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

химически активный металл, образующий в земной коре свыше 300 минеральных видов. В биосфере наиболее ха­ рактерными я в л я ю т с я соединения железа с кислородом в виде: гематита Fe 2 0 3 ; магнетита Fe 3 0 4 , гетита FeO(OH), лимонита 2Fe 2 0 3 • З Н 2 0 . В магматических породах большая часть железа находится в железистомагнезиальных сили­ катах, отчасти в сульфидах: пирротине Fe7 S8 и пирите FeS2 .

Миграция и формы нахождения железа в магматиче­ ских породах связаны с процессами окисления . В основ­ ных и ультраосновных породах железо присутствует преимущественно в закиспой форме (FeO). Пр и процессах окисления в верхних горизонтах литосферы возникает окисленное железо. Фактором окисления выступает вода или водяной пар . По В . М. Гольдшмидту, образование магнетита при охлаждении магмы связано с поглощением воды магмой, что определяет следующую химическую реакцию:

исиликаты с закисным железом легко окисляются .

Значительно более устойчивым я в л я е т с я магнетит. З а к и с - ное железо легче переходит в раствор, чем окисное. Окисление в природных водоемах приводит к осаждению окисных железных руд. Т а к и м способом образуются болотные железные руды, морские осадки с окисным железом.

В результате выветривания и круговорота воды же ­ лезо в огромных количествах поступает в моря и океаны. Вынос железа происходит в разнообразных формах — в виде обломков минералов и горных пород, в виде кол ­ лоидов, в форме растворимых соединений. В самой мор­ ской воде железо содержится в малом количестве (1-10~6 %), что связано с плохой растворимостью его окисленных соединений.

В природных водоемах можно выделить главные реагенты, способствующие осаждению минералов железа . Это будут растворенные в воде О г , С 0 2 и H 2 S . В соот-

140

ных породах раннего докембрия FeO почти в три раза превышает Fe 2 0 3 , то в позднем докембрии в осадочных

доля окисных соединений железа и уменьшалась про­ порция его закисных форм в осадочных толщах, оче­ видно, иод влиянием свободного кислорода биосферы.

Максимальная концентрация железа в осадочных тол­ щах образовалась в докембрийских железистокремнистых формациях, что привело к образованию уникальных месторождений железных руд мирового значения (Кри­

формаций метаморфизовано. Однако сохранились и слабометаморфизованные разности, позволяющие восстановить первоначальные условия осадкообразования. Так , в них мы можем различать сульфидные, карбонатные, силикат­ ные и окисные соединения железа, которые чередуются с тонкодисперсным кремнеземом, образуя полосчатые железистые породы (джеспилиты) и руды.

ный характер . В ходе эволюции земной коры роль живых организмов в первую очередь отражалась на процессах седиментации и рудообразования . П р и этом большое значение имела способность живых организмов концент­

сразличными анионными группами . Содержание этих

металлов в растениях достигает величины в десятки и сотни тысяч раз большей, чем в о к р у ж а ю щ е й среде. Концентрирование особенно высоко дл я металлов пере­ ходных групп периодической системы Д . И . Менде­ леева — дл я титана, хрома, марганца, железа, кобальта

141

и никеля . Совершенно естественно, что после гибели растений большая часть концентрированных ими элемен­

В. И. Вернадскому, таким способом накопленные бак­ териями и другими растениями огромные количества металлов вполне могли стать исходным материалом при образовании руд осадочного происхождения .

Согласно исследованиям Е. А. Бойченко, в течение геологического времени происходила смеиа концентра­ ционных функций в связи с эволюцией самих организмов. Т а к , допускается, что первичные организмы возникли в океане. Они развивались за счет окисления органических веществ абиогенного происхождения . После израсходо­ вания запасов органических веществ должен был про­

(хемосинтез) или же с использованием световой энергии (фотосинтез). Переход организмов к этому типу развития с участием фотосинтеза сопровождался усилением кон­ центрирования алюминия, кремния, к а л ь ц и я , титана, хрома, марганца, железа, кобальта, никеля, меди, цинка, молибдена и других химических элементов.

