Границы гидросферы

Следы гидросферы Земли практически можно найти во всех геосферах нашей планеты. Вся земная кора до ее нижней границы на глубине 35-45 км содержит подземные воды, но и ниже, особенно в районах зоны глубоких разломов, следы подземных вод могут достигать глубин более 100 км [Павлов, 1977]. Предполагается, что на больших глубинах вода из мантии поступает в астеносферу в составе летучих гидридов щелочных металлов и легкоплавких силикатов щелочных солей, которые затем дегидратируются в пары воды и дренируются по разломам (рис. 1.1).

Верхняя граница гидросферы практически совпадает с верхней границей атмосферы. Хотя основная масса водяного пара и сосредоточена в тропосфере, но через тропопаузу происходит постоянный обмен вещества. Несмотря на незначительное количество водяных паров в стратосфере, возможен процесс их конденсации, в результате чего появляются перламутровые облака [Блютген, 1972]. Предполагается, что выше 80 км молекулы воды полностью диссоциируются. На высотах выше 300 км происходит обмен с космическим пространством.

Х отя гидросфера Земли является единой водной оболочкой, она может быть подразделена на ряд частей, из которых можно выделить три основных (табл. 2). Первая часть охватывает земную атмосферу от поверхности Земли до высоты 300 км. Она состоит главным образом из пара, а также из капельно-жидкой влаги и кристаллов льда, а на больших высотах – из отдельных молекул и атомов водорода. Эта часть гидросферы имеет наименьший объем влаги из всех других. Вторая часть гидросферы, занимающая второе место по объему, – это поверхностные воды Земли. Они располагаются от максимальных глубин океана (11 км) до максимальных высот высокогорных снегов (9 км). Вода здесь находится главным образом в жидком состоянии, а также в твердом и биологическом (океаны и моря, реки и озера, водохранилища и ледники, растительный и животный мир). Третья часть гидросферы – самая большая по объему. Это подземные воды, которые могут находиться в парообразном, жидком, твердом и химически связанном состоянии. Это почвенная влага, гравитационные воды верхних слоев земной коры, глубинные напорные воды, подземные воды, воды в связанном состоянии в различных горных породах и отложениях, воды, входящие в состав минералов и ювенильные воды.

Гидросфера Земли по ее объему, степени концентрации вод, периоду водообмена, физическому и химическому состоянию может быть подразделена и на более мелкие части (см. табл. 2).

Образование гидросферы

Гидросфера Земли – одна из древнейших оболочек нашей планеты, которая, вероятно, возникла около 4,0-3,5 млрд. л.н. Она развивалась вместе и в тесном взаимодействии с литосферой, атмосферой, а затем и с живой природой.

Основная масса гидросферы сформировалась в результате процессов выплавления и дегазации вещества мантии Земли и определялась глубинными геофизическими процессами [Виноградов, 1959; Артюшков, 1968; Rubey, 1964]. Дегазация является следствием мощного механизма химико-плотностной гравитационной дифференциации вещества мантии на границе с ядром, приводившего к возникновению в мантии конвективной циркуляции, период которой должен был соответствовать планетарным тектоническим циклам.

Таблица 2. Подразделения гидросферы

Основные части гидросферы	Пределы распространения относительно земной поверхности, км	Подразделы гидросферы	Пределы распространения относительно земной поверхности, км
Влага воздушной оболочки	от 0 до +300	Ионосферная влага Стратосферная влага Тропосферная влага	от +80 до +300 от+10 до+80 от 0 до +10
Поверхностные воды Земли	от +9 до -11	Океаносфера Поверхностные воды суши Воды криосферы Воды биосферы	от -11 до 0 от 0 до+11 от-5 до+100 от-11 до +15
Подземные воды	от 0 до -300	Почвенная влага Воды активного водообмена Воды замедленного водообмена Высокоминерализованные растворы Химически связанная вода	от -2 до 0 от -16 до 0 от -25 до -16 от -70 до -25 от -100 до -70

Дифференциация Земли на оболочки, в частности, образование водной оболочки поддерживалась и регулировалась грандиозными и непрерывными процессами радиального выплавления и дегазации вещества мантии, происходившими вследствие выделения тепла при самопроизвольном распаде самых непрочных радиоактивных атомов [Виноградов, 1967]. Расчеты показывают, что вся гидросфера (1,610²⁴ г) по отношению ко всем горным породам земной коры (2410²⁴ г) составляет около 7%. В то же время установлено, что при излиянии базальтов на поверхность Земли происходит дегазация около 7% ювенильной воды в виде водяного пара или жидкой воды. Это указывает на существование зависимости между количеством излившегося базальта и количеством воды. Исходя из этого, главная масса воды должна была поступать на поверхность Земли в процессе становления и развития континентов, одновременно какая-то ее часть могла поступать и в процессе формирования базальтовой океанической коры. В результате этого обстоятельства изменение объема воды на поверхности Земли определялось преимущественно эволюцией континентов. В начале истории Земли дегазация могла происходить более интенсивно, и главная масса воды могла образоваться, вероятно, в течение первых сотен-тысяч миллионов лет.

