Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Некоторые вопросы исторической геохимии.
Мы останавливаемся на некоторых вопросах: на изменении в ходе геологической истории факторов миграции Кларков элементов земной коры, энергетики глубин Земли, состава атмосферы и гидросферы, климата, роли биогенных факторов и значении геологической деятельности человека. С некоторыми их этих проблем
мы уже знакомы. Интересно в этой связи припомнить, как в недалеком прошлом развивалось представление о течении геологических и геохимических процессов с ходом времени.
Геологи, как и другие исследователи, всегда пытались дать истолкование наблюдаемым фактам. Но, как мы знаем теперь, большинство попыток в прошлом оканчивалось неудачей. И главным препятствием было отсутствие прогрессивной методологии, которая позволила бы естествоиспытателю объединить разрозненные факты в рамках стройной системы картины мира. Так, основоположник картины палеонтологии Ж.Кювье (1769-1832) не смог рационально объяснить собранные им факты. Он на основании изучения окаменелостей убедился, что органические остатки, обнаруженные в древних слоях, принадлежат к вымершим родам, а в молодых третичных отложениях – близки по устройству скелета к современным организмам. Он, с затем его ученики и сторонники объяснили такую смену фауны теорией катастрофизма. Как идеалисты и мета-
Физики, они иначе и не могли поступить. По их представлениям Земля в своей истории претерпевала неоднократные всеобщие катастрофы, в результате которых погибали каждый раз все организмы, а после катастрофы следовал новый акт творения новых форм жизни.
В 30-х годах Х1Х столетия этой теории был нанесен сокрушительный удар английским геологом Ч.Лайелем, который убедительно показал, что и в прошлые периоды геологические процессы на Земле вызывались теми же причинами, что и в современную геологическую эпоху: то есть действием вулканических сил, ветра, текучих вод, моря, ледников и т.п. Именно Ч.Лайель применил и развил актуалистический метод, в основе которого лежит положение, что настоящее есть ключ к пониманию прошлого (Литологическая дискуссия,1852).
Значение изучения современных процессов.
Но и представления Ч.Лайеля были метафизическими, так как он считал, что геологические процессы прошлого качественно не отличались от современных, что развитие Земли – это простое сложение медленных незначительных изменений. Другими словами, и в теории Ч.Лайеля отсутствовал исторический подход. Эту ошибку допускали многие видные геологи и позднее, уже в наши дни. Даже В.И.Вернадский, благодаря которому исторический подход занял в естествознании подобающее ему место, тоже переоценивал неизменность геологических процессов за геологическое время Земли. А.А.Сауков на примере изучения в историческом разрезе факторов миграции химических элементов показал, что можно понять ход геохимических явлений в прошлом. Известно, что среди факторов миграции элементов выделяют внутренние и внешние, между которыми с точки зрения принципа историзма имеется существенная разница.
С точки зрения диалектического материализма все тела и явления изменчивы, но понимание историзма включает в себя и признание их относительного постоянства и устойчивости на определенном этапе развития, в определенных условиях. В самом деле, такие важнейшие свойства элементов, как заряд ядер атомов, валентность, радиус иона и атома остаются постоянными, отсюда стабильность и физико-химические свойства химических элементов. С течением времени изменяется, правда, изотопный состав радиоактивных и радиогенных элементов, но эти изменения, как известно, слабо отражаются на химических свойствах элементов, которые определяют их способность к миграции.
Отсюда можно сделать вывод, что внутренние факторы миграции элементов в ходе геологической истории Земли были в пределах устойчивости этих элементов теми же самыми.
Внешние факторы, напротив, в ходе исторической истории существенно менялись и изменяются и сейчас. Некоторые из них в ходе времени не имеют определенной направленности, меняя свой знак и величину (суточная температура, состав подземных вод…). Другие изменения имеют полярный, направленный характер. На них мы и остановимся подробно.
Эволюция Кларков элементов.
Считается общепризнанным, что химический состав Земли в ходе ее истории непрерывно изменяется. Это касается как абсолютного, таки относительного количества химических элементов в Земле. Причины этого вам уже известны на примере земной коры. Это материальный обмен с Космосом и ядерные превращения. Количество метеоритного вещества в первые периоды формирования планеты было весьма значительным, потом постепенно оно уменьшалось, пока не достигло современных значений.
