Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Происхождение геосфер земной коры




 

Современные представления о происхождении земной коры будут изложены здесь в основном по работам ученика В.И.Вернадского академика А.П.Виноградова. В 1957 г. В Москве на Международном геохимическом симпозиуме А.П.Виноградов выступил с докладом „Изотопные отношения в магматических горных породах”, который произвел большое впечатление на отечественных и зарубежных участников симпозиума. Этот доклад имел подзаглавие: „К вопросу о происхождении пород земной коры”.

Исходя из сравнения изотопного состава инертных газов атмосферы и инертных газов пород литосферы, автор сделал вывод, что и изотопный состав инертных газов пород и атмосферы близок, и инертные газы атмосферы – продукт дегазации Земли. Дегазация происходит в результате 3-х главных геохимических процессов:

1. Вследствие выветривания изверженных пород.

2. Дегазация пород фундамента, подверженных метаморфизму.

3. Дегазация пород мантии.

Следует отметить, что приведенный выше вывод А.П.Виноградова подтвердился и в последующие годы. В своем учебнике Я.Мияки (1969) также рассматривает аргон атмосферы как продукт радиоактивного распада Кº в литосфере.

В рассматриваемом докладе А.П.Виноградов высказался против наличия рудной оболочки ниже земной коры. В этой связи следует остановиться на работах немецкого ученого Шнейдерхена (1953,1953 с). В связи с кризисным положением в рудной геологии к 50-м годам текущего столетия в серии работ вызвавших многочисленные отклики в зарубежной печати, он выдвинул вопрос – не является ли весь запас металлов в земной коре продуктом не многократных инъекций (как считалось до этого времени), а одного или двух магматических выбросов. Он считал, что все более поздние месторождения представляют собой результат регенерации ранее образованных рудных скоплений. Он ввел новое понятие о „ вторично-гидротермальных” и „ регенерированных” месторождениях. Тем самым, как заметили не без иронии некоторы его критики,

„ он избавлял себя и своих коллег от неприятной необходимости отыскивать и доказывать предполагаемую, но часто недоказуемую связь рудных месторождений с гипотетическими магматическими очагами”.

Многие зарубежные ученые с энтузиазмом ухватились за эту идею. Но были и критики. Критики были и у нас. Взгляды Шнейдерхена подвергались также и модернизации: не один, а несколько гигантских выбросов металлов в земную кору из рудной оболочки. Количество их увязывали с количеством эпох диастрофизма, фаз в этих эпохах, т.е. практически постепенно пришли к прежним представлениям.

Принципиальная критика взглядов Шнейдерхена содержалась в докладе Виноградова, который высказался против наличия рудной оболочки в глубинах Земли. Основной аргумент – изотопный состав свинца из различных месторождений неодинаков, что указывает на разное время его отторжения от магмы. А.П.Виноградов (1955,1957) и Шоу (1957) почти одновременно высказали представления, которые позднее успешно развивал А.И.Тугаринов, о том, что основным источником накопления свинца в пределах земной коры является радио активный распад урана и тория, а сам процесс образования рудных свинцовых месторождений обязан магматической и гидротермальной модилизации свинца из толщ и пород нижних структурных этажей и отложению его в виде рудных концентраций на более высоких структурных уровнях.

Примерно в тоже время Олт и Калп (1956) сделали вывод, что сера сульфидов многих гидротермальных месторождений заимствована из осадочных толщ и прошла биогенный цикл. Эти идеи позже весьма убедительно развивал А.П.Виноградов. Правда, другие советские исследователи Гриненко и Гриненко (1967) считают, что обогащение серы сульфидных месторождений тяжелым изотопом S³ возможно не только в результате вклада тяжелой коровой серы, но и в результате фракционирования серы при отделении рудного вещества от магматического мантийного источника.

