Средний состав земной коры, г/т

(по А.П. Виноградову)

в том отношении, что Na непрерывно поступает в море в речных водах в форме карбонатов и бикарбонатов, в то время как Cl почти исключительно за счет размыва соленосных залежей. Но количество Cl в океанической воде во много раз превосходит то, которое могло образоваться при выветривании пород на континентах. Откуда же этот Cl в океане?

Так же принципиально обстоят дела и с СО₂. Количество его, которое в связанном виде заключено в известковых осадках, в несколько сот раз превышает суммарное количество этого газа, присутствующего в современных атмосфере и гидросфере.

Аналогичны композиции и ряда других летучих: B, Br, F, N, S, да и самой воды.

В.В. Руби проанализировал возможные источники таких "избыточных" летучих, разделив их на два основных: эти газы являются остаточными от первичной "примитивной" атмосферы, или "первичного" океана, или же они являются результатами дегазации земных недр в течении геологического времени? Первое предположение было признано маловероятным, так как избыточные летучие, включая Н₂О, сделали бы воду первичного океана кислотной, с рН менее 1. А это привело бы к массовому отложению кремнезема и карбонатных осадков, чему противоречат данные древней докембрийской стратиграфии. Отношение известняков к другим породам относительно близко в течении многих геологических периодов.

С этой точки зрения дегазация глубинных недр Земли выглядит предпочтительней. И согласуется с современными проявлениями вулканической деятельности. Сейчас при извержениях в атмосферу поступают те же избыточные летучие, имеющие тот же газовый состав, а возможно и пропорции, которые генерируются вулканическими выбросами. Это преимущественно H₂O, СO₂, HCl, HF, N₂О, H₂S и SO₂.

Предполагается, что масса гидросферы и атмосферы постоянно росла в течении геологического времени, тогда как состав морской воды оставался почти неизменным. Нам неизвестны осадочные месторождения брусита - Mg(OH)₂, которые образуются при рН намного превыщающих современные значения. Нет доказательств и более кислотной, по отношению к нынешной, конституции океанических вод. Вероятно поступление летучих протекало с примерно одинаковой скоростью на протяжении всей истории Земли.

Имеется и принципиально иной источник поступления газов из глубин планеты. Так, содержание Ar в атмосфере больше содержаний других инертных газов и основная его масса представлена радиогенным изотопом ⁴⁰Ar. Очевидно он является продуктом радиоактивного распада ⁴⁰К. Но количество Ar в атмосере превышает то, которое могло бы образоваться в земной коре за все время существования Земли. Отсюда вывод: Ar привносился вероятно за счет дегазации мантии. К.К. Турекян подсчитал, что возможные потери Ar мантией составляют 2,8 ×10^-11 в год.

Рассматривая малый - биологический круговорот веществ в природе, обычно исходят из циклов полного обмена основных компонентов атмосферы - кислорода, углекислого газа и воды. Но опять, как и при обсуждении большого круговорота веществ, мы должны внести в это представление определенные коррективы.

Это не отрицает основного положения о генерации массы кислорода за счет фотосинтеза, проходящего под влиянием солнечной энергии с образованием глюкозы: 6 CO₂+6H₂O+(квант солнечной энергии) = C₆H₂O₆+O₂. Подсчитано, что все растения Земли, включая морские, продуцируют кислород со скоростью, при которой соответствующее его количество в атмосфере может быть создано за 3000 лет. Определенная часть кислорода может образоваться также за счет фотодиссоциации воды, с высвобождением Н₂О. В. Руби подсчитал, что весь кислород, образовавшийся за счет фотосинтеза за всю историю Земли равен 1,8 ×10²² г. Несколько большую величину (2,3×10²²) привел П. Абельсон.

Первичная атмосфера Земли, образованная в результате плавления и дегазации, должна состоять, главным образом, из Н₂О, СО₂, N₂О, с подчиненным количеством СО и Н₂О. Исследование древних отложений Земли не обнаружили изменения состава атмосферы, отраженной в составе продуктов солеобразования ранней стадии развития Земли от современной.

