CC BY
14Кузьмин М. И., Русинек О. Т. Эволюция Земли... Б01: 10.24412/с1-34446-2023 -4-23 -28
ЭВОЛЮЦИЯ ЗЕМЛИ: ОТ КОСМИЧЕСКОЙ ПЫЛИ ДО ФОРМИРОВАНИЯ НООСФЕРЫ
М. И. Кузьмин1, О. Т. Русинек2
1 Институт геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН, г. Иркутск 2Байкальский музей СО РАН, п. Листвянка mikuzmin@igc. irk.ru
В этой работе мы приводим основную информацию о ключевых событиях в эволюции нашей планеты. Подробно эти сведения представлены в монографии М. И. Кузьмина, В. В. Ярмолюка и др. «Геологическая эволюция Земли: от космической пыли до обители человечества» [2] и в ряде статей [1; 3]. Авторы считают важным донести современные сведения о Земле до широкой научной общественности, сотрудников естественно-научных музеев, преподавателей вузов и учителей школ. Это особенно знаменательно в год 30-летнего юбилея Байкальского музея СО РАН, в котором с 2011 г. развёрнута экспозиция «Развитие жизни в процессе абиотических изменений на Земле». Основной задачей этого уникального научного учреждения является распространение среди широких слоёв населения естественно-научных знаний не только об оз. Байкал, но и в целом о нашей планете.
В связи с этим очень важны естественно-научные знания, которые позволяют понять и представить, где и как возникла наша планета, как она развивалась и как стала колыбелью человечества. Тем более, что экспозиция об истории Земли есть в Байкальском музее.
Большое значение имеет время возникновения Земли. При образовании Вселенной 13,7 млрд л. н. в результате Большого взрыва синтез элементарных частиц привел к появлению первых химических элементов - водорода и гелия, которые служили основным материалом для формирования звёзд. В их ядрах шли термоядерные реакции, в результате которых возникали другие химические элементы. При взрывах сверхновых звёзд происходило рассеивание этих элементов в межзвёздном пространстве, но в целом ранняя Вселенная не содержала их в количестве, необходимом для появления планет, подобных Земле.
Солнечная система, в которой находится наша Земля, возникла спустя 9 млрд лет после зарождения Вселенной, когда в ней накопились в достаточном количестве различные химические элементы. Она образовалась в 27 тыс. световых лет от центра галактики Млечный Путь, в зоне (между 23 и 30 тыс. световых лет).
Во внутренней части Солнечной системы начали формироваться эмбрионы планет земной группы, а во внешней - планеты-гиганты, такие как Юпитер и Сатурн.
В начале формирования Земли выделяют хаотичный эон (4,568-4,5 млрд л. н.). В это время завершилась аккреция, причиной которой было столкновение малых космических тел. Это привело к формированию Протоземли, также произошла дифференциация её недр на мантию и ядро. Активность Земли определялась внешним космическим фактором (бомбардировка её поверхности каменными метеоритами).
Спустя 11 млн лет после зарождения Солнечной системы масса Земли составляла 63 % от ее современных значений, а через 30 млн лет достигла 93 %.
Формированию ядра планеты способствовал сильный прогрев Земли, в результате которого её верхняя часть превратилась в «магматический» океан глубиной до 400 км. При высокой температуре и давлении 20-23 ГПа1 происходило разделение магмы на силикатную и железную. Тяжёлые расплавы железа погружались вниз и способствовали росту ядра. Время образования ядра оценивается в 34±7 млн лет после начала аккреции.
В результате столкновения Протоземли с малым космическим телом Тейя (0,14 % от массы Земли) образовался ее спутник Луна. Предположительно это произошло спустя 30 млн лет после возникновения Земли. Данный импакт сорвал с поверхности Земли всю ее газово-водяную оболочку. В дальнейшем, проходя через этот шлейф, Земля получала летучие компоненты, которые образовали ее гидросферу и атмосферу.
Геологическая история Земли началась с гадейского эона (4,5-4,0 млрд л. н.) - в результате бомбардировки планеты каменными метеоритами её первичная кора была уничтожена полностью. Выделение гадейского (Hadean) эона в геологической истории Земли началось после обнаружения в конце ХХ в. на западе Австралии в осадочных породах гор Джек Хиллс (Jack Hills) обломков зёрен архейских цирконов Zr[SiO4], ядра которых имеют возраст 4,0-4,4 млрд л. Возраст окончательного формирования архейских цирконов составляет 3,1-3,0 млрд л. н. Древние (гадейские) зерна циркона содержат включения минералов (кварца и полевого шпата), свидетельствующих об их кристаллизации из гранитоидных расплавов. Подобные расплавы возникали при дифференциации первичной основной (базальт-коматиитовой) магмы, участвовавшей в формировании гадейской земной коры. Такие же цирконы были обнаружены в архейских породах Гренландии, Канады, Северного Китая, а также Южной Африки и Северной Америки2. Это говорит о достаточно широком проявлении в гадее процессов, приводящих к образованию циркона в расплавах. Гадейские магмы
1 Гектопаскаль = 0,75 мм ртутного столба.
