Основные закономерности геохимической истории земной коры

1. Введение

2. Необратимая эволюция земной коры

3. Периодичность развития земной коры

4. Катастрофические космические факторы в геологической истории

5. Земная кора и верхняя мантия как особая система. Геохимический цикл Заключение Литература

1.

Введение

Как самостоятельная отрасль науки геохимия оформилась в первом десятилетии 20-го века в России; её основателем был В. И. Вернадский. Однако сам термин «геохимия» предложен швейцарским химиком Ф. Шёнбеном в 1838 году для обозначения науки о химических процессах в земной коре. Но эти процессы изучает также минералогия, петрография и другие науки, в связи с чем ещё одна наука, объединяющая реально существующие отрасли знания, оказалась излишней. Предложенный Ф. Шёнбейном термин был использован В. И. Вернадским для обозначения созданной им науки — истории атомов Земли. В 70-х годах космонавтика доставила прямую информацию о породах Луны, атмосферах Венеры и Марса и т. д. Исследованием этих вопросов занялись геохимики, стали употребляться словосочетания «геохимия Луны», «геохимия Марса». Поэтому теперь можно дать следующее определение: геохимия изучает историю атомов Земли и других планет земной группы.

Самые отдалённые корни геохимии уходят к Теофрасту, Плинию и другим античным учёным. Однако это были лишь предположения, на смену которым в 17−19 веках пришли опытные данные о химических процессах в земной коре и их осмысливание с позиций, которые мы теперь именуем геохимическими.

В 17 столетии англичанин Р. Бойль изучал химию атмосферы и природных вод, а голландец Х. Гюгенс подошёл к пониманию жизни как космического явления. В 18 веке М. В. Ломоносов обосновал значение химии для геологии, дал объяснение процессам образования угля, нефти, торфа, рассмотрел ряд других геохимических проблем в своих знаменитых книгах «О слоях земных» и «О рождении металлов». Француз А. Лавуазье заложил фундамент геохимии газов и атмосферы, геохимии природных вод.

В первой половине 19 века большое значение имел грандиозный труд шведского химика И. Берцелиуса в области химического анализа горных пород, руд, минералов и вод. В этот же период немецкий натуралист А. Гумбольдт много внимания уделял влиянию жизни на окружающую среду, а его соотечественники — химики К. Шпренгель и Ю. Либих и французы Ж. Дюма и Ж. Буссенго установили геохимическую роль растений. Эти работы послужили основой будущей биогеохимии. В середине 19 века немецкие учёные К. Бишоф и И. Брейтгаупт опубликовали крупные общения по химии земной коры. Они вплотную подошли к геохимии, рассматривали химический состав земной коры, круговорот веществ в ней.

Конечному становлению геохимии способствовали открытия начала 20 века, оформившие представления об атоме, как о вполне реальной и сложной системе.

2. Необратимая эволюция земной коры.

В ходе геологической истории разрастались платформы и сокращались геосинклинали, увеличивалась мощность гранитного слоя, уменьшался общий объём и мощность вулканогенных формаций, возрастала относительная роль поднятий, континентального осадконакопления, наземного вулканизма, кислых интрузий и соответственно уменьшалось значение опусканий, морского осадкообразования, подводного вулканизма и основных интрузий (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема эволюции литологического состава и соотношений осадочных и вулканических пород областей осадконакопления материков (по А. Б. Роиову).

Наиболее резкие изменения происходили в биосфере. Так, в докембрии не было типичного углеобразования, только в кайнозое известны лигниты, в девоне появились лесные ландшафты, в неогене — степи, в четвертичном периоде — тундры. Изменялись и кларки осадочных пород, в которых росли содержание органического вещества, отношение Са/Мg, Fe3+ к Fe2+, S сульфатной к S пиритной. От AR до PR в глинах росли концентрации Fe, от AR до нижнего PR — K. В более позднее время вплоть до современной эпохи содержание К и Fe уменьшалось. В карбонатных породах уменьшалась роль доломита (за счёт кальцита).

По Д. В. Рундквисту эволюция земной коры направлена в сторону увеличения сложности, разнообразия. Он показал это на примере эндогенного рудообразования: в более ранние эпохи, например в докембрии, формировались преимущественно метаморфогенные и собственно магматические месторождения, в фанерозое весьма разнообразные мезо-, телеи эпитермальные месторождения с телескопированными рудами. При этом усложнялся минеральный состав руд, парагенезисы минералов, увеличивались кларки концентрации.

