22.03.2021

Геохимическая обстановка на первозданной Земле по изотопным данным


Наиболее важное достижение абсолютной геохронологии, изотопной геологии и молекулярной палеонтологии раннего докембрия, имеющее фундаментальное значение для познания геохимической эволюции Земли, — доказательство чрезвычайно раннего возникновения на поверхности первозданной Земли экзогенных процессов водно-углеродного типа, которые геологически быстро, всего за 250 млн. лет, т. е. за период, равный половине фанерозойского времени, привели к образованию стратисферы и биосферы.

Древнейшие осадочные породы формации Ишуа (Гренландия) образовались в условиях уже установившегося биогеохимического цикла углерода, а их возраст (3,8 млрд. лет) максимально близок к возрасту Земли (4,5 млрд. лет).

Новейшие данные палеобиологии и палеобиохимии свидетельствуют о том, что простейшие эобионтные системы должны были появиться уже 4,25 млрд. лет назад, чтобы последующая биологическая эволюция могла уложиться во временные рамки земной истории.

В связи с этим одной из кардинальных проблем современного естествознания стала проблема геохимической обстановки на первозданной Земле. Эта обстановка должна была обусловить как быстрое образование стратисферы (а затем и сиалической земной коры), так и практически одновременное формирование геологической среды возникновения жизни (а затем и биосферы).

В настоящей работе сделана попытка суммировать данные, которые получены в разных областях естествознания — изотопной геологии, палеобиологии, планетной космогонии, изотопной и органической космохимии — и позволяют судить о геохимической обстановке на первозданной Земле. От того, насколько правильны будут наши представления об этой обстановке, зависит успешное решение многих проблем, тесно связанных с ранними стадиями геологического и биологического развития Земли.

В основу наиболее реальной модели геохимической обстановки на первозданной Земле должен быть положен бесспорный факт существования на нашей планете жизни и биосферы уже 4,25 млрд. лет назад. Общую геохимическую обстановку на такой Земле определяли первичная гидросфера, первозданное органическое вещество, солнечная радиация, а также химические свойства некоторых геохимически важных природных веществ.

Из всех существующих сейчас теоретических представлений о происхождении Солнечной системы в целом и нашей планеты, в частности, концепция, развиваемая известными шведскими астрофизиками X. Альвеном и Г. Аррениусом, наиболее полно соответствует основным требованиям геохимической обстановки, в которой должна была возникнуть жизнь и биосфера. Согласно этой концепции, при аккреции Земли из мелких планетоземалей вначале возникло внутреннее железо-никелевое ядро, а затем внешнее расплавленное силикатное ядро и, наконец, достаточно холодная мантия Земли. При этом гидросфера возникла и, главное, могла устойчиво существовать в жидком состоянии уже с того времени, когда Земля имела примерно 70% современной массы. Образование гидросферы и атмосферы происходило в результате ударного испарения летучих веществ (вода, метан, аммиак и др.) при медленной аккреции мантии Земли что, собственно, и обусловило достаточно низкую температуру мантии и позволило существовать огромным массам воды на земной поверхности.

Первичная гидросфера сыграла исключительно важную роль в раннем возникновении стратисферы и биосферы, во-первых, благодаря тому, что надежно предохраняла земные недра от нагрева, быстро переизлучая кинетическую энергию аккретирующего вещества в межпланетное пространство и термостатируя тем самым условия на земной поверхности, во-вторых, благодаря своим гидролитическим свойствам и, в-третьих, благодаря способности воды легко подвергаться фотолизу, о чем будет сказано особо.

Еще в 1965 г. К- П. Флоренский обосновал механизм образования первичного океана в результате ударного испарения воды в процессе аккреции Земли. В последнее время это представление получило дальнейшее развитие.

Другим необходимым фактором, определявшим экзогенные процессы водно-углеродного типа на ранней Земле, было первозданное органическое вещество (OB).

Важное достижение органической космохимии — установление абиогенного синтеза сложных высокомолекулярных органических соединений и их азот-, сера-, хлор-, бор-и других производных еще на стадии протопланетного газо-пылевого облака.

Есть основания считать, что первозданное OB полимерной (ароматической) природы, достаточно термически- и радиационно-устойчивое, было основной химической формой углерода в зоне планет земной группы. В процессе гравитационно-химической дифференциации, сопровождавшей аккрецию Земли, оно изначально было сконцентрировано в ее внешней зоне, образовав первичную карбосферу. В завершающий этап аккреции Земли и при последующем гравитационном уплотнении происходила крупномасштабная термическая и гидролитическая фрагментация первозданного OB, что обусловило образование ранней метаново-аммиачной атмосферы Земли.

