М. Г. Дєєв,
канд. геогр. наук, старший науковий співробітник кафедри океанології Московського державного університету ім. М.В. Ломоносова
Земля у багатьох відношеннях унікальна планета, але, мабуть, найдивніше на ній - наявність великої кількості рідкої води. Водяна пара і лід можна знайти на інших планетах, в астероїдах і метеоритах, але рідка вода є тільки на Землі. Особливість рідкої фази води полягає в тому, що вона може існувати лише в дуже вузькому діапазоні температур - від 0 до 100 ° С, і такі температурні умови зберігаються тривалий час тільки на Землі. Саме присутність рідкої води зробило можливим виникнення і розвиток життя на Землі в її сучасних формах. Найбільшим сховищем води є Світовий океан, який, як показують дані палеогеографії, ніколи повністю не замерзав і не випаровувався.
Наведемо визначення цього цікавого географічного об'єкта, дане в одній з останніх робіт відомого океанолога академіка А.С. Монина: «Світовий океан - безперервно розподілена по поверхні Землі (на площі, що охоплює близько 71%) і обмежена знизу і з боків химерної формою рельєфу дна і береговою лінією континентів товща солоної води з масою 1377 · 10 6 гігатонн, що має середню глибину близько 3800 метрів, з численними розкиданими на її поверхні островами, і різноманітною формою життя в її глибинах ».
Після першого знайомства з океаном цілком природно виникає бажання знати, коли і як він утворився, чи завжди був таким, яким ми його знаємо сьогодні, і як еволюціонував протягом історії Землі? Питання тим більш цікавий, що історію формування та розвитку материків і всієї нашої планети можна зрозуміти тільки в тому випадку, якщо добре відома історія виникнення та подальшої еволюції Світового океану. Слід зауважити, що історія океану вельми складна, багато в чому ще недостатньо вивчена і поки не може бути витлумачена однозначно. Тому далі будуть наведені найбільш широко поширені, але іноді вимагають додаткових підтверджень наукові уявлення з цікавого для нас предмета.
Перш за все, задамося питанням про час появи рідкої води, про те, як швидко це сталося після утворення самої планети. В даний час вважається, що освіта Землі почалося 4,6 млрд років тому. Згідно з деякими гіпотезами, проміжною стадією формування планет з міжзоряного пилу і газів вважається утворення так званих планетезималей - твердих і великих (до декількох сотень кілометрів в діаметрі) тел, подальше накопичення і об'єднання яких стає процесом акреції 1 вже безпосередньо планети. За геологічними мірками, Земля сформувалася дуже швидко, приблизно за перші сто мільйонів років своєї історії досягнувши 93-95% сьогоднішньої маси. Найбільш ймовірно, що спочатку Земля не мала атмосфери та гідросфери, а її поверхня безперервно змінювалася в результаті інтенсивного метеоритного бомбардування.
Освіта планети супроводжувалося сильним гравітаційним стисненням і виділенням такої великої кількості тепла, що перші сотні мільйонів років у поверхні Землі існував магматичних океан, або розплавлена первинна астеносфера. Так як в розплаві (магмі) знаходилися речовини різні за складом і щільності, почалася гравітаційна диференціація. При цьому більш щільні речовини (важкі метали) занурювалися, утворюючи металеве (залізне) ядро планети, а менш щільні (силікати) спливали, поступово створюючи мантію і літосферу. Диференціація супроводжувалася дегазацією мантійного вещест-ва, при якій легко киплячі фракції переходили в газоподібний стан і, виходячи на поверхню, формували первинну щільну і гарячу атмосферу Землі. Найбільш ймовірно, що спочатку атмосфера складалася з вуглекислого газу (СО2), аміаку (NH 3), можливо також сірчистого водню (H 2 S) і хлористого водню (HCl), але головне, в ній з'явився водяна пара, кількість якого поступово збільшувалася і , за деякими оцінками, могло досягати величини порядку 10 21 кг, що становить близько 70% маси сучасної гідросфери Землі.
