вся история земли разделена на два эона

Эры развития Земли

Представляем вашему вниманию статью о классическом понимании развития нашей планеты Земля, написанную нескучно, понятно и не слишком длинно….. Если кто из людей зрелого возраста подзабыл — будет интересно прочитать, ну для тех, кто помоложе, да еще и для реферата вообще прекрасный материал.

Вначале не было ничего. В бескрайнем космическом пространстве существовало только гигантское облако из пыли и газов. Можно допустить, что время от времени сквозь эту субстанцию на огромной скорости проносились космические корабли с представителями вселенского разума. Гуманоиды скучающе смотрели в иллюминаторы и даже отдалённо не догадывались, что через несколько млрд. лет в этих местах зародятся разум и жизнь.

Газопылевое облако со временем трансформировалось в Солнечную систему. А после того, как возникло светило, появились и планеты. Одной из них стала наша родная Земля. Произошло это 4,5 млрд. лет назад. Вот с тех далёких времён и отсчитывается возраст голубой планеты, благодаря которой мы и существуем в этом мире.

Вся история Земли делится на два огромных по времени этапа

Такие огромные временные этапы называют эонами. Каждому эону присуща своя эонотема. Последняя представляет собой определённый этап геологического развития планеты, который кардинально отличается от других этапов литосферой, гидросферой, атмосферой, биосферой. То есть каждая эонотема строго специфична и не похожа на другие.

Всего насчитывается 4 эона. Каждый из них, в свою очередь, подразделяется на эры развития Земли, а те делятся на периоды. Отсюда видно, что существует жёсткая градация больших интервалов времени, а за основу берётся геологическое развитие планеты.

Катархей

Самый древний эон называется катархей. Начался он 4,6 млрд. лет назад, а закончился 4 млрд. лет назад. Таким образом, его длительность составила 600 млн. лет. Время очень древнее, поэтому его не разделили ни на эры, ни на периоды. Во времена катархея не было ни земной коры, ни ядра. Планета представляла собой холодное космическое тело. Температура в его недрах соответствовала температуре плавления вещества. Сверху поверхность была покрыта реголитом, как в наше время лунная. Рельеф был практически ровным из-за постоянных мощных землетрясений. Никакой атмосферы и кислорода, естественно, не было.

Архей

Второй эон называется архей. Начался он 4 млрд. лет назад, а закончился 2,5 млрд. лет назад. Таким образом, он продолжался 1,5 млрд. лет. Его подразделяют на 4 эры:

Эоархей (4–3,6 млрд. лет) длился 400 млн. лет. Это период формирования земной коры. На планету падало огромное количество метеоритов. Это, так называемая, Поздняя тяжёлая бомбардировка. Именно в то время началось образование гидросферы. На Земле появилась вода. В большом количестве её могли занести кометы. Но до океанов было ещё далеко. Существовали отдельные водоёмы, а температура в них доходила до 90° по Цельсию. Атмосфера характеризовалась высоким содержанием углекислого газа и небольшим содержанием азота. Кислород отсутствовал. В конце этой эры развития Земли начал формироваться первый суперконтинент Ваальбара.

Палеоархей (3,6–3,2 млрд. лет) длился 400 млн. лет. В эту эру завершилось формирование твёрдого ядра Земли. Появилось сильное магнитное поле. Его напряжённость составляла половину нынешней. Следовательно, поверхность планеты получила защиту от солнечного ветра. На этот период приходятся и примитивные формы жизни в виде бактерий. Их остатки, возраст которых составляет 3,46 млрд. лет, были обнаружены в Австралии. Соответственно, стало увеличиваться содержание кислорода в атмосфере, обусловленное деятельностью живых организмов. Продолжалось формирование Ваальбара.

Мезоархей (3,2–2,8 млрд. лет) длился 400 млн. лет. Самым примечательным в нём являлось существование цианобактерий. Они способны к фотосинтезу и выделяют кислород. Завершилось формирование суперконтинента. К концу эры он раскололся. Имело место также падение огромного астероида. Кратер от него до сих пор существует на территории Гренландии.

Неоархей (2,8–2,5 млрд. лет) продолжался 300 млн. лет. Это время формирования настоящей земной коры – тектогенез. Продолжали развиваться бактерии. Следы их жизни обнаружены в строматолитах, возраст которых оценивается в 2,7 млрд. лет. Эти известковые отложения были образованы огромными колониями бактерий. Их нашли в Австралии и Южной Африке. Продолжал совершенствоваться фотосинтез.

С окончанием архея эры Земли получили своё продолжение в протерозойском эоне. Это период 2,5 млрд. лет – 540 млн. лет назад. Он самый длительный из всех эонов планеты.

Протерозой

Протерозой делится на 3 эры. Первая называется палеопротерозой (2,5–1,6 млрд. лет). Продолжалась она 900 млн. лет. Этот огромный временной интервал подразделяется на 4 периода:

Кислородный фотосинтез характерен для цианобактерий, которые расплодились на Земле 2,7 млрд. лет назад. До этого господствовали архебактерии. Они при фотосинтезе кислород не вырабатывали. К тому же вначале кислород расходовался на окисление горных пород. В больших количествах он скапливался только в биоценозах или бактериальных матах.

В конце концов, наступил момент, когда поверхность планеты оказалась окисленной. А цианобактерии продолжали выделять кислород. И он начал накапливаться в атмосфере. Процесс ускорился из-за того, что океаны тоже перестали поглощать этот газ.

Как результат, анаэробные организмы погибли, а им на смену пришли аэробные, то есть те, у которых синтез энергии осуществлялся посредством свободного молекулярного кислорода. Планету окутал озоновый слой и снизился парниковый эффект. Соответственно, расширились границы биосферы, а осадочные и метаморфические породы оказались полностью окисленными.

Все эти метаморфозы привели к Гуронскому оледенению, которое продолжалось 300 млн. лет. Началось оно в сидерии, а закончилось в конце риасия 2 млрд. лет назад. Следующий период орозирий примечателен интенсивными процессами горообразования. В это время на планету упало 2 огромных астероида. Кратер от одного называется Вредефорт и находится в ЮАР. Его диаметр доходит до 300 км. Второй кратер Садбери располагается в Канаде. Его диаметр составляет 250 км.

Последний статерийский период примечателен образованием суперконтинента Колумбия. В него вошли почти все континентальные блоки планеты. Существовал суперконтинент 1,8-1,5 млрд. лет назад. В это же время сформировались клетки, которые содержали ядра. То есть клетки эукариоты. Это был очень важный этап эволюции.

Вторая эра протерозоя называется мезопротерозой (1,6–1 млрд. лет). Её продолжительность составила 600 млн. лет. Делится она на 3 периода:

Во времена такой эры развития Земли, как калимий, распался суперконтинент Колумбия. А во времена экзатия появились красные многоклеточные водоросли. На это указывает ископаемая находка на канадском острове Сомерсет. Её возраст составляет 1,2 млрд. лет. В стений образовался новый суперконтинент Родиния. Возник он 1,1 млрд. лет назад, а распался 750 млн. лет назад. Таким образом, к концу мезопротерозоя на Земле существовал 1 суперконтинент и 1 океан, получивший название Мировия.

Последняя эра протерозоя носит название неопротерозой (1 млрд.–540 млн. лет). В неё входит 3 периода:

Во времена тония начался распад суперконтинента Родиния. Этот процесс закончился в криогении, и начал формироваться суперконтинент Паннотия из 8 образовавшихся отдельных кусков суши. Для криогения также характерно полное оледенение планеты (Земля-снежок). Льды дошли до экватора, а после того, как они отступили, резко ускорился процесс эволюции многоклеточных организмов. Последний период неопротерозоя эдиакарий примечателен появлением мягкотелых существ. Эти многоклеточные животные получили название вендобионты. Представляли они собой ветвящиеся трубчатые структуры. Данная экосистема считается древнейшей.

Жизнь на Земле зародилась в океане

Фанерозой

Примерно 540 млн. лет назад началось время 4-го и последнего эона – фанерозоя. Здесь насчитываются 3 очень важные эры Земли. Первая называется палеозой (540–252 млн. лет). Продолжалась она 288 млн. лет. Делится на 6 периодов:

Кембрий считается временем жизни трилобитов. Это морские животные, похожие на ракообразных. Вмести с ними в морях обитали медузы, губки и черви. Такое обилие живых существ называется кембрийским взрывом. То есть до этого ничего подобного не было и вдруг резко появилось. Скорее всего, именно в кембрии начали зарождаться минеральные скелеты. Раньше же живой мир имел мягкие тела. Они, естественно, не сохранились. Поэтому сложные многоклеточные организмы более древних эпох и невозможно обнаружить.

Палеозой примечателен быстрым расселением организмов с твёрдыми скелетами. Из позвоночных появились рыбы, пресмыкающиеся и земноводные. В растительном мире вначале преобладали водоросли. Во время силура растения начали осваивать сушу. В начале девона болотистые берега поросли примитивными представителями флоры. Это были псилофиты и птеридофиты. Размножались растения спорами, которые переносил ветер. Побеги растений развивались на клубневых или стелющихся корневищах.

