В 1755 г. философ Э. Кант высказал идею, а в 1796 г. математик Лаплас самостоятельно развил гипотезу образования Солнца и планет из огромной окружавшей его раскаленной туманности, простиравшейся за пределы современной солнечной системы. Остывание приводило к сжатию туманности и отрыву в экваториальном ее поясе слоя, который распался на горячие газовые сгустки. В дальнейшем они преврати­лись в планеты.

Общность основной идеи делает гипотезы Канта и Лапласа настолько близкими, что они были объединены в одну «канто-лапласовскую гипотезу». Однако каждая из них имела и свои особенные черты. Наш академик О. Ю. Шмидт указывает, что Лаплас полагал материю туманности в газообразном состоянии; Кант же трактовал о «частицах», под которыми можно понимать и газ, и пыль, и другие мелкие тела. Лаплас говорил об образовании планет из газовых с густ­ков, Кант — о постепенном слипании сталкивающихся при движении частиц. В гипотезе Лапласа большую роль играет отделение «колец», чего совершенно нет у Канта.

Обе гипотезы опирались на ограниченные во время их появления научные знания о природе. Однако обе они объяснили ряд особенностей строения солнечной системы и существенно приблизили к пониманию объективной действительности, пробив брешь в метафизическом миро­воззрении и положив основу материалистического развития космогонии. Это обеспечило исключительную популярность канто-лапласовской гипотезы, которая безраздельно была общепризнанной в течение всего XIX в., ознаменовавшегося исключительным развитием физики, химии, геологии, биологии. Космогония же, как говорит О. Ю. Шмидт, переживала застой; в ней монопольно господствовала идея Канта и Лапласа. Но огромные достижения естествознания к началу XX столетия вскрыли крупные недостатки канто-лапласовской гипотезы, и началось выдвижение ряда новых предположений о происхождении Земли и других пла­нет. В 30-х годах, особенно в зарубежной науке, большой извест­ностью пользовалась идея Джинса образования солнечной системы в результате близкого прохождения около Солнца другой звезды, вырвавшей из Солнца струю материи, распавшейся потом на сгустки, которые и дали начало планетам. Таким образом, по Джинсу, они воз­никли случайно, а не вследствие закономерного развития материи и являются крайне редкими во Вселенной. Несостоятельность гипотезы Джинса была доказана советским астрономом Н. Н. Парийским и Рессела.

Космогонические гипотезы Кеплера, Юри, Фесенкова выводят обра­зование солнечной системы из газово-пылевого вещества. Эта идея лежит и в основе теории, разрабатываемой с 1943 г. О. Ю. Шмидтом в сотру­ничестве с группой ученых. «Сложной задачей, — пишет О. Ю. Шмидт— является выяснение того, откуда и каким образом возникло это до планетное газово-пылевое облако. Мною была выдвинута гипотеза, что оно образовалось путем захвата Солнцем части одного из газово-пылевых облаков, многочисленных в нашей Галактике. Гипотеза захвата позво­ляет объяснить протяженность планетной системы, или, иными словами, распределение момента количества движения между Солнцем и пла­нетами». По теории О. Ю. Шмидта, планеты образовались путем постепен­ного вычерпывания окружающего твердого вещества первоначально не­большими зародышами. Этим отвергается горячее состояние Земли в первичные времена ее существования. Согласно теории, О. Ю. Шмидта, в протопланетную эру Земля была холодной, так как возникла от скоп­ления холодного космического материала, роями носившегося в до планетном газово-пылевом облаке. Объединение отдельных небольших твердых тел и более мелких частиц последовательно нарастало. Вначале этот процесс шел интенсивно и бурно, затем вследствие исчерпания ве­щества из до планетного облака он быстро ослабел и в дальнейшем почти прекратился.

Исходя из массы метеорного вещества, выпадавшего на образую­щуюся Землю в год, О. Ю. Шмидт определил в 1945 г. возраст Земли в 7,6 млрд, лет, исправленный затем до 6,3 млрд. лет.

Современное строение нашей планеты характеризуется наличием оболочек с возрастающей плотностью их от поверхности к центру. При огненножидком протопланетном состоянии Земли, по канто-лапласов­ской гипотезе, образование оболочек рисовалось как результат первич­ной дифференциации земного вещества по удельным весам. ЭЛ пред­ложение было блестяще развито в первой четверти XX в. геохимиком Гольдшмидтом. Необходимое тепло являлось изначальным. Теряя его в окружающее пространство, Земля охлаждалась, покрываясь твердой земной корой с образованием ряда оболочек и земного ядра.

