2014-04-29

Історія юної Землі

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

В ранньому віці, близько 4,5 млрд. років тому, Земля світилась як неяскрава зірка. Жовто-червоні океани магми здіймалися над її поверхнею щораз після зіткнення з брилами, що оберталися навколо новонародженого Сонця, деякі з них досягали розмірів маленьких планет. Рухаючись зі швидкістю, яка у 75 разів перевищувала швидкість звуку, така брила при ударі об земну поверхню роздробляла, розплавляла і навіть випаровувала її.

На ранньому етапі розвитку Землі щільне залізо опускалося у вируючій магмі, формуючи внутрішнє ядро, при цьому звільнялося стільки гравітаційної енергії, що її було достатньо, щоб розплавити всю планету. Могутні удари метеоритів продовжувалися сотні мільйонів років, залишаючи на Землі кратери діаметром більш ніж у 1 тис. км. Одночасно в надрах землі при розпаді радіоактивних елементів виділялося тепло, причому в 6 разів швидше, ніж це відбувається сьогодні.

Затвердіння Землі

Починаючи з XIX ст. учені намагалися обчислити, як швидко остила Земля, але мало хто з них сподівався знайти переконливі підтвердження своїм розрахункам. Деякі припущення про більш помірний клімат будувалися на термодинамічних розрахунках, що виходили з первісної температури магми в 1000°С и показували, що земна поверхня могла затвердіти протягом 10 млн. років. При остиганні планети наростаючий шар затверділих гірських порід повинен був відокремити її поверхню від розплавлених глибинних порід. Якщо припустити, що були періоди, коли великі метеорити не падали і земна кора була стійка, а парниковий ефект в атмосфері не затримував занадто багато тепла, то температура на поверхні Землі могла швидко знизитися до значення, нижчого за точку кипіння води. Крім того, Сонце тоді посилало менше енергії.

Більшість геологів схильні вважати, що безперечність вогненного народження й убогі геологічні дані скоріше вказують на тривалий надспекотний клімат. Найдавніші (4 млрд. років) з відомих первозданних порід — це гнейси Акасти на північно-західних територіях Канади. Але вони були утворені глибоко в надрах Землі і тому не містять ніяких даних про умови, що існували на поверхні. Більшість дослідників думали, що пекельна спека повинна була зруйнувати будь-які породи, утворені раніше. Найдавніші з тих, що сформувалися під водою, де було відносно прохолодно, нараховують 3,8 млрд. років. В осадових породах, які виходять на поверхню на південному-заході Гренландії, поблизу Ісуа, збереглися також ранні свідчення життя.

У 80-х рр. XX ст. нова інформація про ранній розвиток Землі була отримана при вивченні монокристалів циркону, тоді трохи їхніх рідких зерен, знайдених у Джек-Хілз і Маунт-Нарр’єр, у Західній Австралії, виявилися найдавнішим матеріалом наземного походження — 4,3 млрд. років. Кристали циркону настільки міцні, що можуть зберегтися, навіть якщо порода, яка їх утворила, буде зруйнована ерозією. Вода і вітер можуть потім перенести зерна циркону на великі відстані, перш ніж вони стануть частиною осадових порід. Так і циркон, знайдений у Джек-Хілз, можливо, був перенесений на тисячі кілометрів від місця свого походження і включений у шар великого піску.

Незважаючи на відкриття часток первозданної Землі, більшість учених продовжувють вважати, що клімат нашої юної планети був надспекотним.

Свідчення древніх океанів

Джек-Хілз, частина піщаної запиленої рівнини, розташованої на 800 км на північ від Перти, найвіддаленішого австралійського міста. Конгломерат утворився 3 млрд. років тому, він знаходиться на північно-західній окраїні широко простягнутих звивистих гірських порід, старших ніж 2,6 млрд. років.

Циркон міг розповісти не тільки коли, але і як утворилася основна порода. Щоб розрахувати температури процесів утворення магми і гірських порід, були використані різні ізотопні співвідношення кисню.

Геохіміки вимірюють співвідношення кисню -18 (18О — рідкісний ізотоп, що має 8 протонів і 10 нейтронів, складає близько 0,2% усього кисню на Землі) до кисню -16 — (16О — розповсюджений ізотоп, що має 8 протонів і 8 нейтронів, складає 99,8% усього кисню). Ці ізотопи стійкі, а не радіоактивні і, отже, спонтанно не змінюються з часом. Однак відношення ізотопів 18О до 16О в кристалі буде різним у залежності від температури зовнішнього середовища в момент його утворення.

Пропорція 18О/16О була визначена для мантії Землі (шар потужністю в 2 800 км, який лежить безпосередньо під океанічною і континентальною корою, що має товщину 5-40 км). Магма мантії зберігає практично постійне ізотопне співвідношення. Для спрощення геохіміки використовують показник d, який прирівнює дане співвідношення до відповідного співвідношення в морській воді. Для океанів показник d18O дорівнює 0 за визначенням, а для циркону мантії він дорівнює 5,3; це означає, що ізотопне співвідношення 18О/16О у мантії більше, ніж у морській воді.

У результаті проведеного аналізу зразків циркону виявилося, що значення d18О досягало 7,4.

Що може означати таке велике ізотопне співвідношення? Для більш молодих гірських порід така відповідь не викликала би сумнівів, оскільки таких зразків існує багато. При низькій температурі на поверхні Землі ізотопне співвідношення може досягати високих значень, якщо гірські породи вступали в хімічну реакцію з дощовою або морською водою. У випадку глибинних розплавлених порід велике значення d18О повинне було передатися цирконові під час кристалізації в магмі. Отже, на поверхні Землі повинні були бути присутні вода в рідкому стані і низькі температури, щоб утворився циркон і магма з таким високим значенням d18O, ніяких інших пояснень не було.