Растения начали осваивать сушу в силурский период

Появились скорпионы, пауки. Настоящим гигантом была стрекоза меганевра. Размах её крыльев достигал 75 см. Древнейшими костными рыбами считаются акантоды. Жили они в силурский период. Их тела были покрыты плотными ромбовидными чешуйками. В карбон, который ещё называют каменноугольным периодом, на берегах лагун и в бесчисленных топях бурно развивалась самая разнообразная растительность. Именно её остатки и послужили основой для образования каменного угля.

Это время также характерно началом образования суперконтинента Пангея. Полностью он сформировался в пермский период. А распался 200 млн. лет назад на 2 континента. Это северный континент Лавразия и южный континент Гондвана. Впоследствии Лавразия раскололась, и образовались Евразия и Северная Америка. А из Гондваны возникли Южная Америка, Африка, Австралия и Антарктида.

На пермь приходились частые изменения климата. Засушливые времена сменялись влажными. В это время на берегах появлялась буйная растительность. Типовыми растениями были кордаиты, каламиты, древовидные и семенные папоротники. В воде появились ящеры мезозавры. Их длина достигала 70 см. Но к концу пермского периода ранние пресмыкающиеся вымерли и уступили место более развитым позвоночным. Таким образом, в палеозой жизнь надёжно и плотно обосновалась на голубой планете.

Особый интерес у учёных вызывают следующие эры развития Земли. 252 млн. лет назад наступил мезозой. Продолжался он 186 млн. лет и закончился 66 млн. лет назад. Состоял из 3-х периодов:

А вот основное тектоническое событие тех лет – распад Пангеи. Единый суперконтинент, как уже говорилось, разделился на 2 континента, а затем распался на те материки, которые мы знаем сейчас. Откололся и индийский субконтинент. Впоследствии он соединился с азиатской плитой, но столкновение было настолько жёсткое, что возникли Гималаи.

Такой природа была в ранний меловой период

Мезозой примечателен тем, что считается самым тёплым периодом фанерозойского эона. Это время глобального потепления. Началось оно в триасе, а закончилось в конце мела. 180 млн. лет даже в Заполярье не было устойчивых паковых ледников. Тепло по планете распространялось равномерно. На экваторе среднегодовая температура соответствовала 25-30° по Цельсию. Для приполярных областей был характерен умеренно-прохладный климат. В первой половине мезозоя климат был сухим, а для второй половины характерен влажный. Именно в это время сформировался экваториальный климатический пояс.

В животном мире из подкласса пресмыкающихся возникли млекопитающие. Связано это было с совершенствованием нервной системы и головного мозга. Конечности переместились с боков под тело, стали более совершенными детородные органы. Они обеспечили развитие зародыша в теле матери с последующим выкармливанием его молоком. Появился шерстяной покров, улучшились кровообращение и обмен веществ. Первые млекопитающие появились ещё в триасе, но с динозаврами они конкурировать не могли. Поэтому более 100 млн. лет те занимали доминирующее положение в экосистеме.

Последней эрой считается кайнозой (начало 66 млн. лет назад). Это текущий геологический период. То есть мы все живём в кайнозое. Подразделяется он на 3 периода:

В кайнозое наблюдаются 2 главных события. Массовое вымирание динозавров 65 млн. лет назад и общее похолодание на планете. Гибель животных связывают с падением огромного астероида с высоким содержанием иридия. Диаметр космического тела достигал 10 км. В результате этого образовался кратер Чиксулуб с диаметром 180 км. Находится он на полуострове Юкатан в Центральной Америке.

Поверхность Земли 65 млн. лет назад

Во времена кайнозоя материки расходились. На каждом из них формировалась своя уникальная флора и фауна. Многообразие морских, летающих и наземных животных значительно увеличилось по-сравнению с палеозоем. Они стали гораздо более совершенными, а доминирующее положение на планете заняли млекопитающие. В растительном мире появились высшие покрытосеменные растения. Это наличие цветка и семяпочки. Появились также злаковые культуры.

Самым важным в последней эре является антропоген или четвертичный период, начавшийся 2,6 млн. лет назад. Состоит он из 2-х эпох: плейстоцена (2,6 млн. лет–11,7 тыс. лет) и голоцена (11,7 тыс. лет–наше время). В эпоху плейстоцена на Земле жили мамонты, пещерные львы и медведи, сумчатые львы, саблезубые кошки и многие другие виды животных, вымерших в конце эпохи. 300 тыс. лет назад на голубой планете появился человек. Считается, что первые кроманьонцы облюбовали для себя восточные районы Африки. В это же время на Пиренейском полуострове жили неандертальцы.

Примечателен плейстоцен и ледниковыми периодами. Целых 2 млн. лет на Земле чередовались очень холодные и тёплые периоды времени. За последние 800 тыс. лет насчитывалось 8 ледниковых периодов со средней продолжительностью 40 тыс. лет. В холодные времена ледники наступали на континенты, а в межледниковье отступали. При этом повышался уровень Мирового океана. Около 12 тыс. лет назад, уже в голоцен, закончился очередной ледниковый период. Климат стал тёплым и влажным. Благодаря этому, человечество расселилось по всей планете.

Голоцен – это межледниковье. Оно продолжается уже 12 тыс. лет. Последние 7 тыс. лет развивалась человеческая цивилизация. Мир во многом изменился. Значительные трансформации, благодаря деятельности людей, претерпели флора и фауна. В наши дни многие виды животных находятся на грани уничтожения. Человек уже давно считает себя властелином мира, но эры Земли никуда не делись. Время продолжает свой неуклонный ход, а голубая планета добросовестно вращается вокруг Солнца. Одним словом, жизнь продолжается, а вот что будет дальше – покажет будущее.

Источник

Геологические эры и хроники Земли

Для начала, давайте разберёмся, что такое эры Земли. На самом деле, это последовательность развития планеты и возникновения на ней жизни. Сюда относится формирование всего, начиная с ландшафта, флоры и фауны, и заканчивая происхождением самой жизни.

Современные теории и гипотезы рассказывают о том, что наша планета образовалась в результате приращения массы благодаря гравитационным силам. Другими словами некая материя расширилась, поглощая окружающее пространство. Со временем, когда она остыла, появилась внешняя кора. Затем за сотни миллионов лет происходило постоянное изменение и формирование.

Жизнь на планете Земля возродилась примерно 3,8 млрд лет назад. В то время, земная кора как раз сформировалась. Но сама жизнь, точнее первые живые организмы, появились в воде. Лишь через миллиард лет они впервые поднялись на поверхность.

В результате мы видим то, что мы видим. Однако процесс продолжается и мы принимаем в нём активное участие. Правда, сейчас не об этом. Поговорим не о будущем, а о прошлом нашего дома.

Земля в начале существования

Хроники нашей планеты

Поскольку история эволюции и развития жизни на Земле прошла огромный период, учёные умы разделили её на эры. В свою очередь, они (то есть эры) подразделили на периоды. Каждый отрезок времени отмечает значимые факты в общем формировании жизни.

Существует пять особенных эпох, о которых мы расскажем ниже.

Архейская эра Земли

Согласно истории, архейская эра Земли берет начало приблизительно 4,6 млрд лет назад. Тогда только происходило образование самой планеты. Безусловно, ни о какой жизни речи нет. Потому как в воздухе витал хлор, водород и аммиак, радиация зашкаливала, а показатель температуры составлял 80 градусов.

Как считают учёные, в это время Земля столкнулась с массивным космическим объектом. В итоге врезавшееся тело, а точнее то, что от него осталось, оказалось на околоземной орбите. Таким образом образовалась протолуна, ставшая нашим естественным спутником. Но это не все последствия удара. Резко увеличилась земная скорость вращения и наклон её оси. Как результат, появилась атмосфера, конденсат водяного пара, а затем и океаны. Где и родилась первая жизнь — бактерии.

Это важный момент в планетном развитии. Ведь благодаря всем процессам того времени, стала возможна будущая жизнь на Земле.

Протерозойская эра Земли

Собственно говоря, её длительность составила с 2,5 до 540 млрд лет назад. За это время сформировалась земельная почва и одноклеточные жители. Например, моллюски, черви и водоросли.

Сначала данной эпохи в воздухе также не было кислорода. Однако его начали выделять бактерии, живущие в воде. К тому же, у некоторых открылась способность к аэробному дыханию.

Палеозойская эра Земли

Она подразделяется на шесть периодов.

Кембрийский период

Он занимает промежуток 530-490 млн лет назад. Главным образом, за это время образовалась флора и фауна нашей планеты. Из-за всё ещё высокой температуры, на суше никто не мог жить. Только в океанских водах жили водоросли, моллюски и членистоногие.

