Геохимия океана. Происхождение океана

Геохимия океана. Происхождение океана.

1. Происхождение океана

Известно, что почти три четверти земной поверхности покрыты водами океана. По своему составу морская вода является водным раствором неорганического электролита. Происхождение вод мирового океана и содержащихся в них солей представляет собой весьма интересный вопрос.

В установлении химического состава воды океана в прошлом большую пользу могут оказать палеонтологические исследования. Если судить по имеющимся в настоящее время данным, то физические и химические свойства океана, по-видимому, в течение геологического времени существенно не менялись. Этот вывод обосновывается тем, что биологические виды прошлого более или менее сходны с современными видами.

Геохимическое решение этой проблемы заключается в попытке сопоставления количества состава эродированных изверженных и осадочных горных пород с количеством и составом растворенных в океане солей. Однако существуют трудности в объяснении содержания в морской воде и осадочных породах колоссальных количеств таких анионов, как карбонатный, хлоридный и сульфатный. Эрозией изверженных пород невозможно объяснить присутствие в современном океане многих летучих, и большая часть таких элементов, как C, CI, S, N, B, Br, F и т.д., содержащихся в современном океане и связанных в осадочных породах, должна поступать из внутренних частей Земли.

Вероятно, хлор, азот, сера и фтор поступали в виде HCI, NH3, H2S и HF; углерод в виде CH4, CO И CO2, а значительная часть кислорода в виде H2O, СО2 и СО.

Каким же образом протекал этот процесс? Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть некоторые условия образования Земли.

В соответствии с ранней гипотезой Земля первоначально была в расплавленном состоянии, и поэтому могла произойти частичная потеря летучих, но и большая их часть должна была сохраниться внутри Земли. Именно эта часть летучих поступает после охлаждения на поверхность Земли в виде постепенного непрерывного потока.

Если летучие были утеряны на начальной стадии образования, то рН первичного океана должен быть около 0,3 и столь сильно кислый раствор должен был легко растворять значительные количества изверженных пород. Как только концентрация Са2+, Mg2+, и СО2-3 в водном растворе достигла точек растворения кальцита и доломита, начали быстро осаждаться карбонаты. Вследствие этого из первичных атмосферы и гидросферы начала быстро извлекаться углекислота, что в конечном итоге привело к возникновению условий, пригодных для существования живых организмов.

Необходимо рассмотреть альтернативное допущение о постепенном формировании океана. Предположим, что исходное парциальное давление двуокиси углерода было ниже 1 атм и что общее атмосферное давление примерно на 10% больше современного. Тогда осаждение карбонатов должно было начаться к моменту эрозии около 240 х 1020 г изверженных пород и по достижении рН примерно 5,7. В этом случае количество избыточных летучих в гидросфере не должно превышать 1/10 от современного их содержания из внутренних частей Земли. Параллельно кислород поступал и за счет жизнедеятельности живых организмов. Таким образом происходило постепенное формирование современной гидросферы.

Далее рассмотрим вопрос о поступлении воды за счет горячих источников. Считается, что водные пары горячих источников Йелоустонского парка содержат 10-15 % магматической воды, а горячие источники Айдахо – 2,5% ее. Но даже если бы содержание магматической воды в воде горячих источников было меньше 1%, то в течении 4,5 млрд. лет они могли бы выбросить достаточное количество воды для объяснения существования океана. По крайней мере, существование такой магматической воды поддерживает идею о том, что вода современного океана скопилась за счет постепенного поступления из внутренних частей Земли.

Существует еще одна точка зрения, выраженная Калпом [1951], что гидросфера могла сформироваться постепенно за счет поступления воды из внутренних частей Земли, после остывания ее поверхности до какой-то определенной температуры. Хотя температура более глубоких зон земной коры и мантии точно не известна, но, по-видимому, он не выше 1000о С. при столь высокой температуре Н2О не может входить в кристаллическую решетку каких бы то ни было минералов. Поэтому, подобно газу, газообразная Н2О, мигрируя сквозь породы, терялась земной корой. Однако в отличие от газа при приближении воды к земной поверхности часть ее соединялась с веществом коры и образовала гидраты: остальная часть поступала в гидросферу и атмосферу.

Теологические доказательства постепенного формирования океана.

Подобно многим, Ревель [1955] считал, что образование океана происходило постепенно. По его мнению, имеются доказательства того, что значительная часть океана возникла после позднего мезозоя. Присутствие плосковершинных морских гор, коралловых атоллов и гайотов на обширных территориях так называемого «андезитного пояса» Тихого океана указывает на опускание морского дня относительно уровня моря. Этому опусканию отвечает увеличение общего объема морской воды примерно на четверть современного объема вод океана. Другие доказательства возможности опускания морского дна в течении последних 100 млн. лет были получены при палеонтологических исследованиях ископаемой фауны в керне скважин, пройденных в Тихом океане. Кроме того, это высказывание подтверждают плосковершинные морские горы между Гавайскими островами и островами Вейк, поднимающимися с глубины 5000-6000 м ниже современного уровня моря.

Ревель отмечает, что ввиду резкого расцвета в позднем мезозое пелагических фораминифер возможно было значительное увеличение поступления двуокиси углерода из внутренних частей Земли, сопровождавшееся соответствующим увеличением поступления воды.

2. Физические свойства морской воды

Плотность.

Для краткости плотность морской воды р выражается через , определяемую следующим образом:

При нормальном атмосферном давлении плотность морской воды зависит от температуры Т, солености S или хлорности CV. Взаимоотношения плотности и хлорности, при нормальных температуре и давлении выражаются формулой Кнудсена:

Коэффициент расширения.

В таблице 1 даны значения коэффициента расширения морской воды при давлении, равном 1 атм.

Удельная теплота.

(1.2.)

Зависимость удельной теплоты (Ср) морской воды при 00 С и давлении в 1 атм от солености может быть выражена формулой Кувахара.

Где S – соленость.

Таблица 1. Коэффициент теплового расширения морской воды при различных температуре и солености.

Точка замерзания.

Где êt – значение точки замерзания, Cl – величина хлорности.

Осмотическое давление:

[Мияки, 1939]    (1.4.)

р=(1,240+0,00454t)Cl

(1.5.)

Упругость паров:

Где р – осмотическое давление, р – плотность; R – газовая константа; Мо – молекулярный вес воды; р – упругость паров.

Электропроводность

L (в зависимости от хлорности морской воды CL). (Таблица 2).

Таблица 2. Электропроводность морской воды (Lх106).

(1.6.)

Вязкость:

Где hо – коэффициент вязкости при О0 С; t – температура морской воды; a и b - константы, меняющиеся с изменением солености.

Поверхностное натяжение (дин/см2)

(1.7.)

a=75,64-0,114t+0,0399Cl

Показатель преломления света

В морской воде при 250 С для D-линии натрия равен:

[Мияки,1939]     (1.8.)

n25D=1,332497+0,000334Cl

Коэффициент угасания света a

(1.9.)

В морской воде может быть найден по формуле:

Где Iо –интенсивность монохроматического света с длиной волны у поверхности моря l, Iz – длина волны света на некоторой глубине z при допущении, что падающий и проходящий лучи света перпендикулярны к поверхности воды.

3. Химический состав морской воды

Главные и малые химические компоненты морской воды. (табл. 3 и 4).

Таблица 3. Химический состав морской воды.

Таблица 4. Малые компоненты морской воды.