Конечно, состав метеоритного вещества близок к составу Земли в целом. А состав земной коры существенно отличен по понятным причинам земная кора – это результат грандиозных процессов дифференциации вещества в Земле, результат выплавления и дегазации мантии, как считает А.П.Виноградов.
Другой путь поступления на Землю вещества из космоса – Это космические лучи. Это заряженные частицы – ядра атомов преимущественно легких элементов: Н, Не, меньше Lі, Ве, В, С, О, N, еще меньше других тяжелых элементов. Правда, за год в землю поступает в таком виде около 40 г вещества, т.е. ничтожно малая величина.
Земля, как известно, Также и теряет путем диссипации Н и Не. Правда допускается, что в прошлом, когда масса Земли была значительно меньше, была возможна потеря и более тяжелых газов.
Состав Земли изменяется и вследствие превращения элементов. Наглядно это можно видеть на примере радиоактивных элементов. Сильно радиоактивными являются U²³⁸ U²³⁵ , Тh²³² с продуктами их распада К . Период полураспада их лежит в пределах 1,4 ‧ 10¹⁰ лет (U²³⁵ ) до 7,1 ‧10‧⁸ лет (Тh²³² ),т.е. за время существования Земли эти элементы успели существенно распасться и перейти в другие стабильные изотопы. По данным Г.Войткевича 3 млрд.лет назад U²³⁵ было в 18 раз больше, а К⁴⁰ - в 5,3 раза больше, чем сейчас. За это время количество U²³⁸ уменьшилось примерно на одну четвертую часть, а Тh²³² - лишь на несколько процентов. Стабильные продукты распада: Не, Рв, Аr, напротив, накапливаются (кроме Не) а Земле.
Таким образом , как абсолютные, так и относительные количества химических элементов на Земле, их Кларки в ходе геологической истории, безусловно менялись. Важно отметить , что менялось и само распределение элементов в Земле от первоначального равномерного и современного неравномерного как в вертикальном (Земля), так и горизонтальном (земляная кора) разрезах. Суммируя разные аспекты химической эволюции Земли, надо отметить существование двух отчетливо проявляющихся и противоположно направленных тенденций в развитии геохимических процессов:
Дифференциация вещества земли внутри ядра, мантии земной коры в основном определяется гравитацией. Выветривание, как вам известно, также представляет собой важный фактор химического разделения вещества Земли ( примеры рафинирования вещества – о чистке я уже говорил: разделение К на Nа в зоне гипергенеза и т.д). Процессы осадконакопления, включая биологические, продолжают эту сепарацию элементов (карбонаты, фосфаты, силициты и т.д.).По тенденции дифференциации вещества Земли в процессе ее химической эволюции противостоят интенсивные процессы перемещения. Продукты выветривания изверженных пород различных типов смещаются при транспортировке и отложении. В последствии осадочные породы подвергаются дальнейшей гомогенизации при метаморфизме. Смешивание вещества Земли в еще большем масштабе происходит посредством взаимопроникновения земной коры и мантии в результате непрерывного формирования новой коры и погружения старой в мантию (зоны Бениоффа).
Конвенция вещества в самой гетерогенной мантии тоже должна непременно приводить к его значительному перемешиванию.
К сожалению, сейчас еще нельзя ответить на вопрос, какая из этих двух тенденций преобладает, становится ли вещество земли химически более однородным или более дифференцированным, или оно достигло состояния устойчивого равновесия. Древнейшие осадочные и изверженные породы не отличаются сильно от более молодых, а земная кора древних континентов в химическом отношении сходна с современной континентальной корой. И все же есть признаки химической эволюции. Докембрийские осадочные руды, расположенные на ряде континентов, не имеют современных (или более молодых) аналогов сопоставимых масштабах. Масса гидросферы, вероятно, существенно возрастала в течение геологического времени, а состав атмосферы претерпел изменения в связи с постепенным увеличением содержания кислорода, что, в свою очередь связано с возникновением и развитием биосферы. Таким образом, вряд ли можно думать, что Земля достигла устойчивого химического состояния. Земля, очевидно, продолжает изменяться, так же как
и звезды и вся Вселенная. В 1785 году Хаттон (Эдинбург) писал «Следовательно, результатом наших исследований является то, что мы не обнаружили никаких признаков начала, никаких перспектив конца. Теперь мы знаем, что Земля имела начало, но не можем пока сказать, какова будет причина конца и когда это случится?»
