Глава 09. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ГИДРОСФЕРЫ И ОКЕАНОВ (1119271), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Однако если принимать во внимание не абсолютную массу, атолько ее эффективное значение, равное разности масс дегазированной исубдуцированной воды, то все расчеты остаются в силе, лишь эффективное значениепоказателей подвижности χ оказывается несколько меньшим их реальных значений.Таким образом, принимаем, что в настоящее время во внешних геосферах Земли (вокеанах, континентальных водах и запасах льда, в океанической и континентальной коре)находится около 2,176·1024 г.Для определения второго краевого условия задачи – суммарной массы воды наЗемле (mH 2O ) 0 – предварительно необходимо определить ее массу в современной мантии.Проблема определения концентрации воды в мантийном веществе сама по себе являетсяфундаментальной для глобальной петрологии и, к сожалению, еще окончательно нерешена в основном из-за того, что практически все мантийные породы, попадающие наповерхность Земли, тут же (еще в процессе подъема и вывода на поверхность) интенсивноконтаминируются поверхностными водами.
Даже самые глубинные ксенолиты, напримергранатовые перидотиты или эклогиты кимберлитовых трубок взрыва, на поверкуоказываются лишь осколками древней океанической коры, затянутой на большие глубиныпод континенты по бывшим зонам субдукции (Сорохтин, 1985; Сорохтин, Митрофанов,Сорохтин, 1996). Тем не менее свежие базальты океанических островов, несмотря навозможность захвата ими морских вод, фильтрующихся через тела стратовулканов,обычно содержат очень мало воды – не более 0,3% ОН (Йодер, Тилли, 1965).
По этим идругим соображениям теоретического характера, большинство современных петрологов,изучающих горные породы мантийного происхождения, склонны считать, что воды вмантии исключительно мало. Так, А. Рингвуд (1981) принимает, что в мантии содержитсяоколо 0,1% воды, В.А. Пугин и Н.И. Хитаров (1978) считают, что ее меньше 0,025–0,1%.О содержании воды в мантийном веществе Земли косвенно можетсвидетельствовать и состав лунных базальтов, поскольку Луна скорее всего является“сестрой” Земли и уж явно сформировалась в той же области пространства Солнечнойсистемы, что и наша планета (см.
гл. 3). Действительно, сходство лунных “морских” иземных океанических базальтов настолько велико, что один из крупнейших петрологов,А. Рингвуд (1982), предположил даже единый их источник. Но анализы показали, чтолунные базальты предельно сухи и содержание воды в них колеблется от 0,015 до 0,046%(Мэйсон, Мелсон, 1973) и никогда не превышает 0,05%. Эта информация важна для нас,поскольку лунные породы, в отличие от земных, не контаминированы летучимикомпонентами в экзогенных условиях и полностью отвечают своей ювенильной природе.В отношении воды, правда, следует учитывать ее возможную потерю за счет дегазациибазальтовых расплавов во время их излияния на лунную поверхность, хотя при такихнизких концентрациях воды ее удаление из базальтов не должно быть значительным.На наш взгляд, надежные данные можно получить, анализируя составы закалочныхстекол недифференцированных толеитовых базальтов, излившихся в океаническихрифтовых зонах на глубинах около 2 км и более (на этих глубинах при внешнихдавлениях воды, превышающих ее критическое значение 220 бар, вообще не должнапроисходить потеря воды базальтами).
В таких свежих базальтовых стеклах обычносодержится около 0,25—0,3% воды (Альмухамедов и др., 1985). Однако при ихнагревании до 500 °С теряется около 0,2–0,25% кристаллизационной воды, которуюследует считать контаминационной, захваченной базальтами из океана. Оставшаяся жевода (приблизительно 0,05–0,06%) отгоняется из стекол только при температурах,превышающих 900 °С, т.е. практически при плавлении самих базальтов. Следовательно,только такую воду и можно принимать ювенильной.При выплавлении базальтов из мантийного вещества вода, как активный реагент,понижающий температуру плавления силикатов, очевидно, в бóльшей степени должна253концентрироваться в базальтовых расплавах (Пугин, Хитаров, 1978).
Поэтому можноожидать, что в мантийном веществе концентрация воды не превышает все тех же 0,05–0,06%, т.е. мантия Земли действительно предельно сухая. Для определенности примемконцентрацию воды в этой геосфере равной 0,05%. Тогда суммарное содержание воды всовременной мантии достигает 2,007·1024 г, а суммарная масса воды на Землеприблизительно равна (mH 2O ) 0 ≈ 4,193·1024 г.Третьей опорной точкой расчетов могло бы послужить определение массы воды вгидросфере в промежуточный момент времени, естественно, если такое определениевообще возможно выполнить. При использовании дополнительных геологических данныхэто вполне разрешимая задача.
Поскольку океан постепенно увеличивался в объеме, то вистории его развития неизбежно должен был наступить такой момент, когда океаническиеводы перекрыли собой гребни срединно-океанических хребтов с расположенными на нихрифтовыми зонами Земли. После этого должна была быстро возрасти гидратация породокеанической коры и как следствие – измениться условия выплавки континентальнойкоры в зонах поддвига океанических плит под континенты и островные дуги.
Такиеизменения, отмечаемые в геологической летописи Земли, действительно происходили нарубеже архея и протерозоя (Тейлор, Мак-Леннан, 1988), и с точки зрения теориитектоники литосферных плит они неплохо объясняются увеличением степени гидратациипород океанической коры. Именно такая интерпретация послужила основой дляколичественных расчетов некоторых предшествующих моделей эволюции Мировогоокеана (Сорохтин, 1974; Монин, Сорохтин, 1984).Однако в истории развития Мирового океана наиболее четко и резко долженвыделяться момент полного насыщения пород океанической коры водой и последующегоотрыва поверхности растущего океана от среднего уровня стояния гребней срединноокеанических хребтов. Объясняется это тем, что до того времени вся дегазировавшаяся измантии избыточная вода полностью уходила в океаническую кору (масса океана временносохранялась приблизительно постоянной), т.е., попадая в рифтовые зоны, вода из нихобратно уже не вытекала.
В результате до этого момента не могла существовать исвободная циркуляция океанических вод по толще океанической коры, а следовательно,не мог происходить и широкий вынос минеральных веществ из рифтовых зон Земли вокеаны. Поэтому только после полного насыщения океанической коры водой инекоторого подъема поверхности океана над уровнем гребней срединно-океаническиххребтов из рифтовых зон в океаны стали в изобилии выноситься минеральныекомпоненты океанической коры, тогда как до этого момента состав океанических водпреимущественно определялся только континентальным стоком.Следовательно, после описываемого события должна была резко измениться игеохимия океанических осадков – в их составе должны были в изобилии появитьсявыносимые из мантии элементы.
Наиболее характерным из таких элементов и яркиминдикатором искомого рубежа – момента насыщения океанической коры водой,безусловно, является железо. Ведь в докембрийской мантии в заметных количествах ещесодержалось свободное (металлическое) железо. Поднимаясь вместе с горячиммантийным веществом в рифтовые зоны, оно вступало там в реакцию с морской водой,образуя в бескислородной среде в присутствии углекислого газа хорошо растворимый вводе бикарбонат железа:Fe + H2О + 2СО2 → Fe(HСО3)2,(9.3)а также формальдегид – одно и соединений, послуживших, по-видимому, основойвозникновения жизни на Земле (Галимов, 2001):2Fe + H2O + CO2 → 2FeO + HCOH + 3,05 ккал/моль.
(9.3')После перекрытия поверхностью океана гребней срединно-океанических хребтоврастворимая гидроокись железа стала разноситься по всему океану. Попадая на254мелководья с богатым фитопланктоном, двухвалентная окись железа могла окислятьсямикроводорослями прямо in situ в воде почти без выделения кислорода в атмосферу:2Fe(HСО3)2 + О → Fe2О3 + 4СО2 + 2Н2О.(9.4)В дальнейшем благодаря жизнедеятельности железобактерий, образующийся гематит могпереходить в магнетит, а кислород – усваиваться этими же бактериями (Слоботкин и др.,1995):(9.5)3Fe2O3 + [железобактерии] → 2Fe3O4 + O.Однако в те далекие времена существования почти бескислородной атмосферы иотсутствия у нее озонового слоя, реакция окисления железа в приповерхностных слояхокеанической воды могла протекать и абиогенным путем, только за счет фотодиссоциацииводы жестким ультрафиолетовым излучением Солнца (Braterman et al., 1983).Окисленное трехвалентное железо и магнетит, как нерастворимые в воде продуктыэтих реакций, тут же осаждались на дно, постепенно накапливая мощные толщи богатыхжелезом осадков, сформировавших затем крупнейшие железорудные месторождения мира(см.
раздел 11.3).Изучая распространение железистых формаций в геологической истории Земли,можно отметить две характерные, крупные и четко выраженные эпохи железонакопления.Первая из них наблюдалась во второй половине архея, приблизительно от 3,1–3 до 2,5млрд лет назад, а вторая и наиболее крупная, с которой связано более 70% мировыхзапасов железа, проявилась практически на всех континентах и началась около 2,2 млрдлет назад (Войткевич, Лебедько, 1975; Голдич, 1975). С первой эпохой связанообразование железных руд киватинского типа, обычно ассоциирующихся с вулканогенноосадочными отложениями замкнутых бассейнов типа краевых морей. Во вторую эпохувозникли джеспилитовые руды криворожского типа (месторождения КМА, оз.
Верхнего,Хамерсли в Австралии и др.), обычно приуроченные к протяженным зонам бывшихпассивных окраин континентов, попавших во время Сфекофеннской орогении в поясаколлизии континентов.Таким образом, если приведенные выше предпосылки верны, то в качестве третьейопорной точки для расчетов мы могли бы принять два разных момента в истории Земли:3,1 и 2,2 млрд лет назад. Кроме того, судя по существованию подушечных базальтовыхлав в зеленокаменных поясах Барбертона (Южная Африка) возрастом около 3,4 млрд лет,можно предположить, что и тогда воды Мирового океана уже перекрывали гребнисрединно-океанических хребтов. Но самое удивительное то, что использование длярасчетов этих трех возрастов приводит приблизительно к одинаковым результатам. Какже в таком случае эти решения совместить друг с другом? Ниже мы покажем, что враннедокембрийской истории Земли насыщение океанической коры водой действительнодолжно было происходить три раза, и трижды поверхность океана должна былаперекрывать гребни срединно-океанических хребтов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
