Происхождение и эволюция земли кратко

Обновлено: 05.07.2024

Наша планета образовалась из протопланетного газопылевого облака 4,5 млрд лет назад. В процессе своего развития Земля остывала, формировалась кора, океаны, атмосфера, изменялись конвективные режимы в мантии. Менялись очертания суши – тектоника плит приводила к образованию и распаду суперконтинентов. Установить особенности этих процессов оказалось возможным с помощью современных методов геологических исследований – анализа химического состава пород, их радиоизотопного датирования. Оказалось, что следствием непрерывного экспоненциального остывания планеты стали глобальные геологические процессы с четкой периодичностью: по крайней мере четыре известных на сегодня древних суперконтинента возникали через практически равные промежутки времени

Развитие нашей планеты – от планетного зародыша, сформировавшегося из окружавшего Солнце газопылевого облака, до ее современного состояния – прошло ряд важных стадий. Основным фактором, влияющим на изменение внутреннего и внешнего облика Земли, является ее непрерывное остывание после формирования ее 99,9 % массы, а также ступенчато-прогрессивное окисление ее поверхности и приповерхностных оболочек (земной коры, гидросферы, атмосферы). Информацию об этих изменениях можно получить путем сравнения эндогенных и приповерхностных процессов и явлений, а также анализа геологических данных, включающих содержание различных элементов в коре и ядре, радиоизотопный состав пород, результаты палеомагнитных исследований.

Реконструкция исторической картины происходивших с нашей планетой изменений, позволяет лучше понять ее современное состояние, оценить перспективы развития. Эти познания имеют для человечества значение, которое трудно переоценить.

От Пангеи до Пангеи

Современные астрофизические данные говорят о том, что формирование Земли происходило по механизму горячей аккреции. В результате нагрева от падающих планетных зародышей и распада короткоживущих изотопов молодая планета была горячей, разогретой до достаточно высоких температур. В процессе эволюции Земля остывала – уменьшался средний тепловой поток и средняя температура мантии. Современная температура на границе верхней и нижней мантий составляет 2000—2100 °С, а в конце архея — начале протерозоя (2,6—2,7 млрд. лет назад) достигала 2400 °С. Затем это тепло рассеивалось в виде излучения в окружающее космическое пространство, запас тепловой энергии в недрах уменьшался.

РОЖДЕНИЕ ПЛАНЕТ

Планеты Солнечной системы образовались из газопылевого протопланетного диска, окружавшего Солнце. Механизм зарождения крупных объектов из газопылевого облака называется аккрецией, он изучен пока -недостаточно. В течение первых сотен тысяч лет благодаря гравитационным взаимодействиям и столкновениям частиц облака сформировались объекты размерами до 10 км. Моделирование этих процессов при помощи систем многих тел показывает, что есть определенный размер планетных зародышей (планетезималей), после превышения которого их размеры начинают быстро расти. Это происходит из-за того, что наиболее крупные объекты теряют кинетическую энергию за счет внутреннего трения во взаимном гравитационном взаимодействии, а траектории более мелких фокусируются на них. Такой механизм роста зародышей планет называется олигархическим, и этот процесс, по оценкам специалистов, длился несколько миллионов лет. После завершения фазы олигархического роста сформировалось несколько десятков объектов с массами порядка нескольких процентов от массы Земли. В дальнейшем скорость их роста уменьшалась экспоненциально и финальная стадия аккреции была достаточно медленной, ее характерное время для Земли составляло десятки миллионов лет. Эта стадия сопровождалась как вылетом зародышей за пределы Солнечной системы в результате рассеяния на крупных телах, так и серией мощных аккреционных столкновений с все более увеличивающимися в размерах объектами (Wood, 2011)

Данные по химическому составу пород, содержащих повышенное количество выносимых из глубины планеты элементов, доказывают, что формирование суперконтинентов проходило вследствие конвективных процессов в мантии. Кривые содержания изотопов стронция в карбонатных осадках, калиевости гранитов и аркозовых песчаников показывают возрастание их количества в интервале от 3000 до 2000—1700 млн лет и периодические колебания в дальнейшем. Главные максимумы отношений 87 Sr/ 86 Sr и К₂O/Na₂O, как и максимумы изотопных датировок основных пород, формирующих кору, коррелируют со временем существования суперконтинентов (Condie, 2005)

Непрерывное остывание Земли приводило к перестройке режимов конвекции в мантии. Удивительно то, что приблизительно экспоненциальное падение теплового потока из недр имело следствием хорошо прослеживающуюся периодичность формирования суперконтинентов, а следовательно, изменения в конвекции при этом носили так же периодический характер.