Поступове виснаження джерел внутрішнього тепла Землі привело до охолодження і кристалізації магми з подальшим утворенням первинної твердої земної кори. Подальше охолодження верхніх шарів планети і зниження температури нижче точки кипіння неминуче викликало конденсацію водяної пари і тим самим появу рідкої фази води. Можна вважати, що озера первинної гідросфери на поверхні молодої планети неодноразово випаровувалися і з'являлися знову, поки не встановився температурний режим, в середньому повсюдно допускав існування рідкої води. Коли це могло статися?
Крім непрямих отримані і прямі докази існування рідкої води. У гірських породах віком 3,9-3,8 млрд років, знайдених в південно-західному районі Гренландії, виявлені залізисті кварцити водного походження, що дозволяє припустити існування рідкої води в цьому районі на 200-300 млн років раніше зазначеного часу. Таким чином, гідросфера Землі почала формуватися не пізніше 4 млрд років тому при поступовому охолодженні поверхні планети і конденсації водяної пари первинної атмосфери. Перші, ще досить мілководні, моря майбутнього Світового океану заповнювали западини застиглого рельєфу, розросталися, зливалися з сусідніми водними басейнами.
Вважають, що первинна земна кора, яка виплавлялася з мантії, складалася з порід, близьких за своїм складом до базальту. У всякому разі, первинна кора мала основний або ультраосновной склад, тобто була ідентичною сучасній земній корі океанічного типу. Протоконтінентальная кора почала формуватися майже в той же час, але займала значно менші площі. Її перші острова розчленовували неглибокий первинний океан на окремі басейни.
Зібрано велику кількість підтверджень існування океану в ранні геологічні епохи. Одним з перших обґрунтовані припущення про вік і еволюції Світового океану висловив в 1901 г.австрійскій геолог Едуард Зюсс. В основі його міркувань лежала смілива гіпотеза про те, що звичне розташування материків і океанів на поверхні Землі не було непорушним і незмінним в геологічному минулому. За висновком Зюсс, в пізньому палеозої - ранньому мезозої (близько 350 млн років тому) існував мегаконтинент Гондвана, в якому злилися фрагменти Африки, Індостану, Південної Америки, Австралії та Антарктиди. Через чотирнадцять років німецький геофізик Альфред Вегенер, розвиваючи гіпотезу Зюсс, запропонував теорію дрейфу континентів. Він вважав, що Гондвана Зюсс була частиною ще більшого суперконтиненту Пангеї, оточеного суцільним кільцем океанічних вод. Поступово з'являлися дані про те, що Атлантичний і Індійський океани з геологічної точки зору молоді, а Тихий океан значно давніший. Згідно палеомагнітним даними, стародавні океани шириною до 3,5 тис. Км існували в палеозої (400-500 млн років тому), а ще ширші, до 5 тис. Км, - в ранньому протерозої (1,7-2,5 млрд років тому).
Реліктами земної кори океанічного типу вважаються офіоліти - особливий комплекс інтрузивних, ефузивних і осадових порід, широке поширення яких в тому чи іншому районі свідчить про існування древнього океану. Знайдено офіоліти раннепротерозойского і навіть архейского (3-4 млрд років) віку.
Спочатку стародавні океани були мілководними, але разом з поступовим збільшенням обсягу рідкої води глибини зростали - від 150-700 мв археї до 2900 м в середньому протерозої (1,2 млрд років). Води Світового океану досягли обсягу близького до сучасного приблизно до початку кембрійського періоду, близько 570 млн років тому, а в подальшому поповнювалися в процесі тривала дегазації мантії під час вулканічних-ських вивержень (особливо підводного вулканізму) і перерозподілялися між окремими океанами.