Ещё более характерен рост разнообразия для биосферы. Так в современную эпоху известны месторождения солей, известняков, железных руд и других осадочных полезных ископаемых, сформировавшиеся ранее 200 миллионов лет назад. Естественно, что в мезозое их не было, дифференциация биосферы была меньше. По Е. В. Посохову, в ходе геологической истории росло также разнообразие химических типов подземных вод.

В наибольшей степени рост разнообразия и сложности характерен для биологических систем: организмы становились сложнее. Число видов также увеличивалось. Если в силуре был только один род растений, то в конце девона уже 21, в карбоне 60, в конце юры — 100, палеогене — 308, неогене — 344 рода. Эволюционировали и биокосные системы: разнообразнее становились почвы, илы, ландшафты.

Развитие земной коры в сторону увеличения сложности и разнообразия, уменьшения энтропии не происходит самопроизвольно, для этого необходим непрерывный приток в земную кору энергии — солнечной, радиоактивной и др. Это и определяет неравновесность систем земной коры, увеличение их сложности и разнообразия, богатство свободной энергией. Главный механизм, с помощью которого солнечная энергия превращается в химическую, — биологический круговорот атомов.

Увеличение сложности и многообразия не носит монотонный характер: в отдельные эпохи происходили скачки в накоплении неорганической и биологической информации. Так, в эпоху складчатости, образования гидротермальных месторождений, дифференциации магмы быстро росло разнообразие тектоносферы. Ещё ярче «информационные взрывы» проявлялись в накоплении биологической информации. Особое внимание привлекают «критические эпохи», в которые вымирали большие систематические группы растений и животных, существовавшие в течении десятков миллионов лет, а также эпохи быстрого развития отдельных систематических групп.

3. Периодичность развития земной коры Повторение в геологической истории складчатости, горообразования, влажного и сухого климата придавало геохимическим процессам разных геохимических эпох общие черты. Однако эти процессы развивались на фоне общего необратимого прогрессивного развития земной коры и полной повторяемости не было. Поэтому символом периодичности служит не круг, а спираль или циклоида (линия, описываемая точкой, находящейся на ободе движущегося колеса). Такое развитие обычно называют циклическим, хотя вернее его называть циклоидальным (рис 3.1).

Рис 3.1. Последовательность образования месторождений различных типов и отдельных тектоно-магматических циклов в геологической истории Земли (по Д. В. Рундквисту)

1 — стратиформные осадочно-вулканогенные и магматические месторождения; 2 — стратиформные осадочные месторождения; 3 — метаморфизированные стратиформные осадочно-вулканогенные и осадочные месторождения; 4 — скарновые месторождения различных морфологических типов, образующиеся на контакте рудоносных осадочных и вулканических пород и гранитоидных интрузий; 5 — гидротермальные месторождения различных морфологических типов (жильные, штокверковые, трубообразные и др.) в связи с вулкано-плутоническими поясами; 6 — месторождения кор выветривания, россыпи; 7 — осадочные месторождения континентальных впадин.

земная кора мантия геологический Продолжительность тектоно-магматических циклов в общем отвечает галактическому году — времени обращения Солнца вокруг центра галактики, равному примерно 180 — 220 млн. лет. В ходе геологической истории длительность циклов уменьшалась с 240 до 150 млн. лет. С этими циклами коррелируется и периодичность в биосфере. Выделяют и более короткие тектонические циклы продолжительностью 88 млн. лет ± 22; 44 млн. лет ± 11; 22 млн. лет ± 5; 5,5 млн. лет ± 2 и т. д. Установлены и периодические изменения климата 400 000 ± 50 000; 200 000 ± 50 000; 45 000 ± 25 000; 11 000 ± 8000.