Основное внимание в своем докладе А.П.Виноградов уделил происхождению литосферы земной коры, высказав новую гипотезу о процессе и формировании земной коры и её отдельных оболочек. Земная кора, по автору, образовалась из пород мантии в результате процесса выплавления и дегазации, и вынос вещества в какой-то мере осуществляется и сейчас. Проведенное им сравнение распределения химических элементов, которые концентрируются в конечных продуктах превращения магмы кислых породах: щелочей, щелочноземельных металлов, галогенидов, Si, Al, Ti, U, Th, Tr и других в различных типах пород земной коры с содержанием их в каменных метеоритах показало, что они в наименьших количествах представлены в ультрарсновных породах. В тоже время силскатная фаза каменных метеоритов содержит их в несколько раз больше, чем дуниты. Это можно видеть на данных таблицы:

 

Элемент Дуниты Силикатная фаза метеоритов Базальты Граниты Км использ. мантии
Na 0,23 0,67 1,94 2,77  
Al 0,44 1,74 8,76 7,70  
U 1·10ˉ 2·10ˉ 3,5·10ˉ 3,5·10ˉ  
K 0,025 0,085 0,83 3,34  

 

Как это можно объяснить, что метеориты по содержанию названных элементов попадают внутрь ряда главных типов магматических горных пород земной коры?

Для объяснения подтверждения своей гипотезы А.П. Виноградов сослался на эксперимент. И хотя еще нет возможности говорить о количественном подтверждении, но качественный эффект эксперимента несомненен.

А.П.Виноградов с сотрудниками провёл ряд опытов по зонной плавке каменных метеоритов. Они брали столбик метеорита длиной 20 см и подвергали его неоднократной зонной плавке (в кольцевых печах). При зонной плавке в жидкую фазу переходят и “отжимаются” к одному концу столбика именно перечисленные выше элементы. При этом высвобождаються также газовые компоненты, которые можно собрать и изучить. Следовательно, можно представить, что дуниты являются остаточными породами от выплавления и дегазации вещества мантии, ближе всего по своему составу отвечающего составу каменных метеоритов – хондритов.

Исходя из этого, автор ставит вопрос, сколько же нужно было использовать мощности мантии, чтобы получить наблюдаемую концентрацию данных химических элементов в земной коре. Процесс извлечения химических элементов из вещества мантии медленный и захватывает ее большую глубину, (см. таблицу).

Все изложенное позволяет, по мнению Виноградова, высказывать гипотезу, что формирование земной коры и её оболочек шло в результате процесса плавления и дегазации мантии, близкого по составу каменным метеоритам- хондритам, подобно процессу зонной плавки, когда жидкая фаза многократно могла проходить над твердой фазой. Если это не так, тодуниты являются остаточными породами в этом процессе. Данные по изотопному составу изверженных пород и метеоритов подтверждают эту гипотезу.

В ответах на вопросы А.П.Виноградов указал, что главным источником тепла в мантии Земли он стичает радиоактивный распад урана, тория и калия- 40, а в передвигающийся фронт проплавления мантий – механизм, связанный с изменением градиента теплоты.

В выступлениях В.И.Лебедев поддержал вывод относительно отсутствия рудной оболочки и основной вывод о том, что земная кора – результат выплавления и дегазации мантии на определенную глубину. Отсюда Лебедев сделал заключение, что изкосмогенических гипотез о происхождении Земли для геологов сейчас наиболее приемлема гипотеза О.Ю.Шмидта в её современном виде.

Более детально вопросы о происхождении и эволюции атмосферы и гидросферы Земли рассмотрены в работе А.П.Виноградова “Химическая эволюция Земли”

(Изд-во АН СССР,М.,1959).

Остановимся на отдельных разделах этой работы.

 

Неприемлимость первичной атмосферы.

 

Вы могли обратить внимание, когда шла речь о происходжении атмосферы, А.П.Виноградов исходил из анализа изотопного состава именно благородных газов, а не больше распространенных в атмосфере? Да потому, что благородные газы за всю историю Земли не изменялись в силу химической инертности, тогда как в отношении других газов атмосфера за геологическое время не изменилась – эволюционировала до неузнаваемости.

