ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 85, № 7, с. 632-642
ТОЧКА == ЗРЕНИЯ
Б01: 10.7868/80869587315050163
Каков основной механизм развития Земли? Этим широко обсуждаемым в науке вопросом задаётся автор публикуемой статьи и утверждает, что механизмом, запустившим процесс эволюции на нашей планете, является взаимодействие в рамках внутренне противоречивой системы вода—базальты. Именно абиогенная эволюция подготовила почву для возникновения и эволюции жизни.
ОСНОВНОЕ ПРОТИВОРЕЧИЕ, ОПРЕДЕЛИВШЕЕ МЕХАНИЗМЫ И НАПРАВЛЕННОСТЬ ГЛОБАЛЬНОЙ ЭВОЛЮЦИИ
С.Л. Шварцев
В одной из своих последних работ [1] академик В.Е. Хаин обратил внимание на важную роль взаимодействия атмосферы, биосферы и литосферы в развитии Земли. По его концепции, именно взаимодействие глубоких оболочек с внешними (атмосферой, гидросферой, криосферой, биосферой) привело к возникновению жизни и, соответственно, биологической эволюции. Опираясь на концепцию Гайя, выдвинутую в 1972 г. британским учёным Дж. Ловлоком [2], суть которой в том, что биосфера Земли якобы представляет собой самоорганизующуюся систему, активно взаимодействующую с атмосферой, В.Е. Хаин, помимо этого, говорит о взаимодействии биосферы с литосферой, частично с гидросферой и криосферой и предлагает новую схему развития Земли, в которой решающая роль приписывается биосфере.
Но каков механизм саморганизации биосферы? Ссылаясь на работы К. Хсю [3], В.Е. Хаин поддерживает гипотезу о том, что бактерии, меняя темп своего размножения, регулируют содержание С02 в атмосфере и тем самым воздействуют на климат. Далее, опираясь на работу М.Т. Ро-зинга и др. [4], В.Е. Хаин полагает, что живые организмы через фотосинтез преобразуют лучистую энергию Солнца в химическую, которая в
ШВАРЦЕВ Степан Львович -доктор геолого-минералогических наук, профессор Национального исследовательского Томского политехнического университета, главный научный сотрудник Томского филиала Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофи-мука СО РАН. tomsk@igng.tsc.ru
процессах выветривания и субдукционного погружения горных пород расходуется на трансформацию базальтов в граниты или, другими словами, на формирование земной коры. Отсюда делается вывод, что "нашу Землю, включая её атмосферу в единстве с биосферой, следует рассматривать как единую самоорганизующуюся систему" [1, с. 796].
Мы не собираемся обсуждать здесь концепцию Гайя. Отметим только, что её базовый принцип — регулирование живыми организмами содержания С02 в атмосфере — представляется спорным, более того, фантастическим. Да и в целом признание определяющей роли биосферы в развитии Земли означает тупиковую ситуацию в объяснении происхождения самой биосферы: спрашивается, откуда взялась биосфера, если эволюция на нашей планете началась с её появлением? Замкнутый круг, который ведёт к креационизму.
Долгое время геология видела истоки развития Земли в эндогенных (мантийных) силах, движении континентов, магматизме и т.д. Поэтому обращение одного из ведущих апологетов этого направления к идее взаимодействия земных оболочек и самоорганизации биосферы как важнейших процессов развития Земли говорит о многом.
Чтобы земные оболочки начали взаимодействовать, они сначала должны возникнуть. Развитие Земли не могло начаться с взаимодействия тел, включая биосферу, которых на планете не было. Развитие Земли, возникновение глобальной эволюции и образование земных оболочек возможно только при наличии какого-либо механизма, какой-то силы, фундаментального процесса, определяющего направленную эволюцию планеты. Последняя началась с взаимодействия не оболочек, а, скорее, ведущих компонентов окружающего мира — воды с горными породами,
газами и органическим веществом. Эту идею в своё время развивал академик В. И. Вернадский [5]. Начало такой эволюции могло быть связано с системой вода—горная порода [6]. Цель настоящей работы — показать, что на нашей планете действительно имеется внутренне противоречивая система, взаимодействие элементов которой определило начало и основной механизм развития Земли, а значит, и глобальной эволюции в целом. Речь идёт о системе вода—базальты.
ПРИРОДА ЭВОЛЮЦИИ В СИСТЕМЕ ВОДА-БАЗАЛЬТЫ
В настоящее время возраст нашей планеты считается равным 4.5 млрд. лет, время появления жидкой воды — не менее 4.4 млрд. лет [1]. Отсюда следует, что вода появилась на планете практически одновременно или чуть позже твёрдых пород. В это же время сформировалась и первая атмосфера, которая, как считает большинство учёных, состояла в основном из СН4 и NH3, в меньшей мере из паров Н20, Н2, СО, С02 и редких газов. Горными породами, образовавшими Землю, были базальтоиды, или, проще, базальты, минералогический состав которых представлен группой основных плагиоклазов (анортит, битовнит, лабрадор), группой оливинов (форстерит, фаялит), группой пироксенов (энстатит, ферросилит, ге-денбергит, диопсид) и некоторыми другими. Средний химический состав базальтов (кларко-вые содержания) представлен следующими элементами Si — 24.0%, А1 — 8.76%, Fe — 8.56%, Са — 6.72%, М§ — 4.50%, N — 1.94%, К — 0.83%, Мп — 0.20%, то есть базальты — это в основном силикаты и алюмосиликаты Fe, Са и М§. Следовательно, на ранних этапах формирования Земли после появления воды одним из первых начался процесс взаимодействия воды с базальтами в условиях восстановительной среды в присутствии С0 и С02, которые обычно участвуют в реакциях гидролиза.