Эволюция энергетики Земли.
Известно, что источники энергии всех земных процессов делятся на две группы: космические (Солнце, главным образом) и тепло земных глубин. От Солнца на Землю поступает подавляющее количество энергии 4,2‧ 10¹⁶ кал/сек, тогда как величина теплового потока, идущего из глубин к поверхности Земли, составляет всего 9 ‧10¹² кал/сек, т.е. примерно 1:5000 часть энергии, поступающей от Солнца. Полагают, что за время существования Земли энергия Солнца существенно не изменилась. Солнечная энергия играет бесспорную роль в гипергенных процессах. Передача ее в глубины Земли тоже осуществляется, на масштабы этих явлений пока не ясны. Это энергия, прошедшая на дезинтеграцию вещества горных пород и минералов; энергия, захваченная кристаллическими решетками минералов при их гипергенной перестройке ( переход Аl из 4-й в 6-ю координацию, согласно представлениям Н.В. Белова и В.И.Лебедева. Таким образом, аккумулированная на поверхности солнечная энергия может поступить вместе со своим материальным носителем в глубины Земли и там освободиться (личные беседы В.И.Лебедевым в 1974 году) В недрах Земли существуют и другие, значительно более мощные источники энергии. Наиболее важным является энергия радиоактивного распада. Очевидно, что после образования Земли, примерно 4,5 млрд.лет назад, количество основных радиоактивных элементов, генерирующих тепло, было большим, чем сейчас (К в 8 раз больше). Г.Войткевич подсчитал, что количество радиогенного тепла 8 млрд.лет назад было в два раза больше, а 5 млрд. лет назад – в 5,5 раз больше, чем в настоящее время. Изменения роли этого источника энергии налицо. Подчиненное значение имеют энергия дифференциации вещества в гравитационном поле Земли, которая составляет по подсчетам Е.Н.Люстиха, около 30% энергии радиоактивных процессов, а также энергия приливного трения, генерируемая Землей при ее вращении в полях притяжения Луны и Солнца. В результате действия последней причины скорость вращения Земли уменьшилась в 6 раз. Следовательно, оба эти источника тоже убывают со временем.
Эволюция климатических условий.
Климатические условия оказывают исключительное влияние на ход гипергенных процессов. Количество тепла, температура воздуха, количество атмосферных осадков определяют химическую миграцию элементов, непосредственно и косвенно через биосферу. Климат оказывает влияние на состав аллювия, делювия и элювия. В условиях степных и пустынных при малом количестве влаги все эти образования обогащены карбонатами, отличаются щелочной средой природных растворов, что определяет малую подвижность Fe, Zn, Cu, Ni, Co, Mn и других элементов.
В районе влажного климата, напротив, природные воды нейтральны или слабо кислы, что способствует выносу многих элементов. Нахождение органических веществ в осадках создает восстановительную обстановку, что же способствует миграции большой группы элементов переменной валентности. Учитывая такое влияние климата на миграцию элементов, надо при рассмотрении геохимических процессов в историческом разрезе иметь в виду, что климат на Земле в разные периоды существенно меняется. Теплые периоды меняются похолоданием. Установлены три ледниковые эпохи в истории Земли ( на границе альгонка и кембрия, карбона и Перми и в четвертичном периоде). Теплые периоды были или сухими или влажными (Р,Т,и С – соответственно). На изменение климатов сказывалось изменение полюсов и экватора, Так в С по Н.М.Страхову, экватор располагался несколько ниже линии Бельгия – Донбасс, где в условиях жаркого гумидного климата шло образование углей Англии, Испании, Бельгии, Нидерландов, Германии, Польши, Чехии, Словакии, Донбасса. На отдельных территориях изменения климата могло вызываться региональными причинами (горообразование и т.п.). Современный анализ геологического прошлого нашей Планеты поэтому не может не учитывать изменение климата во времени как на отдельных участках, так и в целом на Земле.
