Происхождение и эволюция двойной планетной системы Земля-Луна

Земля и Луна фактически представляют собой систему двойной планеты. Их влияние друг на друга сейчас невелико, хотя и вполне заметно. Однако на ранних этапах развития этой системы оно было очень сильным и приводило к катастрофическим последствиям и радикальным изменениям хода эволюции обеих планет. Луна раскрутила нашу планету, определила своей орбитой захвата наклон оси ее вращения, а с этим явлением, как известно, связаны вся климатическая зональность Земли и происхождение её магнитного поля. Более того, сейчас определенно можно считать, что именно Луна, ускорив эволюционное развитие Земли, предопределила появление на её поверхности высокоорганизованной жизни.

К середине прошлого века сформировалось несколько гипотез происхождения Луны: отделение Луны от Земли; случайный захват Луны на околоземную орбиту; коаккреция Луны и Земли из роя твердых тел.

В 60-е гг. специалисты в области небесной механики пришли к выводу, что захват Луны на околоземную орбиту — крайне маловероятное событие. Такая гипотеза имеют два недостатка. Во-первых, вероятность гравитационного захвата с далекой орбиты такого большого космического тела, как Луна, исчезающе мала и практически равна нулю. Во- вторых, совершенно непонятно, как в этом случае объяснить столь резкий дефицит железа в лунном веществе, если его содержание в наиболее примитивных углистых хондритах приблизительно в два раза выше. Кроме того, углистые хондриты обогащены летучими и легкоподвижными элементами, а Луна ими резко обеднена.

Уже в 30-е гг. прошлого столетия было показано, что гипотеза отрыва Луны от Земли, выдвигавшаяся, кстати, Дж. Дарвином, сыном Ч. Дарвина, несостоятельна. Суммарный вращательный момент Земли и Луны недостаточен для возникновения даже в жидкой Земле ротационной неустойчивости (потеря вещества под действием центробежной силы).

Сложность объяснения захвата Землей крупного спутника из далёкой области Солнечной системы привела к появлению другой группы гипотез, согласно которым Луна образовалась в области формирования самой Земли, составив вместе с ней систему двойной планеты. Ни одна из этих гипотез не смогла объяснить дефицит железа и сидерофильных элементов на Луне.

Оставалась гипотеза коаккреции, которая была разработана отечественными исследователями, учениками О.Ю. Шмидта В.С. Сафроновым и Е.Л. Рускол. Её слабая сторона — неспособность объяснить разную плотность Луны и Земли.

Изобретались хитроумные, но малоправдоподобные сценарии того, как Луна могла бы потерять избыточное железо. Когда стали известны детали химического строения и состава Луны, эта гипотеза была окончательно отвергнута. Действительно, судя по средней плотности Луны (~3,34 г./см.3), она содержит около 5% железоникелевой фазы или с учетом средней концентрации FeO в её мантии — около 13-14% тяжелой фракции. Это намного меньше, чем среднее содержание соединений железа в недифференцированном веществе углистых хондритов (28,6%) и тем более в земном веществе (около 37%).

Наряду с отмеченной аномалией относительно содержания железа в Луне составы её базальтов удивительно напоминают составы примитивных базальтов срединно-океанических хребтов Земли. Кроме того, данные по изотопам кислорода также свидетельствуют в пользу родственного происхождения Земли и Луны и отличного от них происхождения углистых и обычных хондритовых метеоритов. На этом основании А. Рингвуд сумел очень убедительно показать геохимическую общность лунного вещества с веществом земной мантии. Однако из этого весьма показательного факта учёный делает совершенно экзотический вывод: будто Земля вскоре после своего образования и выделения у нее плотного ядра очень быстро раскрутилась и за счёт возникшей благодаря этому ротационной неустойчивости от её мантии оторвался крупный кусок вещества, превратившийся затем в Луну. Идея эта не нова и около ста лет назад высказывалась Дж. Дарвином, но, к сожалению, с механической точки зрения оказалась неверной.

Как раз в середине 1970-х гг. появился новый сценарий образования Луны. Американские ученые А. Камерон и В. Уорд и одновременно В. Хартман и Д. Дэвис в 1975 г. предложили гипотезу образования Луны в результате катастрофического столкновения с Землёй крупного космического тела, размером с Марс (гипотеза мегаимпакта).