Кембрийский период

Ордовикский период

Охватывает время с 490 по 442 млн лет назад. Океан продолжают пополнять новые жители: позвоночные, коралловые и губки. А вот на поверхности возникли лишайники и ранние членистоногие.

Силурийский период

Проходит с 442 по 418 млн лет назад и характеризуется возникновением растений на суше, а у членистоногих отмечается образование лёгочной ткани. Кроме того, у позвоночных формируется костный скелет и воспринимающие органы чувств. Более того, на данном этапе образуются климатические зоны и горы.

Силурийский период

Девонский период

Следующий этап (418-353 млн лет назад) отличается лесами. Да, да, особенно папоротниковыми. Водные просторы наполняют костные и хрящевые представители, а также амфибии, которые могли жить и на суше. Интересно, что в эту пору появились насекомые.

Каменноугольный период

Не менее важная стадия развития жизни, продолжавшаяся с 353 по 290 млн лет назад. Данная эра Земли отмечается рождением земноводных и опусканием имеющихся материков. Правда, в заключении температура на поверхности планеты сильно снизилась. В результате многие виды живых организмов погибли.

Лес каменноугольного периода

Пермский период

Как установили, он занимает время с 290 по 248 млн лет назад. Наконец-то, наблюдается возникновение пресмыкающих и, так называемые терапсиды, являющиеся предками млекопитающих. Из-за всё ещё высокой температуры на поверхности появились пустыни. Но и среди них смогли выжить папоротники и хвойные культуры.

Мезозойская эра

В свою очередь, она разделена на три временных зоны.

Триасовый период

Охватывает отрезок времени с 248 по 200 млн лет назад. Суша начинает делиться на континенты, появились млекопитающие и пополняется семейство растений.

Флора триасового периода

Юрский период

Скорее всего, вы о нём слышали. На самом деле, это время (200-140 млн лет назад) выделяется возникновением покрытосеменных растений и прародителей птиц.

Дилофозавр — представитель юрского периода

Меловой период

Затем следует временной промежуток с 140 по 65 млн лет назад. Теперь покрытосеменные являются основными растениями. А также развиваются высшие млекопитающие и птицы.

Конец мелового периода и вымирание динозавров

Кайнозойская эра Земли

Между прочим, и её разделили на три периода:

Интересно, что весь исторический путь планеты также делят на два основных периода:

Итак, мы выяснили какие эры и периоды формирования Земли были и какая эра проходит сейчас. Для уточнения, мы живём в кайнозойское время, а точнее в пору антропогена. Возможно, он закончится, но это не означает конец жизни.

То, как развивалась жизнь, без сомнения, очень важно, ценно и интересно для нас. Можно сказать, наша жизнь-результат всего того, что происходило с Землей и на ней. Будем надеяться, это сейчас мы наблюдаем очередной этап в её развитии и эволюции к более лучшей и развитой жизни.

Важно знать, понимать и ценить былое, а главное думать о нашей деятельности сейчас. Ведь она на прямую влияет на будущее всей планеты.

Источник

Биография Земли: основные этапы геологической истории

Михаил Кузьмин, Владимир Ярмолюк
«Природа» №6, 2017

Об авторах

Михаил Иванович Кузьмин — академик РАН, директор Института геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН с 1988 по 2012 г. В настоящее время главный научный сотрудник института и советник РАН. Ведущий специалист в области геохимии, геодинамики, петрологии. Один из создателей нового направления в геологии — химической геодинамики. Лауреат Государственной РФ (1997) и Демидовской (2007) премий.

Владимир Викторович Ярмолюк — академик РАН, заведующий лаборатории Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН. Область научных интересов — процессы глубинной геодинамики, изотопная геохимия, редкометалльный магматизм и связанные с ним месторождения, палеогеодинамические реконструкции. Лауреат премии имени Ленинского комсомола (1978), Государственной премии РФ (1997) и премии им. В. А. Обручева (2005).

Земля обладает уникальными характеристиками, которых нет у других планет Солнечной системы и у планет других звездных систем. Наиболее полно эти особенности обобщил в своей книге «Земля как эволюционирующая планетная система» замечательный геолог Кент Конди [1]. Книга написана для студентов университетов, но знать об этом, как нам кажется, необходимо со школы, так как только от нас — жителей Земли — зависит, как бережно следует использовать эти удивительные ее свойства, чтобы сохранить для будущих поколений нашу планету. Среди отличительных особенностей Земли Конди отмечает следующее.

Земная орбита близка к круговой, что обеспечивает более или менее постоянное поступление количества тепла, исходящего от Солнца. Если бы орбита была более вытянута, то на планете стало бы холоднее зимой и жарче летом. Тогда высшие формы жизни могли бы и не выжить.

Если бы Земля была только на 5% ближе к Солнцу, то (подобно тому, что происходит на Венере) температура на ее поверхности была бы слишком высокой для существования воды в жидком состоянии. Если бы наша планета находилась на 5% дальше от Солнца, то океаны замерзли бы, фотосинтез был бы значительно ослаблен, и содержание атмосферного кислорода сильно бы сократилось. В обоих случаях условия на Земле затрудняли бы появление привычных для нас форм жизни.

Если бы Земля была существенно массивнее, то силы гравитации, скорее всего, препятствовали бы появлению высших форм жизни, а если меньше, то Земля, подобно Марсу, лишилась бы атмосферы под воздействием солнечного ветра, что также не способствует развитию жизни.

Если бы Земля не имела достаточно мощного магнитного поля, то смертоносные космические лучи убили бы все формы жизни на ней. Если бы не было озонового слоя, фильтрующего и не допускающего вредную ультрафиолетовую солнечную радиацию, высшие формы жизни на Земле также не могли бы существовать.

Если бы гравитационное поле Юпитера не оказывало регулирующее воздействие на внутренние зоны Солнечной системы, Земля беспрерывно подвергалась бы бомбардировкам метеоритов и комет, следствием которых стали бы постоянные катастрофы глобального масштаба, препятствующие эволюции жизни до высших ее форм.

И наконец, если бы не было тектоники плит, то не произошла бы дифференциация рельефа Земли и не сформировались бы континенты, т. е. те территории, на которых мог обитать человек.

От себя добавим, что не образовались бы и многие рудные месторождения, обеспечившие развитие цивилизаций.

Вполне понятно, что большинство уникальных характеристик Земля приобрела как в ходе становления Солнечной системы, так и в процессе всей геологической истории. К сожалению, это предположение сложно обосновать из-за неполноты наших знаний, однако данные, накопленные разными науками (астрономией, геологией, биологией и др.) высвечивают отдельные участки земной истории, что дает основание для попыток реконструировать ее в полном объеме.

Благодаря использованию космических аппаратов и орбитальных телескопов (в том числе телескопа «Хаббл») получен огромный материал о других звездных мирах, позволивший более полно понять закономерности формирования планетных систем, и в частности расшифровать ранние этапы развития Солнечной системы.

Еще совсем недавно считалось, что наша планетная система зародилась во вращающемся газопылевом облаке, в центре которого возникло Солнце, а вокруг него (с учетом дифференциации облака) образовались планеты с определенными стабильными орбитами. Полученные новые данные сильно скорректировали эту стройную концепцию [2]. Разделение Солнечной системы на внутреннюю часть, в пределах которой развиты каменистые планеты небольших размеров, и внешнюю, с газовыми гигантами, делают нашу систему «белой вороной» среди других звездных систем. В Солнечной системе нет планет средних размеров (

1–10 масс Земли), называемых также суперземлями и обычных для других звездных систем. В них планеты расположены ближе к своей звезде, чем Меркурий к Солнцу, и их история, как правило, заканчивается столкновением со светилом. Как полагают некоторые исследователи, особый путь развития нашей системы вызван тем, что в первые миллионы лет ее становления гигантские планеты, возникшие в ее пределах, испытывали динамическую неустойчивость и орбитальные миграции [2]. Эти бурные события могли сбросить на Солнце (или выбросить в межзвездное пространство) целые планеты.

Здесь на основе современных знаний о начальных стадиях формирования Солнечной системы, а также геологической истории Земли мы хотим показать, как образовалась наша уникальная планета, на которой появился и живет человек.

Мы понимаем, что поднимаемую проблему можно раскрыть лишь на уровне наших сегодняшних познаний, в которых еще много пробелов. Однако накопление новых достижений науки в разных направлениях происходит в геометрической прогрессии. В скором времени будут получены новые данные. Они, вероятно, внесут принципиальные изменения в сложившуюся картину земной истории. И тем не менее нам представляется, что какой-то итог понимания эволюции нашей планеты надо подводить в разное время. Это помогает следить за развитием науки и вносить соответствующие дополнения и исправления в наши более ранние построения.

Возникновение Солнечной системы и особенности ее формирования

Зарождение Солнечной системы произошло в недрах гигантского газопылевого облака (рис. 1). По-видимому, «родам» способствовало участие некой сверхновой звезды, засеявшей облако короткоживущими изотопами. Продукты их распада позволяют расшифровать некоторые особенности становления планетной системы (включая Землю) на ранней стадии ее формирования.

