книги из ГПНТБ / Кесарев, В. В. Эволюция вещества Вселенной

ляются из твердых минералов. Как уже ранее от­ мечалось, первичным продуктом глубинных хими­ ческих реакций в первой реакционной зоне являет­ ся вода. Ее образование — результат реакции взаимодействия двух компонентов первичного пла­ нетного вещества: дигидрида железа, аккумули­ рующего водород, и перекиси кальция, аккумули­ рующей кислород. Несмотря на то что вода обна­ руживается в небольшом количестве (в среднем 0,5%) в метеоритах, отражающих вещества глу­ бинных слоев мантии, имеются веские основания допускать, что глубинная вода пребывает в хими­ чески связанном состоянии в виде гидратов крем­ ния, алюминия, магния. Последние, обладая лету­ честью, выполняют роль как бы водотранспортеров от первой реакционной зоны Земли до второй. В условиях второй реакционной зоны гидраты вы­ деляют воду в свободном состоянии. Вещество второй реакционной зоны второго волновода со­ держит свободной воды до 20%. Подобное поведе­ ние воды определяется физическими причинами: ес­ ли в условиях первой реакционной зоны при тем­ пературе 3000° С и давлении 1,3-ІО6 атм * возни­ кающая вода химически связывалась с образова­ нием гидратов окисей легких металлов: кремния, алюминия, магния, то в условиях второй реакци­ онной зоны при температуре 1300° С и давлении 0,3-ІО6 атм гидраты окисей легких металлов рас­ падаются с образованием свободной воды. Даже если бы не было этой реакции в действительности, то ее следовало бы придумать для того, чтобы по-

* При таких температурах и давлениях, согласно теории, химические элементы вырождаются. Их свойства (валентность, в частности) будут сильно отличаться от привычных для нас. Но на данном этапе наших знаний реконструировать поведе­ ние вырожденных элементов не представляется возможным.

40

Мять одно из очень многих неожиданных проявле­ ний воды.

Во второй реакционной зоне свободная вода принимает участие в гидролитических реакциях; гидролизу подвергаются карбиды, нитриды, суль­ фиды, фосфиды металлов. Принимая во внимание, что эти реакции экзотермические и что в зависимо­ сти от прореагировавшей массы количество выде­ ляющегося тепла колеблется в известных интерва­ лах, особенно на различных глубинах, в пределах волновода рассчитывать на течение процесса гид­ ролиза в одном направлении не приходится. Ранее приводился пример, когда гидролиз карбида каль­ ция при нормальной температуре протекает с обра­ зованием углеводорода — ацетилена, а при 450° С— с образованием углекислоты. При промежуточных температурах процесс гидролиза идет одновремен­ но в том и в другом направлении: углеводородном и углекислом. Известно также, что гидролиз карби­ да железа протекает с образованием метана, эти­ лена, газообразных, жидких и твердых углеводо­ родов и с образованием графита (Tropsch, 1952). В свете подобных экспериментальных данных мож­ но предложить следующую общую схему гидроли­ за компонентов первичного планетного вещества при различных температурах:

Согласно этой схеме при гидролизе карбидов, нитридов, сульфидов, фосфидов металлов при по­ ниженных температурах вода выступает в роли гидрирующего агента металлоидов, при повышен­

41

ных же температурах роль воды сводится к окисле­ нию металлоидов. При промежуточных температу­ рах возникают продукты обоих направлений в оп­ ределенных соотношениях. С учетом того, что в на­ стоящее время в Земле прореагировало 60,3% пер­ вичного планетного вещества, выход соединений легких элементов из второй реакционной зоны при­ веден в указанной выше схеме. Расчет сделан на элемент. В случае необходимости пересчета на гид­ риды следует учесть, что разнообразие гидридов определяется гомологией элемента и температурой гидролиза. У углерода с сильно развитой гомоло­ гией помимо простейшего гидрида — метана возни­ кают углеродные цепочки различного состава и строения. Парафиновые углеводороды как менее термически устойчивые образуются при умеренных температурах, тогда как с повышением температу­ ры реакции появляются нафтеновые углеводороды как более термически устойчивые, при еще более высоких температурах возникают ароматические углеводороды, которые превышают нафтеновые уг­ леводороды по термической устойчивости. Посколь­ ку гидролиз карбидов металлов протекает одно­ временно с гидролизом нитридов, сульфидов, фос­ фидов, то помимо продуктов конденсации углево­ дородных соединений возникают и продукты соконденсации — производные углеводородов по азо­ ту, сере, фосфору, кислороду.

