Происхождение и эволюция внешних геосфер: газоводной атмосферы, кислого океана, свободного атмосферного кислорода и возникновение жизни
На підставі термодинамічного та кінетичного аналізу даних про PT-умови у зовнішніх геосферах обгрунтовано нові геохімічні ідеї щодо генезису та еволюції високотемпературної газоводної атмосфери (800–375 °C) в археї (3,8–2,8 млрд років тому), кислого океану та вільного атмосферного кисню у ранньому п...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Доповіді НАН України |
|---|---|
| Datum: | 2011 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2011
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/44177 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Происхождение и эволюция внешних геосфер: газоводной атмосферы, кислого океана, свободного атмосферного кислорода и возникновение жизни / Р.Я. Белевцев // Доп. НАН України. — 2011. — № 12. — С. 83-90. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-44177 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Белевцев, Р.Я. 2013-05-26T14:15:53Z 2013-05-26T14:15:53Z 2011 Происхождение и эволюция внешних геосфер: газоводной атмосферы, кислого океана, свободного атмосферного кислорода и возникновение жизни / Р.Я. Белевцев // Доп. НАН України. — 2011. — № 12. — С. 83-90. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/44177 523.681 На підставі термодинамічного та кінетичного аналізу даних про PT-умови у зовнішніх геосферах обгрунтовано нові геохімічні ідеї щодо генезису та еволюції високотемпературної газоводної атмосфери (800–375 °C) в археї (3,8–2,8 млрд років тому), кислого океану та вільного атмосферного кисню у ранньому протерозої за реакцією: Cl2 (г) + H2O (ж) = 2Cl^− (в) + 2H^+ (в) + 0,5O2 (г). У рифеї під впливом осадкоутворення нейтралізується кисла океанічна вода та створюються сприятливі умови для виникнення життя на Землі. При активізації тектоніки літосферних плит у фанерозої спостерігаються зростання гір, збільшення швидкості літогенезу, підсилення вулканізму та міцності землетрусів, еволюція життя, падіння PO2 в атмосфері, загальне похолодання, що особливо проявляється у неогені та четвертинному періоді. На планеті Марс повинна проявитися подібна до земної еволюція зовнішніх сфер у ранньому докембрії (4,2–3,0 млрд років тому). On the basis of the thermodynamic and kinetic analyses of data on PT-conditions in outer geospheres, new geochemical ideas of the genesis and evolution of the high-temperature gas-water atmosphere (800–375 °C) in the Archean (3.8–2.8 bln yr ago), sour ocean, and free atmospheric oxygen in the Early Proterozoic by the reaction Cl2 (g) + H2O (l) = 2Cl^− (w) + 2H^+ (w) + 0.5O2 (g) are grounded. In the Riphean under the influence of lithogenesis, the acid oceanic water was neutralized, and the favorable conditions for the origination of life appeared. In the Phanerozoic, the activation of the tectonics of lithospheric plates was accompanied by the fast growth of mountains, fast lithogenesis, intensification of earthquakes and volcanism, faster evolution of life, and a decrease of the O2 pressure in the atmosphere, especially in the Neogen and the Quarternary period. On the Mars planet, a similar evolution of outer geospheres was displayed in the Early Proterozoic (4.2–3.0 bln yr ago). ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Доповіді НАН України Науки про Землю Происхождение и эволюция внешних геосфер: газоводной атмосферы, кислого океана, свободного атмосферного кислорода и возникновение жизни Genesis and evolution of outer geospheres (gas-water atmosphere, sour ocean, and free atmospheric oxygen) and the origination of life Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Происхождение и эволюция внешних геосфер: газоводной атмосферы, кислого океана, свободного атмосферного кислорода и возникновение жизни |
| spellingShingle |
Происхождение и эволюция внешних геосфер: газоводной атмосферы, кислого океана, свободного атмосферного кислорода и возникновение жизни Белевцев, Р.Я. Науки про Землю |
