ГЛАВА 5: ИСТОРИЯ АТМОСФЕРЫ И ГИДРОСФЕРЫ
Образование атмосферы и гидросферы как результат вулканических процессов. Вулканические газы. Первичная атмосфера и гидросфера при температуре лучистого равновесия. Происхождение и рост массы океана. Происхождение солености океана. История атмосферного кислорода по геологическим данным. История углекислого газа. Происхождение атмосферы Венеры.
В этой главе излагаются в основном представления А. П. Виноградова [7], согласно которым атмосфера и гидросфера образовались в результате дегазации лав, выплавлявшихся из верхней мантии Земли и создавших земную кору.
Атмосфера и гидросфера состоят из легких и летучих веществ, содержание которых в Земле в целом очень мало - гораздо меньше, чем в космосе. Так, по Б. Мейсону [24], отношение массы инертных газов к массе кремния в Земле в 106-1014 раз меньше, чем в космосе; для водорода это различие составляет 106.6 раз, для азота - 105.9 раз, для углерода - 104 раз. Этот дефицит легких и летучих веществ возник, по-видимому, еще в протопланетном облаке, из которого затем сформировалась Земля. Причинами образования дефицита могли быть нагрев части протопланетного облака солнечным излучением и короткоживущими радиоактивными изотопами (по некоторым оценкам, до 500-600°). и «выметание» из облака выделяющихся при нагреве легких и летучих веществ «солнечным ветром» (т. е. потоками солнечной плазмы) и давлением света. Указанный дефицит и объясняет относительную малость атмосферы и гидросферы, массы которых составляют только одну миллионную и одну четырехтысячную долю массы всей Земли. Такие же рассуждения справедливы и для других планет земной группы.
В момент формирования Земли из протопланетного облака все элементы ее будущей атмосферы и гидросферы находились в связанном виде в составе твердых веществ: вода - в гидроокислах, азот - в нитридах и, возможно, в нитратах, кислород - в окислах металлов, углерод - в графитах, карбидах и карбонатах. Бомбардировка поверхности Земли планетезималями в то время могла приводить к выделению летучих веществ, но вода, углекислый газ, «кислые дымы» и другие активные вещества должны были поглощаться раздробленными породами, так что первичная атмосфера на этом этапе состояла, по-видимому, лишь из небольших количеств азота, аммиака и инертных газов.
Дальнейшее наращивание атмосферы и образование гидросферы связаны с выплавками базальтов, водяного пара и газов из верхней мантии при вулканических процессах, развившихся уже в первые 0.5-1 млрд. лет существования Земли в результате разогревания ее недр при гравитационном сжатии (включая формирование и рост уплотненного ядра) и за счет распада радиоактивных изотопов (как остатков короткоживущих изотопов, так и, главное, долгоживущих изотопов, которых тогда было в 4-7 раз больше, чем сейчас).
Мы говорим здесь о выплавках веществ именно из верхней мантии (а не из коры), так как магматические очаги, питающие вулканы, находятся в основном в астеносфере (приоритет на установление этого факта принадлежит советскому вулканологу Г. С. Горшкову).
Интенсивность современных вулканических процессов на Земле представляется вполне достаточной для образования за время существования Земли всей ее коры, гидросферы и атмосферы. В доказательство этого Е. К. Мархинин [25] приводит следующие подсчеты. Количество твердого вещества, ежегодно поставляемого вулканами Курильских островов, оценено в 0.08 км3, т. е. при среднем удельном весе этих пород 2 г/см3 - в 0.16 млрд. т. Курильские острова - это только одна из 22 островных дуг периферии Тихого океана. Стало быть, все эти островные дуги в сумме дают ежегодно порядка 0.16 · 22=3.52 млрд. т вещества (приблизительно такая же величина получается из суммирования объемов веществ, извергнутых из недр Земли во время наиболее сильных вулканических извержений за 1800-1964 гг.). Чтобы учесть вулканизм вне островных дуг (т. е. главным образом в срединно-океанических хребтах), увеличим полученную цифру в 2-3 раза. Тогда интенсивность современного вулканизма будет оцениваться в 6-10 млрд. т вещества в год (указанный здесь нижний предел принимался в качестве допустимой оценки Н. М. Страховым [26]). Если вулканизм имел интенсивность такого же порядка и раньше (а по рис. 12 максимум интенсивности эволюционных процессов, выражаемой скоростью роста земного ядра, был достигнут 1.4 млрд. лет тому назад), то за 4.6 млрд. лет существования Земли он доставил на ее поверхность (2.8-4.6)·107 триллионов т вещества, т. е. как раз количество порядка массы земной коры.