2 Несмотря на жесткую бомбардировку Земли и уничтожение гадейской коры, в 2012 г. все же был обнаружен ее фрагмент. Это Нуввуагитугский зеленокаменный пояс в Канаде.
имели мантийный генезис. В то же время, как показали исследования, в первичных (неизмененных) цирконах из Джек Хиллс изотопный состав кислорода (518О ~ 7,5 %о) резко отличается от мантийных значений (518О ~ 5-6 %). Поэтому был сделан вывод, что гранитные расплавы формировались при участии пород коры, которые взаимодействовали с поверхностной водой и, соответственно, обогащались тяжелым изотопом кислорода. Таким образом, эти цирконы позволили заключить, что в гадее поверхность Земли покрывалась водами океана. После гадейского периода (с архея) геологическая эволюция нашей планеты происходила благодаря внутренней активности самой Земли.
Ранний архей (между 4 и 3 млрд л. н.) - время формирования первичной континентальной коры.
В эпоху раннего-среднего архея (4,0-3,1 млрд л. н.) произошла внутренняя самоорганизация планеты, что было связано с выделением тепла и привело к дифференциации её внутренней структуры: при охлаждении жидкого ядра сформировалось внутреннее твёрдое ядро Земли (3,45 млрд л. н.) и у неё появляется магнитное поле, которое препятствует поступлению на поверхность планеты ионизирующего солнечного излучения, вредного для живых организмов; образуются нижняя и верхняя мантии, в верхней части последняя включает литосферу, а также кора преимущественно основного состава. В это время формировались локальные гранит-зеленокаменные области - первые острова континентальной коры, которая состояла из тоналит-трондье-мит-гранодиорит пород (ТТГ). В континентальной коре формировались кратоны. В раннем архее появились первые только железорудные месторождения. Раннее развитие Земли было обусловлено вертикальными тектоническими процессами.
3,1-2,1 млрд л. н. - переходный период в истории Земли, включает первую (3,12,5) и вторую (2,5-2,1) его половины. В первой его части в результате тектоники малых плит, стали формироваться первые крупные кратоны (суперкратоны). В период 2,7-2,5 млрд л. н. в результате усиления процессов корообразования сформировалось до 27 % объёма современной континентальной коры. В это время произошла тепловая дифференциация мантии и к концу периода её температура опустилась до современных значений. Магматические породы этого времени относились к известково-щелоч-ной и щелочной сериям3. В период 2,7-2,55 млрд л. н. в результате охлаждения мантии Земли мантийный перовскит переходит в постперовскит М^БЮэ, который сформировал, существующую до сих пор границу между ядром и низами нижней мантии, так называемый слой Б", куда падают обломки верхней оболочки Земли. Этот слой стал участвовать в глубинных геодинамических процессах нашей планете.
3 Они, очевидно, формировались различно. Известково-щелочные образовывались при формировании крупных кратонов, а щелочные - при подъеме глубинного вещества, которое реагировало с более ранними континентальными породами близко к поверхности Земли.
Период < 2 млрд лет - современный период истории Земли. Он происходит под воздействием глобальной тектоники, включающей тектонику литосферных плит и тектонику мантийных плюмов. Происходило и происходит следующее: литосферные перемещения определяются процессами спрединга и субдукции. Это приводит к образованию океанической коры, её поглощению и частичному преобразованию в континентальную кору. Этот период характеризуется формированием разнообразных полезных ископаемых: континентальная кора наращивается за счёт поступления из слоя D'' ювенильного вещества, обогащённого материалом литосферы и континентальной коры, погруженных туда из зон субдукции.
Первый суперконтинент Нуна (Колумбия) возник в интервале 1,9-1,8 млрд л. н., а его распад происходил 1,5-1,3 млрд л. н. Вслед за ним около 1,0 млрд л. н. возник второй суперконтинент - Родиния, распад которого начался -750 млн л. н. Третий суперконтинент - Пангея - полностью сформировался в начале пермского периода 300270 млн л. н., а стал распадаться примерно 100 млн л. спустя, в начале юрского периода. В настоящее время, по мнению ряда исследователей, возможно, происходит формирование очередного суперконтинента - Амазии, который должен объединить Аф-рикано-Евразийскую группировку континентов с континентами Северной и Южной Америки и Австралии.
Металлогения, как и другие выше отмеченные процессы меняется в ходе развития Земли. В начале архея, когда кора имела мафический (железо-магниевый) состав, первые месторождения были представлены железистыми кварцитами. В конце раннего архея в связи с образованием зеленокаменных поясов с первыми базальт (кома-тит)-риолитовыми ассоциациями начали формироваться небольшие колчеданные (преимущественно Zn-Cu-сульфидные месторождения с баритом, а также Mo (Cu)-порфировые и золотосульфидно-кварцевые. Переходный период (3,1-2,0 млрд л. н.) в истории Земли отмечен максимальной вспышкой золотосности. Именно тогда сформировалось более 60 % месторождений золота.
