Глава 09. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ГИДРОСФЕРЫ И ОКЕАНОВ (1119271), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Впротерозое и тем более в фанерозое диссоциации воды в мантии больше не происходило иона в полном соответствии с уравнением (9.1) и без потерь поступала в гидросферу Земли.258Рис. 9.4. Скорость дегазации воды из мантии в гидросферу ЗемлиЕсли бы в архее не происходило диссоциации воды на расплавах железа ипоказатель ее подвижности был таким же, как в протерозое и фанерозое, то легкоопределить, что к настоящему времени из мантии дегазировалось бы около 4,749·1024 гводы вместо 2,176·1024 г в реальной гидросфере Земли. Помимо диссоциации воды внедрах архейской мантии Земли ее разложение происходило и на земной поверхности.Действительно, диссоциация воды происходит в гидротермах рифтовых зон пригидратации железистых силикатов, в раннем докембрии могла быть заметной диссоциацияводы под влиянием жесткого излучения Солнца.
Судя по кислородному балансу в земнойкоре и гидросфере, можно оценить, что в сульфатном и окисножелезном резервуарах этихгеосфер сейчас связано около 0,172·1024 г кислорода, происхождение которого, вероятнеевсего, также связано с диссоциацией воды. При этом общая масса диссоциированнойтаким путем воды (около 0,194·1024 г) оказывается приблизительно в 15 раз меньшей, чемпроизошедшая в архее потеря воды за счет ее диссоциации на расплавах железа в мантии(2,573·1024).
Однако несравненно бóльшая часть окислов железа, возникавших за счеттермодиссоциации воды на свободном железе в докембрийских рифтовых зонах, вновьпогружалась в мантию по древним зонам субдукции, оставив о себе лишь слабые следы вгеологической летописи земной коры (в форме железорудных месторождений докембрия).Оценить эту часть “потерянной” воды пока не представляется возможным.Таким образом, если бы в архее не происходило диссоциации воды на железе, тоэто привело бы к дополнительному подъему уровня океана более чем на 5 км! В этомслучае Земля превратилась бы в планету “Океан”.
На наше счастье и счастье всех живыхорганизмов суши, этого не произошло, и спас всех нас от “Всемирного потопа” восновном процесс формирования земного ядра, развивавшийся в архее по механизмузонной дифференциации богатого железом первичного земного вещества.О химическом составе древних океанов и морей подробнее говорится вмонографиях Т. Шопфа (1982) и Х. Холленда (1989).
В этих работах приводятсяубедительные аргументы в пользу того, что химический состав океанических вод сраннего докембрия находился в равновесии с летучими компонентами атмосферы ипородами земной поверхности. Начиная же приблизительно с 2 млрд лет назадпротерозойский океан уже характеризовался почти современными значениями соленостии химического состава.В архее из так называемых “кислых дымов” без потерь мог дегазироваться толькоуглекислый газ, теплота образования которого (94,05 ккал/моль) выше, чем у окисижелеза (63,6 ккал/моль), тогда как, например, соляная кислота (теплота образования259которой равна 22,1 ккал/моль), если таковая и присутствовала в первичном планетномвеществе, должна была полностью разлагаться в расплавах железа, образуя в них хлоридыжелеза FeCl2 и FeCl3 (теплóты образования которых соответственно равны 81,7 и 95,5ккал/моль).
При высоких температурах оба хлорида железа летучи. Поэтому образованиеHCl, но уже на земной поверхности могло происходить только благодаря гидролизухлоридов железа с привносом тепла (т.е. в горячих источниках). Хлориды же щелочныхметаллов могли образовываться, например, путем реакций попавших на поверхностьювенильных галоидов со щелочными силикатами типа нефелина (или альбита):FeCl2 + 2NaAlSiO4 → 2NaCl + FeO + AlAlO[SiO4] + SiO2 + 15,8 ккал/моль (9.7)нефелинандалузит2FeCl3 + 6NaAlSiO4 → 6NaCl + Fe2O3 + 3AlAlO[SiO4] + 3SiO2 + 107,7 ккал/моль(9,8)Наиболее распространенные в горных породах окислы щелочноземельныхметаллов (MgO, CaO, FeO) при растворении в воде (после выветривания самих пород)становятся химическими основаниями, активно вступающими в реакции сдегазированным из мантии углекислым газом, образуя тем самым карбонаты этихметаллов.