Рис. 1. Рождение Солнечной системы 4568 млн лет тому назад [2]. Наша звезда возникла как прото-Солнце в центре гигантского молекулярного облака во вращающемся газопылевом диске. В его внутренней области образовались каменные планеты: Меркурий, Венера, Земля, Марс. В более холодной внешней части через 2 млн лет сформировались планеты-гиганты: Юпитер и Сатурн, которые начали дрейфовать в сторону Солнца

Расчеты показывают, что за менее чем 100 тыс. лет в центре газопылевого скопления под действием гравитации возникла звезда, окруженная широким кольцом из газа и пыли — протопланетным диском [3]. Мельчайшие частицы, двигаясь вместе с потоками газа, сталкивались и слипались друг с другом. Движение пылинок в газе тормозилось, что вынуждало их по спирали опускаться к звезде. При этом они постепенно нагревались. В результате вода и другие летучие вещества с низкой температурой кипения испарялись. Граница, на которой все происходило, называется «линией льда». Располагается она между орбитами Марса и Юпитера, разделяя Солнечную систему на внутреннюю область, лишенную летучих веществ и содержащую твердые планеты, и внешнюю — богатую летучими веществами (см. рис. 1). В пределах последней располагаются газовые планеты-гиганты.

Первые 2 млн лет истории Солнечной системы стали временем формирования многочисленных планетных эмбрионов — планетозималей, а за линией льда — планет-гигантов Юпитера и Сатурна. Этим Солнечная система резко отличается от других планетных систем, где подобные гиганты расположены гораздо ближе к светилу. По образному выражению К. Батыгина с коллегами, такие особенности Солнечной системы — «продукты ее молодости. включавшей больше драмы и хаоса» [2]. Важным элементом первичного хаоса стало сложное взаимодействие гигантских периферийных планет. Впервые на это было обращено внимание в компьютерной модели Ф. Массе и М. Снэллгроува, описавшей одновременную эволюцию в протопланетном диске орбит Сатурна и Юпитера [4]. Эти исследователи показали, что в результате миграции к центру системы планеты-гиганты обрели определенную конфигурацию, благодаря которой они смогли воздействовать на протопланетный диск. Сложившийся баланс сил (гравитации, момента импульса, гравитационного влияния внешнего пояса комет и др.) изменил движение обеих планет.

Развивая эти идеи, Батыгин с коллегами установили, что главным эффектом смены галса стала атака Юпитера и Сатурна на «население» первичных внутренних планет Солнечной системы [2]. Еще двигаясь к Солнцу, гиганты возмущали движение мелких тел, которые сталкивались и дробились, образуя рои обломков. За сотни тысяч лет такие рои могли сбросить на Солнце любую суперземлю. По мере того как бывшие суперземли падали на Солнце, они должны были оставлять за собой пустынную область в протопланетной туманности. Допускается, что прежде чем сменить галс, Юпитер мигрировал к Солнцу до расстояния нынешней орбиты Марса. При этом он увлек за собой во внутреннюю область Солнечной системы ледяные скопления общей массой более 10 масс Земли, обогатив ее водой и другими летучими веществами. Такой сброс протопланет во внутренние участки Солнечной системы изменил орбитальный момент не только Юпитера, но и Сатурна и вызвал смену их галсов в сторону от Солнца. В результате во внутренних участках Солнечной системы возникли условия для формирования новых планет из сохранившихся там редких обломков. Постепенно планеты-путешественники стабилизировали свои орбиты. Этому способствовало их взаимодействие с другими планетами-гигантами (Нептуном и Ураном) и внешним поясом льдистых астероидов (поясом Койпера). Предполагается, что побочным эффектом такого уравновешивания стал еще один вброс во внутреннюю область Солнечной системы потока обломков, который вызвал мощную астероидную бомбардировку внутренних планет. Шрамы от нее видны в виде гигантских кратеров на поверхности Луны, Меркурия и Марса, а на Земле они привели к практически полному уничтожению пород гадейской континентальной коры — первой коры в геологической истории нашей планеты. Около 3,9 млрд лет назад планеты-гиганты успокоились. Структура Солнечной системы стабилизировалась в том виде, в котором сейчас и наблюдается [2].

Мы полагаем, что картина, представленная Батыгиным с коллегами, наиболее полно объясняет особенности ранних этапов развития Солнечной системы, в том числе разделение планет на две большие группы — каменные и газово-ледяные. Вполне понятны обоснования появления планет небольших масс во внутренней части Солнечной системы и их каменный облик. В значительной степени предложенная модель объяснила и смену галсов планет-гигантов. В то же время наши знания о рождении Солнечной системы еще очень скудны, и, очевидно, описанная картина будет модифицироваться по мере появления новых данных.

Историю формирования и развития Земли необходимо начинать практически с зарождения Солнечной системы, ранний этап которой характеризовался путешествием планет газовых гигантов к центру системы и обратно. Он-то во многом и определил особенности строения нашей планеты и ее дальнейшую геологическую историю.

Темные эоны

Два первых эона в истории Земли выделяются как хаотичный, охватывающий время формирования Земли и Луны в интервале от 4568 млн лет до 4500–4450 млн лет назад, и гадейский, характеризующий первые страницы геологической истории Земли в интервале 4500/4450–4000/3900 млн лет назад [5]. Оба эона отвечают времени ранней «бурной» юности Солнечной системы, и их следы не сохранились в явном виде в структурах нашей планеты.

В хаотичный эон (спустя 11 млн лет после зарождения Солнечной системы) масса Земли составляла 63% от ее современных значений, а через 30 млн лет достигла 93% [6]. Конечно, хронология этих ранних событий устанавливается частично и с большим допущением и в основном опирается на данные о поведении продуктов распада короткоживущих изотопов (с константой полураспада в несколько миллионов лет).

Земля — высокодифференцированная планета, имеющая железное ядро и твердую силикатную оболочку, которая включает мантию, литосферу и земную кору. Узнать состав оболочек Земли помогают данные по углистым хондритам, которые стали строительным материалом при образовании внутренних планет Солнечной системы (в том числе и нашей). Сходство хондритов с составом солнечной короны позволило Б. Вуду не только определить состав прото-Солнечной туманности, но и использовать их для оценки среднего состава Земли [6]. При аккреции (слипании, как в снежном коме) такого материала к прото-Земле и его последующем плавлении, вызванном соударениями и радиоактивным распадом, происходило разделение элементов в соответствии с их геохимическими свойствами. Литофильные элементы, имеющие сродство с силикатами (Si, Mg, Ca, Ti, Sc, Al, РЗЭ и др.), концентрировались в мантии и земной коре в соотношениях, близких к составу углистых хондритов. В отличие от них, сидерофильные (Fe, Ni, Co, Mn, W, Cr, Pt, Re и др.) элементы, геохимически близкие к железу, «ушли» совместно с его расплавами в ядро планеты. Их содержание в мантии существенно ниже, чем в хондритах.

О времени формирования ядра позволяют судить данные о распределении в силикатной оболочке Земли продуктов короткоживущих изотопных систем, в которых родительские и дочерние изотопы могли иметь разные геохимические свойства. В результате они по-разному себя вели в процессах аккреции Земли и дифференциации ее оболочек. В этом отношении наиболее интересные результаты дала система 182 Hf → 182 W. В ней родительский изотоп 182 Hf с периодом полураспада около 9 млн лет практически исчез в течение первых 50 млн лет земной истории. В отличие от дочернего сидерофильного изотопа 182 W, гафний — литофильный. При дифференциации планеты на железное ядро и силикатную мантию 182 W стремился уйти в ядро, а 182 Hf оставался в мантии (рис. 2). Если бы ядро сформировалось сразу после аккреции, то дочерний изотоп остался бы вместе с родителем в мантии и соответствовал составу хондритов. Мантия по сравнению с хондритом обеднена вольфрамом (Hf/W = 19 и 1,1 соответственно), что указывает на формирование ядра в некотором интервале геологического времени, в течение которого вольфрам вместе с железом частично перераспределились в ядро. На основе изотопного состава вольфрама в земной мантии минимальное время, необходимое для образования ядра, оценивается в 34 ± 7 млн лет после начала аккреции Земли [7].

