Реферат: Возникновение Земли

Процесс плавления мантии, определивший центробежную миг­рацию расплавов и растворов, был гетерогенным. Он отмечается изотопным составом элементов из пород мантийного происхож­дения. Обнаружено, что в мантии сохраняются участки с разным соотношением стабильных изотопов, что было бы невозможным при общем плавлении и гомогенизации мантии большого масшта­ба. Данные измерений изотопного состава углерода из образцов мантийного происхождения привели Э. Галимова к выводу о существовании двух направлений изотопных измерений углеро­да. Углерод в мантии находится в двух различных формах, или фазах. Изотопный состав углерода этих фаз различен, как и раз­лична химическая форма нахождения, подобно тому, что обна­ружено в метеоритах. Так, углерод, рассеянный в каменных ме­теоритах, более обогащен легким изотопом (¹² С), в то время как углерод, находящийся в графите и органическом веществе, более тяжелый (¹³ С). При образовании Земли эти две формы углерода были унаследованы планетой на последних стадиях ее аккумуля­ции.

Э. Галимов отмечает, что изотопный состав не только углеро­да, но и некоторых других элементов земной коры обнаруживает поразительное сходство с изотопным составом тех же элементов углистых хондритов при весьма отдаленном сходстве с другими каменными метеоритами. Эти данные, во-первых, подтверждают гетерогенную аккумуляцию и тот факт, что в завершающих ее этапах участвовало вещество, аналогичное составу углистых хонд­ритов. Во-вторых, образование зон и очагов плавления в мантии было таким, что оно не смогло гомогенизировать изотопный со­став ряда химических элементов.

Дополнительные свидетельства в пользу гетерогенной аккуму­ляции мантии и ее последующей гетерогенной дифференциации мы находим в данных по изотопному составу Sr и РЬ в вулканиче­ских породах, материал которых возник на разных горизонтах в самой мантии. Для исследования ранних процессов дифференциа­ции мантии мы можем использовать изотопные пары: ²³⁸ U--²⁰⁶ Pb, ⁸⁷ Rb—⁸⁷ Sr, поскольку все четыре элемента геохимически ведут себя по-разному в обстановке парциального плавления материала мантии. В ряду элементов летучесть возрастает в такой последо­вательности: U, Sr<Rb<Pb. Отсюда в паре U—Pb мы имеем тугоплавкий родоначальный элемент и летучий дочерний. Для пары Rb—Sr имеет место обратное соотношение. В процессе ге­терогенной аккумуляции первичной мантии в ее глубоких гори­зонтах содержалось повышенное количество U и Sr, но она была обеднена РЬ и Rb. Первичная мантия, сложенная в верхних горизонтах материалом, близким к углистым хондритам С1, была относительно обогащена РЬ и Rb и обеднена U и Sr. Поэтому в породах, впоследствии возникших на разных глубинах мантии, должна наблюдаться антикорреляция между изотопными отно­шениями ²⁰⁴ Рb: ²⁰⁴ Rb и ⁸⁷ Sr : ⁸⁶ Sr. Возможность такой антикорре­ляции недавно отметил Р. Хатчисон. Так, высокое значение отношения ²⁰⁴ Рb: ²⁰⁴ Rb и низкое ⁸⁷ Sr : ⁸⁶ Sr. отмечено для вулкани­ческих пород Канарских островов, островов Вознесения и базальтов. о. Св. Елены. Обратное соотношение антикорреляции (низкое отношение ²⁰⁴ Рb: ²⁰⁴ Rb и высокое ⁸⁷ Sr : ⁸⁶ Sr.) характерно для вул­канических пород островов Тристан-да-Кунья и др. Эти примеры, по-видимому, указывают на неполное смешивание материала ман­тии, а лавы с островов Тристан-да-Кунья возникли из мантии, обогащенной С1 компонентом, в то время как источник других вулканических образований был обеднен этим компонентом.

Для юных лав Исландии разных этапов извержения изотопные измерения обнаружили антикорреляцию, возрастающую в ходе времени: увеличение отношения²⁰⁴ Рb: ²⁰⁴ Rb сопровождается уменьшением отношения ⁸⁷ Sr : ⁸⁶ Sr. Это можно рассматривать как результат того, что лавы могут возникать от прогрессивно углуб­ляющегося источника, в котором содержание С1 компонента мед­ленно уменьшается с глубиной. Таким образом, изотопные отношения РЬ и Sr в вулканических породах как продуктах вы­плавления мантийного материала определенно указывают на ге­терогенность мантии; что является отдаленным отражением ее ге­терогенной аккумуляции в начале образования нашей планеты. Для более полного обоснования этих представлений необходимы дополнительные измерения изотопного состава РЬ и Sr из много­численных вулканогенных пород, включая наиболее древних пред­ставителей из земной коры разных структурных типов.

