ЭВОЛЮЦИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВО ВРЕМЕНИ. Часть I

Хотите сделать своему любимому человеку подарок, который останется с ним на всю жизнь, тогда без промедления вбивайте в поисковую строку Яндекса: “порода собак мастиф” и переходите на сайт n-l-d.ru, где Вы сможете получить наиболее полную информацию о собаках данной породы, проконсультироваться с ветеринаром и приобрести игрушки для щенка.


ЭВОЛЮЦИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВО ВРЕМЕНИ

 

За время своей жизни изначально гидридная Земля претерпела кардинальные и необратимые изменения. Объем гидридов сократился от преобладающего в новорожденной планете до объема внутреннего ядра на современном этапе. Резко увеличилась мощность металлосферы, и сейчас она составляет примерно 3/4 объема Земли. Сформировалась литосфера. Объем планеты увеличился почти в пять раз от изначального, а площадь ее поверхности приросла примерно в 3 раза. Разумеется, это отразилось на характере протекавших геологических процессов.

По данным абсолютной геохронологии, древнейшие породы имеют возраст порядка 3,8 миллиарда лет. Они обнажены на щитах докембрийских платформ, и в некоторых местах эти древнейшие породы сохранились с тех времен в неизмененном виде. По составу минералов и минеральных ассоциаций было установлено, что они образовались при давлениях порядка 8—10 килобар, в интервале температур от 650 до 800 0С, т.е. в условиях гранулитовой фации метаморфизма. Если полагать радиус Земли неизменным (и, соответственно, неизменной силу тяжести на поверхности), то получается, что эти древнейшие породы формировались на глубинах 30—35 км, где литостатическая нагрузка достигала необходимых (8—10 кбар) давлений. Спрашивается: куда подевалась толща архейских пород мощностью в 30—35 км со всех докембрийских платформ? Ни в архее, ни в протерозое нет структур, способных вместить такую массу осадков, т.е. возникает проблема захоронения громадного объема обломочного материала. В рамках традиционных представлений (о постоянстве объема Земли), это одна из неразрешимых загадок архея и давайте назовем ее «геобарическим парадоксом».

 

С другой стороны, если температура в 650 — 800 0С была на глубинах 30—35 км, то геотермический градиент для архея оказывается равным 22—23 0С/км. Однако данное значение градиента ниже современного для планеты. Это находится в вопиющем противоречии с характером распада радиоактивных элементов и масштабами генерации радиогенного тепла во времени. В архейскую эру радиогенного тепла выделялось в несколько раз больше, чем в кайнозое (за единицу времени, разумеется). Назовем эту несуразность «геотермическим парадоксом» архея.

 

Следует также отметить «безводный» режим метаморфизма, при котором сформировались гранулиты архея, преимущественно базитовый состав образований, отсутствие линейноориентированных поясов, повсеместность пластических деформаций, создающих хаос мелких структурных форм, при изучении которых создается устойчивое впечатление, что этот хаос явился следствием «мелкоячеистой конвекции».

 

Кроме того, гранулиты архея содержат очень мало калия. Это особенно бросается в глаза на фоне исключительно мощной нижнепротерозойской гранитизации, сопровождаемой практически повсеместным калиевым метасоматизмом, который проявился прежде всего в виде микроклинизации. Калиевый полевой шпат — микроклин — в обнажениях обычно имеет красный цвет, и это помогает ориентироваться при полевых наблюдениях на щитах. Когда в маршруте вы замечаете, что привычные серые оттенки пород вдруг сменились гораздо более богатой цветовой палитрой с преобладанием розового цвета (и если это не от граната), то почти наверняка, либо вы вышли из архея в протерозой, либо попали в зону, где архейские гранулиты претерпели калиевый метасоматизм протерозойского или более позднего возраста. Получается, что на протяжении почти двух миллиардов лет от рождения планеты вплоть до начала протерозоя что-то сдерживало вынос литофильного калия в верхние горизонты литосферы. Причина этого будет рассмотрена ниже в специальном разделе 11.2, а здесь мы обсудим остальные парадоксы и загадки, упомянутые в этой главе.

«Геобарический и геотермический парадоксы» автоматически исчезают при допущении расширения планеты. Согласно нашей оценке возможного расширения Земли (см. раздел 8.1), сила тяжести в архее была в 3—3,5 раза больше современной, и в этом случае давления порядка 10 кбар достигались на глубинах 8—10 км, что сразу снимает остроту с «проблемы захоронения». Кроме того, если температура в 650 — 800 0С достигалась уже на глубине 10 км, то получается, что архейский геотермический градиент был примерно в 2,5 раза выше современного, как и должно быть.