Отже, перші басейни, наповнені рідкою водою, з'явилися на Землі не пізніше 4 млрд років тому. З тих пір температурні умови на поверхні Землі в середньому завжди знаходилися в межах існування рідкої води, іншими словами, океан ніколи повністю не зникав. Це важливо відзначити, так як далі треба буде розв'язати цікавий парадокс. Справа в тому, що на дні сучасних океанів ніде не знайдено не тільки осадових порід з віком більше 170 млн років, а й корінні породи океанічного дна виявилися з геологічної точки зору дивно «молодими».
Невідповідність між віком Світового океану, порівнянним з віком Землі, і молодістю океанічного дна пояснюється з позицій теорії нової глобальної тектоніки. Відповідно до її положень, земна кора не їсти єдина тверда і незмінна оболонка земної кулі, а являє собою своєрідну мозаїку з декількох жорстких літосферних плит площею в десятки мільйонів квадратних кілометрів, що знаходяться на плаву у в'язкому астеносфері і безперервно зазнають цілком впорядковані горизонтальні переміщення. Пояснимо здається тимчасової парадокс на прикладі Атлантичного океану.
Через центральну частину океану з півночі на південь простягається океанічні хребти. В осьовій частині хребта розташовується рифтовая долина, по якій проходить кордон між сусідніми плитами літосфери: Американської - на захід від хребта, Африканської та Євразійської - на схід. Рифтовая долина є зона спрединга, або розсування, плит. Під нею відбувається підняття розплавленого мантійного речовини, формування з нього нових ділянок океанічної кори і їх переміщення в обидва боки від хребта. Швидкість розсування літосферних плит становить одиниці сантиметрів на рік. По боках рифтової долини розташовані наймолодші ділянки океанічного дна. З віддаленням від хребта вік донних опадів поступово збільшується і досягає максимальних значень в прибережних зонах океану. Досягнувши берега, океанічна частина плити «пірнає» під нависає край континенту, відбувається її поддвига під сусідню плиту і занурення в мантію. Таким чином, вік океанічного дна залежить від відстані між рифтової зоною (віссю спрединга) і областю занурення (званої зоною субдукції), а також від швидкості горизонтального переміщення плит.
Механізм, що приводить в рух літосферні плити, пояснюється наступним чином. Конвекція, порушується внутрішнім теплом Землі, породжує в мантії конвективні осередки. Під зонами спрединга знаходяться висхідні гілки, в зонах субдукції -нісходящіе, в проміжку - горизонтальні гілки конвективних осередків. Горизонтальні розміри осередків відповідають відстаням між зонами спрединга і субдукції, вертикальні складають в сучасну геологічну епоху близько 400 км.
Цікаво, що базальти, що кристалізуються з розплаву в рифтової зоні, одночасно намагнічуються в магнітному полі Землі і згодом зберігають свої магнітні властивості. Це дозволяє, порівнюючи магнітні властивості зразка базальту з відповідними характеристиками сучасного магнітного поля, визначати вік різних ділянок океанічного дна.
Вважається, що тектоніка літосферних плит почала діяти не пізніше 3,5-3,0 млрд років тому, але розміри плит були менше, а число їх більше. Сучасні риси динаміки цей механізм придбав на початку пізнього протерозою (близько одного мільярда років тому). Тепер можна в загальних рисах простежити, як змінювалися обриси океанів і континентів на поверхні Землі.
Перші структури континентів виникли близько 3 млрд років тому. На рубежі архею і протерозою (2,5 млрд років тому) горизонтальні переміщення літосферних плит привели до зближення і поступового злиття древніх материків, що призвело до формування першого суперконтиненту Пангеї, оточеного єдиним океаном Панталасса. Назви дані по старій науковій традиції використання грече-ського мови: пан - загальний, гео - земля, Таласса - океан. Приблизно через 300-500 млн років Пангея роздрібнилася на відокремлені континенти, між якими виникли океанські басейни. У подальшій історії Землі подібна компактна угруповання материків в єдиний континент виникала, існувала і руйнувалася тричі, з періодичністю близько 800 млн років. Останньою була палеозойсько-мезозойська Пангея, існування якої першим обгрунтував А. Вегенер. Цікаво, що компоновка кожної Пангеї була подібна до «вегенеровской». У всякому разі, багато фактів говорять про те, що в переміщенні літосферних плит простежується певна впорядкованість. Таким чином, сьогоднішня конфігурація материків і океанів не є щось застигле назавжди. Вона змінюється буквально на наших очах, тільки ці зміни відбуваються дуже повільно, зі швидкостями в середньому 4-6 см в рік.
