ПРОЦЕСС ВЫДЕЛЕНИЯ ЗЕМНОГО ЯДРА

Первоначально молодая Земля в течение первых 600 -800 Му ее жизни (всего катархея), была холодной и пассивной планетой. Именно поэтому в земных недрах не развивались процессы дифференциации, приводящие к выплавлению легких коровых пород (базальтов, анортозитов или плагиогранитоидов). После же начала выделения земного ядра, когда Земля уже прогрелась настолько, что в ее недрах появились первые расплавы, а возникшие конвективные течения сломали первозданную литосферную оболочку, на земной поверхности появились и первые изверженные коровые породы. При этом вся первозданная литосфера, являвшаяся аналогом примитивных океанических литосферных плит, должна была полностью погрузиться в мантию.

Полному уничтожению ее следов на поверхности молодой Земли способствовало то, что первозданная литосфера была сложена богатым железом и потому весьма тяжелым (около 4 г/см3) первичным веществом, тогда как плотность расплавленной верхней мантии после начала зонной дифференциации стала быстро снижаться до 3,2–3,3 г/см3. Изверженные же породы, и тогда представлявшие собой крайние дифференциаты земного вещества основного состава, были более легкими – плотностью около 2,9–3,0 г/см3, поэтому они и сохранились до наших дней, сформировав на поверхности древнейшие участки земной коры. Это и есть сохранившиеся и бесспорные следы, отмечающие собой начало процесса выделения земного ядра. Произошло это в архее.

Среди свидетельств, маркирующих начало процесса выделения земного ядра, является появление первых изверженных пород, континентальной коры, первых морских бассейнов и земной атмосферы около 3,9–3,8 млрд лет назад. Изотопные отношения свинца в земных и лунных породах убедительно показывают, что Земля в противоположность Луне никогда полностью не плавилась и, главное, не подвергалась радикальной дифференциации. Поэтому выделение ядра и гравитационной энергии дифференциации земного вещества началось около 4,0 млрд лет назад в верхней мантии слоя астеносферы.

Есть и прямые доказательства того, что молодая Земля никогда не плавилась и у нее не было плотного металлического ядра. Многие отличия геохимии лунных пород от земных могут быть объяснены только тем, что родительское тело Луны, т.е.Протолуна в противоположность Земле, была полностью расплавлена вскоре же после своего образования. При этом Протолуна прошла полную дифференциацию с выделением металлического ядра и анортозитовой коры. Об этом говорит мощная анортозитовая кора на Луне, а также резкое обеднение лунных пород (по сравнению с земными) всеми сидерофильными и халькофильными элементами (Рингвуд, 1982; Хендерсон, 1985).

Процесс формирования земного ядра растянулся на 1,6 млрд лет (от 4 до 2,6 млрд лет назад).Выделение земного ядра сопровождалось возникновением исключительно интенсивных конвективных течений в мантии Земли, полностью перестроивших весь существовавший до того тектонический план литосферной оболочки Земли. Судя по рассматриваемому сценарию процесса, в конце архея должна была возникнуть одноячеистая конвективная структура с одним восходящим потоком над местом всплытия бывшей сердцевины Земли и одним нисходящим потоком над областью стока “ядерного” вещества и именно над этим нисходящим мантийным потоком на рубеже архея и протерозоя около 2,6 млрд лет назад сформировался первый в истории Земли суперконтинент Моногея (Сорохтин, Ушаков, 1989).

В момент образования земного ядра, около 2,6 млрд лет назад в конвектирующую мантию произошло добавление вещества бывшей “сердцевины”Земли с первозданными концентрациями в нем железа, его окислов (13,1 и 22,8 %), сидерофильных элементов, сульфидов халькофильных металлов и других рудных элементов, в том числе платиноидов. Прямыми свидетелями этого явления служат уникальные дифференцированные интрузии основных и ультраосновных пород раннепротерозойского возраста, внедрившиеся в раннем протерозое во многие древние щиты. Наиболее классическими комплексами этого типа являются богатые платиной, кобальтом, никелем, медью и другими рудными элементами расслоенный интрузивный массив Бушвельда в ЮАР, интрузия Великой Дайки в Зимбабве, внедрения норитов Садбери в Канаде, габбро-норитовый комплекс Печенга и Панская интрузия на Кольском полуострове. Интрузивные образования таких типов со столь высокими концентрациями рудных элементов никогда более, ни до раннего протерозоя, ни после него, не возникали.

Очевидно, что удаление железа, его соединений и других сидерофильных элементов из исходного земного вещества в зоны сепарации тяжелых фракций, с их переходом в образовавшееся земное ядро, а легкоподвижных и литофильных элементов в земную кору, гидросферу и атмосферу сопровождалось существенными изменениями химического состава конвектирующей мантии. Удаление из мантийного вещества тяжелой фракции “ядерного” вещества приводило к относительному возрастанию концентраций остающихся элементов и соединений.

В раннем архее после начала действия процесса зонной дифференциации и удаления из конвектирующей мантии почти всего железа, а в позднем архее и значительной части его окиси, содержавшихся в первичном земном веществе (с концентрациями около 13 и 23%), содержания других элементов и соединений в остаточной (конвектирующей) мантии резко повысились на 20–30 %, однако после добавления в мантию первичного вещества из бывшей сердцевины Земли, их концентрация вновь снизилась. В протерозое и фанерозое, т.е. после начала функционирования бародиффузионного механизма дифференциации земного вещества, благодаря продолжающемуся переходу железа и его окислов в ядро, остаточная концентрация малоподвижных и наиболее распространенных элементов и соединений в мантии плавно повышалась. Суммарная же концентрация халькофильных и сидерофильных элементов в мантии протерозоя и фанерозоя, наоборот, плавно снижалась. По близкой зависимости в послеархейской мантии менялись концентрации никеля, золота, платиноидов, сульфидов железа, меди и некоторых других элементов, которые также постепенно переходили в земное ядро.

После полного исчезновения из мантии металлического железа освобождающийся при формировании “ядерного” вещества кислород стал связываться в магнетитовой фазе по реакции

5FeO --- Fe2O + Fe3O4

и в соответствии с этим начала возрастать и концентрация магнетита в мантийном веществе, поднявшись к настоящему времени до 4%. Увеличение концентрации Fe3O4 в мантии будет продолжаться еще приблизительно 600 Му в будущем до полного исчезновения из двухвалентного железа. После этого все мантийное железо окажется связанным только в магнетитовой фазе. В результате эндогенный кислород, освобождающийся по реакции

2Fe3O4 --- 3Fe2O + 5O,

сможет свободно достигать земную поверхность. В этом случае, при равновесной дегазации мантии за каждый миллион лет парциальное давление кислорода в атмосфере будет повышаться приблизительно на 1 атм, уничтожая при этом все живое.