По Д. В. Рундквисту, в каждом относительно коротком цикле устанавливаются те же особенности эволюции, что и в более крупном цикле. Учёный доказал действие этого геогенетического закона на развитие формаций, магматизма, эндогенных месторождений. В пределах одного цикла, как и в истории земной коры в целом, наблюдается увеличение сложности и разнообразия. Так, общая тенденция развития магматизма заключается в эволюции от основных магм, которые господствовали в AR, к кислым и щелочным. Но и в развитии отдельных многофазных интрузий гранитоидов ранние фазы являются более основными, а поздние — более кислыми. Эта же закономерность характерна для отдельных вулканических циклов, например для палеозойского вулканизма Казахстана и Урала, мезои кайнозойского вулканизма Дальнего Востока и Карпат. Интересно, что и более молодые представители кимберлитов Сибирской платформы относительно обогащены литофилами. Они также содержат больше Fe, Ti и меньше Cr, Ni.

По А. Б. Ронову, каждый крупный цикл развития биосферы в фанерозое характеризовался в начальных и завершающих стадиях регрессиями морей, горообразованием, широким развитием аридных и семиаридных ландшафтов, сокращением биомассы, количества органического углерода в осадках, а также осадконакоплением в морях (нижний кембрий, силур — нижний девон, верхняя пермь — верхний триас, неоген — четвертичный). Широкое распространение сухого климата обусловливало большую роль нейтральных и щелочных процессов. Роль живого вещества уменьшалась.

Таким образом, эпохи горообразования, формирования карбонатной коры выветривания, вероятно, были эпохами возникновения новых видов, родов и семейств, «взрыва видообразования». Это были эпохи благоприятного минерального питания наземных организмов, высокого потребления ими Р, К, Са и других элементов, хорошего развития скелетов. Вместе с тем это были эпохи резкого недостатка влаги, что также влияло на эволюционный процесс.

Срединные стадии биосферных циклов были отмечены крупными трансгрессиями морей, пенепленизацией ландшафта, смягчением и увлажнением климата, ростом биомассы, накоплением органического углерода в осадках, энергичным вулканизмов и поступлением СО2 в атмосферу (ордовик, верхний девон — карбон, мел — палеоген), уменьшением зоны активного водообмена, усилением роли кислых глеевых процессов. Эволюция организмов в срединные стадии, вероятно, происходила качественно по другому, чем в эпохи горообразования.

По С. Г. Неручеву, в фанерозое периодически накапливались маломощные слои морских и озёрных осадков, обогащённые органическим веществом — продуктом разложения сине-зелёных водорослей. Эти слои очень бедны остатками фауны и обогащены U, P, V, Mo, Cu, Zn, Ni, Cr, Pb, Re, Ag, Au, Ir и Os. Высокая радиоактивность, обогащённость тяжёлыми металлами таких осадков определяла, по его мнению, их роль в эволюции, литогенезе. Высокая радиоактивность, обогащённость тяжёлыми металлами таких осадков определяла, по его мнению, их роль в эволюции, литогенезе. Поэтому в такие относительно краткие эпохи происходила перестройки фауны, появлялись как новые, так и различные «уродливые» формы. Источником указанных элементов являлись зоны спрейдинга (рифтогенеза), в которых «мантийные» элементы (в частности, Ir) поступали в биосферу. Однако в данных построениях имеется много неясного.

Проблема «вулканизм и жизнь» издавна привлекала внимание. По С. Аррениусу, прекращение вулканизма означало бы конец жизни на Земле, по Г. Шухерту, обилие жизни коррелируется с количеством СО2 в атмосфере. Д. Н. Соболев считал, что энергичное поступление СО2 в атмосферу в эпохи вулканизма вело к развитию растительности (усилению фотосинтеза) и накоплению углей.

Нами намеченная следующая связь между вулканизмом и гипергенной миграцией: поступление СО2 в атмосферу при извержении — усиление фотосинтеза и энергичное разложение органических остатков — формирование мощной коры выветривание и вынос из нее металлов — углеобразование в болотах — интенсивное оглеение в болотах и миграция Fe — осаждение сидеритов и белых каолиновых глин — накопление карбонатных осадков в морях. Согласно основному закону карбонатонакопления в фанерозое А. Б. Роинова, количество карбонатных осадков прямо пропорционально интенсивности вулканизма и площади внутриматериковых морей. М. И. Будыко, А. Б. Ронов и А. Л. Яншин рассмотрели историю углекислого газа и кислорода в атмосфере фанерозоя. Изучение литологических формаций мира показало связь между объёмом вулканитов и карбонатных осадков. От массы последних зависело количество СО2 в атмосфере. Используя различные данные, допущения и расчёты они построили кривую изменения содержания СО2 в фанерозое. Оно преимущественно колебалось от 0,1 до 0,4%, с чем связывают преобладание тёплых климатов («парниковый эффект»). В неогене произошло резкое уменьшение содержания СО2, началось похолодание.