Сначала Земля была без Луны…

История Земли как планеты началась 4,55—4,44 млрд лет назад. Длительность первоначального роста и выделения железного ядра решающим образом зависела от динамической вязкости мантии, которая могла изменяться во время аккреции на два-три порядка. Поэтому оценки длительности этого этапа отличаются также на два порядка – от 10 млн лет до 1 млрд лет. Уточнить временные рамки позволили измерения содержания элементов гафния и вольфрама в земных и лунных породах, из которых следует, что земное ядро формировалось практически одновременно с ростом планеты, а именно – в первые 30—50 млн лет ее существования.

Истории образования Земли и ее состояния после аккреции сильно зависит от механизма формирования Луны. Согласно гипотезе мегаимпакта, Луна образовалась примерно 4,48 млрд лет назад в результате удара гипотетической планеты размером с Марс о практически уже сформировавшуюся Землю. К этому времени верхняя оболочка Земли представляла магматический океан глубиной 600—1000 км с тонкой, до 10 км, базальтовой корой, регулярно взламываемой метеоритами. В результате удара часть коры и мантии Земли и столкнувшегося с ней тела были выброшены на околоземную орбиту, и из них впоследствии сформировалась Луна. Однако, по мнению некоторых исследователей, гипотеза мегаимпакта маловероятна, так как сильный удар массивного небесного тела должен был привести к эксцентриситету орбиты Земли, на порядок превышающему современный.

Согласно другой гипотезе, Луна могла образоваться за счет серии более мелких импактов тел, размером сопоставимых с ней самой. В этой модели Земля могла обладать небольшим по мощности ( ГАФНИЙ И ВОЛЬФРАМ – МЕТКИ ВРЕМЕНИ

Для определения времени формирования металлического ядра Земли исследуют содержание радиоактивного изотопа 182 Hf и продукта его распада 182 W в геологических породах. Оба этих элемента тугоплавки, они присутствуют в одной и той же относительной распространенности в планете перед выделением ядра. Со временем благодаря распаду гафния-182 доля вольфрама-182 возрастает относительно других устойчивых, но нерадиогенных вольфрамовых изотопов, таких как 184 W.
В процессе выделения железа из слагавших Землю пород растворимый в железе сидерофильный вольфрам большей частью уходит в ядро, а литофильный гафний остаётся целиком в силикатном слое. Поэтому в этом слое соотношение 182 W/ 184 W из-за радиоактивного распада гафния будет больше, чем это было в первоначальной смеси, и его количество зависит от того, сколько этого элемента еще не успело распасться на момент вымывания вольфрама из породы в ядро. Измеряя соотношение изотопов вольфрама в коре и сравнивая эти данные с содержанием их в хондритах – метеорных телах, сформировавшихся в протопланетном диске во времена, предшествующие началу образования Земли, – можно определить разницу в возрасте между хондритами и древними породами и тем самым датировать время формирования ядра (Wood, 2011)

Главным образом за счет падения комет к концу этапа аккреции была создана горячая атмосфера, состоявшая в основном из водорода и метана. В пересчете на воду ее масса могла составлять от 2 до 10 масс современной гидросферы. Но к рубежу 4,4 млрд лет ранняя атмосфера была потеряна за счет интенсивной диссипации водорода в космос, и началось ее окисление. Окисление атмосферы, поверхности Земли, а затем коры и верхней мантии продолжалось и в последующие этапы.

Хадей – юная Земля, океаны без жизни

Интервал от конца аккреции, 4,44 млрд лет, до 3,9 млрд лет носит название Хадей, или догеологическая стадия, поскольку геологическая летопись этого периода практически не сохранилась. В это время происходило наиболее интенсивное остывание планеты, исчезновение магматического океана, существовавшего в объеме, близком к верхней мантии, и разделение мантии на верхнюю и нижнюю. Начала формироваться кора, в том числе континентального типа, образовался Мировой океан на поверхности. Свидетельством существования в это время континентальной коры и океана считаются окатанные (что свидетельствует о наличии воды в жидком состоянии) цирконы с возрастом 4,0—4,2 млрд лет, а также отдельные цирконы, датируемые временем 4,4 млрд лет, выделенные из более молодых осадочных пород. В этих цирконах в некоторых случаях были найдены микровключения алмазов, для которых микроструктура и распределения тория и ванадия сходны с импактными алмазами на Луне. Этот факт говорит об их происхождении в результате интенсивной бомбардировки крупными метеоритами поверхности Земли.

