книги из ГПНТБ / Тугаринов А.И. Общая геохимия. Краткий курс учеб. пособие

но доказали существенную роль Солнца в формировании химиче­ ского состава планеты (рис. 29).

Аналогична судьба трития — Н3, образующегося при другой ядерной реакции в результате соударений быстрых нейтронов с аналогичным, как и в первом случае, изотопом азота:

N14 + п = С12 + Н3.

Период полураспада трития 12,3 лет, так как в результате ß-распада тритий превращается в Не3:

Н3 = ß + Не3.

Следовательно, тритий подобно С14 может быть использован для измерения возраста таких объектов как облака, поверхност­ ные и подземные воды и вода океана с целью измерения скорости их обращения, обмена и т. д., если длительность этих событий не пре­ вышает 100 лет.

4* 99

В настоящее время известно восемь радиоактивных изотопов (короткоживущих), образующихся также в результате нейтронной бомбардировки в верхних слоях атмосферы и участвующих в геохи­ мических циклах земного вещества (табл. 23).

Т а б л и ц а 23

Радиоактивные изотопы, возникшие под действием нейтронов, их периоды полураспада и общее количество на Земле

(по Г. Фаулю, 1966 г.)

I

Изотоп Период полураспада Планетарное количество

§ 3. ПОДЗЕМНАЯ АТМОСФЕРА

Прежде чем обратиться к вопросам происхождения современной атмосферы Земли, рассмотрим состав газов подземной атмосферы, непрерывно поступающих в наземную атмосферу.

Согласно классификации В. В. Белоусова, по происхождению подземные газы подразделяются на: 1) биохимические, 2) воздуш­ ные, 3) химические и 4) радиогенные. В настоящий момент целе­ сообразно выделить, хотя и проблематичную, группу газов юве­ нильного генезиса, отнесенную В. В. Белоусовым к газам воздуш­ ного происхождения.

Газы биохимического происхождения, наиболее распространен­ ные, имеют в своем составе метан и более сложные углеводороды, углекислоту, азот и сероводород; в меньших количествах содер­ жится водород. Генезис этих газов связан с разложением органи­ ческого вещества, поэтому наиболее крупные скопления газов ассоциируют с нефтяными залежами.

В настоящее время доказано активное участие в разложении органического вещества микробактерий, способствующих генера­ ции как метана, так и водорода. Особую роль играют бактериидесульфуризаторы, генерирующие сероводород путем восстановле­ ния сульфатов (до сих пор геохимиками не установлены другие пути восстановления сульфатов в природных условиях).

Деятельность бактерий ограничена 45—50° С. Следовательно, на глубинах, превышающих 1500—2000 м, генерация газов био­ химического происхождения маловероятна.

Средний состав этих газов характеризуется следующими соот­ ношениями (вес. %): С — 42—78; Н — 14—24; О + N + S — 0,3 — 44; С/Н — 3—4,3.

По мнению В. А. Соколова, существуют две подгруппы газов биохимического происхождения. Одна из них связана с разложением органики в анаэробных условиях в современных отложениях (эти газы сравнительно легко рассеиваются, удаляясь в атмосферу), другая — с образованием нефти на значительных глубинах при повышенной температуре (200° С). В этом случае биохимический фактор отступает на второй план, и доминирующая роль в обра­ зовании газов отводится термокаталитическому распаду органиче­ ского вещества и последующим процессам гидрогенизации угле­ водородов. Косвенным подтверждением такой точки зрения является насыщение метаном мощных толщ нефтеносных пород на глубину до 6—7 км (Южно-Каспийская впадина).

Газы воздушного происхождения обусловлены захватом возду­ ха нисходящими водными потоками. При нагревании таких вод на глубине газы свободно мигрируют в виде восходящих газовых струй. Главным компонентом подобного типа газов будет азот, от­ личающийся ничтожной растворимостью в водных растворах. Зна­ чительная часть воздушного кислорода и углекислоты расходуется на взаимодействие с вмещающими породами, поэтому подземные струи азота иногда напоминают некоторые газы биохимического происхождения. Существенным отличием окажется обычное присут­ ствие в газах воздушного происхождения аргона и инертных газов, характеризующихся в воздухе отношением 0,0118, а в поздемных струях «воздушных» газов — значением 0,0235 (из-за частичного растворения азота и удаления кислорода). При поисковых работах на каустобиолиты это обстоятельство имеет определенное значение.

