big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Гипотеза постепенного наращивания гидросферы

Начиная с пятидесятых годов текущего столетия широким признанием стала пользоваться гипотеза постепенного наращивания гидросферы в течение всей геологической истории за счет выноса из глубоких недр Земли летучих соединений, к которым принадлежит и вода. Еще Э. Зюсс (Suess, 1888), развивая в прошлом веке идею о древней панталассе — всемирном покрытии поверхности Земли водой, признавал возможность увеличения ее массы в результате геотектонического процесса. В двадцатом веке А. Пенк (Penck, 1934) высказал мысль о равномерном поступлении воды путем поднятия ее из земных недр на поверхность и постепенного заполнения океанических впадин. Им были выполнены элементарные расчеты, дающие представление о скорости пополнения массы гравитационной воды, имеющие в настоящее время главным образом исторический интерес.

Р. Т. Чемберлин (1951), рассматривая геологические доказательства эволюции земной атмосферы, придерживался гипотезы постепенного наращивания атмосферы и гидросферы. Основным источником пополнения воды гидросферы он считал магму. При этом, по его представлениям, только часть поступающей из вулканов воды является ювенильной, принесенной из глубоких недр.

Остальную выбрасываемую вулканами воду он относил к инфильтрационной, т. е. считал просочившейся вниз подземной водой поверхностного происхождения, нагретой лавой и обратно возвращенной в атмосферу.

Аналогичных взглядов на происхождение воды придерживается В. В. Раби (Rubey, 1951, 1964). Согласно его расчетам, основанным на сравнении данных химического состава первичных образований земной коры и верхних оболочек Земли, в этих последних содержится очень большой избыток воды, почти в 130 раз превышающий содержание ее в первичной земной коре. По мнению Раби, избыток мог образоваться только за счет дегазации глубоких недр Земли. Раби упоминает о двух модификациях гипотезы дегазации: а) вода и другие летучие вещества выделились из земных недр за короткий период времени на заре земной истории, б) те же вещества поступали из земных недр постепенно в течение значительной части геологического времени. В итоге Раби склоняется к гипотезе постепенного накопления океана и атмосферы и отмечает, что этот процесс должен был протекать с более или менее постоянной скоростью в течение всего геологического времени. Последний вывод Раби о постоянной скорости поступления воды из земных недр в гидросферу и атмосферу едва ли можно принять без существенных коррективов. По современным представлениям, еще продолжается процесс распада планетного вещества, из которого состояла молодая Земля (Кесарев, 1964, 1967). А это означает дальнейшее развитие глубинных химических реакций, дальнейшее приращение мощности и уменьшение проницаемости земной коры для летучих соединений, что исключает сохранение постоянной скорости выделения воды из глубоких недр Земли.

Н. Браун (1951), рассматривая условия образования земной атмосферы и обращая внимание на содержание больших масс воды на поверхности Земли по сравнению их с атмосферой, хотя и не делает заключения о глубинном их происхождении, но из его рассуждений этот вывод вытекает с полной очевидностью.

Несколько иначе объясняет накопление воды И. Калп (Kulp, 1951) в статье, посвященной происхождению гидросферы. По его расчетам, за период геологической истории из мантии постепенно высвободилось 3,4•1024 г, в то же время в пределах гидросферы имеется на поверхности Земли и в земной коре 2,2•1024 г, в том числе: в осадочных отложениях 0,09•1024 г, в гранитах и базальтах земной коры 0,75∙1024 г и на поверхности Земли — в океанах, морях, реках, озерах, во льдах — 1,4•1024 г. И. Калп приходит к выводу, что избыток воды, равный разности 3,4∙1024 г — 2,2•1024 г = 1,2•1024 г, улетучился в межпланетное пространство. В своих расчетах и Калп исходит из признания гипотезы непрерывного выделения воды и других летучих веществ из глубоких земных недр.

А. Польдерварт (Poldervaart, 1957) по вопросу о происхождении воды высказывает взгляды, имеющие много общего со взглядами В. Раби, Р. Чемберлина и др. По его мнению, гидросфера в небольшом объеме выделилась в самом начале геологической истории. Впоследствии она эволюционировала под влиянием следующих процессов: а) конденсации водяного пара из древней атмосферы, б) дегазации летучих компонентов из глубоких недр Земли, в) растворяющей деятельности воды в процессе выветривания горных пород. Последний из процессов, по-видимому, должен был изменять не массу, а главным образом химический состав вод гидросферы. Неоднократно А. Польдерварт подчеркивает, что на ранних стадиях развития Земли дегазация происходила более интенсивно, чем в более поздние стадии. А. Польдерварт отмечает, что рост объема гидросферы в течение геологической истории можно считать твердо установленным фактом.

