Геологическая эволюция

Итак, спустя всего 100 млн. лет после начала гравитационного захвата планетезималей, Земля накопила около 98% своей мас­сы и представляла собой однородный шар, состоящий из относительно легких силикатов (в основном SiO₂) и тяжелых по сравнению с ними окислов железа (рис. 1а). Такое начальное состояние Земли лежит в основе концепции гомогенной аккумуляции. В настоящее время получила распространение другая концепция - ге­терогенной аккумуляции, в соответствии с которой уже на стадии первоначального накопления массы произошло выделение тяжелого ядра, окруженного относительно лег­кой мантией.

Вся последующая геологическая история представля­ет собой гравитационную дифференциацию (разделение) веществ, обладающих разной плотностью: железо «стека­ет» к центру Земли, образуя ядро, а силикаты и другие лег­кие вещества поднимаются к поверхности (рис. 1б). О том, насколько продвинулась во времени эволюция Зем­ли, говорят следующие цифры. В настоящее время ядро составляет 32% массы Земли, а в мантии осталось не так много железа (не более 5% массы Земли), которому пред­стоит перейти в ядро. Так что гравитационная дифферен­циация вещества Земли осуществилась уже на 87%. Расче­ты показывают, что ядро достигнет своей максимально воз­можной массы примерно через 1, 0-1, 5 млрд. лет, после чего геологическая эволюция Земли завершится (рис. 1в).

Мантия Ядро

Рис.1 Геологическая эволюция

Процесс формирования ядра сопровождается гранди­озными явлениями планетарного масштаба, среди кото­рых в первую очередь следует назвать конвекцию в ман­тии. Конвективные потоки вещества пронизывают всю мантию от ядра до поверхности Земли и имеют своей при­чиной архимедову силу, которая, как известно, уменьша­ет вес вещества, погруженного в жидкость. В результате вещества, более легкие, чем окружающая среда, всплыва­ют вверх, а более тяжелые — опускаются вниз. В рассмат­риваемом случае физическая причина архимедовой силы связана с тем, что железо теряют в первую очередь те слои мантии, которые ближе всего к ядру. Становясь легче, чем те, которые над ними, эти слои «всплывают» под действи­ем архимедовой силы. Необычность конвективных явле­ний в мантии заключается в том, что вещество мантии со­всем не похоже на жидкость. Достаточно вспомнить, что представляют собой типичные вещества верхней мантии — граниты и базальты. Тем не менее эти вещества по отноше­нию к долговременным нагрузкам ведут себя как настоя­щая жидкость, правда, с очень большой вязкостью. По­этому механические движения в мантии являются чрез­вычайно медленными, со средними скоростями порядка 0, 1-10 см в год!

Эффективность конвективных процессов существенно повышается в результате разогрева недр Земли. Долгое время считалось, что основным источником тепловыде­ления в Земле является распад радиоактивных элементов, особенно таких, как ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th, ⁴⁰K. За все время существования этих источников Земля получила около 10³¹ Дж тепла. Однако оказывается, что почти в 1, 5 раза большая энергия выделилась за счет гравитационной дифференциа­ции тяжелых и легких веществ (то есть за счет «опуска­ния» железа к центру Земли). Пренебрегая другими ис­точниками тепловыделения, такими как, например, при­ливное трение, можно сказать, что за все 4, 6 млрд. лет существования в Земле выделилось -2, 5 х 10³¹ Дж тепла. За это же время в космическое пространство Земля излу­чила всего около 0, 5 х 10³¹ Дж. Значит, в Земле накопи­лось около 2 х 10³¹ Дж, что привело к разогреву и частич­ному плавлению земных недр.

Расчеты показывают, что для полного расплавления Зем­ли требуется около 3, 2 х 10³¹ Дж внутренней энергии. С учетом сказанного выше, чтобы произошло расплавление нужно, чтобы в начале геологической эволюции у Земли уже было 1, 2 х 10³¹ Дж энергии, а это соответствует средней темпера­туре 1600 К. Но мы уже говорили, что началь­ная температура протопланеты Земля, за исключением от­дельных зон, была 1200 К, то есть меньше 1600 К. Из этого следует важный вывод о том, что Земля никогда не была полностью расплавленной. Частичное плавление отдельных областей Земли имело и имеет место, например расплавлен­ным является внешнее ядро, близка к плавлению или даже содержит расплавы легкоплавких пород астеносфера.