4. Данные геохимии

Я уже заметил во введении к этой главе, что для нашей проблемы плодотворным может стать изучение геохимических данных о содержании различных элементов в земной коре в целом.

Все подобные сводки имеют один недостаток - в них допускается экстраполяция данных, полученных при изучении верхних слоев коры, на всю земную кору. Прямым анализам доступно вещество коры лишь на глубину не более нескольких километров, куда проникают шахты и нефтяные скважины. Правда, во вскрытых эрозией ядрах бывших горных цепей можно встретить породы коры, залегавшие некогда на глубине около 30 км. Чтобы по этим скудным данным составить представление о составе земной коры в целом, приходится применять далеко идущую экстраполяцию. Так, поскольку в наше время кора под океанами сильно отличается от материковой и по строению и по составу, мы получим разные данные о составе коры в зависимости от того, будем ли мы исходить из представления о подвижности материков или об относительной неизменности их расположения, другими словами, станем ли мы на сторону "фиксистов" или "мобилистов". "Старая" геология пропитана духом фиксизма, но в последние десятилетия на первый план выходит мобилизм. На оценку состава коры не может не повлиять и интерпретация происхождения вулканических пород, таких, как граниты. Раньше считалось, что они ведут свое происхождение от мантии, на которой лежит кора, получающая, таким образом, постоянный приток вещества из глубины. В противовес этой магматистсной теории выдвинута метаморфистсная теория происхождения гранитов: по мнению некоторых ученых, граниты - это подвергшиеся ультраметаморфизму части древнейшей коры, местами плавившейся и превращавшейся в мигму. По этой теории, вещество коры не связано с мантией, а "циркулирует" в верхних слоях земного шара (фиг. 80). В последние десятилетия вторая теория завоевала немало сторонников [31].

Фиг. 80. Обзор основных петрологических теорий [31]. Серым показан материал, который, согласно данной теории, должен рассматриваться как ювенильный; белым - материал, участвовавший в круговоротах. Вверху перечислены породы (в первой строке - не содержащие СаСО₃, во второй - с СаСО₃. В конце прошлого и первой половине этого столетия господствовала (главным образом благодаря трудам немецкого петролога Розенбуша) классическая теория магматизма. Современные петрологи склоняются к трансформизму или даже к неогеттонистским идеям

Итак, геохимия не может дать однозначные ответы на наши насущные вопросы. К тому же большинство геохимических построений опирается на фиксистские и магматистские концепции. Впрочем, один случай представляет собой счастливое исключение. Речь идет об элементах, составляющих гидросферу и атмосферу, элементах, для которых Руби создал термин "избыток летучих" [34, 35]. По Руби, который исходил из фиксистских (и магматистских) соображений, главные породообразующие элементы (Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K и др.), имеющиеся сейчас на Земле в осадочных породах и в морской воде, судя по их общим запасам, вполне могут происходить из первичных горных пород, выветрившихся за геологическое время. Мобилистский (или мигматистский) подход вряд ли изменит что-либо в этом балансе. Но ни та ни другая теория не позволяет понять, откуда взялись летучие вещества (Н₂O, СO₂, Сl, N, S и многие другие), которых в гидросфере и атмосфере явно больше, чем могло дать одно выветривание горных пород. К этим "лишним" количествам летучих веществ и относится термин "избыток летучих". Их общее количество оценивается в табл. 20.

Таблица 20. Избыток летучих в современной атмосфере и гидросфере, а также в захороненных осадочных породах (10²⁰ г) [34]

¹ (Данные по "общему углероду" - сумма 248 "лишних" единиц С и 506 "лишних" единиц О.)

Возможны два объяснения наличия в атмосфере и гидросфере избытка летучих. Либо океанские воды и весь избыток летучих океана и атмосферы представляют собой наследие древнейшей горячей атмосферы, образовавшей после охлаждения гидросферу и атмосферу, либо все эти вещества выделились за геологическое время из недр Земли при обезгаживании. Данные геохимии говорят, что исходная горячая атмосфера с соответствующим составом была бы совершенно нестабильной. Кроме того, от тех времен сохранились бы в осадочных породах минералы, отличные от тех, которые нам знакомы. Поэтому приходится отдать предпочтение второй гипотезе, тем более что она лучше согласуется с современными астрономическими представлениями (гл. V).

Для нашей проблемы важнее всего знать глобальные запасы О₂ и СО₂ в сравнении с количеством углерода, связанного в осадочных породах. Если, как мы предполагаем, весь свободный кислород современной атмосферы имеет биологическое происхождение и возник в процессе фотосинтеза, то куда же делся углерод, фиксирующийся при этом? Конечно же, он перешел во вновь строящиеся при фотосинтезе растительные ткани, а после отмирания растений он мог отложиться в осадочных породах. Здесь из него могли возникать горючие ископаемые (каустобиолиты), например уголь и нефть. В основном они состоят из биогенного углерода.

Сравнивая данные по Земле в целом, мы видим, что сейчас в атмосфере и гидросфере, вместе взятых, содержится гораздо больше О₂, чем СО₂. Общий запас свободного кислорода (он содержится главным образом в атмосфере) оценивается примерно в 60⋅10¹⁸ моль, а запас СО₂ (находящийся в основном в гидросфере) составляет лишь около 3⋅10¹⁸ моль [38]. Чтобы мог возникнуть весь свободный кислород Земли, из недр за геологическое время должны были выделиться значительные количества СО₂. Это вполне возможно: в вулканических газах очень много двуокиси углерода.

Запасы ископаемых каустобиолитов оцениваются в 248-10²⁰ гС, или 20⋅10²⁰ г-атомов С. По сравнению с запасом кислорода в атмосфере (60⋅10¹⁰ моль) это очень много. Видимо, большая часть кислорода, связанная ранее с "избыточным" углеродом, пошла на окисление первичных породообразующих минералов земной коры.

Трудности, с которыми приходится сталкиваться при составлении более достоверного геохимического баланса, мы рассмотрим сейчас на примере круговорота серы.