Научная статья на тему 'Околосолнечные планеты-гиганты и происхождение Земли'

Околосолнечные планеты-гиганты и происхождение Земли Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
773
179
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА / ПЛАНЕТЫ-ГИГАНТЫ / ПЛАНЕТЫ ЗЕМНОЙ ГРУППЫ / МЕТЕОРИТЫ / ХОНДРИТЫ / АХОНДРИТЫ / SOLAR SYSTEM / GIANT PLANETS / TERRESTRIAL PLANETS / METEORITES / CHONDRITES / ACHONDRITES

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Маракушев Алексей Александрович, Зиновьева Нина Георгиевна, Грановский Лев Борисович

Обосновывается существование в прошлом околосолнечных планет-гигантов. Они теряли свои гигантские флюидные оболочки под воздействием солнечного ветра, а их плотные жидкие ядра превращались в железо-силикатные НН-хондритовые планеты. С расслоением этих планет связано образование современных планет Земной группы, в том числе и Земли.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Маракушев Алексей Александрович, Зиновьева Нина Георгиевна, Грановский Лев Борисович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Near-Sun Giant Planets and the Origin of the Earth1RAS Institute of Experimental Mineralogy

The Solar system consists of the slowly revolving Sun, rapidly orbiting it near-Sun iron-rocky planets and their fragments, and distant giant planets (Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune). The iron-rocky planets closely orbiting the Sun are layered terrestrial planets (Mercury, Venus, Earth, and Mars) and unlayered chondritic planets. The latter underwent explosive breakup and produced asteroid belts, which are sources of meteorites (predominantly chondrites). Although chondrites are fragments of small iron-rocky planets, their composition shows obvious evidence of their origin and early evolution under conditions typical of the cores of giant planets. In the near-Sun environment, the fluid envelopes of the giant planets have been intensely losing hydrogen, and hence, their H2O/H2 ratio increased and predetermined the universal oxidation trend of the evolution of chondritic magmatism MgSiO3 + Fe + H2O = MgFeSiO4 + H2. The stepwise shift of this reaction to its right-hand side predetermined the major types of ordinary chondrites in order of increasing Fe mole fractions (100•Fe/(Mg+Fe)) in their silicates (ranges in parentheses): HH(0–15) – H(15–21) – L(21–26) – LL(26–32). Simultaneously the Fe/Si ratio of chondrites decreased, and their metallic matrix was replaced by an olivine one. The planets thereby ceased to be able to layer, remained at their chondrite evolutionary stage (H, L, LL), and eventually explosively broke up to produce asteroids. In contrast to them, chondritic planets with a metal matrix (HH) underwent layering into Ni-Fe cores and silicate shells, which precluded their explosive breakup. These planets compose the group of terrestrial planets with endogenic activity. The model for the origin of the Earth and terrestrial is consistent with recent astronomic discoveries: finds of star-planet analogues of the Solar system, whose stars are orbited by giant planets (so-called hot Jupiters), which are analogues of near-Sun giant planets of the Solar system, transformed now into terrestrial planets.

Текст научной работы на тему «Околосолнечные планеты-гиганты и происхождение Земли»

ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ

УДК 552.6:523.3-52

Маракушев А.А.*, Зиновьева Н.Г.**, Грановский Л.Б.***

А.А. Маракушев Н.Г. Зиновьева

Околосолнечные планеты-гиганты и происхождение Земли 1

Л.Б. Грановский

*Маракушев Алексей Александрович, доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник Института экспериментальной минералогии РАН, академик РАН, почетный профессор МГУ имени М.В. Ломоносова

E-mail: [email protected]

**Зиновьева Нина Георгиевна, доктор геолого-минералогических наук, заведующая лаборатории локальных методов исследования вещества кафедры петрологии геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

E-mail: [email protected]

***Грановский Лев Борисович, старший научный сотрудник кафедры петрологии геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

Обосновывается существование в прошлом околосолнечных планет-гигантов. Они теряли свои гигантские флюидные оболочки под воздействием солнечного ветра, а их плотные жидкие ядра превращались в железо-силикатные HH-хондритовые планеты. С расслоением этих планет связано образование современных планет Земной группы, в том числе и Земли.

Ключевые слова: Солнечная система, планеты-гиганты, планеты Земной группы, метеориты, хондриты, ахондриты.

1 Расширенный вариант доклада: Marakushev A.A., Zinovieva N.G., Granovsky L.B. Ordinary chondrites and the Origin of the Earth / Antarctic Meteorites XXXV, NIPR, Japan, Tokyo, 2012.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке программы «Поддержка научных школ» (грант НШ-5877.2012.5).