Среди исследований, относящихся к проблеме теллурического происхождения воды, необходимо отметить исследования А. П. Виноградова (1959, 1961, 1962, 1967). Рассматривая возможные источники происхождения воды, он принимает массу пород земной коры равной 2,4•1025 г и вес всей воды гидросферы равным 1,6∙1024 г, что составляет около 7%.

Если принять во внимание, что в изверженных горных породах в среднем содержится около 1 % воды и что на долю этих пород приходится не менее 90% всей массы литосферы, то в этом случае масса выделившейся из литосферы воды, согласно нашим расчетам, должна была составить не более 0,25∙1024 г, что в 10 раз меньше всей имеющейся в настоящее время массы гидросферы.

Рассматривая вопрос об источниках происхождения воды, Виноградов обращает внимание на установленный факт большого сходства химического состава океана и атмосферы с составом паров и газов, выносимых на поверхность Земли вулканами. Наряду с этим он подчеркивает, что среди паров и газов, поступающих из недр Земли на поверхность, основное место занимает вода, затем идет углекислота, хлор и далее следуют другие компоненты.

Порядок расположения отдельных элементов, содержащихся в вулканических парах и газах, а также в фумаролах и гейзерах, не остается постоянным. В продуктах извержения отдельных вулканов после воды и углекислоты третье и четвертое места занимают сера и азот, а хлор отодвигается на пятое место или дальше. Однако первое место среди выделяемых вулканами летучих соединений неизменно занимают пары воды, в особенности в эманациях, выбрасываемых гейзерами. Виноградов считает, что в вулканических дымах содержится 75% воды (1962). По данным, опубликованным в других источниках, можно заключить, что содержание воды в них колеблется в пределах 50— 99%. Последняя величина относится к фумаролам и гейзерам.

Исследуя химическую эволюцию Земли, Виноградов приходит к заключению, что «единственным источником воды на поверхности Земли могли быть породы мантии» (1959, стр. 6), расположенной непосредственно под земной корой до глубин порядка 2700—2900 км. Участие мантии в продуцировании летучих соединений автор ограничивает глубиной порядка 800— 900 км, что по современным представлениям соответствует глубине, ниже которой наблюдается нулевая частота землетрясений (700 км). В более поздних работах (1962) Виноградов, кроме мантии, считает и земную кору источником дегазации и выплавления летучих соединений, что не исключает признания мантии основным источником происхождения воды. Что касается энергетической основы этого процесса, продолжающегося, по его мнению, и в современный период геологической истории, она зиждется на радиоактивном распаде U, Th, К40, генерирующих тепло мантии, которое вызывает дифференциацию вещества Земли и образование ее оболочек. В своем исследовании о происхождении оболочек Земли (1962) Виноградов не упоминает об экзогенных химических реакциях, как дополнительных источниках тепла, которым многие исследователи придают большое значение в дифференциации вещества Земли и геотектонических процессах.

Заслуживает большого внимания идея общности происхождения гидросферы и атмосферы, постоянно взаимодействующих и проникающих друг в друга, а также идея об океане и атмосфере как вторичных образованиях на земной планете.

Гипотезу постепенного наращивания гидросферы в течение всей геологической истории поддерживает В. Дерпгольц (1962, 1963). По его мнению, вековой спор между нептунистами, признававшими существование некогда всемирного океана, и плутонистами, объяснявшими стихийные преобразования на земной поверхности действием внутреннего огня, становится беспочвенным, так как все теперь признают, что «природная вода является органической частью литосферы в период всего времени ее развития» и что «для ее образования может иметься только один источник — мантия» (1962, стр. 19).

Общий запас воды в мантии оценивается в 20∙1024 г, а масса всей воды, содержащейся в наружных оболочках Земли, по Дерпгольцу, составляет 2,53•1024 г. Следовательно, за всю геологическую историю выделилось воды всего около 13% всей массы ее, заключенной в недрах мантии. Если принять во внимание, согласно Калпу (1951), и ту воду, которая могла улетучиться в межпланетное пространство, то и в этом случае масса воды, выделившаяся из мантии, не превысит 19%.

Из этих расчетов следует, что более 80% воды, находящейся в мантии, составляет резерв для пополнения массы поверхностных и подземных вод земной коры в будущем.

