Глава 09. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ГИДРОСФЕРЫ И ОКЕАНОВ (1119271), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Первый раз – в раннем архее, около3,6 млрд лет назад, второй раз – в начале позднего архея, приблизительно 3,1–3,0 млрд летназад, и третий раз – в раннем протерозое, около 2,2 млрд лет назад (см. рис. 9.5).Причиной же такого явления были резкие колебания тектонической активности Земли инакопление воды в океане.Более надежно определено начало развития третей мировой трансгрессии океанаили второй и крупнейшей эпохи накопления железорудных формаций – 2,2 млрд летназад.
Поэтому в наших расчетах мы воспользуемся именно этой датировкой.Определение массы воды в гидросфере 2,2 млрд лет назад начнем с нахождениямассы воды в океанах. По принятому нами предположению, в раннем протерозое, около2,2 млрд лет назад, поверхность океана совпадала с уровнем гребней срединноокеанических хребтов. Поэтому средняя глубина океанов тогда точно равнялась средней255глубине океанических впадин, измеряемой от того же среднего уровня стояния гребнейсрединно-океанических хребтов. Но из теории формирования литосферных плит известно,что глубина таких впадин ∆h определяется простой зависимостью∆h ~ t ,(9.6)где t — возраст литосферной плиты, тогда как тепловой поток q через океаническое дноопределяется обратной зависимостью: q ~ 1 t .
Отсюда сразу получается, что средняяглубина океанических впадин всегда обратно пропорциональна среднему значениюпронизывающего океанское дно тепловому потоку∆h ~ 1 q(9.6`)Обратим внимание на то, что сейчас около 92% глубинного (мантийного)теплового потока проходит через океанические плиты, а на континенты (с учетом, чтобольшая часть теплового потока в них генерируется распадом радиоактивных элементов)приходится не более 8% от этого потока.
В прошлые геологические эпохи этосоотношение было сдвинуто в сторону океанических плит еще больше. Поэтому дляопределения средних глубин океанов можно воспользоваться приведенной выше (см.раздел 5.6) энергетической оценкой мантийного теплового потока Q&m (см. рис. 5.16,кривая 2). Соответствующие расчеты показывают, что около 2,2 млрд лет назад средняяглубина океанов равнялась приблизительно 1 км.Площадь океанов в протерозое, очевидно, была равна площади Земли за вычетомплощади континентов.
Если предположить, что мощность континентальной коры современем менялась мало и 2,2 млрд лет назад она была приблизительно такой же, как и внастоящее время, то можно ожидать, что площадь континентов пропорциональна ихмассе, а эволюция массы континентов оценена в разделе 6.8 (см. рис. 6.23). Площадьокеанов 2,2 млрд лет назад достигала 3,48·1018 см2. Отсюда следует, что масса воды вокеанах тогда достигала 0,325·1024 г.Массу воды, связанной в континентальной коре 2,2 млрд лет назад, нетрудноопределить по приведенной выше зависимости, изображенной на рис.
6.23. Погеологическим данным, в раннеархейской континентальной коре концентрация воды былаисключительно низкой – близкой к ее ювенильному содержанию, а дегазируемая измантии вода добавляла к этой концентрации не более 0,01%. К концу архея, по нашимоценкам, эта доля связанной воды поднялась до 0,6%, а к современному моменту – до 2%.В этом случае можно найти, что 2,2 млрд лет назад в континентальной коре содержалосьоколо 0,109·1024 г связанной воды.Массу воды, связанной в океанической коре, также можно найти аналитическимпутем, правда, если удастся выяснить ее строение.
Если принять, что скоростьпелагического седиментогенеза за промежутки времени, превышающие периодыотдельных фаз тектонических циклов, менялась мало, то мощность накапливаемыхосадков в океане окажется пропорциональной времени их накопления, т.е. времени жизниокеанических литосферных плит τ (см. рис. 6.16). Другими словами, средняя мощностьокеанических осадков оказывается приблизительно обратно пропорциональной квадратутектонической активности Земли H s ~ 1 z&2 . Средняя мощность современныхокеанических осадков близка к 500 м, тогда можно определить, что 2,2 млрд лет назадсредняя мощность пелагических осадков на дне океанов не превышала 80 м.Примем, что мощность базальтового слоя Нb пропорциональна перегреву мантии∆T по отношению к температуре солидуса мантийного вещества Ts.
Тогда Hb ~ (Tm – Ts),где Tm – приведенная к поверхности средняя температура мантии (современное значениеTm ≈ 1320 °C). Перегрев мантии ∆T был оценен в разделе 4.2 и изображен на рис. 4.2.Учитывая это, находим, что 2,2 млрд лет назад мощность базальтового слоя вместе сослоем габбро достигала приблизительно 5,69 км.256При определении мощности серпентинитового слоя необходимо учитывать, что онвозникает за счет проникновения в нижние этажи океанической коры морских вод игидратации там ультраосновной (реститовой) части тела литосферной плиты. Однакоглубина проникновения океанических вод в серпентинизируемую толщу ультраосновныхпород ограничивается реологическими свойствами самого серпентинита (Сорохтин, 1974;Лобковский и др., 1986).
Объясняется это тем, что при давлениях 2–2,5 кбар серпентинитстановится настолько пластичным материалом, что в нем под действием давлениявышележащих пород и слоя океанской воды все поры на подошве серпентинизируемойтолщи полностью закрываются и дальнейшая серпентинизация прекращается. Полномузакрытию пор способствует также увеличение объема породы при ее серпентинизацииприблизительно на 10%. Этим явлением объясняется и постоянство мощностиокеанической коры под ненарушенными участками океанического дна независимо отскорости спрединга во время формирования соответствующих литосферных плит.
Такимобразом, мощность океанической коры 2,2 млрд лет назад оказалась приблизительноравной 7,58 км.Принимая теперь, что средняя плотность пелагических осадков приблизительноравна 2,2 г/см3 и в них содержится до 20% воды, в гидратированных базальтах и габброплотностью около 2,9 г/см3 содержится около 2,5%, а в серпентинитах плотностью 3 г/см3концентрация связанной воды достигает 11%, находим, что в океанической коре 2,2 млрдлет назад содержалось воды около 0,385·1024 г.
В этом случае суммарная масса воды вгидросфере составляла 0,325·1024 + 0,385·1024 + 0,109·1024 = 0,819·1024 г.Учитывая приведенные подходы и выполненные оценки, удалось определить иэволюцию строения океанической коры для всей геологической истории Земли.Результаты соответствующих расчетов приведены на рис. 9.2.Рис. 9.2. Эволюция строения океанической коры: I – осадочный слой океанической коры, II – базалтовогабброидный слой океанической коры, III – серпентинитовый слой океанической коры, IV – подкороваямантия; 1 – подошва осадочного слоя, 2 – подошва базальтово-габброидного слоя, 3 – подошваокеанической коры (граница Мохоровичича), 4 – изотерма критической температуры воды 374 °С, нижекоторой океаническая вода не может проникать (в архее эта граница совпадала с подошвой океаническойкоры)Составляя систему из двух уравнений типа (9.2) отдельно для архея ипослеархейского времени, можно подставить в них найденные выше значения массы водыв современной Земле, ее гидросфере и в гидросфере раннего протерозоя, около 2,2 млрдлет назад.
Поскольку в этих уравнениях оказываются разными значения показателейподвижности воды, то их еще необходимо объединить в общую систему условиемнеразрывности процесса дегазации на рубеже архея и протерозоя. Лишь после этогоможно найти зависимость от времени дегазированной из мантии массы воды. При этом257показатель подвижности воды в архее оказался равным χ1 = 0,123, а в протерозое ифанерозое, как и предполагалось, почти в 12 раз бóльшим – χ2 = 1,45.Результаты расчета накопления воды в гидросфере Земли приведены на рис. 9.3.Как видно из рисунка, режим накопления воды во внешних геосферах Земли существенноизменился на рубеже архея и протерозоя.
Особенно резко это изменение проявилось внакоплении воды в океанической коре, это было вызвано образованием в началепротерозоя серпентинитового слоя океанической коры – главного и наиболее емкогорезервуара связанной воды на Земле.Рис. 9.3. Накопление воды в гидросфере Земли: 1 – суммарная масса дегазированной из мантии воды; 2 –масса воды в океане; 3 – масса воды, связанная в океанической коре; 4 – масса воды, связанная вконтинентальной кореПосле образования серпентинитового слоя в раннем протерозое, около 2,5 млрд летназад, заметные количества воды из океана перешли в этот слой, а масса воды в океанесоответственно уменьшилась.Найденные значения параметров в краевых условиях решаемой задачи являютсяприближенными, но степень их достоверности можно оценить только путем сравненияполученных теоретических результатов с эмпирическими геологическими данными.Ниже, в разделе 11.3, будет приведен один из примеров такого сравнения (развитиежелезорудных формаций докембрия, изображенное на рис.
11.7 и 11.8), показывающих,что определенные нами параметры, по-видимому, все-таки близки к их реальнымзначениям.После того как удалось определить суммарную массу воды в Земле и значенияпоказателей подвижности воды в архее и в послеархейское время, по уравнению (9.1)удается определить скорость накопления воды в земной гидросфере.
График скоростидегазации воды из мантии, построенный таким путем, приведен на рис. 9.4. Из графикавидно, что максимум скорости дегазации воды приходится на 2,5 млрд лет назад, т.е. наначало протерозоя, тогда как максимум тектонической активности Земли наблюдался вархее. Это кажущееся несогласие объясняется тем, что в архее, как уже говорилось,бóльшая часть дегазировавшейся воды еще в мантии диссоциировала на расплавах железав зонах дифференциации земного вещества по реакции H2O + Fe → FeO + H2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
