Стабилизация химизма океана

Мировой океан занимает 3/4 земной поверхности. Это динамичная биокосная система, регулирующая состав атмосферы и литосферы. Океан составляет 80 % всей массы свободной воды земной коры — гидросферы, оставшиеся 20 % — это поровые воды илов и горных пород (18,8 %), ледяные покровы материков (1,2 %), реки и озера (0,002 %), водяные пары атмосферы (0,008 %).

Соленость воды в поверхностных слоях океана колеблется от 3,5 до 4 %о. Несмотря на колебания солености, соотношение основных ионов остается постоянным, солевой состав океана является своего рода геохимической константой.

Основную массу растворенных соединений составляют хлориды щелочных и щелочно-земельных элементов, меньше сульфатов, еще меньше гидрокарбонатов. Концентрация рассеянных элементов на 3 порядка ниже, чем в горных породах. Диапазон содержания рассеянных элементов — 10 порядков. Отчетливо доминируют Br, Sr, F, В, в значительных количествах содержатся Li, Rb, I, Ва. Очень низкая концентрация у железа и алюминия — на уровне рассеянных элементов.

Химический состав океана, %, приведен ниже:

С1 — 2,1—1,7; Na — 1,7—0,9; О — 2,0-!—1Д-1; Mg — 1,5-!—9,1~2; S — 1,0-!—6,8-2; К — 1,0-!—6,8-2; Са — 6,4“2—3,8-2; Вг — 7Д-3—4,2-3; С — 4,8-3—2,6-4; N — 2,3-3—1,0~5; Rb — 1,4-3—2,0-5; Sr — 1,4-3—1,3"3.

Происхождение гидросферы Земли.

В основе современных взглядов на эволюцию гидросферы лежат идеи В. И. Вернадского о магматическом происхождении океанических вод и ведущей роли живого в детерминации их химических свойств. Океан как продукт эндогенных процессов мало менялся с архея. Главные параметры океана установились в раннем архее, а дальнейшие преобразования шли в пределах, в которых могли существовать и эволюционировать организмы.

В. Г. Горшковым (1995) предложена гипотеза о биогенном происхождении гидросферы Земли. Огромные запасы воды в биосфере отличают Землю от остальных планет Солнечной системы. Вода сосредоточена главным образом в Мировом океане, содержащем 1,4 • 109 Кт Н20. Процессы поступления Н20 в гидросферу из земных недр с современной скоростью могут быть ответственны только за появление не более десятой части современной гидросферы. Осадочные породы имеют толщину порядка 2 км. Относительное содержание Н20 из рифтовых зон и вулканов, формирующих осадочный слой и гидросферу, не превышает 10 %. Не меньшей должна быть и доля воды в обратном потоке вещества в земные недра. Следовательно, средняя толща гидросферы не должна превышать 10 % толщи осадочного слоя, т. е. 200 м (вместо необходимых 2 км).

Многие биохимические реакции протекают с образованием свободной воды. Современная продукция биосферы составляет 200 Гт/год живой (сырой) массы, половина которой — органический углерод. Если предположить, что палеобиосфера имела тот же порядок продукции и только 1 % этой продукции составлял синтез свободной Н20 (из СН4 и С02), то вся гидросфера Земли могла быть образована живым веществом менее чем за 109 лет, т. е. за время, которое составляет четверть времени существования жизни. Следовательно, вся гидросфера Земли могла быть сформирована около 3 • 109 лет назад, в соответствии с геологическими данными. Впоследствии биохимические реакции могли измениться и принять современный вид.

Н. Н. Верзилин (2005) также рассматривает роль бактерий в синтезе биосферной воды. Анаэробные прокариоты использовали солнечный свет для окислительно-восстановительных реакций, например, по уравнению: 2H2S + С02 + солнечный свет = СН20 + S + Н20. Период их господства был длительным, в захоронение уходила масса органического вещества и заключенной в них энергии; вероятно, их вклад в увеличение ресурсов воды на планете также весьма значителен.

Проблема происхождения океана, эволюции его солевого состава чрезвычайно сложна и дискуссионна. В результате различных круговоротов один и тот же атом многократно поступал в океан, осадочные породы, магму, изверженные породы и т. д.

В современном океане поступление веществ в общем уравновешено процессами их удаления в осадки дна и атмосферу. Однако за время геологической истории состав океана менялся. А. П. Виноградов (1989), В. Г. Кузнецов (2016) признают влияние эволюции жизни на стабилизацию химических свойств мирового океана. Первичный океан образовался в результате дегазации мантии свыше 4 млрд лет назад, когда возникла и твердая земная кора — продукт выплавления из мантии основных изверженных пород. Кислые вулканические дымы (НС1, HF, С02 и др.), растворяясь, определяли сильнокислую реакцию океанических вод. Первичный океан был кислым, хлоридным и восстановительным.

Нейтрализация кислот гидросферы происходила за счет взаимодействия с силикатными породами ложа океана. Кроме того, на поверхности островов происходило выветривание и образование растворов карбонатов калия, кальция, магния, натрия и золей Si02, Al, Fe. В океане они вступали в реакцию со свободными кислотами. Постепенно кислотность гидросферы падала, воды становились хлоридными. Отличительной особенностью воды была обогащенность хлоридами алюминия, железа и других тяжелых металлов.

В археозойском этапе развития гидросферы после исчезновения сильных кислот появилась возможность прогрессивного накопления карбонатных солей. Так как кислорода было мало, это приводило к большому разнообразию карбонатов, не только Са, Mg, Na, но и Fe, Мп. Воды становятся хлоридно-карбонатными.

Новым качественным этапом эволюции гидросферы было зарождение живых организмов. Появление в растворе воды океана органических сложных соединений, а затем простейших организмов произвело первый глубокий переворот в составе океана и процессах, происходящих в нем. Растворимость многих неорганических соединений, взвесей стабилизировалась органическими соединениями; изменился характер транспорта взвесей и солей в донных отложениях. Толща океанической воды разделилась на слои — активный, средний, глубокий.

Особое значение имело возникновение фотосинтеза. Гидросфера теряла углекислый газ и обогащалась кислородом. Окислительно-восстановительный потенциал возрастал, из-за потери С02 воды становились нейтральными. Самородная сера и сероводород в условиях обилия кислорода переходили в сульфатную форму. Серная кислота реагировала с растворенной углекислотой, вытесняя С02. На протерозойском этапе эволюции воды превратились в хлоридно-карбонатно-сульфат- ные с повышенным окислительно-восстановительным потенциалом и pH, близким к нейтральной точке. Подвижность многих элементов, особенно Fe, Al, Мп, тяжелых металлов, резко сократилась.

Развитие жизни на планете сопровождалось дальнейшим падением доли углекислого газа в атмосфере и гидросфере и привело к ощелачиванию океанических вод. Доля карбонатов упала до 0,21 %, океаническая вода становится хлоридно-сульфатной. Fe, Мп, Си были практически изгнаны из состава воды, другие элементы с переменной валентностью (V, Сг) присутствовали в ней только в окисленной форме.

Таким образом, эволюция жизни вела к смене первичной восста- новительно-глеевой обстановки на окислительную, к постепенному уменьшению кислотности вод и соответствующему возрастанию их щелочности. Первичный океан постепенно терял часть элементов катионогенного происхождения. Менялись миграционные формы таких элементов, как сера, азот, железо. Для серы главной формой миграции стали сульфаты, для железа — Fe3+, для азота — N2, N03. Повысилась подвижность кальция и магния. Происходило осаждение труднорастворимых солей, биогенных карбонатов кальция и магния. Окисление сульфидов до сульфатов обусловило переход океанических вод к современному хлоридно-сульфатному типу.

Интенсивный обмен С02 на поверхности Земли при участии организмов не только стабилизировал активную реакцию воды океана, но и создал буфер, обеспечивающий эту стабильность pH океанической воды:

Величина pH океанической воды изменяется в диапазоне 7,5—8,5. Повышение концентрации С02 ведет к уменьшению pH воды океана. Более высокие значения pH наблюдаются в поверхностном слое, а более низкие — в придонных слоях воды океана. В поверхностном активном слое океана идет интенсивное потребление С02 и продуктов ее диссоциации фотосинтезирующими организмами. Концентрация СО§_ в верхних слоях мощностью 200 м ничтожно мала и далее, в более глубоких слоях, несколько увеличивается. В глубоких слоях преобладает Н2С03. Содержание НСО§ медленно нарастает (на глубине активного слоя от 0 до 200 м), а затем остается почти без изменений в более глубоких слоях. Равновесие С02 в атмосфере и гидросфере направлено на уменьшение содержания газообразной углекислоты в гидросфере и атмосфере, на ее исчерпание из этих бассейнов, перевод в твердые осадки — карбонаты. Этот направленный механизм действует непрерывно на всем протяжении геологической истории Земли.

Современный этап развития гидросферы начался в палеозое, для него характерна ведущая роль живого вещества в геохимии океана. Н. М. Страхов (1963) полагал, что эволюция гидросферы захватила и весь фанерозой. Увеличение биомассы в фанерозойских биосферах вело к использованию целого ряда минеральных компонентов для внутриклеточного метаболизма организмов, построения их металлоорганических соединений, образования различных внутренних и внешних скелетов. Это особенно справедливым казалось ему относительно меди, ванадия, железа, кремнезема, карбонатов кальция и магния, фосфатов, барита, подвижность и концентрация которых в гидросфере менялись в течение всего фанерозоя. Также непрерывно увеличивалась щелочность вод.

Колебания солености океана были связаны с эпохами галогенеза, начавшимися уже с нижнего кембрия. В полуизолированные заливы, краевые участки морей, в огромные внутриконтинентальные моря непрерывно поступала океаническая вода, испаряясь, отлагала разнообразные соли, чаще всего, по-видимому, сульфаты кальция, реже, но в большем количестве хлориды натрия, еще реже и меньше — хлориды и сульфаты калия и магния. Тем самым извлекались и захорони- лись в составе осадочных пород колоссальные массы солей. На составе океана это сказывалось рассолонением. Изменялись не только соленость океана, но и соотношения между отдельными солевыми компонентами.

На состав океана в фанерозое, по-видимому, также оказывала влияние интенсивность процессов вулканизма и оледенения, извлекавших огромные массы воды (в ледниковые эпохи четвертичного периода уровень Мирового океана понижался на 100 м).

В целом можно сказать, что масштабы изменений гидросферы, основные этапы и тенденции ее развития остаются все еще не выясненными. Имеющиеся геологические факты допускают разные интерпретации этих процессов.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >