Формирование вод Мирового океана Учение о биосфере Д. Ю. Шишкина Тема 16
План лекции 1. Космогоническая гипотеза образования Земли и её оболочек 2. Гипотеза А. П. Виноградова о планетарной дифференциации вещества земных недр 2. 1. Зонное плавление земной коры 2. 2. Образование первичного океана и атмосферы 2. 3. Время образования гидросферы 3. Источники поступления воды на поверхность 4. Увеличение объема гидросферы 5. Эволюция солевого состава океанической воды 5. 1. Периодизация эволюции солевого состава 5. 2. Особенности первой стадии 5. 3. Особенности второй стадии 5. 4. Особенности третьей стадии. Выводы 6. Гипотеза Н. М. Страхова 2
Космогоническая гипотеза Основой современных взглядов на историю земных оболочек является наиболее космогоническая гипотеза, согласно которой планеты солнечной системы образовались из холодного газо-пылевого облака, захваченного Солнцем при движении его по орбите. В облаке происходила дифференциация вещества, образование холодных планет, в том числе планеты Земля. За счет энергии, выделявшейся при распаде радиоактивных элементов, прежде всего урана, тория и изотопа калия (К 40), Земля разогревалась до полного или частичного расплавления ее вещества. При разогреве планеты вещество Земли разделилось на оболочки. Гидросфера выделилась из глубин Земли в процессе ее разогрева, плавления и дифференциации вещества. Мысль о глубинном магматическом происхождении морских вод еще в 30 -х годах прошлого столетия высказал В. И. Вернадский. Он писал, что нельзя не учитывать огромного количества вод, связанных с подводными вулканическими извержениями и выходами минеральных источников, может быть, на всем протяжении морского и океанического дна. 3
Зонное плавление земной коры Как показывают эксперименты с зонным плавлением метеоритов, силикатное вещество разделяется на тугоплавкую и легкоплавкую фазы. Тугоплавкая фаза по составу близка к дунитам или перидотитам – породам мантии Земли. Легкоплавкая фаза по составу и структуре химически идентична базальтам земной коры. По мнению А. П. Виноградова, Земля никогда не была полностью расплавлена, а процесс выплавления и дегазации был постепенным и протекал на определенной глубине в мантии. На этой глубине образуется мощная зона расплавленного вещества. В расплавленной зоне условия стабильности оказываются нарушенными, расплав становится механически неустойчивым, и в нем должны возникать процессы конвективного перемешивания. Этот процесс способствует переносу тепла в верхние части зоны, разогреву и проплавлению ее кровли. Образование легкоплавкой фазы сопровождается дегазацией воды, H 2 S, HCl, HF, NH 3 и др. Легкоплавкая фаза, зародившаяся глубоко в мантии Земли, при движении вместе с теплом к поверхности дополнительно насыщается многими легкоплавкими и легколетучими веществами. Последние в основном содержат воду: во-первых, потому, что ее содержание в первичном веществе Земли достаточно высоко, а во-вторых, потому, что вода больше, чем другие газы и пары, поглощается (захватывается) силикатным расплавом. Поэтому при дегазации мантии и выделяется больше всего воды. 4
Образование первичного океана и атмосферы При движении из глубин планеты различных газов на разных глубинах в связи с изменениями температуры и давления вода отделяется от других элементов. На поверхности Земли при охлаждении происходила конденсация глубинной, или ювенильной, воды и многих соединений, растворенных в ней, таких, как НСl, HBr, HI, В(ОН)2, (NH 4)2 CO 3, также частично соединений серы. Все эти элементы, растворенные в воде, образовывали океанический раствор. Другая часть газов, не растворяющихся или слабо растворяющихся в воде, не конденсировалась. Это инертные газы Не, Аr, Ne, Kr, Xe, a также N 2, CH 4, частично СО 2. Из них образовалась газовая оболочка Земли – первичная атмосфера. Со временем интенсивность процесса образования воды падает, так как дегазация мантии протекала в строгой зависимости от процесса разогрева вещества планеты под действием распада радиоактивных элементов. По мере уменьшения их количества, видимо, сокращался и приток воды. 5
Время образования гидросферы Основная масса гидросферы сформировалась, вероятно, уже к началу палеозоя (600 млн лет назад). Постоянный приток мантийных вод продолжается и в современную эпоху, уровень океана повышается примерно на 1 мм в 1000 лет. Запасы воды в недрах Земли огромны: в мантии ее примерно в 1000 раз больше, чем в гидросфере, заметно больше ее и в веществе земной коры. По расчетам А. П. Виноградова, масса всей гидросферы по отношению к массе всех горных пород составляет 7%. Наблюдения за вулканическими извержениями, эксперименты по полному расплавлению базальтов показывают, что в этой породе содержится 5– 7% воды. Совпадение, видимо, не случайно и позволяет предположить, что излияние базальтов всегда привносило в результате дегазации на поверхность Земли около 7 % ювенильной воды в виде водяного пара или в жидкой фазе. 6
Источники поступления воды на поверхность 1. Выделение огромных масс водяных паров при вулканических извержениях. По выражению геолога Е. К. Мархинина, «океаны образовались через вулканические жерла» . 2. Воды и газы, отделяющиеся при остывании интрузивных тел в земной коре. Вода вместе с растворенными в ней компонентами по трещинам поднимается к поверхности, образуя выходы горячих источников. 3. Основная масса ювенильных растворов, очевидно, образуется в глубинах мантии. Они поднимаются к поверхности и изливаются прежде всего по зонам глубинных разломов (срединно-океанических хребтов, разломов переходных зон). Пример: высокодебитные выходы глубинных вод или рассолов с соленостью до 270‰ на дне океана. Такие выходы соленых и горячих (температура 44– 57°) глубинных вод были обнаружены при бурении в нескольких впадинах осевого рифта Красного моря. Дебит этих источников весьма значителен, т. к. толщина придонного слоя воды высокой солености и с аномально высокой температурой в этих впадинах составляет 200– 300 м. Широко известны также многочисленные излияния термальных глубинных вод в вулканических областях или в областях недавнего вулканизма. 4. Еще один важный источник воды – химическое высвобождение связанной воды в ходе выветривания магматических пород. Приход воды из недр Земли примерно равен 1 км 3/год. Столько же воды в газообразном или молекулярном состоянии, видимо, должно уходить в космическое пространство. 7
Увеличение объема гидросферы Количество воды в океане (объем гидросферы) не оставалось одинаковым, а должно было нарастать от одной геологической эпохи к другой. Именно нарастание, а не колебания объема в сторону увеличения или в сторону уменьшения количества воды - главный планетарный процесс эволюции гидросферы. Этому не противоречит тот факт, что во время оледенений количество воды в океане то возрастало, то уменьшалось и соответственно уровень океана то поднимался, то понижался. В эпохи оледенения и межледниковья происходит лишь перераспределение количества воды между твердой и жидкой фазами. При продолжающемся росте объема гидросферы воды в жидкой фазе на Земле в настоящее время даже несколько меньше, чем, например, 40 млн. лет назад в олигоцене. Возникновение в олигоцене ледяного покрова Антарктиды привело к извлечению из океана около 24 млн км 3 воды, а прирост гидросферы за это время составил менее 10 млн. км 3. Хотя объем океана и увеличивается, процесс этот крайне медленный, особенно в последние геологические эпохи. К началу мезозойской эры (240 млн. лет назад) объем вод океана составлял не менее 94% от современного. Раннемезозойский океан по объему заключенных в нем вод практически был равен современному. Первоначально древние океаны были мелководными, но вместе с постепенным увеличением объема жидкой воды глубины возрастали – от 150– 700 м в архее до 930 м 2, 2 млрд лет назад и до 2900 м в среднем протерозое (1, 2 млрд лет). 8
