Исторический форум: история России, всемирная история

Самая древняя земная кора образовалась при гравитационном перемешивании


Фотография кратона Пилбара в западной Австралии, сделанная со спутника
NASA

Австралийские геологи провели датировку горных пород кратонаПилбара — самого древнего из известных участков земной коры — и благодаря этому уточнили механизм его образования. Оказалось, что формирование этого кратона произошло примерно 3,4 миллиарда лет назад в результате нескольких циклов гравитационного перемешивания длительностью около 100 миллионов лет каждый,пишут ученые в Nature Geoscience.

Известно, что в архее — от двух с половиной до четырех миллиардов лет назад — процессы движения земной коры довольно сильно отличались от современных. Если сейчас литосферные плиты двигаются за счет тектонических процессов в основном горизонтально, погружаясь одна под другую в области субдукционных зон, то в архее температура на планете была слишком высокой, часть горных пород земной коры находилась в расплавленном состоянии, поэтому движение земной коры определялось другими процессами, в первую очередь вертикальным перемешиванием. Несмотря на то, что именно эти процессы привели привели к формированию современных литосферных плит, материальных свидетельств о геологических процессах, происходивших с литосферой в катархее и раннем архее, практически не сохранилось. Одним из немногих источников информации служат самые старыекратоны — стабильные участки земной коры с основанием, сформировавшимся в архее. Сейчас на Земле несколько таких участков, расположенных в Индии, Южной Африке и Западной Австралии.

Для уточнения механизмов формирования современной земной коры австралийские геологи под руководством Даниэля Ваймера (Daniel Wiemer) из Квинслендского технологического университета изучили состав кратона Пилбара в западной Австралии — одного из двух самых старых участков земной коры. Его возраст составляет от 3,6 до 3,4 миллиардов лет, и в его состав входит три типа горных пород — основные и ультраосновные породы с преобладающим содержанием железа и магния, которые вместе образуют зеленокаменный пояс, и кислые магматические породы на основе гранита. Эти три слоя формируют периодическую купольно-килевую (dome-and-keel) структуру, в которой одни участки сменяются другими.
 

Купольно-килевая структура кратона Пилбара. Желтым цветом обозначена кислая магматическая порода на основе гранита, которая формирует купола, зеленым цветом — зеленокаменный пояс, формирующий килевые образования
 

Предполагается, что к формированию такой структуры в раннем архее привел повторявшийся двухстадийный процесс вертикального перемешивания пород с длительностью одного цикла около 90–100 миллионов лет. Основным механизмом при этом считается развитие гидродинамической неустойчивости Рэлея—Тейлора, которая возникает на границе двух фаз разной плотности вследствие силы тяжести и разницы температур. В результате этого зеленокаменные породы протекают внутрь гранитных, формируя сначала отдельные «пальцеобразные» структуры, которые затем развиваются, сливаясь в более крупные устойчивые образования.
 


Процесс образования купольно-килевой структуры кратона Пилбара в результате гравитационного «перемешивания» горных пород различной температуры. На первой стадии процесса более холодные основные горные породы погружаются вглубь расплавленного гранита, потоки которого, наоборот, поднимаются наверх
 

Процесс образования купольно-килевой структуры кратона Пилбара в результате гравитационного «перемешивания» горных пород различной температуры. На второй стадии процесса происходит развитие небольших потоков, расположенных случайным образом, в периодическую купольно-килевую структуру с меньшим количеством более крупных образований

Именно эти процессы гравитационного перемешивания считаются одним из основных механизмов движения частично расплавленной земной коры в архее, однако до настоящего дня их не удавалось изучить количественно и провести их точную датировку. В проведенном исследовании геологи впервые достаточно точно определили время этих процессов, а также описали их с помощью термодинамической модели. Датировка отдельных участков горных пород кратона Пилбара с помощью изотопного анализа свинца и урана показала, что в этом случае один из циклов гравитационного перемешивания продолжался примерно 10 миллионов лет и окончился около 3,41 миллиарда лет назад. Это, например, привело к вертикальному переносу более старых гранитных пород вверх.