В связи с этим уместно привести положение, вы­ сказанное В. И. Вернадским (1965): «Необходи­ мо, сверх того, здесь же подчеркнуть, что нефти не могут быть рассматриваемы только как углево­ дороды. Углеводороды только преобладают в их составе. Они всегда содержат многие проценты, иногда десятки процентов соединений, заключаю­ щих кислород, азот, серу. Объяснение их генези­

42

сом не может опираться только на происхождение углеводородов. Это часто забывают».

Глубинное происхождение органического синте­ за доказывается тем, что эти процессы протекают и на планетах, на которых обитаемость исключает­ ся. Продукты органического синтеза обнаружива­ ются даже в атмосферах комет. Генетическая связь нефти и ее компонентов, в частности метана и глу­ бинных продуктов — карбидов, нитридов « сульфи­ дов металлов, находит свое подтверждение в соста­ вах углистых метеоритов. Эти метеориты, имея со­ ставы глубинных слоев планеты, вероятнее всего волноводов, содержат углеводороды и их производ­ ные по азоту, Кислороду, сере до 5%. Предполо­ жить их образование на глубине планеты свыше 60 км биогенным путем невозможно.

В архейский период Земли, характеризовав­ шийся бурным вулканизмом, неизбежно выбрасы­ валась на поверхность магма, содержащая продук­ ты глубинного органического вещества. Только зна­ чительно позднее архея появились признаки оби­ таемости земных водоемов. Это стало возможным на основе глубинного органического синтеза за счет* аминокислот, возникающих при вулканизме

иоказывающихся в кратерных озерах.

Спозиций космогонической химии можно пред­ положить эволюцию углерода в условиях Земли от карбидов до графита в двух направлениях: одно направление биологическое, через каменные угли,

идругое—абиогенное, через глубинный синтез нефти:

,СОа—древесина—торф—бурые угли—каменные угли—кокс

СН,—парафины—нафтены—арены—(нефть)—битумы—кокс/

43

Данная схема находится в согласии с карбид­ ной теорией образования нефти Д. И. Менделе­ ева и магматической теорий Н. А. Кудрявцева

(1956).

Происхождение всех легких элементов обнару­ живается не только по качественным, но и по коли­ чественным показателям. Они находят свое отра­ жение в составе протопланетного вещества и миг­ рируют в кору на общих основаниях, при этом не делается исключения для углерода. Кора имеет следующие показатели (ІО25 г) : двуокись кремния 2,4, окись алюминия 0,5, окись магния 0,8, легкие элементы 0,4, остальные 0,9. Содержание в коре легких элементов распределяется следующим об­ разом (ІО24 г): водород 2,0, кислород 1,44, углерод

0,16, азот 0,07, сера 0,29. Содержание углерода в коре относительно остальных компонентов коры мало— 1,6-ІО23 г, но оно на шесть порядков выше прогнозируемых оценок запасов нефти и еще выше возможных биоотложений в коре. Приведенные све­ дения о содержании углерода в коре в качествен­ ном и количественном отношениях свидетельст­ вуют в пользу глубинного происхождения угле­ рода.

3. ЗЕМНАЯ КОРА

Масса современной коры оценивается в 0,8% земной массы, или 5-Ю25 г. Если иметь в виду, что первые 0,5 млрд, лет были пусковым периодом, по­ сле которого на поверхности молодой планеты по­ явились первые глубинные минералы, то возраст последних будет порядка 4,5 млрд, лет, что нахо­ дится в некотором согласии с возрастами самых древних земных пород. С этой же поры началось формирование коры, вначале исключительно за счет

44

изливания вулканической лавы. За все время внут­ ренней активности Земли верхняя мантия перебро­ сила около 3% своего вещества на формирование корового слоя. Отсюда следует, что прирост коры составлял в среднем 1 • ІО16 г/год. За этой средней цифрой) кроются весьма различные скорости на­ копления массы коры.

За первый миллиард лет существования Земли ее кора могла составлять 0,2% по массе и иметь характер сплошного лавового слоя. Этот период характеризовался высокой скоростью роста коры благодаря интенсивной внутренней активности, так как реакционная зона находилась в ту пору в цент­ ре планеты на предельной глубине. Это означало, что ширина реакционной зоны была максимальной, в связи с чем глубинные химические процессы про­ текали с высокой скоростью.

За второй миллиард лет существования Земли масса металлического ядра могла достичь 21%. В связи с ростом металлического ядра объем пла­ неты уменьшился на 0,28-ІО27 см3, поверхность ко­ ры сократилась с 651 до 557 млн. км3, масса коры возросла до 0,5%. Рост коры в последующем мог происходить в значительной степени за счет диф­ ференциации глубинного вещества и вулканических поступлений по. линии континентальных секторов Земли. В океанических же секторах кора опуска­ лась и в связи с этим растягивалась. В итоге при­ рост коры на 0,3% произошел по линии конти­ нентальной коры. Этим самым наметилось раз­ личие между континентальной и океанической корой.

Тектонические явления, возникающие на по­ верхности Земли, вызываются далекими силами внутреннего характера, исходящими от границы нижней мантии с ядром, в первой реакционной зо­

45

не. Если бы в этой зоне переход из дигидрида же­ леза в металлическое железо не сопровождался образованием летучих соединений с их миграцией вверх, то не могла бы поступить в зону реакции новая порция протовещества и процесс приостано­ вился бы. Этого не происходит, потому что с миг­ рацией летучих веществ поступают все новые и но­ вые порции протовещества по линии океанических секторов. Сектора работают как бы по принципу сообщающихся сосудов. Действие подобного меха­ низма в течение последних 3 млрд, лет увеличило массу коры до 0,8%. При равномерном распределе­ нии этой массы по всей поверхности Земли кора имела бы толщину, равную 40 км, но, так как глу­ бинные вещества поднимались по континентальным секторам, оказалось, что океаническая кора мень­ ше среднего значения в восемь раз. Она не только не пополнялась, но в связи с опусканием подвер­ галась растяжению и разрывам на границах с кон­ тинентальными секторами (шельфы).

За последние десятки миллионов лет дальней­ шее опускание океанической коры затруднялось и гравитационное равновесие между секторами вы­ равнивалось за счет перекачки пластического ве­ щества из континентальных секторов в океаниче­ ские через волновод. Этому положению можно най­ ти подтверждение в том, что волновод под океана­ ми достигает толщины 400 км, тогда как волновод

поступлении глубинного вещества к волноводу по континентальным секторам оно направлялось вы­ ше по океаническим секторам с прорывом океани­ ческого дна и формированием срединно-океаниче­ ских хребтов. Только такой механизм обеспечивал гравитационное равновесие. В этой же связи сле-

46

Дует рассматривать складчатую структуру конти­ нентальной коры, которая могла возникнуть зна­ чительно раньше, чем океанические хребты. Не слу­ чайно «складчатые фундаменты», сложенные докембрийскими породами, фиксируются у всех плат­ форм континентов. Вероятно, следует признать, что тектогенез земной коры является частным явлени­ ем более общего тектогенеза тела Земли.