Синезеленые водоросли появились на Земле в раннем докембрии и в течение длительного времени были един­ ственными растениями, способными к фотосинтезу с вы­

эти водоросли образовали мощные карбонатные породы. В конце докембрия появились зеленые водоросли с по­ вышенным содержанием меди по сравнению с другими растениями. Предполагается, что появление крупнейших осадочных месторождений меди относится ко времени расцвета этих водорослей: к концу докембрия — началу палеозоя . Появление бурых водорослей и папоротнико ­ образных растений произошло в середине палеозойской эры. В них отмечается повышенное содержание цинка, с чем, возможно, связаны некоторые его месторождения

и только сейчас мы начинаем подходить к тем много­ гранным связям, которые существовали на нашей планете

142

Х И М Н 4 Е С К А Я Э В О Л Ю Ц И Я З Е М Н О Й К О Р Ы

Учитывая общий характер динамики земной коры в те­ чение веков, главные особенности химических изменений горных пород, изменение концентрационных функций организмов, прогрессивный рост биомассы, связанное с этим изменение состава атмосферы и океана, мы можем теперь перейти к характеристике эволюционных тенден­ ций д л я земной коры в целом.

В биосфере Земли происходило формирование древних осадочных пород. Оно неразрывно было связано с из ­ менением в атмосфере и гидросфере. Отсюда осадочная оболочка Земли, или стратисфера, оказалась наиболее чувствительной по отношению к химической эволюции океана и атмосферы, чем любая другая геосфера Земли . При этом мы можем проследить химические и петрогра­ фические изменения осадочной оболочки Земли по камен­ ным документам геологической летописи.

Изучение состава древних осадочных пород разного возраста позволило многим исследователям установить основную тенденцию их эволюции под влиянием разви­ тия жизни в биосфере. Наиболее обстоятельные иссле­ дования в области теории формирования осадочных пород

выделил в истории Земли четыре этапа эволюции химико-

Первый этап едва ли можно восстановить с достаточ­ ной полнотой, поскольку он охватывал самые ранние периоды истории нашей планеты. От этого начального этапа развития геосфер и литогенеза не сохранились каменные документы геологической летописи, поэтому различные реконструкции древнейшего этапа осадконакопления неизбежно носят гипотетический характер

144

и основываются на общих физико-химических законо ­ мерностях.

Во время первого этапа развития осадочного процесса существовали первичный океан и первичная атмосфера без значительных признаков живого вещества.. Химиче ­ ский состав первичного океана, конденсировавшегося из паров мантийного материала, характеризовался при­ сутствием HCl, HF , Н 3 В 0 3 , S i 0 2 и по существу пред­ ставлял собой кислый раствор. В воде первозданного

так ка к имелось очень мало свободного кислорода дл я окис­ ления H 2 S и образования сульфатов. Первичная атмо­

метан и малые порции инертных газов. В этой обста­ новке морской воды и атмосферы происходило формиро­ вание первичных осадочных пород.

Ландшафт первых сухопутных участков был типичный вулканический, подобный современному лунному ланд­ шафту. Б о л ь ш и е плоские пространства были покрыты вулканическими конусами. Обширные площади между вулканами занимал сравнительно неглубокий океан, в ко ­ тором в виде островов поднимались цепи вулканических конусов. Господствующим типом осадкообразования был вулканогенно-осадочный, который проходил в условиях влажного (гумидного) климата. Климатические пояса, подобные современным, отсутствовали.

Из-за изобилия С 0 2 в атмосфере происходило выветри­ вание изверженных вулканогенных пород с образованием

воду карбонаты вступали в реакции со свободными кис­

145

отношении можно высказать только общие соображения.