Рис. 2. Дифференциация Земли в хаотичный эон. Слева — модель образования ядра [6]. Большое значение при формировании ядра играли глубокие магматические бассейны силикатного расплава, образовавшиеся при столкновении Земли с большими астероидами. Крупнейшее столкновение привело к плавлению верхних оболочек Земли до глубины 700 км. Капли сидерофильных элементов, возникавшие при плавлении смешанного железокаменного материала, погружались на дно магматических бассейнов и образовывали крупные скопления более плотного расплавленного металла, который стекал через нижнюю мантию в формирующееся ядро. Справа — время формирования ядра согласно распаду 182 Hf → 182 W (период полураспада 8,9 млн лет). Через 20 млн лет образовалась большая часть ядра, а через 50 млн лет — все ядро. Примерно через 30 млн лет после возникновения Солнечной системы Земля столкнулась с космическим телом, по массе близким Марсу. В космос было выброшено силикатное вещество мантии, которое послужило строительным материалом для Луны

Таким образом, дифференциация вещества Земли началась практически с момента ее образования. Столкновение формирующейся планеты с крупными астероидами, а также тепло радиоактивного распада (в первую очередь короткоживущих изотопов) вызывали плавление ее силикатной оболочки с образованием магматических океанов. При высокой температуре и давлении 20–23 ГПа происходило разделение магмы на силикатный и железный расплавы [6]. Уже через первые 5–8 млн лет объем Земли был близок к половине его нынешнего размера. Удары крупных астероидов могли образовывать магматические бассейны глубиной до 400 км. Расплавы железа, как более тяжелые, накапливались на его дне, а затем «проваливались» вниз, наращивая ядро [6].

В результате столь мощного импакта произошло массовое плавление мантии Земли с образованием глубокого (до 700 км) магматического океана, эволюция которого способствовала вещественной дифференциации верхних оболочек планеты в гадейское время.

Цирконы с гадейскими возрастными характеристиками установлены также в архейских породах Гренландии, Канады, Северного Китая, Северной Америки и Южной Африки [8, 10]. Это говорит о том, что условия для их возникновения в гадейской коре существовали практически повсеместно. Детальное изучение цирконов показало, что пик возрастов в разных их генерациях пришелся на 4,25 млрд лет, что позволяет предполагать наиболее быстрый рост гадейской земной коры именно в тот период. Относительный пик значений возраста приходится также на 4,1 млрд лет, а цирконов возрастом 3,9–4,0 млрд лет очень мало. Это время определяется как окончание гадейского эона. Именно тогда произошла последняя тяжелая бомбардировка Земли и Луны и, очевидно, резко сократился процесс рециклинга цирконов, связанный с их насильственным мгновенным перемещением в область плавления.

Большое значение для понимания геологических условий, существовавших на нашей планете в гадейское время, имеет изучение цирконов в породах Луны, которые были доставлены на Землю экспедициями «Аполлон-14» (1971 г.) и «Аполлон-17» (1972 г.). Возраст лунных цирконов лежит в диапазоне 4,0–4,35 млрд лет [10], т. е. они формировались одновременно с гадейскими. Образование лунных цирконов происходило при высоких температурах (

920–1140°С), а земных — при средних (

700°С) [10, 11]. Отличаются земные и лунные цирконы также по нормированному содержанию в них редкоземельных элементов (рис. 3). В земных цирконах четко видна положительная аномалия церия. Она свидетельствует об окислительных условиях кристаллизации расплавов, способствовавших вхождению церия валентностью +4 в структуру минерала. Об окислительных условиях на Земле в гадейское время свидетельствуют также данные по изотопному составу кислорода в цирконах [10]. В отличие от земных, лунные аналоги формировались в восстановительной среде. Они к тому же обладают и характерной микроструктурой. В них установлено присутствие локальных участков перекристаллизации и аморфизации, выявляются пластические деформации, разрывы и трещины, т. е. типичные следы импактных структур [12]. Судя по всему, эти кристаллы подвергались метеоритным бомбардировкам. В земных цирконах таких структур не наблюдается, что указывает на меньшее влияние астероидных ударов на образование данных минералов.

Рис. 3. Нормированные содержания редкоземельных элементов в лунных и земных (гадейских) цирконах. Температура образования лунных цирконов 920–1140°, а земных — 700° [10, 11]

Несмотря на общий пессимизм в отношении сохранности гадейской коры после переработки ее мощнейшими астероидными бомбардировками, похоже, что ее фрагмент все же был обнаружен. Ему соответствует Нуввуагитугский (Nuvvuagittuq) зеленокаменный пояс на северо-восточном побережье Гудзонского залива в Канаде, изученный в самые последние годы [13]. Его центральная часть (серия Ujaraaluk) сложена основными и ультраосновными вулканическими и интрузивными породами, возраст которых по соотношению продуктов распада короткоживущей ( 146 Sm → 142 Nd; T_1/2 = 68 млн лет) и долгоживущей ( 147 Sm → 143 Nd; T_1/2 = 106 млрд лет) изотопных систем оценен в

4400 млн лет. Полученные оценки позволяют говорить об этих породах как о древнейшей коре Земли, которая сформировалась после гигантского импакта, приведшего к образованию Луны [13].

По завершении аккреции Земли и обособлению ее ядра (т. е. к концу гадейского эона) температура мантии была в 1,2 раза выше современной [1], а перенос тепла и вещества из глубин Земли к поверхности обеспечивался общемантийной конвекцией. На поверхности Земли располагались крупные лавовые плато, подобные лунным морям. Кора наращивалась за счет излияний базальтов и коматиитов, питаемых мантийными плюмами, а также за счет подслаивания снизу магм, внедрявшихся в основание коры. Такой тип развития коры выделяется как режим тектоники покрышки ** [14]. Значительные лавовые платоизлияния, массивные метеоритные бомбардировки и общемантийная конвекция служили основными механизмами, определявшими развитие Земли в гадейское время.

Эры самоорганизации Земли

После тяжелой бомбардировки около 4,0–3,9 млрд лет назад [2, 15] космический фактор перестал играть ведущую роль в формировании и разрушении коры Земли. Характер геологических процессов стал определяться механизмами «самоорганизации» недр планеты, которые упорядочили строение и состав всех ее оболочек. С того же времени в структурах верхней оболочки Земли (в ее коре) прослеживается поддающаяся расшифровке летопись событий, которая позволяет с той или иной степенью детальности реконструировать историю нашей планеты.

Архейская эра представляет собой наиболее ранний отрезок, доступный для изучения. Он начался с прекращения тяжелых астероидных бомбардировок и продолжался более миллиарда лет (3,9–2,5 млрд лет назад). В ту эпоху широкое развитие приобрели основные и ультраосновные (коматииты) вулканические породы, а также кислые породы тоналит-трондьемит-гранодиоритовой (ТТГ) серии. Совместно они образуют гранит-зеленокаменные пояса в фундаменте древних платформ.

Об обстановке формирования этих пород позволяют судить данные по изотопному составу кислорода в цирконах архейских гранитоидов, варьирующему в пределах: δ 18 О = 6–7‰. Подобное постоянство свидетельствует о слабом развитии процессов выветривания, способствующих фракционированию изотопов кислорода. Соответственно, можно говорить о слабой дифференцированности рельефа в архее с преобладанием ландшафтов типа лавовых равнин (подобных равнинам Луны и Марса), а также о развитой гидросфере, которая изолировала каменную оболочку от воздействия атмосферы [16]. Такой тип развития соответствует режиму lid-tectonics и свидетельствует о доминировании в то время механизмов общемантийной конвекции с участием мантийных плюмов. Восходящие мантийные потоки питали лавовые платоизлияния, наращивая тем самым мощность коры. В результате ее основание погружалось в глубины, где происходила трансформация пород в эклогиты. Плавление последних под влиянием тех же мантийных плюмов вело к образованию магм, исходных для пород тоналиттрондьемит-гранодиоритовой серии.

Вопрос о появлении кислых пород ТТГ-серии — принципиальный для понимания геологических процессов в архее. В современных геологических структурах подобные породы образуются преимущественно в обстановках, связанных с зонами субдукции. Однако в те далекие времена процессы тектоники литосферных плит (включающие в качестве основного элемента субдукцию) не имели широкого развития [1, 17]. Указанный выше механизм образования кислых магм за счет плавления низов базитовой коры не так давно обоснован на примере тоналит-трондьемит-гранодиоритового комплекса Минто Блок (Minto Block) на севере Канады [18]. В детализированном виде предложенная модель включает подъем мантийного плюма к основанию коры, плавление его головной части и поступление расплавов не только на поверхность, но и на разные уровни коры (рис. 4). Тепло, привнесенное расплавами в кору, вызывало ее плавление. Продуктами последнего стали тоналитовые магмы, которые поднимались вверх, образуя крупные внутрикоровые линзы. Последующие воздействия плюма на кору вовлекали в плавление тоналиты первого этапа. В результате появлялись все более кислые расплавы — вплоть до гранодиоритов. Предложенная модель полностью согласуется с современной обстановкой океанического плато и не требует образования зон субдукции [18].

