Немного химии

Различные породы имеют различный химический состав. В зависимости от своего состава породы принято разделять на отдельные большие группы. Это разделение основано прежде всего на том, что минералы, содержащие разное количество щелочей (натрия и калия, указанных в Табл. 2 в виде своих оксидов Na₂O и K₂O) обладают и различными свойствами. И во многом именно по этому признаку отличают, например, базальтовую океаническую кору от материковой, содержащей преимущественно гранитные породы.

Соединения	Вулканические и глубинные породы
кислые	средние	основные	ультраосновные
гранит	андезит	базальт	анортозит	перидотит	дунит
SiO2	72,5	60,0	49,0	50,0	44,0	40,5
TiO2	0,5	1,0	1,5	0,2	0,1	0,02
Al2O3	14,0	17.0	16,0	28,0	5,0	1,0
CaO	1,5	6,0	9,0	12,5	3,5	0,7
MgO	0,5	3,0	6,0	1,2	37,0	46,0
Na2O	3,5	3,5	3,0	4,0	0,5	0,1
K2O	5,5	2,0	1,5	1,0	0,2	0,04
FeO	1,8	6,1	11,2	2,1	8,3	8,1

Табл. 2. Состав некоторых пород

Известно, что в разные периоды времени в коре Земли преобладало формирование разных видов пород. Так в азое и начале архея (примерно до времени 2,5-3,0 миллиарда лет назад, в рамках принятой геохронологической шкалы) породы, образующие кору, были более разнообразны по составу и несколько ближе к базальтам, нежели к гранитам. С течением времени в ней постепенно увеличивается количество пород близких по составу к гранитам, но со значительно меньшим содержанием калия. Для пород этого времени характерен так называемый безводный резко восстановленный характер поступающего из недр флюида (газообразной смеси легких веществ) и явные следы мелкомасштабной конвекции (перемешивания).

В конце архея – начале протерозоя постепенно набирает силу кардинальное изменение условий: в составе флюида появляется вода, а в формирующихся породах преобладают граниты, характеризующиеся резко повышенным содержанием щелочных металлов (особенно калия). Более того, ранее сформировавшаяся кора испытывает сильнейшие изменения, характеризующиеся также повышением концентрации в них щелочных металлов. Период протерозоя известен как период всеобщей гранитизации, а резкое увеличение калия в составе коры носит название «калиевого взрыва».

Рис. 93. «Калиевый взрыв»

Следующее резкое изменение в составе формирующихся пород происходит на рубеже палеозоя и мезозоя (приблизительно 250 миллионов лет назад, по принятой геохронологической шкале), после которого образование гранитов не наблюдается, а в кору поступают исключительно базальты (как правило обедненные щелочными металлами). При этом процесс снижения содержания щелочных металлов (и особенно калия) в формирующихся породах занимает значительно меньше времени, нежели повышение их содержания на рубеже архея и протерозоя. Конец калиевого взрыва носит еще более «взрывной» характер. Именно из-за подобного характера калиевого взрыва материковые плиты сложены в основном гранитами, а океаническая кора (образовавшаяся уже после окончания калиевого взрыва) исключительно базальтовая…

* * *

Попробуем теперь чуть более подробно разобраться в описанных процессах, исходя из того, что, в рамках гидридной модели, в недрах Земли помимо основных элементов, перечисленных в таблице пород, в довольно значительном количестве (не по весу, а по числу атомов) содержится и водород.

Мало кто из исследователей сомневается в том, что на ранних этапах существования Земли элементы, ее составляющие, находились в более перемешанном состоянии, чем ныне. А вся дальнейшая эволюция Земли непосредственно связана с так называемой дифференциацией ее недр, заключающейся в том, что более легкие элементы и вещества (по закону Архимеда) поднимаются ближе к поверхности, а более тяжелые – наоборот, стремятся к центру планеты.

Не подлежит сомнению также, что элементы и вещества в недрах планеты вступают в химическое взаимодействие друг с другом, которое (с точки зрения химии) может иметь либо восстановительный, либо окислительный характер (другие виды взаимодействия в данном случае нас не будут интересовать).

Исходя из того, что в составе Земли очень много кислорода, и из его химических свойств довольно очевидно, что основным окисляющим элементом будет именно кислород. А в рамках гидридной теории, основным восстановителем среди наиболее распространенных элементов – будет водород.