В результате огромная масса земной материи и частично материала ударника (небесного тела, столкнувшегося с Землёй) расплавилась и была выброшена на околоземную орбиту. Этот материал быстро аккумулировался в компактное тело, которое стало Луной.

Как показало компьютерное моделирование, с динамической точки зрения, этот сценарий вполне осуществим. Сверх того, он даёт объяснение повышенному значению углового момента системы Земля-Луна, наклону оси Земли. Легко объясняется и более низкое содержание железа в Луне, так как предполагается, что катастрофическое столкновение произошло после образования ядра Земли. Железо оказалось в основном сконцентрированным в ядре Земли, а Луна образовалась из каменного вещества земной мантии.

Но есть несколько доказательств в пользу несостоятельности этой гипотезы. Это сверхобедненность естественного спутника Земли летучими элементами.

Луна содержит во много раз меньше K, Na и других летучих элементов по сравнению с углистыми хондритами. Состав углистых хондритов рассматривается как наиболее близкий к первоначальному космическому веществу, из которого формировались тела Солнечной системы. Казалось бы в этом нет ничего удивительного. Ведь в соответствии с ударной гипотезой предполагается, что Луна образовалась в результате выброса расплавленного вещества на околоземную орбиту. Понятно, что при этом часть вещества могла испариться. Всё бы хорошо объяснялось, если бы не одна деталь. Дело в том, что при испарении происходит явление, называемое фракционированием изотопов. Например, углерод состоит из двух изотопов 12С и 13С, кислород имеет три изотопа — 16О, 17О и 18О, элемент Mg содержит стабильные изотопы 24Mg и 26Mg и т.д. При испарении легкий изотоп опережает тяжелый, поэтому остаточное вещество должно обогатиться тяжелым изотопом того элемента, который был утрачен. Американский ученый Р. Клейтон с сотрудниками показал экспериментально, что при наблюдаемой потере калия Луной отношение 41K/39K должно было бы измениться в ней на 60‰ . При испарении 40% расплава изотопное отношение магния (26Mg/24Mg) изменилось бы на 11-13‰, а кремния (30Si/28Si) — на 8-10‰. Это очень большие сдвиги, если учесть, что современная точность измерения изотопного состава этих элементов не хуже 0,5‰. Между тем никакого сдвига изотопного состава, то есть каких-либо следов изотопного фракционирования летучих изотопов в лунном веществе не обнаружено.

Поэтому в России, в отличии от стран Западной Европы и США получила развитие теория образования Луны как двойной системы одновременно с Землёй в результате фрагментации облака пылевых частиц.

Лабораторные эксперименты показали, что железо — тоже относительно летучий элемент. Если испарять расплав, который имеет первичный хондритовый состав, то после испарения наиболее легколетучих компонентов (соединений углерода, серы и ряда других) начнут испаряться щелочные элементы (K, Na), а затем наступит очередь железа. Дальнейшее испарение приведет к улетучиванию Si, за ним Mg. В конечном счете расплав обогатится наиболее трудно летучими элементами Al, Ca, Ti. Перечисленные вещества относятся к числу породообразующих элементов. Они входят в состав минералов, слагающих основную массу (99%) пород. Другие элементы образуют примеси и второстепенные минералы.

Первоначально Протолуна и Протоземля были обеднены летучими и железом практически в одинаковой степени. Однако компьютерное моделирование показало, что если одно из этих космических тел оказывалось (случайно) несколько большей массы, чем другой, то дальнейшая аккумуляция вещества протекает крайне асимметрично. Тело большего размера растет гораздо быстрее. С увеличением разницы в размерах лавинообразно возрастает различие скоростей аккумуляции вещества из оставшейся части облака.
В результате зародыш меньшего размера лишь немного изменяет свой состав, в то время как зародыш большего размера (будущая Земля), аккумулирует практически все первичное вещество облака и в конечном счете приобретает состав, весьма близкий к составу первичного хондритового вещества, за исключением наиболее летучих компонентов, безвозвратно покидающих коллапсирующее облако.

