А если Земля первоначально была холодной?

Действительно, если Земля образовалась из холодной метеоритной пыли, как могли возникнуть геосферы, откуда появилась атмосфера, как шло развитие нашей планеты на разных этапах ее жизни - в младенчестве и в юности?

Согласно гипотезе, одинокая звезда - Солнце - на своем пути через космические дали встретило огромное облако пылевидной холодной материи, являющееся, быть может, следом какой-то давней космической катастрофы. Солнце увлекло это облако за собой. Часть пылевидной материи поглотило само солнце. Из остальной стали формироваться сгустки - планеты. Среди них была и наша Земля.

Возникнув путем соединения космических частиц, наша планета вначале была холодной и однородной. В ходе радиоактивного распада Земля стала постепенно разогреваться, а это повлекло за собой разделение веществ по составу и удельному весу. В глубоких частях планеты стали накапливаться тяжелые, к поверхности поднимались более легкие вещества. Петрографы считают, что в разделении Земли на геосферы большую роль сыграла магматическая деятельность. Именно с ней связано перемещение расплавляющегося материала вверх. С ходом геологической истории накапливалось все больше и больше магматических пород, сначала базальтовых, а затем и гранитных. Они выплавлялись из тела Земли, как «легкие» шлаки. В результате длительной истории тело Земли оказалось дифференцированным, разделенным на ряд оболочек - геосфер.

Каким же мог быть механизм этого разделения? Лучше всего его объясняет гипотеза зонной плавки, сформулированная несколько лет назад академиком А. П. Виноградовым.

Ряд данных говорит о том, что состав первичной Земли мог быть близок к составу каменных метеоритов. Посланцы космоса - каменные метеориты состоят из оливина, пироксена, полевых шпатов, в меньшем количестве - из никелистого железа и сульфидов железа. В составе этих метеоритов есть и радиоактивные элементы...

Тепла, накопленного в недрах планеты в результате радиоактивного распада, постепенно стало столько, что в какой-то момент геологической истории началось расплавление отдельных участков. Появились магматические очаги; они развивались, затем угасали, спустя некоторое время возникали вновь в иных местах, процесс шел дальше, причем многократно повторялся. Таким образом, недра Земли полностью должны были испытать многократное переплавление.

Но это не было просто переплавление одного и того же материала. Ведь расплавляющийся материал обычно отделяется от примесей, разделяется на два или несколько веществ. В металлургии, например, этот физико-химический процесс широко используется для очистки металлов от примесей, разделения руды на металл и шлак.

Представьте себе, что с помощью специального устройства по бруску очищаемого вещества медленно передвигается нагревательный элемент, создающий узкую расплавленную зону. В этой зоне вещество расплавляется, и одновременно происходит перераспределение примесей на границе расплав-кристаллизующееся вещество. Легкоплавкие примеси скапливаются в расплаве, а кристаллизующееся вещество захватывает преимущественно тугоплавкие примеси. Если в слитке какого-нибудь материала расплавить узкую зону и затем передвигать зону плавления в одном направлении, расплавленный участок застывает, освобождаясь от легкоплавких примесей, а соседний с ним плавится, обогащаясь легкоплавкими компонентами (рис. 10). В результате одного продвижения зоны плавления через весь слиток в переднем его конце возникает повышенная концентрация легкоплавких примесей. Так в результате зонной плавки происходит разделение веществ.

Рис. 10. Схема распределения компонентов при зонном плавлении (по Л. С. Тарасову)

Обратите внимание на то, что в процессе зонной плавки не происходит одновременного расплавления всего вещества. Перемещается только узкая зона расплава, в которой и накапливаются легкоплавкие примеси, Гипотеза зонной плавки была проверена на опыте плавлением каменного метеорита «Саратов» в течение 40 час при температуре 1600° С. Вещество каменных метеоритов по химическому составу приближенно можно рассматривать как систему MgO - SiO² с примесью щелочей, алюминия, кальция и легколетучих компонентов. Из системы MgO - SiO² могут возникнуть такие минералы как оливин (Mg2SiO⁴), ромбический пироксен (MgSiO³) и кварц (SiO²). Были изучены свойства чистой системы MgO - SiO², но, вероятно, добавление к ней указанных примесей будет понижать температуру плавления и образование более легкоплавкой фазы.

