учебники / Короновский Н.В. «‎Общая геология‎» 3-ие издание

Звезды типа Солнца — желтые карлики формируются при сжатии газопылевых облаков, масса которых должна быть не меньше 105 массы Солнца. Пробразом такого облака может служить туманность Ориона, великолепные фотографии которой сделаны космическим телескопом им. Хаббла. Почему это облако начало сжиматься? По одной из гипотез, на него мог повлиять взрыв близкой сверхновой звезды, ударные волны от которого и заставили облако сжиматься и вращаться. По другой — газопылевое облако в силу своего участия в общем вращении ГМП начало сжиматься, однако большой момент вращения не допускает дальнейшего сжатия, и облако распадается на отдельные сгустки — будущие планеты. Надо отметить, что начальный момент превращения газопылевого облака в протопланетный диск — наименее ясный момент в процессе формирования Солнечной системы.

Как бы то ни было, радиус газопылевого облака должен был быть больше радиуса орбиты девятой планеты — Плутона, равного 40 АЕ. Состав облака характеризовался 99 % газа и 1 % пылевых частиц размером в микроны. Когда газопылевое облако начало сжиматься и вращаться, в дисковидном облаке возникли мощные турбулентные вихри, ударные волны, гравитационные приливы, перемешивающие газ облака, которое благодаря этому оставалось однородным. Время, необходимое для образования диска из облака, оценивается всего лишь в 1000 лет, газ при этом охлаждается, и образуются более крупные пылевые частицы, конденсируясь из газа, т. к. давление в облаке очень небольшое. В центральной части диска благодаря быстрому коллапсу зажглось Солнце, а при удалении от него в протопланетном диске температура уменьшалась до десятков градусов на краю диска, что подтверждается конденсацией льда воды за поясом астероидов. Итак, частицы пыли перемещались к центральной плоскости диска, и чем крупнее была пылинка, тем быстрее она «падала». Внешние слои диска теряли газ по причине его нагревания излучением молодого Солнца и мощного потока ионизованной плазмы — солнечного ветра. Формирование пылевого субдиска в центральной части первичного газопылевого диска оценивается всего лишь в 105 лет. Когда плотность пылевых частиц в субдиске достигла некоторого критического значения, диск стал гравитационно неустойчивым и начал распадаться на отдельные сгущения пыли, причем чем выше была плотность в сгущении, тем оно быстрее увеличивалось в размерах. Плотные сгустки, размером с хороший астероид, сталкиваясь, объединялись и, увеличиваясь в размерах, превращались в рой планетезималей размером до 1 км. Слипание, объединение планетезималей возможно только при небольшой скорости, соударении и неровной контактной поверхности, облегчавшей их сцепление. Не исключено, что в облаке Оорта на краю Солнечной системы сохранились еще

допланетные планетезимали, попавшие туда благодаря гравитационным возмущениям со стороны планет-гигантов. Образование планетезималей заняло не более 1 млн лет, т. е. произошло по космическим меркам почти мгновенно.

Важнейшим этапом была аккреция собственно планет из роя планетезималей, занявшая уже гораздо больше времени, около 1000 млн лет. Современное численное моделирование позволяет рассчитывать скорости допланетных тел и распределение их масс. Эти тела двигались по круговым орбитам, сталкиваясь друг с другом, разрушаясь, выбрасывая газ и пыль, но если тело было крупное, оно не разваливалось от ударов, а, наоборот, присоединяло к себе другие частицы и планетезимали. Чем больше было тело, тем оно быстрее росло и вступало в гравитационное взаимодействие с другими телами, изменяя их орбиты. Именно в этих наиболее крупных телах и сосредоточивалась основная масса вещества допланетного диска, образуя зародыши планет. Одно из основных условий роста тел — это низкая скорость их столкновения, не превышающая 1 м/сек. Образование группы внутренних планет происходило за счет соударений каменных планетезималей в отсутствие легких газов, которые удалялись солнечным ветром. Но планеты-гиганты, вернее, их силикатные ядра становились уже в 2–3 раза тяжелее Земли и сумели удержать водородно-гелиевую газовую оболочку. Когда Юпитер на стадии быстрой аккреции достиг внушительных размеров — примерно в 50 раз больше Земли, он присоединил к себе весь газ из окружающего пространства, и далее аккреция пошла уже намного медленнее.

