Вопрос 28. Гидросфера Земли и ее происхождение и структура.
+ Учебник - А.П. Шубаев – стр. 213!!!!!!!
Гидросфера – это водная оболочка Земли.
Гидросфера появилась на завершающем этапе формирования планеты.
Ориентировочные подсчёты показали, что масса гидросферы составляет около 7% массы базальтовой коры.
К началу палеозоя гидросфера Земли приобрела объём, близкий к современному, и с тех пор он существенно не изменился.
Общий объём гидросферы – 1 386 484 610 км3.
Структура гидросферы.
Гидросфера состоит из Мирового океана, вод суши – рек, озёр, ледников, а также подземных вод, которые залегают всюду на материках, на дне озёрных и морских впадин и под толщей водных льдов.
Гидросфера непрерывна и двуслойна. Верхний слой образован наземными водами, нижний слой состоит из подземных вод.
Гидросфе́ра (от др.-греч. — вода и — шар) — это водная оболочка Земли.
Она образует прерывистую водную оболочку. Средняя глубина океана составляет 3800 м, максимальная (Марианская впадина Тихого океана) — 11 022 метра. Около 97 % массы гидросферы составляют соленые океанические воды, 2,2 % — воды ледников, остальная часть приходится на подземные, озерные и речные пресные воды. Общий объём воды на планете около 1 532 000 000 кубических километров. Масса гидросферы примерно 1,46*1021 кг. Это в 275 раз больше массы атмосферы, но лишь 1/4000 от массы всей планеты. Гидросферу на 94% составляют воды Мирового океана, в которых растворены соли (в среднем 3,5%), а также ряд газов. Верхний слой океана содержит 140 трлн тонн углекислого газа, а растворенного кислорода — 8 трлн тонн. Область биосферы в гидросфере представлена во всей ее толще, однако наибольшая плотность живого вещества приходится на поверхностные прогреваемые и освещаемые лучами солнца слои, а также прибрежные зоны.
В общем виде принято деление гидросферы на Мировой океан, континентальные воды и подземные воды. Большая часть воды сосредоточена в океане, значительно меньше — в континентальной речной сети и подземных водах. Также большие запасы воды имеются в атмосфере, в виде облаков и водяного пара. Свыше 96 % объёма гидросферы составляют моря и океаны, около 2 % — подземные воды, около 2 % — льды и снега, около 0,02 % — поверхностные воды суши. Часть воды находится в твёрдом состоянии в виде ледников, снежного покрова и в вечной мерзлоте, представляя собой криосферу.
Поверхностные воды, занимая сравнительно малую долю в общей массе гидросферы, тем не менее играют важнейшую роль в жизни наземной биосферы, являясь основным источником водоснабжения, орошения и обводнения. Сверх того эта часть гидросферы находится в постоянном взаимодействии с атмосферой и земной корой.
Взаимодействие этих вод и взаимные переходы из одних видов вод в другие составляют сложный круговорот воды на земном шаре. В гидросфере впервые зародилась жизнь на Земле. Лишь в начале палеозойской эры началось постепенное переселение животных и растительных организмов на сушу. Океаническую кору слагают осадочный и базальтовый слои.
Молодая Земля в катархее была лишена как гидросферы, так и плотной атмосферы, поэтому естественно предположить, что эти внешние подвижные геосферы возникли благодаря ее дегазации, которая могла начаться лишь после возникновения в недрах процессов дифференциации земного вещества и появления первых признаков эндогенной тектономагматической активности на поверхности около 4000 Ма. Дегазация мантии зависела не только от тектонической активности, определяемой интенсивностью конвективных движений в мантии, но и от ее химического состава.
В протерозое и фанерозое после окончания процесса формирования земного ядра понятия “конвектирующая мантия” и просто “мантия Земли” совпадают, но в архее это было не так. Под конвектирующей мантией в архее понимают только участки земной оболочки, прошедшие дифференциацию и охваченные конвективными течениями. В раннем архее конвектирующая мантия была тонкой, но постепенно увеличивалась по массе и скорее всего существовала в виде кольцевой геосферы под экваториальным поясом Земли. Только к концу архея она превратилась в полностью сферическую оболочку.
После опубликования работы В.Руби (Rubey, 1951) о геологической истории морской воды, стало общепризнанным представление о том, что происхождение гидросферы и накопление воды в океанах полностью определялось дегазацией мантии и, таким образом, зависело от эндогенных режимов развития Земли. В большинстве работ предполагалась ранняя дегазация Земли, начавшаяся сразу же после ее возникновения, закономерности накопления воды в океанах обычно носили умозрительный характер и полностью исключали количественный подход.
С появлением теории тектоники литосферных плит и особенно после разработки основ концепции глобальной эволюции Земли возникла реальная возможность количественного описания процессов формирования океанов (Сорохтин, 1974, 1979). В этих моделях учитывалось, что скорость дегазации Земли прямо пропорциональна скорости конвективного массообмена в мантии, а главный вклад в мантийную конвекцию вносит наиболее мощный энергетический процесс – гравитационная химико-плотностная дифференциация на плотное окисно-железное ядро и остаточную силикатную мантию. Позднее Монин, Сорохтин, 1984; Сорохтин, Ушаков, 1991 опубликовали более совершенные модели формирования гидросферы, основанные на бародиффузионном и зонном механизмах дифференциации земного вещества, где дегазация Земли могла начаться позже времени ее образования приблизительно на 600 Му только после предварительного прогрева первоначально холодных земных недр до температуры начала плавления силикатов и возникновения у молодой Земли первой астеносферы.
У молодой Земли отсутствовала гидросфера, а атмосферы была разреженной и состояла из азота и благородных газов. Все летучие элементы и соединения, входящие сейчас в состав этих геосфер, находились тогда еще в недрах в связанном состоянии.
Дегазация началась только после расплавления земного вещества в ее верхних слоях, возникновения первых конвективных движений в верхней мантии и разрушения первозданной литосферной оболочки, т.е. после начала тектономагматической активности Земли около 4 000 Ма.
Первичная дегазация мантии, по-видимому, связана со снижением растворимости летучих компонентов в силикатных расплавах при относительно малых давлениях. В результате излившиеся на поверхность Земли мантийные расплавы, в основном базальты, а в архее и коматитовые магмы, вскипали, отдавая излишки летучих элементов и соединений в атмосферу. Кроме того, часть летучих могла освобождаться и при выветривании изверженных пород после их разрушения в поверхностных условиях, однако главным механизмом дегазации воды все-таки является снижение ее растворимости при охлаждении и кристаллизации водосодержащих базальтовых расплавов при низких давлениях. При кристаллизации базальтов происходит выделение растворенной в базальтовых расплавах воды.
Отсюда следует, что скорость дегазации Земли пропорциональна массе изливающихся на земную поверхность в единицу времени мантийных пород, содержанию в них летучих компонентов и их подвижности. В первом приближении скорость излияния мантийных пород пропорциональна тектонической активности Земли, определяемой ее суммарными теплопотерями или производной по времени от тектонического параметра Земли. Скорость дегазации мантии оказывается пропорциональной содержанию в мантии данного компонента, его показателю подвижности и скорости конвективного массообмена в мантии.
В архее все силикатное вещество конвектирующей мантии вместе с содержащимися в нем летучими компонентами неизбежно проходило через слой расплавленного железа. При этом окислы, обладавшие меньшей теплотой образования, чем оксид двухвалентного железа (63,64 ккал/моль), должны были диссоциировать, отдавая свой кислород на окисление железа до двухвалентной закиси. Теплота образования водяного пара (флюида) равна 57,8 ккал/моль, а углекислого газа – 94,05 ккал/моль. Следовательно, пары воды, проходя через слой расплавленного железа в архейских зонах дифференциации земного вещества, должны были диссоциировать (с поглощением кислорода железом), тогда как углекислый газ мог беспрепятственно пересекать этот слой зонной дифференциации. В архее показатель подвижности воды был существенно меньшим, чем в послеархейское время, тогда как для углекислого газа показатель подвижности мог оставаться постоянным для всего времени его дегазации из мантии. Вместе с водой на расплавах железа в архее диссоциировали и многие другие окислы и сульфиды с малой величиной теплоты образования, восстанавливаясь при этом до свободных элементов.
Для количественного решения задачи необходимо определить граничные условия. Первым из краевых условий может быть суммарная масса воды, содержащаяся в современном океане, континентальной и океанической коре, вместе взятых. Используя наиболее вероятные значения массы воды в океане, а также данные по содержанию воды в земной коре из работ А.Б. Ронова и А.А. Ярошевского (1967), принимается следующие значения масс воды в гидросфере: в океане 1,372•1024 г, в континентальной коре вместе с континентальными водами и ледниками 0,446•1024 г. Для океанической коры принимается трехслойное строение, включая осадочный слой со средней мощностью 0,5 км и плотностью 2,2 г/см3; слой, объединяющий базальты, долеритовые дайки и габбро общей мощностью 4 км и плотностью 2,9 г/см3; серпентинитовый слой мощностью 2 км и плотностью 3 г/см3. Считается, что в осадках содержится до 20% воды, в базальтах и габбро – около 2,5 и в серпентинитах – до 11% связанной воды. Тогда общее содержание воды в современной океанической коре приблизительно равно 0,358•1024 г. Всего же во внешних геосферах Земли (в гидросфере) сейчас содержится 2,176•1024 г воды. Это количество воды было дегазировано из недр Земли за все время ее геологической жизни за последние 4 млрд. лет истории планеты.
Это утверждение не совсем справедливо, поскольку часть попавшей на земную поверхность воды диссоциировала при гидратации пород океанической коры, часть диссоциировала в верхних слоях атмосферы под влиянием солнечного излучения, а в протерозое и фанерозое значительная часть воды по зонам субдукции постоянно возвращалась в мантию. Однако если принимать во внимание не абсолютную массу, а только ее эффективное значение, равное разности масс дегазированной и субдуцированной воды, то все расчеты остаются в силе, лишь эффективное значение показателей подвижности окажется несколько меньшим их реальных значений.
Таким образом, принимаем, что в настоящее время во внешних геосферах Земли (в океанах, континентальных водах и запасах льда, в океанической и континентальной коре) находится около 2,176•1024 г воды.
Для определения второго краевого условия – суммарной массы воды на Земле необходимо оценить ее массу в современной мантии. Проблема определения концентрации воды в мантийном веществе сама по себе является фундаментальной для глобальной петрологии и, к сожалению, еще не решена из-за того, что практически все мантийные породы, попадающие на поверхность Земли, тут же (еще в процессе подъема и вывода на поверхность) интенсивно контаминируются поверхностными водами. Даже самые глубинные ксенолиты, например гранатовые перидотиты или эклогиты кимберлитовых трубок взрыва, на поверку оказываются лишь осколками древней океанической коры, затянутой на большие глубины под континенты по бывшим зонам субдукции (Сорохтин, 1985; Сорохтин, Митрофанов, Сорохтин, 1996). Тем не менее свежие базальты океанических островов, несмотря на возможность захвата ими морских вод, фильтрующихся через тела стратовулканов, содержат очень мало воды – не более 0,3% ОН (Йодер, Тилли, 1965). По этим и другим соображениям теоретического характера, большинство современных петрологов, изучающих горные породы мантийного происхождения, склонны считать, что воды в мантии исключительно мало. Так, А. Рингвуд (1981) принимает, что в мантии содержится около 0,1% воды, В.А. Пугин и Н.И. Хитаров (1978) считают, что ее меньше 0,025–0,1%.
Структура: подводная окраина материков (шельф, материковый склон и материковое подножие), переходные зоны от океана к материку, в частности системы островных дуг со свойственным им интенсивным вулканизмом и сейсмичностью; ложе океана и срединно-океанические хребты. Дно океана образует земная кора океанического типа с малой мощностью (8-10 км) и отсутствием гранитно-метаморфического слоя. Ложе океана сложено базальтами; на них залегает чехол глубоководных осадков, мощность которых уменьшается, а подошва омолаживается по направлению к срединно-океаническим хребтам.
Вертикальная структура: океан: 100-200м – зона мах продуктивности, базис действия волн. Озеро: зона ФС, эпилюмнион (гидробиологически активен), термоклин, гиполюмнион (практ.безжизненный).