07.05.2018

Геохимические параметры прошлого карбонатов


Некоторые современные достижения космогонии и геотектоники показали, что многие классические положения геохимии древних карбонатов устарели, по меньшей мере частично. Очень важно знать соленость и щелочность древних морских вод, например, в докембрийское — кембрийское время. Простых расчетов, основанных на данных о современных скоростях изменения этих параметров и их экстраполяции на полмиллиарда лет и более назад, недостаточно, так как почти нет определенного представления о прежних размерах планеты, объеме океанических вод и составе атмосферы.

Однако для оценки древних ситуаций можно использовать ряд геохимических индикаторов. Отношение Ca/Mg в древних карбонатах постепенно возрастало до мелового периода (когда пышный расцвет пелагических фораминифер нарушил общую картину седиментационных условий). Изучение отношения весовых количеств Ca/Mg показывает, что оно изменялось во времени; так, в меловом периоде среднее отношение равнялось 56, в среднем палеозое — менее 10, в докембрии — всего 4 (фиг. 7). Отношение Ca/Sr, напротив, уменьшается во все более молодых породах (фиг. 8).
Что означают эти изменения? Возможно, что они свидетельствуют о том, что для более древних пород имеется большая вероятность подвергнуться доломитизации (отношение Ca/Mg в доломитах равно 1,65/1). Эти изменения могут свидетельствовать также о том, что во все более молодых породах организмы, выделяющие магнезиальный кальцит, принимали все меньшее участие. Например, в позднем докембрии и раннем палеозое единственными организмами, создававшими рифы и биостромы, были известковые водоросли, некоторые группы которых характеризуются очень низким первоначальным отношением Ca/Mg; более того, благодаря своей метастабильности высокомагнезиальный кальцит доломитизируется значительно легче, чем любой другой минерал.

В то же время низкое отношение Ca/Mg в докембрийских породах может отражать наличие более благоприятного климата для развития известковых водорослей. Наблюдалось, что современные организмы, выделяющие наибольшие количества Mg, живут в тропических районах. И все же опять-таки из-за локальной ограниченности образцов пород, использованных в работах Дели, Виноградова и др. и Чилингара (главным образом Северная Америка и Европа), изменение отношения Ca/Mg может отражать просто изменение положения экваториального пояса в результате миграции полюсов, расширения Земли или континентального дрейфа.

Н.М. Страхов предполагает еще одну возможную причину изменения этого отношения, а именно парциальное давление CO2 в атмосфере докембрия и палеозоя было несколько выше, чем в наши дни; следовательно, воды океана имели более низкий pH и были более благоприятными для образования первичноосажденного сингенетического доломита, которое почти не зависело от температуры. Химическому осаждению доломита способствуют высокое парциальное давление CO2 и низкий pH. Высокая щелочность могла создаваться путем повышения концентрации боратов и ионов SO4в2-. В пользу «гипотезы кислого океана» свидетельствует тот факт, что докембрийские глинистые отложения заметно обеднены CaO (они содержат только 17% от общего среднего содержания CaO, согласно Нанцу). Более того, эти глины значительно богаче Fe2O3 + FeO, FeO, Al2O3 и K2O, чем современные глины. Ранкама считает, что в осадках среднего докембрия отношение FeO/Fe2O3 было ниже, чем в современных отложениях.