Основываясь на данных об изотопных отношениях РЬ и Sr в вулканических породах, Р. Хатчисон предложил модель формирования первичной мантии как результат двухстадийного процесса. На первой стадии материал обычных хондритов обра­зовал Землю, что сопровождалось нагревом, парциальным плав­лением, и в конце концов верхняя часть примитивной Земли суще­ственно лишилась натрия и других более летучих элементов. Вто­рая стадия ознаменовалась периодом длительного охлаждения, когда материал типа С1 добавился к тугоплавкой примитивной верхней мантии.

В результате плавления и дегазации верхней мантии на по­верхность Земли могли поступать в основном три фракции ман­тийного материала: базальтовая магма, а также растворенные в ней вода и газы. Каждое излияние базальтов сопровождалось выносом определенного количества воды, поскольку в самой базаль­товой (габброидной) магме могло содержаться до 7 вес. % рас­творенной воды. А. П. Виноградов высказал мысль о взаимосвязи между количеством излившихся базальтов и поступившей на по­верхность Земли ювенильной воды. На поверхность первичной планеты поступали Н2О, С02, СО, СН4, S, NaS, НзВОз, НС1, HP, aтакже Не, Ne, Ar, Кг, Хе. Эти газы составляли первичную атмо­сферу Земли, хотя их количественные соотношения вряд ли удаст­ся выяснить достаточно точно. Однако на первом месте стояли Н2О и СО2. Если температура поверхности молодой планеты пре­вышала 370 К, то основная часть атмосферы состояла из паров воды и углекислого газа. Но такая горячая атмосфера вряд ли могла существовать долгое время в связи с явлениями конвекции и быстрым охлаждением поверхности самой Земли.

Гидросфера, включающая Мировой океан, возникла из паров мантийного материала, и первые порции конденсированной воды на Земле были кислыми. Они представляли собой раствор с при­сутствием анионов F, C1, Вг, I, которые и сейчас характерны для морской воды. Отсюда неизбежно следует, что первые ювенильные воды поверхности Земли были минерализованными, а прес­ные воды появились позже в результате испарения с поверхности первичных океанов, что было процессом естественной дистилля­ции. Выпадение атмосферных осадков на поверхность суши могло привести к образованию в пониженных участках рельефа первых пресноводных водоемов. В первичном океане сульфаты присут­ствовали в ничтожных количествах, так как было очень мало сво­бодного кислорода для окисления HgS и образования сульфатов.

Первичная атмосфера Земли была восстановительной и в ней не было свободного кислорода. Только незначительные его коли­чества формировались от воздействия солнечной радиации на мо­лекулы водяных паров и углекислоты, которые разлагались путём фотодиссоциации.

Нам сейчас трудно восстановить химический облик первичной атмосферы Земли. Возможно, значительные количества водорода и гелия диссипировали в космическое пространство, хотя коли­чественную оценку этой потери дать трудно.

Решающее значение в изменении химического состава первич­ной атмосферы имело появление фотосинтезирующих организмов, потребляющих Н2О и СОз из внешней среды, что вызвало также химические изменения в Мировом океане. Первыми фотосинтезирующими организмами были, вероятно, синезеленые водоросли или их предки, возникшие в верхних зонах океана на определен­ных глубинах. Эти глубины определялись слоем воды около 10 м, который поглощал ультрафиолетовую радиацию Солнца, предо­храняя организмы от ее губительного действия. Изучение изотоп­ной истории кислорода в биосфере показало, что свободный кис­лород как активный геохимический фактор образовался преиму­щественно за счет фотосинтетического разложения Н2О организ­мами фитопланктона. С появлением свободного кислорода первичная атмосфера нашей планеты изменилась до неузнаваемости. Количество свободного кислорода прогрессивно возрастало, актив­но окисляя многие вещества окружающей среды. Так, свободный кислород быстро окислил NНз, СН4, СО, а сернистые газы S и H2Sбыли превращены в сульфаты океанической воды. Со времени дей­ствия процесса фотосинтеза СО2 быстро потреблялась фитопланк­тоном, а также связывалась в карбонатных осадках. Вся дальней­шая деятельность фотосинтезирующих организмов стала направ­ленной на интенсивное извлечение СОз из атмосферы.

Таким образом, верхние легкие оболочки Земли—атмосфера, гидросфера и отчасти определенные части коры возникли глав­ным образом за счет дегазации мантии. Естественно, что дегазания мантии Земли и связанная с ней миграция литофильных эле­ментов в силикатных расплавах происходила наиболее интенсивно на наиболее ранних периодах развития Земли, учитывая ра­диоактивный нагрев и нагрев от экзотермического эффекта завер­шения формирования земного ядра. В последующую геологиче­скую историю дегазация затухала, периодически возобновлялась в подвижных зонах земной коры и верхней мантии при рождении вулканов в горных поясах и в виде островных дуг в периоды горо­образования.

Дифференциация вещества Земли с начала ее образования имела различную скорость. Так, завершение формирования внеш­него ядра Земли в результате центростремительной миграции сидерофильных и халькофильных элементов произошло относитель­но быстро и в современную эпоху едва ли продолжается в значи­тельных масштабах. Однако что касается центробежной мигра­ции, то она имела место во всей истории Земли и продолжается в современную эпоху.

5.Вывод.

Несмотря на многочисленные усилия исследователей разных стран и огромному эмпирическому материалу по составу отдель­ных членов Солнечной системы, мы находимся только на первом этапе понимания истории и происхождения Солнечной системы вообще и нашей Земли в частности. Однако сейчас становится все более очевидным, что возникновение Земли было результа­том сложных явлений в исходном веществе, охвативших ядерные, а впоследствии и химические процессы. В связи с непосредствен­ным исследованием материала планет и метеоритов у нас все бо­лее укрепляются основы для построения естественной теории про­исхождения Земли. B настоящее время нам представляется, что фундаментом теории происхождения Земли являются следующие положения.

1. Происхождение Солнечной системы связано с происхожде­нием химических элементов: вещество Земли вместе с веществом Солнца и других планет в далеком прошлом находилось в усло­виях ядерного синтеза.

2. Последним этапом ядерного синтеза было образование тя­желых химических элементов, включая уран и трансурановые элементы. Об этом свидетельствуют следы вымерших радиоактив­ных изотопов, обнаруженные в древнем материале Луны и метео­ритов. Эти следы в виде трэков осколочного деления и ксеноновых изотопных аномалий можно рассматривать как прямые отголоски некогда мощных космических процессов созидания атомных ядер в обстановке нейтронного захвата.

3. Естественно, что Земля и планеты возникли из того же ве­щества, что и Солнце. Исходный материал для построения планет был первоначально представлен разобщенными ионизированны­ми атомами. Это был в основном звездный газ, из которого при охлаждении возникли молекулы, жидкие капли, твердые тела — частицы.

4. Конденсация солнечного газа в зависимости от гелиоцент­рического расстояния привела к фракционированию химических элементов и дала химически различные продукты, что отразилось на составе планет и метеоритов. Ближайшие к Солнцу планеты получили повышенную долю тугоплавкой высокотемпературной фракции по сравнению с планетами более отдаленными.

5. Земля возникла преимущественно за счёт тугоплавкой фрак­ции солнечного вещества, что отразилось на составе ядра и сили­катной мантии. Процесс аккумуляции нашей планеты происходил под влиянием различных факторов. При этом металлическое же­лезо и близкие к нему элементу имели явное преимущество перед другими веществами объединяться первыми в компактные массы.

6. Основные предпосылки появления жизни на Земле были созданы в конце остывания первичной газовой туманности. На последнем этапе остывания в результате каталитических реакции биофильных элементов образовались многочисленные органиче­ские соединения, обусловившие возможность появления генетиче­ского кода и саморазвивающихся молекулярных систем. Возник­новение Земли и жизни представляло собой единый взаимосвязан­ный процесс—результат химической эволюции вещества Солнеч­ной системы.

6. Список использованной литературы.

6.1. Войткевич Г.В. Основы теории происхождения Земли. М., “Недра”, 1979, 135с.

6.2. Рингвуд А.Е. Состав и происхождение Земли. М., “Наука”, 1981, 112с.