Эволюция биогенных факторов.
Исключительное значение биологических процессов для миграции элементов было показано в трудах основоположника биогеохимии В.И.Вернадского. Вам также известна роль живого вещества как концентратора ряда элементов: C, P, Si, Fe, S, Ca и др. в биогенных рудах, кислорода в атмосфере и т.д. Организмы косвенно также влияют на поведение химических элементов – через продукты их жизнедеятельности, среди которых есть и окислители (свободный кислород) и восстановители ( органическое вещество сероводород, и др. соединения). А роль окислительно-восстановительного потенциала, как внешнего фактора миграции элементов, вам хорошо известна. Особенно для элементов, способных менять валентность. Поэтому до появления жизни на Земле не было ни свободного кислорода и органических веществ – восстановителей.
Поэтому в то отдаленное время процессы (окислительно-восстановительные) шли в иных масштабах, чем сейчас, жизнь могла возникнуть на Земле лишь на некотором определенном этапе эволюции земного вещества. И, вероятно, лишь при определенной температуре, химизме среды, при определенном уровне интенсивности радиоактивных излучений.
Первоначально организмы появились лишь в отдельных участках моря, а затем завоевали сушу, тропосферу, т.е. биосферу. Со временем нарастала масса живого вещества, изменялся качественно органический мир. На длинном пути развития жизни можно выделить с точки зрения геохимии следующие три этапа:
До появления зеленых растений не было свободного кислорода, а в атмосфере концентрация СО 2 была значительно выше, чем теперь. Поэтому в океанах накапливалось бикарбонатное железо. С появлением свободного кислорода массы железа дали в докембрии джеспилитовые руды на больших площадях, в том числе вдали от берегов. Позднее этот процесс не мог повториться при наличии кислорода в атмосфере. Железные руды позднее могли накапливаться только вблизи берегов. Да и масштабы не те. Если в докембрии накопилось около 8000 млрд.т. железных руд, то за всю послеальгонскую историю только 135 млрд.т., что составляет лишь менее 5%. Аналогичная картина и для руд марганца. Это наглядная иллюстрация эволюции атмосферы и ее влияние на геохимию железа и марганца. Поэтому в отдельные времена шло физическое выветривание, химическое – тоже, практически без окисления, биохимическое не проявлялось. Поэтому сульфиды не окислялись в сульфаты и в гидросфере не накапливались сульфат-ионы. Эта причина естественно объясняет, почему в докембрийских отложениях отсутствуют гипсы, ангидриты, барит и целестит. Нет в этих породах, точнее меньше, чем в более поздних отложениях, и химогенных карбонатов и известняковых скелетов беспозвоночных, что тоже объясняется высоким содержанием СО2 в древней атмосфере и гидросфере в виде бикарбоната. А почва, которая играет роль биогенного барьера, удерживает на суше ряд элементов. До девонского периода, когда почвы не было, миграция многих элементов проходила иначе – они свободно достигали океана. Шло поступление большого количества органических веществ в водоемы и осадки кембрия и силура. Эти вещества сорбировали многие элементы из океана и перевели их в осадок – граптолитовые углистые сланцы этих периодов богаты многими малыми элементами. Теперь океаническая кора беднее ими, они задерживаются на суше почвами.
Таким образом, вырисовывается направленный характер миграции элементов, определяемый эволюцией жизни на Земле. Но в отдельные геологические периоды интенсивность накопления массы органических веществ могла определять и роль данного отрезка времени или данной территории геохимической миграции ряда элементов. Поэтому следует говорить о направленности эволюции с элементами периодичности.
Человечество, как геохимический фактор.
Роль человека, как геохимического фактора мы уже обсуждали. Здесь, чтобы не повторяться, я только отмечу, что человечество – это особенно изменчивый фактор геохимической миграции. Подчиняется он особым законам – законам развития общества. Этот фактор оказывает очень сильное воздействие на равновесие элементов в природе, в земной коре, и в ближайшем будущем, благодаря быстрой изменяемости его и прогрессирующему развитию его роль в миграции элементов несомненно окажется одной из главных.