книги из ГПНТБ / Войткевич, Г. В. Происхождение и химическая эволюция Земли

океана не менее 300 раз прошла через биогенный цикл, свободный кислород атмосферы обновлялся не менее 800 тыс. раз . Эти величины наглядно свидетельствуют об

разложение органических веществ путем окисления, гние­ ния и т. д. с образованием продуктов разложения . Отсюда реакцию фотосинтеза можно написать в такой форме:

жизнь

m С 0 2 + и Н 2 0 < > С„, (Н2 0)„ + m О,.

смерть

Этот процесс в биосфере Земли находится в состоянии ди­ намического равновесия. В результате количество био­ массы имеет тенденцию к определенному постоянству. Естественно, этот вывод относителен. Однако величайшая активность жизни, повсеместное ее распространение как отражение переработанной энергии солнечного луча при­ водят к планетариому равновесию между продукцией жи ­ вого вещества и его разложением .

Величины, характеризующие скорость размножения организмов, показывают, что все живое население нашей планеты — живое вещество находится в состоянии край ­ ней активности, стремясь захватить максимум простран­ ства. Она выражается темпами роста и размножения всех

в организмы из внешней среды и вновь в нее возвращаю ­ щихся . В этом заключается основная химическая роль

ж и в ы х организмов при руководящем значении фотосинтеза зеленых растений.

120

Е ще при первоначальном радиоактивном разогреве Земли началось выделение летучих веществ па поверх­ ность, образовавших первичный океан и первичную атмосферу. По всем приведенным данным, первичная атмо­ сфера была близка к составу вулканических и метеорит­ ных газов. В наиболее неизменном виде она, вероятно, со­ хранилась на Венере. В целом в первичной Земле действо­ вали многие источники природных газов и паров, которые участвовали в становлении первичной атмосферы. Однако значение каждого источника было различным. Н а и б о л ь ­ шее количество газов и паров было сосредоточено в самом теле первичной Земли, куда они попали в процессе аккре ­ ции самой планеты с дополнительным участием процессов окклюзии и адсорбции из первичной туманности. Затем в период радиоактивного разогрева Земли началась ее дегазация, в которой прежде всего участвовали наиболее летучие элементы. Н и ж е мы приводим таблицу, в которой помещены данные о содержании тех элементов в материале

*Содержание с учетом троплнтовоіі (сульфидной) фазы.

Ка к показали работы А. П. Виноградова и его сотрудни­ ков, исследовавших механизм зонной плавки, в резуль ­ тате плавления и дегазации мантии на поверхность посту­ пали легкоплавкие и летучие вещества — в основном три

121

ф р а к ц ии мантийного материала: базальтовая магма, рас­ творенная в ней вода, растворенные в ней газы.

Каждое излияние базальтов приносило на поверхность Земли определенную порцию воды, поскольку в самой базальтовой магме может содеря^аться до 7 вес. % ювенильной воды в виде водяного пара или жидкой воды. Отсюда, как считает А. П. Виноградов, имела место взаи­ мосвязь между количеством излившихся базальтов и ко­ личеством поступающей на поверхность Земли ювепильной

планеты, хотя количественные их соотношения вряд ли удастся выяснить достаточно точно. Н а первом месте стояли Н 2 0 и С 0 2 . Е с л и температура поверхности первич­

газами первичной атмосферы происходили химические реакции согласно законам термодинамического равнове­ сия, что способствовало образованию многочисленных органических соединений. Т а к ж е в первичной водной среде при температурах ниже 100° С возникали условия д л я абиогенного синтеза высокомолекулярных соединений уг­ лерода, в которых проявились его специфические свойства — создавать бесчисленное множество комбинаций с атомами водорода и кислорода, азота. Определились предпо­ сылки появления ж и з н и на Земле.

Мировой океан образовался из паров мантийного ма­ териала, и первые порции конденсированной воды на Земле были кислые. Они характеризовались присутствием тех анионов, которые и сейчас характерны д л я морской воды (кроме S0 4 ) .