Рис. 4. Модель формирования тоналитовых расплавов под влиянием мантийных плюмов в ранней истории Земли [18]: а — мантийный плюм — источник расплавов (М1), образующих мощную вулканическую кору; расплавы, задержавшиеся в ее основании, подплавляют ее и формируют тоналитовые расплавы (Т1); б — более легкие расплавы Т1 поднимаются в кору; реститы и кумуляты (Е1) погружаются в мантию, где частично смешиваются со второй генерацией мантийных расплавов (М2); в — расплавы М2 воздействуют на основание коры и плавят участвующий в ее строении материал; формируется вторая генерация менее плотных тоналитовых расплавов (Т2); г — с прекращением второго импульса магматизма низы коры остывают, частично отслаиваются и погружаются в мантию; этот процесс провоцирует мантийное плавление с образованием расплавов М3. Их воздействие на ранее сформированные тела М2 и реликты лав приводит к формированию третьей генерации тоналитов и гранодиоритов Т3 и реститов генерации Е3

Архейская эра была временем поступления высокого теплового потока из недр Земли. Это послужило причиной высокой степени плавления мантии и образования больших объемов высокотемпературных магм с содержанием MgO ≥ 32% [19, 20]. Потеря тепла привела к тому, что к окончанию архея внутри Земли формируется внутреннее металлическое ядро. Сейчас трудно сказать, как это сказалось на дипольном характере земного магнитного поля, но именно с конца архея в породах начинают определяться палеомагнитные характеристики, которые в руках геологов стали инструментом для распознавания важных событий геологического прошлого, прежде всего — для реконструкций древних континентов.

В соответствии с геологическими и палеомагнитными данными, первый суперконтинент Кенорленд возник около 2700 млн лет назад [1]. С этого момента в геологической истории Земли наступила эпоха суперконтинентальных циклов [21]. Их важная характеристика — перемещение континентальных масс в горизонтальном направлении — стала свидетельством зарождения в конце архея механизмов тектоники литосферных плит. Тем не менее до их доминирования оставалось еще около 700 млн лет.

Эпоха от 2,7 до 2,0 млрд лет — переходная между тектоникой ранней (>2700 млн лет) Земли и современной тектоникой [17, 22]. В этот интервал времени закончилось формирование основных внутренних оболочек планеты, на границе ядра и мантии возник слой D′′, в результате развития процессов субдукции произошло разделение мантии на верхнюю и нижнюю, а общемантийная конвекция сменилась двухъярусной.

Переходный период четко фиксируется по смене целого ряда фундаментальных характеристик (рис. 5), отразивших изменение состава источников магматических и осадочных пород, а также условий их формирования [22]. Тогда радикально модифицировались такие важные эндогенные системы Земли, как магматизм и магматогенное рудообразование. Если в гадее и архее ведущими магматическими ассоциациями были коматиит-базальтовые и трондьемит-тоналит-гранодиоритовые, то в переходный период их арсенал резко расширился. Появились новые группы и семейства пород, в том числе известково-щелочной, субщелочной и щелочной серий. В тот период резко возросла роль магматических ассоциаций андезит-дацитового ряда, которые несли метки формирования в субдукционных условиях. Стали проявляться принципиально новые рудообразующие процессы, существенно расширившие круг эндогенных полезных ископаемых в структурах коры. Начали формироваться полиметаллические месторождения, редких и благородных металлов и редких земель.

Рис. 5. Корреляции вещественных параметров, характеризующих состояния земных оболочек и мантийных разновременных слоев в процессе эволюции планеты [22]: а — распределение возрастов цирконов и соответствующих им модельных (по изотопам Hf) возрастов [23]; б — вариации изотопного состава кислорода (δ 18 O) в цирконах из гранитоидов [16]; в — вариации изотопного состава неодима εNd в породах раннего архея, зеленокаменных поясов и конвергентных границ плит [1]; г — вариации изотопного состава стронция ( 87 Sr/ 86 Sr) в морской воде в течение геологической истории [1]; д — соотношения океанических базальтов, не связанных с магматическими дугами (NAB) и связанных с ними (AB), в течение всей геологической истории [1]; е — изменение доли коматиитов в составе магматических поясов в течение геологического времени [24]; ж — вариации и максимальные содержания MgO в коматиитах и пикритах, связанных с остыванием окружающей мантии [19]

2,7 млрд лет относятся изменения изотопного состава Nd в продуктах мантийного плавления. В магматических ассоциациях стали преобладать породы с характеристиками деплетированной (верхней, геохимически истощенной) мантии. Этот факт указывает на то, что к концу архея завершилось разделение мантии на верхнюю и нижнюю, более обогащенную несовместимыми элементами.

К этому времени относится также возникновение первой суши. Раньше поверхность Земли была слабо дифференцирована и в основном покрыта водами Мирового океана. 2,5 млрд лет назад размеры суши достигли таких объемов, которые отразились в составе отложений, и в частности в изотопном составе стронция морских вод (см. рис. 5, г). Он формируется из двух основных источников: лав, излившихся на дно океана, и осадков, образовавшихся при разрушении континентальной коры. Изотопный состав стронция в карбонатах архейского океана практически равновесен с породами основных и ультраосновных лав его ложа. Примерно 2,7 млрд лет назад отношение 87 Sr/ 86 Sr в карбонатах (см. рис. 5, г) начало отличаться от мантийного и с тех пор постепенно растет. Это указывает на появление в водах океана дополнительного источника стронция с характеристиками континентальной коры и, соответственно, на образование в поверхностных структурах Земли суши, поставляющей осадочный материал в океаны.

Близкие выводы о времени формирования континентальной коры и суши следуют также из данных по изменению изотопного состава кислорода (δ 18 O) в источнике магматических пород (см. рис. 5, б). Смена источников связывается с возникновением осадочных пород, образовавшихся в результате размыва материковой суши, т. е. с появлением ее значительных объемов. Формирование материков сопровождалось ростом поднятий, породы которых подвергались интенсивному химическому выветриванию. Обогащенные тяжелым изотопом кислорода ( 18 O) измененные породы разрушались и слагали осадки, которые в дальнейшем стали источником гранитных расплавов. Этот процесс — основная причина роста величины δ 18 O в постархейских гранитоидах.

К границе архея и протерозоя относится и так называемая Великая кислородная революция (ВКР) — глобальное изменение состава атмосферы Земли, произошедшее 2460–2426 млн лет назад. Его результатом стало появление в атмосфере свободного кислорода, определившего смену восстановительных условий в атмосфере на окислительные. Природа этого события таит в себе много загадок. В земных недрах кислород, как правило, находится в связанной форме. В свободном виде он практически не может существовать, так как сразу расходуется на окисление горных пород и минералов. Эндогенная природа кислорода, появившегося в атмосфере на рубеже архея и протерозоя, скорее всего, исключается.

На Земле важнейший механизм высвобождения кислорода из химически связанного состояния в свободную форму — фотосинтез. В ранние эпохи развития фотосинтезирующими организмами были цианобактерии. Можно предположить, что на рассматриваемое время пришлась вспышка образования сообществ этих микроорганизмов. Однако результаты обобщения геохимических исследований, выполненные Т. Лайонзом с соавторами, показывают, что в архее продуцировалось столько же органического углерода, сколько и в более поздние геологические эпохи [26]. Это позволило авторам сделать вывод, что, хотя фотосинтетики и существовали в архее, их деятельность была вторичной по отношению к доминирующим анаэробным процессам. Выделяемый ими кислород практически сразу расходовался на окисление горных пород и растворенных соединений гидросферы.

Ответ на вопрос о природе ВКР и ее приуроченности к границе архея и протерозоя пришлось искать в совокупности таких геологических процессов, которые могли изменить условия в атмосфере и тем самым способствовать образованию свободного кислорода. Исследования, проведенные в Южной Африке, показали, что появление свободного кислорода, зафиксированное горизонтами окисленных пород и минералов, тесно сопряжено с принципиально новыми геологическими процессами. К их числу относится и образование суперконтинента Кенорленд, т. е. первой суши в более или менее значимых размерах; и гуронское оледенение, охватившее всю Землю; и распад суперконтинента под действием мантийного плюма. Эти процессы сопровождались изменениями характера магматизма. В том числе менялся состав вулканических газов, а соответственно, и химические составы океана и атмосферы. Предполагается, что в атмосфере уменьшилось количество сернистых газов и метана, на окисление которых тратился весь свободный кислород. Возможно, одним из следствий таких изменений стало снижение количества парниковых газов, послужившее толчком для глобального оледенения. В условиях суши деятельность фотосинтетиков способствовала поступлению кислорода прямо в атмосферу. В ней неокисленных соединений содержалось существенно меньше, чем в водной среде, которая доминировала на поверхности Земли в более ранние времена. Это обеспечивало большую сохранность кислорода в атмосфере и дальнейшее его накопление. В решении проблемы ВКР еще много вопросов, связанных с реконструкцией развития органического мира на ранних стадиях развития нашей планеты. Но они уводят в сторону от темы нашего повествования и потому здесь не обсуждаются. Нам представляется, что имеющиеся данные позволяют сейчас сделать следующий промежуточный вывод. Несмотря на то что ВКР не была результатом конкретного геологического процесса, она стала следствием кумулятивного эффекта от серии геологических событий, которые создали условия для появления свободного кислорода в атмосфере Земли и тем самым способствовали ускорению эволюции живого вещества.

Характер развития Земли 2,7–2,0 млрд лет назад, очевидно, связан с процессами, протекающими во внутренних оболочках планеты, а также с формированием новых. Во-первых, как уже отмечалось, на рубеже 3,0–2,7 млрд лет назад стали активно проявляться элементы тектоники плит. Это вело к тому, что часть погружающихся литосферных плит оставалась на границе верхней и нижней мантии, разделяя ее и создавая условия для формирования двухъярусной конвекции. Меньшая часть субдуцируемой литосферы погружалась до границы ядро — мантия и, очевидно, 2,7–2,0 млрд лет назад послужила основой для формирования слоя D′′ — пограничного между ядром и мантией. В какой-то степени этот процесс можно наблюдать по изменению состава глубинных плюмов, поднимавшихся от границы ядро — мантия (см. рис. 5, ж), что детально описано Л. Кэмпбеллом и Р. Гриффитсом [19]. Магма таких плюмов 3,4–2,7 млрд лет назад содержала постоянное количество MgO — около 32±2,5 мас.%, что соответствовало температуре расплавов не менее 1650±5°С. Как полагают авторы указанной работы, архейские плюмы формировались на термальной границе, отвечающей поверхности ядра. Их температура оставалась постоянной и соответствовала температуре внешнего жидкого ядра, которая сохранялась благодаря буферирующему эффекту кристаллизации внутреннего твердого железно-никелиевого ядра. 2,7 млрд лет назад плотная субдуцированная литосфера стала накапливаться на внешней границе ядра, создавая разделяющий мантию и ядро изоляционный слой D′′, который последовательно понижал тепловой поток из ядра, а соответственно, и температуру глубинных плюмов (см. рис. 5, ж). Постепенно толщина этого слоя достигла критических значений, необходимых для формирования внутренней конвекции [19]. Слой D′′ изолировал мантию от непосредственного контакта с ядром, что и вызвало понижение температуры на их общей границе. Если на верхней границе ядра температура составляет около 3800–4200 К, то на верхней границе слоя D′′ — 2700–2800 К [28]. Таким образом, буферный слой D′′ при своей средней мощности около 200 км обеспечил перепад температур более чем в 1000 К и стал регулятором снижения температуры в основании мантии.

Процессы формирования слоя D′′ и тектоники плит оказались тесно связанными, хотя и разделяются практически всем объемом мантии. Если слой D′′ регулирует взаимодействие ядра и мантии, то субдукция послужила причиной интенсивной переработки и дифференциации земной коры и верхней мантии. В результате порожденных субдукцией процессов магматизма и метаморфизма кора разделилась на нижнюю, существенно базитовую, и верхнюю, обогащенную гранитным веществом. Важным агентом в этих трансформациях стала морская вода, вовлеченная совместно с субдуцированной литосферой в мантию. Она рециклировала (т. е. вновь перемещалась к поверхности), понижая температуру плавления мантии и низов коры, способствовала образованию расплавов с широким спектром составов, а также их обогащению металлами, редкими элементами и др. В конечном итоге благодаря процессам субдукции возникло большинство месторождений рудных и нерудных полезных ископаемых. Схематично смена стилей тектонических движений от гадейского эона до переходного периода показана на рис. 6.

Рис. 6. Эволюция стилей геодинамического развития Земли 4,5–2,7 (2,0) млрд лет назад [22]. В гадее первичная кора наращивалась за счет излияний, питаемых восходящими мантийными плюмами, и разрушалась при астероидных бомбардировках. В архее происходил рост коры за счет длительных платокоматиитовых излияний. По достижении большой мощности ее нижние горизонты подвергались эклогитизации. В дальнейшем эклогитизированные блоки погружались до границы ядра и мантии, где они закладывали основу для формирования слоя D′′, который изолировал ядро; мантия охлаждалась, изменялась система конвективных потоков. Фазовые переходы в минералах разделили мантию на верхнюю и нижнюю. Постархей — протерозойский переходный период характеризовался началом и эволюцией процессов субдукции, формированием зон спрединга и ростом горных сооружений

Поздние эпохи

Итак, окончательное изменение в составе отдельных оболочек Земли произошло 2,0 млрд лет назад [22]. К тому времени завершилось формирование деплетированной мантии нашей планеты, которая потеряла значительную часть литофильных элементов, перешедших в континентальную кору. Произошла дифференциация последней на базитовый и гранитный слои. Геологическим показателем такой дифференциации стало образование на рубеже 1,9 млрд лет огромной массы гранитов-рапакиви, обогащенных литофильными элементами. Деплетированная мантия стала основным поставщиком базальтов срединно-океанических хребтов.

С того времени в развитии Земли четко прослеживаются суперконтинентальные циклы [29]. Начало им, как уже отмечалось, положило образование в конце архея суперконтинента Кенорленд, который прекратил свое существование 2,1 млрд лет назад. Около 1,8 млрд лет назад возник суперконтинент Колумбия (или Нуна), распавшийся 1,4 млрд лет назад. Позднее, около 1 млрд лет назад, сформировался суперконтинент Родиния, прекративший свое существование 0,8–0,7 млрд лет назад. Около 300 млн лет назад образовался суперконтинент Пангея, раскол которого начался в ранней юре (200–180 млн лет назад) и привел к обособлению современных континентов.

Общее в этих суперконтинентальных циклах — смена доминирующих геодинамических механизмов. На ранней стадии образования суперконтинентов ведущую роль играли механизмы тектоники плит, определявшие перемещение отдельных блоков (континентов и микроконтинентов) к общему центру [22]. Блоки сталкивались, и вдоль их границ формировались орогенные пояса. Субдуцированная литосфера (главным образом океаническая) погружалась в мантию. Значительная ее часть сохранялась на границе верхней и нижней мантии, другая же отрывалась и в виде фрагментов слэбов погружалась до слоя D′′, нарушая сложившееся в нем термальное равновесие. В результате формировался поток горячей мантии, который восходил от слоя D′′ и компенсировал поступление в низы мантии фрагментов литосферных слэбов. Этот поток в виде огромного гриба (суперплюма) поднимался до границы нижней и верхней мантии, где преобразовывался в серию небольших плюмов. Последние воздействовали на литосферу суперконтинента, раскалывая его на более мелкие континентальные массы [30].

Еще один значительный процесс после рубежа 2,0 млрд лет — образование Африканского и Тихоокеанского горячих полей мантии [31], или мантийных провинций с пониженными скоростями сейсмических волн [32]. Соответствующие этим событиям мантийные пертурбации, по-видимому, нашли отражение в свинцовой изотопной системе базальтов океанических островов и срединно-океанических хребтов. На рис. 7 видно, что их составы образуют тренд, наклон которого соответствует возрастной зависимости в 1,8 млрд лет [33]. Этот тренд позволяет оценить возраст существующей гетерогенности мантии. Низкоскоростные мантийные провинции (суперплюмы) по сравнению с окружающей мантией более горячие. Они представляют собой восходящие мантийные потоки и играют важную роль в современной геодинамике Земли. Например, Африканское горячее поле мантии сыграло роковую роль в судьбе Пангеи, вызвав продолжающееся до сих пор ее дробление. Таким образом, именно последние 2 млрд лет геологической истории отвечают окончательному становлению современного стиля тектонических движений на Земле. Выделение деплетированной мантии (источника базальтов срединно-океанических хребтов) можно определить по изменению изотопов стронция, которые показывают, что этот мантийный резервуар образовался также около 2,0 млрд лет назад [34].

Рис. 7. Графики, определяющие время формирования деплетированного (астеносферного) слоя мантии (источника базальтов срединно-океанических хребтов, MORB) и обогащенных базальтов океанических островов (Африканского и Тихоокеанского горячих полей мантии) [21]. Слева — состав изотопов стронция, показывающих время отделения деплетированной мантии [34]. Справа — график изменения состава изотопов свинца в базальтах MORB, OIB (океанических островов) и HIMU (с высоким μ = U/Pb) [33]. Темно-синяя линия — тренд эволюции состава мантии (от момента образования Земли до настоящего времени) с величиной μ = 8. Красная линия — тренд изменения состава обогащенной мантии с величиной μ = 22. Пунктирная черная линия аппроксимирует изотопные составы разных базальтов и отвечает времени (около 1,8 млрд. лет назад) образования их источников в составе мантии

Уникальная планета

Уникальность Земли определяется, во-первых, ее положением в той части Солнечной системы, где возможно возникновение жизни; во-вторых, особыми условиями ее внутреннего саморазвития, которые создали предпосылки для появления живых организмов и их эволюции вплоть до высших форм. На нашей планете реализовались геологические механизмы, обусловившие образование многочисленных месторождений полезных ископаемых, без использования которых возникновение человеческой цивилизации было бы невозможно.