Строение Солнечной системы представлено на рис. 1; показано, что медленно вращающееся Солнце (желтый карлик в системе звезд), окружается стремительно обращающимися вокруг него планетами Земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и обломками примитивных (нерасслоенных) хондритовых железо-каменных планет, образующих так называемый пояс астероидов. За ним в удалении от Солнца находятся планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), завершающие строение Солнечной системы. В ее обрамлении находятся ледяные массы, сложенные водяным льдом с вмороженной в него космической пылью, образующие пояса Койпера, Хиллса, облако Оорта. Из них в Солнечную систему периодически вторгаются ледяные массы -кометы, приобретающие под воздействием Солнца округлую форму. Из их числа на рис. 1 показаны орбиты Плутона, относимого раньше к планетам, и кометы Г аллея.

Пояс астероидов является источником гелеоцентрических метеоритов (их обломков), которые в их падении на Солнце, захватывались гравитационным полем Земли. Метеориты представлены в основном хондритами, которые подразделяются на обыкновенные (преобладающие) хондриты (ОС), энстатитовые (Е) и углистые (С). Хондриты состоят из силикатных (оливин-пироксен-плагиоклазовых) каплевидных обособлений (хондр) и цементирующей их богатой железом матрицы, по составу которой хондриты подразделяются на металлические (никель-железные), железо-оливиновые и оливиновые.

Рис. 1. Строение Солнечной системы и положение в ней кометы Галлея. Цифры - расстояние, АЕ

Хотя хондриты являются обломками небольших железо-каменных планет, в их составе отчетливо выражены признаки зарождения и раннего развития их вещества под огромным флюидным (в основном водородным) давлением, которое может достигаться только в ядрах планет-гигантов. В состав матрицы всех типов хондри-тов входят мельчайшие (меньше 10 нм) зерна алмаза, переполненные флюидными включениями настолько, что их объемная плотность равняется1 2,2—2,3 г/см3 при плотности алмаза 3,5 г/см3. Мельчайший размер зерен алмаза определялся выделением его на молекулярном уровне в результате чрезмерного уплотнения флюидов:

Н2 + СО = Н2О + С (алмаз).

Устойчивый парагенезис в хондритах алмаза с муассанитом ^Ю) отражает сильно восстановительную обстановку его образования на самых ранних ступенях развития хондритовых ядер планет-гигантов. Из этого следует вывод о формировании хондритовых планет (с взрывным распадом которых связан пояс астероидов) в качестве жидких ядер их материнских планет-гигантов, которые затем потеряли свои гигантские оболочки под воздействием солнечного ветра. В алмазе хондритов фиксируется специфика этих оболочек: соотношение в нем изотопов ксенона 136Хе/1 4Хе = 1,04, соответствует этому отношению во флюидной оболочке Юпитера2. Только под давлением этих гигантских оболочек в хондритовых планетах смог сосредоточиться запас флюидов, достаточный для их взрывного распада на астероиды при снятии общего давления, создаваемого флюидными оболочками их материнских планет-гигантов. Эти флюидные оболочки селективно теряли водород под

1 Brearly AJ., Jones Rh.H. Chondritic meteorites // Reviews in Mineralogy (Planetary Materials / Ed. Papike J.J.). 1998. N. 36. P. 1-370.

2 Manuel O., Katragada A. The Sun’s origin and composition: Implications from meteorite studies. In: Proceedings of Asteroids,

Comets, Meteors. ACM 2002 (Noordwijk, Netherlands: ESA Publications Divisions, 2003). P. 787-790.

воздействием Солнца, так что их состав изменялся в направлении возрастания его Н2О/Н2 отношения. В результате в хондритах, развивающихся под давлением флюидных оболочек их материнских планет, металлическая матрица вытеснялась оливиновой, что в части обыкновенных хондритов (ОС) выражается реакцией

MgSiOз + Fe + Н2О = MgFeSiO4 + Н2.

Ступенчатым смещением ее вправо определяются типы обыкновенных хондритов в последовательности повышения в них железистости (100•Fe/(Mg+Fe)) силикатов диапазоны ее изменения указаны в скобках НН(0-15) - Н(15-21) -L(21-26) - LL(26-32). В этой последовательности закономерно изменяется изотопный состав кислорода, приближаясь к изотопному составу участвующей в реакции воды (рис. 2). В этом же направлении снижается общее содержание в хондритах железа (понижается Fe/Si отношение).

Эта корреляция известна как правило Прайора, согласно которому повышение железистости силикатов в хондритах находится в обратной корреляции с общим содержанием в них железа (величиной Fe/Si). Соответственно обыкновенные хондриты с самой низкой железистостью силикатов (типа НН) являются наиболее богатыми железом. Они отвечают самому началу смещения вправо окислительной реакции обыкновенных хондритов:

MgSiOз + 0,1№ + 0,11Н20 =

0,89Mgo,9oFeo,loSiOз + 0,11Mgl,8oFeo,2oSiO4 +

0,11Н2.