Геологічний прогноз рухів літосферних плит в найближчі приблизно 50 млн років в головних рисах виглядає наступним чином. Атлантичний океан стане ширше, а площа Тихого океану скоротиться. Австралія просунеться на північ і підійде ближче до Євразійської плити. Азія з'єднається з Північною Америкою в районі Алеутських островів. Червоне море розсунеться - це зародок майбутнього океану, півострів Каліфорнія стане островом. Океани Землі в ході своєї еволюції проходять послідовно етапи розвитку від вузького моря (Червоне море сьогодні) до розмірів сучасного Тихого океану. Одночасно відбуваються зближення і розбіжності материків, зміна їх числа і просторової орієнтації.
Світовий океан це, перш за все, морська вода, яка приваблює до себе пильну увагу океанологів. Однією з найважливіших характеристик вод, які наповнюють Світовий океан, є солоність. У практичних цілях солоність прийнято характеризувати концентрацією розчину, яку вимірюють в проміле (‰), тобто в тисячних частках, і середня солоність морської води становить близько 35 ‰.
Під солоністю розуміється виражена в грамах маса всіх твердих речовин, розчинених в 1000 г морської води, коли карбонати перетворені в окисли, бром і йод заміщені еквівалентним кількістю хлору, а органічні речовини спалені при 480 ° С. Коротко можна сказати, що солоність морської води є ставлення маси розчиненої твердої речовини до маси розчину.
Вода є одним з кращих розчинників, тому на Землі неможливо знайти хімічно чиста речовина Н2 О, всі природні води в тій чи іншій мірі мінералізовані. Води первинного океану також представляли собою розчин солей, по концентрації близький до сучасної солоності, але сольовий склад розчину різнився від справжнього. Ювенільний розчин, який надходив на поверхню Землі при дегазації мантії, на перших порах, мабуть, повністю випарюють, але з пониженням температури нижче точки кипіння води став розчинятися у воді перших земних морів. Одночасно в розчин переходили легко розчинні речовини первинної земної кори. Крім того, у воді перших морів розчинялися гази, що містилися в первинній атмосфері: HCl, HF, HBr, B (OH) 3 і деякі інші. Тому перший час існування океану його води повинні були проявляти кислу реакцію через присутність в розчині сильних кислот.
Істотні зміни в сольовому складі океанських вод почалися з виникненням і подальшим розвитком життя. З появою біосфери почала даватися взнаки реакція фотосинтезу, в ході якої з морської води виводяться, перш за все, вуглець і азот. В процесі фотосинтезу створюється вільний кисень, що відкрило можливість формування сучасної азотно-кисневої атмосфери. В результаті фотосинтезу з атмосфери майже повністю був витягнутий вуглекислий газ, що спосіб-ствовало стабілізації карбонатної системи, виникненню скелетних організмів, а в подальшому - накопичення карбонатних осадових товщ на дні океанів.
Ці та інші природні процеси поступово видозмінювали сольовий склад океанічних вод, який став переважно хлоридно-сульфатним і практично ідентичним з-тимчасовому. В даний час морська вода є рівноважний природний розчин, що володіє виключно високою хімічною інертністю, який зберігає свій склад і концентрацію солей практично незмінними протягом, щонайменше, останньої геологічної епохи.
1 Акреція (лат. Accretio приріст, збільшення) - гравітаційний захоплення речовини і подальше його падіння на космічне тіло під дією гравітації, супроводжується виділенням гравітаційної енергії.
Наступна публікація - див. № 20