Модель возникновения позже «рождения» самой Земли в результате последующей дифференциации земного вещества

Рассматривать данную главу мы будем в несколько этапов. Начальный этап образования ядра, его дальнейшее развитие и образование внутреннего ядра.

Начальный этап

К моменту своего образования Земля имела первичный теплозапас как результат аккреционных процессов, приведших к формированию планеты из материнского газопылевого облака. Однако начального нагрева было недостаточно для появления расплавов и начала гравитационной дифференциации земного материала. «Роковое» повышение температуры недр нашей планеты произошло за счёт взаимодействия Протоземли и Протолуны. Именно приливные деформации нагрели недра Земли до температуры плавления наиболее легкоплавких элементов первичного и гомогенного земного вещества.

Разогрев Земли приливными деформациями был неравномерным, в основном он происходил в экваториальном поясе Земли и захватывал глубины до 1000 км (в начальные периоды до 200+400 км). Именно в этих зонах геотерма разогревающейся Земли впервые достигла уровня плавления наиболее легкоплавких компонентов.

Экспериментальные данные Р. Бёлера, Е. Отани, А. Рингвуда и др. доказывают, что в условиях высоких давлений наиболее легкоплавками соединениями оказываются оксиды железа и уже с более значительным ростом температуры — силикаты. Так, например, на границе мантия-ядро в современной Земле, по экспериментальным данным, температура плавления оксида железа (FeO) составляет 3100 К, чистого железа — 3200 К, силикатов — до 8500К.

Можно предположить, что на рубеже 4,0+3,6 109 л (начало архея) в экваториальном поясе Земли в результате постепенного повышения температуры под действием приливных деформаций, стали возникать железистые расплавы на глубинах 200+400 км, которые сформировали первые железистые астеносферы нашей планеты. Их появление означало начало процесса гравитационной дифференциации Земли.

Плавление оксидов железа и чистого железа и начавшаяся вслед за этим дифференциация вещества земных недр привели к дополнительному высвобождению гравитационной энергии, которая тратилась на прогрев земного вещества и на энергетическую поддержку самого процесса зонной дифференциации.

По оценкам Л. М. Наймарка (1984) эти явления протекали со скоростью от 1 до 0,2 см в год и были направлены как вверх к поверхности. Земли, так и вниз. Продвижение фронта зонной плавки вверх привело к тому, что верхние сферы стали интенсивно разогреваться. Допускается, что уже 3,9−109лет назад (ранний архей) верхняя часть мантии Земли была перегрета на 250+300°С по сравнению с её современным уровнем разогрева. Об этом свидетельствует появление высокотемпературных излившихся основных пород (коматиитов), температура плавления которых составляет порядка 1800 °C. Это знаменовало начало тектономагматической активности Земли.

В более глубоких сферах древней Земли, куда тоже продвигался фронт зонной плавки «железных» астеносфер, температура плавления силикатов в условиях высоких давлений существенно превышала температуру плавления железа и оксидов железа. Здесь дифференциация вещества могла происходить за счёт простой сепарации железной компоненты от силикатов, а продвижение фронта плавления вглубь — за счёт всплывания (флотации) более лёгких силикатных фракций через слой тяжёлого-" железного" расплава от его подошвы к кровле. В этой ситуации сам слой тяжелого расплава, опускаясь вниз, постепенно должен был увеличиваться по мощности и по массе за счёт поступления в него всё новых и новых порций эвтектического расплава Fe-FeO из межгранулярных пространств первичного земного вещества. Всё это приводило к тому, что мантия продолжала перегреваться и в ней могла возникнуть тепловая конвекция. По содержанию в коматиитах позднего архея MgO до 25% перегрев тогдашней мантии оценивают до 450−500°С по сравнению с современной.

Вероятно, к концу архея мощность и масса экваториального (кольцевого) астеносферного пояса достигла некого критического значения, что привело к возникновению ситуации гравитационной неустойчивости в недрах Земли. Действительно, мощный слой тяжёлых железистых расплавов с плотностью более 8−40 г/см в виде кольцевых экваториальных зон располагался над первозданным (недифференцированным) и сравнительно холодным земным веществом с плотностью в пределах 5−7 (г/см3) (см. рис 2).

Рисунок 2.

Под тяжестью кольцевых зон, где в конце архея концентрировалось уже порядка 12−13% массы Земли, относительно холодная и недифференцированная сердцевина планеты должна была испытывать выталкивающее действие со стороны жидких и тяжёлых «железистых» масс. Ситуация могла разрешиться прорывом тяжёлых расплавов в центр Земли и выжиманием недифференцированной сердцевины в экваториальную зону одного из полушарий планеты, что, по-видимому, и произошло в конце архейской эры (2,7−2,6 109 лет назад). Процесс, продолжавшийся порядка 10(8) лет, сопровождался выделением огромной энергии, по оценке О. Г. Сорохтина, порядка 5,5−1037 эрг. Тепловой поток того времени примерно в 9−10 раз превышал современный. Часть тепловой энергии пошла на дополнительное разогревание относительно холодных внутренних сфер Земли, а часть на тепловое излучение. Дополнительный разогрев земных недр стимулировал процесс выделения ядра, который протекал катастрофически быстро в геологическом масштабе времени.

Реальность изложенных событий доказывает проявление в конце архея одной из мощнейших в геологической истории кеноранской тектономагматической эпохи и возникновение у Земли в это же время чётко выраженного дипольного магнитного поля.

Кеноранская (беломорская) эпоха (~2,6−109лет) характеризовалась мощными энергоёмкими процессами выплавления континентальной коры, появлением первых устойчивых её участков — эпиархейских ядер. Предполагается, что прорыв «ядерного» вещества к центру Земли сопровождался возникновением в недрах планеты одноячеистой конвекционной структуры, над исходящим потоком, которой собрались все фрагменты коры, существовавшие в то время. Возник первый в истории Земли суперконтинент, получивший название Моногеи (О.Г. Сорохтин, С. А. Ушаков, 1989) или Пангеи (В.Е. Хайн, Н. А. Божко, 1988).

Изучение остаточной намагниченности древних пород, возрастом порядка 3−109лет свидетельствует о том, что тогда Земля не обладала чётко выраженным дипольным магнитным полем. Оно бьшо гораздо меньшей интенсивности и не дипольным, а тороидальным. Дипольное магнитное поле у Земли появилось только в конце архея (2,8−2,6−109лет назад) (рис 3). Можно связать это событие с выделением эмбриона земного ядра, масса которого составляла тогда порядка 0,56 от массы современного ядра. На этом завершается первый этап дифференциации земного вещества, т. е. разделение его на ядро и мантию по механизму зонной сепарации железа и его оксидов от силикатной массы. Последующее выделение железной компоненты из мантии и рост ядра Земли могло происходить эволюционным путем по механизму бародиффузии.

Рисунок 3.