В разделе 4 мы уже говорили про образование литосферы на ранних этапах существования планеты в связи с выносом кислорода во внешнюю оболочку в процессе водородной продувки металлосферы. При этом литосфера нарастала только до определенной глубины. Это связано с трансформацией полупроводникового кремния в металлизированное состояние при давлении в 125 кбар. Растворимость водорода в решетке полупроводникового кремния очень мала, тогда как металлизированный кремний (по свойствам он подобен титану) способен растворять очень много водорода. Вместе с тем давно подмечено: чем выше растворимость водорода в решетке металла, тем эффективнее металл очищается от примеси кислорода. Таким образом, при давлениях, превышающих 125 кбар, кремний (в условиях продувки водородом) не может вступать в химическое взаимодействие с кислородом. Наоборот, происходит очищение металлизированного кремния от кислорода (при малой исходной концентрации кислорода, как в нашем случае). Но при меньших давлениях, когда кремний становится полупроводниковым и растворимость водорода в нем резко уменьшается, образование окисла идет весьма энергично с выделением большого количества энергии (тепла)*.

 

———————————————————————————————————

* Кроме того, образование окисла по менее плотной фазе оказывается гораздо более выигрышным с энергетической точки зрения. Это является дополнительным фактором, влияющим на преимущественное образование окиси кремния при давлениях меньших 125 кбар.

———————————————————————————————————

 

Тепло, выделявшееся при образовании силикатов (это сотни кДж на моль), обеспечивало постоянный подогрев силикатно-окисной оболочки, и она, на протяжении всего процесса своего формирования, вынуждена была пребывать в состоянии тепловой конвекции. Сила тяжести к концу архея была в 3 раза больше современной. Давление в 125 кбар (давление металлизации кремния) достигалось на глубине порядка 130 км, и таковой была мощность архейской литосферы. При тепловой конвекции горизонтальные плечи ячей, как правило, всегда меньше их вертикальной составляющей. Поэтому конвекция в архее могла быть только мелкоячеистой, и характерная размерность архейских структур должна быть в пределах десятков километров, не более.

 

Теперь относительно безводности архейских гранулитов. В сопоставлении с водородом все петрогенные элементы имеют гораздо большую энергию единичной связи с кислородом. Это значит, что вода в составе глубинного ювенильного флюида (преимущественно водородного) может появиться только после полного окисления петрогенных элементов в литосфере (полного окисления во всем объеме литосферы, поскольку она эффективно перемешивалась конвекцией). Таким образом, появление воды в составе глубинного флюида свидетельствует о завершении формирования литосферы. Под «завершением» в данном случае следует понимать, что к концу архея произошло полное окисление петрогенных элементов во внешней геосфере, мощностью порядка 130 км (при силе тяжести — 3 g). В дальнейшем, в связи с расширением планеты и уменьшением силы тяжести, граница фазового перехода кремния опускалась глубже, и, соответственно, мощность литосферы могла увеличиваться. Но это происходило уже не повсеместно, как в архее, а под поясами тектономагматической активности (в устьях тектоногенов).

 

Расчеты показывают: для полного окисления архейской литосферы в ней должно было собраться не менее 40% всего запаса кислорода планеты. С конца архея и до настоящего времени на доращивание литосферы было израсходовано еще примерно 27%, остальные 33% остаются в ядре планеты (напомню: исходная доля кислорода в теле планеты, в рамках нашей модели, составляет примерно 1/100 от ее массы). Эти цифры весьма приблизительны, однако они показывают, что к концу архея 40% массы изначально гидридной Земли были очищены от исходной примеси кислорода. Это было возможно только в том случае, если водород в очищаемом объеме присутствовал в виде протонного газа, растворенного в металле, что весьма способствует очищению кристаллических решеток металлов от кислорода. Таким образом, к началу протерозоя Земля израсходовала примерно 40% своих изначальных гидридных запасов. Ниже будет показано, что планеты земного типа живут и развиваются до тех пор, пока не исчерпают свои запасы гидридов, и с исчерпанием этих запасов они «умирают» (в геолого-тектоническом смысле). Соответственно, Земля к концу архея израсходовала 40% своих «жизненных сил», и в данной связи нас не должна удивлять длительность архейской эры, которая занимает не менее 1/3 истории планеты.

 

Полное окисление петрогенных элементов в объеме архейской литосферы — это очень важный момент в истории развития планеты. С этого времени выделение тепла от экзотермических реакций окисления резко сократилось. В результате резко уменьшился геотермический градиент, соответственно, в литосфере понизились температуры, прекратилась конвекция, и стали появляться ядра стабильности. Вместе с тем с появлением металлосферы и увеличением ее мощности водород при дегазации приобретал возможность разделяться на отдельные потоки, которые, однако, еще не были локализованы в узких зонах. По этой причине концентрация водорода в них была недостаточной для формирования полноценных зон заглатывания. Соответственно, не было и последующего горообразования, о чем свидетельствует отсутствие моласс в нижнем протерозое. Однако эти потоки обусловили стягивание тектономагматической активности в нижнепротерозойские «зеленокаменные» пояса, облекающие архейские ядра стабильности.

