110. Формирование солевой массы океана

Современный химический состав океанической воды - результат длительного процесса, начавшегося одновременно с образованием гид­росферы.

Эволюция состава вод связана с приспособлением первич­ного ювенильного раствора к изменяющимся условиям Земли.

Воды ювенильного раствора, образовавшего гидросферу, содер­жали основные элементы, присущие водам современного океана. Ока­завшись на поверхности, ювенильный раствор изменял свой состав в процессе приспособления к новым условиям, стремясь прийти в равновесие с ними.

Сущность процесса приспособления заключалась в том, что в растворе сохранялись компоненты, образующих в данных условиях более растворимые соединения, и в выпадении в осадок ком­понентов, образующих трудно растворимые соединения. Вода океана в любой период истории и есть этот первичный ювенильный раствор после его приспособления к поверхностным условиям.

Сравнение составов современной морской воды и первичного ювенильного раствора показывает, что содержание хлора и брома оста­лось неизменным, а содержание остальных элементов заметно умень­шилось. В растворе остались неизменными те элементы, для которых не было достаточно активных осадителей. Элементы, содержание которых умень­шилось, участвовали в процессах, выводящих их из раствора. Больше всего снизилось содержание углерода. Основная реакция, которая происходила от момента возникнове­ния океана до настоящего времени, связывание СО₂ в угольную кислоту с последующим переходом в карбонат кальция, выпадающего в осадок. Вторая реакция, вызывающая уменьшение содержания угле­рода, связана с реакцией фотосинтеза и возникла одновременно с по­явлением биосферы. С появлением и развитием жизни на Земле связа­ны потеря азота, уменьшение содержания йода. Фтор и бром образовы­вали трудно растворимые соединения с кальцием, магнием и выпадали в осадок. На протяжении всей геологической истории Земли между океаническим раствором, горными породами дна, берегов и атмосфе­рой происходили процессы, ведшие к равновесию.

Выделяют три основные стадии формирования со­левой массы океана: раннюю стадию при отсутствии биосферы (глубо­кий архей); стадию возникновения и становления биосферы (конец архея - протерозой); современный период, начиная с палеозоя.

На первой стадии развития океана воды имели кислую реакцию, так как фтор, хлор и бром выделялись в виде сильных кислот НF, НСI, НВr. При выходе на поверхность первичный ювенильный раствор попа­дал в условия пониженных температур и давления, что резко снижало растворимость углекислоты. Вероятно, на первом этапе своего сущест­вования воды архейского океана были насыщены углеродом и кремнием.

В дальнейшем сильные кислоты вступали в реакцию с солями сильных оснований, т.е. происходила нейтрализация первичных кис­лых вод. Процесс нейтрализации возник почти одновременно с появ­лением гидросферы, т.к. анионная часть первичного океана, прино­симая в ювенильном растворе, сразу же вступала во взаимодействие с катионами, образующимися в результате разрушения дна и берегов океана. Таким образом, "кислая" стадия существования океана была кратковременной.

Газовый обмен океана и атмосферы заключался в том, что из атмосферы извлекались те вещества, которые способны были взаимо­действовать с водой и переходить в океанический раствор. Это прежде всего относится к углероду, который поступал в атмосферу в виде СН₄, СО₂ и СО.

При дегазации пород мантии азот выделялся в основном в виде NН₃, который растворялся в воде. Кислород находился в атмосфере в небольших количествах, т.к. в высоких слоях атмосферы под дейст­вием ультрафиолетового облучения Н₂О разлагалась с образованием свободного О₂, но уровень содержания О₂ не превышал 0,1 по отношению к современной атмосфере. Поэтому NН₃ окислиться до N₂ не мог, и азота в атмосфере тоже не было.

Таким образом, хорошая растворимость солей, образующихся в воде, привела к тому, что океан с момента возникновения становил­ся соленым, а не пресноводным бассейном. При этом все анионы морс­кой воды - это продукты дегазации мантии, а катионы - продукты выветривания горных пород земной коры. Общая концентрация солей ар­хейского океана, вероятно, мало отличалась от современной. Но сос­тав первичных атмосферы и океана имел существенные различия по срав­нению с современным. Главное отличие состояло в восстановительных свойствах обеих сред.

Вторая стадия формирования химического состава Мирового оке­ана началась с момента возникновения биосферы. Возникновение и раз­витие жизни существенно изменило прежнее химическое равновесие и произвело глубокий переворот в составе океана и атмосферы. Выде­ление свободного кислорода в процессе фотосинтеза привело к изме­нению восстановительных свойств атмосферы на окислительные, что привело к созданию современной азотно-кислородной атмосферы. В этот же период в океане под воздействием возникшей биосферы про­исходила перестройка его солевого состава. Соединения углерода, СО, СН₄ и др. в результате окисления перешли в СО₂, что увеличило содержание углекислого газа в атмосфере и в воде океана. Из атмос­феры СО₂ почти полностью был извлечен в процессе фотосинтеза. Все это привело к стабилизации карбонатной системы, образованию ске­летных организмов и переходу СаСО₃ в осадок.

Под влиянием кислорода изменили свою миграционную форму азот, железо, сера. Свободный азот перешел в атмосферу, железо потеряло свою подвижность, сера начала накапливаться в морской воде. Уве­личилась подвижность кальция и магния, усилился их снос в океан.

С момента стабилизации состава атмосферы стабилизировался и солевой состав морской воды. Она стала хлоридно-сульфатной.

В процессе эволюционного формирования солевого состава вод Мирового океана наступил последний - современный период. Начался этот период, по-видимому, около 2,3-1,5 млрд. лет назад. Состав океанической воды тогда был таким же, как в настоящее время. Таким образом, стабилизация современного состава океанических вод произошла где-то между 1,5 и 0,5 млрд. лет назад.

Все существующие в настоящее время типы органического мира сформировались уже в докембрийский период.

Таким образом, газовый состав атмосферы, основные формы жиз­ни в океане, солевой состав океанических вод сложились в докемерийский период и с того времени не было таких сил и факторов, ко­торые способны были бы значительно их изменить.

Несмотря на то, что на Земле непрерывно происходят процессы, приводящие к поступлению солей в океан (дегазация мантии, матери­ковый сток, приход из атмосферы, растворение пород берегов и дна) и их потеря ( выпадение в осадок, обособление морей и заливов), однако общая концентрация солей в морской воде остается постоян­ной и может служить, по словам В.И. Вернадского, своего рода пла­нетарной константой. Подтверждением постоянства солевого состава служит многообразие жизни в океане. Понижение солености морских вод на 10‰ хотя бы временно привело бы к значительному изменению нынешней фауны. Такое же большое значение имели бы изменения палеотемпературы. Если бы соленость и температура Мирового океана испытывали на протяжении последнего периода большие, даже кратко­временные изменения, то фауна океана была бы намного беднее. С на­чала кембрийского периода для Мирового океана характерна соленость около 35‰.

Таким образом, в результате глобального процесса дифференциа­ции вещества Земли создана гидросфера с ее главным элементом - Мировым океаном с массой 1,38¹⁰ и содержанием в нем 5,6¹⁰ г растворенных солей. Эта огромная масса природного раствора обла­дает колоссальной химической инертностью, и внести сколько-нибудь существенные изменения в нее могут только исключительно сильные, длительно действующие и направленные процессы.