Наши развилки. Развилки эволюции природы на пути к человечеству

2.2. Лунная развилка эволюции Земли – важный поворот природы к человечеству. Около 4,47 миллиардов лет назад

Антропный маршрут эволюции природы после поворота на Земной развилке навсегда превратился в путь развития нашей планеты. За последующие почти 100 млн. лет после возникновения земного шара произошли значительные преобразования первичного сгустка вещества. Постепенно из неупорядоченной массы атомов и химических соединений стал формироваться особый природный объект с уникальными свойствами и закономерностями своего усложнения. По мере эволюции планеты происходило все большее упорядочивание этого космического объекта. Образование и усложнение планеты направлено естественным образом на борьбу с главным разрушительным термодинамическим законом всех компактных объектов Вселенной, на противодействие увеличению энтропии[22], т. е. на сопротивление хаосу. Земля на этом пути развития успела к рубежу около 4,48 млрд. л.н. распределить вещество своих недр под воздействием гравитации на основные оболочки: ядро, мантию и первичную кору. Наиболее легкие минералы кремния, магния и алюминия сконцентрировались в большей степени в коре и верхней мантии, чем в ядре. Этот процесс дифференциации всего вещества по плотности, конечно, не был завершен. До сих пор относительно легкие химические элементы и их соединения перемещаются из ядра к поверхности Земли в форме огромных капель-плюмов расплавленных пород (объемом до 100 км3). Вместо этих масс происходит погружение более тяжелых, охлажденных блоков горных пород литосферы в мантию и ядро. Такой процесс циркуляции вещества служит одной из главных движущих сил тектонической эволюции планеты. Этот механизм глобальной мантийной конвекции (круговорота вещества) обусловил появление плюмовой[23] тектоники, которая играет значительную роль в геодинамике Земли.

Рассматриваемые события антропного маршрута эволюции природы пришлись на тепловой этап истории нашей планеты, названный «Расплавленная Земля», продолжительностью 110 млн. лет (4,56 – 4,45 млрд. л.н.), когда температура поверхности постепенно остывала от ~4000°C до 500°C. В период ~ 4,48-4,45 млрд. л.н. над пышущей жаром поверхностью планеты (температура хоть снизилась, но еще достигала значений до 550–500°C) произошла смена первой, легкой атмосферы на вторую, более тяжелую газовую оболочку – Палеокатархейскую углекисло-водяную. В это время происходило выделение из недр главным образом свободной воды, которая немедленно поступала в виде пара в атмосферу. Вулканы начали интенсивно поставлять в атмосферу кроме водяного пара, также углекислый газ и другие, газообразные и твердые вещества. Бушующая воздушная оболочка планеты насыщалась в значительной степени водяным паром, содержание которого постепенно сокращалось от 100 % до 16 % за счет увеличения доли других газов. Атмосфера насыщалась кроме паров воды, такими газами, как: углекислота (44–61 %), азот (7–9 %), водород (7 %), аммоний (3 %), гелий (2,4–2,2 %), метан (0,8–0,7 %). Воздушная оболочка в те времена была еще тонкой, но постоянное поступление из недр разнообразных газов наращивало ее общую массу. Изменения величин относительного содержания основных газов отражают динамику их извержения из недр за период существования второй газовой оболочки планеты. Так, при более-менее стабильном поступлении определенных масс водяного пара[24] объемы углекислоты нарастали. Если эта атмосфера вначале формирования была практически только водяной, то к моменту её трансформации в третью атмосферу состав стал преимущественно углекислотным.

Водяной пар, поднявшись на большую высоту, охлаждался и формировал мощный облачной покров. Облака проливались интенсивными дождями, которые, однако, при приближении к раскаленной твердой поверхности планеты снова превращались в пар, возвращающийся вверх. Такой круговорот воды на этапе «Расплавленная Земля» создавал грандиозный парниковый эффект, замедляющий охлаждение базальтового рельефа планеты.

Верхняя оболочка Земли толщиной около 1000 км была сложена расплавленной магмой, покрытый тонкой (до 10 км) первичной корой из затвердевшего мантийного вещества – перидотитовым слоем. Эта первая твердая оболочка растрескивалась, коробилась, смещалась под воздействием циркуляции расплавленного вещества мантии. По трещинам (разломам) извергались на твердую поверхность лавовые потоки, а в атмосферу устремлялись газы. Поверхность была усеяна метеоритными кратерами и вулканическими конусами. В недрах планеты уже обособились ядро и мантия. Время проявления первых последствий вертикальных и горизонтальных движений частей твердого слоя, наряду с вулканизмом (~ 4,48 млрд. л.н.) можно, с определенной долей условности, считать началом геологической истории Земли. Предыдущую историю – от момента аккреции вещества планеты до появления твердой оболочки – отнесем к этапу образования планеты (4,567- ~ 4,48 млрд. л.н.).

2.2.1. Счастливое столкновение Земли с другой планетой

Случилось так, что около 4,475 млрд. л.н. орбита Земли пересеклась с орбитой предполагаемой планеты Тея, размеры которой мало отличались от Марса. Тея на огромной скорости врезалась по касательной в раскаленный земной шар. В околоземное космическое пространство выбросилось гигантское количество вещества земной коры и верхней мантии. Наверное, от первичной формы Теи мало что осталось после такого удара. На орбите Земли оказалась колоссальная масса разноразмерных обломков возможно твердой Теи и земного базальтового слоя, а также шарообразных сгустков из земных расплавленных пород. Самый большой кусок притянул на себя значительную часть более мелких обломков. В результате довольно быстро, в течение нескольких миллионов лет, образовалось тело массивного земного спутника – Луны. Поскольку наш спутник образовался из вещества верхних оболочек Земли, то средняя плотность Луны соответствует средней плотности именно этих пород, что значительно меньше плотности Земли и тем более, её ядра. Состав лунных грунтов, доставленных на Землю, показал их сходство с породами земной коры.

На Земле еще долгое время оставался след от столкновения с Теей. Медленно заполнилась магмой огромнейшая выбоина на земной поверхности от этой космической катастрофы. Только глобальные перемещения и преобразования литосферных плит, на которые разбилась верхняя оболочка Земли спустя много миллионов лет, изменят весь первичный рельеф планеты.

Удивительно, но катастрофическая встреча Земли с планетой Тея оказалась необходимым условием для развития жизни, поскольку привела к объединению тяжелых элементов обеих планет в земном ядре. В итоге сформировалось сверхмассивное земное ядро, способное генерировать мощную магнитосферу, обеспечивающую защиту земной поверхности от губительной солнечной радиации. Возникновение Луны достаточно крупного размера существенным образом сказалось на ходе эволюции Земли. Имеются в виду лунное влияние на такие параметры земного развития, как: уменьшение вероятности падения крупного астероида, замедление скорости вращения, стабилизация оси вращения нашей планеты, протекание геологических процессов, особенности климата, условия появления и развития жизни. Например, 3 млрд. л.н. орбита Луны располагалась так близко от нашей планеты, что высокие приливные волны в земной коре приводили к растрескиванию литосферы и влияли на магматическую активность недр, а приливные волны в земном мировом океане достигали многих сотен метров. Такие периодические приливы-отливы приводили к регулярному осушению океанических мелководий и заводнению прибрежной суши, что благоприятствовало выходу жизни из моря на сушу. Водные живые существа оказывались на суше, где приходилось приспосабливаться к существованию в новых условиях. Первые наземные организмы постепенно эволюционировали в ту флору и фауну, которая заселила все континенты. С тех пор Луна отдалилась от Земли и продолжает удаляться, что влечет замедление скорости вращения нашей планеты и увеличение суток. Так, во время образования Луны вращение Земли было очень быстрым, сутки длились всего 4 часа 30 минут, а 500 млн. л.н. сутки равнялись 18 часам, сейчас – 24 часам. В будущем, через несколько миллионов лет Луна будет находиться в 1,5 раза дальше, чем сейчас и сутки на Земле составят около 54 современных суток, т. е. сутки будут длиться 1,5 месяца. Указанное постепенное изменение динамики нашей планеты, безусловно, влияет на те или иные климатические характеристики, которые ориентируют эволюцию организмов в определенных направлениях.

Принимая во внимание роль Луны в появлении и развитии жизни на Земле, с полным основанием, можно назвать момент образования Луны около 4,47 млрд. л.н. важной развилкой эволюции природы на пути к человечеству – Лунной развилкой. Если бы у Земли не появился партнер в виде Луны, эволюция планеты Земля пошло бы иным путем, чем это случилось. Можно только гадать, что было бы с жизнью в варианте существования Земли без Луны, но нет сомнения, что безлунный путь эволюции природы не привел бы к той последовательности и многообразности живых организмов, которые были реализованы. О возможной судьбе Земли в отсутствии такого крупного спутника, как Луна, можно предполагать на примере планеты Марс, которая потеряла свою атмосферу, жидкую воду, прекратила тектоническую деятельность, практически полностью лишилась магнитного поля. У Марса имеется два спутника – Фобос и Демос, радиусы которых, соответственно в 158 и 290 раз меньше лунного. Марсианские спутники настолько малы, что их гравитационные силы не способны оказывать существенное влияние на Марс. На других планетах земной группы (Венере и Меркурии) вовсе отсутствуют спутники существенных размеров. Так, что Земле очень повезло со спутником.

2.2.2. Гидрожен на горячей Земле, Оксижен – в красивом минерале. Другие гиды – в Поясе астероидов

Что происходило с атомными гидами в момент катастрофического столкновения Земли с Теей? Гидрожен и Оксижен первыми из атомов-гидов оказались на Земле 4,47 млрд. л.н. Это произошло приблизительно через 5 млн. лет после судьбоносной встречи Земли с планетой Тея и практически одновременно с образованием Луны. Возможно, гравитационное воздействие Луны способствовало встрече Гидрожена и Оксижена с Землей. Весьма крупный астероид, заключающий Гидрожен-Оксиженый серпентин врезался в земную поверхность, которая в это время была представлена первичной перидотитовой твердой оболочкой с высокой температурой (~ 650°C). Этот минерал серпентин, будучи водным магнезиальным силикатом, замечателен тем, что в его химическом составе (в основном MgO 43,0 %, SiO2 44,1 %, H2O 12,9 %) присутствует до 17 % воды. При нагревании свыше 450°C серпентины переходят в другие минералы: тальк, форстерит с выделением воды. Поскольку Гидрожен-Оксиженый серпентин попал на Земле в горячую обстановку, то из него получилось два вещества: минерал Оксиженный форстерит и Гидроженная вода. Гидрожен тут же, испарился с вмещающей его молекулой воды (H2O), добавив частичку пара в водяную атмосферу. В атмосфере Гидрожену предстояло путешествовать около 200 млн. лет до тех пор, когда понизится температура поверхности планеты и вся вода из атмосферы обрушится на твердую базальтовую оболочку, сформировав первые океаны.

Оксижен продолжил свое геохимическое путешествие внутри молекулы Оксиженного форстерита[25] в поверхностном слое Земли. Форстерит – очень твердый минерал – по десятибалльной шкале твёрдости расположен на седьмом месте. Выдерживает огромную жару, так как температура плавления минерала – около 1890°C. Считается, что этот, как правило, зеленый минерал, обладая некими целебными способностями, положительно влияет на организм человека. Форстерит даже предохраняет от многих болезней. Оксиженный форстерит, возникнув в твердой мантийной оболочке, оказался в благоприятных условиях для кристаллизации небольшого зернышка минерала в красивый, крупный кристалл высотой 15 см. Получилось так, что Оксижен в форстерите свяжет свою судьбу с перидотитовым твердым слоем мантии на весьма продолжительный период. К рубежу 4,38 млрд. л.н. этот мантийный слой покроется новым базальтовым слоем коры, сформируется базальтовая литосфера и начнется плитная тектоника. Благодаря движению плит форстерит с Оксиженом в составе одного из литосферных блоков отправится в долгий путь по астеносфере в интересное будущее.

Как удивительно в природе всё взаимосвязано. На примере Гидрожена и Оксижена можно заметить, что они меняли форму своего существования (молекулу, минерал) при смене условий нахождения (температуры, давления и многих других факторов). Причем сохраняются только те формы, которые оказываются устойчивыми к меняющимся условиям. Принципы изменчивости и естественного отбора связываются, обычно, с живой природой, но, пожалуй, все формы существования вещества, включая неживые, изменяются при смене среды нахождения и подвержены эволюционному отбору.

После Лунной развилки еще много вещества, не собранного Луной, оставалось на орбитах вокруг Земли. Эти скопления минералов разного размера постепенно падали на нашу планету или на наш спутник. Не забудем, что кроме того не малый объем протопланетного материала продолжал вращаться вокруг Солнца в основном на орбитах между Марсом и Юпитером – в Поясе астероидов. В этом Поясе мчались те атомные гиды, которые не попали на Землю во время её формирования. Эти атомы-гиды всё еще находились в тех молекулах, в состав которых вошли в период 5,6–4,6 млрд. л.н., находясь в протосолнечном газопылевом облаке. Речь идет о: космической органических молекулах Карбовеж-Нитроженного урацила и Карбомалного гликольальдегида, а также Флюор-Ферумном шрейберзите.

Эти три молекулы в процессе первичной аккреции (объединения) газово-пылевых частиц вошли в состав трёх астероидов неправильной, кускообразной формы, размером от 15 до 30 метров, которые приобрели собственные орбиты движения вокруг Солнца. Назовем эти астероиды по именам некоторых гидов, входящих в их состав: Нитроженный астероид (с молекулой урацил), Карбомалный астероид (с молекулой гликольальдегида) и Ферумный астероид (с молекулой шрейберзита). Объекты в Поясе астероидов не могли продолжать слипание в более крупные астероиды или планетеземали из-за мощного гравитационного воздействия огромного Юпитера. Так и остались эти астероиды мелкими космическими объектами, которые постепенно меняли свои орбиты под влиянием сил тяготения ближайших планет.

Направление эволюции природы к человечеству после Лунной развилки корректировалось многими земными событиями – эволюционными поворотами. Среди них выберем только те основные, отклонения от которых почти наверняка исключило бы появление на нашей планете если не жизни вообще, то человека разумного уж точно. Хронологически следующим, уникальным эволюционным поворотом стала Литосферная развилка.

2.3. Литосферная развилка эволюции Земли. Около 4,45 миллиарда лет назад

Поверхность Земли продолжала охлаждаться, и для планеты наступил следующий, второй тепловой этап, названный «Раскаленная Земля», который продолжался в течение 4,45 – 4,1 млрд. л.н. Начался этот этап со среднегодовой температуры поверхности около 500°C. В недрах формировались огромные объемы легких соединений, которые стремились в зону меньших давлений – наружу. Эти мощнейшие перепады давления порождали вулканы и трещинные излияния, которые извергали вместе с лавой много газов. Газы были представлены: парами воды, углекислотой, азотом, аммиаком, метаном, серой, разными кислотами, водородом, аргоном и рядом других газов. Активная дегазация лавы дала начало формированию третьей – Мезокатархейской водно-азотно-углекислой атмосферы (~ 4,45-4,1 млрд. л.н.). Состав этой газовой оболочки за время её существования изменялся в направлении уменьшения углекислого газа (от 67 до 29 %) и наращивания азота (от 14 до 28 %). Как и в прежней атмосфере присутствовали аммиак (2,8–1,3 %), гелий (2,2–0 %), метан (0,7–0,3 %) и некоторые другие газы. Относительное содержание паров воды уменьшилось к началу этого этапа до 16 %, но абсолютное количество воды в атмосфере оставалось прежним, а может быть, даже несколько увеличилось за счет поступления из недр. Изменение соотношения главных компонентов атмосферы, приведшее к формированию третьей атмосферы, произошло в результате значительного наращивания общей массы атмосферы за счет азота, особенно на рубеже около 4,45-4,1 млрд. л.н. Вода в парообразном состоянии поддерживалась высокой температурой. Большая доля углекислого газа в атмосфере обеспечивала его растворение в водяных парах с образованием угольной кислоты (по реакции: СО2 + Н2О <=> Н2СО3)[26] (пояснения по ссылке можно смотреть в разделе "Ссылки.." в конце книги). Процесс растворения углекислого газа в воде начался еще во время существования предыдущей, второй – Палеокатархейской углекисло-водяной атмосферы. В парах воды также растворялись и другие, менее распространенные в обеих атмосферах кислоты. Так, что тучи тех периодов состояли из слабых растворов угольной и, в меньшей доле, других кислот. Эти древние атмосферы оставались еще тонкими по сравнению с толщиной нынешней атмосферы. Последующие газовые оболочки наращивали массу за счет постоянного поступления глубинных газов, а после возникновения гидросферы они насыщались также водными испарениями океанов и морей и т. д. Значительную роль в эволюции газовых оболочек также играли противоположный процесс – медленное истечение газов в космическое пространство. Вспомним, что ранняя, очень легкая атмосфера, состоящая из водорода и гелия, полностью рассталась с Землей. Вторая и последующая газовые оболочки оказались более стабильными, так как их главные составные части – азот (1,251 кг/м3), углекислый газ (1.9768 кг/м3), а затем и кислород (1,429 кг/м3) имеют плотность приблизительно в 10–20 раз превышающую плотность гелия (0,1785 кг/м3) и тем более водорода (0.08987 кг/м3). Масса Земли способна своим гравитационным полем довольно продолжительное время удерживать эти тяжелые газы. По расчетам ученых Земля может полностью потерять атмосферу не ранее, чем через пять миллиардов лет. Однако каково истинное соотношение прироста и убыли атмосферного газа в разные периоды истории Земли пока достоверно не известно. Поэтому приведенный расчет времени гибели атмосферы – весьма приблизительный.

Земля продолжала вращаться с большой скоростью, земные сутки составляли около 5 часов. Бешеное вращение планеты вызывало сильнейшие атмосферные ураганы, несравнимо более массивные и жесткие, чем нынешние самые крупные воздушные бури.

К этому времени почти вся поверхность планеты оставалась покрытой первичной твердой оболочкой, представленной ультраосновными[27] горными породами мантии. Эту оболочку называют по-разному: мантийная, докоровая, перидотитовая, симатическая. Порода перидотит, главный компонент этого твердого слоя, хотя и легче нижерасположенного вещества мантии, но все же довольно тяжелая (плотность около 3,3 г/см3). Такая оболочка была способна плавать поверх тогда расплавленной магмы верхней мантии до тех пор, пока оставалась не полностью кристаллизованной и толщиной, не превышающей около 10 км. По мере кристаллизации перидотита, приводящей к увеличению его плотности и в связи с нарастанием толщины его слоя на тех или иных участках, происходило погружение в раскаленную магму этих воздымающихся над поверхностью блоков. Поэтому рельеф поверхности планеты в тот период был пологим, без значительных возвышенностей. Постепенно происходило погружение блоков первичной твёрдой оболочки в раскаленную мантию, что приводило к частичному плавлению перидотита. В результате появлялись и продолжают до настоящего времени генерироваться дополнительные огромные объемы магмы, которая поднимаясь к поверхности, превращается в базальт. Первая перидотитовая твердая оболочка сыграла важную роль в эволюции Земли, однако после значительного охлаждения и полной кристаллизации она не сохранилась на поверхности и постепенно погрузилась в мантию. Для покрытия Земли твердой оболочкой должна была выплавиться из недр менее плотная порода. Оказалось, что необходимыми качествами обладала магматическая вулканическая порода основного состава (SiO2 от 40 до 52 %) – базальт, средний удельный вес которого (~2,7 г/см3) приблизительно на 10 % меньше, чем у перидотита. Базальты – сложная порода, состоящая из многих минералов, главное место среди которых принадлежит двум силикатным минералам. Важнейшим породообразующим минералом является плагиоклаз (NaAlSi3O8 – CaAl2Si2O8), который стал самым распространенным минералом в земной коре и главным алюмосодержащим минералом на планетах земного типа и их спутниках. Пироксен считается вторым важнейшим минералом в составе базальта. Этот обычный силикат отличается способностью вмещать большое количество элементов (кислород, кремний, алюминий, кальций, натрий, а также множество более редких элементов).

2.3.1. Начало формирования земной коры

Приблизительно 4,45 млрд. л.н. вулканы начали поставлять расплавленные горные породы – базальтовую лаву на поверхность планеты. Тем самым был запущен процесс формирования нижнего, базальтового слой земной коры. Вулканы, поставлявшие базальт, располагались на многих участках Земли, как правило, группируясь вдоль глубинных разломов. Такие разломы, связывающие поверхность с глубокозалегающим веществом мантии, возникли в первичной перидотитовой оболочке. Причиной образования подобных разломов являлись изгибания и раскалывания твердой мантии, под воздействием конвекционных течений расплавленного мантийного вещества, а также благодаря приливному давлению Луны.

Расплавленная магма извергалась из быстро нарастающих вулканических конусов, стекая вниз потоками лавы, взлетая в атмосферу чудовищными брызгами раскаленного базальта, которые при охлаждении падали на поверхность вулканическими бомбами разного размера. Извержения сопровождались фонтанами пепла, водяного пара и разнообразных газов, поднимавшимися вверх до стратосферы. Почти непрерывно поверхность планеты покрывалась пластами базальтов в форме потоков и покровов. В то же время отлагались прослои пирокластического (туфового) или осадочного материала. Пласт за пластом, черные базальтовые лавы и пепел формировали первый (нижний) твердый и устойчивый базальтовой слой земной коры. Толщина базальтового слоя была разной, существовали крупные блоки толщиной до 16 км. Такая толстая легкая базальтовая кора была способна выдерживать на плаву вулканические конусы высотой более 3 км над преобладающим уровнем поверхности. На других участках толщина данной оболочки не превышала 2–3 км. Базальтовая кора является самым распространенным типом коры у планет Солнечной системы. На Земле в настоящее время почти во всей коре (под океанами и на материках) присутствует слой базальтов. Правда, сейчас это, как правило, вновь образованные базальты, а от той первичной базальтовой коры, скорее всего, мало что осталось. Тогдашний облик Земли походил на нынешний вид базальтовой поверхности Меркурия, разбитой кратерами многочисленных астероидов. Также выглядит базальтовая, гористая кора Венеры и выветрелая красная поверхность Марса. Поверхность Земли благодаря твердой базальтовой коре и, конечно, под воздействием постоянной метеоритно-астероидной атаки приобрела разнообразный, сложной ландшафт черного цвета, изобилующий многочисленными кратерами как метеоритного, так и вулканического происхождения. Регионы с многочисленными вулканическими постройками сменялись равнинами, ограниченными скалистыми уступами. Людям в очередной раз повезло, что наша планета не остановилась на формировании базальтового слоя, но оказалась способной продолжить свою эволюцию, изменяя траекторию развития на многих эволюционных развилках, которые привели к разумному человеку.

Накопление первичного базальтового слоя заложило основу дальнейшей эволюции земной коры. Полагаем, что к рубежу около 4,38 млрд. л.н. практически вся земная поверхность покрылась черными толщами пористых базальтов, еще довольно горячими (400–300°C). Подкоровой (мантийный) твердый слой ультраосновных пород нашей планеты на тех участках, где ещё сохранился, вошел в состав верхней мантии. Молодая и тонкая базальтовая земная кора в совокупности с верхним, твердым слоем мантии (волноводом Гутенберга) образовала литосферу[28]. Литосфера в виде твердой оболочки залегает на более пластичном, более вязком, жидком астеносферном (от греч. астенос – слабый) слое в мантии. Контакт литосферы с астеносферой сейчас происходит на разной глубине в зависимости от геологического строения литосферы: от 4 км под рифтами до 200 км под древнейшими платформами-кратонами.