НН-хондриты относятся к самым богатым железом обыкновенным хондритам. Они являются единственным типом, соответствующим по Fe/Si отношению Земле (рис. 3). Другой их важнейшей, в рассматриваемом отношении, особенностью является никель-железная матрица, которая в последовательности НН-Н-Ь-ЬЬ вытесняется оливином, что обусловлено повышением окисленности хондритов. Поэтому только НН-хондритовая планета, развивавшаяся под огромным флюидным давлением материнской планеты-гиганта, могла быть предшественницей Земли и образовать при расслоении ее гигантское флюидное ядро и прочные силикатные оболочки, предотвратившие взрывной распад Протоземли на астероиды на переходе от протопланетной к планетной стадии развития. При этом в земном ядре образовался такой громадный запас флюидов, который обеспечивает ее эндогенное развитие на протяжении уже 4,6 млрд. лет.

НН-хондритовые планеты характеризовались в основном металлическим составом богатой флюидами матрицы. Они относительно легко расслаивались и превращались в планеты Земной группы, что отличало их от планет с существенно оливиновой матрицей, которые оставались на хондритовой ступени развития и, взрываясь, формировали пояс астероидов. Околосолнечные планеты-гиганты располагались, таким образом, не только в поясе астероидов (см. рис. 1), но и на месте планет Земной группы, являясь для них материнскими планетами (Протомарс, Протоземля, Протовенера и Протомеркурий). НН-хондритовые планеты представляли промежуточное звено в их развитии. Земля в этом аспекте первично расслаивалась на огромное флюидное жидкое никель-железное ядро и прочные силикатные оболочки, которые препятствовали ее взрывному распаду, как и планет ее группы, на переходе от протопланетной к планетной стадии развития. Однако при этом она попадала в напряженное состояние, которое реализовалось развитием ее эндогенной активности, которая продолжается уже 4,6 млрд. лет. Главным в этом развитии было интенсивное флюидное воздействие земного ядра на первичные магнезиальные оболочки, которые подвергались оливинизации с привносом в них железа. Этот процесс сопровождался развитием магматических очагов, извержения которых представляют единственную возможность судить о составе переработанной земной мантии, в которой содержатся только реликтовые фрагменты первичной оболочки Земли, рис. 4.

В отличие от Земли планеты ее группы консолидировались и утратили эндогенную активность и магнитные поля. Это объясняется меньшим запасом флюидов в их ядрах. По-видимому, они расслаивались не в материнских планетах-гигантах, как Земля в Протоземле, а на переходе к планетной стадии развития.

Обрисованная модель происхождения и развития Земли развивается нами с давних времен1. Существенной

1 Маракушев А.А. Происхождение и эволюция Земли и других планет Солнечной системы. М.: Наука, 1992. 208 с. (пер на японский язык в 1997, 269 с.); Маракушев А.А. Происхождение Земли и природа ее эндогенной активности. М. Наука, 1999. 255 с.; Маракушев А.А., Безмен Н.И. Эволюция метеоритного вещества, планет и магматических серий. М Наука, 1983. 184 с.

Рис. 2. Изотопный состав кислорода обыкновенных хондритов (1 - ЬЬ, Ь, Н, НН) и хондритовой составляющей железного метеорита Нечаево (Netschaevo), отвечающего границе между НН и Н хондритами. Приводится средний состав энстатитовых хондритов (2 - Е) в сопоставлении с земными породами (3).

поддержкой ее явились новейшие достижения астрономии, обнаружение звездно-планетных аналогов Солнечной системы. В этих аналогах околозвездную позицию занимают планеты-гиганты (так называемые быстрые Юпитеры) - аналоги околосолнечных планет-гигантов, утраченных Солнечной системой. На рис. 5 приводится сопоставление Солнечной системы с обнаруженными звездно-планетными системами, у которых еще сохранились околозвездные планеты-гиганты, положение которых аналогично положению планет Земной группы в Солнечной системе.

Рис. 3. Петpоxимическая диаграмма (атомные отношения металлов) xондpитов в сопоставлении с расчетным составом Земли: 1-4 - обыкновенные xондpиты: 1

- LL, 2 - L, З - H, 4 - HH (силикатные включения НН-xондpита Нечаево); 5 - углистые xондpиты (C); б - энстатитовые xондpиты (E), У - состав Земли по данным: 1

- Маракушев, Безмен1; 2 - Javoy et al.2; З - McDonough, Sun3; 4 -Kargel, Lewis4; 5 - Morgan, An-ders5; 6 - Murthy, Hall6. Крупными знаками обозначены средние составы xондpитов.

Рис. 4. Схема глубинной конвекции в мантии7:

1 - сложные конвективные движения; 2 - массы примитивного вещества, которые располагаются преимущественно в ядрах конвективных ячей; 3 - утолщенные полосы, идущие в глубину от краев континентов (это пути проникновения слэбов).

