Лекции_Общая геохимия

карбонатных осадков в морских бассейнах. При отмирании растений и организмов, употребляющих их в пищу, и осаждении карбонатов обмен углеродом этих объектов с атмосферой прекращается и С14 в них больше не поступает. Значит, каждый из таких объектов становится подобием ранее рассмотренной нами системы, в которой будет происходить односторонне направленное «вымирание» изотопа С14. На измерении его концентраций в погребенных остатках животных и растительных организмов и карбонатах основан известный метод измерения возраста молодых отложений. Этот метод позволил сделать важные открытия в плейстоценовой геологии и археологии.

На основании подобных измерений и сопоставлений с пыльцевой флорой удалось установить синхронность оледенений и потеплений климата в разных континентах, измерить возраст речных террас и древних стоянок человека и т. д.

Тщательное измерение возраста годичных колец древних секвой и королевских сосен в США, датируемых 800-1000 лет, показало, что допущение о постоянстве процесса образования атомов С14 в ионосфере, о неизменной его интенсивности не очень обоснованно. Измерения концентрации С14 в тщательно датированных независимым методом объектах (годичных кольцах) указали на существование флуктуации, совпадающих с периодичностью, свойственной активности Солнца.

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

β-распада тритий превращается в Не3: Н3 = β+ Не3.

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

В настоящее время известно восемь радиоактивных изотопов (короткоживущих), образующихся также в результате нейтронной бомбардировки в верхних слоях атмосферы и участвующих в геохимических циклах земного вещества (табл. 5.1).

Таблица 5.1 Радиоактивные изотопы, возникшие под действием нейтронов, их периоды полураспада и общее количество на Земле (по Г. Фаулю, 1966 г.)

61

Пятый "этаж" – экзосфера, т.е. "внешняя" оболочка атмосферы. Находится этот слой на высоте более 800 км. Воздух здесь разрежён ещё сильнее, чем в термосфере. На сегодняшний день такие высоты доступны лишь ракетам. Этот слой называют также "слоем рассеяния", потому что частицы воздуха здесь, двигаясь с огромными скоростями, иногда улетают в межпланетное пространство и навсегда покидают Землю.

5.3. 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) воздушные, 3) химические, 4) радиогенные.

Внастоящий момент целесообразно выделить, хотя и проблематичную, группу газов ювенильного генезиса, отнесенную В. В. Белоусовым к газам воздушного происхождения.

Газы биохимического происхождения, наиболее распространенные, имеют в своем составе метан и более сложные углеводороды, углекислоту, азот и сероводород; в меньших количествах содержится водород. Генезис этих газов связан с разложением ОВ, поэтому наиболее крупные скопления газов ассоциируют с нефтяными залежами.

Внастоящее время доказано активное участие в разложении ОВ микробактерий, способствующих генерации как метана, так и водорода. Особую роль играют бактерии десульфуризаторы, генерирующие сероводород путем восстановления 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 биохимического происхождения маловероятна. Вместе с этим в настоящее время установлено, что насыщенные водой фумарольные дымы — это питательная среда для некоторых видов бактерий, и многие минералы, образующиеся у фумарол, например, самородная сера, имеют биологическое происхождение

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

62

значительных глубинах при повышенной температуре (200° С). В этом случае биохимический фактор отступает на второй план, и доминирующая роль в образовании газов отводится термокаталитическому распаду органического вещества и последующим процессам гидрогенизации углеводородов. 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 воздуха нисходящими водными потоками. При нагревании таких вод на глубине газы свободно мигрируют в виде восходящих газовых струй. Главным компонентом подобного типа газов будет азот, отличающийся ничтожной растворимостью в водных растворах. Значительная 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 присутствие в газах воздушного происхождения аргона и инертных газов, характеризующихся в воздухе отношением 0,0118, а в подземных струях «воздушных» газов — значением 0,0235 (из-за частичного растворения азота и удаления кислорода). При поисковых работах на каусто-

биолиты это обстоятельство имеет определенное значение.

