ГЕОХИМИЯ ГИПЕРГЕНЕЗА. АТМОСФЕРА И ГИДРОСФЕРА

АТМОСФЕРА. Это мощная газовая оболочка Земли. Скорее всего, она возникла одновременно с образованием Земли из газо-пылевого облака, за счет выделения летучих при первичном разогреве вещества. Вероятно, сначала она была подобна атмосферам планет-гигантов, но в дальнейшем была отчасти утеряна (диссипирована), отчасти коренным образом изменила свой состав с появлением биосферы.

Современная кислородная атмосфера есть в полном смысле продукт биосферы. Атмосферу разделяют на 5 зон (слоев, оболочек).

Нижняя зона – тропосфера : высота 8–10 км у полюсов и 16–18 у эк-

ватора (кстати, вопрос физикам – почему так), а в среднем 10–15 км. На нее приходится около 80% массы атмосферы. Эта зона граничит с поверхностью суши и океана, в ней происходят мощнейшие турбулентные процессы, за счет чего химический состав газов атмосферы везде практически одинаков, что впервые установил знаменитый Ж.Гей-Люссак. Температура с высотой падает, в среднем на 6 ^оС на каждый километр. На верхней кромке тропосферы («тропопауза») она составляет минус 50–80 ^оС.

Стратосфера, 15–50 км (почти стратисфера – этимология совершенно одинаковая!), на нее приходится около 20% массы атмосферы. Эта оболочка так названа потому, что разделяется на отчетливые слои (stratum – слой по-латыни), между которыми, в отличие от тропосферы, не происходит значительной циркуляции. Нижняя – «холодная» стратосфера простирается примерно до 25 км высоты, а верхняя – «теплая», ее называют областью инверсии. На верхней границе стратосферы («стратопауза», примерно 50 км) температура достигает 0 ^оС –10 ^оС и остается такой еще километров 5.

На высоте около 25–30 км в стратосфере располагается жизненно важный для биосферы (следовательно, и для нас) слой с озоном. Поскольку давление на такой высоте не более 0.02 атм, то, как указывает Я.Мияки (1969, с.194) если бы озон здесь находился под давлением в 1 атм, толщина его слоя составила бы всего 1.7–4 мм ! И вот от этого эфемерного экрана, который образуется в результате фотодиссоциации кислорода – зависит вся жизнь на Земле:

Таким образом, теплый слой стратосферы нагревается озоном.

Мезосфера: 55–80 км. Температура начинает падать и на высоте 80 км снова снижается до –80.

Ионосфера или термосфера: 80–1000 км. В ней, как в стратосфере, температура растет с высотой и достигает 700–800 ^оС. Но надо учитывать, что это всего лишь температура газа, а газ крайне разрежен: давление здесь составляет около 1х10^–5 атм, так что величина свободного пробега атомов на высоте 220 км достигает 870 м!. Поэтому

Термосферу называют ионосферой потому, что здесь с огромными скоростями движутся ионизированные под действием ультрафиолетового излучения Солнца частицы. Поэтому ионосфера становится проводящей и способной поглощать и отражать радиоволны. По этому признаку выделяют в ней слои Е (слой Хэвисайда), F1, F2.

Это газы – продукт длительного процесса диссипации.

В ионосфере активно протекают ядерные процессы, рождающие короткоживущие радиоизотопы. Для геохимии из них наиболее важны два: 14С и ³Н.

Радиоактивный углерод возникает при облучении азота нейтронами:

¹⁴N + n Þ ¹⁴C +¹H

Возникший изотоп углерода ¹⁴C является b-излучателем с периодом полураспада 5730 лет. Если потом этот углерод перейдет в СО₂, а последний будет поглощен при фотосинтезе растением, то в растение попадут «радиоактивные часы»: ¹⁴C начнет распадаться, и по его оставшемуся количеству можно определить возраст данного углеродистого образования, например, дерева , торфа или карбонатной ракушки. Поэтому радиоуглеродный метод датирования широко используется в археологии и четвертичной геологии. Предел его возможности – полное «вымирание» радиоуглерода, то-есть около 10 перодов полураспада (50–60 тыс лет).

Тритий тоже образуется из азота, при столкновении его атомов с быстрыми нейтронами:

¹⁴N + n Þ ¹²C +³H

В результате b-распада тритий превращается в гелий, с периодом полураспада всего 12.3 лет. Значит, его можно использовать для датирования короткопериодических атмосферных процессов: скорости формирования облаков, круговорота поверхностных и подземных вод, если возраст этих событий не превышает 100 лет.

Экзосфера: от 1000 км по меньшей мере еще на 19 тыс км, постепенно переходит в межпланетное пространство. В ней и были с началом космической эры открыты ионизированные газы, составляющие радиационные пояса Земли.

2. Газы биохимического происхождения состоят из метана, тяжелых углеводородов (ТУ), углекислоты, азота и сероводорода; все они имеют бактериальную природу, причем кроме перечисленных, может присутствовать и бактериальный водород! Породообразующее значение имеет выделение бактериями углекислоты и сероводорода. В основном деятельность бактерий ограничена пределом температуры денатурации белков, поэтому они редко проникают в стратисферу ниже 1.5–2 км.

3. Газы термокаталитического происхождения возникают на глубинах генерации нефти и газа, т.е. наиболее интенсивно в интервале 1–3 км. Это сложные процессы, но не биохимические. Образуются в основном углеводородные газы, среди которых повышена роль ТУ. Чем глубже, тем больше возрастает роль метана. Источником этих газов является превращение захороненного органического вещества осадочных пород (ОВ).

4. Газы метаморфогенные. Если термокаталитические газы выделяются преимущественно на стадии катагенеза осадочных толщ, и главным их генератором является ОВ, то метаморфогенные газы выделяются из минерального вещества пород при повышенных температурах и давлениях, характерных для метаморфизма. Их можно условно разделить на две группы:

(а) окклюдированные, сорбированные и свободные газы (в газовых включениях–пузырьках и в порах) и

(б) газы термолиза.

Те и другие выделяются при нагревании пород. Разница в том, что первые уже были в породах до метаморфизма – и лишь освободились из связанного (сорбированные) или запечатанного (окклюдированные и поровые) состояния, а вторые образуются , например, при разложении карбонатов. В основном метаморфогенные газы – это СО₂ и пары воды.

5. Газы вулканогенные – обильны в областях современного вулканизма. В их состав входят CO₂, CO, H₂, N₂, SO₂, S, H₂O, H₂S, HCl, HF, B(OH)₃, NH₃, CH₄.

6. Газы радиогенные представлены гелием (продукт a-распада изотопов урана и тория), аргоном (продукт распада изотопа ⁴⁰К) и радоном – радиоактивным продуктом распада радия (период полураспада радона – 1590 лет).

Очень важно, что выделение всех названных подземных газов резко интенсифицируется в результате разрядки тектонических напряжений в земной коре, в частности, при подъеме магматических очагов, при активизации глубинных разломов, вообще при любом дроблении вещества литосферы. Поэтому газовый мониторинг (в частности, по метану, углекислоте, гелию и радону) давно уже пытаются использовать для прогноза землетрясений.

7. Газы мантийного происхождения может быть, наиболее интересны для современного геохимика. Их характерной меткой является присутствие изотопа гелия – ³Не. Ни в каких земных процессах этот изотоп не образуется – это продукт древнейших ядерных реакций в космосе, сохраненный в мантии Земли. Глубинные газы отличаются от газов земной коры тем, что в них отношение ³Не/⁴Не на 3 порядка (!!) превышает фоновое, характерное для газов земной коры.

Наконец, есть еще один газ, который не укладывается точно ни в одну из групп – это пары ртути. Они могут выделяться из горных пород, но в основном – из сульфидов. Явная концентрация ртути над зонами глубинных разломов указывает на то, что Hg тоже может быть трассером мантийных эманаций, а не только коровых.