Происхождение газовой и водной оболочек Земли и эволюции их состава в течение всего времени существования нашей планеты обычно связывали с представлениями о существовании в далеком прошлом “первичной тяжелой атмосферы”, состоящей из кислых дымов и паров воды. Но анализ этих “тяжелых” условий атмосферы (и гидросферы, и океана) показывает, что они были невозможны. Пары воды и кислые дымы должны были бы создать давление в сотни атмосфер. Породы Земли, находившиеся в равновесии с этими количествами вды и химически активными газами должны были растворить в себе значительные их количества. Между тем, содержание воды в породах меньше 1%, а таких элементов как F, CI, Br, j и того меньше. С другой стороны, породы Земли должны были изменить состав под действием этих химически активных веществ, с которыми они были в равновесии. Наконец, в составе современной атмосферы должны были бы сохраниться огромные количества инертных газов и водорода космического происхождения от первичной атмосферы. Но ничего этого нет.

Таким образом, представления о «первичной» атмосфереЗемли в науке оказались неприемлемыми, а сами идеи «горячего способа» образования планеты потеряли остроту и на их смену пришли новые, совершенно отличные представления – “холодный” вариант образования планеты и иные представления о способе образования атмосферы и гидросферы.

А.П.Виноградов рассматривает вещество атмосферы и океана как особую планетарную фракцию вещества, подчеркивая тем самым общность их происхождения и их химической эволюции.

Особый интерес вызывал вопрос относительно источника солей Мирового океана. Как известно, В.М.Гольдшмидт считал, что соли в океан снесены с континента текучими водами. Однако оказалось, что таких элементов как В, СI, S, Br, P и некоторых других в сотни раз больше в водах океана, чем в породах суши. Нужно было найти новый мощный источник этих компонентов. А.П.Виноградов пришел к выводу, что источником главных катионов солевой массы океанической воды Na, K, Mg, Ca, Sr и др. Безусловно были разрувшиеся твердые горные породы литосферы. Что же касается воды и главных анионов океана, то они могли не быть продуктами выветривания горных пород литосферы из-за малого их содержания в породах. Таким источником паров и газов, выносимых на поверхность Земли является непрерывная вулканическая деятельность – ыное Н2О, СО2, НF, HCI, S, B и др.сплавами, в гидротермальном процессе, в скарновом, при греинезации и т.п., с горячими источниками, газовыми струями и т.п. Следует отметить поразительное сходство состава этих эманаций с составом атмосферы и океана.

 

Происхождение воды на поверхности Земли.

 

В среднем в изверженных породах содержится около 0,4 % воды (конституционной и гидратной). Примерно столько же (0.5%) содержится воды в каменных метеоритах. Поэтому ни остаточные породы литосферы, ни литосфера в целом не могли быть источником воды, так как масса литосферы равна 2,4. 10² г, т.е. соизмерима с массой воды на поверхности Земли – 1,5. 10² г (разница всего на порядок).

Единственным источником воды на поверхности Земли могли быть породы мантии.Если не считать, что они подобно каменным метеоритам содержат воды

0,4 – 0,5 %, то общий запас воды в мантии составит 2 · 10 ² г. Следовательно, количество воды на поверхности Земли относительно содержания воды в мантии в настоящее время меньше 1%. Это вполне “посильная” задача для мантии. При разогревании вещества мантии происходит выплавление легкоплавкой фракции силикатов. Вода и летучие соединения, находящиеся в веществе мантии, попадают в легкоплавкую фракцию и оттесняются вместе с ней к периферии Земли. В земной коре происходит охлаждение расплава, при этом освобождается вода. В конце концов надкритическое состояние снимается, и вода появляется в виде пара. Перегретые пары достигают поверхности, вынося с собой и другие растворенные вещества и газы. Т.е имеет место процесс дегазации воды из мантии. Попытка оценить пай ювенильной воды, выносимой в настоящее время вулканами, по косвенным признакам приводит к величинам порядка нескольких процентов от общей массы воды, выбрасываемой вулканами. Остальная вода – вода возрожденная, неоднократно участвующая в круговороте веществ на поверхности Земли, в земной коре. Количество ывенильной воды оценивается в 0,7 км³ в год.

В последние годы развиваются новые представления об источниках воды на поверхности нашей планеты. До недавнего времени специалисты считали, что круговорот воды на Земле – процесс замкнутый. Оказалось, что есть дополнительные механизмы этого процесса. Возник даже вопрос – какая же вода фактически имеется на Земле? Та, что возникла при образовании нашей планеты или какая-то другая?

Сейчас обращается внимание на такой новый источник воды как поток космических частич, в частности протонов, которые в верхних слоях атмосферы превращаются в водород, а он, взаимодействуя с кислородом атмосферы, даёт воду, которая в виде осадков попадает на дневную поверхность Земли. По некоторым оценкам, таким путём образуется 1,5 км³ воды в год (что в два раза больше, чем за счет вулканического источника).

Впрочем, наша планета не только получает воду из космоса, но и отдаёт её космическому пространству. На высоте порядка 80 км над Землей ультрафиолетовая радиация Солнца расщепляет молекулы воды на 2Н и О (фотодиссоциация). Кислород остаётся в атмосфере и учавствует в различных процессах, а водород диссипирует. Благодоря этому на расстоянии 640 тыс.км от Земли существует “облако” интересной формы. В стороне, противоположной от Солнца, под влиянием его излучения растянуто в виде кометного хвоста длиной 6-7 млн.км облако водорода.

Некоторые учёные считают, что вследствии такой утечки в космос на Земле не осталось ни одной молекулы воды из периода формирования планеты, т.е. гидросфера полностью обновилась. Существуют также предположения, что в будующем году человечество сможет оказаться перед необходимостью регулировать отдачу воды в комос Землёй.

Чтобы закончить с этим вопросом, приведу некоторые цифровые данные относительно гидросистемы (по А.С.Монину). Гидросфера составляет 1,46 ΄10 триллиона тонн, что в 275 раз больше массы атмосферы или 1:400 массы Земли. 94% этого количества – соленые воды Мирового океана, остальные 6%: ¾- подземные воды и ¼ - ледники Гренландии и Антарктиды (если бы льды подняли уровень океана поднялся бы на 80 м.) Гидросфера занимает 70,8% поверхности Земли, 3795 м - средняя глудина океана (максимум 11022 м – в Марианской впадине, обнаружено советским судном “Витязь”). Соленость Мирового океана – 3,472%: Na-1,076, Mg-0,13%, Ca – 0,041%,

K – 0,039, Sr-0,001%,CI – 1,935% SO²ˉ - 0,27% HCO - 0,014% Br – 0,037% CO²ˉ - 0,007%. В океане растворено СО в 60 раз больше, чем его содержание в атмосфере (140 триллионов тонн против 2,6 трил.т.), а 0 – 130 раз меньше, чем в атмосфере.

История кислорода в атмосфере.

Кислород занимает второе место в составе (N – 75,5% O – 23,01%, A - 1,28,

CO - 0,046%). Сейчас уже общепризнано,что кислород появился в атмосфере, по крайней мере, в значительных количествах с момента начала фотосинтетической деятельности зелёных растений, т.е. около 2 – 2.,5 млрд.лет тому назад. Так как в древней атмосфере всегда были вода и углекислота, то не исключено, что образование кислорода в результате фотодиссоциации их под действием ультрафиолетового излучения Солнца имело место и тогда. Однако наличие в тогдашней атмосфере азотистых, сернистых и других легкоокисляющихся веществ, наличие которых к тому же все время пополняется вследствие вулканической деятельности, но способствовало накоплению кислорода в атмосфере, поэтому в течение определенного времени атмосфераимела резко восстановительный характер. С момента возникновения фотосинтетической деятельности растений, т.е. с появлением нового источника кислорода, баланс его в атмосфере стал положительным. Эта смена восстановительной атмосферы окислительной нашла отражение и в геологической летописи – толщи протерозойских железистых кварцитов на древних щитах и платформах.

