Энергетика и тепловой режим молодой Земли
Распределение температуры в первичной Земле по понятным причинам можно оценить лишь теоретически, исходя из имеющихся представлений о формировании планет Солнечной системы. Такую наиболее вероятную оценку для рассмотренной выше модели образования Земли (благодаря аккреции холодного протопланетного пылевого облака) выполнил В. С. Сафронов (1969).
По этой модели большая часть тепловой энергии растущей Земли генерировалась в её недрах за счёт перехода в тепло кинетической энергии падавших на земную поверхность планетезималей. Помимо этого заметный вклад в энергетику растущей и молодой Земли должны были вносить её приливные взаимодействия с Протолуной и Луной.
Общая энергия аккреции Земли огромна, и её вполне хватило бы не только на полное испарение земного вещества, но и на разогрев возникшей плазмы до 36 000 °С. Однако энергия аккреции выделялась главным образом в приповерхностных частях формирующейся планеты, поэтому генерируемое в её верхних слоях тепло легко терялось с тепловым излучением растущей планеты. При этом, естественно, доля теряемого тепла существенно зависела от скорости аккреции планеты и размеров выпадавших на неё планетезималей. Теория показывает, что одновременно с ростом Протоземли увеличивались размеры планетезималей и энергия их падения на земную поверхность. Благодаря этой закономерности температура в недрах молодой Земли могла несколько повышаться от центра к периферии, но затем, вблизи поверхности, она вновь снижалась за счёт более быстрого остывания её приповерхностных частей. В такой ситуации общий теплозапас молодой Земли, а следовательно, и распределение температуры в её недрах полностью определялись скоростью роста планеты. Поскольку с тепловым режимом формирования Земли очень тесно связан вопрос о времени выделения земного ядра, а во многих, даже серьёзных работах, просто постулируется раннее выделение земного ядра, рассмотрим эту проблему подробнее.
Во всех гипотезах с короткой аккрецией планет (порядка 10 млн лет) получалось, что Земля должна была бы расплавиться ещё в процессе образования. Но если бы такое случилось, то у неё, как и у Протолуны, произошла бы быстрая дифференциация вещества, добавившая и свою немалую долю энергии в плавление Земли. В результате в самом начале жизненного пути Земли около 4,6 млрд лет назад у неё выделилось бы плотное железное ядро, сформировался бы расплавленный слой мощной анортозитовой коры, а также произошла бы ранняя дегазация земного вещества с образованием флюидной водно-углекислотной атмосферы.
Но если бы в результате ранней дифференциации земного вещества действительно выделилась бы мощная (до 80 км) и относительно лёгкая (плотностью 2,7 г/см3) анортозитовая земная кора возрастом 4,6 млрд лет, то она сохранялась бы на Земле вечно. Однако никаких следов такой первичной коры, как и других признаков ранней планетарной катастрофы, на Земле нет. По геологическим же данным, земная кора формировалась постепенно, и только начиная приблизительно с 4,0-3,8 млрд лет назад. Более того, если бы действительно у молодой Земли около 4,6 млрд лет назад выделилось металлическое ядро и образовалась бы мощная анортозитовая кора, то в неё перешла бы и большая часть радиоактивных элементов, а Земля, лишившись всех источников эндогенной энергии, подобно Луне, превратилась бы в тектонически мёртвую планету.
Есть и прямые доказательства того, что молодая Земля никогда не плавилась и у неё ещё не было плотного металлического ядра. Например, мы уже рассматривали многие отличия геохимии лунных пород от земных, объясняемые именно тем, что Земля не проходила стадию плавления, тогда как родительское тело Луны, т.е. Протолуна, сразу же после образования была полностью расплавлена и прошла дифференциацию с выделением металлического ядра и анортозитовой коры. Но наиболее ярким и неопровержимым свидетельством этого являются изотопные отношения свинца на Луне и Земле. В лунных породах, явно выделившихся после полного расплавления планеты, как уже отмечалось, отношения радиогенных изотопов свинца с атомными весами 206, 207 и 208, образовавшихся за счёт распада урана 238 и 235, а также тория 232, к стабильному (первичному) изотопу 204 экстремально велики и достигают соответственно значений 250, 130, 270 и выше, тогда как для земных пород, осреднённых в океаническом резервуаре пелагических осадков, эти же отношения равны 19,04, 15,68 и 39,07. Для первичных свинцов (судя по изотопному составу железного метеорита «Каньон Диабло», Аризона, США) они ещё меньше — 9,50, 10,36 и 29,45. Из приведённых соотношений вытекает, что в лунном веществе во время расплавления Протолуны действительно было потеряно (перешло в протолунное ядро) от 96 до 98% первичного (нерадиогенного) свинца.
