полупрозрачных дисков типа колец Сатурна. При определённых углах зрения эти диски отражали солнечный свет, и тогда они казались жёсткими, но на самом деле по-прежнему оставались эфемерными, и вскоре все их вещество выпало на Землю (см. рис. 23).
Рисунок 23. Картина разрушения Протолуны на пределе Роша Земли
Необычным было и наличие у Земли нескольких более мелких, чем Луна спутников — «микролун», удалённых от Земли на значительно большие расстояния, чем «главная» Луна, но также хорошо видимых с поверхности Земли в отражённом солнечном свете в виде мелких дисков или просто ярких «звёздочек». Всего наиболее крупных спутников из этой серии, по-видимому, было не менее 10-12 (все они в дальнейшем выпали на Луну, образовав на ней крупные залитые базальтами кратеры, называемые сейчас «лунными морями»).
Однако самыми впечатляющими, вероятно, были рои разрушительных и непрерывно сменяющих друг друга землетрясений, вызываемых интенсивными приливными деформациями Земли. Вслед за Луной и вместе с приливными горбами эти землетрясения буквально потрясали первозданный лик Земли. Периодичность приливных землетрясений определялась разностью периодов осевого вращения Земли и орбитального обращения Луны, поэтому она все время менялась. Вначале, когда Луна ещё находилась на пределе Роша и угловые скорости вращения Земли и Луны совпадали (случай стационарного вращения планет), приливные вздутия Земли практически не перемещались по её поверхности, поэтому и землетрясения такого типа должны были отсутствовать. Но как только Луна сошла с предела Роша и стала удаляться от Земли, сразу же возникли и интенсивные приливные землетрясения, дважды потрясавшие земную поверхность при каждом видимом обороте Луны вокруг Земли.
Высота лунных приливов на поверхности Земли обратно пропорциональна третьей степени расстояния между центрами тяжести планет. На пределе Роша центр тяжести Луны отстоял от центра Земли на 17,2 тыс. км (сама же лунная поверхность в то время нависала над земной поверхностью на высоте всего около 7 тыс. км). Поэтому высота лунных приливов на Земле в это время была очень высокой, приблизительно равнялась 1,5 км (на Луне же «земные» приливы тогда достигали 870 км!). Столь высокие приливы при их перемещениях по земной поверхности, естественно, сопровождались роями многочисленных и сильных землетрясений, непрерывно сотрясавшими поверхность молодой Земли. Однако в связи с быстрым приливным отталкиванием Луны от Земли (обратно пропорциональным степени 5,5 от расстояния между планетами) в это время уже через 1 млн лет после образования планет, лунные приливы на Земле снизились до 130 м, ещё через 10 млн лет их амплитуда уменьшилась до 45 м, а через 100 млн лет — до 15 м. К концу катархея около 4 млрд лет назад, когда Луна находилась приблизительно на расстоянии 168 тыс. км от Земли, лунные приливы уже снизились до 7 м. Для сравнения отметим, что сейчас Луна отстоит от Земли на расстоянии 384,4 тыс. км, а современные приливы твёрдой Земли вблизи подлунной точки достигают примерно 46 см.
Стремительное отодвигание Луны от Земли в раннем катархее и как следствие этого резкое снижение приливной энергии, рассеиваемой в недрах молодой Земли, спасли её от перегрева, но и быстро снизили уровень приливной сейсмичности нашей планеты. Так, если предположить, что на возбуждение землетрясений расходовалась только 1/1000 часть приливной энергии, и принять суммарную энергию современных землетрясений равной 1025 эрг/год, то оказывается, что энергия приливных землетрясений в самом начале катархея (около 4,6 млрд лет назад) примерно в 17 тыс. раз превосходила энергетический уровень современной сейсмичности Земли. Однако уже через 100 млн лет суммарная интенсивность приливных землетрясений снизилась приблизительно до уровня, лишь в 2,2 раза превышающего современную сейсмичность, а к концу катархея 4 млрд лет назад она уменьшилась ещё примерно в 6 раз.
Рассматривая сейсмичность молодой Земли в катархее, важно помнить, что её природа и характер проявления тогда принципиально отличались от сейсмических характеристик современных землетрясений. Во-первых, приливные землетрясения катархея были только экзогенного происхождения и никак не привязывались к каким-либо фиксированным тектоническим зонам (их тогда просто не существовало на Земле). Во-вторых, эти землетрясения вместе с бегущей приливной волной закономерно перемещались по Земле и её поверхности со скоростью, определяемой видимым вращением Луны вокруг Земли. Как и у обычных приливов, кульминации землетрясений происходили дважды за каждый оборот Земли относительно Луны. В-третьих, наибольшей интенсивности приливные землетрясения достигали в экваториально-тропическом поясе Земли и минимальной — на её полюсах.