Предложенный авторами механизм формирования земной коры в результате трех циклов гравитационного перемешивания и его примерная датировка
D. Wiemer et al./ Nature Geoscience, 2018

 

Исследователи отмечают, что для формирования современной земной коры потребовалось три цикла длительностью около 100 миллионов лет. Каждый из циклов включал в себя более короткие промежутки перемешивания в результате гравитационной неустойчивости длиной от 5 до 30 миллионов лет и более длинные паузы между ними длительностью около 75 миллионов лет, во время которых происходили локальные процессы старения породы, связанные с эрозией и вулканизмом. В результате этих трех циклов образовалась твердая литосферная плита, которая потом уже двигалась по современным тектоническим механизмам.
 
Ученые утверждают, что полученные ими результаты согласуются с данными, известными для других, более молодых кратонов в Африке и Индии. Предложенный геологами количественный механизм формирования земной коры может быть использован как в будущих полевых исследованиях, так и для моделирования геологических процессов на Земле. 

Горные породы кратона Пилбара — один из важных источников информации о геологическом состоянии Земли в архее. Например, изучение газовых пузырьков в базальтовых породах, найденных именно в Пилбаре, показало, что атмосферное давление на Земле около 2,5–3 миллиардов лет назад было почти в два раза ниже современного, что ученые связывают с низким содержанием азота.

Александр Дубов

nplus1.ru/news/2018/04/17/first-stable-crust

Кто кого ел в каменноугольный период?

https://lychik-schoo...19_Friday

 

 

несколько неожиданные пищевые пирамиды...

неплохая статья.
анонс лучше более полный делать)))


Чем питалась меганевра?



Гигантские насекомые каменноугольного периода... Вроде бы простой вопрос: а что они ели?..



Один из самых удивительных периодов в истории нашей Земли – каменноугольный, или, по-другому, карбон. Начался он 350 миллионов лет назад и длился целых 50 миллионов лет. В это время Землю покрывали бескрайние джунгли – именно тогда растения научились "производить" древесину и стали деревьями. 

Однако животные, бактерии и грибы в те далёкие времена ещё не умели эту самую древесину (точнее, вещество, которое называется лигнин) перерабатывать, поэтому упавшие стволы деревьев не превращались в труху и не разрушались, а захоронялись в земле целиком. За миллионы лет эти древесные стволы превращались в уголь – в тот самый уголь, которым сейчас топят котельные. Одновременно в атмосфере накапливалось огромное количество кислорода – намного больше, чем в наше время. Большое количество кислорода позволяло существовать насекомым невероятных размеров. Самым известным из них является метровой величины стрекоза меганевра. Её очень любят изображать на картинках и показывать в научно-популярных телепередачах. 

Правда, в телепередачах меганевру показывают как-то неинтересно – ну летает она себе и летает. Так, пустяки, подумаешь, стрекоза размером с половину школьной парты... Однако зададим себе простенький (казалось бы) вопрос – а что эта самая меганевра ела? Чем она питалась?

Земля имела атмосферу Марса — и поэтому не станет Венерой
Naked Science



Земная атмосфера 2,7 миллиарда лет назад состояла в основном из углекислого газа — и было его там до тысячи раз больше, чем сегодня. При этом азота почти не было, хотя сегодня его в воздухе 78%. Выходит, наша газовая оболочка по составу была близка к марсианской. Как ни странно, эти дела давно минувших дней актуальны для ответа на вопрос о будущем выживании человечества. Похоже, предсказание Стивена Хокинга о гибели всего живого из-за превращения Земли в Венеру не сбудется. Разбираемся, почему так и как одно связано с другим.

Чтобы понять, куда идти, надо сначала понять, откуда мы идем. Ряд ученых предполагают, что заметная прибавка СО2 в атмосфере сегодняшней Земли может переключить ее в состояние неудержимого парникового эффекта. Так называют ситуацию, когда перегрев тропосферы из-за парниковых газов ведет к попаданию водяного пара в стратосферу.

Водяной пар — мощный парниковый газ, но пока Земля прохладна, как сейчас, подняться в стратосферу он не может: замерзает еще на ее границе. При достаточном его количестве в верхних слоях атмосферы на планете может стать так жарко, что все океаны попросту выкипят.