По М. И. Будько, зная количество органического углерода в осадочных породах континентов, можно рассчитать и содержание О2 в былых атмосферах (рис. 3.2). Как видно из графика, отчётливо выражена периодичность в содержании СО2 и О2: в каледонском цикле максимальное содержание обоих газов было в ордовике, в герценском — в нижнем карбоне, в альпийском — в верхней юре и нижнем мелу; соответственно минимальные содержания падают на нижний кембрий, нижний девон и средний триас. С изменением химического состава атмосферы авторы учёные связывают эволюцию организмов.

Рис. 3.2. Изменение относительной массы углекислого газа mc и относительной массы кислорода mo в фанерозое (по М. И. Будыко, А. Б. Ронову и А. Л. Яншину).

Отмечая цикличность развития природных систем, А. В. Жирмунский и В. И. Кузьмин подчёркивают смену в пределах цикла двух различных фаз: длительной эволюционной фазы и относительно короткой фазы резкой перестройки («критический рубеж», «скачки»). Фаза перестройки сменяется новой эволюционной фазой. Существенно, что учёные установили количественные закономерности такой перестройки: соотношение количественных характеристик последовательных критических уровней развивающихся систем измеряется величиной ее. Хотя эти построения основаны преимущественно на биологических данных, они подтверждаются также геологическими и астрономическими фактами (фазы циклов трансгрессий и регрессий, стратиграфические рубежи фанерозоя, неогена, четвертичного периода и т. д.).

4. Катастрофические космические факторы в геологической истории В Италии, Дании, Испании, Новой Зеландии, Китае, Гаити, США, илах Атлантического и Тихого океана и других регионах Л. Альварес и другие обнаружили повышенные концентрации Ir в осадочных породах, относящихся к границе мезозоя и кайнозоя (65 млн. лет назад). С этой границей связана исключительно резкая перестройка фауны, гибель около 75% видов животных, в том числе динозавров. Причина «великого мелового вымирания» давно уже привлекает внимание, высказывались самые различные гипотезы, но ни одна из них не была доказана.

Кларк Ir в литосфере континентов равен 2*10−8, но в пограничном слое его выше в десятки и сотни раз. Обогащены Ir и каменные метеориты (4,8*10−5%). Это и послужило основанием для гипотезы о столкновении Земли с астероидом диаметром 10 км на границе мела и палеогена. Полагают, что подобная космическая катастрофа могла привести к сильному запылению атмосферы, резкому кратковременному похолоданию и вымиранию фауны. Было также отмечено, что с иридиевой аномалией в осадках в общем совпадает и мировой рифтовой системы.

По В. Л. Масайтису, бомбардировка земной поверхности метеоритами имела место на протяжении всей геологической истории, её следами служат астроблемы — кольцевые структуры типа кратеров, которые установлены в разных регионах Земли (Аризонский кратер, кратер в Мексиканском заливе, кратеры на о. Саарема в Эстонии, Попигайская структура в Восточной Сибири и др.). Образовавшиеся в астроблемах при ударе породы — импактиты нередко также обогащены Ir. По Б. С. Зайлику, большое число астроблем восникло в Казахстане в конце палеозоя. С ними он связывает магматизм (плавление пород от удара). Д. Норман, Н. Прайс, и другие зарубежные ученые полагают, что удары метеоритов, которые достигали размеров астероидов, приводили к формированию крупных кольцевых структур с радиусом, превышающим 1000 км. С ними также связывают рудообразование. Ударные кольцевые структуры хорошо выявляются космическими съемками.

5. Земная кора и верхняя мантия как особая система. Геохимический цикл Связь между глубокими частями земной коры и биосферой ранее считалась прямой: полагали, что магматизм и вулканические эксгаляции, складчатось, горообразование и другие эндогенные процессы влияют на выветривание, осадкообразование, деятельность подземных вод и другие экзогенные процессы. Обратное влияние экзогенных процессов на эндогенные не рассматривалось. Однако за последние десятилетия установлено, что связи между этими процессами не прямые, а обратные: биосфера влияет на состав гидротермальных растворов, магматизм и т. д.

Следовательно, земную кору и верхнюю мантию следует рассматривать как большую и сложную динамическую систему, развивающуюся на основе механизма положительной и отрицательной обратной связи.

Примером этому может служить связь вулканизма с биосферой: вулканизм поставляет СО2 в атмосферу и гидросферу, а фотосинтез и карбонатообразование изымает СО2, связывают С в карбонатах и органических соединениях. В результате содержание СО2 в атмосфере и гидросфере уменьшается, система саморегулируется и стабилизируется.

Единство земной коры находит выражение и в общих законах развития её отдельных частей и коры в целом: необратимости эволюции, периодичности развития (циклоидальности), негэнтропийности, геогенетическом законе.

Несколько важнейших геохимических факторов и процессов определяют своеобразие большинства систем земной коры. Это в первую очередь окислительно-восстановительные процессы, результаты которых особенно наглядно проявляются в биосфере, где фотосинтез, разложение органических веществ и многие другие процессы суть явления окислительно-восстановительные. Значение данных процессов также велико в магме и гидротермальных растворах. Именно поэтому важнейшей геохимической характеристикой большинства систем и земной коры в целом служат окислительно-восстановительная зональность, отвечающие ей геохимические барьеры — окислительные и восстановительные, типы концентрации элементов. При дальнейшей дифференциации геохимических условий во многих системах ведущее значение приобретает щёлочность и кислотность среды. Для большинства систем характерны щёлочно-кислотная зональность, кислые, щёлочные барьеры, типы концентрации.

Большую роль в земной коре играют круговорот воды и биологический круговорот атомов.

Следовательно, для земной коры характерна не только дифференциация, но и интеграция — общие черты, позволяющие рассматривать её с единых позиций как целостную систему. Проявление таких «интегральных тенденций» получило яркое выражение в концепции «Геохимического цикла», рассматривающей тектонические процессы, магматизм, осадкообразование и эволюцию жизни как звенья единого процесса развития. Геохимический цикл, как и другие круговороты, следует понимать как форму поступательного развития — циклоиду или спираль (рис. 5.1).

Рис 5.1. Геохимический цикл.

1 — поглощение вещества и энергии из космоса и мантии; 2 — поступление вещества и энергии в космос и мантию; 3 — выделение энергии в ходе большого круговорота; 4 — рост информации (разнообразия); 5 — уменьшение информации (разнообразия); 6 — начало нового цикла круговорота.

Если верны положения тектоники плит о субдукции, то в геохимическом цикле участвует не только земная кора, но и мантия, засасывающая в зонах Заварицкого-Беньофа осадочные породы. Химические элементы которых при магматизме и горообразовании снова поступают в земную кору и биосферу. С и Н из СО2 и Н2О в биосфере входят в состав органического вещества и являются геохимическими аккумуляторами солнечной энергии. Они «зарядились» ею в ландшафтах и верхних горизонтах моря. При участии микроорганизмов эти элементы окисляются до СО2 и Н2О и других соединений. Так геохимические аккумуляторы «разряжаются» и отдают заключённую в них энергию. Часть её расходуется в виде тепла, а часть расходуется на рудообразование и другие геохимические процессы.

Если гипотеза о геохимических аккумуляторах верна, то понятие о геохимическом цикле вещества дополняется понятием о переносе энергии, который также связывает процессы земной поверхности и магматизма. В. А. Ильин и А. В. Щербаков подчёркивают большое значение поглощения солнечной энергии на земной поверхности при дезинтеграции пород и её выделении при метаморфизме.

В геохимическом цикле закономерно меняется и количество информации. При переплавлении осадочных пород разнообразие уменьшается, так как возникает более или менее гомогенный состав — магма, увеличивается тепловое хаотическое движение атомов и молекул — возрастает энтропия.

При застывании магматического очага и кристаллизации изверженных пород (например, диориты > гранодиориты > граниты) разнообразие увеличивается, информация растёт.

В земной коре и верхней мантии, следовательно, развиты две категории процессов: идущих с накоплением энергии, увеличением разнообразия, дифференциации, сложности, уменьшением энтропии и ростом информации и идущих с выделением энергии, увеличением энтропии, уменьшением разнообразия, сложности и информации. Обе категории процессов характерны как для биосферы, так и для земных глубин, но первые явно преобладают в биосфере, а вторые — в очагах регионального метаморфизма и магматизма.