Газы, выделяющиеся из современных вулканов, содержат преимущественно водяной пар (его, по-видимому, не менее 75%; так, в газах из базальтовых лав гавайских вулканов с температурами 1200° С обнаруживается 70-80 объемных % Н2O; в фумароль-ных газах Курильских островов с температурами около 100° С содержится 79.7 весовых % Н2O). Второй по значению составляющей является углекислый газ (в газах из гавайских базальтовых лав его 6-15 объемных %, в курильских фумарольных газах - 19.6 весовых %). В вулканических газах встречается немало хлора (в газах Килауэа - около 7%), бывает метан СН4 (иногда до 3%), аммиак NH3 и другие компоненты (в газах Килауэа содержится 4.3·104 SO2, 4·10-4 S, 2.5·10-4 Вr, 2·10-5 F, 1.2·10-5 Se, 4.5·10-6 J, 3.2·10-6 В). Проводившиеся измерения показали, что при температурах 800-1000° из лав отгоняются, кроме водяного пара, преимущественно «кислые дымы» - НСl и HF, при температуре 500° - сера и ее соединения, H2S, SO2 и другие, а при более низких температурах - борная кислота и соли аммония. Правда, ряд вулканических газов (NH3, CH4S, H2S, CO) быстро окисляется кислородом современной атмосферы.
Большой интерес представляют результаты химического анализа содержимого газовых пузырьков в древнейших (по-видимому, катархейских) кварцитах Курумканской свиты (мощностью более 1000 м) Алданского щита, приводимые Л. И. Салопом [18] и дающие сведения о составных частях катархейской атмосферы. В этих пузырьках отсутствует свободный кислород, около 60% составляет углекислый газ, около 35% - H2S, SO2, NH3 и «кислые дымы», НСl и HF, в небольших количествах присутствуют азот и инертные газы.
Таким образом, можно думать, что при дегазации лав на поверхность Земли поступали пары воды, соединения углерода - СO2, СО и СН4, аммиак, сера и ее соединения, H2S и SO2, галоидные кислоты, НСl, HF, HBr, HJ, борная кислота, водород, аргон и некоторые другие газы. Эта первичная атмосфера сначала, конечно, была чрезвычайно тонкой, и поэтому ее температура у поверхности Земли была очень близкой к температуре лучистого равновесия, получающейся в результате приравнивания потока поглощаемого поверхностью солнечного тепла потоку уходящего излучения поверхности Земли, пропорциональному четвертой степени температуры этой поверхности (по некоторым предположениям, температура могла быть выше, чем при лучистом равновесии, из-за парникового эффекта, создававшегося аммиаком). Эта температура (при современной отражательной способности Земли 0.28) в среднем равна +15° С. Следовательно, почти весь водяной пар вулканических газов должен был конденсироваться, превращаясь в жидкую воду и тем самым формируя гидросферу.
В первичный океан переходили, растворяясь в воде, также и другие составные части вулканических газов - большая доля углекислого газа, кислоты, сера и ее соединения и часть аммиака. В результате первичная атмосфера, содержавшая в равновесии с океаном главным образом водяной пар и небольшие количества СO2, СО, СН4, NH3, H2S, кислых дымов и инертных газов, оставалась тонкой. Следовательно, температурные условия не испытывали слишком больших изменений и оставались в среднем в пределах существования жидкой воды. Это и определило одну из специфических особенностей Земли, отличающую ее от других планет Солнечной системы,- постоянное наличие на ней гидросферы. В свою очередь оно наложило существенный отпечаток на дальнейшую эволюцию земной коры, поверхности Земли и атмосферы.
Прямым фактическим доказательством существования гидросферы на Земле во все геологические времена до архея и даже до катархея включительно является обнаружение в земной коре осадочных пород соответствующих возрастов. Наиболее древние осадочные породы недавно обнаружены английскими геологами С. Мурбатом, Р. К. О'Найоном и Р. Дж. Панкхерстом в юго-западной Гренландии. Это - бурый железняк, возраст которого оценен по свинцовому методу в 3.76 ± 0.07 млрд. лет (причем это, по-видимому, возраст метаморфизации этих пород, а время их образования может быть еще более ранним). Найденные рядом изверженные породы - гранитоидные гнейсы - имеют возраст 3.7 ± 0.14 млрд. лет (по рубидий-стронциевому методу).
Для оценки массы растущей гидросферы можно исходить из того, что в расплавленном базальте при температуре порядка 1000° С и давлении в 5-10 тыс. атм. может раствориться до 7-8% воды. По данным ряда вулканологов, при излиянии лав из них дегазируется примерно столько же процентов воды. По оценкам энергии вулканических взрывов Е. К. Мархинин [25] установил, что количество выделяющегося водяного пара составляет в среднем 3% массы изверженного вещества. Приведенные цифры приблизительно сходятся с долей массы современной гидросферы по отношению к массе земной коры - (1.46·106) : (4.7·107) ≈ 3.1%.
На рис. 17 мы приводили кривую О. Г. Сорохтина, иллюстрирующую изменения со временем концентрации воды в мантии Земли. Умножая изменения концентрации на массу мантии, равную 4.05·109 триллионов т, получаем количество освободившейся воды; оно изображается кривой 1 на рис. 18, заимствованном опять у О. Г. Сорохтина. Наибольшая часть этой воды пополняет гидросферу, часть же поглощается породами земной коры. Главный интерес здесь представляет поглощение воды с углекислотой мантийными оливинами (их серпентинизация) при образовании третьего слоя океанической коры, т. е. химическая реакция