Сатурн, который расположен дальше от Солнца, рос медленнее. По составу он отличается от Солнца сильнее, чем Юпитер. Точно так же, двухступенчато, росли и остальные планеты-гиганты. Сначала формировались ядра, а затем происходила аккреция газов. Огромное количество энергии, высвобождавшееся при аккреции, нагревало внешние газовые оболочки планет-гигантов до нескольких тысяч градусов. Любопытно, что когда формировались спутники Юпитера, то ближе к нему расположенные, особенно Ио и в меньшей степени Европа, состояли из каменного вещества, т. к. температура на этих орбитах была выше температуры конденсации водяного пара. Дальние спутники — Ганимед и Каллисто — в большей своей части состоят уже из льда воды, т. к. температура была низкой, поэтому в составе далеких спутников планет-гигантов, да и самих наиболее удаленных планет, распространены конденсаты метана, этана, аммиака и воды.

Спутники планет образуются по той же принципиальной схеме, что и сами планеты. Во время аккреции планеты часть планетезималей захватывается силой ее гравитации на околопланетную орбиту. Так у пла-

неты формируется доспутниковый диск, из которого путем аккреции образуются спутники.

Для геологов, конечно, первостепенным является вопрос формирования Земли и планет земной группы. Мы знаем, что в настоящее время Земля состоит из ряда сферических оболочек, в том числе твердого внутреннего ядра, жидкого внешнего ядра и твердой мантии с тонкой оболочкой — твердой же земной коры. Иными словами, Земля дифференцирована по свойствам и составу вещества. Когда и как произошла эта дифференциация?

На этот счет существуют две наиболее распространенные точки зрения. Ранняя из них полагает, что первоначальная Земля, сформировавшаяся сразу после аккреции из планетезималей, состоящих из никелистого железа и силикатов, была однородна и только потом подверглась дифференциации на железоникелевое ядро и силикатную мантию. Эта гипотеза получила название гомогенной аккреции.

Более поздняя гипотеза гетерогенной аккреции заключается в том, что сначала аккумулировались наиболее тугоплавкие планетезимали, состоящие из железа и никеля, и только потом в аккрецию вступило силикатное вещество, слагающее сейчас мантию Земли от уровня 2900 км, т. е. аккретировались уже «готовые» силикатные фазы и металлы, как полагает А. А. Ярошевский. Эта точка зрения сейчас, пожалуй, наиболее популярна, хотя и здесь возникает вопрос о выделении внешнего ядра, имеющего свойства жидкости. Возникло ли оно после формирования твердого внутреннего ядра, или внешнее и внутреннее ядра выделялись в процессе дифференциации? На этот вопрос однозначного ответа не существует, но предпочтение отдается второму варианту. Процесс аккреции — столкновение планетезималей размером до 1000 км — сопровождался большим выделением энергии с сильным прогревом формирующейся планеты, ее дегазацией, т. е. выделением летучих компонентов, содержащихся в падавших планетезималях. Большая часть летучих при этом безвозвратно терялась в межпланетном пространстве, о чем свидетельствует сравнение составов летучих компонентов в метеоритах и породах Земли. Процесс становления нашей планеты, по современным данным, длился около 500 млн лет и проходил в три фазы аккреции. В течение первой и главной фазы Земля сформировалась по радиусу на 93–95 %, и эта фаза закончилась к рубежу 4,4–4,5 млрд лет, т. е. длилась около 100 млн лет. Вторая фаза, ознаменовавшаяся завершением роста, длилась тоже около 200 млн лет. Наконец, третья фаза продолжительностью до 400 млн лет (3,8–3,9 млрд лет окончание) сопровождалась мощнейшей метеоритной бомбардировкой, такой же, как и на Луне.

Какой была первичная, только что родившаяся Земля? Была она горячей или холодной? Для геологов решение этого вопроса имеет

46 Часть I. Происхождение Вселенной, Земли и Солнечной системы

принципиальное значение. Даже в начале ХХ в. ученые говорили о первичной «огненно-жидкой» Земле. Однако этот взгляд полностью противоречил современной геологической жизни планеты. Если бы Земля изначально была расплавленной, она давно бы превратилась в мертвую планету. Следовательно, предпочтение нужно отдать юной, не очень холодной, но и не расплавленной ранней Земле.

