Мировой океан: происхождение, возраст, эволюция

Доклад, прочитанный в День учителя географии 2 апреля 2009 г.

 

 

Земля во многих отношениях уникальная планета, но, пожалуй, самое удивительное на ней — наличие большого количества жидкой воды. Водяной пар и лед можно найти на других планетах, в астероидах и метеоритах, но жидкая вода есть только на Земле. Особенность жидкой фазы воды заключается в том, что она может существовать лишь в очень узком диапазоне температур — от 0 до 100 °С, и такие температурные условия сохраняются продолжительное время только на Земле. Именно присутствие жидкой воды сделало возможным возникновение и развитие жизни на Земле в ее современных формах. Самым большим хранилищем воды является Мировой океан, который, как показывают данные палеогеографии, никогда полностью не замерзал и не испарялся.

Приведем определение этого интересного географического объекта, данное в одной из последних работ известного океанолога академика А.С. Монина: «Мировой океан — непрерывно распределенная по поверхности Земли (на площади, охватывающей около 71%) и ограниченная снизу и с боков причудливой формой рельефа дна и береговой линией континентов толща соленой воды с массой 1377·10⁶ гигатонн, имеющая среднюю глубину около 3800 метров, с многочисленными разбросанными на ее поверхности островами, и разнообразной формой жизни в ее глубинах».

После первого знакомства с океаном вполне естественно возникает желание знать, когда и как он образовался, всегда ли был таким, каким мы его знаем сегодня, и как эволюционировал на протяжении истории Земли? Вопрос тем более интересен, что историю формирования и развития материков и всей нашей планеты можно понять только в том случае, если хорошо известна история возникновения и дальнейшей эволюции Мирового океана. Следует заметить, что история океана весьма сложна, во многом еще недостаточно изучена и пока не может быть истолкована однозначно. Поэтому далее будут приведены наиболее широко распространенные, но иногда требующие дополнительных подтверждений научные представления по интересующему нас предмету.

Прежде всего, зададимся вопросом о времени появления жидкой воды, о том, как быстро это произошло после образования самой планеты. В настоящее время считается, что образование Земли началось 4,6 млрд лет назад. Согласно некоторым гипотезам, промежуточной стадией формирования планет из межзвездной пыли и газов считается образование так называемых планетезималей — твердых и крупных (до нескольких сотен километров в поперечнике) тел, последующее скопление и объединение которых становится процессом аккреции ¹ уже непосредственно планеты. По геологическим меркам, Земля сформировалась очень быстро, примерно за первые сто миллионов лет своей истории достигнув 93—95% сегодняшней массы. Наиболее вероятно, что первоначально Земля не имела атмосферы и гидросферы, а ее поверхность непрерывно изменялась в результате интенсивной метеоритной бомбардировки.

Образование планеты сопровождалось сильным гравитационным сжатием и выделением столь большого количества тепла, что первые сотни миллионов лет у поверхности Земли существовал магматический океан, или расплавленная первичная астеносфера. Так как в расплаве (магме) находились вещества разные по составу и плотности, началась гравитационная дифференциация. При этом более плотные вещества (тяжелые металлы) погружались, образуя металлическое (железное) ядро планеты, а менее плотные (силикаты) всплывали, постепенно создавая мантию и литосферу. Дифференциация сопровождалась дегазацией мантийного вещест-ва, при которой легко кипящие фракции переходили в газообразное состояние и, выходя на поверхность, формировали первичную плотную и горячую атмосферу Земли. Наиболее вероятно, что вначале атмосфера состояла из углекислого газа (СО₂), аммиака (NH₃), возможно также сернистого водорода (H₂S) и хлористого водорода (HCl), но главное, в ней появился водяной пар, количество которого постепенно увеличивалось и, по некоторым оценкам, могло достигать величины порядка 10²¹ кг, что составляет около 70% массы современной гидросферы Земли.

Постепенное истощение источников внутреннего тепла Земли привело к остыванию и кристаллизации магмы с последующим образованием первичной твердой земной коры. Дальнейшее остывание верхних слоев планеты и понижение температуры ниже точки кипения неизбежно вызвало конденсацию водяного пара и тем самым появление жидкой фазы воды. Можно полагать, что озера первичной гидросферы на поверхности молодой планеты неоднократно испарялись и появлялись вновь, пока не установился температурный режим, в среднем повсеместно допускавший существование жидкой воды. Когда это могло произойти?

