НАЧАЛЬНЫЙ ВУЛКАНИЗМ И ВОДА НА ДРУГИХ ПЛАНЕТАХ

Геологические аспекты анализа проблемы

Проведенные исследования показали, что вода не дается планете изначально. Она появляется и исчезает на определенных этапах развития протоплаиетного вещества и при определенных условиях внутри планеты и на ее поверхности. Так, в условиях Земли океанизация стала финалом ее эволюции, при этом длительность процесса океанизации составила всего 120—140 млн лет. В отличие от сложившихся представлений о значительной древности современных океанов, вынесенная на земную поверхность вода не лежит сотни миллионов и миллиарды лет неизменной массой на неизменных площадях. Вследствие диссоциации молекулы воды в верхних слоях атмосферы под действием жесткого солнечного излучения происходят ее постоянные потери. Молекула водорода диссипирует в космическое пространство, а тяжелая молекула кислорода пополняет земную атмосферу. Таким образом, фотолиз был мощным природным фактором, формировавшим кислородную атмосферу на абиогенном этапе докембрия, и эффективным регулятором режима гидросферы в геологической истории Земли. Тем не менее он никогда не использовался в естествознании. С введением в научный оборот этого фактора [44; 45] стала очевидной невозможность длительного существования на поверхности Земли не только какого-либо обширного мелководного океанического бассейна, но и современного глубоководного Мирового океана. Без постоянной подпитки эндогенной водой такие океаны исчезают с поверхности Земли за десятки-первые сотни миллионов лет.

Для длительного производства и удержания свободной воды необходимо выполнение по меньшей мере следующих трех условий.

  • 1. Планетарная организация вещества с общей массой порядка земной.
  • 2. Оптимальные температурные условия на поверхности, допускающие длительное существование воды в жидкой фазе.
  • 3. Наличие достаточного запаса долгоживущих радиоактивных изотопов 238U, 232Th, 40к.

Как показали проведенные автором исследования, такие запасы возможны только у планет, обладающих значительным по объему внутренним металлическим ядром, близким по размерам к земному. Подобное ядро имеется только у Венеры. У всех остальных планет (кроме планет-гигантов) размеры ядер не превышают 350—600 км по радиусу, и только у Меркурия, имевшего аномальную историю аккреции (см. дальше), он составляет 1800 км, т. е. почти в 1,5 раза больше земного ядра.

На всех планетах земной группы начальный вулканизм имел место (как и на Земле) лишь в катархее (4,4—4,0-109 лет назад). Он был обусловлен обилием короткоживущих изотопов 26Al, 10Ве, 235U и других, обогативших верхние 50—100 км протовещества в финале аккреции планет, т.е. имел геологическую природу. Ввиду малой массы планет и небольшого количества содержащихся в мантии изотопов U и Th, а также незначительного потенциала гравитационного сжатия — меньшего, чем у Земли, — единственным источником раннего вулканизма в указанный отрезок времени могла быть только высокая концентрация короткоживущих изотопов в поверхностном слое как планет земной группы, так и некоторых больших спутников планет-гигантов. Отмечаемый на Луне второй пик возраста 3,8—3,9 109 лет (см. рис. 15, с. 117) магматических пород [75; 76] относится к эпохе метеоритной бомбардировки лунной поверхности. Эти образцы пород были взяты американскими астронавтами из области так называемых лунных морей. Все наиболее древние образцы (4,0—4,5 109 лет) брались из возвышенных районов (горные области). Выровненные плоские поверхности лунных морей, обращенных к Земле, занимают более 40% площади. Преобладающий возраст взятых здесь пород — 3,8—3,9 -109 лет при общем интервале возраста от 3,5—3,92-109 лет (см. рис. 15, с. 117). Многочисленные кратеры заполнены лавами и имеют выровненную поверхность. Возраст взятых здесь пород свидетельствует об интенсивной метеоритной бомбардировке поверхности Луны, причем размеры кратеров — от сотен метров до 1000 км и более. Мгновенное заполнение кратеров горячими жидкими лавами свидетельствует о неглубоком расположении (первые десятки километров или меньше) обширных очагов расплавленного вещества верхней мантии. Учитывая слабую гравитационную организацию лунного вещества и отсутствие значительных запасов долгоживущих радиоактивных элементов, следует признать, что в конце катархея, к началу бомбардировки Луны, продолжались разогрев ее верхней мантии короткоживущими изотопами 235U и другими и плавление пород. Толщина лавовых покровов оценивается нами в 1 % от мощности «коры» (50 км) [69], т.е. не более 2,5—5 км.

