Бурная молодость Земли

Очень хочется поведать вам, уважаемые, сложную, объёмную, но крайне интересную тему: «Как на Земле формируются минералы».

Вместо предисловия

В прошлый раз я начал издалека: от Большого взрыва и термоядерных процессов внутри звезд до теории появления нашей Солнечной системы. Такой огромный путь пришлось проделать, чтобы разобрать основы образования химических элементов и их распределения в нашей Солнечной системе.

Чтобы статья была интереснее и нагляднее, нарисовал вам кучу картинок:)

Теперь опять вернемся к протопланетному диску, на примерно 4,6 млрд лет назад и поговорим о том, как родилась наша планета.

Некое событие больших масштабов, предположительно взрыв звезды, привело к закручиванию вещества протопланетного диска и переуплотнению части скопления вещества, которое вспыхнуло. Смерть гипотетической звезды дала рождение новой звезды – нашего молодого Солнца.

Импульс от взрыва космического тела взбаламутил пыле-газовое облако. Загорелась новая звезда.

Более тяжелые и тугоплавкие элементы, силикаты и металлы, остались близко к Солнцу, а льды из воды, метана и других газов испарило либо «раздуло» Солнечным ветром в стороны границ будущей Солнечной системы.

Солнце испарило и разметало по системе элементы. Тяжелые остались ближе к Солнцу, лёгкие (льды воды и газов) отбросило к окраинам солнечной системы. Зачатки планет начинают пылесосить пыль и астероиды на своих орбитах.

В центре нашей системы тяжёлые пылинки миллионы лет слипались в каменистые тела, постепенно образуя зародыши планет - Планетезимали (от 1 до 100 км в диаметре).

За орбитой Марса из газовых скоплений водорода, гелия, аммиака и метана образуются ядра газовых гигантов Сатурна и Юпитера, поодаль из воды, гелия и водорода формируется Уран.

Объекты, обладающие хоть какой-то массой, а значит и гравитацией, начали «пылесосить» пространство вокруг себя, сталкиваться все сильнее и быстрее.

Приведу понятный пример. Вы замечали, что если молотком бить по гвоздю, то гвоздь разогревается после удара? Вот и фрагменты нарождающихся планет сталкивались, разогревались от ударов и слипались в большой раскалённый ком.

Космические каменистые тела сталкиваются друг с другом, формируя более крупные объекты.

Бурная молодость

Таким комом, только гигантским была наша молодая Земля. Но её молодость была бурной. Учёные предполагают, что около 4,5 млрд лет назад в Землю врезалось огромное космическое тело размером с Марс, которое назвали Тейя.

Удар был под углом, часть молодой коры и земной мантии (а также обломки Тейи) выбросило на орбиту. Вероятно, ось вращения планеты Земля тогда тоже наклонилась от удара. Из вылетевших обломков за несколько тысяч лет сформировался спутник Земли – Луна. Это может объяснять, почему Луна состоит из пород, похожих на земные, но почему её ядро меньше, чем у других планет.

Позднее, около 4 млрд лет назад, многострадальная Земля подверглась «Поздней тяжёлой бомбардировке», когда на неё упали остатки протопланетного диска в виде множества астероидов и комет. Луне тоже досталось судя по многочисленным кратерам и шрамам на её поверхности.

Тем временем, на бушующей молодой Земле под действием её собственной гравитации началось разделение веществ и элементов на тяжелые и лёгкие. Тяжёлые элементы (железо и никель) утонули, сформировав ядро планеты. Более легкие элементы (Si, Al) поменялись с ними местами и всплыли к поверхности. Тугоплавкие породы сформировали мантию, легкоплавкие - кору. Земная кора всплыла на поверхность Земли (как «пенка») и застыла.

Железо и никель утонули, сформировав железо-никелевое ядро. Кремний, алюминий и другие всплыли на поверхность. Тугоплавкие компоненты Земли остались между ядром и поверхностью.

Железо не самый тяжёлый элемент, верно? А где же Уран? Почему ядро не урановое?

Дело в том, что Уран в породах (U) химически связан с кислородом и кремнием, поэтому не ушёл в ядро, а остался в мантии и коре. Представьте себе свинцовое грузило, оклеенное пенопластом. Оно не утонет, но и на поверхность не всплывёт.

Тут нечего добавить:)

Вернёмся к нашей теме. Вращение земного шара и подвижность магмы сделала земную кору похожей на колотую скорлупу яйца. Эти скорлупки имеют громадные размеры, называются литосферными плитами и непрерывно плавают на вязком веществе мантии.

Литосферные плиты

На теме литосферных плит, мы, пожалуй, задержимся. Они являются ключевым компонентом формирования рельефа и важными участниками образования минералов.

Ранние теории предполагали, что столкновение с Тейей привело к образованию большого магматического океана и неравномерному охлаждению поверхности планеты. Это, по мнению учёных, было одним из важных факторов дисбаланса земной коры и привело к рождению зародышей плит и началу тектонических движений. Однако данная теория не нашла подтверждения, т.к. соседним планетам тоже досталось во времена их формирования, однако, у них нет таких подвижных литосферных плит.

Современная гипотеза отвергает внешние воздействия на появление плит и их активность, т.к. выяснили, что активные перемещения плит начались на Земле почти через миллиард лет после столкновения с космическими телами.

Основной причиной движения плит является непрерывное перемешивание магмы в мантии. Раскалённая магма от ядра циркулирует к поверхности, там остывает. Остывшая магма увеличивает плотность и тонет в мантии. Конвекция мантии напоминает движение воздуха в комнате, когда тёплый воздух поднимается к верху, а холодный опускается к полу. Это непрерывное перемешивание воздуха также называется конвекцией. Нам повезло, что Земля достаточно велика, чтобы сохранять тепло для конвекции в мантии. Внутреннее тепло Земли, сохранившееся с момента её формирования и генерируемое радиоактивным распадом, создаёт конвекционные потоки в мантии. Эти потоки «двигают» литосферные плиты со скоростью 2-5 см в год, вызывая их столкновения, разрывы и поднятия. Да и земная кора менее плотная, чем базальтовая кора Марса или Венеры, поэтому наши плиты могут «плавать» и двигаться. Всё больше свидетельств того, что на саму мантию активно влияет металлическое ядро Земли.

«Теплые» и «холодные» слои постоянно перемешиваются, как густой бульон в супе.

Масла в огонь подливала и Луна, которая была в 20 раз ближе к Земле, чем сейчас. В наше время гравитация Луны вызывает деформацию земной коры до нескольких сантиметров, а когда-то влияние её было несравнимо выше. Некоторые учёные считают, что приливные силы Луны «подогревают» мантию, поддерживая конвекцию.

Кстати, ещё Луна замедляла вращение Земли, если бы не она, то сутки длились бы 6–8 часов.

А откуда взялись материки и континенты?

Мы как раз переходим к этому! Кора земли делится на 2 типа: континентальную и океаническую. Они отличаются составом, плотностью и толщиной.

Типы коры

«Континентальная кора» формируется в зонах столкновения плит. Она состоит из гранитов и других лёгких пород, богата кремнием (Si), алюминием (Al) и кислородом. Её средняя толщина — около 40 км, и она менее плотная и более «плавучая».

«Океанская кора» - тяжелее, толщина — 5–10 км. Из-за быстрого остывания магма не успевает разделиться на слои и кристаллизоваться крупными зёрнами. Получаются плотные породы - базальты. Они богаты железом (Fe), магнием (Mg) и кальцием (Ca).

Из-за большей плотности она тонет в мантии при столкновении плит. Это как столкнуть в воде деревянную доску с пенопластовой плитой. Пенопласт от удара будет подлетать вверх.

Процесс погружения называется субдукция: океаническая кора подныривает под континентальную, образуя горы и возвышенности. А вода морей и океанов действует как «смазка» в зонах трения, облегчая схождение плит.

Материки и континенты — это участки континентальной коры, которые отличаются от океанической коры составом, плотностью и толщиной.

Какие есть варианты взаимодействия плит?

1 вариант: когда сталкиваются континентальные плиты, их края сминаются, формируя горные цепи.

2 вариант: погружение океанической плиты (субдукция). Когда тяжелая океаническая плита ныряет под континентальную и приподнимает её. Так формируются островные системы (Япония) или горные образования (Анды).

3 вариант: ещё плиты могут расходиться. В зонах расхождения плит на суше образуются рифты – растяжения коры, образуя разломы и вулканические плато, которые со временем могут стать новыми континентальными массивами.

На дне океанов расхождение коры называется спредингом. Океаническая кора постоянно там обновляется, заполняя донный рифт стремительно застывающей магмой.

Тут недостаёт некоторых вариантов, но в данной статье я их пропущу. Позже отельно расскажу.

Т.е. теперь вы понимаете, как непрерывно формируется верхняя оболочка планеты. В зонах расхождения плит (спрединга) рифт заполняется застывающей магмой. Образуются колоссальные количества базальта с низким содержанием кремния. Базальтовые океанические плиты встречаются с гранитными континентальными плитами и подныривают под них. Базальты кипят, плавятся. Тугоплавкие породы тонут в мантии, легкоплавкие породы устремляются вверх, накапливаясь в коре. Этот процесс переплавки и накопления повторяется уже миллиарды лет увеличивая высоту континентальной коры. Возраст океанической кора не превышает 200 млн лет, а континентальная кора намного старше.

Постоянное обновление океанической коры заполнением зон спрединга. Она сдвигается к континентальной коре. В зонах субдукции при погружении плита плавится, лёгкие породы всплывают и прибавляют слой континентальной коры. Тяжёлые остатки океанической коры переплавляются и в составе магмы уходят к центру Земли.

Изостазия

Еще интересное явление – изостазия.

Континенты «плавают» на верхнем пластичном слое мантии - астеносфере, будто льдины.

Представьте, что литосферные плиты — это деревянные бруски разной толщины, плавающие в воде. Чем толще брусок, тем глубже он погружается, но и выше выступает над поверхностью. Так же и участки земной коры «плавают» на плотной пластичной мантии, стремясь к балансу между своим весом и выталкивающей силой.

Например, под Гималаями есть фундамент глубиной до 80км! После прекращения тектонической активности (например, на Урале) эрозия постепенно снижает высоту гор, но изостазия вызывает их медленное поднятие, чтобы восстановить равновесие.

Чем выше горы, тем толще кора под ними. Если гора разрушается эрозией (или иначе), то кора истончается.

Предлагаю здесь сделать перерыв:) Передохнуть, попить чаю. Встретимся с Вами уже скоро и продолжим.

Хотел записать подробное видео, но никак не получалось найти время. Потому разговор на тему статьи подкараулила и сняла супруга. Возможно, вам больше нравится смотреть видео-формат, а не читать текст. Я и сам часто включаю видео фоном, пока делаю рутинную работу.