В отличие от своих предшественников Дерпгольц главную роль в поступлении воды из мантии отводит процессу диффузии. По этому вопросу он пишет: «Медленно продолжают они свое движение снизу вверх в направлении понижения градиентов свободной энергии (механического, химического и температурного) через базальтовую толщу» (1962, стр. 24). По подсчетам Дерпгольца, средний темп наращивания гидросферы очень медленный, 0,86 г/м2 в год или около 4,3∙1014 г (0,4 км3) в год на всю поверхность Земли. Он предлагает ввести понятие об особом поясе подземной «гидрохлоросферы» рассольных вод, дающих начало всем остальным водам, и называть эти воды «эндотегенными».

Участию вулканов в выносе водных растворов из верхней мантии в верхние оболочки литосферы Дерпгольц не придает большого значения, так как действующая поверхность вулканов незначительна по сравнению со всей земной, поверхностью что ограничивает их роль в пополнении общей массы гидросферы.

По расчетам Ф. Куенена (Kuenen, 1955), на поверхность Земли в результате вулканической деятельности выделяется около 0,1 км3 массы в год. Однако Е. К. Мархинин (1964), Ф. А. Макаренко (1948), В. Раби (1951) придают большое значение поступлению воды на поверхность Земли через вулканы и горячие источники.

К. К. Марков (1960) также признает преобладание в истории Земли тенденции наращивания гидросферы. По его представлениям, этот сложный и долгий процесс едва ли мог быть постоянным по интенсивности. В основном он протекал за счет «изгнания» молекул воды из гранитной и подгранитной оболочек. О мантии как возможном источнике происхождения воды Марков прямо не упоминает.

Г. П. Вдовыкин (1963), характеризуя химическую эволюцию органических соединений Земли, рассматривает интересные опыты Готье, согласно которым из 1 км3 гранита при его плавлении может выделиться 26 млн. т воды и много других летучих соединений.

Если принять вес Земли равным 5,975∙1027 г и содержание в ней воды 0,5% (как и в метеоритах), то всего в Земле должно быть воды 2,987•1025 г. В настоящее время в гидросфере имеется 2,53∙1024 г, что составляет около 8,5% от всей возможной в Земле массы воды. Эта величина (2,987 Х 1025) примерно в пять раз больше величины, полученной Кальпом. Остаток воды в Земле, если вода не образуется в результате химических и физико-химических процессов, составляет, таким образом, около 92%.

По подсчетам Раби (Rubey, 1964), из земной коры мощностью 38 км за геологическое время успело выделиться 85% воды (осталось 15%), а из земной коры и мантии до глубины 700 км — около 32%. Следовательно, в недрах Земли до 700 км осталось 68% воды.

Так как энергетические ресурсы в недрах Земли не исчерпаны, то, очевидно, процесс наращивания массы гидросферы продолжается.

Краткий обзор разновидностей гипотезы теллурического происхождения воды показывает, что во второй половине двадцатого века широким признанием пользуется гипотеза длительного наращивания гидросферы. При этом, согласно многим исследователям, процесс наращивания гидросферы продолжается и в современный период. О темпах его в разные геологические периоды нет единого мнения, что отчетливо выявилось в расхождениях взглядов сторонников древнего и молодого происхождения океанов.

Для выяснения возможного изменения темпов наращивания гидросферы в разные периоды развития Земли необходимо вновь вернуться к рассмотрению энергетической основы дифференциации геосфер и изменения ее скорости в течение геологической истории.

Для объяснения общепризнанной дифференциации вещества Земли должны быть приняты во внимание по крайней мере три основных энергетических источника, образующих внутреннее тепло Земли: энергия сжатия, энергия радиоактивного распада, энергия химических экзотермических реакций.

В оценке степени участия энергии сжатия в процессе дифференциации планетного вещества Земли мнения ученых расходятся. В. Г. Фесенков (1957), Б. Л. Личков (1960) и др. считают сжатие основным источником нагревания Земли. Фесенков предполагает, что почти половина всей потенциальной энергии Земли должна быть отнесена на счет процессов сжатия, существующего во внутренних сферах Земли и измеряемого большими величинами — около 1 400 000 атмосфер на нижней границе мантии (Капустинский, 1958).

В последние годы А. Бенфильдом, Е. А. Любимовой, В. С. Сафроновым были выполнены расчеты теплового эффекта сжатия с привлечением методов современной физики к исследованию проблем внутреннего строения Земли. Энергия сжатия оказалась меньше десятой доли всей потенциальной энергии Земли (Е. А. Любимова, 1958). Остаются два других источника энергии — радиоактивный распад и химические реакции с выделением тепла.