Кгазам химического происхождения были отнесены, с одной стороны, поверхностные газы, возникающие при процессах сгорания угля, разложения

карбонатных пород (С02), колчеданных залежей (S02) и т. д., а с другой, — обширная группа метаморфического 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 газов явно ювенильного, глубинного характера.

В состав газов вулканического происхождения входят: С02, СО, Н2, N2,

S02, S, Н20, H2S, НС1, HF, B(OH)3, NH3, CH4 и др.

Радиогенные газы подземных атмосфер характеризуются присутствием в первую очередь аргона и гелия — продуктов радиоактивного 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 вулканического происхождения. В отличие от аргона значительные количества гелия накапливаются в структурных ловушках, сопровождая нефтеносные структуры, коллекторы. По-видимому, это обстоятельство объясняется тем, что гелий, как и нефть и биохимические газы, в данном случае имеет один общий источник — горизонты осадков, обогащенных органическим материалом, который содержит, как правило, повышенные концентрации урана.

Так, например, работами Г. Митрофанова для Урало-Куйбышевского района была установлена прямая корреляция между концентрациями гелия в

63

газоносных коллекторах и урана в материнских продуктивных горизонтах. Исследованиями Пенькова В.Ф. установлена прямая связь между ураном и углеводородами (Пеньков, 1989).

В последние годы приобрела поисковое значение «гелиевая» съемка, проводимая с целью установления глубинных аномалий (повышенных содержаний) гелия в кристаллическом фундаменте. В некоторых районах СССР

(Украина, Казахстан) гелиевым методом были закартированы глубинные разломы по высоким содержаниям в них Не4, Не3, Аг40 и других газов. Вдоль этих же разломов располагались рудные залежи.

До сих пор не решен вопрос об источнике гелия и аргона в геологически «долгоживущих» структурах. Однако роль этих радиогенных газов как фиксаторов глубинных дислокаций в земной 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 в 10 раз более тяжелым газом, интенсивно накапливается в атмосфере.

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, содержащих значительное количество метана, обнаружены в пределах массивов интрузий щелочных пород Хибин, мариуполитов Приазовья, 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 углеводородов (по сообщению Н. А. Кудрявцева, 1967 г.).

5.4. Происхождение атмосферы

Возвращаясь к ранее рассмотренному составу наземной атмосферы, следует отметить, что вся современная атмосфера есть по существу 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 солнечного излучения, при поглощении атмосферного азота живыми организмами и при возникновении легкорастворимых соединений азота в результате электрических разрядов.

Возвращение азота в атмосферу происходит в результате окисления органического вещества с образованием аммиака либо при более интенсивном окислении — собственно азота. Вероятно, существенная доля азота возвращается в атмосферу при метаморфизме и выветривании горных пород, в ко-

64

торых значительные массы азота присутствуют в виде NH4+, 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 + О2. Этот процесс, определяемый 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. Углекислота, как уже отмечалось, поглощается при фотосинтезе и карбонатном осадкообразовании.

Возвращение ее в атмосферу тесно связано с окислительными процессами на поверхности земной коры (органического вещества), разрушением карбонатных пород в зоне гипергенеза и метаморфизмом.

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.

Для примера рассмотрим состав газов некоторых вулканов (табл. 5.2).

Таблица 5.2.- Газы некоторых вулканов (Мархинин 1980)

Поскольку парниковый эффект связан с присутствием углекислого газа в атмосфере, колебания его концентрации являются одной из важных причин таких крупномасштабных климатических изменений в истории Земли,

как ледниковые периоды.

Присутствующий в современной атмосфере гелий большей частью является продуктом радиоактивного распада урана, тория и радия. Эти радиоактивные элементы испускают -частицы, которые представляют собой ядра атомов гелия. Поскольку в ходе радиоактивного распада электрический заряд не образуется и не исчезает, с образованием каждой -частицы появляются

65

по два электрона, которые рекомбинируя с -частицами, образуют нейтральные атомы гелия.

Некоторое количество гелия за счет диффузии поднимается вверх в экзосферу, но благодаря постоянному притоку от земной поверхности, объем этого газа в атмосфере почти не меняется. Исключение составляет инертный газ аргон, поскольку в форме изотопа 40Ar он и сейчас образуется в процессе радиоактивного распада изотопа калия.

5.5. Происхождение Вселенной

Физики описали простой тип квантово-механического вакуума, который представляет собой море так называемых «виртуальных частиц», фрагментов атомов, которые «почти существуют». Время от времени некоторые из

этих субатомных частиц переходят из вакуума в мир материальной реальности. Это явление получило название вакуумных флуктуаций. Ваку-

умные флуктуации невозможно наблюдать непосредственно, однако теории, постулирующие их существование, были подтверждены экспериментально. Согласно этим теориям, частицы и античастицы без всякой причины возникают из вакуума и практически сразу исчезают, аннигилируя друг друга. Гут и его коллеги допустили, что в какой-то момент вместо крошечной частицы из вакуума появилась целая Вселенная, и вместо того, чтобы сразу исчезнуть, эта Вселенная каким-то образом просуществовала миллиарды лет. Авторы этой модели решили проблему сингулярности, постулировав, что состояние, в котором Вселенная появляется из вакуума, несколько отличается от состояния сингулярности (табл. 5.3).

Таблица 5.3 - Краткая история развития Вселенной

66

Краткая история Вселенной изображена на рисунках 5.3 и 5.4.

Рис. 5.3. Развитие Вселенной

Это изображение описывает развитие Вселенной со времени Большого взрыва, до «наших» дней: от появления элементарных частиц и атомов до современных галактик и планет.

Что предшествовало Большому взрыву и почему он произошел, в рамках инфляционной теории, а именно: образо-вавшаяся флуктуация размером 10- 37 см, скатываясь с максимума, как камень с вершины заснеженной крыши, налипляет на себя снег, увеличивает размер и, достигая конца крыши, падает в пропасть, увеличивая свою кинетическую энергию, разбивается на дне пропасти. Флуктуация при этом дос-тигает размера 10-33 см и происходит большой взрыв, приводящий согласно теории струнк появлению нашей Вселен-

ной (рис. 5.4 и 5.5).

67

более тяжелых элементов не идут внутри звезды. Более тяжелые элементы образуются при взрыве сверхновой при более высоких давлениях и температурах.

Космическая пыль, образовавшаяся при взрыве сверхновых, является материалом для новых звезд и звездных систем, состоящих из известного нам множества элементов. Эти элементы, являясь ингибиторами термоядерных реакций, увеличивают жизнь новых звезд до десяти миллиардов лет.

Рис. 5.7. Рождение Белого карлика и динамика развития межзвездного вещества

Циклический процесс эволюции звёзд представлен на рисунке 5.7. Вслед за начальным сжатием оболочки звезды происходит её расширение - образование красных гигантов, в которых происходит последовательное сго-

рание лёгких элементов и превращение их в массивную «многослойную» звезду с железным ядром, которая может взорваться, как сверхновая, или превратиться в белого карлика. Сверхновая превращается в нейтронную звезду или пополняет веществом межзвёздное пространство. Космические лучи — часть этого вещества.

Из межзвездного вещества, образующегося после взрыва сверхновой, образуются новые звезды и планеты (рис. 5.7.).

Далее, при образовании планеты в Солнечной системе, для того чтобы на ней на базе воды и органических веществ образовалась органическая жизнь, необходимо, чтобы температура воды на планете была в пределах 0-60 оС.

Такая температура в Солнечной системе осуществляется на орбите порядка 150 миллиона километров (то есть на орбите Земли)

Если сейчас общее количество радиоактивных изотопов в составе коры Земли составляет 0,0015 % (по сравнению с массой стабильных элементов), то в момент образования Земли (6 миллиардов лет назад) порода коры Земли состояла на 90 % из радиоактивных изотопов. Если теперь основную роль в генерации тепла играют радиоактивные уран, торий, калий, то 5 миллиардов лет назад состав Земли был насыщен изотопами с периодом полураспада 10-1000 лет и более. Темпы изменения температуры поверхности Земли показаны на рисунке 1. Темпы охлаждения планеты повторяют кривую темпа уменьшения концентрации радиоактивных элементов в коре Земли (рисунок 5.8).

69