6О ВОЗМОЖНОМ КОМПЕНСАЦИОННОМ МЕХАНИЗМЕ ДЕГИДРАТАЦИИ МАНТИИ
В.П. Зверев
Институт геоэкологии им Е.М. Сергеева РАН, Москва e-mail: zverev@geoenv.ru
Земля, как и другие планеты Солнечной системы, образовалась в результате аккреции и аккумуляции сначала восстановленных и обедненных летучими энстатитовых хондритов (~ 85% массы), а затем - богатых летучими, окисленных углистых хондритов. Эти процессы развивались по геологическим масштабам времени достаточно быстро -примерно 20 млн лет. Наиболее активная аккумуляции летучих на Земле связана с поступлением последней (~ 1%) порции углистых хондритов [1]. Основная масса летучих, захваченных планетами, была представлена водородом (~ 70 об.%) и гелием (~ 30 об.%) Содержание собственно воды было невелико и составляло порядка 10 5 об.%. Разогрев планет и внутренняя дифференциация их вещества сопровождались дегазацией, темпы и масштабы которой во многом зависели от массы планеты и ее расстояния до Солнца, что, в свою очередь, определило особенности распределения и эволюции воды на каждой из планет земной группы. В отличие от других летучих основная масса воды не покинула Землю, а на ранних этапах развития планеты в результате процессов гидратации вошла в состав ее твердой фазы.
Содержание воды в гипотетической примитивной мантии Земли оценено И.Д. Рябчиковым [2] примерно в 0,1% ее массы, что составляет порядка 4-1024 г. Этим же автором сделан вывод, что содержание H2O в стеклах MORB (190 г/т) соответствует концентрации воды в деплетированной и дегазированной верхней мантии. Исходя из
24
этого, в настоящее время в мантии находится ~ 1-10 г H2O и, соответственно, около 3-1024 г воды было дегазировано. Значительная часть этой дегазированной массы пошла на формирование поверхностной и подземной гидросфер, которое началось, судя по изотопным данным, на рубеже архея - 4 млрд лет тому назад. Средние темпы выделения воды за это время составляют 0.75-10 г/год. По мнению большинства исследователей, на начальных этапах эволюции Земли они были выше, затем снизились в современную эпоху до 0.25-1015 г/год [3].
В настоящее время в поверхностной гидросфере аккумулировано 1.37-1024 г воды.
24
Суммарное количество всех типов подземных вод земной коры составляет 0.531-10 г [4-6], т.е. меньше половины массы поверхностной гидросферы.
В осадочной оболочке земной коры в современную эпоху содержится 0.195-1024 г воды. Существенно больше воды (0.336-1024 г) сосредоточено в «гранитной» и «базальтовой» оболочках земной коры [4].
Можно заключить, что на настоящем этапе эволюции Земли масса поверхностной и подземной гидросфер приближается к 2-1024 г, в мантии находится ~ 1-1024 г и примерно такое же количество воды было диссипировано в мировое пространство.
Важнейшей особенностью подземных вод земной коры является то, что они относятся к ее подвижным компонентам, благодаря постоянному переносу которых практически любая система в пределах земной коры является открытой. Перенос подземных вод в толще земной коры, обусловленный совместным действием солнечной радиации, теплового и гравитационного полей Земли, реализуется в процессе ее эволюции непрерывно (включая ряд циклов), начиная от активного водообмена в верхних частях земной коры, до замедленного - в глубоких. Уточненная и дополненная [5-6] количественная модель системы подземных вод, включающая гидрогеологический, литогенетический и геологический циклы, круговороты воды в пределах земной коры, приведена в табл. 1.
Таблица 1
Количественные параметры системы подземных вод Земли
Цикл водообмена Геосфера Элемент геосферы Масса воды, г Массо-поток, г/год
Гидрогеологический Свободные подземные воды Зона активного водообмена 1.37-1021 10.51 • 1018
Зона замедленного водообмена 21.4-1021 0.66-1018
Литогенно-метаморфический Связанные воды континентальной и океанической кор Связанные воды осадочных пород 108.9-1021 6>1015
Связанные воды гранитно-метаморфической оболочки 1411021 0.04Ы015
Связанные воды осадков океанов 63.8-1021 0.324015
Связанные воды вулканогенного и базальтовых слоев океанической коры 195-1021 0.984015
Геологический Термальные воды рифтовых систем 1-1018
Зона перехода от океана к континенту Вулканические извержения 0.1151015
Парогидротермы 4.0^ 1015
Свободные воды верхней части земной коры 22.77-1021 11.171018
Связанные воды земной коры 0.5 09-1024 7.84^ 1015
Связанные воды верхней мантии 0.95-1024 0.38^ 1015
Подземные воды земной коры и верхней мантии 1.461-1024
Эта модель включает:
- гидрогеологические массопотоки свободных гравитационных подземных вод зоны активного и замедленного водообмена в пределах континентального блока земной коры, полностью контролирующие современные экзогенные процессы;
- литогенно-метаморфические массопотоки подземных вод в пределах континентального и субконтинентального блоков земной коры, обусловленные освобождением в основном физически связанных вод глинистых толщ (при их погружении и уплотнении в процессе литогенеза), а также последовательными процессами гидратации пород, переносом химически связанной воды вместе с горными породами и дегидратацией последних (по мере погружения в ходе регионального метаморфизма);
- геологические и литосферно-мантийные массопотоки подземных вод в пределах океанической коры, реализующиеся в зонах ее сопряжения с островными дугами и активными континентальными окраинами в процессе субдукции (эти потоки формируются физически связанными водами I сейсмического осадочного слоя океанической коры и химически связанными водами II вулканогенного и III базальтового слоев океанической коры).