Содержание некоторых элементов в первичном ювенильном растворе и в воде современного океана, г/100 г воды Компоненты Содержание в первичном ювенильном растворе Содержание в воде современного океана 8 3, 5 × 10 -3 Фтор 6 × 10 -3 2, 4 × 10 -3 Хлор 1, 4 1, 9 Бром 1 × 10 -2 7 × 10 -3 Йод 8 × 10 -3 5 × 10 -6 Бор 8 × 10 -3 4 × 10 -4 Азот 0, 4 0, 05 Углерод 9
Эволюция солевого состава океанической воды Солевой состав океанической воды эволюционировал вместе с развитием самого океана. Сравнение современной океанической воды и т. н. первичного ювенильного раствора свидетельствует о сходстве в их солевом составе, хотя и имеются существенные различия. В морской воде меньше содержится углерода и азота. Кроме того, океаническая вода в начальные периоды своей эволюции была насыщена и кремнеземом. Содержание таких элементов, как фтор, хлор, изменилось меньше, а содержание брома почти не изменилось. Для этих элементов на земной поверхности нет достаточно активных осадителей. Большие изменения в содержании углерода обусловлены связыванием его в углекислоту, которая, затем осаждается в виде карбонатов. Кроме того, количество углерода уменьшается в процессе фотосинтеза, который действует со времени появления биосферы. С возникновением на Земле жизни связана большая потеря первичным океаном азота, а также йода, который потребляется некоторыми морскими организмами в значительных количествах. 10
Периодизация эволюции солевого состава 1. Первая стадия протекала в период «безжизненного» состояния Земли, т. е. в то время, когда 4– 3 млрд. лет назад не существовало биосферы. 2. Стадия формирования биосферы 3 млрд - 600 млн. лет назад. 3. Океан стал и по объему, и по солевому составу близок современному. Последние 600 млн. лет. На первой стадии развития, в раннем архее, существовал небольшой по объему и неглубокий океан. Водяные пары, выносимые при вулканических процессах, содержали в большом объеме в виде растворов летучие дымы НCl, HF, NH 3 и др. Первоначально океан состоял из вод с достаточно резко выраженной кислой реакцией; это была смесь разбавленных водой кислот с резким преобладанием угольной кислоты. Кислотность этих первичных океанских вод усугублялась также на первых порах высоким содержанием кремнекислоты (Si. O 2). Кроме этого воды океана содержали большое количество растворенного азота. Температура воды была высокой: в позднем архее +55°С. Высокоагрессивные воды, интенсивно растворявшие горные породы. Первичный океан был кислым, хлоридным и восстановительным. С самого начала существования океана происходило химическое осаждение углерода и кремнезема, так как на поверхности в условиях резкого снижения температур и давлений уменьшалась растворимость углекислоты и кремнекислоты. 11
Особенности первой стадии 1. «Кислая» стадия развития океана, вероятно, была непродолжительной. Сильные кислоты галогенов, азота и серы, вступая в реакции с солями сильных оснований и слабых кислот, связывали металлы и высвобождали слабые кислоты, производя постепенное ослабление кислотности океанских вод. Обильное поступление вулканогенных пород в виде пепла и другого пирокластического материала облегчало и ускоряло этот процесс, т. к. большинство кристаллических горных пород представлено соединениями сильных оснований со слабыми кислотами. 2. Хорошая растворимость образующихся солей способствовала тому, что общая концентрация солей древнего океана была достаточно высокой, может, такой же, как в настоящее время, т. е. океан никогда не был пресным. Первичный океан отличался по составу солей от современного. 3. Происходило взаимодействие океана и с «первичной» атмосферой: из неё извлекались вещества, способные переходить в океанический раствор. 12
