ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СФЕР ЗЕМЛИ

Поверхностные сферы Земли - гидросфера и биосфера оказывали огромное влияние на функционирование и развитие литосферы на всех этапах ее эволюции.
Представления об эволюции поверхностных сфер в значительной степени зависели от тех гипотез, которые были положены в основу этих представлений.

В поисках путей генезиса современной атмосферы было установлено, что в земной атмосфере относительные концентрации Н, С, N, S, С1 и инертных газов ниже солнечной и эта разница варьирует от двух (С1) до более 10 (Ne). Не найдя сколько-нибудь разумного объяснения указанному расхождению, X. Браун (1950) пришел к выводу, что не следует связывать происхождение земной атмосферы с солнечным небулярным газом, и предположил вторичное происхождение земной атмосферы. В.В. Руби (1951) суммировал все летучие компоненты современной атмосферы, гидросферы и стратисферы и обнаружил, что полученный им состав по содержанию Н20, С02, Cl, N, S, Н, В, F, Вт в главных чертах близок составу вулканических газов. Из этого Руби заключил, что атмосфера Земли и гидросфера Земли образовались в течение геологического времени в результате дегазации мантии. Однако состав вулканических газов резко отличается от состава современной атмосферы (табл. 66), что определяется эволюцией первичной атмосферы под решающим влиянием живых организмов биосферы.
В атмосферу первичной Земли поступали: Н20, СО, С02, Cl, СН,, NH3, S, H2S, НС1, HF, а также Аг, He и др. Эти газы и составляли первичную атмосферу Земли, хотя их количественные отношения, по мнению Г.В. Войткевича (1979), вряд ли удастся выяснить.
В.В. Руби считал, что углекислота и азот были, по-видимому, господствующими газами в древней атмосфере. Анализ пузырьков воздуха из архейских кварцитов Алданского щита, проведенный Л.И. Салопом, показал, что углекислотный газ составил 60%, остальное приходилось на H2S, S02, NH3 и кислые дымы (НС1 и HF).
Состав атмосферы Земли в значительной степени регулировался температурой поверхности Земли. А.П. Виноградов (1957) выделил три этапа эволюции первобытной атмосферы (табл. 67).
Крупные изменения в составе атмосферы были связаны с изменением содержания кислорода в атмосфере. Кислород, по- видимому, присутствовал с самого начала формирования атмосферы, которая поэтому никогда не была ультравосстановительной. Следы деятельности кислорода как окислителя установлены в осадках возраст которых более 3 млрд. лет.
По представлениям М. Руттена, А.П. Виноградова, кислород в количестве 0,001% (уровень юры) от содержания его в современной атмосфере образовался за счет фотодиссоциации воды в высоких горизонтах атмосферы около 3 млрд, лет назад. Увеличение его количества до уровня Пастера (0,01% от современного содержания) произошло в среднем докембрии (2,5 млрд, лет т.н.) Уровень же содержания кислорода, при котором организмы способны переключиться на дыхание, был преодолен в позднем протерозое - около 1 млрд, лет назад, за счет фотосинтеза растений.
Несколько иные данные получены Л. Беркнером и Л. Маршаллом. В абиогенную эпоху, по их расчетам, содержание кис-
Таблица 66
Сравнительный состав вулканических газов и современной атмосферы

Компоненты	Вулканические газы	Современный состав сухого воздуха атмосферы, в %
н2о	57,8	-
со2	23,0	0,030
S2	12,6	-
n2	5,7	78,09
Аг	0,3	0,93
Cl	0,1	-
о2	-	20,95
Другие соединения	0,5
Всего	100,0	100,0

Таблица 67
Основные этапы эволюции атмосферы (по А.П. Виноградову, 1964)

Температура поверхности Земли, °С	Состав атмосферы
Температура поверхности Земли, °С	Главные компоненты	Второстепенные компоненты
100	Н20	N„ NH„ В(ОН)., СО, С02, СН4, HC1.TIF, инертные газы
100-20	N2	со2, со, сн4, о2 инертные газы
20-10	o2n2	Аг, С02 и другие

лорода не превышало 0,1% современного количества. Первые одноклеточные организмы, осуществившие фотосинтез, возникли около 2,7 млрд, лет тому назад. При содержании кислорода 1% от современного, около 600 млн. лет назад, начал создаваться озоновый экран.
При достижении содержания кислорода около 10% современного, около 400 млн. лет тому назад, был создан озоновый экран, и жизнь могла развиться на поверхности воды и суши. Описанные представления о резком различии содержания в атмосфере кислорода в фанерозое и протерозое, не могут объяснить близости осадочных пород фанерозоя и протерозоя, которая предполагает и близкие условия среды их формирования. Как показал В.И. Бгатов (1985), свободный кислород в газовой фазе появился на Земле в раннем докембрии в результате дегазации базальтовой магмы, подобно тому, как появились в атмосфере другие газы. Предположение Бгатова подтверждается анализами и закономерностью распространения кислорода в океане. По данным Бгатова, магма является тем первым мощным источником кислорода в природе, который определяет количество и качество его в атмосфере совместно с появившимся несколько позднее кислородом фотосинтеза.

В настоящее время многие литологи и геохимики пришли к выводу, что кислород в ощутимых количествах в атмосфере был уже в глубоком докембрии, иначе нельзя объяснить происхождение гематиткремнистых сланцев, высокоглиноземистых сланцев и других пород, образованных из продуктов высшего окисления коры выветривания.
Ю.Б. Казанский обнаружил кислород в газовых включениях в кремнистых породах среднего архея. В средине же протерозоя, по его данным, количественный состав атмосферы по основным газам был близок к современному. В.И. Виноградов (1983) при изучении изотопного состава серы в осадочных породах Восточной Сибири, констатировал, что концентрация кислорода в земной атмосфере в течение 3 млрд, лет была близка к современной. В общем, на каком-то точно не установленном этапе эволюции атмосферы количество освобождаемого кислорода стало равно количеству поглощаемого и установилось стационарное динамическое равновесие между атмосферой, гидросферой и литосферой.
Изучение кор выветривания и химической структуры осадочных пород дает возможность предположить, что это событие произошло 1,6 млрд, лет назад, при переходе от раннего к позднему протерозою.
Гипотеза постепенной относительно равномерной дегазации мантии была положена в основу происхождения океанов. Г.К. Юри (1952) предполагал, что в начале геологической истории количество воды на Земле составляло всего 5-10% от объема современного океана. Гипотезу постепенного формирования вод океана за счет дегазации мантии поддержали большинство ведущих ученых средины XX века. Среди них А.П. Виноградов, А. Полдерварт, Н.М. Страхов, В.П. Дерпгольц, К.К. Марков. А. Пенк (1980), позже Е.К. Мархинин (1980) сделали расчеты, как общего объема вод океана, так и скорости поступления ювенильной (мантийной) воды в океан. В этих расчетах Е.К. Мархинин принимал, что из мантии при вулканических извержениях высвобождается в среднем 3-4% воды от массы извергающейся магмы. При этих условиях за время формирования земной коры из мантии должно было поступить от 854*1015до 1138* 1015 т воды. Кроме того, вода из мантии, по предположению Е.К. Мархинина, выносится в составе горячих источников газопаровыми струями. Этот источник воды, по расчетам Е.К. Мархинина, дал 9-1017т. В сумме вулканы, горячие источники и сольфаторы дали 18-1017 т воды. Так что дегазация мантии могла дать весь объем воды гидросферы, равный 16* 1017 т,
При равномерном поступлении ювенильных вод уровень океана должен повышаться на 0,001 мм в год, или 1 мм за 1000 лет.
Таким образом, гипотеза образования океана за счет постепенной дегазации мантии приняла вид теории и вошла в учебники по геологии, океанологии и географии. Однако во второй половине XX века было установлено, что многие аспекты постепенной дегазации мантии как основы образования атмосферы и океана несовместимы с наблюдаемыми фактами. К таким фактам относятся: широкое распространение осадочных пород в нижнем архее (3,8-3,5 млрд, лет н.), близких по составу к современным, что дает возможность предположить несущественную разницу в условиях осадконакопления (Озима, 1990).
Важнейшим же фактором, который опровергает гипотезу постепенной дегидратации мантии, явились данные изотопного анализа вулканических и гидротермальных вод. Как было показано в пятой главе, все или, по крайней мере, большая часть этих вод имеет поверхностный генезис. В.И. Виноградов (1985), кроме того показал, что состав карбонатов по углероду и кислороду находится в изотопном равновесии в течение всего обозримого времени, вплоть до самых древних из известных метасоматических пород.
Современная дегазация мантии по своим масштабам ничтожна, а реальные выходы вулканических газов связаны с ремобилизацией и циклическим круговоротом воды в верхних
оболочках Земли. Эти и другие факты позволили Ф.П. Фе- нейлу (1971), В.И. Шульдинеру (1980) и другим прийти к выводу, что атмосфера и гидросфера образовались в течение краткого промежутка времени на заключительных этапах развития Земли. Это положение согласуется с принятой в настоящее время гипотезой аккреции Земли, которая предполагает последовательную конденсацию вещества Земли, связанную с падением его температуры.
Тем не менее, химический состав океанических вод не оставался постоянным. На первом этапе своего развития, в соответствии с общей геохимической обстановкой того времени, воды океана были кислыми, за счет растворенных кислых газов (НС1, HF), хлоридными и восстановленными.
Развитие фотосинтеза коренным образом изменило геохимию океана - он стал окислительным и щелочным, в нем появились сульфаты.
В фанерозое под влиянием живого вещества понизилось содержание С02; вода стала щелочной и хлоридно-сульфат- ной. Соленость океана периодически изменялась. В эпохи га- логенеза она возрастала. Но общее колебание солености было незначительным при удивительном постоянстве соляного состава, который показывает, что океан находится в стационарном динамическом равновесии с литосферой и атмосферой как по своему химическому составу, так и по количеству образующих его вод. Вопрос лишь в том, когда наступило это равновесное состояние. В.И. Вернадский (1984) считал, что масса воды на поверхности Земли в течение всей геологической истории планеты была неизменна.
В свете последних данных точка зрения В.И. Вернадского находит определенные подтверждения. Однако стационарное состояние в системе атмосфера - гидросфера - литосфера установилось лишь на более поздних этапах развития этой системы. Возникновение такого равновесия приходится на время от конца верхнего архея до середины протерозоя, когда установилось определенное постоянство в круговороте вещества верхних сфер Земли и земная кора достигла равновесного структурного состояния.

<< | >>

↑

Источник: Гришанков Г. Е.. Литосфера: структура, функционирование, эволюция.. 2008

Еще по теме ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СФЕР ЗЕМЛИ:

- География - Землеведение - История Земли - Почвоведение -