ГАДЕЙ или КАТАРХЕЙ (Hadean, Katarchean, Priscoan)

4.6 млрд. лет–4.0 млрд. лет (600).

Название происходит от имени Гадеса, древнегреческого бога подземного мира, указывая на «адские» условия на Земле в это время. Более старое название катархей — означает «ниже древнейшего». Это время образования Солнечной системы и Земли, как планеты. Первая геологическая эра планеты и начало ее геологической эволюции. Гадей включает все время от образования Земли за счет концентрации космического материала до появления самых древних известных пород. Никаких признаков жизни в начале эры и косвенные доказательства ее существования в конце гадея.

Условные подразделения эры на периоды

Официальных подразделений гадей не имеет из-за отсутствия геологических отложений, но иногда используются неформальные периоды Лунной геологической временной шкалы, где гадею соответствует пренектарий (Pre-Nectarian), состоящий из эр Cryptic и Basin Groups 1–9, основанных на возрасте групп лунных кратеров, что к истории Земли малоприменимо.

Имеется также альтернативная временная шкала, в которой гадей разделяется на три эры с двумя периодами каждая, и ему предшествуют эоны Chaotian и Prenephelean. Описание периодов частично основано на публикации: The Eons of Chaos and Hades, Solid Earth, Goldblatt et al. 2010.

Гефестий (Hephaestean) – вся поверхность Земли представляет собой магматический океан. Начало дифференциации ядра, мантии и будущей первичной коры. Возникновение первичной атмосферы.

Джакобий (Jacobian) – древнейшие цирконы (гранитоиды) из Jack Hills. Появление первых океанов.

Канадий (Canadian) – максимальный возраст древнейших зеленокаменных поясов. Начало образование первых прото-континентов.

Прокрустий (Procrustean) – продолжение формирования континентов.

Акастан (Acastan) – максимальный возраст гнейсов Акаста, древнейших уцелевших континентальных фрагментов.

Прометий (Promethean) – началась поздняя тяжелая бомбардировка метеоритами Земли и Луны. Прежде Promethean отождествляли с лунным периодом Nectarian, который сейчас датируется более поздним временем, полностью попадающим в архей, а границу гадея и архея проводили по времени окончания метеоритной бомбардировки. Теперь эта граница отодвинута на 100 миллионов лет назад и ассоциируется с находками первых геологических свидетельств континентальной коры, а не с метеоритами.  

Ранняя бомбардировка молодой планеты метеоритами

Планета только что сформировалась за счет аккреции холодного протопланетного газопылевого облака. Основная часть этого этапа  заняла относительно небольшое время, около 50–80 млн. лет от появления первых твердых образований в протопланетном диске 4,6 млрд. лет назад (возраст самых древних метеоритов). Земля достигла почти 99% своей массы, а молодое Солнце светило всего на 80% своей теперешней мощности.

Горячий магматический океан

Земля в основном разогревалась теплом, выделяемым при гравитационном сжатии и преобразованием кинетической энергии частиц аккреционного диска, а также мощным воздействием приливных сил от близкой Луны, ядерных реакций внутри планеты и частых столкновений с другими телами (планетезималеми) Солнечной системы. Это привело к полному расплавлению поверхности и ее погружению в расплавы верхней мантии. Вся Земля представляла собой горячий магматический океан в начале гадея.

Излучая тепло в окружающее пространство, Земля постепенно остывает

В катархее происходил довольно медленный процесс химической эволюции, предшествовавшей эволюции биологической. Когда температура поверхности снизилась до 1000ºC, участки с низкой температурой и содержащие тугоплавкие минералы консолидировались, становясь более стабильными и положили начало сборке будущей коры. Эта первоначальная кора имела базальтовый состав, в отличие современной гранитоидной континентальной коры. Она имела невысокое содержание кремнезема и скорее напоминала первичную лунную кору, которая еще сохранилась на лунных возвышенностях.

После появления первых затвердевших участков коры, ставших преградой на пути свободного выхода горячей магмы на поверхность, возник и вулканизм. Значительная геотермальная энергия находила выход в высокой постоянной вулканической активности, температура лавы достигала 1600°С (максимальная температура современной лавы 1350°С). На этом этапе метеоритная бомбардировка была еще весьма интенсивной и пробитые в коре лакуны тотчас заполнялись расплавленной магмой. Все шрамы, оставленные этой ранней бомбардировкой были полностью стерты последующий перестройкой коры.

Появляются первые затвердевшие участки поверхности

Существуют геологические и палеонтологические свидетельства того, что Земля в далёком прошлом вращалась быстрее, а лунный месяц был короче (поскольку Луна была ближе к Земле). Сутки в гадее могли составлять около 6 часов. Отдаление Луны от Земли постепенно тормозит вращение планеты и делает земные сутки все более долгими.

Первоначальная атмосфера Земли, возникшая из межзвездного газа, состояла преимущественно из водорода (H) и гелия (He). Однако гравитация Земли не могла удержать эти легкие газы (не удерживает их и сейчас) и они ускользали в межпланетное пространство, а оттуда под действием солнечного ветра эти газы вытеснялись за пределы солнечной системы. Земля первоначально не имела дифференцированного ядра (твердое внутреннее и жидкое внешнее), которое создает магнитное поле планеты, отклоняющее солнечный ветер. Когда ядро выделилось при опускании тяжелых и плотных элементов типа железа вглубь и всплывании более легких силикатов наверх, возникшее магнитное поле Земли позволило удерживать газы атмосферы. Активный вулканизм способствовал образованию собственной первичной атмосферы в результате дегазации магмы, выплавляющейся при извержениях из верхней мантии.

Возникновение первичной атмосферы путем дегазации магмы и поверхностных пород

4,5 млрд. лет назад первичная атмосфера уже существовала. Содержащая метан и аммиак атмосфера давала сильный парниковый эффект, удерживая температуру на поверхности Земли около 300°С. Давление, сначала небольшое, достигло 250 атмосфер. С неба лился интенсивный поток ультрафиолета, вместо воздуха дули ветрами совершенно другие смеси газов. Эта атмосфера имела восстановительный характер. Но большое количество метана (CH₄) и аммиака (NH₃), соединений серы (H₂S и SO₂) и «кислых дымов» (HCl, HF, HBr, HJ), с примесью инертных газов поступало из недр Земли в атмосферу только до образования земного ядра. В дальнейшем из вулканических газов поступали в основном двуокись углерода (CO₂), азот (N) и водяные пары (H₂O) с примесью окиси углерода (CO) и водорода (H), и плотная атмосфера быстро окислялась за счет фотолиза. Содержимое газовых пузырьков в древнейших (катархейских) кварцитах Алданского щита показало, что качественный состав этих газов полностью соответствует вулканическим газам. Ультрафиолетовое излучение разлагало метан и аммиак, вызывая накопление углекислого газа и азота. Содержание углекислого газа в сотню раз превышало современное, а свободный кислород отсутствовал. Долгое время Земля была укрыта темными плотными облаками, пересыщенными водяными парами, пропускавшими мало света и подсвечиваемыми разрядами молний.

Потоки лавы на первых континентах

Как только затвердевшая кора остыла достаточно, чтобы удерживать воду, возник круговорот воды, вызвавший эрозию поверхности и возникновение осадочных пород. На первых континентах возникла речная сеть, перемещавшая в океан осадочный материал. Тучи проливали обильные ливневые дожди, а в атмосфере возникали невероятным штормы, терзавшие землю. Первые дожди, падая на раскаленную породу, сразу же испарялись, но это быстро охлаждало кору, до тех пор, пока вода не стала скапливаться в низинных участках земной поверхности и образовались первые океаны. Океан был кислым (а не соленым) кипятком. В гадее уровень океана был еще очень небольшим и составлял менее 10% от современного. Из атмосферы в океан ежегодно поступали миллионы тонн различных органических соединений. По мере остывания океана углекислый газ в значительных количествах растворялся в его водах, увеличивая его кислотность и ослабляя парниковый эффект.

Возникновение первых водоемов на планете

Находки раннего гаденского возраста весьма редки и представляют собой только внеземные материалы — метеориты и лунные камни, которые сохранились в первозданном виде. Самые древние из них насчитывают 4.6 млрд. лет. На Земле же все вещество планеты еще пребывало в расплавленном состоянии, однако быстро остывало.

4,45 млрд. лет назад — стали формироваться твердые элементы поверхности в виде тонкой нестабильной базальтовой корки, но стратиграфических свидетельств этого не осталось, так как эрозия и тектоника неоднократно разрушали все твердые образования, которые были старше 4 млрд. лет, поэтому геологическая летопись гадея отсутствует. Таким образом, большую часть гадея Земля уже имела твердую поверхность, подобную континентальной коре, хотя и очень нестабильную на первых этапах. Одновременно с возникновением участков первичной континентальной коры началось их движение по поверхности земли, обусловленное конвекционными течениями магмы (тектоника плит). В гадее и архее внутренняя температура Земли была выше, чем сейчас и конвекционные процессы в мантии происходили быстрее, поэтому движение плит и процессы субдукции происходили ускоренно.

Расположение местонахождения Джек Хиллс в Западной Австралии, справа знаменитые кристаллы циркона, древнейшие минералы на Земле

4,404 млрд. лет назад — первые известные минералы из Джек Хиллс в Западной Австралии, найденные в архейских осадочных песчаниках Нарейр. Эти цирконы намного древнее содержащих их пород, но коренной их источник неизвестен. Находки кристаллов детритовых цирконов указывают на присутствие твердой коры и жидкой воды уже в это время, менее чем через 200 миллионов лет после образования планеты. Это требует и наличия атмосферы в это время. Существование жидкого океана при температуре земной поверхности 230°C было возможно из-за высокого давления атмосферы. Это также самая поздняя дата образования вторичной атмосферы в ходе дегазации коры. Образование цирконов возможно только при наличии жидкой воды, которая выделилась при дегидратизации земных пород.

Это маленький кристалл циркона из Джек Хиллс (50 мкм - ширина человеческого волоса) кристаллизовался медленно, оставляя концентрические полосы. По мере формирования кристаллов, они включают химические вещества из окружающей среды. Концентрация титана в цирконе показывает температуру, при которой формировался кристалл

Анализ относительного количества изотопов кислорода в цирконах Джек Хиллс показал, что оно смещено в сторону “тяжелого” кислорода-18 в противоположность более обычному “легкому” кислороду-16. Это означает, что осадочные породы формировались в прохладных условиях в присутствии воды на поверхности Земли. Таким образом, магма, которая, в конечном счете, дала начало цирконам, образовалась из того, что когда-то было осадочными отложениями на дне древнего первичного океана. Концентрация титана в кристаллах показывает, что цирконы из Джек Хиллс образовались при температурах 660–700°C. Этот температурный диапазон соответствует самому нижнему значению температуры, при котором начнет плавиться любая порода, нагреваемая в присутствии воды. Все это указывает на присутствие жидкой воды уже 4,4 млрд. лет назад и на более низкие температуры земной коры.

Гипотеза о том, что воду на Землю принесли падающие кометы, не получила подтверждения при сравнительном анализе изотопного состава воды в кометах и на Земле. Изотопный состав кометных водяных паров сильно отличается от состава земной воды. Этот анализ был проведен при полетах к кометам космических аппаратов (Розетта и другие).

Возникновение органических веществ в космическом пространстве

Достоверные следы жизни известны в геологической летописи Земли с того самого момента, когда возникает принципиальная возможность их фиксации. Процессы геологической и пребиотической эволюции шли одновременно, и синтез органических веществ начался еще в космическом пространстве, в протопланетном облаке, что сейчас подтверждают астрономические наблюдения газопылевых облаков в разных частях галактики. Сейчас известно очень большое количество органических соединений, существующих в космосе. Среди них метанол, метилцианид, цианид водорода, формальдегид, метан, этанол, этан, спирты, эфиры, альдегиды, карбоновые кислоты и многие более сложные образования, в том числе аминокислоты и пуриновые и пиримидиновые азотистые основания, которые в земных организмах являются структурными единицами хранения информации в РНК и ДНК. Эти вещества унаследовала и Солнечная система, изначально имея исходные ингредиенты, которые послужили основой для формирования первых живых организмов. Когда на остывающей Земле возникли первые океаны и запустились необходимые циклические реакции, создались и условия для развития жизни.

4,3–4,1 млрд. лет назад появились первые крупные участки новой гранитоидной континентальной коры. Остатки этих ранних небольших континентов называются кратонами. В дальнейшем эти кратоны образовали ядра, вокруг которых сформировались континенты. Все найденные образцы из этого времени несут следы метаморфизма при высокой температуре, но включают в себя и остатки зерен осадочных пород, подвергшихся воздействию эрозии.

Зеленокаменный пояс Нувуагиттук, Канада

4,28 млрд. лет назад — обнажения Зеленокаменного пояса Нувуагиттук на восточном берегу Гудзонова залива (Квебек). Эти обнажения представляют собой вулканические и ассоциированные осадочные породы, подвергшиеся метаморфозу в позднем архее. Однако способ датирования не уточняет к чему именно относится эта дата — ко времени формирования самих пород или к возрасту старого материала, который был переплавлен, образуя эти отложения. Возможно, что Зеленокаменный пояс начал формироваться еще 4,4 млрд. лет назад.

4,25 млрд. лет назад — наиболее древние свидетельства жизни, основанные на необычно высоком содержании легких изотопов углерода, обычного признака жизни, найдены в отложениях минералов в том же Джек Хиллс.

Тоналитовые гнейсы Акасты

4,1 млрд. лет назад — первые древнейшие скалы, обломки земной коры, находящиеся во вторичном залегании, тоналитовые гнейсы Акасты из провинции Северные Территории, Канада. Они образовались из более древних гранитоидов возрастом 4,2 млрд. лет. Большинство из них так изменены последующими метаморфическими процессами, что трудно предположить в каких условиях они были сформированы. Начало поздней тяжелой метеоритной бомбардировки.

Поздняя тяжелая бомбардировка

Поздняя тяжелая бомбардировка происходила от 4,1 млрд. лет назад до 3.8 млрд. лет назад, продолжаясь от неогадея до середины эоархея. В этот период непропорциональное большое количество метеоритов падало на все планеты земной группы (Марс, Земля и ее спутник Луна, Венера, Меркурий) в результате каких-то перестроек в Солнечной системе, возможно изменения орбит газовых гигантов. Это позволила установить радиоизотопная датировка лунных камней, привезенных экспедициями Аполло. Она подтвердила, что большинство ударных кратеров на Луне образовалось за сравнительно короткий промежуток времени.

Земля в конце гадея

Экстраполяция показывает, что за это же время на Земле образовалось 22 000 кратеров диаметром до 20 км, около 40 ударных бассейнов диаметром около 1000 км и несколько огромных ударных бассейнов диаметром около 5000 км. Это вызвало повторное расплавление участков первичной земной коры и разрушение прежних структур, однако жизнь, уже существовавшая в то время, перенесла этот катаклизм, так же, как не испарились имевшиеся океаны. Разрушение большей части континентальной и океанической коры привело к ее переплавке и возникновению новой, легкой гранитоидной коры, более богатой силикатами, так как и верхняя мантия к этому времени уже потеряла значительную часть тяжелых элементов. Первичная базальтовая кора была тяжелой и легко тонула в мантии, а новая гранитоидная была способна плавать на базальтах и поэтому была более устойчивой. Даже при серьезных катаклизмах фрагменты новой коры оставались на поверхности.

Метеоритная бомбардировка способствовала появлению новой континентальной коры

Очевидно, что катастрофичность поздней тяжелой бомбардировки сильно преувеличена, особенно если учесть, что она была растянута на огромный промежуток времени в 300 миллионов лет, что позволяло планете восстанавливаться в промежутках между ударами. Падения средних и  небольших размеров метеоритов (диаметр кратера меньше 10 км) случалось не чаще раза в 100 лет, а более крупные импакты разделял промежуток около 3000 лет.

4 млрд. лет — в результате рассеяния тепла в космическое пространство земная кора охладилась ниже 100 градусов, но океан еще долго (800 млн. лет) был теплее 90 градусов. Значительно снизилась плотность атмосферы. От этого же времени имеются геологические свидетельства субдукции, начало которой было положено значительно раньше.