Но после открытия явлений радиоактивного распада с образова­нием при этом тепла, в начале нашего столетия геолог В. И. Вернад­ский утверждал, что первичная Земля не была расплавленной, а нахо­дилась в холодном состоянии. Это развил и математически разработал О. Ю. Шмидт. Однако, возникнув из холодного космического мате­риала, под влиянием радиоактивного распада и получающегося тепла он саморазогревался, частично проплавлялся и создалась возможность дифференциации земной материи на оболочки.

Теория первичной холодной Земли заставляет по-другому рассма­тривать происхождение атмосферы, воды океанов и химического состава их. Разработка этого наиболее подробно выполнена в наши дни гео­химиком А. П. Виноградовым. В дальнейшем изложим представления этого ученого.

Наиболее распространена идея о «первичной» земной атмосфере, возникшей при охлаждении начального горячего вещества; из его легко

летучих материалов, паров и газов образовались атмосфера и воды океанов. Однако подробное изучение показало, что такой процесс не мог произойти, так как пары воды и дымы НС1, HF и особенно С0₂ должны были бы обладать давлением в десятки и сотни атмосфер; расплавленные горные породы при этом поглотили бы их в значитель­ных количествах. Между тем известно, что изверженные породы содер­жат меньше 1% воды и еще меньше серы, фтора, хлора, бора. В со­ставе же современной атмосферы сохранились бы огромные количества инертных газов гелия (Не), неона (Ne), аргона (Аг), криптона (Кг), ксенона (Хе), а также водорода (Н₂) «космического» происхождения от «первичной» атмосферы. В древнейших, архейских осадочных породах мы бы находили громадные толщи карбонатов. В действительности ничего этого нет. В настоящее время происхождение атмосферы и воды на Земле выводится из гипотезы ее «холодного» образования.

Современная атмосфера и океан состоят из трех главных групп паров и газов: 

1) вода (Н₂0) и кислые дымы [С0₂, HF, НС1, H₂S, S0₂, В(ОН)₃];

2) азот (N₂), кислород (0₂) и водород (Н₂);

3) инертные газы (Не, Ar, Ne, Кг, Хе).

В строении Земли теперь различают оболочки: земную кору до глубины 35—40 км. мантию до глубины 2800 км и ядро с радиусом 3570 км. Подробнее об этих оболочках будет сказано в дальнейшем. Содержание легколетучих веществ в разных оболочках Земли имеет про­центный состав. (таб.3)

Вода на земной поверхности произошла, как теперь считают, из мантии путем выплавления из нее легкоплавкой фракции силикатов при разогревании мантии от радиоактивного распада. Легкоплавкие веще­ства оттесняются к периферии Земли, увлекая с собой воду и другие летучие. По мере приближения к земной поверхности легкоплавкая фракция, поднявшаяся из мантии, обогащается водой и летучими. В земной коре все это охлаждается, и вода появляется в виде пара, в котором содержатся НС1, HF, S, В(ОН)з. Затем пар перешел в так называемую ювенильную воду, которая и до сих пор в нескольких про­центах от общей массы воды выбрасывается вулканами. Они же пода­вали и подают в океаническую воду анионы Cl’, SO»₄, Br^‘, F^‘, В» и др. Источником же катионов солевого состава воды океанов являлись раз­рушавшиеся горные породы земной коры. Известно, например, что вул­каны Катмай и Везувий в течение года выносят в атмосферу миллионы тонн HF или НС1. При этом значительная часть фтора и хлора удер­живается в минералах метасоматических пород, скарновых (особенно при контакте с доломитами). Так образуются, например, гипогенные, т. е. глубинные, залежи бора и др.

В составе современной атмосферы первое место принадлежит азоту. Допускают, что источником его мог быть NH₃ вулканов. Известно, что тосканские фумаролы в течение сотен лет выделяют NH₄C1; постоянно обнаруживается 10^-2—10^-3 % NH₄C1 в рыхлых породах Камчатки на огромных расстояниях вокруг вулканов. В первичной планете Земли наиболее устойчивой формой азота был, вероятно, NH₃ или NH₄. При разогревании вещества протопланеты NH₃ обратился в газ и оказался в атмосфере, где мог затем легко окислиться кисло­родом до N₂.

Кислороду в составе атмосферы принадлежит второе место. Давно уже признано, что кислород появился в атмосфере с начала фотосинтетической деятельности растений, и с тех пор баланс его в атмосфере устойчив. Однако раньше полагали, что кислород атмосферы образо­вался путем восстановления С0₂, в действительности же, как теперь стало известно, под действием фотосинтеза происходит процесс дегидро­генизации Н₂0 по реакции Н₂0¹⁶ + С0₂¹⁸ = (НСОН)„ + 0₂¹⁶. Так поступает в атмосферу более легкий изотоп кислорода, чем из С0₂. В атмосфере оказался кислород на 2,3% тяжелее, чем кислород фото­синтеза. Такое утяжеление кислорода заставляет предполагать, что в атмосферу поступает дополнительно кислород, возникающий за счет распадения под действием света (фотодиссоциация) С0₂ в верхних слоях атмосферы.