Важным фактором в развитии органической материи, в происхождении жизни на Земле, является коротковолновое ультрафиолетовое солнечное излучение, которое оказывает смертоносное влияние на большинство живых организмов. Земная поверхность защищена от таких лучей атмосферным озоном - О₃. Так как в первичной атмосфере озона не было (не было и свободного кислорода), то зарождение жизни на Земле могло произойти только при соответствующей кислородизации атмосферы. Возможно, что влияние на это оказала и фотодиссоциация водяных паров в атмосфере. Не исключено, что жизнь зарождалась и под метровыми слоями воды, достаточными для поглащения энергии ультрафиолетовых лучей, но и при обеспечении условий фотосинтеза. П. Абельсон указал на вероятность появления органических веществ в результате фотохимических процессов в атмосфере. Известно, что синтез некоторых органических веществ происходит и при извержении вулканов.

Процесс "кислородизации" достаточно детально отслеживался рядом ученых. Л. Беркнер и Л. Маршалл сделали попытку увязать увеличение количеств атмосферного кислорода с темпами распространения жизни в конце докембрия и ее появлением на суше в среднепалеозойское время. Т. Хоринг обобщил данные по микроконцентрациям органических веществ в древних породах. Установлено, что признаки существования древнейшей жизни на Земле имеют возраст 3 млрд. лет. А самые древние породы земной коры образовались 3,5 млрд. лет тому назад.

О недостатке кислорода на ранних стадиях развития Земли свидетельствуют и данные по рудообразованию, особенно ярко показанные для полосчатых железорудных формаций и месторождений урана.

Полосчатые железорудные формации характеризуются исключительной приуроченностью к допротерозойским осадочным образованиям. Временем их широкого развития следует считать 2-2,1 млрд. лет. Они как правило древнее, чем наиболее ранние формирования красноцветных осадков в пределах континентов. Или иначе: континентальные красноцветные отложения, свидетельствующие об обилии кислорода, отсутствуют среди пород древнее 2 млрд. лет. До этого времени преобладающим типом организмов были прокариоты - безъядерные простейшие бактерии и сине-зеленые водоросли. Они характеризуются наивысшей устойчивостью к ультрафиолетовому излучению. Прокариоты являются также единственными организмами, которые живут в анаэробной среде и способны связывать азот, а это происходит лишь при отсутствии в атмосфере кислорода. От радиации они защищены слоем осадка. Эти адаптивные свойства прокариот дают основание считать, что начальные стадии эволюции жизни шли в бедной кислородом атмосфере и гидросфере.

Среди мельчайших микроорганизмов, найденных в полосчатых железорудных формациях, имеются формы похожие на железобактерии и сходные с теми, которые в настоящее время осуществляют фотосинтез с выделением кислорода. Подобные бактерии и сине-зеленые водоросли фотоавтотрофны. Однако фотосинтез у всех бактерий идет в анаэробной среде. Вероятно, в то время кислород подобного скромного фотосинтеза и приводил к отложению железа в виде слойков, выдержанных на значительных площадях, которые образовывались из растворов, содержащих железо в закисной форме.

Свободный кислород - яд для всех форм жизни в отсутствии подходящих ферментов для его усвоения, и начальная жизнь не могла бы возникнуть в присутствии кислорода. Железо вовлекалось таким образом в ранние этапы биологической передачи кислорода, особенно там, где есть доказательства, столь надежно подтверждающие преобладание закисного железа в бескислородных водах ранних стадий Земли (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Схема основных стадий эволюции Земли (по П. Клауду, 1975)

Хорошо согласуются с этими выводами и данные по изучению разновозрастных урановых месторождений. Древнее 2,8 млрд. лет урановые руды не известны. В период примерно 2,8-2,2 млрд. лет назад формировались первые платформенные бассейны, а бескислородная атмосфера допускала лишь накопление россыпных залежей уранинита (UO₂) в кварцевых конгломератах. В интервале приблизительно 2,2-0,4 млрд. лет, в связи с обогащением атмосферы кислородом, уран переносится в окисленных комплексах и накапливается лишь в восстановительных обстановках. И, наконец, после появления наземной растительности, отложение урановых руд определяется окислением-восстановлением из грунтовых вод в континентальных осадочных породах.

Все сказанное отвечает представлениям о "кислородизации" атмосферы и связанным с этим развитием жизненных форм на Земле.

Вопреки утверждениям представителей биологических наук, значение фотосинтеза, как чуть ли не единственного производителя кислорода, вероятно преувеличено.

Так, при вулканической деятельности чаще всего 2/3 вулканических газов приходится на пары воды и их смеси и около 1/5 – на окислы углерода. Но поступает и кислород. В газовых выделениях застывших лав количество кислорода часто превышает его содержание в атмосфере. При остывании магма выделяет свободный кислород. Это объясняет несоответствие его содержания в однотипных горных породах, где глубинные аналоги богаче излившихся на 5%. При наземных извержениях кислород поступает непосредственно в атмосферу, при подводных - в гидросферу. При остывании магмы кислород выделяется в объемах до 1% от излившейся массы.

Согласно исследованиям В.И. Бгатова, кислород земной атмосферы на 2,3% тяжелее фотосинтетического, а кислород, растворенный в глубине океанских вод, особенно у рифтовых зон спрединга, еще тяжелее и к тому же имеет иной изотопный состав. По его расчетам, для создания современного кислорода воздуха необходимо лишь 30% фотосинтетического и 70% глубинного. Следовательно, биогенный источник свободного кислорода на Земле не единственный. Роль биоты как контролера жизнедеятельности биосферы должна быть скорректирована. Эта роль заключается не только в продуцировании свободного кислорода, но и в утилизации углерода. На практике он применяется для увеличения земной органической массы насыщением диоксидов углерода. По принципу Ле-Шателье - Брауна, происходит смещение скорости химической реакции в сторону избыточного элемента.

И еще - расчетные данные о содержании кислорода в отдельные эпохи геологической истории, по новейшим методам, свидетельствуют о периодичности его накопления отчетливее, чем о его постепенности. И максимальные объемы поступлений кислорода в атмосферу не отвечают современной эпохе, что коррелировалось бы с накоплением только фотосинтетического кислорода.

В прошлом Земли были периоды более высокого содержания свободного кислорода: около 350-300 (Д₃-С₁) и 150-70 (J₂-K) млн лет назад. Непосредственный анализ газовых пузырьков в горных породах последней эпохи свидетельствует о превышении содержания кислорода к современному в 1,5 раза.

Следовательно, роль эндогенной дегазации недр существенно недооценивалась в формировании газового состава земных оболочек.

Значительные и резкие колебания содержаний кислорода и двуокиси углерода и фактические прямые их корреляции с флуктуациями поступления вулканогенного материала вынуждают считать последний их главным источником.

Стало уже широко известным, что жизнь начиналась (и сейчас существует) в бескислородной среде и, как это не парадоксально, но появление свободного кислорода в окружающей среде привело к массовому вымиранию анаэробов - одной из первых глобальных экологических катастроф геологического прошлого, удаленного от нас на 3,8-4,0 млрд. лет. В то же время жизнь не существует вне азота.

В летописи состава осадочных пород и изменения их масс могут быть включены условия и динамика геохимических процессов геологического прошлого. "Такая летопись является единственной информацией, позволяющей ставить и решать проблему изменений и эволюции биосферы в геологическом масштабе времени" (Мигдисов и др., 1998).

Фактический материал для построений подобных моделей – это данные о массах и составах осадочных пород разных стратиграфических уровней (рис. 11.2, по А.Б. Ронову, 1972).

Рис. 11.2. Схема эволюции литологического состава и пропорций пород областей осадконакопления континентов (а) и изменения во времени пропорций важнейших групп пород областей эрозии материков (в)

Эволюционировали не только атмосфера и гидросфера. Необратимо изменялись формы осадконакопления с наращиванием земной коры. Начальный вулканогенно-осадочный литогенезис вытеснялся экзогенным. Бескарбонатное кремнеземное хемогенное осадконакопление сменилось доломит-джеспилитовым, а затем углисто-карбонатно-галогенным и т.п. (рис. 11.3).

Анализ данных по среднему составу разновозрастных толщ платформ показывает, что некоторые элементы (Zr, Hf, Nb, Cr и др.), а также акцессорные минералы, как циркон, накапливаются в осадочных породах вверх по стратиграфической колонке, параллельно с повышением "зрелости" осадков и степени их переработки.

Происходит изменение соотношения пород в областях эрозии.

Рис. 11.3. Схема развития гидро-, атмо- и литосферы (по Н. Страхову)

Это приводит к последовательному снижению в осадках от древних к молодым содержаний К₂О, Rb, РЗЭ, калиевого полевого шпата, мусковита и других типичных литофильных элементов и минералов, характерных для гранито-гнейсового фундамента.

В целом в химической эволюции Земли, как она вырисовывается нам сейчас, проявлены два противоборствующие геохимические процессы: дифференциации (очищения) и гомогенизации (смешения). Сам процесс разделения может достигать степени изотопного фракционирования: соотношения ³⁴S/³²S для органических и неорганических образований достаточно различны; отношения ¹⁸О/¹⁶О для пресной воды ниже чем для магматических пород.

В общем тесный характер взаимоотношений органического и неорганического мира коррелируются на всех уровнях - от глобальных до микроскопических. В частности, совсем недавно "сенсацией" явилось открытие в скелетах ряда животных неорганических минералов (особенно карбонатов, фосфатов, реже силикатов - опалина, сульфатов и окислов железа). Добавим, что и так называемое камнеобразование у человека иногда приводит к появлению желчных камней неорганического состава. Таковы "необыкновенные" карбонатные желчные камни из Австралии и Алтая.

2. Геохимические аномалии

Имеются уровни геохимического распределения элементов на Земле, имеющие несомненный экологический аспект. Выделяются крупные геохимические аномальные зоны, характеризующиеся повышенными содержаниями определенных химических элементов.

Существует понятие элементарно-газового "дыхания" Земли.

Примером может служить кратко рассмотренное выше поступление радиогенного ⁴⁰Ar в атмосферу из земных недр. Часто говорят о гелиевом дыхании. Иногда речь заходит и о так называемом "ртутном дыхании". На краткой характеристике последнего мы и остановимся.

О самой ртути. Это химический элемент второй группы периодической таблицы Д.И. Менделеева, с атомным весом 200,6. Ртуть - единственный металл, который при нормальных условиях представляет собой жидкость. Из всех металлов одна она обладает повышенным давлением насыщенных паров, что приводит к ее интенсивному испарению и созданию ртутной "атмосферы".

Ртуть находится в горных породах в состоянии повсеместного рассеяния и только в определенных условиях может концентрироваться вплоть до образования рудных месторождений. Кларк (среднее содержание) ртути в земной коре, по А.А. Саукову, 4,5×10^-6, по В.З. Фурсову, 6,7×10^-6.

Источником высоких концентраций паров ртути являются зоны глубинных разломов, особенно в сейсмоактивных областях. Возгоняется ртуть из рыхлых пород при температуре 150-225°С. Аномальные концентрации в зонах глубинных разломов превышают фоновые в 4-30 раз. Собственно рудными значениями являются содержания металла от 0,3-0,06% (иногда), а чаще 0,01% (до первых процентов и выше). Ртутные аномалии сопровождают большую часть рудных месторождений, на чем в частности основан газортутный метод поиска металлических полезных ископаемых.

Анализ размещения повышенных концентраций ртути в планетарном масштабе позволил установить, что ее месторождения, обычно по минеральному составу относимые к киноварным - НgS, приурочены к подвижным поясам мантийного заложения в пределах континентальных и океанических блоков земной коры. Среди континентальных зон известны Средиземноморский, Тихоокеанский и Центрально-Азиатский планетарные пояса. Из структур океанического дна более изучены Срединно-Атлантический хребет, но главным образом Восточно-Тихоокеанское океаническое поднятие, важным элементом которого является разлом Сан-Адреас, достаточно полно обследованный на Северо-Американском континенте. Он контролирует размещение молодого ртутного оруденения Калифорнии, в том числе таких известных месторождений как Нью-Аль-маден, Нью-Идрия, Сульфер-Бэнк. И к нему же приурочено ртутьсодержащее газонефтяное поле Цимрик, единственное известное место, где ртуть самопроизвольно выпадает на местных насосных станциях. Количество выпавшей ртути - несколько сотен тонн, то есть как в собственно ртутных месторождениях, а общие запасы составляют минимум 800 т, при среднем содержании ртути в нефтях 1,9×10^-4-2×10^-3 %.

Показателен в этом отношении и ртутнорудный пояс Западной Европы, также сопровождаемый газонефтяными месторождениями. Одно из них - Гронинген находится в Нидерландах. Это уникальное газовое месторождение (15 трлн. м³). Одновременно оно содержит около 3000 т ртути (среднее по запасам металла месторождение), при содержании ртути 2×10^-4 г/м³. В этой же зоне расположено подобное месторождение в Германии - Вустров, где содержание ртути самое высокое из известных и составляет 3 мг/м³.

В ряде случаев и сама нефть истекает на поверхность суши или в море, где нефтяные природные резервуары были разорваны поздними зонами разломов. Это отмечалось и у берегов Калифорнии, и в акватории Каспийского моря, и в Австралии.

Близка к ртутной геохимическая ситуация для ряда других химических элементов, в том числе и таких токсичных, как Se, Cd, S и другие. Эти проявления весьма своеобразны, но со многими из них связан привнос вещества в атмосферу, гидросферу и на поверхность литосферы из земных недр. В частности, вулканологам хорошо известна связь с деятельностью активных вулканов различных газов серы. Известный бельгийский ученый-вулканолог Гарун Тазиев одну из популярных книг об вулканах так и назвал - "Запах серы". Трудно подсчитать объем глубинных поступлений серы, но он должен быть весьма существенным, исходя из выясняющихся действительных масштабах вулканических явлений. В упомянутой книге Г. Тазиев пишет: "...дно океана, то есть 2/3 земной поверхности состоит исключительно из вулканических пород; океанологи нанесли суровый удар по геологической традиции, отдававшей неоспоримое преимущество гранитам. Вулканизм разом стал в ряд важнейших феноменов образования скальных пород - более важных, чем плутонизм и седиментация, вместе взятые".

Указанные геологические явления, свидетельствующие о дегазации недр Земли, естественно, влияют на экологические условия существования растительного и животного мира на нашей планете.

Вообще, содержания элементов для того или иного участка земной коры часто зависит не от общего состава литосферы, а от местных отклонений от него - геохимических аномалий. Основные закономерности геохимической экологии определяются, с одной стороны, данными уровнями концентрации для каждого химического элемента в различных компонентах географической оболочки - горных породах, водах, почве, атмосферном воздухе, в живом веществе; с другой, наличием территорий, для которых характерно избыточное или недостаточное содержание тех или иных элементов (аномалии).

По существу к геохимическим аномалиям относятся и экзогенные концентрации солеобразующих соединений, включая гидрогеохимические аномалии соляных озер и вторичное засоление почв, а также биогидрогеохимические аномалии типа эвтрофированных бассейнов.