Ничем другим, кроме полного расплавления протолунного вещества, ликвации расплавов и переходом сульфидов свинца в ядро этого спутника, такую потерю первичного свинца лунным веществом объяснить не удаётся. При этом, железный метеорит «Каньон Диабло», в котором изотопы свинца действительно близко соответствуют их первичным отношениям, следует рассматривать как осколок ядра некоего спутника, прошедшего, подобно Протолуне, приливное расплавление, дифференциацию и разрушение ещё на стадиях формирования самих планет Солнечной системы.
В противоположность этому земное вещество никогда полностью не плавилось и поэтому никогда не подвергалось быстрой и радикальной дифференциации. Земное ядро же формировалось постепенно и в его состав в равной мере переходили как первичный свинец, так и его радиогенные изотопы, успевшие накопиться ко времени протекания процесса дифференциации земного вещества. Отсюда и промежуточные отношения изотопов свинца на Земле по сравнению с такими же отношениями в железных метеоритах и лунных породах.
Таким образом, анализ изотопных отношений свинца в земных породах, как и некоторые геохимические аномалии лунного вещества, а также многочисленные геологические данные (о которых пойдёт речь далее) практически однозначно свидетельствуют о том, что Земля никогда полностью не плавилась и что её ядро выделялось постепенно в течение всей истории её геологического развития.
Помимо уже отмеченных геохимических и геологических данных о том, что у молодой Земли ещё отсутствовало плотное ядро и поэтому земное вещество тогда не подвергалось коренной дифференциации, приведём и чисто экологические аргументы. При полной дегазации земных недр в атмосферу Земли должно было бы поступить около 5×1023 г углекислого газа, ныне связанного в карбонатных породах (что подняло бы её давление приблизительно до 100 атм), а в гидросферу — более 2,5×1024 г воды. В этом случае благодаря парниковому эффекту температура земной поверхности поднялась бы сначала до 400 °С, после чего закипели бы океаны, а общее давление, возникшей флюидной атмосферы поднялось бы ещё выше — до 600 атм. В результате на Земле, как и на Венере, установился бы необратимый (!) парниковый эффект со средними температурами, стабильно превышающими 550 °С. В этом случае на Земле не было бы ни жидкой фазы воды, ни даже примитивных бактерий. К счастью для нас и всего живого на Земле, этого не произошло.
К таким же выводам приводит и рассматриваемая здесь теория планетообразования, разработанная В. С. Сафроновым (1969) по идеям О. Ю. Шмидта (1948). Согласно его расчётам, время формирования Земли растянулось, по крайней мере, на 100 млн лет, и поэтому её недра тогда повсеместно оставались холоднее температуры плавления земного вещества. Своего максимума температура молодой Земли достигала на глубинах около 600-800 км и поднималась до 1 400-1 500 °С, а к центру она вновь несколько снижалась (рис. 29).
Температурная зависимость, изображённая на рис. 29, по-видимому, правильно отражает общий характер распределения температуры в молодой Земле. Однако при пользовании ею необходимо помнить, что приведённые температурные оценки являются весьма приближенными, поскольку решение этой задачи существенно зависит от нескольких трудноопределимых параметров модели аккреции Земли. Тем не менее, используя расчёты по выделению в земных недрах приливной и радиогенной энергии в катархее и учитывая, что первые расплавы земного вещества появились только в начале архея (около 4,0 млрд лет назад), температурные кривые В. С. Сафронова и А. В. Витязева удалось уточнить и согласовать их с общим энергетическим балансом Земли. Именно такая температурная кривая 3 приведена на рис. 29.