Известно, что химические реакции (при прочих равных условиях) идут преимущественно в том направлении, при котором энергия связи между элементами образующегося вещества наиболее высока. Так, скажем, энергия связи Al-O и Si-O существенно выше энергии связей H-O, Ca-O и Mg-O, которые приблизительно равны друг другу, но, в свою очередь, значительно выше энергии связей К-O и Na-O. Поэтому на ранних этапах истории Земли будет преобладать окислительный характер химических реакций, так как у водорода, говоря простыми словами, просто не хватит сил отвлечь на себя кислород от более аппетитных элементов, среди которых и кремний – элемент, находящийся в мантии планеты в изобилии (оттого ее и считают силикатной). Однако

«Термодинамические расчеты, проведенные О.Л.Кусковым с учетом сжимаемости конденсированных фаз, показали, что с ростом давления тепловой эффект реакций восстановления изменяется с эндотермического [с поглощением тела] на экзотермический [с выделением тепла], и чем больше величина давления, тем большее количество тепла выделяется при восстановлении. В случае восстановления окиси кремния водородом (или углеродом) инверсия знака теплового эффекта оказывается в области 400·10⁸ Па. Следовательно, при давлениях больше 400·10⁸ Па самопроизвольно будут протекать реакции восстановления, тогда как в области меньших давлений, наоборот, должны идти реакции окисления, и чем меньше давление, тем больше будет их экзотермический эффект» (В.Ларин, «Гипотеза изначально гидридной Земли»).

То есть, говоря более простым русским языком, упомянутые процессы окисления будут происходить ближе к поверхности Земли, а в недрах – преобладать реакции восстановления. При этом, высвобождающийся из недр кислород, поднимаясь вверх, во внешних оболочках будет вступать в реакции окисления, сопровождающиеся (в условиях малых давлений) выделением большого количества тепла, прогревающего верхний слой Земли. Параллельно, поступающий из глубины водород обеспечивает резко восстановленный характер флюида, содержащий преимущественно молекулярный водород Н₂ и метан СН₄ (недра же тоже прогревались, только из-за реакций восстановления, а прогрев высвобождал новый водород).

Таким образом, получается весь набор условий, характерный для азоя-архея: сильно прогретая внешняя оболочка, которая вследствие своих малых размеров обуславливает мелкий масштаб конвекции и значительное разнообразие формирующихся пород; сильно восстановленный безводный флюид (о составе которого свидетельствуют и мелкие газовые включения в древнейших породах), который обуславливает и незначительное количество свободного кислорода в первичной атмосфере Земли.

Но, естественно, данный процесс не мог продолжаться вечно. В конце концов кислород выбрал наиболее аппетитные элементы и принялся за другие, среди которых оказался и главный восстановитель – водород. Таким образом, в состав «основных действующих лиц» включилась вода, которая, как известно, является, во-первых, весьма химически активным веществом; а во-вторых, и весьма легким подвижным соединением, то есть способна выполнять роль флюида в глубинных процессах.

Раз свободного кислорода стало меньше – во внешнем слое прекратились реакции окисления с выделением тепла; оболочка остыла и произошел так называемый процесс консолидации первичной твердой коры, а активные химические процессы сместились вглубь. Это произошло, как считается, ориентировочно на границе архея-протерозоя. И именно это время, следуя элементарной логике, можно считать временем формирования первичной астеносферы.

Но это далеко не все результаты упомянутой переориентации химических процессов.

Кислород, переключившись на водород, обусловил то, что последний (т.е. водород) начал разрывать связи К-О и Na-O (вспомним про энергию связей) и высвобождать таким образом щелочные металлы.

Но образование связей Н-О, помимо прочего, изменяет состав флюида на более насыщенный водой, а вода – отличный растворитель. И хотя процессы в недрах далеки от простого растворения, таблица растворимости веществ в воде тоже может нам помочь.

Ионы	K+	Na+	Ca2+	Mg2+	Fe2+	Al3+
OH-	Р	Р	М	М	Н	Н
SiO32-	Р	Р	Н	Н	Н	-

Табл. 3. Таблица растворимости соединений (Р – растворимо, М – малорастворимо, Н - нерастворимо)

Ясно, что прежде всего вода будет насыщаться именно освобождающимися щелочами, как составными элементами наиболее легкорастворимых соединений. Все это приводит к тому, что вверх устремляется поток с сильно увеличенной концентрацией щелочных металлов, и прежде всего натрия и калия. При этом, поскольку связь К-О, все-таки несколько слабее связи Na-О и калий несколько более химически активен (электронный радиус калия больше электронного радиуса натрия), постольку в выносимом наверх щелочном наборе должна быть повышена и относительная концентрация именно калия. Что мы в итоге наблюдаем в форме «калиевого взрыва» и мощном процессе гранитизации коры в период протерозоя.