Отсутствие на Земле и на Венере многочисленных кратеров в катархее свидетельствует о былом наличии у них мощной реликтовой газовой атмосферы, захваченной гравитационным полем планет в финале аккреции. Такая атмосфера способна создать давление на поверхности планетных тел 100—200 атм и более, что соответствует глубине воды 2 км и более.

Это значит, что планетезимали, которые беспрепятственно бомбардировали Луну, другие планеты и их спутники в конце катархея (3,92-109 лет), не могли пробить такую плотную атмосферу у Земли и Венеры, полностью разрушались и сгорали в ней. В результате такой интервенции атмосфера могла нагреваться до многих сотен градусов и передавать часть этого тепла на поверхность горных пород и существовавших морских бассейнов. Несколько меньшая по массе и толщине реликтовая газовая атмосфера была первоначально (до 4 • 109 лет) и на остальных планетах земной группы. Однако из-за последовавшей в финале начального вулканизма (3,9-109 лет) интенсивной бомбардировки эта атмосфера быстро нагревалась, перемешивалась и диссипировала в холодное космическое пространство. Несомненно, значительная часть метеоритного вещества проникала в гигантскую реликтовую атмосферу прото-Солнца, которое в катархее оставалось в виде горячей несветящейся массы. Часть этого метеоритного дождя выпадала на спутники планет-гигантов, о чем свидетельствуют многочисленные кратеры на их поверхности. Однако ввиду мощной газовой атмосферы у самих планет-гигантов, которая также была захвачена ими из пылегазового облака в финале аккреции, поверхность этих планет для метеоритной бомбардировки была недоступна, как и поверхность прото-Солнца.

Как будет показано далее, весь облик этих планет соответствует их огромной массе. Мощное магнитное поле свидетельствует о наличии на этих планетах развитого внешнего жидкого ядра (зоны термофизического и радиогенного разогрева), мощных вулканических процессов, которые выносили глубинные газы в реликтовую атмосферу. Последнее обусловлено тем, что на уровне Юпитера, Урана и Сатурна солнечная постоянная очень мала, поэтому фотолитические потери ничтожны, чего нельзя сказать об их больших спутниках и планетах земной группы, где фотолиз активно участвовал в ликвидации выносимой на поверхность эндогенной воды и льда.

Установленная тесная связь размеров центрального металлического ядра с объемом и массой планетных тел свидетельствует о его функциональной роли на начальном этапе аккреции — как центра конденсации масс пылегазовой туманности. Это дает возможность на основе точных измерений параметров внутренних геосфер Земли и параметров Луны получить коэффициенты пропорциональности между объемами планетных сфер или их радиусами и размерами их внутренних сфер (табл. 23). Это позволяет вывести коэффициенты пропорциональности для земных геосфер, используя простые соотношения. В качестве таковых удобно брать общие, точно измеренные астрономические параметры планет. Такими базовыми параметрами являются объем, радиус и площадь поверхности планет. В качестве эталона были приняты объем, масса, радиус Земли и ее металлического ядра, а также радиус мантии и внешнего ядра (ЗРТ). Формулы для расчетов внутренних параметров планет приведены далее. Для Земли получены следующие соотношения, опираясь на которые, можно рассчитать внутреннее строение планет земной группы и планет-гигантов, исходя из гипотезы их неводородного строения, а такого же состава, как и спутники, метеориты и планеты земной группы. Так, отношение радиуса Земли к радиусу внутреннего металлического ядра будет:

Кзем/КядР=5,01; (VII.1)

отношение радиуса Земли к радиусу современной мантии:

R-зем/ Ямант = 2,2; (VII.2)

отношение радиуса Земли к радиусу внешнего ядра (ЗРТ):

Кзем/1<ЗРТ=2,9. (VII.3)

Таблица 23

Внутреннее строение планет земной группы

Планета

Радиус Rra (км)

Мощность вулканитов* (км)

Мантия (км) Кмант= В-пл/2,2

ЗРТ (км) Кзрт= К-пл/2,9

Металлическое ядро (км)

Кядо=Кпл/5,01

Земля

6371

12,3

2960

2200

1270

Венера

6051

10,8

2738

2086

1210

Марс

3394

6,0

1542

1170

677

Меркурий

2439

4,4

600

Нет

1884

Луна

1738

3,2

785

598

347

* H=VMK/Snj] (км).

Аналогичным образом можно получить базовые выражения для расчета параметров начального глобального вулканизма на планетах, опираясь на полученные данные о мощности, объеме вулканических пород и воды в катархее на Земле. Наиболее объективным параметром, отражающим единство процесса начального вулканизма на объектах Солнечной системы, является отношение объема молодой планеты к объему начального вулканизма:

VnjI/VBJIK=N.

Для Земли имеем (см. табл. 18, с. 124):

(VII.4)

1,12-1012 км3/ 6,0-109 км3=186.

(VII.5)

Отсюда получаем возможность рассчитать объем пород начального вулканизма на любой планете:

VX =Vnn/186. (VII.6)

Полагая среднюю плотность вулканитов р=3,0 г/см3, находим массу вулканических образований:

Мвлквлк-3,0 г/см3 - 1015 cm3. (VII.7)

Поскольку начальный вулканизм имел, как и на Земле, общепланетарный характер, для определения мощности вулканогенных образований необходимо брать всю площадь поверхности планет (8ПЛ):

Н=УВЛК/8ПЛ. (VII.8)

Теперь появляется возможность для определения количества воды, выносимой с начальным вулканизмом, на других планетах. Как и на Земле, количество воды следует положить равным ее содержанию в метеоритном веществе (0,5 % от массы):

0,5%отМвлкНзО. (VII.9)

Отсюда легко находим объем вынесенной воды в км3:

V„1O = MH!O(r)/10l5CM3, (VII.10)

где 1015 см3 = 1 км3.

Для определения длительности существования возникших на планетах в результате начального вулканизма морских бассейнов необходимо вначале рассчитать фотолитические потери (F) с площади бассейна, используя для этого константу фотолиза, соответствующую начальной температуре Солнца после катархея (4,0 • 109 лет), которая определяется для каждой планетной орбиты в соответствии с таблицей 24.

Таблица 24

Солнечная постоянная (Q), константа фотолиза (Fn)

и фотолитические потери (F) планет-гигантов (по кромке их атмосфер)

Показатель

Юпитер

Сатурн

Уран

Нептун

Qi (6000 К) (кал/см2• min)

0,36

0,2

0,1

0,06

Q2 (3000 К) (кал/см2-min)

0,18

0,1

0,05

0,03

Константа фотолиза Fn(3000 К)-107 (г/км2-год)

0,25

0,14

0,07

0,04

Фотолиз (ЗОООК) F=Fn SarM (г/год)

1,3-1017

0,57-1017

0,5-1016

Нет фотолиза

Фотолиз (6000К) F(6000 K)=2F(3000 К)

2,6-1017

1,14-1017

1,0-ю'6

Нет фотолиза

В качестве площади морских бассейнов удобно принимать площадь, равную половине поверхности данной планеты, так как имеющийся первичный рельеф не позволит сформироваться всепланетному океану. Таким образом, фотолиз определяется из выражения:

F=Fn-0,5 SnJI. (VI1.11)

Отсюда легко найти длительность существования данного океанического бассейна:

t=MIIO/F.

(VII. 12)

п2О

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >