Основные закономерности геохимической истории земной коры
Содержание
.
Введение
.
Необратимая эволюция земной коры
.
Периодичность развития земной коры
.
Катастрофические космические факторы в геологической истории
.
Земная кора и верхняя мантия как особая система. Геохимический цикл
Заключение
Литература
1. Введение
Как самостоятельная отрасль науки геохимия
оформилась в первом десятилетии 20-го века в России; её основателем был В. И.
Вернадский. Однако сам термин «геохимия» предложен швейцарским химиком Ф.
Шёнбеном в 1838 году для обозначения науки о химических процессах в земной
коре. Но эти процессы изучает также минералогия, петрография и другие науки, в
связи с чем ещё одна наука, объединяющая реально существующие отрасли знания,
оказалась излишней. Предложенный Ф. Шёнбейном термин был использован В. И. Вернадским
для обозначения созданной им науки - истории атомов Земли. В 70-х годах
космонавтика доставила прямую информацию о породах Луны, атмосферах Венеры и
Марса и т. д. Исследованием этих вопросов занялись геохимики, стали
употребляться словосочетания «геохимия Луны», «геохимия Марса». Поэтому теперь
можно дать следующее определение: геохимия изучает историю атомов Земли и
других планет земной группы.
Самые отдалённые корни геохимии уходят к
Теофрасту, Плинию и другим античным учёным. Однако это были лишь предположения,
на смену которым в 17-19 веках пришли опытные данные о химических процессах в
земной коре и их осмысливание с позиций, которые мы теперь именуем
геохимическими.
В 17 столетии англичанин Р. Бойль изучал химию
атмосферы и природных вод, а голландец Х. Гюгенс подошёл к пониманию жизни как
космического явления. В 18 веке М. В. Ломоносов обосновал значение химии для
геологии, дал объяснение процессам образования угля, нефти, торфа, рассмотрел
ряд других геохимических проблем в своих знаменитых книгах «О слоях земных» и
«О рождении металлов». Француз А. Лавуазье заложил фундамент геохимии газов и
атмосферы, геохимии природных вод.
В первой половине 19 века большое значение имел
грандиозный труд шведского химика И. Берцелиуса в области химического анализа
горных пород, руд, минералов и вод. В этот же период немецкий натуралист А.
Гумбольдт много внимания уделял влиянию жизни на окружающую среду, а его
соотечественники - химики К. Шпренгель и Ю. Либих и французы Ж. Дюма и Ж.
Буссенго установили геохимическую роль растений. Эти работы послужили основой
будущей биогеохимии. В середине 19 века немецкие учёные К. Бишоф и И.
Брейтгаупт опубликовали крупные общения по химии земной коры. Они вплотную
подошли к геохимии, рассматривали химический состав земной коры, круговорот
веществ в ней.
Конечному становлению геохимии способствовали
открытия начала 20 века, оформившие представления об атоме, как о вполне
реальной и сложной системе.
2. Необратимая эволюция земной коры.
В ходе геологической истории разрастались
платформы и сокращались геосинклинали, увеличивалась мощность гранитного слоя,
уменьшался общий объём и мощность вулканогенных формаций, возрастала
относительная роль поднятий, континентального осадконакопления, наземного
вулканизма, кислых интрузий и соответственно уменьшалось значение опусканий,
морского осадкообразования, подводного вулканизма и основных интрузий (рис.
2.1).
Рис. 2.1. Схема эволюции литологического состава
и соотношений осадочных и вулканических пород областей осадконакопления
материков (по А. Б. Роиову).
Наиболее резкие изменения происходили в
биосфере. Так, в докембрии не было типичного углеобразования, только в кайнозое
известны лигниты, в девоне появились лесные ландшафты, в неогене - степи, в
четвертичном периоде - тундры. Изменялись и кларки осадочных пород, в которых
росли содержание органического вещества, отношение Са/Мg, Fe3+ к Fe2+, S
сульфатной к S пиритной. От AR до PR в глинах росли концентрации Fe, от AR до
нижнего PR - K. В более позднее время вплоть до современной эпохи содержание К
и Fe уменьшалось. В карбонатных породах уменьшалась роль доломита (за счёт
кальцита).
По Д. В. Рундквисту эволюция земной коры
направлена в сторону увеличения сложности, разнообразия. Он показал это на
примере эндогенного рудообразования: в более ранние эпохи, например в
докембрии, формировались преимущественно метаморфогенные и собственно
магматические месторождения, в фанерозое весьма разнообразные мезо-, теле- и
эпитермальные месторождения с телескопированными рудами. При этом усложнялся
минеральный состав руд, парагенезисы минералов, увеличивались кларки
концентрации.
В наибольшей степени рост разнообразия и
сложности характерен для биологических систем: организмы становились сложнее.
Число видов также увеличивалось. Если в силуре был только один род растений, то
в конце девона уже 21, в карбоне 60, в конце юры - 100, палеогене - 308,
неогене - 344 рода. Эволюционировали и биокосные системы: разнообразнее
становились почвы, илы, ландшафты.
Развитие земной коры в сторону увеличения
сложности и разнообразия, уменьшения энтропии не происходит самопроизвольно, для
этого необходим непрерывный приток в земную кору энергии - солнечной,
радиоактивной и др. Это и определяет неравновесность систем земной коры,
увеличение их сложности и разнообразия, богатство свободной энергией. Главный
механизм, с помощью которого солнечная энергия превращается в химическую,-
биологический круговорот атомов.
Увеличение сложности и многообразия не носит
монотонный характер: в отдельные эпохи происходили скачки в накоплении
неорганической и биологической информации. Так, в эпоху складчатости,
образования гидротермальных месторождений, дифференциации магмы быстро росло
разнообразие тектоносферы. Ещё ярче «информационные взрывы» проявлялись в
накоплении биологической информации. Особое внимание привлекают «критические
эпохи», в которые вымирали большие систематические группы растений и животных,
существовавшие в течении десятков миллионов лет, а также эпохи быстрого
развития отдельных систематических групп.
. Периодичность развития земной коры
Повторение в геологической истории складчатости,
горообразования, влажного и сухого климата придавало геохимическим процессам
разных геохимических эпох общие черты. Однако эти процессы развивались на фоне
общего необратимого прогрессивного развития земной коры и полной повторяемости
не было. Поэтому символом периодичности служит не круг, а спираль или циклоида
(линия, описываемая точкой, находящейся на ободе движущегося колеса). Такое
развитие обычно называют циклическим, хотя вернее его называть циклоидальным
(рис 3.1).
Рис 3.1. Последовательность образования
месторождений различных типов и отдельных тектоно-магматических циклов в
геологической истории Земли (по Д. В. Рундквисту)
- стратиформные осадочно-вулканогенные и
магматические месторождения; 2 - стратиформные осадочные месторождения; 3 -
метаморфизированные стратиформные осадочно-вулканогенные и осадочные
месторождения; 4 - скарновые месторождения различных морфологических типов,
образующиеся на контакте рудоносных осадочных и вулканических пород и гранитоидных
интрузий; 5 - гидротермальные месторождения различных морфологических типов
(жильные, штокверковые, трубообразные и др.) в связи с вулкано-плутоническими
поясами; 6 - месторождения кор выветривания, россыпи; 7 - осадочные
месторождения континентальных впадин.
земная кора мантия геологический
Продолжительность тектоно-магматических циклов в
общем отвечает галактическому году - времени обращения Солнца вокруг центра
галактики, равному примерно 180 - 220 млн. лет. В ходе геологической истории
длительность циклов уменьшалась с 240 до 150 млн. лет. С этими циклами
коррелируется и периодичность в биосфере. Выделяют и более короткие
тектонические циклы продолжительностью 88 млн. лет ± 22; 44 млн. лет ± 11; 22
млн. лет ± 5; 5,5 млн. лет ± 2 и т.д. Установлены и периодические изменения
климата 400000 ± 50000; 200000 ± 50000; 45000 ± 25000; 11000 ± 8000.
По Д. В. Рундквисту, в каждом относительно
коротком цикле устанавливаются те же особенности эволюции, что и в более
крупном цикле. Учёный доказал действие этого геогенетического закона на
развитие формаций, магматизма, эндогенных месторождений. В пределах одного
цикла, как и в истории земной коры в целом, наблюдается увеличение сложности и
разнообразия. Так, общая тенденция развития магматизма заключается в эволюции
от основных магм, которые господствовали в AR, к кислым и щелочным. Но и в
развитии отдельных многофазных интрузий гранитоидов ранние фазы являются более
основными, а поздние - более кислыми. Эта же закономерность характерна для
отдельных вулканических циклов, например для палеозойского вулканизма
Казахстана и Урала, мезо- и кайнозойского вулканизма Дальнего Востока и Карпат.
Интересно, что и более молодые представители кимберлитов Сибирской платформы
относительно обогащены литофилами. Они также содержат больше Fe, Ti и меньше
Cr, Ni.
По А. Б. Ронову, каждый крупный цикл развития
биосферы в фанерозое характеризовался в начальных и завершающих стадиях
регрессиями морей, горообразованием, широким развитием аридных и семиаридных
ландшафтов, сокращением биомассы, количества органического углерода в осадках,
а также осадконакоплением в морях (нижний кембрий, силур - нижний девон,
верхняя пермь - верхний триас, неоген - четвертичный). Широкое распространение
сухого климата обусловливало большую роль нейтральных и щелочных процессов.
Роль живого вещества уменьшалась.
Таким образом, эпохи горообразования,
формирования карбонатной коры выветривания, вероятно, были эпохами
возникновения новых видов, родов и семейств, «взрыва видообразования». Это были
эпохи благоприятного минерального питания наземных организмов, высокого
потребления ими Р, К, Са и других элементов, хорошего развития скелетов. Вместе
с тем это были эпохи резкого недостатка влаги, что также влияло на эволюционный
процесс.
Срединные стадии биосферных циклов были отмечены
крупными трансгрессиями морей, пенепленизацией ландшафта, смягчением и
увлажнением климата, ростом биомассы, накоплением органического углерода в
осадках, энергичным вулканизмов и поступлением СО2 в атмосферу (ордовик,
верхний девон - карбон, мел - палеоген), уменьшением зоны активного водообмена,
усилением роли кислых глеевых процессов. Эволюция организмов в срединные
стадии, вероятно, происходила качественно по другому, чем в эпохи
горообразования.
По С. Г. Неручеву, в фанерозое периодически
накапливались маломощные слои морских и озёрных осадков, обогащённые
органическим веществом - продуктом разложения сине-зелёных водорослей. Эти слои
очень бедны остатками фауны и обогащены U, P, V, Mo, Cu, Zn, Ni,Cr, Pb, Re, Ag,
Au, Ir и Os. Высокая радиоактивность, обогащённость тяжёлыми металлами таких
осадков определяла, по его мнению, их роль в эволюции, литогенезе. Высокая
радиоактивность, обогащённость тяжёлыми металлами таких осадков определяла, по
его мнению, их роль в эволюции, литогенезе. Поэтому в такие относительно
краткие эпохи происходила перестройки фауны, появлялись как новые, так и
различные «уродливые» формы. Источником указанных элементов являлись зоны
спрейдинга (рифтогенеза), в которых «мантийные» элементы (в частности, Ir)
поступали в биосферу. Однако в данных построениях имеется много неясного.
Проблема «вулканизм и жизнь» издавна привлекала
внимание. По С. Аррениусу, прекращение вулканизма означало бы конец жизни на
Земле, по Г. Шухерту, обилие жизни коррелируется с количеством СО2 в атмосфере.
Д. Н. Соболев считал, что энергичное поступление СО2 в атмосферу в эпохи
вулканизма вело к развитию растительности (усилению фотосинтеза) и накоплению
углей.
Нами намеченная следующая связь между
вулканизмом и гипергенной миграцией: поступление СО2 в атмосферу при извержении
- усиление фотосинтеза и энергичное разложение органических остатков -
формирование мощной коры выветривание и вынос из нее металлов - углеобразование
в болотах - интенсивное оглеение в болотах и миграция Fe - осаждение сидеритов
и белых каолиновых глин - накопление карбонатных осадков в морях. Согласно
основному закону карбонатонакопления в фанерозое А. Б. Роинова, количество
карбонатных осадков прямо пропорционально интенсивности вулканизма и площади
внутриматериковых морей. М. И. Будыко, А. Б. Ронов и А. Л. Яншин рассмотрели
историю углекислого газа и кислорода в атмосфере фанерозоя. Изучение
литологических формаций мира показало связь между объёмом вулканитов и
карбонатных осадков. От массы последних зависело количество СО2 в атмосфере.
Используя различные данные, допущения и расчёты они построили кривую изменения
содержания СО2 в фанерозое. Оно преимущественно колебалось от 0,1 до 0,4 %, с
чем связывают преобладание тёплых климатов («парниковый эффект»). В неогене
произошло резкое уменьшение содержания СО2, началось похолодание.
По М. И. Будько, зная количество органического
углерода в осадочных породах континентов, можно рассчитать и содержание О2 в
былых атмосферах (рис. 3.2). Как видно из графика, отчётливо выражена периодичность
в содержании СО2 и О2: в каледонском цикле максимальное содержание обоих газов
было в ордовике, в герценском - в нижнем карбоне, в альпийском - в верхней юре
и нижнем мелу; соответственно минимальные содержания падают на нижний кембрий,
нижний девон и средний триас. С изменением химического состава атмосферы авторы
учёные связывают эволюцию организмов.
Рис. 3.2. Изменение относительной массы
углекислого газа mc и относительной массы кислорода mo в фанерозое (по М. И.
Будыко, А. Б. Ронову и А. Л. Яншину).
. Катастрофические космические факторы в
геологической истории
В Италии, Дании, Испании, Новой Зеландии, Китае,
Гаити, США, илах Атлантического и Тихого океана и других регионах Л. Альварес и
другие обнаружили повышенные концентрации Ir в осадочных породах, относящихся к
границе мезозоя и кайнозоя (65 млн. лет назад). С этой границей связана
исключительно резкая перестройка фауны, гибель около 75% видов животных, в том
числе динозавров. Причина «великого мелового вымирания» давно уже привлекает
внимание, высказывались самые различные гипотезы, но ни одна из них не была
доказана.
Кларк Ir в литосфере континентов равен 2*10-8,
но в пограничном слое его выше в десятки и сотни раз. Обогащены Ir и каменные
метеориты (4,8*10-5%). Это и послужило основанием для гипотезы о столкновении
Земли с астероидом диаметром 10 км на границе мела и палеогена. Полагают, что
подобная космическая катастрофа могла привести к сильному запылению атмосферы,
резкому кратковременному похолоданию и вымиранию фауны. Было также отмечено,
что с иридиевой аномалией в осадках в общем совпадает и мировой рифтовой
системы.
По В. Л. Масайтису, бомбардировка земной
поверхности метеоритами имела место на протяжении всей геологической истории,
её следами служат астроблемы - кольцевые структуры типа кратеров, которые
установлены в разных регионах Земли (Аризонский кратер, кратер в Мексиканском
заливе, кратеры на о. Саарема в Эстонии, Попигайская структура в Восточной
Сибири и др.). Образовавшиеся в астроблемах при ударе породы - импактиты
нередко также обогащены Ir. По Б. С. Зайлику, большое число астроблем восникло
в Казахстане в конце палеозоя. С ними он связывает магматизм (плавление пород
от удара). Д. Норман, Н. Прайс, и другие зарубежные ученые полагают, что удары
метеоритов, которые достигали размеров астероидов, приводили к формированию
крупных кольцевых структур с радиусом, превышающим 1000 км. С ними также
связывают рудообразование. Ударные кольцевые структуры хорошо выявляются
космическими съемками.
5. Земная кора и верхняя мантия как особая
система. Геохимический цикл
Связь между глубокими частями земной коры и
биосферой ранее считалась прямой: полагали, что магматизм и вулканические
эксгаляции, складчатось, горообразование и другие эндогенные процессы влияют на
выветривание, осадкообразование, деятельность подземных вод и другие экзогенные
процессы. Обратное влияние экзогенных процессов на эндогенные не
рассматривалось. Однако за последние десятилетия установлено, что связи между
этими процессами не прямые, а обратные: биосфера влияет на состав
гидротермальных растворов, магматизм и т. д.
Следовательно, земную кору и верхнюю мантию
следует рассматривать как большую и сложную динамическую систему, развивающуюся
на основе механизма положительной и отрицательной обратной связи.
Примером этому может служить связь вулканизма с
биосферой: вулканизм поставляет СО2 в атмосферу и гидросферу, а фотосинтез и
карбонатообразование изымает СО2, связывают С в карбонатах и органических
соединениях. В результате содержание СО2 в атмосфере и гидросфере уменьшается,
система саморегулируется и стабилизируется.
Единство земной коры находит выражение и в общих
законах развития её отдельных частей и коры в целом: необратимости эволюции,
периодичности развития (циклоидальности), негэнтропийности, геогенетическом
законе.
Несколько важнейших геохимических факторов и
процессов определяют своеобразие большинства систем земной коры. Это в первую
очередь окислительно-восстановительные процессы, результаты которых особенно
наглядно проявляются в биосфере, где фотосинтез, разложение органических
веществ и многие другие процессы суть явления окислительно-восстановительные.
Значение данных процессов также велико в магме и гидротермальных растворах.
Именно поэтому важнейшей геохимической характеристикой большинства систем и
земной коры в целом служат окислительно-восстановительная зональность,
отвечающие ей геохимические барьеры - окислительные и восстановительные, типы
концентрации элементов. При дальнейшей дифференциации геохимических условий во
многих системах ведущее значение приобретает щёлочность и кислотность среды.
Для большинства систем характерны щёлочно-кислотная зональность, кислые,
щёлочные барьеры, типы концентрации.
Большую роль в земной коре играют круговорот
воды и биологический круговорот атомов.
Следовательно, для земной коры характерна не
только дифференциация, но и интеграция - общие черты, позволяющие рассматривать
её с единых позиций как целостную систему. Проявление таких «интегральных
тенденций» получило яркое выражение в концепции «Геохимического цикла»,
рассматривающей тектонические процессы, магматизм, осадкообразование и эволюцию
жизни как звенья единого процесса развития. Геохимический цикл, как и другие
круговороты, следует понимать как форму поступательного развития - циклоиду или
спираль (рис. 5.1).
Рис 5.1. Геохимический цикл.
- поглощение вещества и энергии из космоса и
мантии; 2 - поступление вещества и энергии в космос и мантию; 3 - выделение
энергии в ходе большого круговорота; 4 - рост информации (разнообразия); 5 -
уменьшение информации (разнообразия); 6 - начало нового цикла круговорота.
Если верны положения тектоники плит о субдукции,
то в геохимическом цикле участвует не только земная кора, но и мантия,
засасывающая в зонах Заварицкого-Беньофа осадочные породы. Химические элементы
которых при магматизме и горообразовании снова поступают в земную кору и
биосферу. С и Н из СО2 и Н2О в биосфере входят в состав органического вещества
и являются геохимическими аккумуляторами солнечной энергии. Они «зарядились» ею
в ландшафтах и верхних горизонтах моря. При участии микроорганизмов эти
элементы окисляются до СО2 и Н2О и других соединений. Так геохимические
аккумуляторы «разряжаются» и отдают заключённую в них энергию. Часть её
расходуется в виде тепла, а часть расходуется на рудообразование и другие
геохимические процессы.
Если гипотеза о геохимических аккумуляторах
верна, то понятие о геохимическом цикле вещества дополняется понятием о
переносе энергии, который также связывает процессы земной поверхности и
магматизма. В. А. Ильин и А. В. Щербаков подчёркивают большое значение
поглощения солнечной энергии на земной поверхности при дезинтеграции пород и её
выделении при метаморфизме.
В геохимическом цикле закономерно меняется и
количество информации. При переплавлении осадочных пород разнообразие
уменьшается, так как возникает более или менее гомогенный состав - магма,
увеличивается тепловое хаотическое движение атомов и молекул - возрастает
энтропия.
При застывании магматического очага и
кристаллизации изверженных пород (например, диориты → гранодиориты →
граниты) разнообразие увеличивается, информация растёт.
