CC BY
182
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.