счет выветривания этого материала возникли первые террнгеиные (механические) осадки. Химическим путем переносился и осаждался кремнезем. Вероятно,- отлага­ лись сульфиды т я ж е л ы х металлов ввиду обилия H2 S в морской воде. Осаждение Fe и Мп если и происходило, то оно было связано с их записными формами в связи с отсутствием свободного кислорода. В эпоху первичного осадкопакоплешія заведомо не было н и к а к и х карбонат­ ных накоплений. Отсутствовали сульфаты Ca и Mg. Пол­ ностью отсутствовали галогенные породы типа каменной соли. Н а м совершенно неизвестна длительность началь ­ ного этапа развития земных геосфер, но, вероятно, она была непродолжительной, поскольку ж и з н ь на Земле возникла очень давно и энергично стала влиять на раз ­ витие верхних горизонтов планеты.

Следующий, второй этап развития верхних геосфер Земли охватил время от появления живой протоплазмы до возникновения фотоспитезирующих организмов. Древ ­ нейшие находки этих организмов имеют возраст 3— 3,5 млрд. лет. Этот этап уже отражается в каменной

разностями — гнейсами, гранитами и мигматитами, в ко­ торых следы первичной седиментации полностью унич­ тожены. Л и ш ь в одном геологическом разрезе в Южной Африке, в так называемой системе Свазиленд, сохрани­ лись слабометаморфизованные породы в виде различного рода сланцев, чередующихся с кварцитами, железистыми породами и вулканогенными осадками.

Одним из важнейших геологических событий второго этапа был значительный рост алюмосиликатной коры, или сиаля, и расчленение земной коры на основные структурные единицы, которые известны во всей после­ дующей истории Земли. Менялась морфология земной поверхности. Зарождались линейно вытянутые горные

146

сов, сланцев, кварцитов, джеспилитов, так в виде слабо

с мощными отложениями осадочных пород и обширные платформенные области с осадочным чехлом на разру ­ шенном складчатом основании. Тектоническое развитие литосферы определяло ход осадкообразования в целом. Сиалическая земная кора разрасталась не только в ши­ рину, но и в глубину, увеличивая свою мощность. Это

сам метаморфизма и гранитизации, при этом, естественно,

дили в силикатные с выделением С 0 2 в атмосферу и гидро­ сферу. То же самое происходило с водой, сосредоточен­ ной в межпоровых промежутках между топкими минера­ лами, либо сорбированной на глинистых частицах. Таким образом, если на ранних этапах развития Земли поступ­

теперь н а р я д у с их ювенильным поступлением из мантии прогрессирует поступление возрожденных Н 2 0 и С 0 2 . Газы метаморфического происхождения все более от­ тесняют газы ювенильные.

Возрастающие платформенные участки создают об­ ширные континенты, на которых устанавливается физикогеографическая зональность, что отражается на дифферен­ циации процессов осадкообразования. .Встречаются явные

обширных площадей служит ареной сноса обломочного (кластического) и растворенного материала. Однако реша­

148

этала мы находим явные следы фотосинтезирующих орга­ низмов.

Развитие фотосинтеза приводило к освобождению больших количеств свободного кислорода в гидросфере и затем в атмосфере, а т а к ж е знаменовалось ростом массы живого вещества и усложнением его организации. По ­ глощаемый фотосинтезом С 0 2 значительно убывает в ат­ мосфере. Аммиак и метан практически полностью ис­ чезают из состава атмосферы в результате окисления. К концу этапа атмосфера в основном приобретает каче­ ственно современный вид, характеризуясь азотно-кисло- родным составом с подчиненным количеством С 0 2 . По­ добные же изменения происходили в Мировом океане,

Серная кислота, р е а г и р у я в гидросфере с растворенными карбонатами, вытесняла С 0 2 , обогащая воду сульфат­ ным ионом ( S 0 4 ) 2 _ .

В этих условиях подвижность многих элементов тя­

осаждения Fe, M n , V , Си и других многовалентных ме­ таллов . Естественно, что в кислородной среде они начали

осаждения приобретали все более второстепенное зна­ чение.

Д л я третьего этапа осадкообразования характерно накопление огромных толщ железосодержащих пород, которые отлагались преимущественно в интервале вре ­ мени 3000—2000 млн. лет назад. Сюда относятся железо­

дора в Северной Америке, Н а м а - Т р а н с в а а л ь в Южной

развития бассейна отлагались окисные, карбонатные и сульфидные разности полосчатых железистых пород.

149