Принимая во внимание, что первозданная Земля содержала углерод исключительно в гидридной форме, т. е. в форме OB, а уже 3,8 млрд. лет назад углекислота представляла собой второй после кремнекислоты анионный компонент сиалической земной коры и, более того, в это время уже установилось стационарное равновесие между карбонатной и органической формами углерода земной коры, следует считать ключевым вопросом геохимической обстановки на ранней Земле вопрос об условиях столь раннего появления большого количества углекислоты на земной поверхности. Этот вопрос находит естественное решение, если учесть огромное влияние солнечной радиации на все без исключения геохимические процессы, протекавшие на первозданной Земле.

Глубокие фотохимические преобразования земного вещества в поверхностной зоне, обусловленные действием солнечной радиации и в первую очередь высокоэнергетического ультрафиолетового излучения, представляли собой важнейшую особенность геохимической обстановки на первозданной Земле.

Именно благодаря солнечной радиации с окончанием аккреции Земли завершилась космическая гидридная стадия эволюции протоземного вещества и началась планетная оксидная стадия эволюции вещества поверхностной зоны. Иными словами, все фотохимические изменения происходили в направлении кислородного доминирования, т. е. образования оксисферы Земли. В этот период оксисфера еще не была определенной геосферой со значительным содержанием свободного кислорода, а представляла собой лишь поверхностную зону планеты, где широкое распространение имели окислительные процессы с участием фотолитического кислорода и где вследствие этого неуклонно возрастал общий окислительный потенциал.

Подобная направленность обусловлена тем, что основной фотохимической реакцией был фотолиз воды, сопровождавшийся диссипацией водорода, тогда как кислород реализовывал свои высокие окислительные способности в поверхностной зоне Земли. Особо следует подчеркнуть, что фотолиз воды имел грандиозные геохимические и биохимические последствия. Эта простейшая фотохимическая реакция по существу и определила весь химизм на первозданной Земле, а затем легла в основу всей энергетики биосферы, так как фотосинтезирующая деятельность живых организмов основана на фотолизе воды, который сопровождается усвоением водорода и связыванием, а затем и выделением молекулярного кислорода.

Какие же геохимические последствия вызвали указанные фотолитические процессы?

В первую очередь, они вызвали быстрое изменение химического состава ранней атмосферы. Первичная система метан—аммиак—вода благодаря фотолизу воды претерпевала трансформацию во вторичную радиационно-устойчивую систему углекислота—азот—вода. Скорость этой трансформации всецело определялась скоростью диссипации водорода. Как показали аэрономические расчеты, выполненные М. Шимицу, температура экзосферного слоя ранней атмосферы достигала 1300 К, что должно было благоприятствовать сравнительно быстрой диссипации водорода — основного продукта фотолиза воды, метана и аммиака.

Значительные масштабы фотолитических процессов в земной атмосфере в этот период находят соответствующее отражение в существенном утяжелении изотопного состава водорода гидросферы, вследствие того что Земля потеряла значительное количество фотолитического водорода, при этом в большей мере диссипировал протий, а не дейтерий.

Фотохимическое окисление метаново-аммиачной атмосферы было довольно продолжительным процессом, так что ранняя атмосфера длительное время, возможно около 100 млн. лет, могла иметь переменный состав (CH4—NH3—CO2—N2). Весьма вероятно, что именно в такой сложной по составу, химически лабильной атмосфере возникла на Земле жизнь, т. е. уже в первые 100—200 млн. лет земной истории происходила интенсивная эволюция предбиологических структур в физико-химических условиях земной поверхности, близких к современным. Это заключение обусловлено тем, что в этот период биологической эволюции уже должен был действовать дарвиновский естественный отбор, обеспечивший существование живых организмов, максимально приспособленных к современным условиям земной поверхности.

Поскольку процесс фрагментации первозданного OB и процесс фотохимического окисления метана были довольно продолжительными, то фотолитическая углекислота, которая вместе с водой участвовала в химическом разложении первичных силикатов, успевала подвергаться минерализации и не создавала значительных концентраций в ранней атмосфере. Более того, буферное действие океана должно было поддерживать невысокий уровень содержания CO2 в ранней атмосфере.

