Начальный глобальный вулканизм

Современная научная литература по ранней истории Земли содержит большую и разнообразную информацию о формировании и аккреции планетного тела Земли, влиянии космического окружения, составе протовещества, характере его эволюции, развитии биосферы [24; 31; 32; 37; 38; 51; 59; 62; 63, 69; 79, 90]. Однако нет единого мнения о хронологии раннего докембрия и выделения в нем эонов древнее 3,5 • 109 лет. Отсутствуют убедительные данные о динамике и объеме вулканизма на разных этапах геологической истории, не исследуются источники и режим земной гидросферы, никогда не изучались фотолитические потери воды и их влияние на состояние гидросферы. По-прежнему считается незыблемым принцип актуализма Чарльза Лайеля, постулирующий неизменность скорости течения геологических процессов на протяжении всей истории Земли. Не изменилось и представление о длительном, исчисляемом миллиардами лет существовании Мирового океана; о том, что однажды поступившая на поверхность с вулканизмом вода должна чуть ли не вечно существовать на фоне изменяющейся вокруг природной среды. Не разработан механизм дистанционного геологического анализа строения и эволюции других планет. Существуют серьезные противоречия между геологической информацией и физическими моделями полностью водородного Солнца и водородных планет-гигантов, их ледяных спутников, и, что самое главное, эти модели не дают научно обоснованного прогноза относительно направленности изменения природных комплексов не только Земли, но и ближнего космоса, и в первую очередь грядущих изменений на Солнце. В настоящей работе автор попытался ответить на ряд этих вопросов, но центральным здесь является исследование ранней истории Земли — сразу после завершения аккреции планетного тела. Понимание того, что является определяющим на этом этапе, позволяет найти объяснение многим дальнейшим геологическим событиям и процессам, определившим, в конечном итоге, современное соотношение площади суши и моря, изменения климата и эволюцию живого вещества.

Исследователи разных стран, опираясь на данные геологии докембрия, довольно единодушно признают факт возникновения на раннем этапе геологической истории мощного вулканизма на всей территории Земли. Однако причины его возникновения исследованы слабо. Многие вопросы остаются дискуссионными и нуждаются в дальнейшем изучении. Успехи изучения геологии докембрия [19; 51; 53; 56; 60; 61; 71; 74; 75; 79; 86; 89; 91] показали, что основной объем гранитно-метаморфического фундамента щитов, континентальных и океанических платформ был образован в результате интенсивного вулканизма, охватившего всю поверхность Земли, сразу после завершения формирования планеты в первые 4,5— 4,0-109 лет. Примечательно, что, судя по возрасту древнейших изверженных пород на Луне, имевших два пика — 4,5—4,0-109 и 3,95—3,6-109 лет (рис. 15), — первый, более древний интервал совпадает со временем катархейского вулканизма, выделенного С. Л. Салопом, Р.Ф. Черкасовым и другими при исследовании Алдан- N ского щита в Восточной Сибири [61; 71]. Изученный комплекс, названный алданием, — это древнейшее из всех известных на

Возраст магматических пород Луны [76; 79]

Рис. 15. Возраст магматических пород Луны [76; 79]

Земле вулканогенно-осадочное образование. Его возраст, определяемый по зернам циркония, — 4,0—4,3-109 лет.

Имеются также единичные измерения, дающие метки 4,4-109 лет [56]. На сегодняшний день таких определений немного, около 40. Но тем не менее они сходны по возрасту с древнейшими вулканитами Луны. Более молодые лунные породы возраста 3,95—3,6-109 лет соответствуют «морским» базальтам, образовавшим обширные так называемые лунные моря в результате интенсивной метеоритной бомбардировки, относящейся к этому времени [91]. Такие моря занимают около 40% видимой поверхности Луны и свидетельствуют о неглубоком залегании огромных размеров магматических резервуаров и, следовательно, неглубоком расположении источников тепла. Для выявления особенностей палеогеографической обстановки катархея необходимо остановиться на рассмотрении литологии пород алдания [61; 71].