Точное время появления жизни является спорным. В.Е. Хаин считает, что достоверно известна только одна цифра — 3.5 млрд. лет назад. Имеющиеся данные о её возникновении 3.8 млрд. лет назад этот учёный ставит под сомнение. Так или иначе, жизнь появилась позже воды, поскольку без воды она невозможна. По В.Е. Хаину, разница между временем их появления составляет не менее 0.9 млрд. лет. Такое соотношение представляется наиболее вероятным.
Как и откуда появилась вода на Земле, точно не установлено: многие специалисты полагают, что вода — продукт дегазации мантии и по своей природе является ювенильной, то есть первозданной, образованной из водорода и кислорода мантии [7]. Но какими темпами шло накопление воды на поверхности планеты — вопрос дискусси-
онный: одни считают, что основная масса воды на Земле появилась уже 2.5 млрд. лет назад, другие — что процесс дегазации мантии происходил равномерно в течение всей геологической истории и продолжается до сих пор, а по расчётам О.Г. Со-рохтина, объём мирового океана будет увеличиваться ещё в течение порядка 2 млрд. лет.
Другой взгляд на генезис гидросферы развивал В.И. Вернадский, который, признавая наличие воды в мантии и поступление водяного пара из глубоких частей планеты на её поверхность, всё же полагал, что "значительная часть этого водяного пара уже раньше была на земной поверхности, принимала участие в равновесиях на земной поверхности и проникла в глубокие части литосферы сверху" [5, с. 181]. Идеи В.И. Вернадского о происхождении гидросферы получили подтверждение в ходе изучения изотопного состава воды в различных земных и космических объектах. Так, В.И. Ферронский в 1974 г. пришёл к выводу, что наблюдаемые величины изотопных отношений Н и О в природных водах и породах, а особенно в океане, не согласуются с гипотезой ювенильного происхождения гидросферы. По его данным, ювенильной воды на нашей планете никогда не было, а гидросфера образовалась путём конденсации на последней стадии образования Земли из газообразного облака [8].
Гипотеза конденсационного происхождения гидросферы в настоящее время поддерживается многими, хотя далеко не всеми, учёными. Исходя из фактов глубокого антагонизма между водой и базальтами, о котором речь пойдёт ниже, мы также считаем, что гидросфера является поверхностным образованием, а в глубины Земли вода проникла в процессе её разнообразных круговоротов [9].
Из сказанного становится очевидным, что появившаяся на Земле вода могла взаимодействовать только с базальтами (так как других пород в то время не было), газами первичной атмосферы, прежде всего с С0 и С02, и, возможно, кислотами типа НС1, НД HN03 и др. Такое взаимодействие началось в восстановительной геохимической обстановке, поскольку свободного кислорода на Земле тогда ещё не было.
Взаимодействие воды с базальтами, как, впрочем, и с другими алюмосиликатами, протекает по механизму гидролиза, при котором все химические элементы с той или иной скоростью переходят в водный раствор и, накапливаясь в нём, достигают равновесия с тем или иным минералом, который и формируется в этих условиях [10].
Вторичные минералы образуются не хаотично, а строго по законам термодинамики: первыми выпадают наиболее труднорастворимые соединения (оксиды и гидрооксиды А1, Fe, Мп, Т и др.), константы растворимости которых являются ми-
Произведение растворимости некоторых природных минералов при 25°С [11]
Минерал Реакция растворения №Р* ^ условного показателя**
Гидроокислы
Ферригидрит Бе(0Ы)3 = Бе3+ + 30Н- -38.80 -9.70
Гиббсит А1(0Н)3 = А13+ + 30Н- -37.72 -9.43
Гетит Бе0ОН + Н20 = Бе3+ + 30Н- -32.81 -8.20
Амакинит Бе(0Н)2 + Н20 = Бе2+ + 20Н- -15.10 -5.03
Пирохроит Мп(0Н)2 = Мп2+ + 20Н- Карбонаты -12.65 -4.21
Сидерит БеС03 = Бе2+ + С03- -10.89 -5.44
Родохрозит МпС03 = Мп2+ + С03- -10.39 -5.20
Стронцианит 8гС03 = 8г2+ + С03- -9.27 -4.63
Доломит СаМБ(С03)2 = Са2+ + Мб2+ + 2С03- -17.09 -4.27
Кальцит СаС03 = Са2+ + С03- -8.48 -4.24
Магнезит МБС03 = МБ2+ + С03- Сульфаты -7.46 -3.73
Барит ВаЯ04 = Ва2+ + 80;|- -9.97 -5.98
Целестин 8Й04 = 8г2+ + 80^- -6.63 -3.31
Гипс Са804 ■ 2Н20 = Са2+ + 802- + 2Н20 -4.58 -2.29
Ангидрит Са804 = Са2+ + 80;|- Глинистые алюмосиликаты -4.36 -2.18
Каолинит А1^205(0Н)4 + 5Н20 = 2А13+ + 2Н48Ю4 + 60Н- -79.39 -7.94
К-монтмориллонит K0.з8Al2.з8Siз.62Ol0(OH)2 + ЮН20 = = 0.38К+ + 2.38А1 + 3.62H4Si04 + 7.520Н- -108.7 -7.82
^-монтмориллонит Na0 33А12 33Si3 67010(0Н)2 + 10Н20 = = 0.33№+ + 2.33А1 + 3.67H4Si04 + 7.320Н- -98.93 -7.24
Иллит ^.^.25^^3.5010(0^2 + 10Н20 = = 0.6К+ + 0.25Mg + 2.3А13+ + 3.5H4Si04 -102.5 -7.00
Са-монтмориллонит Cao.l67Al2.aзSiз.670lo(0H)2 + 10^0 = = 0.167Са + 2.33А13+ + 3.67H4Si04
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.