Геологическая роль свободных, физически и химически связанных вод, затягиваемых в процессе дрейфа литосферных плит и субдукции под континентальную кору (геологического круговорота подземных вод, суммарный массопоток которых составляет 0.975-1015 г/год), очень велика. Они образуют гидротермальные системы, участвуют в вулканических извержениях и формируют нисходящий поток воды, достигающий низов земной коры и верхней мантии, равный ~ 0.38-1015 г/год.
И. Д. Рябчиков [2] подчеркивает большое значение глубоких ветвей (до 400 км) геологического круговорота, которые могут достигать переходной зоны и контролировать начало плавления мантийных пород.
Особое место занимают гидротермальные циркуляционные системы рифтовых зон срединных океанических хребтов. Массопотоки нисходящей и восходящей ветвей этих систем, по данным разных исследователей, оцениваются примерно в 1018 г/год.
Исходя из общности происхождения планет земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс), справедливо допустить, что начальные содержания воды в них были пропорциональны их массам. Разогрев недр планет и внутренняя дифференциация их
вещества сопровождались дегазацией летучих, темпы и масштабы которой существенно отличались, что, в свою очередь, определило особенности распределения и эволюции воды на данных планетах земной группы. Общим для них (за исключением Земли) является крайне низкое содержание, практически полное отсутствие воды в атмосферах и на поверхности.
На Меркурии и Луне атмосфера и гидросферы полностью отсутствуют. На Венере, по мере ее дегазации, формировалась атмосфера, состоявшая из углекислого газа, гелия и паров воды. Последние, будучи легче, попадали в верхние слои атмосферы, под действием солнечного света диссоциировали на ОН и Н. Последний вместе с гелием покидали планету, способствуя формированию углекислой атмосферы.
В атмосфере, на поверхности и в приповерхностных частях Марса в настоящее
время присутствуют объемы воды, составляющие лишь незначительную часть от ее
первоначальной массы. Это позволяет допускать существование на Марсе поверхностной
гидросферы и океанов. Предполагается, что атмосфера на Марсе, существовавшая в
условиях теплого влажного климата, на рубеже 4.1-3.8 млрд лет назад была разрушена и
потеряла большую часть поверхностной гидросферы. Современные проявления воды на
Марсе - это реально существующие ледяные шапки на полюсах. По приближенной
оценке, масса воды во льдах на поверхности и в приповерхностных частях Марса может
21
составить примерно 1.2-10 г, это примерно на три порядка меньше, чем на Земле.
Распределение воды на планетах земной группы свидетельствует о том, что большая ее часть дегазировала. Можно допустить, что содержание воды в их мантиях соответствует значениям, характерным для деплетированной мантии Земли, и пропорционально массам планет. Исходя из этого, рассчитанные, сугубо ориентировочные массы воды в их толщах приведены в табл. 2.
Резко отличается по этим показателям Земля, температурный режим которой позволяет вот уже более 3 млрд лет существовать поверхностной гидросфере и мощным круговоротам воды, захватывающим земную кору и верхнюю мантию. Вулканическая активность на Земле происходит в течение всей ее истории и, в отличие от других планет, на ней реализуются процессы плейтектоники: рифтинг, дрейф литосферных плит и субдукция.