Кгазам химического происхождения были отнесены, с одной стороны, поверхностные газы, возникающие при процессах сгора­ ния угля, разложения карбонатных пород (С02), колчеданных залежей (S02) и т. д., а с другой, — обширная группа метаморфи­ ческого и вулканического происхождения.

Ксожалению, до сих пор нет критериев, позволяющих четко

отделить газы, возникающие при метаморфизме пород биосферы и поступающие в циркуляцию через вулканические аппараты, от га­ зов явно ювенильного, глубинного характера.

В состав газов вулканического происхождения входят; С02, СО, Н2, Na, S02, S, Н20, H2S, HCl, HF, B(OH)3, NH3, СН4 и др.

Радиогенные газы подземных атмосфер характеризуются при­ сутствием в первую очередь аргона и гелия — продуктов радио­ активного распада К40 и изотопов урана и тория соответственно. Обращает на себя внимание одно обстоятельство: и аргон и гелий освобождаются либо при выветривании горных пород (тогда они поступают непосредственно в атмосферу), либо удаляются из пород при глубинном термальном метаморфизме. В последнем случае оба элемента поступают в подземные струи газов, в том числе и вул­

канического происхождения. В отличие от аргона значительные количества гелия накапливаются в структурных ловушках, сопро­ вождая нефтеносные структуры, коллекторы. По-видимому, это об­ стоятельство объясняется тем, что гелий, как и нефть и биохими­ ческие газы, в данном случае имеет один общий источник — гори­ зонты осадков, обогащенных органическим материалом, который содержит, как правило, повышенные концентрации урана.

Так, например, работами Г. Митрофанова для Урало-Куйбы­ шевского района была установлена прямая корреляция между кон­ центрациями гелия в газоносных коллекторах и урана в материнских продуктивных горизонтах.

Впоследние годы приобрела поисковое значение так называе­ мая «гелиевая» съемка, проводимая по буровым скважинам с целью установления глубинных аномалий (повышенных содержаний) гелия в кристаллическом фундаменте.

Внекоторых районах СССР (Украина, Казахстан) подобным методом были закартированы глубинные разломы по высоким со­ держаниям в них Не4, Не3, Ar40 и других газов. Вдоль этих же раз­ ломов располагались рудные залежи.

До сих пор не решен вопрос об источнике гелия и аргона в по­ добных, геологически «долгоживущих» структурах. Однако роль

этих радиогенных газов как фиксаторов глубинных дислокаций

вземной коре, являющихся иногда и зонами миграции рудных гидротерм, несомненна.

Аргон в отличие от гелия, легко диссипирующего из атмосферы за пределы гравитационного поля Земли, будучи по крайней мере

в10 раз более тяжелым газом, интенсивно накапливается в атмо­ сфере.

Выделение группы ювенильных газов вызвано разгоревшейся в последние годы дискуссией о происхождении нефти и газа в связи с новыми находками в этой области.

Действительно, сравнительно недавно выходы газов, содержа­ щих значительное количество метана, обнаружены в пределах массивов интрузий щелочных пород Хибин, мариуполитов Приа­ зовья, кимберлитовых трубок Восточной Сибири, Африки, т. е. в магматических телах глубинного происхождения, в регионах, где какие-либо осадочные формации, обогащенные органическим веществом, отсутствовали.

Так, например, одна из скважин в районе трубки алмазоносных кимберлитов в Якутии «Удачной» дала фонтан газа, состоявшего из 51% водорода, 35% метана с примесью 2,5% тяжелых углево­ дородов (по сообщению Н. А. Кудрявцева, 1967 г.).

Еще ранее высказывались сомнения в возможности объяснить имеющиеся гигантские запасы нефти и газа в коллекторах их про­ исхождением из распространенных в тех же районах продуктивных нефтеносных осадочных формаций. Элементарные подсчеты возмож­ ного баланса приводили к отрицательному выводу о вероятности происхождения всей массы нефти из этих толщ.

Все это позволило предположить существование газовых струй метанового и водородного состава глубинного, подкорового проис­ хождения и последующего синтеза из них нефти (А. И. Кравцов, 1967 г.). Не рассматривая в этом месте возможные связи газов подобного рода с нефтеобразованием, мы считаем необходимым на­ помнить, что вероятность подобного происхождения метановых струй допускал и В. И. Вернадский (1933 г.):

«Далеко не всегда углеводороды связаны с жизнью. Есть метан, поднимающийся из более глубоких частей земной коры. Именно для метана исключительная связь с жизнью сомнительна, так как этот легкий газ имеет свойства, напоминающие водород. Известные его синтезы в лабораториях чрезвычайно разнообразны и часто неза­ висимы от органических соединений. Аналогичные процессы долж­ ны идти в магмах».

§ 4. ПРОИСХОЖДЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

Возвращаясь к ранее рассмотренному составу наземной атмо­ сферы, следует отметить, что вся современная атмосфера есть по су­ ществу порождение двух доминирующих процессов на Земле — жизни и радиоактивного распада.

Действительно, каковы причины, вызвавшие наблюдаемые нами соотношения газов атмосферы?

Азот может удаляться из атмосферы тремя путями: в результате образования легкорастворимых в воде нитратов под действием сол­ нечного излучения, при поглощении атмосферного азота живыми организмами и при возникновении легкорастворимых соединений азота в результате электрических разрядов.

Возвращение азота в атмосферу происходит в результате окисле­ ния органического вещества с образованием аммиака либо при более интенсивном окислении — собственно азота. Вероятно, сущест­ венная доля азота возвращается в атмосферу при метаморфизме и выветривании горных пород, в которых значительные массы азота присутствуют в виде NHJ, изоморфно замещающего К+ в слюдах.

Высокая концентрация свободного кислорода в атмосфере (23%) является геохимическим парадоксом, не повторяющимся в известном нам мироздании. Причина в том, что наряду с активным поглощением кислорода из атмосферы — на различные процессы окисления (органического вещества, колчеданов и т. д.), дыхание организмов — непрерывно протекает мощный встречный процесс фотосинтеза, сопровождающийся выделением свободного кислорода в атмосферу: С02 + Н20 == НСОН + 0 2 f . Этот процесс, опреде­ ляемый участием хлорофилла, представляет собой более мощный источник свободного кислорода в атмосфере, чем фотодиссоциация в стратосфере, генерирующая озон.

Огромную роль в атмосфере играет углекислота, несмотря на ее незначительную концентрацию. Темп круговорота углекислоты, по-видимому, несоизмерим ни с одним другим газом атмосферы.

тесно связано с окислительными процессами на поверхности земной

Огромную роль в балансе углекислоты в атмосфере играют вулканические процессы. Есть основание думать, что именно с ними связано постепенно возрастающее содержание углерода в земной коре и развитие биосферы.

Но можно ли полагать, что состав атмосферы Земли всегда был неизменным? Все данные говорят о противоположном.

Согласно Г. Юри, в догеологический период существования Земли атмосфера ее отличалась не только меньшей плотностью, но и составом и обладала восстановительным характером. Сравне­ ние с планетами-гигантами (Юпитер, Сатурн) позволяет думать, что аналогичным был и первичный состав земной атмосферы, т. е. о доминирующей распространенности в ней СН4, NH3, в меньшей мере Н2, Н20, СО, СОа, НС1, Н20 и т. д.

Понадобился длительный период эволюции Земли, зарождения жизни и ее развития для того, чтобы весь генерируемый кислород смог окислить древнюю атмосферу до ее современного состояния. Целый ряд косвенных признаков свидетельствует о том, что появ­ ление устойчивых заметных количеств свободного кислорода в ат­ мосфере, после того как вся масса NH3 была окислена до N2, а СН4 и Н2 до С02 и Н20, относится к периоду 3 млрд, лет назад — пред­ дверию протерозоя.

Г Л А В А 8

ГЕОХИМИЯ ГИДРОСФЕРЫ

§ 1 . ГЕОХИМИЯ ОКЕАНА

Океан представляет собой водную оболочку земного шара. Пять шестых земной поверхности приходится на его долю. Общий объем океана составляет 1,37ІО18 ж3 (Аттарбек и Сендрамен, 1948).

Одной из самых важных особенностей океана является его соле­ вой состав.

В 1873—1876 гг. экспедиция Г. Челленджера собрала 77 проб океанической воды. Предстояло решить ту же задачу, что и при ран­ них исследованиях атмосферы: идентичен ли океан по своему соле­ вому составу в разных районах мира. Проведенные несколько лет спустя анализы собранных проб показали, что солевой состав океана представляет собой такую же важную геохимическую константу, как и газовый состав атмосферы (табл. 24). Выяснилось, что абсо­ лютная соленость океана меняется достаточно интенсивно в зависи­ мости от глубины, географической широты и других условий. Од­ нако солевой состав остается постоянным. На этом основании Д. Кнудсен предложил простой способ пересчета данных по распре­ делению хлора в морской воде на ее соленость:

S = 0,03 + 1,805 С1,

где 5 — соленость, а на 1 кг воды; О — содержание хлора в тех же единицах.