Утрата летучих элементов в этом случае происходит не за счет испарения в пространстве, а за счёт выжимания остаточного пара коллапсирующим облаком.

С приближением массивного спутника Протолуна к центральной планете Протоземля его тело всё более деформировалось приливными силами и вытягивалось вдоль продольной оси, соединяющей центры тяжести планет. Начиная с некоторого расстояния от центральной планеты до орбиты спутника приливная сила, действующая на спутник, становилась больше силы его самогравитации (предел Роша). Известно, что для разрушения твёрдого спутника необходимо, чтобы разность этих сил превысила предел прочности пород спутника на разрыв, так как только в этом случае спутник теряет свою устойчивость и начинает разрушаться. Следовательно, для разрушения твёрдого спутника он должен как бы погрузиться в полость Роша на ту глубину, при которой притяжение со стороны центральной планеты превышает собственную силу тяжести спутника на величину, равную прочности его пород. В противоположность этому разрушение жидкого спутника начинается, как только он переходит на орбиту, равную пределу Роша.

Для Протолуны радиус сферы Роша вокруг Протоземли был близок к 17,2•109 см. (17,2 тыс. км) и превышал радиус нашей планеты всего в 2,7 раза. Исходный радиус Протолуны приблизительно равнялся 2,56 тыс. км, тогда как благодаря приливным деформациям на пределе Роша большая полуось спутника вытягивалась в 1,5 раза, т.е. до 3,84 тыс. км, радиус Протоземли и тогда уже приблизительно равнялся радиусу современной Земли — 6 тыс. км. Отсюда можно подсчитать, что в момент перехода Протолуны на орбиту предела Роша она нависала над земной поверхностью на высоте примерно 7 тыс. км.

Разрушение жидкой и расслоенной (прошедшей дифференциацию) Протолуны при её переходе на орбиту критического предела с последующим постепенным погружением в сферу Роша должно было происходить за счёт стекания расплавленного вещества внутреннего (обращенного к центральной планете) приливного вздутия в сторону Протоземли. Сорванное с поверхности Протолуны силикатное вещество в форме небольших застывших брызг — лапиллий и «вулканических бомб» должно было по широкой спирали устремляться к центральной планете, формируя вокруг Протоземли (в её экваториальной плоскости) достаточно плотные кольца раздробленного метеоритного материала (вроде современных колец Сатурна).

По мере разрушения Протолуны её размеры постепенно уменьшались, поэтому на втором этапе этого процесса вокруг молодой Земли, подобно кольцам Сатурна, возникали земные кольца вращающихся мелких метеоритных тел, выброшенных Протолуной. Однако благодаря возмущающим воздействиям Протолуны и взаимным соударениям этих метеоритных тел все вещество колец постепенно должно было выпадать на земную поверхность. В результате угловая скорость осевого вращения Земли повышалась, а скорость погружения остатков Протолуны в сферу Роша, наоборот, уменьшалась.

Приблизительная оценка скорости сближения Земли и Луны в ту далекую эпоху была достаточно большой: за один оборот Протолуна с периодом ее обращения вокруг Земли около 6 ч погружалась и сферу Роша приблизительно на ~35 м, а за год на ~50 км. Оценки показали, что за время от 4,6 до 4 млрд. лет назад Луна благодаря приливным взаимодействиям с Землей оказалась отброшенной от предела Роша (около 17 тыс. км) на расстояние 156 тыс. км. При этом отодвигание Луны от Земли было весьма неравномерным: вначале очень быстрым, а затем более спокойным. С наибольшими скоростями Луна отодвигалась от Земли в самом начале своего эволюционного пути (сразу же после разрушения ее материнской планеты — Протолуны) около 4,6-4,4 млрд. лет назад. Второй значительный импульс резкого увеличения скорости отодвигания Луны возник на рубеже катархея и архея — около 4,0 млрд. лет тому назад. Наконец, третий период относительного ускорения отодвигания Луны от Земли, правда с существенно меньшими скоростями, приходился на фанерозой.