Время существования и особенности развития вулканизма, отсутствие дрейфа литосферных плит позволяют заключить, что количество и особенности распределения
Характеристики планет земной группы
Параметры Меркурий Венера Земля Марс
Масса, 1027 г 3.302-10"1 4.8685 5.974 6.41810-1
Плотность, г/см3 5.427 5.24 5.514 3.94
Температура поверхности, °К 100/700 735 185/331 186/268
Вулканическая деятельность, 109лет тому назад до ~3.5 до 1.0-0.5 до настоящего времени до 1.0-2.0
Дрейф литосферных плит, 109 лет тому назад не было не было с 2.5 не было
Существование поверхностной гидросферы, 109 лет тому назад не было не было с 3.0 4.1-3.5
Начальная масса воды, 1 п 24 10 г 0.2-0.32 2.9-4.3. 3.6-5.4 0.38-0.57
Современная масса воды, 1024 г <10-5 >0.8 -3.0 -0.0012
Масса воды в толще планеты, 1024 г <10-5 ~0.8 -1.8 -0.1
воды на планете могут в определенной мере служить причиной, ограничивающей возможность реализации этих процессов. Действительно, вулканизм на Меркурии, Венере, Марсе и Луне развивался только в первые миллиарды лет после их образования, пока недра планет содержали массы воды, достаточные для поддержания необходимых физических условий для образования магм. По мере дегазации вулканизм на Меркурии, Венере и Марсе повсеместно постепенно затухал. Причем, чем больше было воды, тем дольше он продолжался. На этих планетах не существует процессов рифтинга и субдукции, которые определяют тектонику плит и для реализации которых необходимо постоянное участие определенных масс воды (поступающих из поверхностной гидросферы и водосодержащих горных пород океанической коры в зоны погружения плит для поддержания физических параметров горных пород, необходимых для конвекции в верхней мантии).
На Земле, в срединно-океанических хребтах, поступление воды в зону образования магм осуществляется в результате гидротермальной конвекции непосредственно из океанических вод. В зонах субдукции за поступление воды ответственны геологический, литосферно-мантийный массопотоки и круговорот подземных вод океанической коры (табл. 3).
Массопотоки геологического круговорота подземных вод за 2.5 млрд лет
Составляющие массопотока За 2.5 млрд лет (1024 г)
Гидротермы 2.000
Вулканические извержения 0.29
Нисходящий поток 0.947
Полный массопоток 3.237
В результате этого физически связанные воды осадочного и вулканогенно-осадочного слоев океанической коры погружаются под континентальную кору и, переходя в свободное состояние, участвуют в формировании гидротерм, в вулканизме островных дуг и активных континентальных окраин. Химически связанные воды базальтового слоя океанической коры в ходе дрейфа литосферных плит и субдукции поступают в глубокие слои земной коры и верхнюю мантию [7], где они переходят в свободное состояние, перманентно поддерживают необходимые физические параметры горных пород и магматических расплавов, необходимые для конвекции в верхней мантии. В.П. Трубицын [8] отмечает, что влияние воды на вязкость вещества сравнимо с влиянием температуры.
На Земле процессы рифтогенеза, дрейфа литосферных плит и субдукции начались порядка 2.5 млрд лет назад, после возникновения океанов и одновременно с образованием гидратированных осадочных и вулканогенных пород океанической коры. Масса воды, поступившая в нижнюю часть земной коры и верхнюю мантию за время существования геологического круговорота подземных вод и реализации дрейфа литосферных плит, составляет 0.947-1024 г (табл. 4), что соизмеримо с массой воды, содержащейся в мантии (1-1024 г) и диссипированной в космическое пространство.
Таблица 4
Массы воды, участвующие в дегазации мантии
Параметры гидросферы Масса воды, 10 г
Содержание воды в деплетированной и дегазированной верхней мантии ~ 1
Масса воды, диссипированной за пределы Земли ~ 1
Нисходящий массопоток геологического круговорота подземных вод за 2.5 млрд лет 0.95
Вышеизложенное дает основание предположить, что геологический круговорот подземных вод океанического блока земной коры, в свою очередь связанный с процессами тектоники плит, является механизмом, компенсирующим дегидратацию
мантии и поддерживающим содержание воды в ней на уровне, достаточном для ее конвекции и реализации тектонической активности Земли в течение длительного периода, вплоть до настоящего времени.
ЛИТЕРАТУРА
1. Wanke H., Dreibus G. Chemical composition and accretion history of terrestrial planets // Philosophical transactions of the Royal Soc. A. 1988. July. Vol. 325. Issue: 1587. -Режим доступа: http://www.rsta.royal society publishing.org
2. Рябчиков И.Д. Флюидный режим мантии Земли // Вестник ОГГГГН РАН. 1999. № 3(9). С. 141-153.
3. Сорохтин О.Г. Жизнь Земли. М.: Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2007. 452 с.
4. Зверев В.П. Подземные воды земной коры и геологические процессы. 2-е изд. М.: Научный мир, 2007. 256 с.
5. Зверев В.П. Подземная гидросфера. Проблемы фундаментальной гидрогеологии. М.: Научный мир, 2011. 260 c.
6. Зверев В.П. Система природных вод Земли. М: Научный мир, 2013. 312 с.
7. Файф У., Прайс Н., Томпсон А. Флюиды в земной коре. М.: Мир, 1981. 436 с.
8. Трубицын В. П. Единая глобальная эволюционная тектоника Марса, Земли и Венеры и этапы тектонической эволюции континентов на Земле // Эволюция тектонических процессов в истории Земли: Материалы XXXVII Тектонич. совещ. Новосибирск, 2004. С. 220-223.