В земных глубинах большое значение приобретают радиоактивный распад и другие эндогенные источники энергии. Следовательно, для земной коры и верхней мантии характерно взаимодействие солнечной и глубинной энергии. Материя и энергия биосферы тем или иным путём взаимодействуют с внутренней энергией Земли, веществом глубинного происхождения. Поэтому геохимический цикл не замкнут и в нижней части (так как продукты биосферы испытывают влияние эндогенных факторов).

Итак, полагается, что между тектоно-магматическими процессами, процессами биосферы в том числе и осадкообразованием существует обратная связь, что в совокупности эти процессы образуют геохимический цикл. Логично предположить, что осадочные породы образовавшиеся в докембрии и начале палеозоя, были метаморфизированны и гранитизированны в ходе каледонского магматизма и орогенеза, осадки, накопившиеся в девоне и нижнем карбоне, — в процессе герценского магматизма и орогенеза и т. д. Отсюда следует, что особенности осадкообразования в протерозое могли найти отражение в байкальской металлогении, особенности докембрийского и нижнепалеозойского осадкообразования — в каледонской, палеозойского — в герценской и т. д. Иначе говоря, причину своеобразия металлогении отдельных эпох следует искать также и в своеобразии предшествующего осадкообразования.

Так как в ходе геологического времени росла дифференциация осадочных пород и биосферы в целом, то естественно, что в каждом последующем тектоно-магматическом цикле перерабатывались всё более и более дифференцированные осадки, более богатые геохимическими аккумуляторами. А это должно было усиливать энергию тектонических процессов, рудообразования, увеличивать высоту воздымавшихся горных хребтов. Следовательно, первопричина увеличения сложности и разнообразия эндогенных систем, возможно, состоит в развитии биосферы, увеличении её сложности и разнообразия, прогрессивном накоплении в ней солнечной энергии. Объяснить прогрессивное развитие эндогенных систем за счёт глубинных источников энергии трудно, так как количество радиогенного тепла со временем не увеличивалось, а уменьшалось.

А это значит, что своеобразие металлогении отдельных зон земной коры, общую прогрессивную эволюцию эндогенной металлогении необходимо увязать с прогрессивной эволюцией осадкообразования, ростом разнообразия биосферы, накоплением в ней солнечной энергии (глины, угли и т. д.).

Заключение

Признание земной коры и верхней мантии динамической системой, развивающейся на основе механизма обратной связи, ставит вопрос о центре (или центрах) этой большой системой. Несомненно, одним из центров является биосфера, которая уже несколько миллиардов лет поглощает солнечную энергию и в процессе биологического и других круговоротов превращает её в энергию геохимических процессов. Другим возможным центром, управляющим механизмом земной коры, является верхняя мантия или нижние горизонты земной коры с очагами корового магматизма. Очевидно, что установление центров — частей земной коры, управляющих её механизмом, в частности выявление относительной роли поверхностного (биосферного) и глубинного (мантийного и др.) центров, составляет важную задачу наук о Земле, в том числе и геохимии.

Сказанное позволяет говорить о следующем законе прогрессивного развития верхней оболочки нашей планеты: земная кора и верхняя мантия представляют собой сложную динамическую систему с обратными связями; непрерывное поступление в неё солнечной энергии, а также глубинной энергии определяет направленное развитие тектоносферы и биосферы, в ходе которого увеличиваются их сложность и разнообразие, неравновесность, накапливается свободная энергия, уменьшается энтропия. Прогрессивное развитие осуществляется через систему последовательных геохимических циклов, включающих в себя тектономагматические и биосферные циклы.

1. Перельман А. И. «Геохимия», М., Высшая школа, 1989.

2. Белов Н. В., Лебедев В. И. «Источники энергии геохимических процессов», Природа, № 5, 1957.

3. Войткевич Г. В., Бессонов О. А. «Химическая эволюция Земли», М., 1986.

4. Вернадский В. И. «Проблемы биогеохимии», М., 1980.

5. Войткевич Г. В., Закруткин В. В. «Основы геохимии», М., 1976.