По этой модели большая часть тепловой энергии растущей Земли генерировалась в её недрах за счёт перехода в тепло кинетической энергии падавших на земную поверхность планетезималей. Помимо этого заметный вклад в энергетику растущей и молодой Земли должны были вносить её приливные взаимодействия с Протолуной и Луной.
Общая энергия аккреции Земли огромна, и её вполне хватило бы не только на полное испарение земного вещества, но и на разогрев возникшей плазмы до 36 000 °С. Однако энергия аккреции выделялась главным образом в приповерхностных частях формирующейся планеты, поэтому генерируемое в её верхних слоях тепло легко терялось с тепловым излучением растущей планеты. При этом, естественно, доля теряемого тепла существенно зависела от скорости аккреции планеты и размеров выпадавших на неё планетезималей. Теория показывает, что одновременно с ростом Протоземли увеличивались размеры планетезималей и энергия их падения на земную поверхность. Благодаря этой закономерности температура в недрах молодой Земли могла несколько повышаться от центра к периферии, но затем, вблизи поверхности, она вновь снижалась за счёт более быстрого остывания её приповерхностных частей. В такой ситуации общий теплозапас молодой Земли, а следовательно, и распределение температуры в её недрах полностью определялись скоростью роста планеты. Поскольку с тепловым режимом формирования Земли очень тесно связан вопрос о времени выделения земного ядра, а во многих, даже серьёзных работах, просто постулируется раннее выделение земного ядра, рассмотрим эту проблему подробнее.
Во всех гипотезах с короткой аккрецией планет (порядка 10 млн лет) получалось, что Земля должна была бы расплавиться ещё в процессе образования. Но если бы такое случилось, то у неё, как и у Протолуны, произошла бы быстрая дифференциация вещества, добавившая и свою немалую долю энергии в плавление Земли. В результате в самом начале жизненного пути Земли около 4,6 млрд лет назад у неё выделилось бы плотное железное ядро, сформировался бы расплавленный слой мощной анортозитовой коры, а также произошла бы ранняя дегазация земного вещества с образованием флюидной водно-углекислотной атмосферы.
Но если бы в результате ранней дифференциации земного вещества действительно выделилась бы мощная (до 80 км) и относительно лёгкая (плотностью 2,7 г/см3) анортозитовая земная кора возрастом 4,6 млрд лет, то она сохранялась бы на Земле вечно. Однако никаких следов такой первичной коры, как и других признаков ранней планетарной катастрофы, на Земле нет. По геологическим же данным, земная кора формировалась постепенно, и только начиная приблизительно с 4,0-3,8 млрд лет назад. Более того, если бы действительно у молодой Земли около 4,6 млрд лет назад выделилось металлическое ядро и образовалась бы мощная анортозитовая кора, то в неё перешла бы и большая часть радиоактивных элементов, а Земля, лишившись всех источников эндогенной энергии, подобно Луне, превратилась бы в тектонически мёртвую планету.
Есть и прямые доказательства того, что молодая Земля никогда не плавилась и у неё ещё не было плотного металлического ядра. Например, мы уже рассматривали многие отличия геохимии лунных пород от земных, объясняемые именно тем, что Земля не проходила стадию плавления, тогда как родительское тело Луны, т.е. Протолуна, сразу же после образования была полностью расплавлена и прошла дифференциацию с выделением металлического ядра и анортозитовой коры. Но наиболее ярким и неопровержимым свидетельством этого являются изотопные отношения свинца на Луне и Земле. В лунных породах, явно выделившихся после полного расплавления планеты, как уже отмечалось, отношения радиогенных изотопов свинца с атомными весами 206, 207 и 208, образовавшихся за счёт распада урана 238 и 235, а также тория 232, к стабильному (первичному) изотопу 204 экстремально велики и достигают соответственно значений 250, 130, 270 и выше, тогда как для земных пород, осреднённых в океаническом резервуаре пелагических осадков, эти же отношения равны 19,04, 15,68 и 39,07. Для первичных свинцов (судя по изотопному составу железного метеорита «Каньон Диабло», Аризона, США) они ещё меньше — 9,50, 10,36 и 29,45. Из приведённых соотношений вытекает, что в лунном веществе во время расплавления Протолуны действительно было потеряно (перешло в протолунное ядро) от 96 до 98% первичного (нерадиогенного) свинца.