Виявлення високого ізотопного співвідношення кисню в цирконах, знайдених у Джек-Хілз, наштовхує на висновок, що на поверхні Землі повинна була існувати вода в рідкому вигляді, по крайній мірі, на 400 млн. років раніше, ніж утворилися найстарші з відомих осадових порід, зразки яких знайдені в Ісуа, Гренландія. Якщо це припущення вірне, то, імовірно, існували цілі океани, які пом'якшували клімат ранньої Землі, а умови нагадували сауну.

Про що розповідають континенти

Чи можемо ми робити настільки сміливі висновки про розвиток Землі на підставі вивчення декількох маленьких кристалів?

У період становлення Землі в надзвичайно спекотних руйнівних умовах не зміг би зберегтися (і стати предметом геологічного вивчення) жоден зразок гірської породи. Але знайдені циркони вказували на більш м'який і знайомий нам кліматичний світ. Якщо клімат ранньої Землі був досить прохолодний для підтримки океанів, то, можливо, циркони можуть розкрити таємницю існування в ті часи континентів і різних відомих нам земних форм.

Навіть дрібні циркони мають включення — сторонні елементи, які можуть багато чого розповісти про походження і формування кристала. При вивченні цирконів, вік яких нараховує 4,4 млрд. років, знайшли частки інших мінералів, що містяться в них, у тому числі кварцу. Це здавалося дивним, оскільки він рідко зустрічається в первозданних породах і, ймовірно, був відсутній у споконвічній земній корі. Зазвичай він входить до складу гранітів, характерних для більш розвинутої континентальної кори.

Якщо австралійські циркони походять з гранітів, то це свідчить на користь припущення, що вони — представники перших континентів. Але отут потрібна обачність. Кварц може бути утворений на останніх стадіях кристалізації магми, навіть якщо материнська порода не граніт, незважаючи на те, що такий кварц зустрічається набагато рідше. Так, наприклад, на Місяці були знайдені циркони і кілька кварцових зерен. Але там ніколи не було гранітної кори, схожої на нашу континентальну. Деякі вчені також задаються питанням, чи утворилися перші циркони на Землі в умовах, подібних до тих, що були на первісному Місяці, чи під дією сил, зв'язаних з ударами гігантських метеоритів або під впливом глибинного вулканізму. Але ніяких переконливих доказів тому не знайдено.

Тим часом додаткова інформація про континентальну кору була отримана при дослідженні розсіяних елементів. Щоб усе це з'ясувати, треба було прискіпливо вдивитися в глиб кристалів. Циркони з Джек-Хілз мають підвищені концентрації мікродомішок, а також включення європія і церію, які зазвичай утворюються під час кристалізації земної кори; це означає, що циркони зародилися, скоріше, у поверхні Землі, а не в мантії.

Відносний вміст цирконів старших ніж 4 млрд. років у деяких зразках із Джек-Хілз перевищує 10%. Крім того, їхня поверхня сильно стерта, а грані заокруглені, що дає підставу вважати, що кристали були перенесені вітром на великі відстані. Як могли вони перенестися з пилом на сотні або тисячі кілометрів? І як могли вони не розплавитися, якщо тільки утворилися не в мантії, а в умовах стійкої континентальної кори? Очевидно, колись цирконів було дуже багато і вони були поширені на великій території, можливо, на цілому континенті.

Учені з Університету Пуерто-Рико, проводячи дослідження мікрозондом, знайшли екземпляри з віком ядра 4,3 млрд. років, вік кристала навколо якого визначався між 3,7 і 3,3 млрд. років. Те, що циркони стають молодшими від ядра до краю, цілком з'ясовно, тому що кристали нарощують масу навколо ядра з боку граней. Але велика різниця у віці між ядром і гранями вказує на наявність двох явищ, розділених у часі. У цілому можна сказати, що перепад віків усередині кристалів відбувся в результаті тектонічних процесів, що розплавили континентальну кору і викликали їхній ріст. Багато вчених намагаються з'ясувати, чи не аналогічні умови вплинули на формування древніх цирконів із Джек-Хілз.

Також було виявлено більш низький, ніж звичайно, вміст титану в древніх цирконах, що говорить про те, що магма в цьому випадку повинна була мати температуру від 650 до 800°С. Настільки низькі температури могли бути, якщо материнською породою був граніт, тому що більшість негранітних порід плавляться при більш високих температурах і породжені в них циркони повинні містити більше титану.

Вічні циркони

Зараз геохіміки досліджують інші райони з виходами древніх порід у надії знайти перші, старші ніж 4,1 млрд. років, циркони за межами Австралії.

Інтенсивні пошуки сприяють удосконаленню технологій. Учені провели аналізи зі значно більшою точністю і повідомили про більше ніж 20 знайдених в Джек-Хілз цирконах з високим ізотопним співвідношенням кисню, що свідчить про прохолодні температури на поверхні Землі і вплив древніх океанів 4,2 млрд. років тому. Пошуки продовжуються, використовуючи перший іонний мікрозонд нового покоління CAMECAIMS1280.

Первозданні породи, що містять циркони, можуть дати відповіді на багато питань. Але навіть якщо зразки таких порід не будуть виявлені, малюсінькі "капсули часу" уже допомогли розкрити багато таємниць, які таяться в надрах Землі.

Коментарі:

blog comments powered by Disqus