Факторов нагрева планеты было много. Это и гравитационная энергия; и соударение планетезималей; и падение очень крупных метеоритов, при ударе которых повышенная температура распространялась до глубин 1–2 тыс. км. Если же все-таки температура превышала точку плавления вещества, то наступала дифференциация — более тяжелые элементы, например железо, никель, опускались, а легкие, наоборот, всплывали. Но главный вклад в увеличение тепла должен был играть распад радиоактивных элементов — плутония, тория, калия, алюминия, йода. Еще один источник тепла — это твердые приливы, связанные с близким расположением спутника Земли — Луны. Все эти факторы, действуя вместе, могли повысить температуру до точки плавления пород, например в мантии она могла достигнуть +1500 °С. Но давление на больших глубинах препятствовало плавлению, особенно во внутреннем ядре. Процесс внутренней дифференциации нашей планеты происходил всю ее геологическую историю, продолжается он и сейчас. Однако уже 3,5–3,7 млрд лет назад, при возрасте Земли 4,6 млрд лет, у Земли были твердое внутреннее ядро, жидкое внешнее ядро и твердая мантия, т. е. она уже была дифференцирована в современном виде. Об этом говорит намагниченность древних горных пород, а, как известно, магнитное поле обусловлено взаимодействием жидкого внешнего ядра и твердой мантии.

Процесс расслоения, дифференциации недр происходил на всех планетах, но на Земле он происходит и в наше время, обеспечивая существование жидкого внешнего ядра и конвекцию в мантии. Атмосфера и гидросфера Земли возникли в результате конденсации газов, выделявшихся на ранней стадии развития планеты.

1.2.7. Строение Луны

Луна — это единственный спутник Земли, всегда обращенный к ней одной и той же стороной и вращающийся вокруг Земли по законам Кеплера — вблизи апогея медленнее, вблизи перигея — быстрее. Однако вокруг оси Луна вращается равномерно, и время ее обращения вокруг оси равняется сидерическому (звездному) месяцу. Двойная система Земля — Луна сказывается на Земле и Луне. Известно, что влияние Луны вызывает приливы на Земле, но т. к. Земля в 81 раз массивнее Луны, то и приливы на Луне намного сильнее. Полный оборот

вокруг Земли Луна совершает за 27 суток 7 часов 43 минуты. Это время является сидерическим (звездным) месяцем Луны, т. е. периодом вращения Луны относительно звезд. Центр масс двойной системы Земля — Луна находится в 4750 км от центра Земли внутри планеты. Поверхность Луны, в том числе ее обратная, невидимая, сторона, прекрасно изучена с помощью космических аппаратов, луноходов и американскими астронавтами, неоднократно бывавшими на поверхности Луны и собравшими несколько тонн лунных пород. Среднее удаление Луны от Земли 384 тыс. км, диаметр Луны 3476 км, масса 7,33 1022 кг, средняя плотность 3,33 г/см3. Атмосфера на Луне отсутствует из-за малых ее размеров, температура на экваторе днем достигает +130°С, а ночью — –150 °С. Поверхность Луны подразделяется на моря и материки. Первые занимают 17 % поверхности, вторые — 83 %. Материки, более светлые участки поверхности Луны, — это относительно древние, брекчированные породы с большим количеством плагиоклаза — анортита. Материки покрыты большим количеством метеоритных кратеров, образовавшихся при интенсивной бомбардировке 4–3,9 млрд лет назад.

Более темные моря представляют собой огромные покровы базальтовых лав, излившихся 3,9–3 млрд лет назад, т. е. они более молодые

иметеоритных кратеров на них меньше. Поверхность Луны покрыта рыхлым грунтом — реголитом, образовавшимся при ударах метеоритов

ираздроблении пород. Изучение Луны дало геологам доказательство усиленной метеоритной атаки Земли в этот же интервал времени, 3,9–4 млрд лет назад.

Сила тяжести на Луне равна 1/6 земной, и у нее есть очень слабое магнитное поле неизвестного происхождения. Измерения силы тяжести показали скопление плотных масс — масконов под лунными морями. На Луне выделяется кора, мощностью до 60 км и скоростью сейс-

мических волн Vр — 7–7,7 км/с; литосфера, или верхняя и средняя мантия, до глубины 1000 км; нижняя мантия (астеносфера), частично расплавленная, как и ядро, с глубины 1500 км до глубины 1740 км (рис. 1.16). Через них не проходят поперечные сейсмические волны. Приливные лунотрясения, выявленные с помощью сейсмографов, установленных на поверхности Луны экспедициями «Аполлонов» с 1969 г., приурочены к средней мантии. Луна ежегодно удаляется от Земли примерно на 2 см, увеличивая свой момент количества движения.

Существуют три главные гипотезы о происхождении Луны. По одной из них Луна отделилась от Земли, по другой — Луна была захвачена уже «готовой» силами притяжения Земли, по третьей, разработанной в 60-е гг. XX в. российской ученой Е. Л. Рускол, Луна образовалась вместе с Землей из роя планетезималей. Недавно ученые университета Беркли в Калифорнии

Глава 2

СТРОЕНИЕ И СОСТАВ ЗЕМЛИ

2.1. ФОРМА ЗЕМЛИ

Диаметр Земли 12 756 км; масса 5,98 1024 кг; плотность 5510 кг/м3; период вращения 23 ч 56 м. 4,1 с; период обращения вокруг Солнца 365,26 суток; эксцентриситет орбиты 0,017; площадь поверхности — 510 млн км2; объем — 1,083 1012 км3.

И. Ньютон первым показал, что форма Земли более сложная, чем шар, и доказал, что главным фактором в создании формы Земли являются ее вращение и вызванная этим центробежная сила, приводящая к образованию экваториального вздутия. Поэтому форма Земли зависит от совместного действия сил гравитации и центробежных. Хорошо известно, что равнодействующая этих сил называется силой тяжести. Многочисленные геодезические измерения позволили доказать, что Земля представляет собой эллипсоид вращения, вычисленный в 1940 г. геодезистом А. А. Изотовым и названный им эллипсоидом Красовского в честь Ф. Н. Красовского, известного русского геодезиста. Параметры эллипсоида Красовского: экваториальный радиус — 6378,245 км; полярный радиус — 6356,863 км; полярное сжатие a = 1/298,25. Это сжатие у полюсов составляет 0,3 %. Однако в плоскости экватора наибольший и наименьший радиусы отличаются на 213 м. Следовательно, Земля — это трехосный эллипсоид или сфероид, чем и определяется воображаемая форма Земли. Однако фигура Земли благодаря тому, что ее вращение замедляется лунными приливами, динамическая сплющенность или сжатие Земли, уменьшается со временем. Это означает, что масса Земли очень медленно перемещается из области экватора в более высокие широты, а сплющенность сокращается на 3 10–11 в год.

Реальная форма Земли лучше описывается фигурой геоида (землеподобная) — эквипотенциальной поверхностью невозмущенного океана, продолженной и на континенты (рис. 2.1 и рис. 5 на цветной вклейке).

Сила тяжести в каждой точке поверхности геоида направлена перпендикулярно к ней. Сейчас построена карта геоида, в масштабе 1/298,25, с помощью как наземных гравиметрических, так и спутниковых наблюдений. На карте ясно видны впадины и выпуклости на поверхности Земли

Рис. 2.1. Поверхность рельефа, сфероид и геоид

с амплитудой в десятки метров, так что форма Земли скорее напоминает «обгрызенное яблоко». Аномалии геоида обусловлены неравномерным распределением масс с различной плотностью внутри Земли.

Земная ось испытывает прецессию (вращение), скорость которой составляет 50,211 в год и которая обусловлена моментами, возникающими из-за действия Луны и Солнца на экваториальное вздутие.

2.2. ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ

Самая глубокая скважина на Земле, пробуренная на Кольском полуострове недалеко от Мурманска, достигла всего лишь 12 200 м. Бурение под толщей океанских вод, осуществляемое со специальных плавучих буровых установок на кораблях сначала «Гломар Челленджер», а потом «Джоидес Резолюшн», дало результат только в 1,5 км. Знание внутреннего строения Земли означает, что известны распределения плотности вещества и его состояния, давления, температуры, напряженности магнитного поля от поверхности до центра Земли, а кроме того, латеральные вариации этих параметров.

Находясь на поверхности Земли (12 км скважины — это все равно поверхностный слой), мы можем определить много параметров, характеризующих Землю: состав вещества (горных пород, вод океана, атмосферы) и его возраст, температуру, силу притяжения к Земле (ускорение силы тяжести), величину магнитного поля. Мы можем наблюдать множество явлений: извержения вулканов, землетрясения, в особенности катастрофические, измерять время пробега сейсмических (упругих) волн, видеть свечение полярных сияний и многое другое.

Нас интересует, в какой мере сведения, получаемые на поверхности Земли, могут пролить свет на устройство внутренних, недоступных частей Земли вплоть до ее центра? Задачи подобного рода называют