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 Кº 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:
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.
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 |