1 Маракушев А.А., Безмен Н.И. Эволюция метеоритного вещества, планет и магматических серий. М.: Наука, 1983. 184 с.

2 Javoy M., Kaminski E., Guyot F., Andrault D. et al. The chemical composition of the Earth: Enstatite chondrite models // Earth and Planet. Sci. Lett. 2010. N 293. P. 259-268.

3 McDonough W.F., Sun S. The composition of the Earth // Chem. Geol. 1995. N 120. P. 223-253.

4 Kargel J.S., Lewis J.S. The composition and early evolution of Earth // Icarus. 1993. N 105. P. 1-25.

5 Morgan J.W., Anders E. Chemical composition of the Earth, Venus, and Mercury // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1980. N 77 (12). P. 6973-6977.

6 Murthy V.R., Hall H.T. The chemical composition of the Earth's core: possibility of sulfur core // Phys. Earth Planet. Interiors. 1970. N 2. P. 276-282.

7 Kellogg L.H., Hager B.H., van der Hilst R.D. Compositional stratification in the deep mantle // Science. 1999. N. 283 (5409). P. 1881-1884.

Рис. 5. Объединенная диаграмма Солнечной и звездно-планетных систем

1 - ледяная «планета» Плутон, 2 - планеты-гиганты, 3 - звезды, 4 -планеты Земной группы (составлено с использованием данных1 и др.)

ЛИТЕРАТУРА

1. Маракушев А.А. Происхождение Земли и природа ее эндогенной активности. М.: Наука, 1999. 255 с. Marakushev A.A. (1999). Proiskhozhdenie Zemli i priroda ee endogennoi aktivnosti. Nauka, Moskva. 255 p.

2. Маракушев А.А. Происхождение и эволюция Земли и других планет Солнечной системы. М.: Наука, 1992. 208 с.(перевод на японский язык в 1997). 269 с.

Marakushev A.A. (1992). Proiskhozhdenie i evolyutsiya Zemli i drugikh planet Solnechnoi sistemy. Nauka, Moskva. 208 p. (perevod na yaponskii yazyk v 1997). 269 p.

3. Маракушев А.А., Безмен Н.И. Эволюция метеоритного вещества, планет и магматических серий. М: Наука, 1983. 184 с.

Marakushev A.A., Bezmen N.I. (1983). Evolyutsiya meteoritnogo veshchestva, planet i magmaticheskikh serii. Nauka, Noskva. 184 p.

4. Brearly A.J., Jones Rh.H. Chondritic meteorites // Reviews in Mineralogy (Planetary Materials / Ed. Papike J.J.). 1998. N. 36. P. 1-370.

5. Charbonneau D. Atmosphere out of that word // Nature. 2003. N 422. P. 124-125.

6. Javoy M., Kaminski E., Guyot F., Andrault D. et al. The chemical composition of the Earth: Enstatite chondrite models // Earth and Planet. Sci. Lett. 2010. N 293. P. 259-268.

7. Kargel J.S., Lewis J.S. The composition and early evolution of Earth // Icarus. 1993. N 105. P. 1-25.

8. Kellogg L.H., Hager B.H., van der Hilst R.D. Compositional stratification in the deep mantle // Science. 1999. N. 283 (5409). P. 1881-1884.

9. Manuel O., Katragada A. The Sun’s origin and composition: Implications from meteorite studies. In: Proceedings of Asteroids, Comets, Meteors. ACM 2002 (Noordwijk, Netherlands: ESA Publications Divisions, 2003), P. 787-790.

10. Marakushev A.A., Zinovieva N.G., Granovsky L.B. Ordinary chondrites and the Origin of the Earth // Antarctic Meteorites XXXV, NIPR, Japan, Tokyo, 2012.

11. McDonough W.F., Sun S. The composition of the Earth // Chem. Geol. 1995. N 120. P. 223-253.

12. Morgan J.W., Anders E. Chemical composition of the Earth, Venus, and Mercury // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1980. N 77 (12). P. 6973-6977.

13. Murthy V.R., Hall H.T. The chemical composition of the Earth's core: possibility of sulfur core // Phys. Earth Planet. Interiors. 1970. N 2. P. 276-282

14. Vidal-Madjar A., Lecavelier des Etang A., Desert J.-M. et al. An extended upper atmosphere around the extrasolar planet HD209458b // Nature. 2003. N 422. P. 143-146.

1 Charbonneau D. Atmosphere out of that word // Nature. 2003. N 422. P. 124-125; Vidal-Madjar A., Lecavelier des Etang A., Desert J.-M. et al. An extended upper atmosphere around the extrasolar planet HD209458b // Nature. 2003. N 422. P. 143-146.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.