Отсюда неизбежно следует, что первые ювенильные воды поверхности Земли были минерализованы, а собст­ венно пресные воды появились значительно позже в ре­ зультате испарения с поверхности первичных океанов, что представляло собой процесс естественной дистилля ­ ции, и при создании замкнутых котловин в пределах по­

122

железа. Первичная поверхность суши омывалась кислыми дождями и была ареной интенсивных процессов гидролиза

игидратации первых минералов. Такие же процессы в ином масштабе происходили на дне океана. При круговороте воды

ивыносе катионов Na, К , Mg, Ca значительная их часть задерживалась в океане. В связи с этим можно считать, что большая часть катионов океанической воды является продуктом их химического выщелачивания из твердых пород первичной литосферы.

Первичная атмосфера Земли имела восстановительный характер и была лишена свободного кислорода; только незначительные его доли формировались под влиянием

облик первичной атмосферы Земли в отношении количе­ ственных пропорций различных газов. Однако некоторые качественные изменения, испытанные первичной атмосфе­

родную, мы можем проследить по отдельным газовым компонентам.

Решающее значение в изменении химического состава первичной атмосферы имело появление жизни на Земле и в связи с этим начало фотосинтеза примитивных зеленых растений. Первыми фотосинтезирующими организмами были, вероятно, синезеленые водоросли или их предки, возникшие в верхних зонах океана на определенной глу ­ бине. Эта глубина измерялась слоем воды, который погло­ щал ультрафиолетовую радиацию Солнца, предохраняя

исхождения и в изверженных т о р н ы х породах. П р и нагре­ вании этих пород, а также метеоритов азот обычно осво­ бождается в виде аммиака N H 3 . В вулканических газах, особенно последних стадий извержения, обнаружен NH 4 C1 . Поэтому можно думать, что в первичной мантии N H 3 образовался из азота и водорода в результате нагрева и

123

чество освобождаемого кислорода стало равным коли­ честву поглощаемого. В атмосфере установилось относи­ тельно постоянное содержание кислорода. По оценке Г. Холленда, общий баланс продукции и потребления кис­ лорода у поверхности Земли может быть охарактеризован следующими величинами:

тии эти газы выделялись на поверхность планеты в боль­ шом количестве. Однако концентрация метана (СН4 ) была, вероятно, относительно невысокой и не превышала его пропорцию в вулканических газах . Со времени действия

чески полностью окислился . Вся деятельность фотосинтезирующих организмов стала направленной на полное

сфере, образуя в гидросфере сложную карбонатную си­ стему. По мере выщелачивания ионов С а 2 + и M g 2 + из

125

в дальнейшем различные превращения, включая образо­ вание в захороненном состоянии рассеянной органики, углей разного типа и нефти.

В процессе круговорота углерода в биосфере Земли происходило разделение (фракционирование) его ста­ бильных изотопов С 1 2 и С 1 3 . Так, в карбонатной системе гидросферы устанавливался обмен изотопов при следую­ щих реакциях:

При этих реакциях изотопные равновесия сдвигаются впрг.во, в результате чего морские карбонаты приобретают

фотосинтеза происходит понижение относительного со­ держания С 1 3 из-за того, что скорость поглощения молекул С 1 2 0 2 выше, чем С 1 3 0 2 . В растениях и их производных мы видим повышенное отношение С 1 2 : С 1 3 порядка 90—91 и выше.

Т а к и м образом, в результате векового геохимического круговорота углекислоты в разных частях биосферы Земли сосредоточился углерод разного изотопного состава.

Однако изотопный состав углерода дает нам кое-какие сведения о химической природе мантии, о степени ее одно­ родности и о распределении в ней углерода. В результате измерений изотопного состава углерода мантийного ма­ териала оказалось, что в данном случае наблюдаются раз ­ личия в изотопном составе двух категорий. Э. Галимов (1968), обстоятельно изучивший этот вопрос, выдвинул гипотезу о существовании двух линий эволюции углерода. Т а к , он допустил, что углерод мантии представляет собой далеко не однородное вещество, обладающее некоторым единым изотопным составом, а находится в двух различ-