Комплекс алдаиия состоит из трех основных слоев: нижнего гнейсокварцитового слоя мощностью 2,5 км, среднего гнейсового слоя (5 км) и верхнего карбонатно-гнейсового слоя (1,5—2 км); при этом 3/4 объема пород представлены вулканитами. Большая часть из них несет следы глубокого метаморфизма, переплавления и гранитизации, которые имели место в конце катархея [71]. Степень метаморфизма доходит до гранулитовой фации, возникающей при температуре 500—700°C и давлении порядка 7—8-104 атм. Низы комплекса, по геофизическим данным, простираются до глубин 11—14 км, где они, по всей вероятности, сложены преимущественно вулканогенными породами [61; 71].

По данным многолетних исследований Р.Ф. Черкасова [71], катархейский комплекс представлен маломощными дайками, жилами грани-тоидов. Отмечаются прослои карбонатных пород, которые занимают здесь около 1 % разреза, в то время как в позднем архее карбонаты и доломиты занимают соответственно 16,5 и 22% осадочных образований. Это указывает на смену обстановки седиментации в послекатархейское время и выход Солнца на звездную стадию своей эволюции. Высокая степень метаморфизма изверженных пород сопровождается образованием графита. Толща кварцитов в низах алдания, по предположению Р. Ф. Черкасова, была образована в морских мелководных бассейнах, изобилующих гидротермами и фумаролами, выносившими кремнезем (SiO?). Эта толща характеризуется присутствием мрамора и кальцифиров, являющихся метаморфизованными известняками и доломитами, которые входят в состав вулканогенно-карбонатной формации алдания. Наличие высокоглиноземистых гнейсов и диопсидовых сланцев свидетельствует о глинистой компоненте коры выветривания с отложениями ее в морских бассейнах. Более тяжелый изотопный состав графитов, карбонатных отложений, магнезиальных и сульфидных осадков, по мнению других исследователей [61; 71], указывает на их биогенную природу. Нередко в них обнаруживаются мумифицированные (микронного размера) останки прокариотных организмов. По мнению И. А. Резанова [56], в алдании имела широкое развитие прокариотная биосфера, энергетика которой подпитывалась в отсутствие солнечного света теплом действующих вулканов в подогретых лавами морских вод, а также мощным парниковым эффектом, создаваемым плотной реликтовой газово-вулкаиической атмосферой. Предполагается, что графиты, карбонаты, а позднее джеспилиты являются метаболитами прокариотной биосферы. Высокая степень метаморфизма алдания большинством исследователей объясняется значительным вертикальным градиентом температуры 50—80°С/км. По геофизическим данным, кварцитовая толща алдания подстилается гнейсово-вулканическими породами до глубины 11—16 км. В связи с высоким вертикальным градиентом температуры гранулитовый метаморфизм алдания проходил не на глубинах 20—25 км, как это предполагается, а на глубине порядка 4—7 км [56; 71]. В связи с этим удается избежать неразрешимой проблемы громадного эрозионного среза архейской коры мощностью 25—30 км, так как никаких геологических свидетельств о возникновении огромной массы терригенного материала до катархея не существует. В целом возраст алдания оценивается от 4—4,5 • 109 лет до 3,6-109 лет и менее [61]. Это чрезвычайно важный вопрос, и он связан с определением верхней границы катархея. По мнению автора, эта проблема должна решаться исходя из оценки энергетики начального вулканизма. Высказываются разные соображения на этот счет. По одной гипотезе, вулканизм инициировался долго- и короткоживущими изотопами, обогатившими первичную туманность перед началом аккреции планет [40]. По другой гипотезе, начальный вулканизм инициировался гравитационным сжатием планет [24]. Третья группа гипотез пытается объяснить вулканизм на Земле приливной диссипацией энергии, вызванной располагавшейся ранее вблизи предела Роша (9400 км) Луной [41]. Анализируя эти гипотезы, нетрудно видеть, что они не могут быть приняты в качестве объяснения энергетического источника начального вулканизма. Произведенный выше (§3 настоящей главы) расчет энергии гравитационного сжатия планет показал ее чрезвычайно низкое значение, которое не дает возможности назвать это сжатие источником вулканизма. Что касается обогащения пылегазовой туманности короткоживущими изотопами на ранней стадии аккреции планет, то в этом предположении есть две ошибки. Во-первых, далеко проэволюциониро-вавшая сверхновая не имеет короткоживущих изотопов, они выработаны в начале эволюции звездного вещества и образуются только при взрыве молодых сверхновых, развивающихся по углеродно-азотному циклу [73]. Во-вторых, если бы случилось невероятное и сверхновая обогатила бы короткоживущими изотопами все протопланетное облако, то в первые же миллионы лет своего существования все планеты превратились бы в огненно-жидкие шары. Что касается Луны как источника приливной энергетики, то непонятно, каким образом она оказалась у предела Роша и не была при этом разорвана на куски километровыми приливами, в результате чего у Земли образовалось бы каменное кольцо, подобное кольцам Сатурна. В-третьих, вследствие приливного торможения и обмена момента ми количества движения Луна всегда удалялась от Земли со средней ско-ростью, которая, по расчетам Мельхиора [36], была равна — =3,6 см/год.

dt

С катархея до настоящего времени она удалилась на 1/3 современного орбитального радиуса, т.е. примерно на 150 тыс. км. Следовательно, 4,0— 4,5-109 лет Луна располагалась на расстоянии 230 тыс. км от Земли. На этом расстоянии гравитационное притяжение возрастает всего в 4 раза, т. е. если сегодня высота твердого лунного прилива на Земле равна около 40 см, то в катархее она не превышала 1,5 м. Но предположим невероятное: Луна оказалась вблизи предела Роша и мощные приливы разогрели мантию Земли и Луны до необходимой точки плавления пород. Но как быть тогда с Меркурием, Венерой, Марсом, где одновременно с Землей проходил начальный вулканизм большой интенсивности? Однако у них нет своей Луны! Так что и этот вариант не проходит. Остается предложенная автором много лет назад [50] гипотеза, согласно которой источником раннего глобального вулканизма на Земле и других планетах Солнечной системы могли быть только короткоживущие изотопы 235U, 236U, 26А1, 10Ве и другие с периодом полураспада 106—108 лет (табл. 16), которые обогатили верхнюю мантию планет в финале их аккреции после взрыва молодой сверхновой, развивавшейся по углеродно-азотному циклу [49]. Следы распада этих изотопов на Земле многочисленны, что подтверждает факт их былого обильного присутствия в коре [16; 17].

Таблица 16

Короткоживущие изотопы [16; 17]

Изотоп

Энергия (Дж/г)

Период полураспада (лет)

235и

2,97

7,13 108

244Ри

50,36

8,2-107

247Ст

279,7

1,64-107

129j

4,53

1,72 107

Долгоживущие 238U, 232Th, 40К через 100 млн лет после образования планет еще не могли дать никакого тепла. Основное тепло 238U и 232Th стали генерировать спустя 3,5 млрд лет, к концу протерозоя — началу фа-нерозоя. Поэтому продолжительность катархея и установление его верхней границы регламентируется длительностью распада короткоживущих изотопов, а этот период в целом не превышает 400—500-106 лет. Это замечательным образом совпадает с данными геологии и определением возраста алдания по цирконию. Доказательством тому является одновременное завершение начального вулканизма на Земле и планетах на рубеже 4—3,9-109 лет. Этот возраст показывают образцы вулканогенных пород с лунной поверхности [75; 76]. Как видно из рисунка 15 (с. 117), на гистограмме возраста лунных вулканитов имеется два экстремума: 4,4—4,0-109 и 3,9—3,6-109 лет. Первый экстремум соответствует возрасту пород, образовавшихся за счет вулканизма, второй — магматизму, возникшему при интенсивной метеоритной бомбардировке лунной поверхности в интервале 3,9—3,6 млрд лет.

Расчет генерации тепла по 238U, 232Th в коре и мантии (см. табл. 4, с.72) показывает, что кора дает в целом 4,7-1019 кал/год, а мантия 4,1 • 1019 кал/год. Количество тепла от распада короткоживущих изотопов рассчитано только по 235U, содержание которого оценивается в 10“4 г/г в верхней мантии толщиной 50—100 км. Оно генерирует 7,3-1022 кал/год, что за 500 млн лет катархея составило 4-1031 кал. Этого тепла было вполне достаточно для расплава верхней мантии во всем объеме нахождения короткоживущих изотопов мощностью 50—100 км. Других источников, которые могли бы инициировать одновременно на всех планетах Солнечной системы мощный вулканизм, длившийся почти 500 млн лет, просто не существует.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >