Отношение избытка летучих компонентов (ЛК) к их содержанию в изверженных породах (по В. Руби, 1957)
| Летучие компоненты | Количество ЛК, поступивших при выветривании пород 1020 т | Избыток ЛК, не учтенных при выветривании пород 1020 т | Отношение избытка к поступлению |
| Н2О | |||
| С в виде СО2 | |||
| Сl | |||
| N | 0,6 | ||
| S | 3,7 | ||
| Н, В, Вr, F | 3,5 |
а хлора в 60 раз больше, чем это могло бы поступить из первичной земной коры при ее выветривании и переработке.
Итак, проведенные расчеты убедительно свидетельствуют о том, что природные газы глубин Земли играли исключительно важную роль в образовании верхних оболочек нашей планеты. Эта роль видится еще более очевидной, если сравнить состав избытка летучих с составом газов вулканов и изверженных горных пород. Сопоставление соответствующих геохимических данных говорит о том, что состав избытка летучих в главных чертах близок к составу вулканических газов, возникающих и выделяющихся из мантии Земли. Сравнение некоторых геохимических данных в пользу этого вывода представлено в табл. 30. Указанное выше обстоятельство служит серьезным основанием для одного из важнейших геохимических выводов - происхождение вод Мирового океана и газов атмосферы связано с процессами дегазации мантии Земли.
Таким образом, океан возник из паров мантийного материала, которые выделялись совместно с излияниями основных лав на поверхность первичной Земли. Установлено, что основные породы (содержание кремнезема 45 - 53%), которые составляют от 25 до 75% массы континентальной коры (по разным оценкам) и почти всю океаническую кору, были выплавлены из верхней мантии в процессе магматической деятельности.
ИСТОРИЯ ОКЕАНИЧЕСКИХ ВОД
Еще в 30-х годах нынешнего столетия В.И. Вернадский высказал мысль о глубинном магматическом происхождении морских вод. Он отмечал, что нельзя не учитывать огромного количества вод, связанных с подводными вулканическими извержениями и выходом минеральных источников на всем протяжении океанического дна. Это положение подтверждается новейшими материалами по геологической истории Земли. Вулканические и интрузивные породы составляют не менее 90% современной земной коры, а глубже
Таблица 30
Состав газов из вулканов, изверженных пород, горячих источников и избытка летучих веществ (в весовых %)
| Газы | Вулканы Калауза и Мауна – Лоа | Базальт и диабаз | Обсидиан, андезит, гранит | Фумаролы и гейзеры | Избыток летучих компонентов |
| Н2О | 57,8 | 69,1 | 85,6 | 99,4 | 92,8 |
| С в виде СО2 | 23,5 | 16,8 | 5,7 | 0,33 | 5,1 |
| S2 | 12,6 | 3,3 | 0,7 | 0,03 | 0,13 |
| N2 | 5,7 | 2,6 | 1,7 | 0,08 | 0,24 |
| Аr | 0,3 | следы | следы | следы | следы |
| Сl | 0,1 | 1,5 | 1,9 | 0,12 | 1,7 |
| F2 | — | 6,6 | 4,4 | 0,03 | следы |
| Н2 | 0,04 | 0,1 | 0,04 | 0,05 | 0,07 |
10-30 км верхняя оболочка Земли целиком слагается магматическим материалом, поступившим с еще больших глубин. Интрузивные тела, образованные в геологическом прошлом, и выведенные на земную поверхность имеют огромные размеры, в частности знаменитый Бушвельдский батолит (Южная Африка), занимающий объем около 100 тыс. км3, Ангаро-Витимский (Забайкалье) - примерно 1,5 млн. км3 и др. (Попов, 1995).
В настоящее время на нашей планете - около 800 действующих вулканов, приуроченных к сейсмическим поясам и к глубинным разломам (на дне океанов). В недалеком прошлом вулканическая деятельность была интенсивнее, о чем свидетельствуют сохранившееся на дне океана многочисленные конусы потухших вулканов. По данным Г. Менарда, только на дне Тихого океана существует около 10000 вулканических подводных гор (высотой более 1 км), на дне Атлантического океана - около 4000 вулканов и т.д. По статистическим расчетам установлено, что в течение последних 180 млн. лет на поверхность Земли ежегодно выносилось в среднем 30 км3 вулканического материала. Причем около 75% вулканических пород накапливалось на дне океанов, 20% на островах в зонах перехода от океанов к континентам и только 5% на суше. Если учесть, что океаны занимают 71% поверхности Земли, нетрудно подсчитать, что примерно 3/4 вулканических пород приходится на базальтовые плащи, подстилающие океаны.
Как уже отмечалось, происхождение вод гидросферы неразрывно связано с историей летучих веществ. Выделение последних взаимосвязано с магматическими процессами, т.е. каждое излияние базальтовой или андезитовой лавы приносило на поверхность Земли определенную порцию воды. По непосредственным наблюдениям и расчетам количество воды (в виде паров), выделяющейся при известных вулканических извержениях базальтов, колеблется обычно в пределах 3 - 5%, а в ряде случаев до 8% по отношению к массе излившихся пород. Также известны эксперименты с расплавленным базальтом: при полном расплавлении (при температуре 1000°С и давлении 5 - 10 тыс. атм.) в нем растворяется примерно 7 - 8% воды. Все эти данные позволяют утверждать, что излияние базальтов всегда приносило в результате дегазации на земную поверхность в среднем 7% ювенильной воды в виде водяного пара (Виноградов, 1967). На поверхность Земли (на первых этапах ее эволюции) из ее глубин поступали также различные газы - СН4, СО, СО2, Н3ВО3, NH3, S, H2S, HC1, HF, и небольшое количество инертных газов. Например, во время Большого трещинного Толбачинского извержения (Камчатка) в 1975-1976 гг. общий вес извергнутого магматического газа составил 6 Χ 107 т, причем 9/10 общего количества газа пришлось на Н2О. Это означает, что за время извержения вулкана из магматического расплава в биосферу Земли поступило 54 млн. т воды (Мархинин, 1980). Вместе с этой водой было выброшено (в тыс. т): хлора - 1285, фтора - 138, натрия - 41, серной кислоты - 72 и т.д.
Среди вулканических газов, формировавших первичные атмосферу и гидросферу, на первом месте стояли пары воды и углекислый газ. Если температура поверхности новорожденной Земли превышала 100°С, то вода некоторое время в парообразном состоянии формировала атмосферу. При падении температуры ниже 100°С, что вероятно происходило в полярных областях, началась конденсация воды и образование первичных водоемов. Условия поверхности планеты стали подчиняться широтной зональности в связи с особенностями распределения солнечной радиации.
Начался круговорот воды на поверхности земного шара, который привел к выносу ряда химических элементов с поверхности первичных участков суши в рождающиеся водоемы.
Первые порции воды вулканического происхождения на поверхности Земли были кислыми. Они характеризовались присутствием тех анионов, которые и сейчас находятся в морской воде, за исключением иона SO42-, возникшего позже, в связи с созданием в биосфере окислительной обстановки. Отсюда следует, что первые конденсированные воды на Земле были минерализованы, а собственно пресные воды гидросферы возникли несколько позже, в результате испарения с поверхности водоемов, т.е. в процессе естественной дистилляции.
Сильные кислоты, входившие в состав ювенильных вод, интенсивно разрушали первичные алюмосиликатные породы, извлекая из них щелочные и щелочноземельные элементы, а также катионы двухвалентных - железа и марганца. Новорожденная поверхность суши омывалась кислыми дождями и была местом гидролиза и гидратации соответствующих минералов. Такие же процессы, но несколько иного масштаба, происходили на дне водоемов, куда сносились первые продукты выветривания. При круговороте воды происходил вынос катионов Na+, К+, Mg2+, Са2+ из литосферы и значительная их часть стала задерживаться в океане. В связи с этим можно считать, что большая часть катионов океанической воды возникла как продукт выветривания первичной литосферы. В связи с интенсивной миграцией главных ионов гидросферы быстро установились их постоянные соотношения, что характерно и для современного океана.
Восстанавливая эволюцию гидросферы, следует отметить динамический характер всей водной оболочки Земли в целом. Если учесть современную интенсивность круговорота воды через атмосферу при данных климатических условиях и интенсивности фотосинтеза, то не трудно подсчитать, что в течение 3000 лет количество испарившейся воды, вовлеченной в круговорот, равно массе воды Мирового океана, а в течение 9 млн. лет сам планетарный процесс фотосинтеза перерабатывает массу воды, равную всему океану. В процессе круговорота воды в биосфере происходит обмен ее частей разной интенсивности в пределах конкретных скоплений (водоемы, ледники, реки, подземные воды). Как уже отмечалось, самая низкая активность водообмена в гидросфере приходится на ледники (8000 лет), а наибольшей активностью, после атмосферной влаги, характеризуются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней.
Итак, гидросфера вместе с атмосферой и стратисферой (осадочной оболочкой) составляет огромную единую природную экосистему. Поэтому эволюция гидросферы естественно была и остается связанной с историей формирования других верхних геосфер Земли. Ведь еще римский ученый Плиний Старший (23 - 79 гг.) - автор «Естественной истории» (в 37 кн.) - энциклопедии естественно-научных знаний античности - писал: «Вода пропитывает всю Землю - изнутри, снаружи, сверху; ее жилы расходятся во всех направлениях, как связующие звенья».
ЭТАПЫ ЭВОЛЮЦИИ ГИДРОСФЕРЫ
Проблема химической эволюции гидросферы изучалась многими исследователями, среди которых можно отметить А.П. Виноградова, М.Г. Валяшко, А.Г. Вологдина, С.В. Бруевича, А.Б. Ронова, Е.С. Гавриленко, Е.В. Посохова и др. Все эти авторы пришли к выводу об изменчивости химического состава океана в течение его истории. Главное расхождение существующих представлений заключается в оценке степени его изменчивости. Одна часть исследователей придерживается мнения о небольшой изменчивости, другая о значительном изменении состава вод океана.
Согласно представлениям Е.В. Посохова (1981) гидросфера первоначально была представлена одним хлор - кальциевым типом вод. В процессе роста и формирования земной коры произошло разделение природной воды на два генетических типа: морской и континентальной. Дальнейшая химическая дифференциация природных вод привела к возникновению на континентах ряда химических типов, число которых увеличивалось.
Эволюция гидросферы в течение всей истории биосферы Земли происходила под влиянием различных факторов. На самых ранних этапах ее истории ведущая роль, вероятно, принадлежала ювенильному фактору - процессу дегазации и дегидратации мантии в связи с процессом химической дифференциации под влиянием радиогенного тепла. Со временем роль этого фактора уменьшалась. Вода поверхности Земли прошла через бесчисленное множество круговоротов, по-разному соприкасаясь с минеральной частью литосферы и промывая растущие толщи осадочных горных пород и материал коры выветривания. Довольно рано в эволюции гидросферы большое значение стал приобретать биологический фактор - живое вещество биосферы.
Основной причиной химической эволюции океана стали два взаимосвязанных фактора - гидродинамический (материковый сток) и биологический. При этом роль последнего возрастала - увеличение интенсивности фотосинтеза способствовало созданию окислительной обстановки, что отразилось на миграциях многих элементов, а непосредственно сами морские организмы усилили свои концентрационные функции, извлекая из морской воды, необходимые для них вещества. С фанерозоя отмечается появление скелетов организмов, что приводит к увеличению перехода вещества из водной толщи океана в донные осадки. В ходе эволюции нашей планеты живые организмы становятся мощным геологическим фактором, определяющим состав вещества различных геосфер, в том числе и гидросферы. Со временем масштабы развития жизни и степень ее влияния на гидросферы стали огромными. Так, организмы отфильтровывают всю воду океана с отделением взвешенных пищевых частиц примерно за 1 год, а вся масса живого вещества океана обновляется за 33 дня (Лисицын, 1989). При таких масштабах развития жизни, которые возникли в ходе эволюции, ресурсы могут быть быстро исчерпаны, и поэтому она возможна только при постоянном обмене вещества и энергии между недрами и поверхностью Земли (принцип А.Б. Ронова). Значит, организмы в ходе истории с большей полнотой и многообразием стали использовать вещество и энергию внутренних сфер Земли.
В.И. Вернадский придерживался мнения о постоянстве состава вод Мирового океана. Он полагал, что с самых древних этапов геологической истории (с архея) не только состав и формы нахождения элементов должны быть аналогичны современным, но и объем вод на земной поверхности. В пользу этого представления он приводил данные о неизменности минеральных ассоциаций в геологическом прошлом. Однако это положение следует понимать относительно. Возможно, общее постоянство состава и объема вод в гидросфере в течение геологического времени несколько колебалось. При неизменности общего количества воды могло меняться ее распределение между фазами, различными подземными бассейнами и водоемами. Периодически наступающие эпохи материкового оледенения несколько уменьшали массу океанической воды. Относительная стабильность состава природных вод в большей степени присуща водам Мирового океана и в меньшей - - континентальным водоемам и тем более подземным водам.
Вследствие чрезвычайно интенсивной миграции всех химических элементов под действием проточных вод, океан в химическом отношении стабилизировался довольно быстро, поэтому в данном случае можно согласиться с мнением В.И. Вернадского, который в работе «Биогеохимические очерки» (1940) писал: «Огромный материал точного эмпирического наблюдения заставляет думать, что средний состав океанической воды является характерной постоянной планеты, константой, вероятно, являющейся устойчивой в течение геологического времени. Около нее в ту и другую сторону наблюдаются колебания, по-видимому, никогда не достигающие большой величины. Состав тропосферы, величина рН океанической воды, средний состав земной коры являются примерами таких постоянных планеты. Проверка этого положения для гидросферы и биосферы является сейчас одной из очередных задач».
Реки как в прошлом, так и в настоящем - основные переносчики растворенных веществ с поверхности континентов в океан. Если предположить, что реки всего земного шара переносят различные вещества в океан и пренебречь другими источниками, то можно подсчитать время, в течение которого каждый химический элемент сохраняется в морской воде, прежде чем надолго покинет эту среду при выпадении в осадок и поступлении в донные отложения. Этот период может быть обозначен как среднее время пребывания данного элемента в океанических водах. Среднее время равно содержанию данного элемента в водной толще, деленному на скорость поступления с речным стоком (в предположении, что эти величины существенно не изменяются в ходе времени). В табл. 31 приведены некоторые данные о составе речных и морских вод и расчетное время пребывания химических элементов в океане.
Главнейшие корообразующие химические элементы в океанической воде имеют разную историю. Главным катионом литосферы является кремний. В сочетании с анионом кислорода он дает ряд кристаллохимических структур, которые являются основой едва ли не всех породообразующих минералов. Кремний в морской воде находится преимущественно в виде аморфной кремнекислоты. В воде океанов происходит сложная миграция кремнезема, причем основное его количество в верхних горизонтах водной толщи быстро поглощается преимущественно организмами планктона - диатомовыми водорослями, извлекающими 70 - 80% кремнезема из морской воды. Скелеты из кремнезема образуют также радиолярии
Таблица 31