Самые древние (из известных сегодня) горные породы найдены в Западной Австралии, их возраст оценивается в 4,2—4,0 млрд лет. Большое внимание привлекли извлеченные из них зерна минерала циркона (химическая формула ZrSiO₄, часто радиоактивен). Изотопный анализ древнейших цирконов показал повышенное содержание тяжелого изотопа кислорода ¹⁸О, характерное для жидкой воды. Это служит косвенным доказательством того, что эти минералы образовались в присутствии жидкой воды. В тех же западноавстралийских цирконах оказалось аномальное содержание еще некоторых изотопов, свидетельствующее о земном (не метеоритном) происхождении минералов.

Помимо косвенных получены и прямые доказательства существования жидкой воды. В горных породах возрастом 3,9—3,8 млрд лет, найденных в юго-западном районе Гренландии, обнаружены железистые кварциты водного происхождения, что позволяет предположить существование жидкой воды в этом районе на 200—300 млн лет ранее указанного времени. Таким образом, гидросфера Земли начала формироваться не позднее 4 млрд лет тому назад при постепенном остывании поверхности планеты и конденсации водяного пара первичной атмосферы. Первые, еще весьма мелководные, моря будущего Мирового океана заполняли впадины застывшего рельефа, разрастались, сливались с соседними водными бассейнами.

Полагают, что первичная земная кора, которая выплавлялась из мантии, состояла из пород, близких по своему составу к базальтам. Во всяком случае, первичная кора имела основной или ультраосновной состав, то есть была идентичной современной земной коре океанического типа. Протоконтинентальная кора начала формироваться почти в то же время, но занимала значительно меньшие площади. Ее первые острова расчленяли неглубокий первичный океан на отдельные бассейны.

Собрано большое число подтверждений существования океана в ранние геологические эпохи. Одним из первых обоснованные предположения о возрасте и эволюции Мирового океана высказал в 1901 г.австрийский геолог Эдуард Зюсс. В основе его рассуждений лежала смелая гипотеза о том, что привычное расположение материков и океанов на поверхности Земли не было незыблемым и постоянным в геологическом прошлом. По заключению Зюсса, в позднем палеозое — раннем мезозое (порядка 350 млн лет тому назад) существовал мегаконтинент Гондвана, в котором слились фрагменты Африки, Индостана, Южной Америки, Австралии и Антарктиды. Спустя четырнадцать лет немецкий геофизик Альфред Вегенер, развивая гипотезу Зюсса, предложил теорию дрейфа континентов. Он считал, что Гондвана Зюсса была частью еще более крупного суперконтинента Пангеи, окруженного сплошным кольцом океанических вод. Постепенно появлялись данные о том, что Атлантический и Индийский океаны с геологической точки зрения молоды, а Тихий океан значительно более древний. Согласно палеомагнитным данным, древние океаны шириной до 3,5 тыс. км существовали в палеозое (400—500 млн лет тому назад), а еще более широкие, до 5 тыс. км, — в раннем протерозое (1,7—2,5 млрд лет тому назад).

Реликтами земной коры океанического типа считаются офиолиты — особый комплекс интрузивных, эффузивных и осадочных пород, широкое распространение которых в том или ином районе свидетельствует о существовании древнего океана. Найдены офиолиты раннепротерозойского и даже архейского (3—4 млрд лет) возраста.

Первоначально древние океаны были мелководными, но вместе с постепенным увеличением объема жидкой воды глубины возрастали — от 150—700 мв архее до 2900 м в среднем протерозое (1,2 млрд лет). Воды Мирового океана достигли объема близкого к современному приблизительно к началу кембрийского периода, около 570 млн лет назад, а в дальнейшем пополнялись в процессе продолжавшейся дегазации мантии во время вулканиче-ских извержений (в особенности подводного вулканизма) и перераспределялись между отдельными океанами.

Итак, первые бассейны, наполненные жидкой водой, появились на Земле не позднее 4 млрд лет тому назад. С тех пор температурные условия на поверхности Земли в среднем всегда находились в пределах существования жидкой воды, иными словами, океан никогда полностью не исчезал. Это важно отметить, так как далее предстоит разрешить любопытный парадокс. Дело в том, что на дне современных океанов нигде не найдено не только осадочных пород с возрастом более 170 млн лет, но и коренные породы океанического дна оказались с геологической точки зрения удивительно «молодыми».

