Происхождение геосфер: новые результаты и остающиеся проблемы

Среди крупнейших астрофизических открытий последних десятилетий два имеют непосредственное отношение к теории происхождения Земли и планет. Bо-первых, открыты газопылевые диски около сотен молодых звезд, подобных раннему Солнцу. Bо-вторых, открыты десятки планетных систем, правда, из-за известных особенностей их обнаружения, это в основном планеты-гиганты, большие или сравнимые по массе с fiпитером и Сатурном и располагающиеся весьма близко к своим звездам на достаточно эксцентричных орбитах. С одной стороны, теория происхождения планетной системы Солнца (см., например, [1—3]), созданная усилиями нескольких исследовательских групп в России, США и flпонии в 70—90-х гг. ушедшего столетия, получила весомое подтверждение своих основ. Расчеты коллапса фрагментов межзвездных облаков показали, что в зависимости от удельного углового момента могут формироваться как одиночные звезды, так и двойные и (менее устойчивые) мультисистемы звезд, а также промежуточный класс звезд с газопылевыми дисками, содержащими небольшую долю массы начального фрагмента, недостаточную для формирования даже коричневых карликов. То, что в реестрах наблюдаемых дисков и планет встречаются более массивные аналоги Cолнечной системы и еще не обнаружены планеты, подобные планетам земной группы, является естественным следствием инструментальной селективности наблюдений и пока не должно вызывать сомнений в правильности стандартного сценария происхождения Cолнечной системы (ССПСС) [1—3]. Длительность отдельных стадий эволюции раннего Солнца и газопылевого диска, продолжительность аккумуляции сначала малых, а затем и более крупных тел, включая заключительные стадии формирования планет, долгое время оставались предметом дебатов. К началу этого столетия данные по радиоактивным изотопам позволили нарисовать согласованную с динамическими расчетами картину.

Оценки общего возраста Cолнечной системы (4.6 млрд лет) и длительности заключительных стадий формирования Земли (около 100 млн лет) вошли в соответствующие справочники и энциклопедии, лекционные курсы и популярные издания. Было показано [2—4], что, в отличие от воззрений 50—70-х гг., существенный нагрев недр части допланет-ных тел, дегазация, плавление и дифференциация примитивного вещества происходили уже на стадии их формирования, т. е. в первые миллионы и десятки миллионов лет. Следовательно, формирование геосфер необходимо отслеживать начиная уже со стадии формирования протопланет. В последние десятилетия не появлялись монографии или достаточно полные обзоры по теме, обозначенной в заглавии, и подводящие итоги, имеющиеся к началу века. Настоящей работой мы намереваемся частично заполнить этот пробел.

Формирование ядра и мантии. Образование Луны

Сценарии раннего образования ядер и мантий планет земной группы, предложенные в 80—90-х гг., основывались на факте существования ядра Марса и в то же время весьма древней его поверхности, указаниях на дифференцированность Меркурия также с древней поверхностью, древние (более 4.5 млрд лет) возрасты большинства железных метеоритов и ахондритов. Балансовые расчеты для Земли, основанные нa U‒Th‒Pb изотопной системе [5], показали возможность согласования изотопных и геохимических маркеров в сценарии с дифференциацией,

* Доклад, прочитанный в Институте геологии 2002 г.

протекающей одновременно с ростом планеты. Для Меркурия одновременно и независимо [6—8] был предложен сценарий срыва силикатной оболочки дифференцированной планеты, объясняющий целый ряд динамических и химических особенностей планет земной группы. Стало ясно, что даже крупные протопланеты не сразу аккумулировали все падающее нa них вещество, часть его нa время возвращалась нa гелиоцентрические орбиты.

В конце 70-х гг. начался новый штурм проблемы образования системы Земля-Луна. Большинство западных исследователей считают наиболее перспективным сценарием формирования Луны однократное падение нa растущую Землю дифференцированного тела массой порядка (не менее) массы Марса. Было проведено значительное количество расчетов динамических последствий такого столкновения. Большое число работ посвящено геохимическим следствиям, вытекающим из такого сценария, и сопоставлению их с данными по Луне. Достаточно полную картину имеющихся «за» и «против» для этого сценария можно найти в сборнике трудов специальной конференции по проблеме образования системы Земля-Луна [9]. В наших работах предложена комплексная модель формирования Луны ударными выбросами от нескольких крупных тел, позволяющая избежать трудностей гипотезы единичного удара [4, 10]. Существенно, что оба сценария, казалось, подтверждались независимыми данными по изотопной системе Hf-W, интерпретировавшимися как указание нa длительность как роста Земли, так и формирования земного ядра в 100 млн лет и формирования Луны где-то в середине этого промежутка [9, 11].

Однако в 2002 г. одновременно тремя независимыми группами [12—14] были проведены прецизионные измерения отношений изотопов вольфрама в образцах метеоритного, лунного, земного и марсианского (SNC-метеориты

— Shergotty-Nakhla-Shassigny) веществ и сделаны выводы, вступающие в противоречие с предшествовавшими динамическими расчетами. Следует напомнить особенности системы Hf-W. Гафний и вольфрам — рефракторные элементы (т. е. их отношение в отличие, например, от K/W не меняется в ходе аккумуляции), но вольфрам сидерофилен и поэтому в случае разделения расплавов силикатов и железа уходит с последним в ядерную компоненту. Период полураспада ¹⁸²Hf → ¹⁸²W достигает 9 млн лет. Обнаруженный небольшой избыток ¹⁸²W в образцах эвкритов, SNC-метеоритов, мантийных земных ксенолитов по отношению к содержанию в недифференцированных хондритовых метеоритах интерпретируется как весьма раннее (в первые 10 млн лет) отделение силикатов от железа.

В указанных выше работах [12—14] время роста и дифференциации Весты оценивается в 3—4 млн лет, время образования Марса и его ядра — менее 15 млн лет и рост Земли с одновременным формированием ее ядра — 30 млн лет. Для ударного события, вызвавшего образование Луны, приводится интервал 15—30 млн лет. Уменьшение в три раза интервала времени аккумуляции планет земной группы, предлагаемое изотопной космохимией, — серьезный вызов специалистам по расчетам аккумуляции тел в протопланетном диске, что и отметил A.G.W. Cameron в специальном обзоре в том же номере «Nature».

Нами был предложен выход из создавшейся ситуации, позволяющий согласовать космохимические данные и результаты теории и численных расчетов аккумуляции тел [15, 16]. Согласно теории происхождения планетной системы Солнца [1—3], образование планетезималей размерами в сотни километров уже в первые миллионы лет и их разогрев короткоживущим изотопом 26Al (время полураспада 0.72 млн лет) до температуры плавления недр, позволяют интерпретировать показания Hf-W геохронометра как указание на плавление и дифференциацию в родительских планетезималях и отсутствие дальнейшей существенной регомогенизации этого материала в ходе последующей аккумуляции и формирования крупных протопланет в зоне планет земной группы. При этом мы имеем и естественное объяснение кажущегося противоречия между показаниями Hf-W геохронометра и данными по Nb—Zr [17], согласно которым, для формирования земного ядра необходимо около 100 млн лет. Дело в том, что элементы этой (Nb—Zr) системы, проявляют диспропорционирование при достаточно больших (мегабарных) давлениях и таким образом свидетельствуют о длительности дифференциации уже в глубоких горизонтах фактически сформировавшейся Земли [17].

В заключение этого пункта отметим, что до сих пор остается нерешенной проблема легкой добавки к Fe-Ni в земном ядре (S?, O?, C?, Si?). Проведенные в ИДГ РАН эксперименты по нагреву и плавлению образцов метеорита «Царев» [18] показали, что в ходе инконгруентного плавления примитивного вещества Fe-Ni-S компонент легко отделяется от силикатов и может представлять собой вещество, формировавшее ядра планетезималей и первичное земное ядро. Содержание следовых си-дерофильных элементов в Fe-Ni компоненте расплава вещества «Царева» и их среднее содержание в железных метеоритах весьма сходны. Для варианта примитивного материала с меньшей по сравнению с современной Землей массовой долей ядерного компонента, т. е. со значительным содержанием в примитивном веществе окислов железа, ряд исследователей предложили высокобарические механизмы ухода необходимой доли FeO в ядро [1, 4, 18]. Недавние

Таблица 1

Энергобаланс Земли в первые 500 млн лет

Источники	Эрг
Короткоживущие радиоактивные Al26, Fe60	1037
Долгоживущие радиоактивные U, Th, K40	4 ∙ 1037
Энергия ударов падающих тел	2 ∙ 1039
Энергия упругого сжатия	1037
Энергия дифференциации	1.5 ∙ 1038
Энергия приливной диссипации	1037
Энтальпия падающих планетезималей	1037
Энергия химических реакций *и фазовых переходов*	1037
Солнечная энергия ИК ‒ УФ + солн. ветер	2.5 ∙ 1038

* В зависимости от эндо- или экзотермичности знак « - » или « + »

Процессы тепло-массопереноса	Nu
Ударное перемешивание	102 -105
Адвективные течения	102‒105
Конвективный теплоперенос	10
Кондуктивный теплоперенос,	1
Диффузионный массоперенос	1
Флюидный	?
Приливное пенеплирование	10
Ударный выброс на гелио- и геоцентрические орбиты	1 -10 % M ⊕

эксперименты и оценки [19] свидетельствуют о небольшом уменьшении содержания FeO в мантии в докембрии. В то же время вхождение кремния в состав ядра мало вероятно, так как в мантийных ксенолитах должно было быть тогда гораздо меньше сидерофильных ванадия и хрома. Таким образом, остается выбрать между FeS и FeO. Результаты расчетов термической истории планеты не противоречат изотопным данным, но, к сожалению, не позволяют пока выбрать предпочтительный вариант из возможных оставшихся. Разница в температурах плавления для разных вариантов смеси не отражается в конечном температурном распределении, так как избыточное тепло ведет к понижению вязкости, возрастанию эффективной теплопроводности и быстрому сбросу избыточной энтальпии. Наша сводка по энергобалансу ранней Земли приведена в табл.1.

Происхождение первичной коры, гидросферы и атмосферы

Возраст древнейших земных пород около 4 млрд лет. Древнейшие лунные породы с высокогорий датируются 4.4—4.5 млрд лет, времена образования большинства хорошо датированных представителей основных классов метеоритов 4.5—4.6 млрд. ет. Все упомянутые датировки подразумевают согласованность минимум по четырем не-

, январь, 2004 г., № 1

Распределение крупных тел в зоне питания растущей Земли

Масса растущей Земли, m ( t )	0.7 m ⊕	0.9 m ⊕	0.99 m ⊕
Время роста, 106 лет	~ 50	~ 80	~ 100
Массы и радиусы пяти крупнейших тел
m 1 (g) r 1 (km)	3.1∙1026 2600	1.1∙1026 1900	1.2∙1025 900
m 2 (g) r 2 (km)	9.0∙1025 1700	3.1∙1025 1200	3.2∙1024 570
m 3 (g) r 3 (km)	5.1∙1025 1400	1.8∙1025 1000	1.8∙1024 470
m 4 (g) r 4 (km)	3.5∙1025 1300	1.2∙1025 900	1.2∙1024 420
m 5 (g) r 5 (km)	2.6∙1025 1200	9.0∙1024 800	9.0∙1023 380
Интервал радиусов (km)	Число тел N ( r ) в зоне питания планеты
500—100	2150	870	127
100—10	6.9∙105	2.8∙105	4.1∙104
10—1	2.2∙108	8.8∙107	1.3∙107

Уменьшение со временем частоты столкновений растущей Земли с планетезималями в интервале диаметров: 1 — 0.5 + 1 км, 2 — 1 + 2 км, 3 — 2 + 4 км,

4 — 4 + 8 км, 5 — 8 + 16 км, 6 — 16 + 32 км, либо полностью выпали на пла-

7 — 32 + 64 км, 8 — 64 + 128 км, 9 — 128 + 256 км      неты, либо еще не обнаружены,

зависимым методикам.

Древние цирконы Австралии указывают на седиментогенез в присутствии водных бассейнов и гранитообразова-ние уже 4.1—4.4 млрд лет назад [20, 21]. Строго говоря, «образцов» первичной коры, гидросферы и атмосферы среди нановключений в цирконах пока не обнаружено. Однако данные о химическом и изотопном составах уже десятков тысяч зерен ZrSiO4 (средний вес отдельного зерна около 2 мг) открывают уникальное «цирконовое окно» для исследователей первых сотен миллионов лет эволюции примитивных оболочек и отсеивают ранние гипотезы, базировавшиеся лишь на том или ином варианте формирования планеты. В частности, ясно,

Таблица 2 что подходы, основанные на ва-

рианте «недифференцированной первичной Земли», пред- ставляют теперь лишь исторический интерес. В наших расчетах по стандартному сценарию формирования Земли получены спектры масс и скоростей тел, формировавших планету, и оценен темп роста планеты [1— 4, 10]. Достаточно наглядное представление о массах тел в зоне растущей планеты и падавших на нее тел дают табл. 2 и рисунок.

Осредненный состав тел в зоне планет земной группы, включая пояс астероидов, согласно современной парадигме близок к составу хондритов. В то же время давно показано, что ни из одного отдельного класса углистых (CI, CМ, CV, СО), обыкновенных (H, L, LL), энстатито- вых (EH, EL) и других хондритов и ахондритов Землю построить нельзя. Можно подобрать смесь из известных классов метеоритов, представленных в земных коллекциях, удовлетворяющую одновременно изотопным, геохимическим и геофизическим критериям [1—3], но нет гарантии, что существенная доля вещества была привнесена планетезималями в среднем хондритового, но в остальном (содержание железа, степень окисленности и т. д.) весьма вариабельного состава, которые например, в поясе астероидов.

Неуверенность в составе легкой примеси ядра и составе мантии в несколько процентов не является кардинальной трудностью для попыток смоделировать дифференциацию первичной Земли на ядро и мантию. Однако для описания возможных составов примитивной коры, гидросферы и атмосферы указанные неопределенности в валовом составе тел, образовавших Землю, ведут к неопределенности обилия летучих (Н2О, CO2 и др.) в несколько раз.

Объединенные данные по изотопии кислорода (16O/17O/18O), D/H, Ar/H2O и другим отношениям показывают, что кометное вещество и углистые хондриты могли привнести не более нескольких процентов массы Земли [1—4, 10].

В пересчете на Н2О это может составить все же от нескольких единиц до десяти масс современной гидросферы (2∙1024 г). Обыкновенные хондриты содержат существенно меньше летучих (~0.1 % Н2О), но и этого с небольшим избытком хватает для формирования гидросферы. В то же время расчеты по ударному кра-терообразованию в процессе роста планеты указывают на то, что заметная доля (до нескольких процентов) вещества планетезималей и поверхности растущей планеты могла выбрасываться на гео- и даже гелиоцентрические орбиты [1—3, 10]. Летучие могли теряться в больших пропорциях, и потеря воды в несколько масс современного океана (1.4∙1024 г) не считается невозможной. Наконец следует еще знать, сколько летучих может содержаться в мантии.

Имеющиеся оценки геохимиков и геофизиков сильно разняться, консервативные оценки дают около (1—3) ∙1024 г SNC метеориты, вероятно, марсианского происхождения, содержат от 0.04 до 0.4 % воды по весу. Для земной мантии соответствующая масса воды составила бы от одной до нескольких масс современного океана. Не обсуждая здесь ситуацию по другим летучим, заметим лишь, что давно известна нижняя оценка массового содержания углерода в Земле. Если весь углерод земных карбонатов перевести в атмосферу, то ее масса и состав будут близки к венерианской (~4,5∙1023 г). В сложившейся ситуации, по-видимо-му, необходимо прежде всего рассмотреть два крайних класса моделей с минимальным и максимальным содержаниями летучих. Для максимального варианта можно принять максимально возможный привнос (по массе) углистыми метеоритами и кометным веществом в 10 % от массы Земли. Этот вариант по существу рассматривался в работах Рингвуда, встретил резкие возражения (см., например, [1]) и фактически сегодня не развивается. Для «сухого» варианта Земли с минимальным обилием летучих можно задаться модельным составом, содержащим более 90 % вещества обыкновенных хондритов и менее 5 % вещества углистых хондритов, принимая минимальные содержания летучих с необходимой потерей в ударной дегазации. В рамках такого подхода для воссоздания первичных атмосферы и гидросферы можно использовать результаты экспериментов по ступенчатому отжигу образцов ме-

теоритов. Исследование образцов, доведенных до плавления, может дать указание на дифференциацию, что и было сделано нами в вышеупомянутых экспериментах с метеоритом «Царев». Исследования показали, что кроме первичной дифференциации на силикатный и металлический компоненты и та и другая подвергаются вторичным процессам ликвации. В лабораторных условиях (при небольших давлениях) в расплаве металла FeS отделяется от FeNi, а в силикатном компоненте проявляется отделение очень небольшой части компонента анортозитового состава (аналога первичной коры?) от прочего, в среднем, ультраосновного компонента (примитивной мантии?). Этот результат подтверждает ранние эксперименты по плавлению образцов углистого хондрита Allende и силикатной части обыкновенного хондрита Jilin, но требует дальнейшего осмысления. Нами было предложено организовать поиск на древних (старше 4 млрд лет) лунных высокогорьях следов ударных выбросов материала с поверхности архейской Земли [22]. Находки такого материала могли бы существенно увеличить наши знания о поверхностных оболочках древней Земли. Недавно известный американский астронавт Армстронг предложил соответствующий исследовательский проект.

Образование ионосферы и магнитосферы

Данные по намагниченности древних пород весьма ограничены. Отметим классический результат [23], указывающий на существование геодинамо 3.5 млрд лет назад. В австралийских цирконах возрастом 4.1—4.2 млрд лет были обнаружены следы остаточной намагниченности [21]. Нами ранее [1] были проведены оценки времени образования ионосфер и магнитосфер планет земной группы по инертным газам. Основная идея состояла в том, что при формировании ионосфер и магнитосфер возникает экранирующая область, не позволяющая частицам солнечного ветра эффективно проникать в атмосферу и накапливаться в ней. Из сравнения содержаний аргона и неона в атмосферах Земли и Марса и данных по их обилию в потоке солнечного ветра следует вывод о том, что привнесение Ar и Ne в атмосферу Марса и Ne в атмосферу Земли могло быть весьма велико. Так как поглощение этих инерт- ных газов породами Земли и Марса и термическая диссипация аргона из экзосфер этих планет за миллиарды лет пренебрежимо малы, отсутствие большого количества 36Ar в атмосфере Марса можно объяснить лишь ранним возникновением ионосферы (и атмосферы) или магнитосферы (т. е. ядра, генерирующего магнитное поле и вызывающего в случае достаточно мощной атмосферы возникновение магнитосферы). Возникновение раннего экрана предотвратило эффективное проникновение частиц солнечного ветра в марсианскую атмосферу. Для Марса по аргону следует оценка сверху: время возникновения защитного экрана менее 400—700 млн лет. По неону в марсианской атмосфере простую оценку сделать нельзя, так как Ne весьма эффективно диссипирует из его экзосферы (почти так же, как гелий из земной). Для более массивной Земли диссипацией неона можно пренебречь и получить аналогичную оценку времени возникновения защитного экрана у Земли «по неону», что дает менее 1.6 млрд лет. В этих оценках параметры солнечного ветра (содержание протонов на данном расстоянии от Солнца и скорость солнечного ветра) были взяты равными принимаемым сегодня средним значениям. Имеющиеся данные по интенсивности солнечного ветра в прошлом, полученные на основании изучения треков солнечных частиц в зернах древних лунных пород, говорят о слабом повышении интенсивности солнечного ветра в прошлом для пород с наибольшими возрастами. У очень молодого активного Солнца интенсивность ветра в первые миллионы лет могла быть и на порядок больше (как это наблюдается у молодых звезд). Отметим, что двукратное и большее увеличение скорости или числа протонов уменьшает приведенные цифры не менее чем в два раза. Более определенные выводы с использованием указанной методики можно будет получить после прецизионных измерений обилия изотопов редких газов в марсианской атмосфере и солнечном ветре.

Условия для существования пред-биоты в первые 500 миллионов лет

Используются два взаимодополняющих подхода для определения условий возможности существования жизни на ранней Земле. Первый заключается в описании вероятных физико-химических условий исходя из того или иного сценария происхождения Земли и ее геосфер и затем моделировании возникновения биоты. Второй исходит из возможности раннего существования “миров АТФ, РНК, липидов” и т. д., чтобы ко времени 3.5 млрд лет назад уже было возможно появление одноклеточных, чьи следы (окаменелые остатки колоний примитивных микроорганизмов) обнаружены в древних породах этого возраста. Гипотеза Дж. Дарвина о зарождении жизни в теплых первичных бассейнах, гипотеза Опарина о коацерватах, эксперименты Миллера-fiри стали основой для концепции весьма восстановительных условий на ранней Земле. По мнению Галимова [24], наиболее благоприятная обстановка для АТФ-мира была бы в случае восстановительной атмосферы при умеренно окисленной коре и присутствии водных бассейнов. Обнаружение современных термофилов привело к гипотезам о зарождении жизни вблизи горячих термальных источников. В одной из последних работ [25] детально обсуждается теория перехода от абиотической геохимии к хемо-автотрофным прокариотам и далее к примитивным клеткам с ядрами в условиях гидротермальных источников в первичных бассейнах. Изотопные указания на признаки жизни уже 3.8 млрд лет пока признаются дискуссионными. Живо обсуждаются и разнообразные варианты идеи панспермии: от возможности при-вноса метеоритным или кометным веществом простейших аминокислот (слабый вариант панспермии) до поставки спор внесолнечного происхождения (сильный вариант панспермии). Указывалось на возможность обмена кометным материалом с соседними планетными системами, особенно на ранних стадиях существования Солнечной системы, когда Солнце еще было в составе нераспавшегося звездного скопления [26]. В веществе метеорита «Murchison» обнаружены следы 90 аминокислот, 8 из которых составляют основу земной биоты. Важно, что у аминокислот этого метеорита имеется заметный избыток L форм над D формами, что позволяет по-новому подойти к проблеме кирально-сти. По-видимому, в ближайшие годы следует ожидать существенного прорыва в понимании происхождения жизни.

Ниже мы сформулируем некоторые выводы, которые можно сделать на основании уже проведенных к этому времени исследований по стандартному сце- нарию образования Солнечной системы и формирования земных геосфер с учетом последних данных по изотопным системам и австралийским цирконам.

Выводы

• •    Согласованные теория и данные сравнительной планетологии и наук о Земле позволяют с уверенностью говорить о том, что формирование планет земной группы проходило от появления первых конденсатов (4.566—4.567 млрд лет назад) за 30—100 млн лет.

• •    Формирование Луны было вызвано в основном ударными выбросами от крупных падающих тел незадолго до завершающей стадии формирования Земли.

• •    Отделение высокожелезистого компонента от силикатов протекало в некоторых родительских телах современных метеоритов и в растущих протопланетах.

• •    Образование земного ядра в основном происходило в ходе аккумуляции Земли.

• •    Дифференциация мантийного вещества, начавшаяся в процессе аккумуляции Земли, продолжалась в последующие периоды, что согласуется и с результатами по исследованию других изотопных систем (Nd-Sm, Rb-Sr).

• •    Существенное снижение потока падавших тел и интенсивности ударной переработки могло быть лишь к концу первых 500 млн лет (см. табл. 2 и рисунок). К этому моменту затухание ударной стерилизации могло дать шанс к выживанию первичной биоты.

• •    Если падавшие тела были так же разнообразны по составу, как это мы наблюдаем в метеоритах и межпланетной пыли в земной коллекции, то могли быть весьма большие временные и пространственные флуктуации восстановительно-окислительной обстановки в отдельных резервуарах и соответствующие вариации в составе так называемого C-O-H-N-P-S ‒ мира органики.

• •    Важной вехой в энергетическом балансе Земли был период, когда поток солнечной энергии на Землю сравнялся и стал больше потока кинетической энергии падавших тел. Стохастический характер аккумуляции планеты приводил к большим флуктуациям термодинамических условий и перемежаемости во времени и пространстве горячих и холодных резервуаров.

Ограниченное количество данных о ранней Земле не позволяет пока сделать более определенные выводы о составе ранней атмосферы и ее массе. То же следует сказать и о массах первичной гидросферы и коры. Определенные надежды мы связываем с лабораторными экспериментами типа планируемого в ИДГ РАН эксперимента «Царев-2».

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ, ИДГ РАН и программы «Проблемы зарождения биосферы Земли и ее эволюции».