Время существования магматического океана и его глубина, как указано выше, зависит от механизма образования Луны и интенсивности метеоритной бомбардировки и колеблется в значительных пределах, но после 4,0 млрд лет наличие магматического океана маловероятно. Тем не менее, B. C. Шкодзинский (2009) считает формирование магматического океана мощностью до 1000 км важнейшим событием в истории Земли и допускает наличие реликтов этого океана довольно длительное время (см. статью В. С. Шкодзинского в этом выпуске журнала на стр. 12).

Алмазный рубеж

ГЛУБОКИЙ МАГМАТИЧЕСКИЙ ОКЕАН

В целом к концу архея сформировалось от 20 до 50 % объема континентальной коры.

В любом случае, на рубеже 2,6—2,7 млрд лет режим конвекции в мантии изменился, и это вызвало вышеописанные, а также и другие крупные последствия.

Специального внимания заслуживает период около 750 млн лет назад. До рубежа 1 млрд лет все извлекаемые метаморфические породы свидетельствовали о достаточно небольшом давлении, существовавшем при их формировании. Примерная глубина, на которой может наблюдаться такое давление – порядка 40—60 км. Возрастом в 750 млн лет датируются породы, для образования которых необходимо более высокое давление. Это свидетельствует об увеличении глубины их формирования, 150—200 км, или, что то же самое, о снижении температуры при той же самой глубине. Например, для глубины 100 км температура могла снизиться от 1000 до 400—600 °С.

Это возможно только в том случае, если скорость субдукции (погружения коры в мантию) заметно повысилась и достигла или превысила современную максимальную скорость субдукции (около 10 см/год).

Фотосинтез привел к увеличению содержания кислорода в атмосфере, возникновению озонового слоя, защищающего поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения, и на Земле создались условия для возникновения жизни на суше.

Усиление субдукции в интервале 750—600 млн лет дало вспышку островодужного магматизма, сопровождавшегося масштабными извержениями вулканов, массовое, но очень изменчивое поступление СO₂ в атмосферу, ее дополнительное окисление и потепление климата. Начиная с 600 млн лет и эндогенные системы, и климат, и биосфера развиваются по сценариям, сходным с современными.

Таким образом, имеющее непрерывный характер остывание и окисление Земли приводило к ряду разнообразных процессов. Менялись конвективные режимы в мантии, из-за чего собирались и распадались суперконтиненты. Росла толщина литосферы и земной коры, остывала поверхность, формировались моря и, соответственно, – осадочные породы. Кристаллизовавшаяся кора погружалась в зонах субдукции в мантию, поднимая находящиеся над ней континенты. Постепенно геологический характер планеты становился все более спокойным, снижалась средняя температура поверхности, возникли условия для жизни и эволюции живых форм.

Несмотря на то, что остывание Земли носило экспоненциальный характер, происходящие в ней тектонические и геологические процессы демонстрируют периодичность. Существует корреляция между химическим составом, возрастом пород, глубиной и температурой их образования, временем существования суперконтинентов, интенсивностью накопления осадков и рядом других показателей. Это указывает на то, что происходившие на планете процессы взаимосвязаны – геологические изменения поверхности являются следствием взаимодействия внутренних и внешних факторов, таких как активность конвекции в мантии, cолнечная активность и др. Это говорит о целостности происходящих на нашей планете явлений, о том, что Земля является единым организмом, живущим и развивающимся в своих различных аспектах согласованным образом.

Добрецов Н. Л. Основы тектоники и геодинамики / учебное пособие / Новосибирск: НГУ, 2011.

Wood B. The formation and differentiation of Earth // Physics Today. December 2011. P 40—45.

В настоящее время активно развивается новая парадигма геологии – глубинная геодинамика, оценивающая природу глобальных процессов с учетом взаимодействия разноглубинных, вплоть до ядра, оболочек Земли. В различных тектонических процессах показано широкое участие плюмов, горячих полей и суперплюмов (Зоненшайн, Кузьмин, 1983; Hoffman, 1997; Flower, 2000; Кузьмин и др., 2001; Ярмолюк, Коваленко и др., 2002; Добрецов, 2003). При этом происходят сложные процессы взаимодействия глубинного мантийного магматизма с корой и литосферной мантией с формированием бимодальных вулканических ассоциаций, габбро-гранитных серий и траппов. Учебной литературы по данной проблеме практически нет, в то же время в последние годы крупным магматическим провинциям и их металлогении уделяется большое внимание в зарубежных публикациях (Abbott et al., 2002; Ernst et al., 2004). В данной монографии этому разделу глубинной геодинамики уделено большое внимание. При этом приведен не только фактический материал, но и расчеты термохимической модели плюмов различной мощности, отделяющихся от границы ядро – верхняя мантия (слой D``), и их взаимодействия с различными геосферами. В отдельном разделе приведены данные по эволюции биосферы как одной из геосфер Земли. Этот раздел представляет интерес для палеонтологов и биологов.