Кроме того, нет вполне определенных доказательств, что в докембрии океаны были теплее (допущение такого рода часто принималось в прошлом на основании гипотезы «расплавленной Земли»). Действительно, полевые шпаты в аркозах и граувакках часто очень слабо корродированы, что наводит на мысль о невысоких температурах вод. Более того, имеются доказательства почти всемирного оледенения в позднем докембрии, которое не могло бы произойти только путем полярного оледенения в результате какого-либо простого континентального дрейфа или смещения полюсов. Более ранние докембрийские валунные отложения, которые, возможно, также имеют ледниковую природу, к сожалению, как правило, настолько сильно изменены, что остается неясным: действительно ли это ледниковые образования или просто орогенические образования (так называемые фации «галечниковых аргиллитов» или «тиллоидов»).
Интересные опыты Чилингара, результаты которых изображены на фиг. 9, показали, что если морскую воду сделать более щелочной путем добавления бикарбоната, то отношение Ca/Mg в карбонатном осадке достигнет цифры несколько более 10 при очень высоких температурах (свыше 60° С), которые вряд ли соответствуют температуре природных морских вод. В тоже время, если в раствор добавить Na+, осадки с низким отношением Ca/Mg можно получить при небольших температурах. Почему мы можем предполагать, что докембрийское море было обогащено Na+? В наши дни катионы натрия в воде уравновешиваются преимущественно анионами Cl-. Катионы Na+ обычно высвобождались в результате выветривания натриевых полевых шпатов (обычно из базальтов) на самых ранних этапах истории Земли, тогда как ионы Cl- поставлялись только путем медленной вековой эманации из вулканических кратеров или из других источников летучих компонентов мантии на протяжении всей геологической истории. Ионы Cl- не могут быть удалены из морской воды каким-либо другим путем, кроме а) гранитизации, в результате которой может быть удалена только незначительная часть морских вод (захваченная в виде иловых вод), б) циклического удаления соли в виде брызг воды при штормовых ветрах с накоплением во внутриконтинентальных почвах или с возвращением через реки обратно в море и в) отложения эвапоритовых осадков, также составляющих очень небольшую часть солевого резерва океанов. Таким образом, содержание NaCl в океане (в настоящее время оно составляет 19%) равномерно увеличивалось со временем, однако вследствие того, что в докембрии Na+ мог в значительной степени уравновешиваться ионами СО3в2-, первично хемогенные карбонатные осадки имели более низкое отношение Ca/Mg (фиг. 9).

Как было отмечено, отношение Ca/Sr постепенно увеличивается, если учитывать некоторые аномальные цифры. Эвапориты среднего палеозоя следует исключить при построении кривой изменения этого отношения в нормальных морских осадках. Виноградов и др. показали, что в докембрийских отложениях Русской платформы отношение Ca/Sr увеличивается до 6000. Как и в случае отношения Ca/Mg, это может быть обусловлено а) постепенным смещением климатических зон, б) вековыми (планетарными) климатическими изменениями, в) возможным постепенным изменением содержания солей в океане, г) постепенным выщелачиванием (или удалением) Sr с течением времени или д) несколькими из перечисленных причин. Если бы это изменение было обусловлено климатическими явлениями, его интерпретация была бы противоположной той, которую можно сделать, рассмотрев изменение отношения Ca/Mg; если последнее может означать то., что докембрийский океан был более теплым, то отношение Ca/Sr, напротив, свидетельствует о, возможно, более холодном море этого времени. Интересно отметить, что Боуэн приводит сходную кривую для отношения Ca/Sr, построенную на образцах только палеозойских кораллов Британии. Очевидно, здесь мы имеем область для дальнейших исследований.
Если мысленно представить себе возможность того, что позднекембрийский океан характеризовался относительно низкой соленостью и в то же время высокой щелочностью, а увеличению pH препятствовало высокое PСО2, то уместно рассмотреть растворимость карбонатов при этих условиях. Относительная низкая соленость обычно подразумевает слабую ионную силу и довольно низкую растворимость карбонатов. На фиг. 10 изображены соотношения между раствором бикарбоната и рСО2 на контакте с известняком. Так, в современной морской воде pH контролируется в основном рСО2 и температурой (игнорируя давление); на фиг. И мы можем видеть равновесное соотношение бикарбоната при низком pH (низкая температура и высокое PСО2). Наконец, мы можем сравнивать влияние более высоких и более низких температур на кальцитовую и арагонитовую фазу при различных pСО2 (фиг. 12).

Как отметил Уэйл, pH вод океана, будучи в широком смысле слова мерой щелочно-бикарбонатного равновесия, представляет собой нестабильную меру и поэтому лучше рассматривать щелочность и общий резерв CO2. Суммарный прирост CO2 за счет ювенильного источника составляет 2*10в12 г*молъ ежегодно, что в 15 раз меньше того количества, которое участвует в кругообороте в результате эрозии, речной транспортировки и седиментации, согласно современным подсчетам общего баланса CO2. Почти в таких же количествах (в г/экв) поступают и мигрируют щелочи. Если двигаться к прошлым периодам, то окажется, что вследствие изменений климатов, участков суши, соотношений площадей, занятых пустынями и лесами, следует ожидать различных скоростей изменения щелочности и кислотности вод. Однако количественные оценки этих параметров еще предстоит выявить.





Яндекс.Метрика