22.03.2021

Источники вещества и условия осадконакопления


Источники вещества. В породах областей размыва присутствовало, по-видимому, значительное количество кварца, что явствует из расчетов исходного минерального состава граувакк и прямых наблюдений. На это указывает также присутствие фрагментов кислых лав (риолиты с вкрапленниками кварца) в областях серии Исуа. В целом области размыва состояли из пород состава гранодиорита, что хорошо увязывается с реконструкцией исходного состава плагиогнейсов эндербитоидов как дацитовых толщ на Анабарском щите. Можно предполагать, что это первый в истории осадконакопления на Земле свободный кремнезем в обломках. Возможная роль хемогенного кремнезема, по-видимому, была незначительной, так как кремнисто-железистые отложения распространены в обоих регионах совершенно недостаточно для образования соответствующих объемов обломочного кварца.

Присутствие высокоглиноземистых окисленных пелитов в качестве широко распространенных осадков указывает, вероятно, на размыв кор глубокого химического выветривания. Эти коры широко развивались на упомянутых выше алюмосиликатных породах типа дацитов или гранодиоритов, однако в этом случае высвобождался бы главным образом кварц, о котором упомянуто выше. Характерно, что высокоглиноземистые (первично-каолинитовые, гиббситовые) накопления отсутствуют в объемах, соответствующих железистому материалу. Следовательно, эти коры выветривания имели не каолинитовый, а иной, вероятно, нонтронитовый профиль и формировались преимущественно на ультрамафитах и мафитах. Присутствие этих пород отмечается в виде многочисленных прослоев среди плагиогнейсов. Поскольку на ультрамафитах развивается нонтронитовый (бескаолинитовый) существенно-железистый профиль коры выветривания, то можно предполагать ее существование на значительных площадях. Возможно, что часть железа поступала в осадок не только в виде окисной взвеси слоистых силикатов, но и в форме растворенного двухвалентного железа. Вулканический источник вещества вероятен для ассоциирующихся с вулканитами основного состава железистокремнистых отложений.

Океан. Реконструируя по указанным выше осадкам условия осадконакопления, необходимо учитывать, что флюидная оболочка Земли находится в динамическом равновесии с обнаруженными горными породами и что это равновесие устанавливается геологически мгновенно. В морской воде pH и концентрации катионов определяются концентрацией хлоридов и равновесием в реакциях между морской водой и рядом распространенных карбонатных и силикатных минералов. Это исключает широкие колебания состава морской воды в геологической истории. Судя по изложенным данным, седиментация осуществлялась в водной среде. Ранее было показано, что существование в осадках триады песчаник—глина—карбонат прямо указывает на водную, фанеротипную среду осадконакопления. Действительно, слоистые силикаты с группой OH-в кристаллической решетке возникают в равновесии с H2O. Переслаивание их с карбонатами свидетельствует о существовании растворенной углекислоты, которая находится в равновесии с CO2 в атмосфере. Если правильно высказанное выше предположение

о присутствии сульфатов в некоторых осадках рассматриваемых комплексов, а об этом свидетельствует вся совокупность имеющихся данных, то следует признать, что среди анионов океана существенную роль играл сульфат-ион. Важное доказательство этого — обнаружение тяжелого изотопа серы 34S и диагенетической сульфат-редукции в терригенно-карбонатных отложениях близкого возрастного интервала (3,4 млрд. лет): серия Свазиленд Южной Африки, Алданский комплекс Сибири.

Учитывая, что при выпаривании морской воды первыми выпадают сульфаты и что набор осадков весьма сходен с фанерозойским, мы вправе предполагать и сходный анионный состав океанической воды.

Атмосфера. Опираясь на ассоциацию осадков, можно перейти к анализу состава атмосферы. Присутствие карбонатов указывает на существование динамического равновесия по CO2 в системе атмосфера—океан—горные породы. Для фанерозоя характерное время пребывания в океане элементов, определяемое по современному речному стоку (например Ca = 1*10в6 лет) составляет для большинства элементов в среднем 1*10в7 лет. Такое или меньшее время, следовательно, необходимо для стабилизации состава океана при изменениях в количествах поступающих Ca2+, Mg2+, CO2-. Постоянство состава морских эвапоритов указывает на стабильный состав морской воды по крайней мере с позднего докембрия.

Необходимое поступление CO2 всегда осуществлялось из ювенильного источника за счет дегазации исходного вещества планеты и рециклического источника за счет декарбонатизации при метаморфизме осадочных пород, определяемом геотермическим градиентом. В эпохи термальной активности выделение рециклической углекислоты было весьма велико. Однако известны карбонатные отложения более древние, чем рассмотренные выше, поэтому ювенильный источник играл, очевидно, решающую роль. Действительно, если учесть уменьшение генерации радиогенного тепла в 3 раза за геологическую историю, то следует ожидать снижение поступления CO2 и, как следствие, отставание от поступления катионов — сдвиг осадочных карбонатов в сторону известняка в осадках позднего фанерозоя. Если допустить, что углекислота отсутствовала, то Са2+ и Mg24 выносились бы в осадок в виде глинистых минералов, цеолитов, возможно брусита Mg(OH)2 и портландита Ca(OH)2. При увеличении поступления CO2 появится кальцит, когда PСО2 превысит значения карбонат-силикатного равновесия:

Если скорость поступления CO2 превысит скорость привноса в бассейн Ca2+ за счет выветривания, то начнет осаждаться в виде доломита карбонат Mg2+, а при еще большем выделении CO2 в атмосферу начнется осаждение магнезита и далее карбонатов Na+ и K+, что пока геологически документировано лишь в неморских эвапоритовых бассейнах.

Сейчас за счет выветривания карбонатов поступает 80% Ca2+ и 50% Mg2+. Это не влияет на систему по CO2, так как одновременно освобождается соответствующее количество углекислоты. Ho поддержание постоянного или стабильного отношения доломиты/известняки в осадках требует определенной скорости поступления CO2 в атмосферу, при которой удаляются Ca2+ и Mg2+, освобождающиеся за счет размыва некарбонатных источников. Изложенные выше данные показывают, что такое стационарное состояние установилось со времени отложения пород серии Исуа (3,8 млрд. лет назад), где ассоциируются доломит, анкерит, известняк и карбонатная примесь в пелитовых осадках Анабарского комплекса, где совмещены известняки и доломиты в исходных осадках и серии Свазиленд (3,4 млрд. лет назад), где распространены известняки.

Свободный кислород, вероятно, присутствовал в атмосфере того времени, о чем свидетельствует высокая степень окисления железа в глинистых осадках. Баланс кислорода оценить достаточно сложно, однако, судя по изотопным данным, он сохранялся на уровне, близком к современному. Реальное содержание кислорода, возможно, было весьма низким. Расчеты показывают, что для полного окисления железа на земной поверхности достаточно ничтожного парциального давления кислорода, например 10в-17 атм. Предполагают, что содержание кислорода в атмосфере было весьма низким при поступлении его в количествах, близких к современному, за счет непрерывного расходования на окисление железосодержащих минералов. Этот вывод сделан применительно к серии Свазиленд. Присутствие сульфатов в отложениях этого возрастного интервала также указывает на поступление свободного кислорода в атмосферу того времени.

Появление свободного кислорода в атмосфере связано с экзогенными факторами, так как в литосфере он является дефицитным. Как уже было показано неоднократно, единственный вероятный источник — реакции разложения H2O и CO2, связанные с преодолением энергетического порога за счет наиболее доступного источника — солнечного излучения — двумя различными путями: неорганическим и органическим. Неорганическим путем равновесие могло установиться за счет фотолитического разложения воды и последующей утечки водорода из атмосферы. Этот процесс может поддерживать только 1*10в-3 от современного уровня содержания кислорода или его парциального давления на уровне 10~4 атм. Выше было отмечено, что для образования наблюдаемых окисленных осадков этого могло быть достаточно. Органические (биогенные) реакции фотосинтеза имеют вид: СО2+Н2О —> СН2O+O2.

Они также не могут быть исключены из рассмотрения, учитывая присутствие органических веществ. Однако биологическая природа их еще требует доказательств.

Таким образом, можно утверждать, что в атмосфере ранней Земли присутствовали углекислота и кислород в качестве химически активных реагентов, количество которых определялось динамическим равновесием между поступлением их в экзосферу и поглощением в захороненных осадочных отложениях. Прямые признаки других активных реагентов отсутствуют, но в атмосфере, очевидно, присутствовали также газы, не принимавшие заметного участия в формировании осадков. Очевидно, что важнейшим из них был азот, присутствие которо1 о весьма вероятно, если исходить из общих закономерностей эволюции атмосферы.

Тепловой режим экзогенеза. Полученные к настоящему времени данные по наиболее древним образованиям позволяют ввести некоторые ограничения в предположения о температурном режиме земной поверхности того времени. Существуют прямые указания на жидкое состояние H2O: подушечные текстуры метаморфизованных базальтовых лав и окатанные гальки в конгломератах серии Исуа, ассоциация и переслаивание терригенных и карбонатных пород. Критическая температура воды (около 374 °С) была верхним возможным пределом существования этой жидкой фазы. Присутствие на поверхности и в осадках органических веществ и одновременно свободного кислорода исключает столь высокие температуры. Существование парообразной атмосферы в течение заметного геологического времени также нереально. В условиях гравитационного поля Земли и солнечной радиации вся вода океанов, превращенная в пар с давлением у земной поверхности около 400 атм, подверглась бы фотолитическому разложению с рассеянием водорода в космическое пространство и превратилась бы в кислород всего за 35 млн. лет.

Отсюда следует важный вывод об отсутствии в то время существенно больших парниковых эффектов в сотни градусов, связанных с наличием в атмосфере CH4 и H2, возникающих уже при давлениях этих газов около 1 атм у поверхности Земли, или CO2 (порядка десятков атмосфер). Следует полагать, что значительных количеств этих газов в атмосфере ранней Земли не могло быть. По-видимому, в период накопления рассмотренных отложений температуры на поверхности Земли не превышали 100°С, а в этом случае, следовательно, давление существенно не отличалось от современной величины.





Яндекс.Метрика