Архей 4млрд - 2лрд. 500млн. лет назад

В архее расслоение Земли на жидкое ядро, мантию и кору в общем виде завершилось, но медленная, по сравнению с археем, дифференциация планеты продолжается до настоящего времени. В этот эон на планете сформировались гидросфера и атмосфера, состоящая из паров воды, H2S, CO, H2, N2, CH4 и других газов, но пока без свободного кислорода.

Кроме того, благодаря взаимодействиям конвективных потоков в жидком внешнем ядре с конвективными потоками мантии, и взаимодействию внешнего ядра с внутренним твердым ядром, образовавшемся в конце архея и которое вращается с другой скоростью, чем остальная планета, и благодаря вращению самой планеты, возникло магнитное поле Земли, защищающее нас от смертоносного космического излучения. Свойство же горных пород при своем формировании намагничиваться и сохранять свою магнитную запись неизменной сколь угодно долго, помогает установить перемещение блоков земной коры относительно магнитных полюсов Земли.

Планета продолжала разогреваться, но не только благодаря ударам астероидов, приливному взаимодействию с Луной и радиоактивному распаду элементов. Основным источником разогрева теперь являлась энергия, выделяемая при зонной дифференциации железа, то есть стекании железа и его окислов к центру планеты, в результате чего и формируется ядро. С архея этот процесс стал главной причиной конвективных течений мантийного вещества в твердой, но очень горячей (2000-2500 градусов Цельсия) мантии – то есть перемещений масс вещества непосредственно вызванных температурно-плотностной и химической неоднородностью. Формирование ядра началось около 4 млрд лет назад и в основном закончилось 2,5 млрд лет назад. В настоящее время ежегодно в земное ядро переходит около 150 млрд тонн железа и его монооксида.

Важной предполагаемой особенностью конвективных потоков является наличие в них плюмов. Плюм представляет собой грибовидные «капли» размером в сотни километров поднимающиеся к земной коре со скоростью около 1 метра в год.Мантийные плюмы рождаются за счет потока газов (H2, CH4, KH и др.) из металлического ядра, который окисляется при взаимодействии с минералами нижней мантии и понижает температуру плавления смеси оксидов нижней мантии. Рожденный в местах концентрации газовых струй расплав прокладывает себе дорогу в верхней и нижней мантии со скоростью, на порядок выше максимальной скорости конвекции.

На поверхности Земли плюмы оставляют явные следы в виде трапповых излияний (породы, произошедшие из основной магмы - главным образом, это диабазы и базальты) и океанических плато, отличающихся по химическому составу от окружающих их участков коры. Предполагается, что такая «капля» имеет несколько отличный геохимический состав от окружающей мантии и горячее ее (но в твердом состоянии, как и окружающее мантийное вещество, представляющее собой смесь микрокристаллов), что и позволяет ей подниматься обособленно и намного быстрее внутри восходящего конвективного течения.

Со времени своего появления, конвективные течения являются главной движущей силой тектоники плит, а значит и основной силой формирования внешнего вида земной поверхности. Поразительная история палеогеографии нашей планеты обусловлена сложным развитием системы конвективных течений.

Начальное однородное состояние вещества планеты сменилось дифференциацией вещества с выделением ядра и расслоением мантии на верхнюю и нижнюю. При этом нижняя мантия более плотная и горячая.
Конвекция в мантии имеет перемежающийся характер. Общемантийный круговорот вещества мантии - овертон сменяется двухъярусной конвекцией (предположение существования которой поддерживается не всеми), то есть в какой-то момент возникает два круговорота вещества – один в верхней мантии и второй в нижней мантии.