Ничем другим, кроме полного расплавления протолунного вещества, ликвации расплавов и переходом сульфидов свинца в ядро этого спутника, такую потерю первичного свинца лунным веществом объяснить не удаётся. При этом, железный метеорит «Каньон Диабло», в котором изотопы свинца действительно близко соответствуют их первичным отношениям, следует рассматривать как осколок ядра некоего спутника, прошедшего, подобно Протолуне, приливное расплавление, дифференциацию и разрушение ещё на стадиях формирования самих планет Солнечной системы.
В противоположность этому земное вещество никогда полностью не плавилось и поэтому никогда не подвергалось быстрой и радикальной дифференциации. Земное ядро же формировалось постепенно и в его состав в равной мере переходили как первичный свинец, так и его радиогенные изотопы, успевшие накопиться ко времени протекания процесса дифференциации земного вещества. Отсюда и промежуточные отношения изотопов свинца на Земле по сравнению с такими же отношениями в железных метеоритах и лунных породах.
Таким образом, анализ изотопных отношений свинца в земных породах, как и некоторые геохимические аномалии лунного вещества, а также многочисленные геологические данные (о которых пойдёт речь далее) практически однозначно свидетельствуют о том, что Земля никогда полностью не плавилась и что её ядро выделялось постепенно в течение всей истории её геологического развития.
Помимо уже отмеченных геохимических и геологических данных о том, что у молодой Земли ещё отсутствовало плотное ядро и поэтому земное вещество тогда не подвергалось коренной дифференциации, приведём и чисто экологические аргументы. При полной дегазации земных недр в атмосферу Земли должно было бы поступить около 5×1023 г углекислого газа, ныне связанного в карбонатных породах (что подняло бы её давление приблизительно до 100 атм), а в гидросферу — более 2,5×1024 г воды. В этом случае благодаря парниковому эффекту температура земной поверхности поднялась бы сначала до 400 °С, после чего закипели бы океаны, а общее давление, возникшей флюидной атмосферы поднялось бы ещё выше — до 600 атм. В результате на Земле, как и на Венере, установился бы необратимый (!) парниковый эффект со средними температурами, стабильно превышающими 550 °С. В этом случае на Земле не было бы ни жидкой фазы воды, ни даже примитивных бактерий. К счастью для нас и всего живого на Земле, этого не произошло.
К таким же выводам приводит и рассматриваемая здесь теория планетообразования, разработанная В. С. Сафроновым (1969) по идеям О. Ю. Шмидта (1948). Согласно его расчётам, время формирования Земли растянулось, по крайней мере, на 100 млн лет, и поэтому её недра тогда повсеместно оставались холоднее температуры плавления земного вещества. Своего максимума температура молодой Земли достигала на глубинах около 600-800 км и поднималась до 1 400-1 500 °С, а к центру она вновь несколько снижалась (рис. 29).
Рисунок 29. Температура молодой Земли: 1 и 2 предельные распределения начальной температуры Земли:
1 — по В. С. Сафронову (1969) с учётом ударов тел разных размеров, но вначале мелких, а затем и более крупных; 2 — по А. В. Витязеву и др. (1990) с учётом ударов крупных тел в начале процесса аккреции Земли; 3 — принятое распределение начальной температуры Земли, учитывающее как ударное нагревание планеты, так и её приливное разогревание при захвате и разрушении Протолуны.
Температурная зависимость, изображённая на рис. 29, по-видимому, правильно отражает общий характер распределения температуры в молодой Земле. Однако при пользовании ею необходимо помнить, что приведённые температурные оценки являются весьма приближенными, поскольку решение этой задачи существенно зависит от нескольких трудноопределимых параметров модели аккреции Земли. Тем не менее, используя расчёты по выделению в земных недрах приливной и радиогенной энергии в катархее и учитывая, что первые расплавы земного вещества появились только в начале архея (около 4,0 млрд лет назад), температурные кривые В. С. Сафронова и А. В. Витязева удалось уточнить и согласовать их с общим энергетическим балансом Земли. Именно такая температурная кривая 3 приведена на рис. 29.