В земной коре и верхней мантии, следовательно,
развиты две категории процессов: идущих с накоплением энергии, увеличением
разнообразия, дифференциации, сложности, уменьшением энтропии и ростом
информации и идущих с выделением энергии, увеличением энтропии, уменьшением
разнообразия, сложности и информации. Обе категории процессов характерны как
для биосферы, так и для земных глубин, но первые явно преобладают в биосфере, а
вторые - в очагах регионального метаморфизма и магматизма.
Итак, полагается, что между
тектоно-магматическими процессами, процессами биосферы в том числе и
осадкообразованием существует обратная связь, что в совокупности эти процессы
образуют геохимический цикл. Логично предположить, что осадочные породы
образовавшиеся в докембрии и начале палеозоя, были метаморфизированны и
гранитизированны в ходе каледонского магматизма и орогенеза, осадки,
накопившиеся в девоне и нижнем карбоне, - в процессе герценского магматизма и
орогенеза и т. д. Отсюда следует, что особенности осадкообразования в
протерозое могли найти отражение в байкальской металлогении, особенности
докембрийского и нижнепалеозойского осадкообразования - в каледонской,
палеозойского - в герценской и т. д. Иначе говоря, причину своеобразия
металлогении отдельных эпох следует искать также и в своеобразии
предшествующего осадкообразования.
Так как в ходе геологического времени росла
дифференциация осадочных пород и биосферы в целом, то естественно, что в каждом
последующем тектоно-магматическом цикле перерабатывались всё более и более
дифференцированные осадки, более богатые геохимическими аккумуляторами. А это
должно было усиливать энергию тектонических процессов, рудообразования,
увеличивать высоту воздымавшихся горных хребтов. Следовательно, первопричина
увеличения сложности и разнообразия эндогенных систем, возможно, состоит в
развитии биосферы, увеличении её сложности и разнообразия, прогрессивном
накоплении в ней солнечной энергии. Объяснить прогрессивное развитие эндогенных
систем за счёт глубинных источников энергии трудно, так как количество
радиогенного тепла со временем не увеличивалось, а уменьшалось.
А это значит, что своеобразие металлогении
отдельных зон земной коры, общую прогрессивную эволюцию эндогенной металлогении
необходимо увязать с прогрессивной эволюцией осадкообразования, ростом
разнообразия биосферы, накоплением в ней солнечной энергии (глины, угли и т.
д.).
Заключение
Признание земной коры и верхней мантии
динамической системой, развивающейся на основе механизма обратной связи, ставит
вопрос о центре (или центрах) этой большой системой. Несомненно, одним из
центров является биосфера, которая уже несколько миллиардов лет поглощает
солнечную энергию и в процессе биологического и других круговоротов превращает
её в энергию геохимических процессов. Другим возможным центром, управляющим
механизмом земной коры, является верхняя мантия или нижние горизонты земной
коры с очагами корового магматизма. Очевидно, что установление центров - частей
земной коры, управляющих её механизмом, в частности выявление относительной
роли поверхностного (биосферного) и глубинного (мантийного и др.) центров,
составляет важную задачу наук о Земле, в том числе и геохимии.
Сказанное позволяет говорить о следующем законе
прогрессивного развития верхней оболочки нашей планеты: земная кора и верхняя
мантия представляют собой сложную динамическую систему с обратными связями;
непрерывное поступление в неё солнечной энергии, а также глубинной энергии
определяет направленное развитие тектоносферы и биосферы, в ходе которого
увеличиваются их сложность и разнообразие, неравновесность, накапливается
свободная энергия, уменьшается энтропия. Прогрессивное развитие осуществляется
через систему последовательных геохимических циклов, включающих в себя
тектономагматические и биосферные циклы.
Литература
1.
Перельман А. И. «Геохимия», М., Высшая школа, 1989.
.
Белов Н. В., Лебедев В. И. «Источники энергии геохимических процессов»,
Природа, №5, 1957.
.
Войткевич Г. В., Бессонов О. А. «Химическая эволюция Земли», М., 1986.
.
Вернадский В. И. «Проблемы биогеохимии», М., 1980.
.
Войткевич Г. В., Закруткин В. В. «Основы геохимии», М., 1976.