Под твердой коркой «накипи» мощностью в 1– 2 км, покрывающей в ходе остывания, возможно, всю Землю, располагался слой базальтовой магмы мощностью до 50 км, которая, в свою очередь, перекрывала габброидный слой, в нижней части содержащий блоки перидотита. Д. М. Шоу подчеркивает [10], что можно допустить вариант модели с отсутствием анортозитовой «накипи» (в случае если пироксен и оливин при погружении захватывали значительное количество анортита). Но и в этом случае остаточная базальтовая магма при остывании должна испытать дифференциацию, создавая «гранитный» слой мощностью в несколько километров и с массой 1, 89 Ч 1025 г. В отсутствие океанов он мог покрывать всю поверхность Земли. В этом варианте габброидный слой переходит в эклогит, содержащий перидотитовые блоки, вынесенные из нижней мантии. Одновременно произошло образование плотной атмосферы.
По данным Р. Гаррелса и Ф. Маккензи [11] первичная атмосфера ранней Земли была очень плотной: при температуре поверхности около 600 °С она имела давление паров воды около 300 атм. (что следует из массы воды в современных океанах), давление СО2 – 45 атм. (что следует из содержания углекислоты в карбонатных породах современной земной коры) и давление НСl – 10 атм. (что следует из содержания хлора в океанах). Авторы не относят этот состав к конкретному временному интервалу, их данные можно считать ориентировочными. Они, например, не учитывают, что карбонатные породы вследствие «углекислого дыхания» могли в больших объемах исчезать из разрезов архея и раннего протерозоя. Но что очевидно у данных авторов – это высокая плотность первичной атмосферы, которую следует относить к первому этапу. После образования гидросферы и массовой диссипации водорода, возникающего в том числе и в результате окисления метана и аммиака, плотность атмосферы должна была понизиться в 15–20 раз и, по-видимому, мало отличалась от современной. В условиях теплой Земли такая атмосфера не могла быть стабильной. За счет повышенного теплового потока вулканизма, ультрафиолетового излучения грозовых разрядов, первоначальные связи углерод–водород (в метане, аммиаке), азот–водород (в цианистых соединениях) разрывались, высвобождался азот и водород, и последний как наиболее легкий элемент навсегда покидал атмосферу Земли. За счет фотодиссоциации Н2О и СО появлялся атомарный кислород, но он не накапливался, поскольку мгновенно расходовался на окисление метана, аммиака, окиси углерода, в результате в атмосфере постепенно накапливался азот и углекислый газ. Атмосфера оставалась восстановительной. По результатам изучения пород поверхности Луны (возраст КRЕЕР-ассоциации) на Земле завершение кристаллизации магматических систем, связанных с образованием ядра, мантии и ее частичным расплавлением и дифференциацией, произошло не позднее 4, 35 млрд лет назад.
Подробное рассмотрение модели Д. М. Шоу не означает, что она наиболее адекватно рисует картину ранней истории Земли. Напротив, мы считаем, что в нее можно вносить существенные коррективы, например, «гранитный» слой, скорее всего, мог быть не сплошным, а островным и иметь «диоритовый», «андезитовый» (учитывая последние открытия на Марсе) и даже «андезито-базальтовый» или «эндербитовый» состав. Обращение к этой модели связано исключительно с методологическим подходом к созданию моделей ранней истории Земли: они должны строиться «снизу вверх» (т. е. от рубежа 4, 56 млрд лет), опираясь на данные сравнительной планетологии; и одновременно «сверху вниз» (т. е. от рубежа 3, 8 млрд лет), опираясь на самые древние земные документы ранней истории Земли. Такой подход гарантирует преодоление синдрома «земного шовинизма».
Следует специально подчеркнуть, что намеченные два этапа (4, 55–4, 45 и 4, 45–4, 35 млрд лет) в ранней истории Земли заложили индивидуальность планеты. Но только первый этап (до образования воды в жидкой фазе) целесообразно именовать планетным – догеологическим, имея в виду, что еще не существует привычное для нас взаимодействие эндогенных и экзогенных процессов. На этом этапе можно говорить о взаимодействии эндогенных и экзогенных процессов, поскольку интенсивность и способ поступления вещества (которые можно рассматривать как экзогенный фактор) вызывали ответную реакцию – разогрев растущей планеты, ее частичное плавление и дифференциацию (эндогенные процессы), с конца этого этапа экзогенный фактор (рост массы планеты) перестает быть решающим и одновременно происходит «передача эстафеты» собственно земным экзогенным процессам в связи с выделением основной массы воды из недр планеты [12; 13]. Д. М. Шоу [10] эту раннюю историю Земли, включающую ее аккрецию, образование ядра, расплавление мантии и образование первичной коры, предлагает называть доархейской эрой (примерно до рубежа 4, 35 млрд лет назад).
Этап 3-й: 4, 35-4, 20 млрд лет – этап включения зачаточных механизмов тектоники литосферных плит. Для этапа характерно двухуровенное перемешивание вещества: с одной стороны, появление «горячих глубинных точек» с подъемом вещества от границы «ядро – мантия»; с другой стороны, появляется мелкоячейковая надастеносферная дифференциация с появлением зон спрединга и зачаточных зон субдукции. Такой взгляд на историю этого этапа не является единственным. Так, сторонники постоянного равномерного (хотя и несколько убывающего) поступления вещества метеоритов допускают, что этот этап не был спокойным и что за это время могло поступить метеоритно-кометного вещества, сравнимого по количеству даже с массой земной коры, и что именно это вещество значительно пополнило массу летучих на Земле (вода, органические соединения, газы) и явилось причиной льда у полюсов Луны и Меркурия. Однако данные по планетам земной группы (кроме, может быть, Венеры) противоречат такому выводу. Произошло формирование вторичной земной коры.
Этап 4-й: 4, 20–3, 80 млрд лет – этап интенсивной астероидно-метеоритной бомбардировки. Возрастные рамки этапа определены по аналогии с «лунной стратиграфией»: 4, 20 млрд лет – возраст древнего ударного бассейна Нектарис; 3, 80 млрд лет – возраст самых молодых ударных бассейнов и кратеров Луны, бассейна Калорис на Меркурии. Следует иметь в виду, что «тяжелая бомбардировка» осуществлялась уже в условиях сформировавшегося общепланетарного чехла, включающего в том числе сиалическую оболочку, первичную массу осадочных пород, а возможно, и зачатки биосферы. Произошло формирование третичной земной коры. Земля – это единственная планета, в ранней истории которой сформировались океаны, литогенез, зачатки тектоники литосферных плит и, возможно, жизнь. Есть все основания считать, что все эти важнейшие атрибуты Земли тесно взаимосвязаны в ее истории. Д. М. Шоу [10] предлагает называть эти два этапа (3-й и 4-й) протоархейской эрой.
Следует отметить, что протоархейская эра являлась наиболее «темной», поскольку она очень слабо освещена данными сравнительной планетологии (ни Луна, ни Меркурий, ни Венера не зафиксировали никак эту стадию), и только Марс может в значительной степени конкретизировать эту стадию, учитывая существование марсианской гидросферы в доархейское время. В связи с этим планетные геологи возлагают большие надежды на экспедиции на Марс со спускаемыми марсоходами, запланированные в ближайшие десятилетия. Тем не менее можно утверждать, что в течение этого этапа произошло формирование третичной земной коры [2; 4]. Тектонический стиль ее мало отличался от современного. Это следует из глубокого анализа [7] соотношения субдукционных и мантийно-плюмовых процессов в геодинамике архейских зеленокаменных поясов. Было установлено, что формирование архейских бонинитовых серий происходило в режимах интраокеанических зон конвергенции при активном воздействии на субдукционные процессы мантийно-плюмовых производных – океанических плато и горячих точек; условия формирования впервые выделенных бонинитовых серий на протяжении всего архея мало отличались от фанерозойских. Это свидетельствует о том, что степень векового охлаждения верхних горизонтов мантии на протяжении всей ее геологической истории не превышала 30 °С/млрд лет. Однако простая констатация этого факта является недостаточной и требует более глубокого рассмотрения тепловой истории и геодинамики раннего докембрия на основе анализа истории архейских гранулит-зеленокаменных областей.
Доархейская и архейская история Земли: этапы, геодинамика и зарождение литогенеза Архейская история Земли (к проблеме геодинамики архея) Принято считать, что геодинамика архея должна заметно отличаться от геодинамики последующих эонов: раннего и позднего протерозоя, фанерозоя. Причина отличия – высокий тепловой поток ранней Земли, что определяло стиль архейских геодинамических процессов. Поэтому важно также сравнить геодинамику архея, полученную на основе конкретных геологических факторов, с геодинамикой доархея, основанной, главным образом, на данных сравнительной планетологии. В основу характеристики геодинамики архея, приводимой ниже, положены опубликованные работы А. А. Щипанского с соавторами [7], по ходу их изложения лишь будут сделаны критические замечания, способствующие увязке их с данными сравнительной планетологии.
Тепловой поток ранней Земли и проблема стабилизации архейской литосферы Открытие радиоактивного распада в 1902 г. позволило определить возраст Земли. Вначале после открытия радиоактивный распад стал рассматриваться как главное энергетическое топливо Земли. Однако вскоре обнаружилось противоречие между высокими значениями теплового потока в океанических областях Земли, в частности, в СОХ, и чрезвычайно низкими содержаниями радиоактивных элементов в базальтах океанов. Число Юри (отношение глобальной радиогенной теплогенерации к общему тепловому потоку Земли) оказалось ≤ 0, 16 (на основе анализа теплового потока в СОХ), но возрастает до 0, 5 (на основе аппроксимации средних содержаний радиоактивных элементов в Земле). К проблеме существования внутри мантии обогащенного радиоактивными элементами резервуара добавилась проблема объяснения факта ранней изотопной деплетации верхней мантии (Sm-Nd, Lu-Hf, Rb-Sr). Какой бы ни была первичная земная кора (сиалическая, базальтовая, коматиитовая), низкие соотношения указанных изотопов требуют допущения ее рециклинга с захоронением в глубоких горизонтах мантии в архее, а возможно, и в доархее (гадии).