Системы конвективных течений

у

График эволюционного процесса


В начале архея на планете сформировалась общемантийная конвекция состоящая из 6 восходящих струй (четыре струи поднимались в экваториальной области, две на полюсах) и из 8 нисходящих потоков (аваланши) которые опускались в недра соответственно между восходящими струями. То есть аваланши – это охлажденные у поверхности Земли струи начинающие погружаться обратно в глубины мантии.
Тяжелые, охлажденные аваланши достигая ядра, растекались по его поверхности, со временем покрывая все ядро. Восходящие струи тем временем растекались под внешней поверхностью планеты. Мантийное вещество нижней и верхней мантии, таким образом, поменялось местами. Большая часть вещества мантии совершила полный круговорот примерно за 600 млн. лет, достигнув максимальной скорости своего движения 3 млрд. 900 млн. лет назад. Это был первый овертон планеты начавшийся около 4 млрд. 200 млн. лет назад и закончившийся около 3 млрд. 600 млн. лет назад. В этот период над первыми аваланшами образовались первые материки планеты (участки континентальной коры). После овертона температура мантии упала на 20%. Затем настала длительная эпоха с медленной двухъярусной конвекцией. Как в верхней, так и в нижней мантии в это время существовало множество восходящих и нисходящих течений. Нижняя мантия постепенно разогревалась, а верхняя мантия остывала. Около 3300 млн. лет назад горячее вещество нижней мантии стало проникать в верхнюю мантию и подниматься дальше к поверхности планеты, в то время как холодное вещество верхней мантии начало резко стекать в нижнюю. Так начал нарастать второй овертон, во время которого, в позднем архее, первые материки Земли начали объединяться в один суперконтинент.
Второй овертон и все последующие представляли собой иную комбинацию потоков – несколько восходящих и один нисходящий - супераваланш.

В истории планеты было 5 овертонов. После 2-го, 3-го, 4-го и 5-го овертонов формировались единые суперконтиненты. Суперконтинеты консолидировались над супераваланшом, то есть в местах схождения и погружения конвективных потоков.

Как зарождались первые континентальные плиты? В местах, где сходившиеся конвективные течения расплавленного вещества магмы опускались в расплавленные недра, океаническая базальтовая кора, покрывающая жидкий верхний слой мантии, взламывалась, скучивалась, и торошилась образуя плато. Утолщенная таким образом кора в местах схождения конвективных потоков под действием постоянного давления превращалась в гнейсы и другие метаморфические породы и одновременно рсаплавлялась в глубинах с образованием гранитной магмы, которая всплывала, проплавляя плато. Так формировались первые острова континентальной коры состоящей из гранитов, гнейсов и базальтов, приобретшие плавучесть из-за меньшей плотности по сравнению с мантийным веществом и названные гранито-гнейсовыми куполами. В начале образовалось около 40 групп гранито-гнейсовых куполов (сейчас во всем мире насчитывается 37 архейских групп) после чего купола объединялись в более крупные блоки – зародыши будущих материков.

Кора в архее

Гранито-гнейсовый купол Пилбара. Северо-Западная Австралия

Железистый кварцит. ~3млрд лет. Западная Австралия. Геологический музей. Москва

 

Железистые кварциты. ~2,69млрд. лет. США. Миннесота. Фото James St. John

Архейские породы. Центральный Тянь-Шань. Долина Баянкол

Архейские строматолиты. arcadiastreet.com

Аrcadiastreet.com

На гранито-гнейсовом куполе. Северная Канада. Автор?

Западное побережье Гренландии. Одна из самых древнейших поверхностей планеты. Фото Marcus Wedler

Гвианское нагорье сложено архейскими породами. ashbreure.nl

Гиндукуш. Гора Ахер Цаг - 7014м, сложенная архейскими породами

Итак после первого овертона возникло пятнадцать материков (древних плит или кратонов по тектонической терминологии) – Северная Америка (Лаврентия), Сибирь (Ангарида), Восточная Европа (Балтика), Восточная Антарктида, Западная Австралия (Пилбара), Индия, Центральная Африка, Калахари (Каапваал), Западная Африка, Синокорея, Южный Китай, Тарим, Гвиана, Центральная Бразилия и Сан-Франсиску. Эти кратоны составляют около 70% современных материков. Кроме того, возникло неизвестное количество малых островов. В общем, предполагается, что около 75% континентальной коры возникло в архее после первого овертона. В последующие эпохи к древнейшим плитам присоединялись новообразованные участки континентальной коры в результате еще более сложных геологических процессов.
Первыми архейскими островами континентальной коры, вошедшими в состав будущего Казахстана, являлись Кокшетау, Улытау и Бетпакдала.
Большая часть кратонов в настоящее время покрыта мощными слоями осадочных пород (километры). Но немалые площади находятся на поверхности, так что и сегодня можно прогуляться по первозданной поверхности материков. Такие обнажения называются щитами.

 

Атмосферные газы, исключая кислород выделились благодаря дегазации мантии. Дегазация – это процесс выделения свободной воды и различных газов из базальтовых магм изливающихся наиболее интенсивно в срединно-океанических хребтах. Весь свободный кислород как считается, имеет биогенное происхождение. Кислород плохо растворим в воде и потому почти весь прирост идет в атмосферу.

Процесс дегазации является основным источником поступления свободной воды. Выделение воды происходило и происходит до настоящего времени большей частью во время подъема базальтовых расплавов и их излияний в срединно-океанических хребтах.  
Дегазация недр Земли началось после расплавления земного вещества и возникновения первых конвективных течений.
При подъёме базальтовых расплавов к земной поверхности вода, входящая в состав  базальтовой магмы, выделяется при охлаждении и кристаллизации расплава и падении давления. При излиянии базальтов на поверхность, лавы буквально вскипают с испарением в атмосферу летучих элементов и соединений.
В мантийном веществе концентрация воды не превышает 0,06%, но за 4 млрд лет дегазации, воды выделилось достаточно много чтобы заполнить океанские впадины, залить континентальные шельфы и насытить атмосферу, где влага конденсируется и на протяжении миллиардов лет выпадает на земную поверхность заполняя внутриконтинентальные впадины и покрывая горные и полярные области льдами.
Однако значительная часть воды поглощается горными породами при реакциях гидратации в рифтовых разломах зон спрединга срединно-океанических хребтов, но в результате реакций дегидратации вода вновь возвращается через миллионы лет на поверхность планеты при расплавлении пород во время погружения океанических плит в зонах субдукции.

Уровень мирового океана всю историю изменялся. Нарубеже архея и протерозоя, 2,5 млрд лет назад, океанские воды полностью перекрыли срединно-океанические хребты – после чего увеличилось поглощение (гидратация) свободной воды породами океанической коры и уровень океана перестал подниматься. В архейской истории Земли затопление океанических хребтов происходило три раза. Первый раз – в раннем архее, около 3,6 млрд лет назад, второй раз – в начале позднего архея 3,1–3,0 млрд лет назад, и третий раз – в раннем протерозое, около 2,2 млрд лет назад.
Новые подъемы уровня океана вызывались либо увеличением выделения воды в зонах субдукции, либо резким изменением тектонической активности Земли, что приводило к повышенному поступлению магмы в срединно-океанические хребты и соответственно увеличению объема и высоты хребтов. С появлением эпох оледенений появился еще один фактор колебания уровня океана – ледники. Чем больше воды сковывалось в ледниках, тем ниже становился уровень океана.
Одно время предполагалось, что вторым важным источником воды могли быть ледяные кометы бомбардировавшие Землю на ранних этапах ее развития. Однако исследования паров воды комет показали, что кометная вода и земная вода имеют разный состав – доля тяжелого водорода, или дейтерия, в составе паров воды на комете значительно превышает его долю в воде на Земле и значит, кометы не могли быть поставщиками, по крайней мере, значительного количества воды.

Тихий океан у Гавайских островов

 

На геологической стадии развития, начиная приблизительно с 4 млрд лет назад, идет мощный процесс - выделение гравитационной энергии в результате дифференциации земных недр. Этот процесс привел к выделению окисножелезного ядра и к возникновению в остаточной силикатной оболочке, то есть в мантии, конвективных движений - причины тектонической активности Земли.

 

Озера на архейских плато в Западной Австралии имеют самые неожиданные очертания

 

© 2010 - 2017 Александр Бабкин babkin.ag65@gmail.com
Использование материалов разрешается при условии ссылки на сайт