И ныне наша планета остается тектонически активной. В геологических процессах, которые определяют формирование различных структур на континентах и в океанах, образование полезных ископаемых, естественные изменения окружающей среды и климата, принимают участие все оболочки Земли, включая атмосферу и гидросферу. Конечно, окончательно понять роль каждой оболочки в эволюции планеты пока еще нельзя, но очертить их значение попробуем.

Ядро, формирующее магнитное поле, определяет главное наше комфортное существование, не допуская на поверхность Земли смертоносные космические лучи. Внешнее ядро по плотности отличается от внутреннего, что, скорее всего, связано с наличием в нем легких летучих компонентов, которые, поднимаясь в слой D′′, вызывают образование плюмов. В одной из последних сводок, выполненной К. Литасовым и А. Шацким, говорится, что легкими компонентами ядра могли быть Si, S, O, C, H и N [28]. Понятно, что они сохранились в жидком ядре во время кристаллизации внутреннего металлического, но когда и как они первоначально оказались в ядре, пока не ясно.

Мантийные плюмы, поднимаясь от ядра к поверхности, несут энергию для взаимодействия двух верхних оболочек — литосферы и астеносферы. Плюмы — важнейший элемент нижнемантийной конвекции. Их подъем вверх компенсируется погружением холодного субдуцированного вещества вниз, в слой D′′. Нижнемантийная конвекция поддерживает мелкоячеистую верхнемантийную конвекцию.

Происходящие на Земле процессы отражены в ее современном рельефе, который чрезвычайно разнообразен — от обширных океанических котловин и континентальных равнин до узких горных систем, островных дуг и цепочек островов. Активные геологические процессы проявляются в виде сейсмических катастроф, вулканизма, гидротермальной (в том числе рудообразующей) деятельности. Кроме того, они во многом определяют климат планеты, состояние атмосферы и гидросферы.

В значительной степени характер современной активности Земли обусловлен механизмами тектоники литосферных плит, в которой взаимодействуют два слоя — литосфера и астеносфера. Они определяют формирование литосферных плит, рождение и закрытие океанических бассейнов, а вместе с веществом плюмового магматизма способствуют образованию месторождений полезных ископаемых. Рост гор, их разрушение, а также различные газы, поступающие из недр планеты, определяют изменения климата, появление холодных и теплых периодов, к приходу которых человечество должно готовиться.

Так схематично можно представить современную геолого-тектоническую жизнь нашей планеты.

Познавать историю Земли и понимать ее дальнейшее развитие необходимо для жизни последующих поколений землян, а также чтобы постичь устройство других планет и Космоса в целом.

Исследования выполнены при финансовой поддержке гранта Президента РФ (НШ-9638.2016.5) и Программы Президиума РАН № 15.

Литература
1. Condie K. C. Earth as an evolving Planetary System. Elsevier, 2011.
2. Батыгин К., Лафлин Г., Морбиделли А. Рожденные из хаоса // В мире науки. 2016. № 7. С. 16–27.
3. Лин Д. Происхождение планет // В мире науки. 2008. № 8. С. 22–31.
4. Masset F., Snellgrove M. Reversing type II migration: resonance trapping of a lighter giant protoplanet // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2001. V. 320. № 4. L55–L59.
5. Goldblatt C., Zahnle K. J., Sleep N. H., Nisbet E. G. The eons of chaos and hades // Solid Earth. 2010. V. 1. P. 1–3.
6. Wood B. The formation and differentiation of Earth // Physics Today. 2011. V. 64. № 12. P. 40–45.
7. Костицын Ю. А. Возраст земного ядра по изотопным данным: согласование Hf—W и U—Pb систем // Геохимия. 2012. № 6. С. 531–554.
8. Кузьмин М. И. Докембрийская история зарождения и эволюции Солнечной системы и Земли. Статья I // Geodynamics & Tectonophysics. 2014. V. 5. № 3. P. 625–640.
9. Хейзен Р. История Земли (от звездной пыли — к живой планете). М., 2015.
10. Nebel O., Rapp R. P, Yaxley G. M. The role of detrital zircons in Hadean crustal research // Lithos. 2014. V. 190–191. P. 313–327.
11. Taylor D. J., McKeegan K. D., Harrison T. M. Lu—Hf zircon evidence for rapid lunar differentiation // Earth and Planet. Sci. Lett. 2009. V. 279. P. 157–164.
12. Grange M. L., Pidgeon R. T., Nemchin A. A. et al. Interpreting the U—Pb data from primary and secondary features in lunar zircon // Geochim. et Cosmochim. Acta. 2013. V. 101. P. 112–132.
13. O’Neil J., Carlsona R. W., Paquetteb J.-L., Francisc D. Formation age and metamorphic history of the Nuvvuagittuq Greenstone Belt // Precamb. Res. 2012. V. 220–221. P. 23–44.
14. Debaille V., O’Neill C., Brandon A. D. et al. Stagnant-lid tectonics in early Earth revealed by 142 Nd variations in late Archean rocks // Earth and Planet. Sci. Lett. 2013. V. 373. P. 83–92.
15. Bottke W. F., Vokrouhlicky D., Minton D. et al. An Archean heavy bombardment from a destabilized extension of the asteroid belt // Nature. 2012. V. 485. P. 78–81.
16. Valley J. W., Lackey J. S., Cavosie A. J. et al. 4,4 billion years of crustal maturation: oxygen isotope ratios of magmatic zircon // Contrib. Mineral. Petrol. 2005. V. 150. P. 561–580.
17. Кузьмин М. И., Ярмолюк В. В., Эрнст Р. Е. Тектоническая активность Земли на ранних этапах (4,56–3,4 (2,7?)) ее эволюции // Геология и геофизика. 2016. Т. 57. № 5. С. 815–832.
18. Bédard J. H. A catalytic delamination-driven model for coupled genesis of Archaean crust and sub-continental lithospheric mantle // Geochim. et Cosmochim. Acta. 2006. V. 79. P. 1188–1214.
19. Campbell I. A., Griffiths R. W. Did the formation of D′′ cause the Archean-Proterozoic transition? // Earth and Planet. Sci. Lett. 2014. V. 388. P. 1–8.
20. Ernst R. E. Large igneous provinces. Cambridge, 2014.
21. Кузьмин М. И., Ярмолюк В. В. Тектоника плит и мантийные плюмы — основа эндогенной тектонической активности Земли последние 2 млрд лет // Геология и геофизика. 2016. Т. 57. № 1. С. 11–30.
22. Кузьмин М. И., Ярмолюк В. В. Изменение стиля тектонических движений в процессе эволюции Земли // Докл. АН. 2016. Т. 469. № 6. С. 706–710.
23. Condie K. C., Aster. R. C. Episodic zircon age spectra of orogenic granitoids: the supercontinent connection and continental growth. // Precamb. Res. 2010. V. 180. P. 227–236.
24. de Wit M. J., Ashwal L. D. Greenstone belts: what are they? // South African J. of Geology. 1995. V. 98. P. 505–520.
25. Магматические горные породы. Т. 6. Эволюция магматической истории Земли. М., 1987.
26. Lyons T. W., Reinhard C. T., Planavsky N. J. The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere // Nature. 2014. V. 506. P. 307–315.
27. Gumsleya A. P., Chamberlainb K. R., Bleekerd W. et al. Timing and tempo of the Great Oxidation Event // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2017. V. 114. № 8. P. 1811–1816.
28. Литасов К. Д., Шацкий А. Ф. Состав и строение ядра земли. Новосибирск, 2016.
29. Li Z. X., Zhong S. Supercontinent — superplume coupling, true polar wander and plume mobility: plate dominance in whole-mantle tectonics // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 2009. V. 176. P. 143–156.
30. Кузьмин М. И., Ярмолюк В. В. Мантийные плюмы Северо-Восточной Азии и их роль в формировании эндогенных месторождений // Геология и геофизика. 2014. Т. 55. № 2. С. 153–184.
31. Зоненшайн Л. П., Кузьмин М. И. Внутриплитовый вулканизм и его значение для понимания процессов в мантии Земли // Геотектоника. 1983. № 1. C. 28–45.
32. Dziewonski A. M. Mapping the lower mantle: Determination of lateral heterogeneity in P-velocity up to degree and order 6 // J. of Geophys. Res. 1984. V. 89. P. 5929–5952.
33. Hofmann A. W. Mantle geochemistry the message from oceanic volcanism // Nature. 1997. V. 385. P. 219–229.
34. Кузьмин М. И. Тектоника литосферных плит и геохимия // Современные проблемы теоретической и прикладной геохимии. Новосибирск, 1987. С. 19–26.

* Ссылки на других авторов можно найти в этой работе.

** В гадей-архейское время верхняя каменная оболочка Земли была более или менее однородной. Ее сплошность нарушалась либо бомбардировкой астероидов, либо прорывом магмы глубинных плюмов. Оба эти процесса обеспечивали появление на поверхности магматических расплавов, наращивающих кору сверху. Такое состояние земной поверхности обозначается как «тектоника инертной покрышки», или, кратко, — «тектоника покрышки» (lid-tectonics).

Источник