Преобразование метановой атмосферы в существенно углекислую имело чрезвычайно важные литологические последствия, так как вызвало появление первого и самого мощного геохимического фактора — химически сопряженной системы углекислота— вода. Воздействие этой системы на первичные силикаты обусловило глобальное выветривание и образование первых в истории Земли осадочных пород: карбонатов, глин и кремнистых пород.

Первозданное OB было также носителем целого ряда летучих элементов, таких, как Cl, F, В, S и другие, которые должны были сравнительно легко освобождаться при процессах деструкции и фотохимического окисления сложных органических соединений и служили дополнительными и притом активными агентами химического выветривания.

Интенсивное химическое воздействие гидросферы и атмосферы, содержавших значительные концентрации фотолитической углекислоты, на первичные силикаты и было началом формирования стратисферы и солевого состава первичной гидросферы, которое можно датировать возрастом 4,4 млрд. лет, поскольку, согласно концепции X. Альвена и Г. Аррениуса, около 30% всего аккреционного материала, составившего верхнюю мантию Земли, должно было пройти через своеобразный седиментационный процесс, испытав при этом определенные гидрохимические изменения, так как аккретирующее вещество попадало в водную оболочку растущей Земли.

Первые карбонаты, глины и кремнистые породы, вероятно, не сохранились, но их значение для формирования сиалической коры и солевого состава гидросферы трудно переоценить.

Раннее химическое выветривание, сопровождавшееся также фотохимическим окислением первичных силикатов, сравнительно быстро обеспечило устойчивое нахождение в гидросфере в растворенном состоянии окисленных форм многих редких элементов переменной валентности, таких, как Р, V, Mo, Nb и др. Без них, как известно, было бы невозможно возникновение живых клеточных структур. Кроме того, сами глинистые минералы имеют решающее значение в процессах природного синтеза биомолекул на предбиологической стадии.

Важно подчеркнуть, что физико-химическая основа и непременное условие возникновения жизни и развития биосферы — стационарность всех геологических и геохимических процессов на ранней Земле, иными словами, исключены экстремальные изменения физико-химических параметров геохимической обстановки в это время.

Таким образом, OB первичной карбосферы сыграло исключительно важную роль в ранней геохимической эволюции Земли. Во-первых, оно было химической основой возникновения жизни, обеспечивавшее значительный выигрыш во времени, столь необходимый для молекулярной эволюции сложных органических соединений, во-вторых, обусловило раннее появление на земной поверхности фотолитической углекислоты, которая при наличии гидросферы вызвала интенсивное химическое выветривание первичных силикатов и геологически быстрое формирование стратисферы, в результате чего возникли наиболее благоприятные условия для быстрой эволюции предбиологических систем.

Раннее возникновение жизни сопровождалось геологически мгновенным завоеванием ею всей земной поверхности, т. е. образованием биосферы. Именно с этих позиций становятся понятны слова В.И. Вернадского о том, что «жизнь геологически вечна на нашей планете».

Из всего сказанного следует, что так называемого лунного этапа и догеологической истории Земли не было, так как наша планета имела сугубо земной тип развития, предопределенный рядом космогонических и космохимических причин.

В частности, тот факт, что геологические и биологические процессы на первозданной Земле имеют сугубо земной характер (т. е. являются процессами водно-углеродного типа), обусловлен тем, что исходное космохимическое отношение гидридных форм углерода и кислорода (Сорг/Н2О) для протоземного вещества было равно примерно 0,2. Иначе говоря, воды было в 5 раз больше, чем космогенного органического углерода. Для сравнения отметим, что отношение Сорг/Н2О для Венеры было, вероятнее всего, больше 1.

Именно поэтому Земля — единственная планета Солнечной системы, имеющая гидросферу, карбосферу и, как следствие этого, биосферу.

Таким образом, внешние силы геохимических процессов на первозданной Земле -солнечная радиация и внутренние силы — химические свойства, присущие земному веществу, — это уникальные физико-химические свойства воды и углерода. Они по существу определили как возникновение водно-углекислого типа выветривания первичных силикатов, обусловившего многие черты земного осадочного процесса и приведшего к формированию стратисферы, так и возникновение водно-углеродного типа жизни и быстрое развитие биосферы.

Есть все основания считать, что только описанная выше геохимическая обстановка на первозданной Земле, обусловленная рядом факторов космогонического и космохимического характера, была единственно возможным и вполне естественным началом как геологической, так и биологической истории Земли.





Яндекс.Метрика