126

ных формах, или фазах. Изотопный состав углерода этих фаз различен, различна и химическая форма нахождения . Аналитические данные показали, что имеется полная ана­ логия с состоянием углерода в метеоритах. Так, углерод, присутствующий в рассеянном состоянии в каменных метео­ ритах, легкий по своему изотопному составу. Но углерод, находящийся в концентрированном состоянии, в виде графита и углистого вещества, тяжелый . Такой углерод со­ средоточен главным образом в углистых хондритах. При об­ разовании Земли эти две формы углерода и были унасле­ дованы мантией при а к к у м у л я ц и и метеоритного вещества протопланетой. Э. Галимов отметил, что изотопный состав не только углерода, но и некоторых других элементов в земной коре обнаруживает поразительное сходство с изо- • тонным составом этих элементов в составе углистых метео­ ритов при весьма отдаленном сходстве с обычными камен­ ными метеоритами.

Аргон земной атмосферы большей частью радиоактив­ ного происхождения . Н а 99,6% он состоит из изотопа A r 4 0 ,

тронного захвата и выделялся в атмосферу при общей дегазации планеты. Аналогичную историю прошли и дру­

менную эпоху преимущественно накапливаются в земной коре и в сравнительно малых количествах поступают в атмосферу. Скорость поступления обоих радиогенных газов настолько незначительна, что она не могла обеспе­ чить наблюдаемое их содержание в атмосфере в течение 4,55 +0,05 млрд. лет. Поэтому следует допустить, что большая часть аргона атмосферы поступила из глубинных частей Земли иа ранних этапах ее истории и значительно меньше добавилось впоследствии нри выветривании гор­ ных пород и вулканизме .

Появление свободного кислорода как продукта фото­ синтеза в истории Земли вызвало изменение также в океане. В морской воде изменилось соотношение между

127

дов фотосинтезирующих организмов в Южной Африке. Учитывая общую способность организмов к быстрому раз­ множению и экспансии как следствие напряженности фото­ синтеза, можно допустить, что крутой перелом в составе земной атмосферы произошел относительно быстро в мас­ штабе геологического времени.

Естественно, дегазация Земли в самом начале ее разви­ тия, учитывая радиогенный нагрев и нагрев от эффекта формирования земного ядра, происходила наиболее ин­

в горных поясах в периоды горообразования. В значитель­ ной мере состав атмосферы Земли регулировался темпе­ ратурой ее поверхности.

Таким образом, геохимические данные, к сожалению, весьма неполные, позволяют сейчас говорить о медленном вековом изменении химического состава атмосферы под влиянием различных физических, химических и биологи­ ческих факторов. А. П. Виноградов выделил три основных этапа в истории земной атмосферы: первый — древний — характеризовался обилием паров воды, второй — переход­ ной — с ведущим значением азота (азотная атмосфера) и последний этап — азотно-кислородный, дошедший до нашего времени (табл. 18).

Таблица 18

Схема основных этапов эволюции атмосферы (по А. П. Виноградову)

О С Н О В Н ЫЕ ОСОБЕННОСТИ Х И М И Ч Е С К И Х И З М Е Н Е Н И Й В З Е М Н О Й К О Р Е

Земная кора к а к верхний слой твердого тела Земли первоначально возникла в результате выплавления ма­ териала мантии и в дальнейшем оказалась существенно переработанной в биосфере под влиянием атмосферы, воды и деятельности живых организмов. В настоящее

перерабатывался и химически изменялся у поверхности.

малась к поверхности и, теряя газы, превращалась в ба­ зальтовую лаву, которая растекалась по первичной по­ верхности. П р и остывании она затвердевала, формируя первичную кору океанического типа. Однако процесс выплавления алюмосиликатных масс, обогащенных кремнекислотой, по-видимому, был асимметричным, и на од­ ном полушарии планеты их сосредоточилось больше, чем на другом. В областях будущих континентов моло­ дая земная кора была динамически неустойчивой и пере­ мещалась вверх и вниз под влиянием внутренних причин, о природе которых мы знаем еще очень мало. П р и общих колебательных движениях (вверх и вниз) части первич­ ной коры временами поднимались выше уровня океана и подвергались разрушению под влиянием химически активных газов первичной атмосферы и воды. Продукты разрушения сносились в водоемы и пониженные участки

129