В современный период произошло значительное изменение состава, количества и разнообразия полезных ископаемых на нашей Земле. Это было связано с процессами тектоники литосферных плит и проявлением глубинных мантийных плюмов внутри континентов. Им соответствует образование медно-никелевых месторождений с элементами группы платины (Cu-Ni-PGE) и Au-As-Ag-Sb-Hg) в обширных провинциях (Сибирский, Таримский, Эмейшаньский плюмы). Кроме того, под влиянием плюмов формировались Sn, Li, Ta, Nb, REE, порфировые Mo-U и Au-Ag-типы орудинений, которые связаны с редкометалльным щелочногранитовым магматизмом.
Уникальная особенность Земли состоит в том, что наряду с основными сферами, она обладает особой оболочкой - биосферой, населенной многочисленными и разнообразными живыми организмами. Когда точно и как появилась земная биосфера пока неизвестно. В развитии биосферы чётко проявляется ряд важных этапов.
Первые живые организмы обнаруживаются около 4 млрд л. н. Они были представлены микробиальными сообществами. Именно они сыграли решающую роль в формировании в разное время восстановительной и окислительной сред за счёт выделения метана и кислорода. Смена сред за счет выделения большого количества кислорода произошла между 2,5 и 2,4 млрд л. н.
С появлением кислорода Земля лишилась своего метанового покрывала и была ввергнута в период глобального гуронского оледенения (2,4-2,2 млрд л. н.), которое охватило практически всю планету. Окончание оледенения обусловило появление эу-кариот (содержащих в клетках ядра), которые активно использовали кислород. Это определило развитие биосферы и около 1,7 млрд л. н. стали появляться многоклеточные организмы.
На протяжении следующего миллиарда лет (1,7-0,74 млрд л. н.) биота была преимущественно одноклеточной.
В период 740-580 млн л. н. на Земле опять господствовало оледенение со средней температурой около -45 °С и мощным ледниковым панцирем толщиной до 1,5 км.
Завершение череды длительных оледенений пришлось на конец неопротерозоя. В геологических комплексах в это время отмечена эпоха фосфатонакопления, что связано с отмиранием богатых фосфором организмов. Это время характеризуется вспышкой биологической активности, чему способствовало насыщение атмосферы кислородом до 15 %.
540 млн л. н. наступила эпоха фанерозоя, в течение которой на Земле завершилось формирование биосферы.
В настоящее время общепризнанно, что единственным центром антропогенеза была Восточная и Южная Африка и произошло это ~ 8-7 млн л. н. Именно здесь были найдены наиболее ранние представители двух родов Homo и Australopithecus. Около 7 (6,5) млн л. н. наша предковая линия разделилась на две: человекообразных обезьян и австралопитеков. С изменением климата и появлением саван связывают миграцию человека из Африки в Евразию 1,8 млн л. н. Именно с этого времени человек стал заселять континентальную территорию нашей планеты. Ранние люди современного вида начали расселяться в Евразии около 80-40 тыс. л. н. земледелие возникло 10 тыс. л. н. Первые государства возникли примерно 7-6 тыс. л. н.
Человечество быстро прогрессировало и к настоящему времени превратилось в реальную геологическую силу, воздействующую на природную среду, климат и процессы, протекающие в земной коре, что позволило В. И. Вернадскому выделить её в геологическую сферу разумных людей или ноосферу.
Природа создала нашу удивительную планету, когда во Вселенной появились и в достаточном количестве накопились химические элементы, необходимые для обра-
зования подобных планет. Земля сформировалась на удалении от Солнца в зоне, благоприятной для зарождения на ней жизни. Благодаря тектонике плит и глубинной геодинамике, сформировались месторождения полезных ископаемых, необходимые для успешного развития человечества. Природа создала все для жизни людей. Однако в современной цивилизации нет мира и согласия. Homo sapiens по масштабам влияния стал геологической силой, но зачастую не разумной и вполне способной уничтожить все, что создала природа и человек. Человечество должно найти пути формирования миролюбивого общества, которое будет способно обеспечить благоприятные условия для жизни на Земле: сохранение природных параметров абиотических сред (атмосфера, гидросфера, литосфера), а значит сохранение биосферы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кузьмин М. И., Ярмолюк В. В. Тектоника плит и мантийные плюмы - основа эндогенной тектонической активности Земли последние 2 млрд лет // Геология и геофизика. 2016. Т. 57, № 1. С. 1130.
2. Геологическая эволюция Земли: от космической пыли до обители человечества / М. И. Кузьмин, В. В. Ярмолюк, Д. П. Гладкочуб, Н. А. Горячев, А. П. Деревянко, А. Н. Диденко, Т. В. Донская, В. А. Кравчинский, А. Р. Оганов, С. А. Писаревский ; отв. ред. М. И. Кузьмин, В. В. Ярмолюк. Новосибирск : Акад. изд-во «Гео», 2021. 327 с.
3. Эволюция Земли: от зарождения до появления ноосферы / М. И. Кузьмин, В. В. Ярмолюк, Н. А. Горячев, А. Н. Диденко // Природа. 2021. № 11. С. 3-16.