Однако, как будет показано ниже (см. раздел 10.1), в архее существоваладостаточно плотная углекислотная атмосфера, а карбонатов еще возникало мало, поэтомуводы архейских морей и океанов, находившиеся и тогда в равновесии с земнойатмосферой, должны были характеризоваться кислой реакцией, по нашим оценкам с pH ≈3–5.9.2. Накопление воды в Мировом океане и влияние этого процесса на развитиеземной корыКак видно из приведенного на рис.
9.4 графика, скорость дегазации воды из мантиив архее действительно была относительно умеренной, даже несмотря на высокуютектоническую активность Земли в ту далекую эпоху. С максимальной же скоростьюдегазация воды из мантии происходила уже после выделения у Земли плотного ядра иперехода ее тектонического развития к тектонике литосферных плит, т.е. в началепротерозоя около 2,5 млрд лет назад, и достигала тогда 1,68·1015 г/год, или 1,68 км3/год. Стех пор скорость дегазации закономерно снижалась до современного уровня 0,268 км3/год.Снижение скорости поступления ювенильной воды в гидросферу продолжится и вбудущем.
В связи с такими особенностями дегазации воды из мантии в прошлыегеологические эпохи видно, что основная масса воды 1,907·1024 г, или около 88% перешлав земную гидросферу только в протерозое и фанерозое, когда тектонический режим Землиуже стал более спокойным. В бурное же время архея выделилось приблизительно в семьраза меньше воды – только 0,269·1024 г.Помимо разных термодинамических условий выделения и диссоциации воды вархее и послеархейское время, о чем мы уже говорили выше, существенной причинойэтого явления были также и чисто геометрические факторы. Действительно, в архее досформирования земного ядра дегазация воды происходила не из всего силикатноговещества Земли, содержащего в себе всю ювенильную воду, а только из его части,расположенной в низких широтах и охваченной конвективными движениями.
Массаконвектирующей мантии (см. рис. 4.9) в архее (особенно в его первой половине)составляла лишь незначительную часть всего земного вещества, содержавшего в себетогда ювенильную воду. В протерозое и фанерозое, т. е. уже после образования ядра, всесиликатное вещество и вся ювенильная вода оказались сосредоточенными вконвектирующей мантии, поэтому и дегазация Земли в послеархейское время стала болееэффективной.Расчет содержания воды в гидросфере Земли для времени 2,2 млрд лет тому назаднам удалось благополучно завершить только потому, что мы предположили (правда, свысокой долей вероятности) совпадение в то время поверхности океана с уровнем стояния260гребней срединно-океанических хребтов.
Именно эта предпосылка, основанная на фактепочти синхронного начала массового отложения железорудных формаций раннегопротерозоя, позволила количественно оценить массу воды в океане того времени. Дляпериодов, когда поверхность океана превышала уровень гребней срединных хребтов илибыла заметно ниже его, т.е. для большего времени эволюции Земли, такой методнахождения воды в океане уже не работает. Поэтому масса воды в океане для этоговремени находилась по разности между ее общей массой (дегазированной из мантии) имассой воды, связанной в континентальной и океанической коре.О методике определения содержания воды в океанической коре протерозоя ифанерозоя, а также в континентальной коре для всего времени геологического развитияЗемли мы уже говорили в предыдущем разделе, оценивая содержание воды в гидросфере2,2 млрд лет назад.
Содержание связанной воды в океанической коре архея, сложенноймощными базальтовыми покровами, в периоды перекрытия океанической поверхностьюгребней срединно-океанических хребтов определялось по максимальной гидратациибазальтов (около 2,5%) и по глубине предельного проникновения океанических вод в этукору, определяемой геотермой критической температуры воды (374 °С).При определении эволюции строения океанической коры важно было определить исреднюю мощность пелагических осадков, поскольку в них могут содержатьсязначительные объемы связанной воды.
Учитывая, что средняя мощность океаническихосадков, как это было показано выше, приблизительно обратно пропорциональна квадратутектонической активности Земли, можно оценить и эволюционные изменения среднеймощности океанических осадков. Таким путем, в частности, было определено, что в археемощность пелагических осадков не превышала 80 м, а в среднем составляла 15–25 м.Результаты такого расчета были показаны на рис.
9.2. Определив далее по описаннойметодике среднюю глубину океанических впадин и их площади (с учетом того, что враннем архее океаны располагались лишь в низких широтах), по найденной массе воды вокеане можно определить и положение поверхности океана по отношению к среднемууровню стояния гребней срединно-океанических хребтов. Результаты соответствующихрасчетов приведены на рис. 9.5.Рис. 9.5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