Довольно очевидно, что поскольку данный процесс смены ориентации химических реакций должен был происходить постепенно, то и калиевый взрыв тоже довольно значительно растянут во времени – почти на 3/4 миллиарда лет.

Все перечисленные изменения химических процессов вполне соответствуют наблюдавшимся на протяжении протерозоя процессам геологическим. Как явление гранитизации, так и значительное содержание воды во флюиде того времени хорошо известны исследователям.

Событиям этого же периода также достаточно хорошо соответствует предположение о том, что к началу протерозоя формируется астеносфера, постепенно прокладывающая себе дорогу к недрам Земли.

* * *

Следует сказать, что модель химических процессов, предложенная В.Лариным для гидридной Земли и изложенная чуть выше (с моей небольшой корректировкой акцентов), хорошо описывает процессы ранних этапов развития планеты, но абсолютно не объясняет событий последнего полумиллиарда лет. В частности, эта модель совершенно не объясняет как резкое окончание калиевого взрыва, так и факт формирования коры с начала мезозоя исключительно базальтовыми породами.

Теперь мы попробуем заполнить эту прореху, а заодно и продолжить повествование о геологических событиях, которое пока замерло на рубеже палеозоя и мезозоя. Рубеже, который (с точки зрения уже скорректированной гидридной теории) связан с величайшим событием в судьбе нашей планеты – с достижением первичной астеносферой ядра Земли, сильно насыщенного водородом.

Однако теперь обратим внимание не столько на сам водород, сколько на его соединение с наиболее распространенным элементом в недрах Земли – с кислородом, то есть обратим свои взоры к обычной воде (ранее мы это уже слегка сделали, и именно это было небольшой корректировкой модели В.Ларина)…

Итак, конец пермского периода. Первичная астеносфера (а с ней и фронт повышенной температуры) достигает внешнего жидкого ядра. Резко увеличивается истечение водорода, который тут же вступает во взаимодействие с кислородом, коего в недрах в изобилии. Резко и скачкообразно увеличивается количество воды.

От рванувшегося вверх потока водного флюида кору Земли сначала как будто «вспучивает». В перми-триасе наблюдается повсеместный и быстрый подъем материков. Кора начинает трещать по швам и на поверхность буквально выталкиваются базальтовые траппы.

Параллельно происходит образование так называемых трапповых интрузий на глубине (образование камер трапповых базальтов внутри материковой коры без выхода их на поверхность). Характерно, что при этом не образовалось никаких вздутий рельефа, а создание трапповых магматических камер сопровождалось как бы мягким приподниманием перекрывающих слоев, объяснение чего долгое время составляло серьезную проблему для геологов.

Теперь же мы можем снять эту проблему с повестки дня: при всеобщем «вспучивании» земной коры из-за начала дегазации недр планеты логично ожидать не столько ограниченных зон возрастания внутреннего давления на кору, которые бы образовывали вздутия, сколько равномерно распределенной нагрузки, лишь приподнимающей вышележащие слои. Что и наблюдается не только в геологическом строении трапповых интрузий, но и в произошедшем при этом общем подъеме материков, а также в характере трапповых извержений на поверхность Земли (см. ранее).

Одновременно, естественно, активизируются все тектонические процессы: кора сотрясается, изгибается и рвется, вулканы работают не то, что на полную мощность, а вообще – на пределе (хорошо известная активизация конца перми – начала триаса).

Но это – еще только начало…

Резкое изменение условий в недрах кардинальным образом изменяет и состояние внутреннего гидридного ядра. Из него буквально хлынул поток водорода, тут же вступившего во взаимодействие с кислородом мантии – вода пошла из глубинных недр чуть ли не фонтаном.

Однако, как указывалось ранее, водород в гидридах выполняет уплотняющую роль, значительно уменьшая расстояние между соседними ионами металла. Следовательно, при уменьшении количества водорода уменьшается количество связующих водородных нитей, обеспечивающих высокую сжимаемость и уплотнение как гидридов твердого ядра, так и раствора водорода в жидком металле внешнего ядра. И этот эффект должен проявляться тем сильнее, чем активнее процесс дегидридизации ядра – то есть потери им водорода. Ядро становится более рыхлым, увеличиваясь в размерах.