Нейтральных газов Не, Ne, Аг, Кг, Хе в атмосфере Земли ничтожно мало по сравнению с их распространением на звездах.

Из двух известных изотопов гелия —Не³ и Н⁴ — последний пред­ставляет конечный продукт распада урана (U) и тория (Th), т. е. обра­зуется радиогенным путем.

В настоящее время мантия и земная кора производят около 5-10⁹ г Не⁴ в год. Если пересчитать это на годы всей жизни Земли, то Не⁴ оказалось бы значительно больше в атмосфере, чем есть в действи­тельности: около 3,5 • 10¹⁵ г. Приняв во внимание, что значительная часть Не⁴ удерживается в горных породах и в атмосферу не попадает, придется допустить утечку его с Земли, отлет, или, как говорят, дис­сипацию.

Второй изотоп гелия — Не³ возникает в атмосфере путем космиче­ского излучения и в значительно меньшем количестве вследствие ядерных процессов в горных породах. Не³ непрерывно возникает в атмо­сфере.

Отношение Не³: Не⁴ для атмосферы в 10 раз выше, чем для земной коры.

Известно три изотопа аргона — Аг⁴⁰, Аг³⁸, Аг³⁵. В атмосфере и поро­дах Земли, в вулканических газах резко преобладает Аг⁴⁰, получаясь в результате распада калия: К⁴⁰—>Е->Аг⁴⁰. Количество его в породах зависит от содержания К и возраста минерала или породы.

В общем Аг⁴⁰ в атмосфере радиогенного характера и в образовании его участвуют горные породы земной коры и мантия Земли.

Наличие в атмосфере неона (Ne) также связывают с радиоактив­ными процессами в Земле. Известны три изотопа неона — Ne²⁰, Ne²¹ и Ne²². В атмосфере Ne²⁰ —90,87%; Ne²¹ —0,3%, Ne²² — 8,82%.

Источником ряда изотопов тяжелых газов криптона (Кг) и ксенона (Хе) на Земле служат спонтанное деление U²³⁸ и деление U²³⁵ на ней­тронах.

Установлено, что изотопные составы инертных газов атмосферы не отвечают изотопным составам их первичного космического происхо­ждения, т. е. эти газы являются вторичными и образованы самой Зем­лей. Первоначально она представляла скопление холодного, неоднород­ного твердого вещества, приближающегося к составу метеоритов. Затем под влиянием адиабатического сжатия и накопления радиоактивного тепла вещество планеты разогрелось и началось выплавление из ман­тии легкоплавкой фракции. Это же разогревание вызвало и дегазацию из мантии легколетучих соединений.

Путем выплавления легкоплавкой фракции силикатов и дегазации шло образование самой земной коры. Об определенном ходе процесса образования земной коры можно получить суждение, сравнивая содер­жание воды, углекислого газа, фтора, хлора и других газов в разных оболочках Земли (табл. IV).

Как видим, в нашу эпоху существования Земли наибольшие коли­чества легколетучих веществ содержатся в мантии, а не в земной коре: воды почти в 20 раз, серы в 30, углерода в 20, бора почти в 2, фтора в 7, хлора в 40, брома больше чем в 280, йода в 133. Приведенный рас­чет говорит, что названные вещества поступали из мантии в земную кору, которая насытилась ими до современных количеств. Проводником явилась магматическая деятельность — интрузивная и вулканическая (эффузивная). Насытившись, земная кора стала сама дегазировать.

 Таблица показывает, что одни вещества прошли через земную кору, как сквозь экран, другие задержались в земной коре. Азот, вода и угле­кислый газ достигли атмосферы; хлор и бром оказались в больших количествах в гидросфере; бор, фтор (и йод) в основной массе распре­делились в земной коре; сера находится главным образом в мантии в виде сульфидов тяжелых металлов (преимущественно железа). Но еще очень большие количества легколетучих газов остались в мантии, и она до сих пор продолжает снабжать ими земную кору, а через нее и поверхность Земли. А. П. Виноградов считает, что этим процессом выплавления и дегазации охвачена мантия по крайней мере до глубины глубокофокусных землетрясений, т. е. до 800—900 км.

Одни исследователи полагают, что данный процесс шел в течение всей истории Земли примерно одинаково. Другие допускают более слож­ное явление, сопряженное с общим развитием Земли и, возможно, не­равномерное. Приняв это допущение, мы принуждены будем говорить об изменении состава атмосферы и океана после вступления Земли в геологическое существование. В наиболее удаленное время в атмо­сфере не было достаточного количества кислорода, вследствие чего на поверхности Земли были восстановительные условия. Но это было, по- видимому, геологически очень короткое время. Резкие изменения состава атмосферы и океана затухли, возможно, 3—2 млрд, лет назад, когда тепловая обстановка на поверхности Земли приблизилась к современ­ной. К тем временам относят появление организмов, создавших карбо­натные породы, окисленных железных руд и других следов деятельности кислорода, начавшего поступать в атмосферу фотосинтетическим путем.

Вместе с дегазацией легколетучих веществ из внутренних областей Земли, из ее мантии шло выплавление легкоплавких материалов, и по­степенно строилась земная кора.

Современная земная кора состоит из базальтового и гранитного слоев, покрытых толщей позднее образовавшихся осадочных пород. Базальтовый слой прослеживается по всему земному шару. На конти­нентах мощность базальтового слоя 10—20 км, на дне океанов около 5—10 км. Гранитный слой имеет среднюю мощность около 15 км и по­крывает лишь половину земного шара. Этот слой отсутствует на дне Тихого океана и в глубоких впадинах Атлантического и Индийского океанов.

Гранитный слой имеет наибольшую мощность в континентах, обна­жаясь на дневную поверхность в районах докембрийских щитов; породы их имеют возраст не менее 3 млрд, лет, что определено по древнему свинцу. Он известен на всех современных материках: Евразии, Африке, Америке, Австралии.

Замечательно постоянство химического состава базальтов и грани­тов, что, несомненно, указывает на однообразие процессов и исходных веществ мантии, послуживших для образования обоих слоев.

Земная кора на глубине 35—40 км на континентах отделяется от мантии поверхностью раздела, так называемым слоем Мохоровичича.

Мантия мощностью около 2800 км более бедна кремнеземом (БЮг) и богата MgO и FeO. О составе ее прямых данных нет, и он условно принимается отвечающим составу каменных метеоритов. В таком случае в силикатной части будет 75% перидотитовых минералов и 25% ба­зальта или гранита. Следовательно, мантия —это оболочка из ультра- основных пород.

В мантии с глубиной увеличивается плотность пород, повышается температура их плавления и возрастает растворимость в них других веществ, что обусловливает возможность химических реакций в системе твердое = твердое. При давлениях же порядка 10³—10⁵ атмосфер дефор­мируются электронные оболочки атомов, и их внутренняя энергия сильно растет. Увеличившаяся подвижность внешних электронов приводит к тому, что вещество приобретает металлоподобные свойства.

По скорости прохождения поперечных и продольных сейсмических волн в мантии различают несколько зон (табл. V):

Многие исследователи считают зону В состоящей из дунитов или оливинов. Частично в зоне С, главным же образом в зоне D с их огром­ными давлениями значительно увеличивается плотность, уменьшается объем и происходят, как полагают одни, полиморфические изменения, например превращение орторомбической формы оливина в кубическую; другие же думают, что происходит распад оливина на отдельные окиси — MgO и SiOo с более плотной упаковкой молекул типа корунда или ру­тила. Единственная порода мантии — дунит — выходит на поверхность Земли в областях глубоких разломов земной коры. Все известные ду- ниты содержат редкие элементы: щелочи, Sr, Be, Qa, U, Th и многие другие.

Ядро Земли составляет по весу 45% планеты. Большинство ученых считает ядро состоящим из сплава железа (Fe) и никеля (Ni). Оно не могло образоваться за счет железа одних каменных метеоритов. Следо­вательно, вещество Земли до распадения его на оболочки являлось ме­теоритным из железа и силикатов, т. е. из вещества железных и камен­ных метеоритов.

Земная кора —продукт выплавления и дегазации вещества мантии с последующей его глубокой дифференциацией— поражает очень малой мощностью, составляющей меньше 1 % по отношению к Земле. Однако расчеты показали, что мощность коры не должна быть большей, так как зависит от радиуса планеты.

Легкоплавкие и легколетучие вещества, шедшие на построение зем­ной коры, как уже говорилось, доставлялись из мантии при интрузиях и эффузиях магмы. При выплавлении и дегазации на первом месте стояла интрузивная деятельность, особенно сильная в докембрии, когда образовалось 90% всех гранитов.

Для суждения о скорости процесса выплавления и дегазации лег­коплавких и легколетучих веществ из мантии А. П. Виноградов приводит следующий расчет: «Если бы земная кора наращивалась равномерно        в течение 5 млрд, лет, то годичный прирост составил бы 0,001 см. За 5 млн. лет она приращивала бы по 1 см в год. И только если бы процесс I          закончился в течение 5 тыс. лет, она росла бы со скоростью 10 ж в год». Здесь изложена одна из последних схем догеологического развития Земли. ¹ При расчетах толщина земной коры принята равной 50 км