Особенности второй стадии (1) Возникновение и развитие жизни на второй стадии существования океанического раствора определили коренные изменения химизма океана. 1. Живые организмы в процессе фотосинтеза стали выделять свободный кислород, который ранее отсутствовал и в атмосфере, и в океане. 2. При поступлении кислорода восстановительные свойства атмосферы сменились на окислительные. Она стала постепенно приобретать черты современной азотно-кислородной воздушной смеси. С появлением окислительной атмосферы изменилась главная форма существования азота, основная его масса переместилась из океана (где он существовал как раствор NH 3) в атмосферу в виде молекулярного азота. 3. С появлением кислорода изменились формы миграции железа и серы: железо из формы Fe 2+ перешло в Fe 3+ и стало менее подвижным; сера, представленная первоначально анионом S 2 -, перешла в SO 42 - и начала накапливаться в морской воде; изменилась подвижность Ca и Mg. Последние два элемента наряду с Fe способствуют осаждению из океана B и F путем образования труднорастворимых солей. F, кроме того, усваивается некоторыми организмами. 13
Особенности второй стадии (2) 4. С появлением живых организмов значительная часть кремнезема начинает переходить в осадок благодаря органическим процессам (образование кремневых панцирей одноклеточных водорослей). 5. Связывание углекислоты – извлечение из атмосферы СО 2 в процессе фотосинтеза. Образование Са. СO 3, из которого строят скелеты многие морские организмы. При их отмирании Са. Со 3 переходит в донные отложения. Процесс постоянного выведения избытков углерода из круговорота существует благодаря океану, который, являясь карбонатным резервуаром, регулирует содержание углекислого газа в атмосфере. 6. Органические процессы, обеспечивая связывание углекислоты, кремнекислоты, мобилизацию серы, азота, ослабляли кислотность морской воды. Этому также способствовало поступление ионов щелочных и щелочноземельных металлов при вулканических излияниях. Кроме того, увеличился снос в океан терригенного материала, поставлявшего катионогенные компоненты солевого состава. 7. Воды превратились в хлоридно-карбонатно-сульфатные с повышенным окислительно-восстановительным потенциалом и р. Н, близким к нейтральному. Резко сократилась подвижность Fe, Al, Mn, тяжелых металлов. 14
Связывание СО 2 15
Особенности третьей стадии. Выводы • Развитие жизни на планете сопровождалось дальнейшим падением доли СО 2 в атмосфере и гидросфере и привело к ощелачиванию океанических вод. Доля карбонатов упала до 0, 21%, океаническая вода становится хлоридно-сульфатной. • Эволюция жизни вела к смене первичной восстановительной обстановки на окислительную. Первичный океан постепенно терял часть элементов катионогенного происхождения. Менялись миграционные формы элементов. Для S главной формой миграции стали сульфаты, для Fe – Fe 3+, для азота - N 2, NO 3. Повысилась подвижность Ca и Mg. Происходило осаждение труднорастворимых солей, биогенных карбонатов кальция и магния. Окисление сульфидов до сульфатов обусловило переход океанических вод к современному хлоридно-сульфатному типу. 16
Гипотеза Н. М. Страхова Этапы эволюции: • азойский; • археозойский; • протерозойско-рифейский; • исторический (фанерозойский). Эволюция гидросферы захватила весь фанерозой. Увеличение щелочности воды. Живое вещество интенсивно использует химические элементы для метаболизма, построения металл-органических соединений, образования внутренних и внешних скелетов. Поэтому концентрации Cu, V, Si, Fe, фосфатов сильно меняются в фанерозое. Колебания солености океана связаны с эпохами галогенеза, начавшимися с кембрия. В краевые участки морей, заливы поступала океаническая вода. При её испарении образовывались различные соли: сульфаты кальция, хлориды натрия, хлориды и сульфаты калия и магния. На составе океана это сказывалось рассолонением. На состав океана в фанерозое оказывали влияние процессы вулканизма и оледенения. В ледниковые эпохи Q периода уровень мирового океана понижался на 100 м. В целом, масштабы изменений гидросферы, основные этапы и тенденции её развития остаются всё ещё не выясненными. Имеющиеся геологические факты допускают разные интерпретации этих процессов. 17
Скачать презентацию Формирование вод Мирового океана Учение о биосфере Д
16_Океан.pptx