Николай Ясаманов - Популярная палеогеография

Увеличение мощности атмосферы и возникновение гидросферы объясняется освобождением из пород верхней мантии при интенсивных вулканических процессах водяного пара и газов. Действительно, газы, выделяющиеся при извержении современных вулканов, содержат большое количество водяного пара. Например, при извержении вулканов гавайского типа (вулканы гавайского типа характеризуются излиянием базальтовой подвижной магмы, бедной газам; застывание происходит медленно) в газах при температуре 1000–1200 °C содержится около 80 % воды и не менее 6 % углекислого газа. Встречается также значительное количество хлора (40 %), метана (до 3–5 %) и аммиак. Из лав при высокой температуре, кроме водяного пара, выделяются такие соединения, как борная, соляная и фтористая кислоты, сероводород и др.

Основываясь на химическом анализе газовых пузырьков в кварцитах катархейского и архейского возраста, советский литолог Ю. П. Казанский попытался определить состав древней атмосферы. По его мнению, в архее и катархее атмосфера имела азотно-аммиачно-углекислый состав. В ней кроме преобладающего углекислого газа (до 60 %) находились азот, сероводород, аммиак, серный газ, пары соляной и фтористой кислот. Первичная атмосфера была довольно разреженной, ее температура у земной поверхности мало отличалась от температуры так называемого лучистого равновесия (температура лучистого равновесия определяется отношением величины потока солнечного тепла, поглощенного поверхностью, к величине потока уходящего (отраженного) излучения земной поверхности. Последняя пропорциональна четвертой степени температуры этой поверхности). Сравнительно низкая температура способствовала конденсации водяного пара из вулканических газов. Таким образом водяной пар превращался в жидкость, которая, заняв пониженные участки, дала начало формированию гидросферы.

Доказательством наличия гидросферы не только в архее, но и даже в катархее является обнаружение на Земле древнейших осадочных пород в Гренландии и Южной Африке, возраст которых оценивается в 3,8 млрд. лет. Причем надо отметить, что это возраст метаморфизма, а, следовательно, время их образования, должен быть еще более ранним.

При описании состава первичного океана необходимо остановиться на двух источниках привноса растворенных соединений. С одной стороны, это растворенные в воде атмосферные газы, а с другой — соли и соединения, входящие в состав годных пород, обнаженных на земной поверхности в пределах древних первичных континентов. Перешедшие из атмосферы в воды океана угольная и другие кислоты, сера, сероводород и аммиак создавали высокую кислотность древнейших океанических вод. Высокая агрессивность природных вод способствовала интенсивному разложению обнаженных на земной поверхности вулканических горных пород и усиленному извлечению из них щелочей и щелочноземельных элементов и соединений. Со временем доля последних возросла, одновременно с этим снизилась кислотность океанических вод и сравнительно быстро установилось кислотно-щелочное равновесие.

«Все анионы морской воды возникли в результате дегазации мантии, т. е. удаления из нее газов, а катионы — при выветривании горных пород», — таков один из основных тезисов известного геохимика, академика А. П. Виноградова. Действительно, содержание в морской воде таких анионов как хлор и бром, в десятки и сотни раз превышает их количество в горных породах. Следовательно, они могли возникнуть только в результате дегазации мантии. Исходя из этого можно предположить, что соленость первичного океана должна была быть близкой к современной, хотя содержание катионов могло сильно отличаться и приближалось к современному только по мере возрастающего разрушения и растворения горных пород первичных континентов.

Об отсутствии кислорода в древней атмосфере и океане свидетельствует наличие в большом количестве не только в изверженных, но и в осадочных горных породах элементов и соединений, не подвергшихся окислению. Так, например, в катархейских карбонатных породах имеется много неизмененных зерен пирита и уранинита и отсутствует окисленная сера. Все эти породы характеризуются большой величиной отношения закисного железа к окисному.

Ввиду того, что свободного кислорода в атмосфере длительное время не было, озоновый экран отсутствовал. Атмосфера легко пропускала ультрафиолетовое излучение Солнца. В таких условиях не могло быть и речи о возможном существовании каких-либо живых организмов на суше. Под воздействием ультрафиолетового излучения в водах морей и океанов начали образовываться сложные органические соединения вплоть до аминокислот. Этому, возможно, содействовала и относительно высокая температура земной поверхности, так как насыщенность атмосферы углекислотой способствовала задержке теплового излучения.

Свободный кислород первоначально расходовался на окисление аммиака, и при этом выделялся свободный азот. Метан и окись углерода окислялись до углекислоты, основная часть которой уходила в океан. Сера и сероводород окислялись до сернистого и серного ангидрита. В океане осаждались карбонатные и сульфатно-карбонатные осадки, а морская вода становилась хлоридно-карбонатно-сульфатной.

Появление гидросферы и атмосферы было весьма важным качественным рубежом в истории Земли. Их развитие усложнило и дифференцировало процессы, протекающие в древнейшей географической оболочке. Земная кора, гидросфера и атмосфера вступили в сложные взаимоотношения путем обмена энергии и веществ. Активно происходили процессы преобразования горных пород на земной поверхности. В бескислородной атмосфере процесс выветривания протекал весьма своеобразно в обстановке повышенных температур и высокой кислотности природных вод и атмосферы.

Только в раннем протерозое, по мнению Ю. П. Казанского, атмосфера стала кислородно-азотно-углекислой. Подтверждением этого является наличие не только мощных толщ джеспилитов, т. е. пород, состоящих из кварца и окисного железа — гематита, но и разнообразных красноцветных пород, пигментирующее вещество которых состоит из окисного железа. Эти породы могли образоваться только при наличии в атмосфере свободного кислорода. Однако наряду с окислительными обстановками в протерозое существовали и восстановительные условия.

Главнейшими газами атмосферы были углекислый газ, аммиак, азот, а сопутствующими — кислород, серный ангидрит, сероводород, пары соляной и фтористой кислот, метан. По сравнению с археем общее количество кислот сильно снизилось. Тенденция к снижению паров кислот, метана, соединений серы и аммиака существовала на протяжении всего протерозойского времени. Одновременно общее количество азота в атмосфере продолжало увеличиваться.