Возникновение и эволюция гидросферы
Деятельность воды в механизме всей земной коры совершенно решающая; особенно ярка она в биосфере.
В. И Вернадский
Океаны, бывшие долгое время «белыми пятнами» на картах по исторической геологии, становятся наиболее надежными источниками информации о природе Земли в геологическом прошлом.
А.П. Лисицын
ОКЕАН - ГЛАВНЫЙ КОМПОНЕНТ ГИДРОСФЕРЫ
Наличие гидросферы является наиболее характерной чертой Земли, причем ничего подобного нет ни на одной из известных планет Солнечной системы. Только наша планета имеет такую температуру поверхности, которая позволяет воде существовать во всех трех агрегатных состояниях. По этому поводу В.И. Вернадский (1965) писал: «Вся масса воды и в жидкой, и в газообразной, и в твердой форме находится в непрерывном движении, переполнена действенной энергией, сама вечно меняется и меняет все окружающее. Картина видимой природы определяется водой».
Мировой океан как основная составляющая часть гидросферы занимает 361 млн. км2 (около 71% земной поверхности), обладая огромным объемом воды (1,37 млн. км3), что составляет 94% объема всей гидросферы Земли. Вода в океане находится в постоянном движении, при этом особую роль играют морские течения. Помимо горизонтальной циркуляции вод в океане существует и вертикальная. Циркуляция вод связывает воедино массы океана, что и определяет единство природной среды гидросферы.
Вода океанов представляет собой уникальный природный раствор, в котором находятся все элементы таблицы Менделеева. В океане масса солей составляет 4,8 Χ 1018 т. В каждом литре морской воды растворено в среднем 35 г солей. Среди основных компонентов, определяющих соленость, выделяются наиболее распространенные или главные ионы морской воды (табл. 28). Видно, что 97% солености вод океана обусловлено 4 ионами: хлоридом (55,2%), натрием (30,4%), сульфатом (7,7%) и магнием (3,7%). Вообще в морской воде содержится около 80 химических элементов, однако только 12 из них имеют концентрацию свыше 1 млн. -1 (хлор, натрий, магний, сера, кальций, калий, бром, углерод, стронций, бор, кремний, фтор). Эти элементы, как и большинство других, находятся примерно в одинаковых пропорциях по отношению друг к другу. В морской воде в весьма малых количествах находятся (концентрация в мг/л):
Таблица 28
Главные ионы морской воды (при 34,4%-ной солености)
| Ионы | Концентрация | |
| г/кг | % | |
| Катионы: | ||
| Натрий (Na+) | 10,47 | 30,4 |
| Магний (Mg2+) | 1,28 | 3,7 |
| Кальций (Са2+) | 0,41 | 1,2 |
| Калий (K+) | 0,38 | 1,1 |
| Стронций (Sr2+) | 0,013 | 0,05 |
| Анионы: | ||
| Хлорид (Сl-) | 18,97 | 55,2 |
| Сульфат (SO42-) | 2,65 | 7,7 |
| Бромид (Вr- ) | 0,065 | 0,2 |
| Бикарбонат (НСО3-) | 0,14 | 0,4 |
| Борат (ВО3) | 0,027 | 0,08 |
серебро – 1 Χ 10-5, ртуть - 3 Χ 10-5, золото – 4 Χ 10-7, радий 7 Χ 10-11, радон - 6 Χ 10-16 и др. (Шопф, 1982). Повышенная концентрация солей в морской воде сказывается на многих ее свойствах - увеличивает плотность, повышает точку кипения, понижает температуру замерзания, способствует перемешиванию вод и, вследствие этого, проникновению кислорода на самые большие глубины. Растворенные компоненты морской воды участвуют в двух основных круговоротах. Один круговорот в виде уравновешивающих переносов воды и всей массы растворенных веществ обеспечивает изменение солености. В другом круговороте происходит движение тех веществ, входящих в состав морской воды, которые необходимы для жизнедеятельности организмов. Величины концентрации больше всего изменяются у так называемых биофильных элементов морской воды фосфора и азота. Они в воде находятся главным образом в составе фосфатов (РО43-) и нитратов (NO31-), которые превращаются морскими организмами в органические соединения и переходят в тело гидробионтов. Именно азот и фосфор лимитируют жизнеобеспечивающую систему в океане.
Благодаря большой теплоемкости воды океанов являются глобальным терморегулятором, тем самым определяя климат нашей планеты. Однако роль океана этим не ограничивается. Мировой океан, обладая огромной массой воды, большим количеством взвешенных и растворенных минеральных и органических веществ, участвует в глобальном обмене компонентами с сушей и атмосферой. Очевидно, во многих крупных геологических процессах, происходящих на поверхности Земли (выветривание, накопление осадков и пр.), существенную роль играет океан. Изучение океана помогло понять сущность многих процессов на поверхности континентов и установить важнейшие этапы эволюции Земли. Поэтому в последние годы возникло новое направление в океанологии - палеоокеанология, которая занимается вопросами реконструкции океанской среды в геологическом прошлом. Об успехах этого направления свидетельствует книга американского ученого Т. Шопфа «Палеоокеанология» (1982), в которой изложены современные методы изучения отдельных параметров (батиметрия, течения, температура, химический состав и др.) водной толщи океана в прошлом.
Итак, Мировой океан появился на нашей планете более 1 млрд. лет назад и претерпел сложную эволюцию. Его история за последние 150 млн. лет более детально изучена в связи с глубоководным бурением (Геологическая история океана, М., Наука, 1980). Возникает вопрос: откуда на поверхности Земли появилась колоссальная масса воды и растворенных в ней солей?
ПРОИСХОЖДЕНИЕ ГИДРОСФЕРЫ
Современный облик гидросферы результат длительной геологической истории нашей планеты. История воды связана с историей летучих веществ. Так, следует считать, что составные части первичной атмосферы и вод Мирового океана относятся к летучим веществам. Поэтому вполне естественно, что они интенсивно мигрировали в процессе химической дифференциации Земли, устремляясь в верхние горизонты и образуя легкие оболочки. Согласно современным представлениям, основанным на космохимических и геохимических данных, пары воды и газы первичной атмосферы некогда находились в недрах Земли и поступили на ее поверхность в результате внутреннего разогрева с наиболее легкоплавкими веществами мантии в процессе вулканической и магматической деятельности.
Длительное время считалось, что первично расплавленная Земля на ранних этапах своего развития была окутана мощной атмосферой с парами воды, а при последующем охлаждении произошла конденсация паров в жидкую воду. Выпали дожди, образовав водную массу Мирового океана, которая первоначально при таком способе образования была пресной. Соленой и минерализованной океаническая вода стала позже, в результате сноса растворенных веществ с поверхности континентов в течение длительного геологического времени. Но подобные представления о формировании гидросферы, имевшие в свое время большую популярность, противоречат полученным новейшим данным.
Следует отметить, что Земля как и все внутренние планеты, характеризуется очень малым количеством летучих веществ. Масса гидросферы составляет 0,024% общей массы Земли, а современной атмосферы 0,00009%! Присутствие на Земле столь малого количества летучих связано со способом и местом образования нашей планеты в той части первичной туманности, где их было мало.
Вода (жидкая - твердая) относится к самым поздним конденсатам солнечной туманности и могла осесть в виде космического снега на поверхность некоторых планет, в частности крупных спутников Юпитера и Сатурна. Именно эти спутники (Ганимед, Европа, Каллисто, Титан и др.) покрыты в настоящее время ледяными оболочками. Не исключена возможность, что именно такой способ появления воды в составе Земли объясняет ее количество. Однако, более правдоподобным является поступление воды в состав новорожденной Земли в связи с химическими процессами на завершающих этапах остывания солнечной туманности. Вода и углекислый газ как компоненты солнечной туманности долгое время пребывали в виде молекул, когда преобладающая часть конденсатов уже сформировалась в виде пылевых частиц. Поэтому оставшиеся газы в туманности в какой-то мере поглощались пылевыми частицами путем различных химических реакций и путем адсорбции.
При понижении температуры газовой туманности ниже 400°К, ранее выделившиеся силикаты взаимодействовали с парами воды и превращались в гидратированные минералы. Часть оливинов Mg2SiO4 и пироксенов MgSiO3 при этом переходили в гидратированные силикаты типа серпентина Mg3Si4O10(OH)2.
Таким образом, гидратированные силикаты, присутствующие в некоторых хондритовых метеоритах, оказались скрытыми носителями такого важного летучего вещества как вода. Кроме того, следует учесть, что обладая в тонкодисперсном состоянии высокой поглощающей способностью, они могли захватывать и поглощать из окружающей среды молекулы воды совместно с молекулами обычных и инертных газов. Вероятно, адсорбция была наиболее существенным процессом, при котором оставшиеся в остывающей туманности летучие вещества поглощались пылевой фазой, а в дальнейшем попадали на планеты земного типа и родоначальные тела хондритовых метеоритов.
Можно допустить, что большая часть аргона Аr Земли находилась в ее атмосфере и по этому изотопу может быть проведен подсчет материала заключительных этапов аккумуляции. Основной вывод, вытекающий из разных изотопных расчетов, заключается в том, что при условиях гетерогенной аккумуляции нашей планеты, только материал типа углистых хондритов мог быть пригодным для обеспечения содержания земных летучих. При этом необходимо, чтобы всего лишь 2 - 6% массы нашей планеты было сложено материалом аналогичным углистым хондритам. По некоторым космохимическим и изотопным характеристикам, наиболее подходящим материалом для обеспечения земной гидросферы оказываются углистые хондриты типа С2 или подобный им материал. Следует все же отметить, что эти расчеты приблизительны. Нам неизвестно количество летучих, сохранившихся в мантии Земли. По расчетам американского геохимика Дж. Ларимера, в мантии может находиться половина земной воды.
Наличие летучих было связано со способом образования нашей планеты, преимущественно с поздним накоплением углисто-хондритового материала. Он был наиболее вероятным носителем летучих соединений и органических веществ, возникших в процессе химической эволюции солнечной туманности на заключительных стадиях ее остывания.
Проблема происхождения океана - главного компонента гидросферы - связана с происхождением как самой воды, так и растворенных в ней ионов различного типа. Поскольку вода относится к летучим веществам нашей планеты, то естественно, что ее история связана с судьбой других летучих. В связи с этим, мы можем отметить, что ряд компонентов, ныне слагающих осадочные породы литосферы, гидросферу и атмосферу, представляют собой летучие компоненты в широком смысле слова. Если сравнить их количество в составе верхних геосфер Земли, включая комплекс осадочных пород - стратисферу, с тем количеством, которое могло освободиться в процессе выветривания и переработки изверженных кристаллических пород земной коры, то получится большая разница, которая названа избытком летучих. Результаты подсчета избытка летучих, выполненных В. Руби (США), представлены в табл. 29. Из приведенных данных видно, что избыток летучих представляет собой внушительную величину, которая по отдельным компонентам в десятки и даже сотни раз превышает количество летучего материала, поступившего в результате выветривания коренных пород литосферы. Например, в избытке летучих углекислого газа в 83 раза,
Таблица 29