Соленость океана колеблется примерно от 3,5 до 4,0, например, в районах Красного моря и Персидского залива.

Плотность морской воды с учетом ее солености составляет в среднем 1,028 г/см3. Принимая во внимание значительные глуби­ ны океана, средняя плотность воды в результате незначительного сжатия достигает 1,03 г!см*.

Для температурного режима океана характерны суточные и се­ зонные колебания в поверхностных слоях воды (на глубинах темпе­ ратура воды более постоянная и низкая). В качестве иллюстрации нами приведены в табл. 25 данные о распределении температур по глубине в Атлантическом океане (35°30' с. ш. и 67°17' з. д.).

Океан все время находится в состоя­ нии равновесия с газовой оболочкой пла­ неты. Это равновесие является подвижным, поскольку количество газов в атмосфере зависит от многих факторов. Тем не менее в данный момент общее количество газов, растворенных в морской воде, также яв­ ляется не менее важной константой, чем состав солей.

Углекислота. Еще С. Шлезинг в XIX в. обратил внимание на то, что количество углекислоты в атмосфере регулируется океаном.

Каковы же источники углекислоты в океане?

Углекислота поступает в океан в результате жизнедеятельности организмов, подводного вулканизма и растворения углекислоты атмосферы. Удаление углекислоты происходит под влиянием пог­ лощения ее фитопланктоном при фотосинтезе, садке карбонат­ ных отложений. Тем не менее главным механизмом, регулирующим режим углекислоты в океане, оказывается растворение в нем угле­ кислоты атмосферы, поэтому постоянство количества углекислоты

ватмосфере является одним из самых удивительных эффектов (0,04%!).

Естественно, что интенсивность поглощения углекислоты зависит

восновном от температуры. Установлено, что океан особенно ак­ тивно растворяет углекислоту из воздуха в северных и южных широтах; в районах, прилегающих к экватору, такое поглощение происходит гораздо слабее.

Распределение углекислоты в океане по глубине имеет две осо­ бенности. Вначале наблюдается незначительное уменьшение угле­ кислоты за счет фотосинтеза, затем происходит интенсивное увели­ чение содержания углекислоты, вызванное окислением органи­ ческого материала, поэтому глубинные воды всегда содержат угле­ кислоту в большем количестве, чем поверхностные (табл. 26).

Очевидно, если бы на Земле не существовало такого мощного резервуара, как океан, поглощающего избыток углекислоты из воз-

Изменение содержания углекислоты в Тихом

духа, то на нашей планете мог бы в конце концов возникнуть теп­ личный эффект, который мы сейчас наблюдаем на Венере.

По подсчетам С. Аррениуса (1902 г.), увеличение содержания углекислоты в воздухе в три раза повысило бы температуру земной поверхности на 8—9°! Это вызвано тем, что углекислота абсор­ бирует инфракрасное излучение земной поверхности, обусловлен­ ное тепловым потоком Земли. В частности, колебаниями содержа­ ния углекислоты в воздухе, вызванными периодическими пароксиз­ мами вулканической деятельности, Аррениус пытался объяснить возникавшие оледенения на Земле. Известно, что деятельность че­ ловека, связанная с возрастающим сжиганием угля и нефти, может привести в недалеком будущем к увеличению содержания углекис­ лоты в атмосфере на 20%.

Длительность пребывания углекислоты в атмосфере и океане, скорость ее прохождения через эту часть кругового цикла оцени­ вается исследователями в 7—30 лет.

Выделение углекислоты фитопланктоном в общем круговороте имеет важное значение. В зимние месяцы, когда замирает деятель­ ность различных водорослей, количество углекислоты в океане возрастает, так как ее потребление уменьшается. Вместе с этим возрастает так называемый щелочной резерв океана. Избыток углекислоты влечет за собой увеличение ионов кальция. Это приво­ дит к сдвигу величины pH морской воды в щелочную область: pH достигает при этом величины 8,3, в то время как обычно его ве­ личина не превышает 8,1. С увеличением глубины pH океанической воды возрастает, проходя через минимум промежуточного слоя.

То, что вода современного океана носит слабо щелочной харак­ тер, является следствием растворенных в ней сильных щелочных металлов, не компенсированных достаточным количеством сильных кислот. Сдвиг в сторону соединений типа Са(НС03)2 обусловливает ее щелочность (рис. 30).

Кислород. Режим кислорода в атмосфере и гидросфере, как и углекислоты, поддерживается биогенными процессами. Присутст-

<USS« s ; 6

Sк о« g $ ä o ,