Кстати, одно из объяснений периодических инверсий магнитного поля Земли (то есть смены южного и северного магнитных полюсов местами) базируется именно на росте ядра, что вполне согласуется с магнитной чехардой в конце перми – так называемой магнитной аномалии Иллавара (см. ранее).

Но увеличивающееся ядро неизбежно распирает окружающую его мантию, которая вовсе не обладает такими способностями по сжимаемости, как гидриды. Планета начинает расширяться, так как деваться ей больше некуда.

Процесс расширения значительно усиливается и за счет того, что мощный поток воды порождает так называемые фазовые изменения в мантии. При этих процессах химический состав вещества не изменяется, а изменяется его структура, которая в данном случае также становится более рыхлой, увеличиваясь в объеме.

Но вода вступает также в химические и физико-химические (такие, как растворение) процессы. Только теперь воды несравненно больше, и при ограниченном количестве соединений щелочных металлов в ней начинают растворяться средне- и малорастворимые вещества. В результате, в составе флюида, устремляющегося вверх, резко падает процентное содержание щелочных элементов, которые итак уже довольно долго вымывались и расходовались на гранитизацию (что, кстати, вполне прослеживается в постепенном снижении содержания щелочей в породах протерозоя и палеозоя).

К чему же это приводит на поверхности Земли?

Сильнейшим образом насыщенный водой флюид выносит к поверхности обедненные щелочами базальтовые породы, которые характеризуются более высокой плотностью, чем граниты или андезиты. В результате, осколки лопнувшей от перенапряжения старой коры всплывают на базальтовом слое как большие плавучие острова.

Мощные извержения сопровождаются сильнейшими выбросами вулканических газов, чрезвычайно обедненными свободным кислородом и насыщенными углекислым газом (и прочими «добавками»). В результате резко падает содержание кислорода в атмосфере, а концентрация углекислого газа возрастает. Этот факт хорошо известен исследователям событий триасового периода.

Сильнейший приток тепла из недр растопил все пермские ледники и обусловил глобальное потепление климата на долгое время.

Рис. 94. Температура на Земле в прошлом

Но растопленные ледники отнюдь не приводят к затоплению территорий суши, ведь размер Земли начал увеличиваться, а материки всплыли на базальтовом слое. Море, наоборот, отхлынуло от континентов.

Вода на поверхности Земли устремляется в места разрывов коры, то есть как раз именно в те места, откуда идет мощный поток флюида из недр. Поэтому падение содержания кислорода и рост концентрации углекислого газа в морях и океанах оказывается сильнее, чем в атмосфере. Плюс резкое повышение температуры воды из-за взаимодействия с горячей магмой. Добавим сюда еще поступление из недр массы ядовитых для живых организмов газов (метана CH₄, аммиака NH₃, сероводорода H₂S и т.п.) – вот вам и причины пермско-триасового побоища, не только уничтожившего водных обитателей сильнее, чем сухопутных, но и буквально вытолкнувшего уцелевшие остатки жизни на сушу.

«Пермско-триасовое побоище было столь грандиозным – считают, что самым грандиозным за всю историю жизни на Земле, – что попыток его объяснения было куда больше, чем гибели динозавров. За последние десятилетия их накопилось столько, что одним их перечнем, как заметил американский биолог Гульд, можно было бы заполнить целый телефонный справочник. Тут были и вспышки сверхновых звезд неподалеку от Солнечной системы, и внезапные всплески космической радиации, и повсеместное опреснение земных океанов, и подвижки океанского дна, и неожиданные климатические катаклизмы, и гигантские процессы горообразования (Р.Нудельман, «Экскурсия по катастрофам»).

Заметим, что в этом списке расширение Земли совершенно не упоминается... Как теперь понятно, зря…

Рис. 95. Количество видов фауны

Рис. 96. Количество видов флоры

На Рис. 95 видно важное значение этого периода для животного мира, состав которого качественно изменился на рубеже пермь-триас. Аналогичным образом претерпел изменения и растительный мир – см. Рис. 96.

Еще более впечатляющей картина пермско-триасового побоища выглядит при анализе последствий для отдельных видов живого мира. Скажем, если рыбы были и до, и после рубежа пермь-триас (см. Рис. 97), то на этом самом рубеже явно заметно вымирание одних видов и начало расцвета других. И гораздо более отчетливей это отразилось, например, на пресмыкающихся (см. Рис. 98), существовавших еще с середины карбона: рубеж пермь-триас полностью поменял их основной состав.

Рис. 97. Количество видов рыб

Рис. 98. Количество видов пресмыкающихся

Однако на этих рисунках заметен еще один важный рубеж – граница юрского и мелового периодов, когда произошло также серьезное обновление состава живого мира, хотя и не столь радикальное как при пермско-триасовом побоище.

С нашей точки зрения, как сам скачок юра-мел, так и более слабое его воздействие на живой мир (чем во время скачка пермь-триас), обусловлены не качественным изменением характера глубинных процессов, а лишь количественным. Процесс дегазации недр и расширения Земли уже претерпел свой начальный взрыв, но, похоже, только к этому времени, рубежу юра-мел, основной поток водного флюида достиг поверхности планеты. Либо по каким-то причинам произошел очередной всплеск процесса дегидридизации недр (например, фронт повышенной температуры достиг непосредственно внутреннего ядра).

Это прослеживается по целому ряду факторов. Во-первых, именно на этот период приходится резкое увеличение воды в Мировом океане, известное под названием меловой трансгрессии – суша заметно потеснилась. И поскольку ни в триасе, ни в юре вследствие высоких температур ледников не образовывалось, то увеличение количества воды в океанах в период мела (при продолжающемся увеличении размеров планеты -!!!) можно объяснить лишь внутренними источниками.

Во-вторых, в период мела образовались залежи гипса, ангидридов и тому подобных веществ, содержащих кальций, среди которых в том числе и вещество, давшее название самому периоду – мел. Но соединения кальция плохо растворяются в воде, и для их массового выхода на поверхность требуется мощнейший поток водного флюида, что, скорее всего, и имело место. Это подтверждается также возрастанием концентрации в породах коры в этот период других элементов, соединения которых слаборастворимы – магния, титана, фосфора, марганца и других.

Меньшие же последствия количественного скачка на рубеже юры и мела для живого мира вполне объяснимы тем, что к этому времени Землю населяли уже те виды, которые адаптировались к новым условиям существования – к жизни в мире, который пусть и меняется, но меняется в одном и том же направлении.

После определенного взрыва процесс дегазации недр вновь стабилизировался, но уже на другом – квазистационарном – уровне (то есть не прекратился, а продолжается до сих пор при сохранении определенных постоянных условий процесса). Все интересное пока закончилось...

Земля постепенно расширяется, соответственно чему медленно уменьшается гравитация и давление атмосферы. Расколовшиеся материки также постепенно отплывают друг от друга по мере роста поверхности Земли, разрывы в которой пополняются базальтами из магмы в местах срединно-океанических разломов. Параллельно идет процесс пополнения Мирового океана за счет воды, поступающей из недр Земли, что прослеживается и ныне.

«По современным определениям, вулканические газы содержат, прежде всего, значительное количество водяного пара. Например, в газах из базальтовых лав вулканов Мауна-Лоа и Килауэа (Гавайские острова) при температуре 1200^оС содержится примерно 70-80% водяного пара (по объему). В фумарольных газах Курильских островов, которые имеют температуру около 100^оС, обнаружено 79,7% Н₂О (по весу)…

Рис. 99. Извержение вулкана на Гавайях

Интересными по составу оказались пары сольфатароподобных фонтанов Лардерелло, распространенных по площади 200 км² в Тоскане (Италия). Вода в этих парах составляет более 95% по весу, сухой газ содержит 97% СО2 и 2% H₂S. Обнаруживаются аммиак (0,7%), метан (0,3%) и водород Н₂ (0,1%). В этих парах совсем не содержится кислорода» (А.Монин, Ю.Шишков, «История климата»).

Все это замечательно сходится с нашей химической схемой. Ведь, например, для упомянутых фонтанов Лардерелло, водорода по атомарному составу только в сухом газе около 15%. Ну, а если учесть и воду, то вообще водорода больше всего!..

Таким образом, видно, что выстроенная модель выдерживает проверку совершенно различными фактическими данными, объясняя при этом целый ряд вопросов из прошлого нашей планеты.

* * *