При высокой температуре (около 1600° С) пироксен не просто расплавляется, а распадается на кристаллы оливина и кремнеземистый расплав:

Распад пироксена на кристаллы оливина и кремнеземистый расплав

Как показывает реакция, в процессе расплавления вещества каменных метеоритов на месте должен накапливаться оливин (образующий ультраосновную породу - дунит), а кислый расплав с легкоплавкими примесями - перемещаться в направлении передвижения теплового очага. Так и получилось при опыте зонной плавки. Исходное содержание SiO² составляло в метеорите 44,8%, а в переднем конце столбика, подвергнутого зонной плавке, оказалась стеклообразная масса с 52-65% кремнезема, в одних случаях близкая к базальту, а в других еще более кислая. В противоположном конце этого столбика преобладал оливин и порода в целом отвечала дуниту.

Таким образом, экспериментально была доказана возможность разделения первичного материала планеты на базальт и дунит, то есть на вещество земной коры и вещество, присутствующее в верхней мантии. Механизм зонного плавления хорошо объясняет сущность процессов выплавления и дегазации вещества мантии, происходивших в течение нескольких последних миллиардов лет геологической истории Земли. Породы, слагающие мантию, - дуниты - остаток от выплавления, а земная кора, гидросфера и атмосфера - это вещества, выделившиеся в процессах зонной плавки и дегазации первичного вещества мантии.

Выплавление легких веществ из мантии - процесс необратимый. Он неминуемо ведет ко все большей и большей дифференциации вещества планеты и земной коры. С точки зрения гипотезы зонной плавки состав земной коры меняется от одного этапа геологической истории к другому. Средний состав земной коры в современную эпоху должен отличаться от состава коры в начале палеозойской эры и еще более - от состава ее в архейское время. Таким образом, развитие земной коры оказывается необратимым.

Зонной плавкой, по-видимому, можно объяснить не только образование неоднородностей планетарного масштаба - геосфер Земли, но и явления более мелкие, как, например, полосчатость в некоторых глубинных магматических породах. А. П. Виноградов считает, что если расплавленный материал будет быстро застывать, диффузия не проявится в полной мере и неоднородность расплава не выравняется. В результате кристаллизующаяся масса окажется неоднородной и будет состоять из ряда полос различного состава. Таковы, например, нефелиновые сиениты Ловозерского массива на Кольском полуострове.

Необратимо также и развитие атмосферы. Образовавшаяся из твердого холодного космического материала, Земля вначале была лишена воздушной оболочки. Когда начался радиоактивный разогрев, из твердого вещества Земли стали выделяться заключенные в нем газы. С течением времени возникла первичная атмосфера планеты. Ее состав вначале был совершенно непохож на современный: преобладали водород, азот, углекислый газ. Постепенно деятельность растений и процессы образования карбонатных осадочных пород уменьшили количество углекислоты, растения обогатили нижние слои атмосферы кислородом, воздух Земли оказался состоящим из азота и кислорода. На изменение состава атмосферы неоднократно оказывала влияние и вулканическая деятельность. Водяной пар и газы, выделившиеся из магмы, пополняли воздушную оболочку Земли, изменяя ее состав.

В необратимости многих процессов развития Земли таится еще одна трудность для исследователей. Ведь многие процессы в далеком геологическом прошлом нашей планеты протекали не так, как сейчас. Значит, недостаточно понять, как идет развитие Земли сейчас, недостаточно разгадать сущность современных процессов, происходящих на поверхности Земли и в ее глубинах. Надо еще приподнять завесу времени и по сохранившимся иероглифам каменной книги прочитать, какими были все эти процессы сотни миллионов и миллиардов лет назад.