При этом только первый импульс стремительного удаления планет друг от друга связан с малым исходным расстоянием между ними при их образовании. Происхождение второго импульса было связано с возникновением в недрах Земли первых расплавов (астеносферы) и, как следствие этого, с началом тектонической активности Земли и дегазации мантии, сопровождавшихся образованием на земной поверхности около 4,0•109 лет назад первых мелководных морей.

Третий импульс ускорения также определялся чисто земными причинами: подъемом поверхности растущего океана и его перекрытием около 0,6•109 лет назад среднего уровня континентальных шельфов, что привело к возникновению в фанерозое обширных и тоже мелководных эпиконтинентальных морей.

Так как Земля и Луна возникли на близких исходных орбитах в виде двойной планеты в общем кольцевом поясе пылевого облака Солнечной системы, материал для своего построения они черпали из единого источника однородного по составу протопланетного вещества. Именно по этой причине наблюдается и тесная генетическая связь по главным петрогенным элементам между лунным и земным веществом (кроме титана). Особенно это подтверждается при сравнении базальтов Земли и Луны. С рассматриваемых позиций их тесное генетическое родство по основным породообразующим оксидам объясняется тем, что и те и другие возникли благодаря близким процессам химико-плотностной дифференциации планетных недр одинакового исходного состава. Только в лунных недрах такая дифференциация протекала благодаря полному плавлению вещества и за исключительно короткое время (всего за несколько тысяч лет), а на Земле этот процесс развивался без плавления мантийного вещества или только при частичном плавлении вещества верхней мантии и растянулся приблизительно на 4 млрд. лет.

Тем не менее резкое различие в скоростях дифференциаций этих планет чётко отразилось на специфике калий-урановых и калий-ториевых отношений в лунных и земных базальтах. Связано это с тем, что за долгую историю дифференциации земного вещества, происходившего одновременно с процессом формирования континентальной земной коры, торий и уран как более подвижные элементы в большей мере, чем калий, переместились из мантии в земную кору.

Одновременно с образованием или захватом Протолуны, по-видимому, мог возникнуть и ряд более мелких спутников и микролун, также вращавшихся вокруг Земли. Все эти спутники и микролуны, окружавшие тогда Землю, как и сама Луна, должны были испытывать на себе влияние земных приливов. Но поскольку после разрушения Протолуны и образования Луны максимальная угловая скорость вращения во всей геоцентрической планетно-спутниковой системе была только у Земли, то начиная с того времени все спутники системы, большие и малые, стали отбрасываться приливными взаимодействиями в сторону от центральной планеты. При этом скорость удаления спутника от Земли была пропорциональна его массе, поэтому массивные спутники и среди них прежде всего Луна отодвигались тогда от Земли быстрее мелких.

Данное обстоятельство привело к "выметанию" большими спутниками из околоземного пространства более мелких космических тел, неизбежно выпадавших на поверхность своих более массивных соседей при сближениях и пересечениях их орбит. Естественно, что Луна как самая массивная планета-спутник "выметала" все содержимое околоземного спутникового роя эффективнее всех остальных его объектов, особенно в периоды своего наиболее стремительного отодвигания от Земли на заре развития системы в катархее и в раннем архее. Отсюда следует, что основное количество столкновений Луны с телами такого роя должно было происходить только в течение двух сравнительно коротких промежутков времени — от 4,6 до 4,4 и от 4,0 до 3,6 млрд. лет назад.

Поскольку одновременно с Луной расширялись орбиты и остальных тел околоземного спутникового роя, причём со скоростями, пропорциональными их массам, то к моментам столкновения таких тел с Луной более массивные спутники успевали отодвинуться от Земли на большие расстояния, чем мелкие. Поэтому вначале (т.е. в катархее) должны были происходить соударения Луны с телами малой или средней массы, тогда как на втором этапе удаления Луны от Земли (т.е. в раннем архее) — с наиболее крупными и массивными из оставшихся спутников (также успевшими к этому времени вырасти за счет поглощения ими более мелких тел спутникового роя).

Итак, по предлагаемой гипотезе, Луна сформировалась из расплавленного и сильно перегретого вещества внешнего приливного горба разрушенной на пределе Роша первоначально более крупной планеты — Протолуны. Поэтому лунные недра еще долго оставались перегретыми и расплавленными, а в её центральных областях первичные расплавы, по-видимому, сохраняются и до наших дней.

Полное расплавление Луны привело к эффективной гравитационной дифференциации лунного вещества, при которой ее верхний слой толщиной около 80 км. оказался сложенным наиболее легкими породами — анортозитами (р = 2,7 г./см3). Глубже должны были располагаться слои расплавленного базальта (р = 2,9 г./см3), снизу подстилаемые расплавами ультраосновного (коматиитового) состава, а в центре Луны могли сохраниться еще и остатки железоникелевого ядра Протолуны. Отсюда следует, что у молодой Луны была ещё сравнительно тонкая литосфера, однако с течением времени благодаря её остыванию толщина лунной литосферы постепенно увеличивалась.

Только за первый миллион лет своего существования Луна отодвинулась от Земли с расстояния около 26 тыс. км. до 60, т. е. на 34 тыс. км. Однако в то время толщина лунной литосферы ещё не превышала 6 км, и поэтому все падавшие на неё метеоритные тела приблизительно километровых размеров легко раскалывали и пробивали первозданную лунную литосферу, открывая тем самым доступ подлитосферным расплавам к её поверхности. Но, как уже отмечалось, верхний слой расплавов состоял тогда из наиболее легких дериватов первичного вещества, т.е. из анортозитовых магм. Поэтому именно они тогда и изливались на поверхность Луны.

Дальнейшее удаление Луны от Земли также сопровождалось одновременным и постепенным увеличением толщины лунной литосферы. В результате со временем её могли раскалывать и пробивать только всё более крупные космические тела астероидного размера (в поперечнике более нескольких десятков километров). Большинство мелких тел бывшего околоземного спутникового роя оставляли на её поверхности только следы своего падения, испещряя, подобно оспе, лунную поверхность бесчисленными воронками разного размера.

Большей интенсивности излияния анортозитовой магмы на первых этапах существования Луны способствовало и быстрое изменение формы её поверхности. Так, вблизи предела Роша форма Луны ещё представляла собой существенно вытянутый эллипсоид, длинная (направленная к Земле) ось которого в 2 раза превышала поперечные размеры спутника. Следовательно, приливные Горбы Луны достигали тогда 1300 км. По мере удаления Луны от Земли её форма быстро приближалась к сфероидальной, и уже примерно через 200 млн. лет амплитуда приливных горбов уменьшилась до 0,5 км. Столь сильное и резкое изменение кривизны лунной поверхности за сравнительно короткое время неизбежно должно было приводить к интенсивному растрескиванию и разламыванию её молодой литосферы. По этим трещинам и расколам на поверхность Луны тогда в изобилии поступали более легкие подлитосферные расплавы, т.е. всё те же анортозитовые магмы. Именно поэтому на самых ранних этапах развития Луны, как образно заметил австралийский учёный А. Рингвуд, буквально бушевал анортозитовый магматизм. Согласно изотопным методам определения возрастов коровых пород Луны, это происходило около 4,6-4,4 млрд. лет назад.

Приблизительно через 200 млн. лет после своего образования Луна удалилась от Земли на расстояние приблизительно 120 тыс. км. К тому времени мощность её литосферы увеличилась до 85 км. и практически весь верхний слой анортозитовых расплавов оказался охлаждённым и полностью раскристаллизованным, превратившись в твёрдую анортозитовую или так называемую "материковую" кору Луны. Именно в то время около 4,4 млрд. лет назад практически полностью прекратился и лунный анортозитовый магматизм, хотя снизу лунная кора еще по-прежнему продолжала подстилаться "магматическим океаном", но теперь уже только базальтового состава.

Второй импульс лунного магматизма (4,0-3,8 млрд. лет назад) совпал по времени со вторым периодом ускоренного отодвигания Луны от Земли. На этот раз усиление приливных взаимодействий между планетами было связано с чисто земными событиями — с возникновением в Земле астеносферы и началом её тектонической активности, запустившей также планетарный процесс химико-плотностной дифференциации земного вещества.

Однако химический состав лунной магмы на этот раз был уже совсем иной.

Как и в первый период ускоренного увеличения лунной орбиты, Луна во второй период (через 600 млн. лет после своего образования на рубеже катархея с археем) благодаря своей большей массе должна была усиленно "выметать" из околоземного пространства все другие спутники, ещё сохранившиеся до этого времени на внешних околоземных орбитах (на расстояниях от 160 до 320 тыс. км). За время, прошедшее с момента образования Луны, все наиболее крупные тела околоземного спутникового роя благодаря приливным взаимодействиям с Землей также должны были удалиться на периферию этой системы. Следовательно, в интервале отмеченных расстояний в то время должны были сконцентрироваться и наиболее массивные спутники, и микролуны из околоземного спутникового роя.

За этот период мощность лунной литосферы успела возрасти приблизительно до 150 км, поэтому пробить такую литосферу могли только сравнительно крупные космические тела — спутники с поперечными размерами около 100 км. и более и соответственно с массами порядка 1020-1021 г. По-видимому, в начале раннего архея, помимо Луны, по внешним геоцентрическим орбитам вокруг Земли ещё вращалось несколько таких сравнительно массивных спутников.

Падая на Луну, эти массивные спутники пробивали не только анортозитовую кору, но и подстилающий её слой габбро, тем самым открывая доступ на лунную поверхность подлитосферным базальтовым магмам. Излияния базальтов из образовавшихся ударных кратеров и оперяющих их разломов и создали привычный нам узор базальтовых покровов лунных «морей». С внедрениями крупных базальтовых масс в пробитые спутниками бреши анортозитовой коры следует связывать и происхождение так называемых лунных масконов — аномально тяжёлых масс под кратерами лунных «морей». Такие аномалии создаются избыточной плотностью базальтов (р = 2,95 г./см3) по сравнению с плотностью более лёгких анортозитов лунной коры (р < 2,7-2,75 г./см3). Судя по абсолютной геохронологии лунных образцов, формирование гигантских ударных кратеров и заполнение их базальтами происходило в период от 4,0 до 3,8 млрд. лет тому назад и совпадало по времени с началом тектонической активности Земли, что и следует из рассмотренного здесь механизма образования и эволюции системы Земля-Луна. По-видимому, впервые обратил внимание на совпадение проявлений базальтового магматизма на Луне с началом процесса выделения земной коры (т.е. фактически с началом тектонической активности Земли) и увидел в этом совпадении примечательную связь между событиями академик В.Е. Хаин.

После второго периода ускоренного удаления Луны от Земли движение вновь стало более спокойным. Примерно в то же время к началу позднего архея около 3,2 млрд. лет назад в связи с полным исчерпанием "микролун" из околоземного спутникового роя прекратилась и активная бомбардировка лунной поверхности нывшими спутниками Земли. С тех пор на Луну, как, впрочем, и па Землю, спорадически падали лишь метеоритные тела, орбиты которых случайно пересекались с этими двумя планетами. Поэтому около 3,5-3,2 млрд. лет назад полностью прекратился и лунный магматизм, а сама Луна превратилась в тектонически мертвую планету.

В заключение обратим внимание на два важных обстоятельства, касающихся тектонического развития Земли в катархее и архее. Во-первых, массовое выпадение на лунную поверхность метеоритных и даже спутников средних размеров вовсе не означает, что в катархее и раннем архее такой же интенсивной бомбардировке подвергалась и Земля. Как раз, наоборот: ведь на Луну выпадали те космические тела из околоземного спутникового роя, которые в силу их приливного взаимодействия с Землей должны были только отодвигаться от нее, но не выпадать на земную поверхность.

Во-вторых, возобновление после длительного перерыва около 600 млн. лет повторной бомбардировки лунной поверхности на этот раз крупными космическими телами и связанная с этим вспышка базальтового магматизма на Луне маркирует переход Земли из тектонически пассивного состояния в катархее к ее активному тектоническому развитию в архее. Иными словами, базальтовый магматизм на Луне — индикатор начала тектонической активности Земли и, как следствие, резкого изменения ее палеогеографии.

дипломы,курсовые,рефераты,контрольные,диссертации,отчеты на заказ
return_links(); ?>
Яндекс.Метрика