Заведующий лабораторией петрологии и рудоносности магматических формаций Института геологии и минералогии, профессор, д. г.-м. н. А. Э. Изох

Появление и развитие жизни на Земле — это уникальное явление во всей Солнечной системе. Но оно не случайно, а было подготовлено сочетанием ряда благоприятных условий. Прежде всего для зарождения жизни должен был сформироваться сложный комплекс активно взаимодействующих природных компонентов, которые в течение чрезвычайно длительного времени в относительно стабильных гидротермальных условиях испытали строго направленную эволюцию.

Фаза аккреции — это образование ее из хаотического роя твердых, преимущественно каменных, некрупных тел и пылевых частиц. Ее надо представлять себе как непрерывное выпадение на растущую Земли относительно все большего количества крупных тел, укрупняющихся в своем полете при соударениях между собой, и притяжением к себе более удаленных мелких частей материи. Вместе с крупными телами на Землю падали макрообъекты — планетезимали, неудавшиеся планеты. Они имели размеры астероидов или некрупных спутников больших планет.

В фазу аккреции Земля приобрела приблизительно 95% современной массы, на что потребовалось по разным оценкам от 17 млн. лет до 400 млн. лет, в период с 4,6 по 4,2 млрд. лет назад. Во время аккреции Земля долго оставалась холодным космическим телом, и только в конце этой фазы, когда началась предельно интенсивная бомбардировка ее крупными объектами, произошло сильное разогревание, а затем полное расплавление вещества внешней зоны планеты.

Фаза расплавления внешней сферы Земли устанавливается сообразно с ранней историей других планет, в первую очередь Луны, а также Меркурия, Марса. Лунная поверхность образована магматическими породами, которые отвердели 4,0 млрд. лет назад, т.е до этого Луна была расплавленным шаром. К этому же времени относят образование у Земли ядра, мантии и коры. Образование ядра создало условия для образования у Земли диполярного магнитного поля. Установление на Земле самых древнейших палеомагнитных пород с возрастом 3,7 млрд. лет — свидетельство существования в то время ядра, и естественно, мантии

Ландшафты того далекого времени были уникальны. Вся поверхность Земли представляла собой океан раскаленного тяжелого расплава с прорывающимися из него газами. В этот своеобразный океан продолжали стремительно врываться как малые, так и крупные космические тела, удары которых о жидкую поверхность вызывали образование всплесков, фонтанов и другие формы взлета и падения тяжелой жидкости. Над раскаленным океаном простиралось сплошь укутанное густыми тучами небо, с которого на поверхность не падало ни капли воды.

В лунную фазу существования Земля постепенно охлаждалась от температуры плавления базальтов (1000°- 800°) до 100° С. С преодолением температурного рубежа + 100° С связано все последующее преобразование природной среды и эволюция земной коры.

Геологическое время эволюции Земли это принципиально новый период развития нашей планеты в целом, особенно ее коры и природной среды.

Как только температура опустилась ниже 100° С, состояние воды, которая находилась в атмосфере в виде горячего пара, изменилось. Водяные пары атмосферы, а в них была сосредоточена практически вся гидросфера Земли, почти целиком превратились в жидкость, наиболее активное состояние воды по сравнению с ее газовой и твердой фазами. Сухая до того времени Земля стала необычайно обводненной. Сформировались поверхностный и грунтовый стоки, возникли водоемы, и, наконец, океаны. Начался круговорот воды в природе.