Современные геологические исследования показывают, что гидросфера на Земле существовала практически во все геологические времена. Так, уже в катархее имеются породы, осадочное происхождение которых не вызывает сомнения [Страхов, 1948; Хаин, Ломизе, 1995]. Наиболее древние осадочные породы в виде бурого железняка с возрастом около 3,76±0,07 млрд. л. обнаружены на юго-западе Гренландии английскими геологами С. Мурбатом, Р.К.О'Найоном и Р.Дж. Панкхерстом [Монин, Шишков, 1979].

Изучение глобальной эволюции Земли с учетом процессов гравитационной дифференциации вещества и дегазации мантии показывает, что происходило постепенное увеличение темпов нарастания гидросферы, максимум которого приходится на нижний рифей, около 1,5 млрд. л.н. [Сорохтин, 1974].

Одновременно происходило развитие земной коры путем роста геосинклиналей, горообразования и процессов выветривания. Возникшие ядра будущих континентов постепенно расширялись, а рельеф земной поверхности становился все более контрастным. Земная кора дифференцировалась на океаническую и континентальную. Процессы создания земной коры приводили одновременно к связыванию значительной массы воды в различных породах и минералах.

С возникновением значительных пространств суши увеличивалась доля континентальной гидросферы за счет рек, озер, ледников и в большей степени - подземных вод.

Изучение докембрийской истории Земли [Сидоренко и др., 1978] показывает, что условия осадкообразования раннего докембрия могли быть достаточно близки к условиям фанерозоя, и что основные типы водоемов, солевой состав морских и пресных вод и их щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия могли находиться примерно в тех же пределах, в каких они колебались в различного типа водоемах в более поздние эпохи.

Формационно-фициальный анализ основных типов древнейших осадочно-метаморфических пород и сравнение их с более молодыми постдокембрийскими аналогами позволили А.В. Сидоренко и Ю.А. Борщевскому [1975] сделать вывод о существовании климатической дифференциации процессов гипергенеза на Земле уже с раннедокембрийского времени. Реставрация палеогеографических условий седиментации на основе минерального и химического состава первичных осадков, парагенезиса их с другими типами осадочных пород, а также реликтовых структур и текстур позволила выделить формации и фации «обычных» и жарких гумидных, аридных, ледовых типов литогенеза с раннего докембрия.

По данным А.Б. Ронова и А.А. Ярошевского [1976] около 3,510²³ г массы воды может находиться в связанном состоянии с породами в континентальной коре, в осадочном слое и втором слое океанической коры, а 4,910²³ г – в серпентинитах (третьем слое) океанической коры. Наиболее интенсивные процессы связывания воды, вероятно, происходят в породах океанической коры (в серпентинитах), приуроченных к рифтовым зонам [Wenner, Taylor, 1969]. Поэтому взаимодействие гидросферы с рифтовыми зонами могло иметь существенное значение для развития поверхностных вод Земли.

Исследования А.В. Сидоренко с сотрудниками [1978] показывают, что при формировании континентальной земной коры могло захорониться около 20% всей гидросферы. Расчет соотношений между массой горных пород, захороненных вод и возрастом отложений позволил авторам оценить количество воды, захороненной в горных породах за всю историю Земли, которое составило около 60% всей гидросферы (табл. 3).

Полученные данные также показывают, что, по-видимому, уже на самых ранних этапах формирования земной коры существовала некоторая водная оболочка в достаточно заметных объемах. Причем дегазация первичного протопланетного вещества и формирование первичных газово-жидких оболочек Земли могли протекать достаточно быстро на сравнительно ранних этапах формирования планеты.

Таблица 3. Количество захороненных вод в земной коре по А.В. Сидоренко и др. [1978]
Захороненные воды	Масса воды  1024 г	Доля гидросферы, %	Соответствующая масса пород  1024 г	Интервал времени  109 лет
Поровые воды неметамор-физированных отложений	0,330	18,8	3,44	1,6 - 0
Вода, выделившаяся при метаморфизме из пород, составляющих верхнюю часть земной коры	0,338	22,6	9,23	3,5 - 1
Вода, выделившаяся при метаморфизме из пород, составляющих нижнюю часть земной коры	0,310	18,4	11,89	3,5 - 4
Общее количество воды, освобожденной при метаморфизме пород докембрия	0,704	41,0
Количество воды, захороненное в горных породах земной коры за всю историю Земли	1,034	59,8

Расчеты, проведенные в связи с изучением глобальной эволюции Земли [Сорохтин, 1974] на основе исследования процессов, управляющих геологическим развитием нашей планеты, показали, что основную роль в развитии различных оболочек Земли должен был играть процесс гравитационной дифференциации вещества, приводящий к образованию мантийных конвективных течений с одновременной дегазацией мантии.