Однакопроведенный в конце 50-х годов текущего столетия изотопный анализ кислорода фотосинтеза и кислородный анализ атмосферы показал, насколькоещё мы далеки от истины в смысле знания происхождения кислорода атмосферы.

В процессе фотосинтеза, как показали эксперименты, происходит процесс дегидратации воды, а не восстановление углекислоты как думали до сих пор(да ещё и думают), по реакции

Н2О¹6 + СО¹ (НСОН) + О¹6

Таким образом, в атмосферу поступает более легкий кислород, чем кислород углекислоты – кислород оказался тяжелым – на 3% тяжелее по сравнению с кислородом фотосинтеза.

Возникает вопрос: какой мощный процесс, сопоставимый с процессом фотосинтеза легкого кислорода, утежеляет этот фотосинтетический кислород в атмосфере. Можно сейчас говорить о ряде таких процессов:

1. С одной стороны это объясняется преимущественным связыванием легкого кислорода при дыхании организмов и в процессах отмирания и разложения органического вещества. Однако этот процесс разделения изотопов кислорода хотя идёт и в больших масштабах, но с малым коэфициентом разделения, недостаточным для объяснения имеющегося эффекта утяжеления кислорода атмосферы.

2. Утяжеление кислорода атмосферы при помощи диссоциации СОˉ2 в верхних слоях атмосферы, идущей с малой интенсивностью, но с большим коэфициентом разделения.

3. Указывают на третий источник тяжелого кислорода – региональный метаморфизм окислов железа, в котором легче отторгается тяжелый кислород (Горяино, 1975)

 

Таким образом, кислород атмосферы создаётся за счет фотосинтечической деятельности растений и, по – видимому, в результате проникновения в тропосферу из верхних слоёв атмосферы тяжелого кислорода от фотодиссоциации под ультрафиолетом СО2. Этот тяжелый кислород + процесс преимущественного связывания легкого кислорода при окислении органических веществ и приводит к утяжелению кислорода атмосферы.

Но это не единственное представление об источниках свободного кислорода в атмосфере. Н.П.Семоненко (1972) считает, что главным источником кислорода в атмосфере является фотодиссоциация молекул воды в верхних горизонтах атмосферы. Эту же точку зрения отстаивает американец Д.Д.Картерс (1975), основываясь на исследованиях космоса кораблями “Аполлон” и др. спутниками. Он также считает, что основной кислород Земля получат из молекул испаряемой воды, которые под действием солнечной радиации распадаются на водород и кислород в высоких слоях атмосферы. Кислород затем опускается вниз, как тяжелый элемент, и включается в круговорот, а водород, как легкий элемент, уходит в космическое пространство.

Что можно сказать по поводу этих новейших взглядов? Представляется, что возможна переоценка вклада этого источника в количественном отношении, но все же биогенный кислород, вероятно, останется на первом месте по назначению, ибо фотодиссоциация молекул H2O и CO2 имела место и до появления биосферы, но в атмосфере того периода положительный баланс кислорода так и не сложился. Об этом говорится в последней работе М.И.Будыко и А.Б.Ронога (1979). Они указывают, что большинство современных авторов исходят из того, что фотодиссоциация может поддерживать только очень малую концентрацию кислорода в атмосфере, поскольку характер геологических процессов в эпоху до появления фотосинтезирующих растений почти на полное отсутствие кислорода.

 

Диссипация газов.

Старые гипотезы о первичной атмосфере обычно ссылались именно на диссипацию газов в космическое пространство. Потеря газов атмосферой, как известно, зависит от гравитационного поля Земли и скорости движения молекул газов, на которой сказываются термодинамические условия. В свою очередь, расчеты показывают, что потеря газов с Земли возможна только для самых легких газов. Поэтому объяснения отсутствия тяжелыл инертных газов в космических количествах на Земле путём их последующей диссипации явно несостоятельны.

В настоящее время доказано, что весь Не атмосферы Земли радиогенного происхождения и не имеет никакого отношения к первичному гелию звёзд. Допускается также потеря гелия с Земли вследствие его диссипации. По новейшим данным, Земля теряет в космосе наиболее легкие газы (Н, Не), которые поднимаются в высокие слои атмосферы и оттуда “под действием солнечного ветра” – давления света – рассеиваются в мировое пространство, точнее – уходят к телам большого, чем Земля, притяжения. Не инертен, не связывается химически на Землю. Этим и объясняется его ничтожное количество на Земле, хотя он постоянно генерируется при ядерных реакциях. Подсчитано, что на Земле в настоящее время гелий составляет лишь около 0,001 части того количества, которое образовалось за время существования Земли в результате только радиогенных процессов.

В то же время в космосе гелий стоит после водорода по распространенности.

Что же касается других более газообразных веществ, то в гравитационном поле Земли они удерживаются гораздо прочнее и поэтому уход их в космос маловероятен. Правда, допускают, что в далеком прощлом, когда масса Земли была меньше, а температура выше, чем сейчас, потеря газообразных веществ в космосе была более интенсивной. Некоторые даже считают, что первоначальная атмосфера Земли была утеряна ею в результате диссипации, о чём уже говорилось в начале этого раздела.

Сейчас считают (Мияки), что существует два типа планетных атмосфер. Атмосферы первого типа с самого начала сохранили некоторые атмосферные элементы, а атмосферы второго типа в начале потеряли их, а позднее вновь приобрели как вторичные продукты.

В качастве примера атмосфер первого типа – мощные с малой плотностью атмосферы внешних планет Юпитер, Сатурн и др. Атмосферы второго типа принадлежат внутренним планетам солнечной системы, включая и Землю. А.П.Виноградов в известных вам работах прищел к выводу, что холодное твердое негомогенное вещество, приближающееся по составу к составу метеоритов, из которого сформировалась Земля, не удерживало газов и других летучих веществ, если последние не давали с ним химических соединений. Это и было причиной отсутствия на Земле космических количеств тяжелых инертных газов. Они были потеряны ещё на стадии прото-планеты. Никто не наблюдал их на других планетах. Эти газы в земной атмосфере являются вторичными образованиями самой Земли.

Разогревание планеты вызвало и процесс освобождения легколетучих соединений из пород внутри Земли, прежде всего газов, их дегазацию из мантии. Образование земной коры шло путём выплавления легкоплавкой фракции силикатов паралельно с дегазацией.

Сравнение содержания в атмосфере Н2О,СО2,F,CI и др. с содержанием в земной коре и мантии убеждает, что только вещество мантии могло обеспечить поступление на поверхность Земли всего того количества легколетучих соединений, которое находится на поверхности Земли.

И в настоящее время вероятно участие в продуцировании легколетучих соединений мантии, по крайней мере, до уровня глубокофокусных землятресений, т.е. до глубины 800-900 км. Газы поступают на земную поверхность частично в результате интрузичной деятельности, частично – в результате вулканической деятельности. Однако, не вся масса отторгнутых летучих веществ достигает поверхности Земли. Одни газы прошли сквозь экран-земную кору, другие частично задержались в земной коре – в скарнах и т.п. (F,B и др.) Главная масса серы сохраняется в глубине ниже земной поверхности и даже ниже земной коры – в мантии. Следовательно, процесс выплавления и дегазации вынес непропорционально малую часть легколетучих соединений. Однако выплавление материала коры и дегазация являются одним процессом.

 




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-07; Просмотров: 986; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.048 сек.