На заре геологической истории существовали обширные водоемы — моря и, вероятно, какие-то первоначальные океаны. В 1973 г. геологи Оксфордского университета обнаружили в юго-западной части Гренландии бурый железняк возрастом 3,76 млрд. лет (+- 70 млн. лет). Бурый железняк — осадочная порода, сформировавшаяся в водном бассейне. Еще раньше те же геологи вместе с сотрудниками Управления геологической съемки Гренландии обнаружили в 1971 г. метаморфизованные осадочные породы возрастом 3,98 млрд. лет. Факт обнаружения осадочных пород такого древнего возраста трудно переоценить. Это означает, что временной рубеж между ранней и геологической историей проходит где-то около 4 млрд. лет назад. Следовательно, на всю раннюю историю Земли остается всего 0,6 млрд. лет. Если помимо внешней сферы Земли расплавлялась и центральная область, то на планете могли образоваться океаны, близкие по объему современным. После охлаждения земной поверхности до температуры ниже 100° С на ней образовалась огромная масса жидкой воды, которая представляла собой не простое скопление неподвижных вод, а находящихся в активном глобальном круговороте. Несмотря на эволюцию этого круговорота в ходе времени, основные особенности его сохранились неизменными. В структурном отношении круговорот, как и в настоящее время, распадался на звенья: атмосферное (испарение, перенос влаги, осадки), литосферное (поверхностный и подземный стоки) и океаническое. В процессе функционирования круговорота воды в природе происходит поглощение солнечной энергии и распределение ее по земному шару. Вода благодаря своей необычайной подвижности и химической активности вступает во взаимодействие с природными компонентами, способствуя их взаимосвязям, чем и обеспечивает формирование того глобального природного комплекса, который в настоящее время называется географической оболочкой.

Облако, оторвавшееся от Солнца, представляло собой кольцо, в котором при уплотнении пылинки слипались между собой. Солнце согревало внутреннюю часть этого кольца, вызывая испарение, выводя солнечным ветром более лёгкие элементы в более дальние части кольца, где они замерзали (Т=50 0 К). Так происходило образования планеты.

Земля возникла из солнечного праоблака под влиянием гравитации.

Процесс образования Земли началя около 5 миллиарда лет назад и включает 4 (четыре) фазы.

Первая фаза – процесс формирования Земли – 5 – 4,9 миллиарда лет назад. Первая атмосфера образовалась вокруг Земли во время сгущения пыли и превосходила нашу нынешнюю в 100 раз.

В процессе формирования Земли из частиц планетарного облака её масса постепенно увеличивалась. Росли силы тяготения, а, следовательно, и скорости частиц, падающих на Планету. Кинетическая энергия частиц превращалась в тепло, и Земля всё сильнее разогревалась. Энергия удара освобождалась не на поверхности, а на глубине, в слое толщиной порядка 1000 км. Они не успевали излучать в пространство, оставаясь в недрах Земли. В результате температура на глубинах 100 – 1000 км. приближалась к точке плавления и составляла 1000 0 К. Постепенно рой астероидов рассеялся столкновения с метеоритами стало реже. Земля достигла наших размеров со средним радиусом6371 км.

Вторая фаза – вулканический этап становления Земли 4,9 – 3 миллиарда лет назад. Недра Земли были очень сильно нагреты породы, в глубине её находились в расплавленном состоянии. Не прекращались извержения вулканов, покрывших всю её поверхность. Раскалённая лава остывая, формировала земную кору. Но вот наступил момент, когда в результате охлаждения поверхности Земли водяные пары, выделившиеся при извержениях, превратились в жидкость.

Третья фаза – геологическое формирование Планеты 3 – 2 миллиарда лет тому назад. Продолжался процесс вулканической деятельности.

Повышение температуры Земли до 1000 0 К вызвало распад радиоактивных короткоживущих элементов. Первые возникшие расплавы представляли собой смесь жидкого железа, никеля и серы. Расплав накапливался, а затем вследствие высокой плотности просачивался, вниз постепенно формируя, земное ядро.

Более лёгкие элементы переходили, вверх формируя химический состав литосферы.

В этот период ещё не было разломов в земной коре, ведь разогретые недра находились неглубоко – от 5 до 10 км. и кора, будучи тонкой, оставалась пластичной.

Четвёртая фаза – геотектоническое формирование Планеты – началась 2 миллиарда лет назад - продолжается и сейчас.

В ходе геотектонического формирования Земли континенты испытывали, значительные смещения относительно магнитных полюсов и расположение континентов существенно менялось.

Предполагают, что 600 миллионов лет назад на Земле было несколько подвижных плит весьма похожих на современные. Благодаря перемещению континентов произошло объединение их в единый суперконтинент.

Спустя 300 – 200 миллионов лет он начал распадаться на части, которые в последующем сформировались в материки.

2. Галактики и Звёзды сформировались примерно 12 миллиардов лет тому назад.

3. Солнечная система образовалась примерно 7 миллиардов лет тому назад.

4. Земля образовалась около 5 миллиардов лет тому назад. В процессе образования Земли выделяются четыре фазы:

- процесс формирования Земли – 5 – 4,9 миллиарда лет тому назад;

- вулканический этап становления Земли – 4,9 – 3 млрд. лет тому назад;

- геологический процесс формирования Земли – 3 – 2 миллиарда лет тому назад;

- геотектоническое формирования Земли – 2 миллиарда лет тому назад – не закончен;