 

Появление воды в глубинном флюиде обусловило переход к амфиболитовой фации метаморфизма и вызвало исключительно мощную гранитизацию, в результате которой был сформирован гранитный слой земной коры. Специалисты по докембрию утверждают, что 80% гранитного слоя коры современных континентов было сформировано именно в нижнем протерозое. Гранитизация часто проявлялась в виде гранитогнейсовых куполов различных размеров, которые всплывали и сминали вмещающие породы в весьма прихотливые складки.

 

Формирование гранитного слоя сопровождалось накоплением в коре многих литофильных элементов. Соответственно под корой, в литосферной мантии выделился слой, обедненный этими элементами. С появлением полноценной континентальной коры и обедненного резервуара в мантии (синонимы — деплетированная мантия или рестит) открывается новая страница в характере магматизма планеты. Например, только в архее известны коматииты — это излияния базит-ультрабазитового состава, обогащенные многими литофильными элементами, но в том же архее нет базальтов, выплавляемых из деплетированной мантии. Базальты, обедненные литофильными элементами, проявляются в связи с образованием слоя рестита в мантии. Или еще пример, в архее нет аляскитовых гранитов, крупные плутоны этих пород появляются с рубежа ~ 1,7 млрд. лет как показатель существования зрелой континентальной коры. Примеры подобного рода можно перечислять долго.

 

Рубеж архея—протерозоя — это время кардинальных изменений условий на поверхности планеты. Согласно нашей концепции, в архее не было гидросферы и не могло быть, поскольку весь кислород, поступавший из недр в связи с водородной продувкой, расходовался на формирование силикатно-окисной литосферы*.

 

———————————————————————————————————

* Вместе с тем нельзя исключить, что в связи с выпадением кометного материала (строительного мусора, оставшегося после формирования внешних планет) вода попадала на Землю. Разумеется, при ударе она испарялась, но кто знает, возможно, в архее на поверхности вода могла конденсироваться и образовывать временные мелководные бассейны (лужи).

———————————————————————————————————

 

Однако с конца архея с появлением воды в составе глубинного флюида появляется и гидросфера, и для нижнего протерозоя осадконакопление в водной среде становится нормой.

 

Происходит также кардинальное изменение состава атмосферы: в архее это прежде всего — метан, аммиак, сероводород, угарный газ (CH4, NH3, H2S, CO); в протерозое — азот, кислород, водяной пар, углекислый газ (N2, O2, H2O, CO2).

 

В нижнем протерозое происходило постепенное увеличение концентрации кислорода в атмосфере, и в соответствии с этим увеличивалось его содержание в гидросфере в растворенном виде. Это приводило к переводу железа из закисного состояния (FeO) в окисное (Fe2O3). И поскольку окисное железо (в отличие от закисного) практически не растворяется в воде, то с увеличением парциального давления кислорода началась эпоха образования осадков, резко обогащенных железом, и в результате сформировались гигантские месторождения железистых кварцитов. Возраст этих месторождений лежит в интервале 2,8—2,2 миллиарда лет. Пик по запасам приходится на время 2,5—2,4 млрд. лет. По всей видимости, накопление железистых кварцитов не случайно совпадает во времени с эпохой формирования гранитного слоя коры. При гранитизации количество темноцветных минералов (содержащих железо) резко уменьшается по сравнению с тем, что было в кристаллических сланцах изначально (до гранитизации). Следовательно, формирование гранитного слоя коры сопровождалось выносом огромных количеств железа. И поскольку гра -нитный слой, в своем преобладающем объеме, сформировался в нижнем протерозое, то становится понятным, почему железистые кварциты не проявились столь же масштабно за пределами этого временного интервала.

С рубежа в 2 миллиарда лет в разрезах периодически стали появляться «красноцветы». Это свидетельствует о том, что парциальное давление кислорода в атмосфере временами достигало такого уровня, что вызывало полное окисление железа на поверхности планеты. Кислород на поверхность планеты доставляется в основном в виде воды и углекислоты в составе глубинных флюидов. Содержание CO2 во флюидах обычно варьирует в пределах 1—3%, концентрация в атмосфере в настоящее время составляет порядка 0,1% (вес.). Существует мнение, что кислород в атмосфере появился и поддерживается на определенном уровне в связи с жизнедеятельностью растений, которые усваивают углерод из углекислого газа (в результате фотосинтеза), а кислород выделяют в атмосферу. Вне всякого сомнения, этот процесс идет на планете. Однако эпохи угленакопления не совпадают во времени с эпохами образования красноцветов, и это заставляет предполагать существование других источников кислорода для пополнения атмосферы.


Найти на unnatural: ЭВОЛЮЦИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ВО ВРЕМЕНИ Часть
Автор: admin | 2 Февраль 2012 | 450 просмотров

Новые статьи:

Оставить комментарий:

Все размещенные на сайте материалы без указания первоисточника являются авторскими. Любая перепечатка информации с данного сайта должна сопровождаться ссылкой, ведущей на www.unnatural.ru.
Rambler's Top100