Роль химических реакций с выделением тепла пока не исследована даже в первом приближении. В. Кесарев (1964) считает, что в расчетах энергетического баланса Земли нельзя не учитывать тепло, образующееся в результате химических процессов. Из крупных источников тепла он называет реакцию образования воды, в результате которой в течение геологической истории могло выделиться в недрах планеты 0,24 Х 1027 ккал.

В. И. Вернадский (1954), напротив, не склонен придавать большого значения происходящим в недрах Земли химическим процессам как источнику энергии. Он предполагает, что ниже земной коры вещество должно находиться в состоянии химической инертности вследствие однообразия его физического состояния. Более поздними расчетами это предположение подтвердилось.

А. Ф. Капустинский (1958), обобщая данные о внутреннем строении Земли, полученные за последние 20—30 лет при помощи современной химии, термодинамики высоких давлений, квантовой механики и сейсмологии, приходит к выводам, близким к выводам В. И. Вернадского. Он также считает, что с глубиной в связи с ростом давления должно иметь место постепенное вырождение химических свойств атомов, исчезновение открытой Д. И. Менделеевым химической периодичности в их свойствах. Эту промежуточную зону («интерсферу») Вернадский выделяет на глубинах между 60—120 км и 2900 км. На нижней границе этой зоны давление достигает 1 400 000 атм. Ниже интерсферы расположена центрисфера, простирающаяся до центра земного шара, где давление возрастает до 3 000 000 атм. и где химические реакции неосуществимы вследствие полного разрушения (деструкции) электронных оболочек. Возможность разрушения электронных оболочек атомов под большим давлением в глубинных сферах Земли предполагал В. Н. Лодочников (1939), но в его концепции Земля химически однородна в глубоких недрах. Значение химических реакций в генерации тепла в глубоких недрах Земли все еще не раскрыто и пока их не принимают во внимание в расчетах внутренней энергии Земли.

Подавляющее большинство исследователей вслед за Вернадским стало признавать энергию радиоактивного распада основным источником тепла, достаточного для объяснения геотектонических явлений, в том числе процесса дифференциации вещества Земли и образования геосфер. Вернадский в связи с этим пишет: «Тепло, освобождающееся под влиянием непрестанного разрушения атомов определенных радиоактивных элементов (действительно имеющего место), совершенно достаточно для объяснения всех этих грандиозных (имеются в виду орогенические явления, А. А.) явлений» (1954, т. 1, стр. 95—96). Однако в геологическом времени на Земле имеет место уменьшение запасов и постепенное исчезновение атомов урана, тория, актиния, калия, рубидия, самария и других элементов и появление вместо них атомов свинца, кальция, бария, стронция и т. п. При этом запас энергии в продуктах распада меньше, чем в начальном продукте (Баранов, 1962). Другими словами, на нашей планете идет процесс замещения одних атомов другими, что в геологическом аспекте может существенно изменить не только химический состав, но и термический режим планеты.

Подсчеты В. Г. Хлопина (1937) показывают, что 3 млрд. лет тому назад Земля получала тепла в результате распада радиоактивных элементов в 5,15 раза больше, чем она получает его теперь: 223,24∙1016 г/кал, в час прежде и 43,3∙1016 г/кал в час теперь. При этом на долю урана и тория приходится около 98% всего выделяемого тепла.

Эти расчеты показывают, что в недрах Земли могут истощаться запасы энергетических ресурсов, если не будет генерации новых радиоактивных элементов. Следствием этого должно быть охлаждение Земли, в первую очередь земной коры со всеми вытекающими отсюда последствиями. Хлопин, однако, считает, что в настоящее время тепло радиоактивного распада покрывает потери его Землей. Возможное охлаждение земной коры, наряду с уменьшением темпов распада радиоактивных веществ, неизбежно должно вызвать дополнительное уменьшение ее проницаемости и, следовательно, замедление темпов поднятия к поверхности Земли летучих соединений, в том числе воды. Все это исключает возможность сохранения постоянных темпов наращивания гидросферы в течение геологической истории.