Считается, что первоначально Венера обладала океанами, и лишь чрезмерное количество СО2 в атмосфере заставило их выкипеть, сделав планету безжизненной
 
Жизнь на поверхности в таком случае погибнет, причем это не чистая теория: по всем признакам именно это произошло на Венере. Там сейчас крайне мало водяного пара, но в нем преобладают молекулы с атомами тяжелого водорода (дейтерия). Самые тяжелые молекулы воды чаще остаются при прошлой сильной потере воды в космос — и, судя по дейтерию, океаны Венеры именно выкипели, а потом их вода из стратосферы улетела в космическое пространство.

По расчетам астрономов, чтобы Земля вошла в такое состояние и стала необитаемой, ей надо получать от Солнца лишь на 1-2% больше энергии. Это очень мало: если их расчеты верны, судьба всей нашей биосферы висит на тонкой нити. Прибавь в газовую оболочку планеты парниковых газов — и это вполне заменит рост светимости Солнца.

Известный климатолог Джеймс Хансен так и заявлял несколько лет назад:

«Если мы сожжем все запасы нефти, газа и угля, есть большой шанс, что мы запустим неудержимый парниковый эффект. Если мы вдобавок сожжем запасы из нефтеносных песков и сланцев, то, я считаю, синдром Венеры станет для нас неизбежным».

Страшно? Надо сказать, напуганы не только вы. Известный физик Стивен Хокинг тоже серьезно боялся такого варианта: «Мы приближаемся к переломному моменту, когда глобальное потепление станет необратимым. Действия Трампа могут столкнуть Землю с обрыва, она станет как Венера — с температурой в 250 градусов (на Венере — 450 градусов: видимо, Хокинг имел в виду, что Земля дальше Венеры. — Прим. авт.) и дождями из серной кислоты».

Похоже, избыток углекислого газа крайне опасен. Поэтому важно узнать, каким было его количество в древней атмосфере и что на планете было тогда.

Тонкая атмосфера, вместо азота — углекислый газ

Однако достоверные данные о СО2 из прошлого получить сложно. Последние два миллиона лет на планете было намного холоднее обычного: сейчас на Земле в среднем +15 градусов, а в норме температура ближе к +20. Поэтому ледяные керны из разных мест можно собрать всего за миллион-другой лет.

И даже Антарктида 40 миллионов лет назад ледовых шапок не имела, поэтому в теории узнать состав совсем древнего воздуха напрямую нереально. Не помогут здесь и янтарь, и пузырьки воздуха в древней лаве: при высоких температурах часть СО2 может прореагировать с веществом самого янтаря либо лавы — или просто диффундировать через стенки.


По некоторым предположениям, Земля два-три миллиарда лет назад имела зеленоватые океаны: избыток углекислого газа в атмосфере стимулировал размножение фотосинтезирующих организмов в морской воде. Пока мы слишком мало знаем о древности нашей планеты, чтобы подтвердить или опровергнуть такие идеи. Континенты той поры были почти безжизненными

Авторы новой работы в Science Advances взяли образцы 59 микрометеоритов, надежно датированных 2,7 миллиарда лет назад (их нашли в одном известняковом слое того периода), и попытались оценить их степень окисления. Когда железно-никелевые метеориты такого рода влетают в атмосферу Земли, они начинают плавиться, и железо окисляется до его оксидов — но только несколько секунд. Затем торможение метеорита о воздух на высоте в 75-90 километров над землей понижает его скорость до такой, когда он снова отвердевает и остается химически стабильным далее.

Оказалось, окисление железных метеоритов той эпохи реально либо для верхней атмосферы современного типа (20% кислорода), либо для атмосферы, в которой СО2 не менее 70% по объему и более 90% по массе. Первую вероятность они отвергли: 20% кислорода в верхних слоях атмосферы значило бы, что у поверхности должна быть хотя бы небольшая его концентрация. Но породы поверхности планеты того времени показывают бескислородные условия: там почти нет оксидов.

Вариант с СО2 в таких условиях остается единственным реальным. Нужного количества водяного пара (H20) в атмосфере Земли можно добиться, только если выкипят океаны, чего явно не было. Молекулы азота, аммиака, метана и других компонентов земной атмосферы не содержат кислорода и не могут дать окисления метеоритов. Как отмечают авторы, из металлургии давно известно, что при нагреве выше 1000 градусов углекислый газ окисляет железо — и лабораторные эксперименты это подтверждают.

Атмосфера, на 70% состоящая из главного парникового газа Земли, должна была обладать исключительными свойствами. За счет хорошего поглощения инфракрасного излучения от земной поверхности температура оставалась бы намного выше, чем сейчас.

Авторы исходят из ранее установленного факта, что атмосферное давление 2,7 миллиарда лет назад было не выше половины от нынешнего (от 0,23 до 0,5 от современного уровня). Газовая оболочка Земли на поверхности была такой же разреженной, как сегодня на пятикилометровой высоте.

Предположительно, воздух «съели» бактерии: они поглощали азот воздуха, а за счет отсутствия кислорода распад азотсодержащей мертвой органики почти не шел. В результате от половины до трех четвертей всего первичного объема земного воздуха было «съедено» — и азота там оставалось немного.

В норме более тонкая атмосфера означает большую потерю тепла и более прохладный климат. Вдобавок Солнце 2,7 миллиарда лет назад было на четверть тусклее нынешнего, ведь термоядерный синтез в звездах нашего типа со временем ускоряется. Опять же, при прочих равных на четверть менее яркое Солнце должно было обеспечить более прохладный климат.
 

2,7 миллиарда лет назад вулканы работали активнее, чем сегодня, а вот фотосинтезирующие организмы, напротив, были куда менее активны. Видимо, поэтому в воздухе доминировал углекислый газ

Но, согласно новой работе, даже разреженная атмосфера за счет содержания СО2 выше 70% по объему (и более 90% — по массе) обеспечивала нашей планете среднюю температуру в +30 градусов. Это вдвое выше, чем сегодня. Становится понятно, почему геологам так и не удалось обнаружить следы хотя бы временных оледенений до эпохи кислородной катастрофы, когда фотосинтезирующие растения уронили концентрацию СО2, переработав значительную его часть в О2, кислород.

Работа показывает интересную картину. Выходит, в древней атмосфере газов по массе было примерно как сегодня — около пяти квадриллионов (тысяч триллионов) тонн, примерно по 10 тонн на один квадратный метр поверхности. Однако 90% этой массы составлял углекислый газ, хотя сегодня 75% атмосферы по массе приходится на азот. То есть в воздухе древней Земли содержались квадриллионы тонн СО2.

Сегодня в воздухе всего 3,2 триллиона тонн углекислого газа. Огрубляя, это одна тысячная от его современного количества. Общая масса угля, нефти, торфа и метана в известных и перспективных резервах всех типов заведомо ниже пяти триллионов тонн. СО2 при их сгорании не может образоваться и 10 триллионов тонн.

То есть полное сжигание всего ископаемого топлива может увеличить количество СО2 в атмосфере максимум в несколько раз. Между тем наша планета 2,7 миллиарда лет назад не превратилась в Венеру даже при тысячекратно большем количестве СО2.

Вывод: Джеймс Хансен неправ и Стивен Хокинг — тоже. Полное сжигание всех мыслимых видов топлива не превратит Землю в Венеру, наши океаны не выкипят. Даже тысячекратный рост количества СО2 в газовой оболочке уже был — и жизнь его перенесла.
 

Над каждым квадратным метром поверхности Венеры висит тысяча тонн углекислого газа, а всего его в местной атмосфере более 450 квадриллионов тонн. Все известное ископаемое топливо Земли весит в 100 тысяч раз меньше, поэтому, сжигая его, превратить нашу планету в такую же пустыню, как на снимке «Венеры-13», просто не получится / ©Wikimedia Commons

Подчеркнем: конечно, сегодня увеличивать количество углекислого газа в воздухе в тысячу раз не надо. Мы все начнем испытывать проблемы с дыханием, как только его количество вырастет хотя бы в десяток раз. Все-таки жизнь 2,7 миллиарда лет назад была анаэробной, а мы — аэробные организмы.

Тем не менее важность работы для оценки опасностей будущего велика. Из нее очевидно: никакие человеческие усилия не могут превратить Землю в безжизненный горячий ад типа Венеры.
Этого не случится.

Древняя Земля жила в атмосфере древнего Марса?

Параллельно работа имеет большое значение для понимания истории Марса. Дело в том, что Красная планета в 1,6 раза дальше от Солнца, чем мы, поэтому получает от него в три раза меньше энергии на единицу площади. Однако ученые непрерывно находят там следы озер, рек и целых морей. Причем часть из них существовала менее миллиарда лет тому назад, то есть в эпоху, когда атмосфера там уже была разреженной — за счет ее потери в космос, ведь марсианская гравитация всего 0,38 земной.


Если древний Марс имел атмосферу по плотности и составу близкую к земной в архее, становится намного понятнее, как Красная планета могла поддерживать воду на своей поверхности жидкой 

Это стало настоящей загадкой для ученых. Как планета, где сейчас среднегодовая температура —64 градуса, могла относительно недавно иметь реки и озера? Проблема получила название «парадокс молодого теплого Марса», и поиски ее решения идут до сих пор. Возможно, новая работа о прошлом нашей собственной планеты способна серьезно продвинуть ситуацию и с прошлым ее соседа.

Марс и Земля различаются по массе в десять раз, но их состав различается далеко не так радикально. Напрашивается предположение, что до того, как земная жизнь съела основную часть СО2 из атмосферы, превратив его в О2, которым мы дышим, воздух Земли и Марса должен был быть похож по составу. В конце концов, сейчас на Красной планете более 95% атмосферы — углекислый газ.

При концентрации СО2 в 70% и атмосферном давлении даже в половину от нынешнего земного на нашей планете 2,7 миллиарда лет назад было в среднем +30 градусов, но на Марсе, получающем меньше энергии, температура была явно ниже. Тем не менее даже при среднегодовой температуре около ноля градусов реки и моря существуют: в Сибири есть и регионы, где реки и озера наличествуют при среднегодовой температуре в минус пять. Соответственно, загадка «молодого теплого Марса» выглядит решенной.

Кто съел марсианский азот

Есть еще один момент. Если атмосферы Земли и Марса в прошлом были так похожи — с главным газом СО2 вместо доминирующего у нас сегодня азота, — не значит ли это, что сходство двух планет зашло дальше?

Ранее считалось, что газовая оболочка двух планет отличалась даже в древности. Мол, на Земле с самого начала был азот в воздухе, а на Марсе не было изначально.

В последние годы выяснилось: земная атмосфера 2,7 миллиарда лет назад была минимум вдвое менее плотной, чем сейчас, так как земные бактерии «съели» азот воздуха. По мере гибели прежних поколений бактерий их биомасса со связанным азотом поступала в почву, обогащая ее нитратами. Азот начал возвращаться в воздух только после того, как фотосинтезирующие организмы наработали из СО2 много кислорода, и микробы с его помощью смогли разложить древнюю мертвую органику (этим и сегодня занимаются денитрифицирующие бактерии).

Но почему азота нет в атмосфере Марса, если в остальном она так похожа на древнюю земную? Не значит ли это, что Красная планета миллиарды лет назад тоже имела много жадных микроскопических обитателей, которые «съедали» азот воздуха, делая атмосферу все более разреженной?
 

Предшественники нового марсохода не могли обнаружить нитраты в марсианском грунте: их наличие там маскировалось мощным сигналом от перхлоратов — соединений, которые никто не ожидал увидеть на Марсе в больших количествах. Химические анализаторы автоматов, исследующих другие планеты, узкоспециализированные и не могут эффективно работать в условиях, которых не ожидали их разработчики на Земле

Несколько лет назад марсоход Curiosity обнаружил, что при нагреве марсианского грунта — в любой точке поверхности — выделяются окислы азота. Именно это происходит, когда вы нагреваете грунт с нитратами (не надо делать это дома: окислы азота опасны для здоровья). По оценкам ученых, работающих с марсоходом, 0,11% марсианского грунта — нитраты.

0,11% кажется небольшой цифрой, но только если мы не вспомним, что общая масса верхних 20 метров поверхности Марса больше пяти квадриллионов тонн. Конечно, в молекулах нитратов есть не только азот (обычно его там пара десятков процентов). Но даже тогда N2 — по 15 килограммов на квадратный метр поверхности.

Еще важнее то, что на Земле основная часть азота содержится не в верхних слоях почвы, а на значительной глубине: там его на нашей планете более десяти квадриллионов тонн. Если на Марсе ситуация похожа, то азота там по несколько тонн на квадратный метр поверхности.

В земной атмосфере сейчас по 7,5 тонны азота в воздухе над каждым квадратным метром поверхности. Выходит, не исключено, что азот на Марсе может встречаться не реже, чем на Земле. Только у местных организмов никогда не было достаточно кислорода, чтобы извлечь его обратно в атмосферу.

Разумеется, такая оценка груба: мы не знаем, насколько глубоко тянется нитратный слой вглубь Марса — это может быть и 10 метров, и 30, а вовсе не 20, как в примере выше. Глубинные запасы азота оценить еще труднее. Но общее сходство в составе древних атмосфер определенно наводит на мысли о том, что сценарии развития ранней жизни на обеих планетах могли быть похожи.

 

naked-science.ru/article/sci/zemlya-imela-atmosferu-marsa-i-poetomu-ne-stanet-veneroj

общее сходство в составе древних атмосфер определенно наводит на мысли о том,

что сценарии развития ранней жизни на обеих планетах могли быть похожи.

 

 Благодарю Вас, ув-й г-н ddd, за перепечатку этой публикации, т.к. она

очень содержательна. Мне уже давно ничего похожего на неё не попадалось...

 Говорить на эту тему пока не готов, но считаю её очень важной и для

историков, а не только химиков - начало жизни на Земле.
 

 

Предполагается, что к формированию такой структуры в раннем архее привел повторявшийся двухстадийный процесс вертикального перемешивания пород с длительностью одного цикла около 90–100 миллионов лет.

Процессы формирования купольных структур происходили и после. Например соляные купола выдавливались вверх, или глинистые породы. Т.е. более лёгкие и пластичные.

На первой стадии процесса более холодные основные горные породы погружаются вглубь расплавленного гранита, потоки которого, наоборот, поднимаются наверх

Погружаются, наверное более тяжелые.

Сперва (очень долго) кислорода вообще не было в атмосфере Земли, азота тоже было мало. Преобладал углекислый газ. Затем началось увеличение содержания в атмосфере кислорода и азота, а также снижение содержания углекислого газа.

Кислород сперва в-основном накапливался в "депо" - сперва он окислял породы на дне океана, затем окислял породы на суше, а по мере заполнения этих депо - кислород стал накапливаться и в атмосфере Земли.

Изменения концентрации кислорода (О2) и углекислого газа (СО2) в атмосфере Земли за последние 600 млн. лет:



Повышение концентрации кислорода в атмосфере - сопровождалось появлением на Земле... гигантских насекомых (в т.ч. летающих).
В теле насекомых поглощение кислорода происходит пассивно, путем простой диффузии. Избыток кислорода в воздухе увеличивал возможности по доставке кислорода в удаленные от трахеи области. Потом последовало снижение уровня кислорода (примерно до современного состояния) и все эти гигантские стрекозы и проч. - вымерли.

Возраст Земли - 4,5 млрд. лет.

Вот так менялась средняя температуры на Земле за последние 415 тыс. лет:



А это - изменения температуры за последние 500 млн. лет:



Как видим - не так давно (по сравнению с возрастом Земли) на Земле было значительно теплее, чем сейчас.

"Климатическая повестка" - становится главной темой в западных СМИ. Ее и дальше будут раскручивать. До истерик. Типа, если не изменить модель образа жизни, то станет еще теплей и увеличится уровень СО2. На самом - деле все это уже было и не раз (есть цикличность), а влияние человека на эти процессы - скорее преувеличено.

Изменения концентрации кислорода (О₂) и углекислого газа (СО₂) в атмосфере Земли за последние 600 млн. лет:

экстремумы кислорода и у/к газа пришлись в аккурат на похолодание 300 млн лет назад

интересно, как это связано

Крым исчез!

 

 

Уровень Чёрного, Каспийского и Аральского морей за 120 тыс. лет

Еще более удивительно, что Балтийского и Северного морей ещё недавно по этим меркам вообще не было. Походу первые Индоевропейцы, когда пришли могли и не застать Балтику в нынешнем виде.

Еще более удивительно, что Балтийского и Северного морей ещё недавно по этим меркам вообще не было. Походу первые Индоевропейцы, когда пришли могли и не застать Балтику в нынешнем виде.

так ведь за 4000 лет моря не сильно изменились

Вообще изменения на земле так быстро не происходили, потому что нашей истории максимум 5 тысяч лет, это все что мы знаем. Но что было на земле 10 тысяч лет назад? Даже фильм такой выпустили про время, когда жили пещерные жители и они еще не выращивали свои посевы, это случилось позже.