Складчатую структуру континентальной коры можно понять не только в свете выравнивания гра­ витационного равновесия, но и в свете того, что при формировании железного ядра Земли произошла

510 млн. км2, то это значит, что в связи со сжати­ ем поверхность Земли сократилась на 141 млн.км2. При эквивалентности площадей впадин и поднятий каждая из них стала меньше на 70,5 млн. км2. По­ этому представляют интерес кривые рельефа суши и дна моря, построенные Зупманом и Лашіараном: они получаются обратными и близкими по геомет­ рической форме и размерам. В связи с данным эмпирическим обобщением В. И. Вернадский (1965) отмечал: «.. .Мы здесь имеем не случайную пра­ вильность. .. ни одной удовлетворительной научной гипотезы для этого обобщения нет, а между тем выводы, которые приходится из него делать, име­ ют первоклассное значение».

Для того чтобы вызвать такие огромные изме­ нения не только в коре, но и во всем теле планеты, должны проявиться могучие силы, строго направ­ ленные во времени и пространстве. Силы подобного характера у планеты имеются. Если происхожде­ ние их известно, то решение тектогенеза коры и тела Земли проще. Из существующих гипотез по

47

ближе к истине, на наш взгляд, гипотеза вертикаль­ ных движений, выдвинутая В. В. Белоусовым

(1962, 1963).

4. ЗЕМНАЯ ГИДРОСФЕРА

Гидросфера не дана Земле в готовом виде. Ис­ точниками воды на планете являются компоненты планетного вещества — гидриды и пероксиды ме­ таллов. Если большая часть железа планеты была когда-то представлена дигидридом, то за время внутренней активности Земли при течении глубин­ ной химической реакции по схеме

FeHj + СаО2 — Н2О + СаО + Ее М,7о 2,87 2,9 0,8 2,2 2,78

возникло воды 0,8%, или 29,2 Мирового океана. Мировой океан является результатом постоянно

существовавшего на Земле режима прихода-расхо­ да воды. С одной стороны, Мировой океан форми­ ровался одновременно с земной корой, так как во­ да являлась неизбежной спутницей любого глубин­ ного вещества, которое поступает в кору. В коре из водных рассолов выкристаллизовываются соли, нефть и газы отслаиваются в коре от воды, вода сопровождает магму при вулканических изверже­ ниях. С другой стороны, вода постоянно испаряет­ ся из Мирового океана в атмосферу, где и расхо­ дуется при процессах фотолиза и органического синтеза. Расчеты, приведенные в приложении 9, показывают, что расход воды в земной атмосфере при фотолизе составляет 3,27 Мирового океана.

43

Однако при окислении глубинных газоб в afMôô-

фере возникает вода реакций в объеме 1,45 Миро­ вого океана. В итоге общий расход воды в атмос­ фере составляет 1,82 Мирового океана.

Общий расход воды на Земле велик и состав­ ляет (мае. %):

Итого.........................0,80

Массу современной земной гидросферы нельзя рассматривать, как планетную константу в геоло­ гическом времени. Масса гидросферы — функция внутренней активности планеты и температурных условий на поверхности планеты. Ни то, ни другое условие не остается постоянным. Земля в будущем способна еще произвести воды в количестве 18Ми­ ровых океанов. С течением времени, при спаде внутренней активности Земли, приход воды не смо­ жет компенсировать ее расход и вследствие этого масса гидросферы будет уменьшаться. Некомпен­ сированный расход воды приведет в конце* концов к исчезновению гидросферы. Гидросфера на плане­ те возникает и исчезает на определенной стадии развития планеты.

Изложенные выводы, логично вытекающие из общей концепции автора о природе Земли, могут оказаться полезными для теоретической гидрогео­ логии. По вопросу о происхождении воды сущест­ вует много гипотез. Если в этих гипотезах и нахо­ дит отражение признание существования глубинных вод, то все же остаются открытыми такие во­ просы, как конкретные источники воды и конкрет-