Е. А. Любимова (1958) опубликовала краткий обзор исследований в области термической истории Земли и свои балансовые расчеты по выделению и отдаче тепла в течение геологической истории. В расчетах ею была принята во внимание не только молекулярная, но и лучистая теплопроводность, быстро возрастающая с ростом температуры. Оказалось, что молекулярная теплопроводность играет большую роль в верхних слоях Земли, а лучистый теплообмен — на больших глубинах, где температура превышает 2000° К. Наиболее важные выводы ее сводятся к следующему: а) выделение тепла Землей в прошлом было в несколько раз больше, чем теперь, что в общем подтверждает выводы В. Г. Хлопина, И. Е. Старика и М. М. Шаца (1956), Г. Юри (Urey, 1956); б) охлаждение Земли, начавшееся приблизительно 1—2 млрд. лет тому назад, продолжается, но происходит очень медленно вследствие малой теплопроводности верхних слоев и охватывает толщу порядка нескольких сотен километров (по Любимовой — от 500 до 1000 км, а по Джеффрису — около 700 км); в) одновременно внутри центральной сферы Земли происходит рост температуры под влиянием радиоактивного разогрева с повышением ее за последний миллиард лет приблизительно на 200° С (рис. 1а).

Е. А. Любимова считает, что остывание земного шара в целом не может начаться раньше 10 млрд. лет, так как пока разогревание глубинных областей превышает охлаждение наружных. Ее окончательные выводы коренным образом расходятся с выводами С. Кларка (1956), который считал, что вынос тепла из недр Земли велик и может привести к охлаждению всего земного шара. Расчеты Кларка имеют свои слабые стороны, но и расчеты Любимовой также не безупречны. В частности, неясно, почему она в своих расчетах не учитывает конвекцию как способ передачи тепла из глубоких земных недр к поверхности. Вода и другие летучие соединения непрерывно переносят тепло в верхние слои Земли. За счет конвекции было вынесено немалое количество тепла из недр Земли, что должно было ускорить охлаждение Земли.

Нередко повышенное по сравнению с внутренними слоями

Выделение тепла Землёй в прошлом

Земли содержание радиоактивных веществ в земной коре, обусловленное подтягиванием их снизу, приводят как доказательство равновесного теплового состояния Земли. Однако перераспределение радиоактивных веществ может только временно задержать охлаждение верхних слоев Земли, но не в состоянии приостановить процесс охлаждения всей Земли.

Концентрация радиоактивных веществ в земной коре, продолжающаяся и в настоящее время, препятствует интенсивному падению проницаемости земной коры, что, в свою очередь, поддерживает темпы выноса летучих соединений, в том числе и воды, из глубоких недр в земную кору и на ее поверхность.

Бесспорны только два возможных источника пополнения потенциальной энергии Земли: а) генерация новых радиоактивных элементов за счет распада старых, но с меньшими запасами энергии в продуктах распада; б) пополнение радиоактивных запасов энергии Земли вследствие поступления на ее поверхность вещества из Космоса (метеориты, космическая пыль, корпускулы Солнца и т. д.).

Энергия сжатия не может поступать бесконечно, так как процесс увеличения плотности Земли конечный. То же можно сказать и о химических реакциях во внутренних сферах Земли, протекающих с выделением тепла.

Первый из двух указанных источников можно также признать конечным в замкнутой системе реакций. Но приращение массы Земли за счет вещества, поступающего из Космоса, позволяет этот источник считать бесконечным, хотя и вторичным по своему генезису.

Прямое отношение к проблеме охлаждения — нагревания Земли, с чем тесно связано изменение массы гидросферы, имеют противоположные взгляды Баранова (1962, стр. 18). По его мнению, «нет никаких оснований считать, что сумма внутреннего тепла возрастает со временем», как предполагает Любимова. Свое мнение Баранов основывает на признании радиоактивности глубоких недр Земли и более интенсивной тектонической деятельности ее в прошлом. В общем виде с этим нельзя не согласиться. Однако для пополнения массы гидросферы имеет значение не только вулканическая деятельность, которая сугубо локализована, но и диффузия летучих веществ снизу вверх через пористую поверхность.

По-видимому, нельзя исключать возможность поступления воды из мантии по продольным и поперечным тектоническим трещинам островных дуг.

Мы остановились подробно на характеристике энергетической основы дифференциации геосфер потому, что она определяет возможность процесса выделения воды из глубоких недр Земли и его интенсивность. Таким образом, пока нет оснований предполагать значительное уменьшение энергетических ресурсов Земли, которое бы существенно замедлило подъем воды из глубоких недр Земли на ее поверхность.

Согласно изложенным выше концепциям, вода есть продукт саморазвития природы внутренних сфер Земли, образующийся вследствие изменения химического состава элементарного межпланетного вещества, которое состоит в основном из простейших атомов Вселенной — атомов водорода.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.