Несоответствие между возрастом Мирового океана, соизмеримым с возрастом Земли, и молодостью океанического дна объясняется с позиций теории новой глобальной тектоники. Согласно ее положениям, земная кора не есть единая твердая и неизменная оболочка земного шара, а представляет собой своеобразную мозаику из нескольких жестких литосферных плит площадью в десятки миллионов квадратных километров, находящихся на плаву в вязкой астеносфере и непрерывно испытывающих вполне упорядоченные горизонтальные перемещения. Объясним кажущийся временной парадокс на примере Атлантического океана.

Через центральную часть океана с севера на юг простирается срединно-океанический хребет. В осевой части хребта располагается рифтовая долина, по которой проходит граница между соседними литосферными плитами: Американской — к западу от хребта, Африканской и Евразийской — к востоку. Рифтовая долина есть зона спрединга, или раздвижения, плит. Под ней происходит поднятие расплавленного мантийного вещества, формирование из него новых участков океанической коры и их перемещение в обе стороны от хребта. Скорость раздвижения литосферных плит составляет единицы сантиметров в год. По сторонам рифтовой долины расположены самые молодые участки океанического дна. С удалением от хребта возраст донных осадков постепенно увеличивается и достигает наибольших значений в прибрежных зонах океана. Достигнув берега, океаническая часть плиты «ныряет» под нависающий край континента, происходит ее поддвиг под соседнюю плиту и погружение в мантию. Таким образом, возраст океанического дна зависит от расстояния между рифтовой зоной (осью спрединга) и областью погружения (называемой зоной субдукции), а также от скорости горизонтального перемещения плит.

Механизм, приводящий в движение литосферные плиты, объясняется следующим образом. Конвекция, возбуждаемая внутренним теплом Земли, порождает в мантии конвективные ячейки. Под зонами спрединга находятся восходящие ветви, в зонах субдукции —нисходящие, в промежутке — горизонтальные ветви конвективных ячеек. Горизонтальные размеры ячеек соответствуют расстояниям между зонами спрединга и субдукции, вертикальные составляют в современную геологическую эпоху около 400 км.

Интересно, что базальты, кристаллизующиеся из расплава в рифтовой зоне, одновременно намагничиваются в магнитном поле Земли и впоследствии сохраняют свои магнитные свойства. Это позволяет, сравнивая магнитные характеристики образца базальта с соответствующими характеристиками современного магнитного поля, определять возраст разных участков океанического дна.

Считается, что тектоника литосферных плит начала действовать не позднее 3,5—3,0 млрд лет назад, но размеры плит были меньше, а число их больше. Современные черты динамики этот механизм приобрел в начале позднего протерозоя (около одного миллиарда лет назад). Теперь можно в общих чертах проследить, как менялись очертания океанов и континентов на поверхности Земли.

Первые структуры континентов возникли около 3 млрд лет назад. На рубеже архея и протерозоя (2,5 млрд лет тому назад) горизонтальные перемещения литосферных плит привели к сближению и постепенному слиянию древних материков, что привело к формированию первого суперконтинента Пангеи, окруженного единым океаном Панталассом. Названия даны по старой научной традиции использования грече-ского языка: пан — всеобщий, гео — земля, таласс — океан. Примерно через 300—500 млн лет Пангея раздробилась на обособленные континенты, между которыми возникли океанские бассейны. В дальнейшей истории Земли подобная компактная группировка материков в единый континент возникала, существовала и разрушалась трижды, с периодичностью около 800 млн лет. Последней была палеозойско-мезозойская Пангея, существование которой первым обосновал А. Вегенер. Интересно, что компоновка каждой Пангеи была сходна с «вегенеровской». Во всяком случае, многие факты говорят о том, что в перемещении литосферных плит прослеживается определенная упорядоченность. Таким образом, сегодняшняя конфигурация материков и океанов не есть нечто застывшее навсегда. Она меняется буквально на наших глазах, только эти изменения происходят очень медленно, со скоростями в среднем 4—6 см в год.

Рис. 1. Реконструкция суперконтинента Пангея, около 200 млн лет назад (по Я. Голонке, 2000 г.)

 

Геологический прогноз движений литосферных плит в ближайшие примерно 50 млн лет в главных чертах выглядит следующим образом. Атлантический океан станет шире, а площадь Тихого океана сократится. Австралия продвинется на север и подойдет ближе к Евразийской плите. Азия соединится с Северной Америкой в районе Алеутских островов. Красное море раздвинется — это зародыш будущего океана, полуостров Калифорния станет островом. Океаны Земли в ходе своей эволюции проходят последовательно этапы развития от узкого моря (Красное море сегодня) до размеров современного Тихого океана. Одновременно происходят сближения и расхождения материков, изменение их числа и пространственной ориентации.

Мировой океан это, прежде всего, морская вода, привлекающая к себе пристальное внимание океанологов. Одной из важнейших характеристик вод, наполняющих Мировой океан, является соленость. В практических целях соленость принято характеризовать концентрацией раствора, которую измеряют в промилле (‰), то есть в тысячных долях, и средняя соленость морской воды составляет около 35‰.

Под соленостью понимается выраженная в граммах масса всех твердых веществ, растворенных в 1000 г морской воды, когда карбонаты превращены в окислы, бром и йод замещены эквивалентным количеством хлора, а органические вещества сожжены при 480 °С. Кратко можно сказать, что соленость морской воды есть отношение массы растворенного твердого вещества к массе раствора.

Вода является одним из лучших растворителей, поэтому на Земле невозможно найти химически чистое вещество Н₂О, все природные воды в той или иной степени минерализованы. Воды первичного океана также представляли собой раствор солей, по концентрации близкий к современной солености, но солевой состав раствора был отличен от настоящего. Ювенильный раствор, поступавший на поверхность Земли при дегазации мантии, на первых порах, по-видимому, полностью выпаривался, но с понижением температуры ниже точки кипения воды стал растворяться в воде первых земных морей. Одновременно в раствор переходили легко растворимые вещества первичной земной коры. Кроме того, в воде первых морей растворялись газы, содержавшиеся в первичной атмосфере: HCl, HF, HBr, B(OH)₃ и некоторые другие. Поэтому первое время существования океана его воды должны были проявлять кислую реакцию из-за присутствия в растворе сильных кислот.

В дальнейшем происходило приспособление солевого состава первичного океана к изменяющимся термическим и гидрохимическим условиям на поверхности Земли. В растворе оставались те элементы, для которых не нашлось достаточного количества сильных осадителей, например такие, как хлор и бром. Их процентное содержание в растворе почти не изменилось. Содержание других элементов, прежде всего углерода, сильно уменьшилось. Это свидетельствует о том, что в океане постоянно протекают процессы, выводящие углерод из раствора. Основная реакция этого типа — перевод углекислого газа в угольную кислоту с дальнейшим переходом в нерастворимый и потому выпадающий в осадок карбонат кальция. Этот процесс происходил всегда и протекает до сих пор. Сильные кислоты в океане архейского времени вступали в реакцию с сильными основаниями, что в результате привело к постепенной нейтрализации первично кислых вод.

Рис. 2. Литосферные плиты и скорости их перемещения в мм/год (по В.Е. Хаину, 2008 г.)

 

Существенные изменения в солевом составе океанских вод начались с возникновением и дальнейшим развитием жизни. С появлением биосферы начала проявляться реакция фотосинтеза, в ходе которой из морской воды выводятся, прежде всего, углерод и азот. В процессе фотосинтеза создается свободный кислород, что открыло возможность формирования современной азотно-кислородной атмосферы. В результате фотосинтеза из атмосферы почти полностью был извлечен углекислый газ, что способ-ствовало стабилизации карбонатной системы, возникновению скелетных организмов, а в дальнейшем — накоплению карбонатных осадочных толщ на дне океанов.

Эти и другие природные процессы постепенно видоизменяли солевой состав океанических вод, который стал преимущественно хлоридно-сульфатным и практически идентичным со-временному. В настоящее время морская вода представляет собой равновесный природный раствор, обладающий исключительно высокой химической инертностью, сохраняющий свой состав и концентрацию солей практически неизменными на протяжении, по меньшей мере, последней геологической эпохи.

¹ Аккреция (лат. accretio приращение, увеличение) — гравитационный захват вещества и последующее его падение на космическое тело под действием гравитации, сопровождается выделением гравитационной энергии.

Следующая публикация — см. № 20