| title_short |
Происхождение и эволюция внешних геосфер: газоводной атмосферы, кислого океана, свободного атмосферного кислорода и возникновение жизни |
| title_full |
Происхождение и эволюция внешних геосфер: газоводной атмосферы, кислого океана, свободного атмосферного кислорода и возникновение жизни |
| title_fullStr |
Происхождение и эволюция внешних геосфер: газоводной атмосферы, кислого океана, свободного атмосферного кислорода и возникновение жизни |
| title_full_unstemmed |
Происхождение и эволюция внешних геосфер: газоводной атмосферы, кислого океана, свободного атмосферного кислорода и возникновение жизни |
| title_sort |
происхождение и эволюция внешних геосфер: газоводной атмосферы, кислого океана, свободного атмосферного кислорода и возникновение жизни |
| author |
Белевцев, Р.Я. |
| author_facet |
Белевцев, Р.Я. |
| topic |
Науки про Землю |
| topic_facet |
Науки про Землю |
| publishDate |
2011 |
| language |
Russian |
| container_title |
Доповіді НАН України |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Genesis and evolution of outer geospheres (gas-water atmosphere, sour ocean, and free atmospheric oxygen) and the origination of life |
| description |
На підставі термодинамічного та кінетичного аналізу даних про PT-умови у зовнішніх геосферах обгрунтовано нові геохімічні ідеї щодо генезису та еволюції високотемпературної газоводної атмосфери (800–375 °C) в археї (3,8–2,8 млрд років тому), кислого океану та вільного атмосферного кисню у ранньому протерозої за реакцією: Cl2 (г) + H2O (ж) = 2Cl^− (в) + 2H^+ (в) + 0,5O2 (г). У рифеї під впливом осадкоутворення нейтралізується кисла океанічна вода та створюються сприятливі умови для виникнення життя на Землі. При активізації тектоніки літосферних плит у фанерозої спостерігаються зростання гір, збільшення швидкості літогенезу, підсилення вулканізму та міцності землетрусів, еволюція життя, падіння PO2 в атмосфері, загальне похолодання, що особливо проявляється у неогені та четвертинному періоді. На планеті Марс повинна проявитися подібна до земної еволюція зовнішніх сфер у ранньому докембрії (4,2–3,0 млрд років тому).
On the basis of the thermodynamic and kinetic analyses of data on PT-conditions in outer geospheres, new geochemical ideas of the genesis and evolution of the high-temperature gas-water atmosphere (800–375 °C) in the Archean (3.8–2.8 bln yr ago), sour ocean, and free atmospheric oxygen in the Early Proterozoic by the reaction Cl2 (g) + H2O (l) = 2Cl^− (w) + 2H^+ (w) + 0.5O2 (g) are grounded. In the Riphean under the influence of lithogenesis, the acid oceanic water was neutralized, and the favorable conditions for the origination of life appeared. In the Phanerozoic, the activation of the tectonics of lithospheric plates was accompanied by the fast growth of mountains, fast lithogenesis, intensification of earthquakes and volcanism, faster evolution of life, and a decrease of the O2 pressure in the atmosphere, especially in the Neogen and the Quarternary period. On the Mars planet, a similar evolution of outer geospheres was displayed in the Early Proterozoic (4.2–3.0 bln yr ago).
|
| issn |
1025-6415 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/44177 |
| citation_txt |
Происхождение и эволюция внешних геосфер: газоводной атмосферы, кислого океана, свободного атмосферного кислорода и возникновение жизни / Р.Я. Белевцев // Доп. НАН України. — 2011. — № 12. — С. 83-90. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT belevcevrâ proishoždenieiévolûciâvnešnihgeosfergazovodnoiatmosferykislogookeanasvobodnogoatmosfernogokislorodaivozniknoveniežizni AT belevcevrâ genesisandevolutionofoutergeospheresgaswateratmospheresouroceanandfreeatmosphericoxygenandtheoriginationoflife |
| first_indexed |
2025-11-27T08:08:16Z |
| last_indexed |
2025-11-27T08:08:16Z |
| _version_ |
1850804804368990208 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
12 • 2011
НАУКИ ПРО ЗЕМЛЮ
УДК 523.681
© 2011
Член-корреспондент НАН Украины Р.Я. Белевцев
Происхождение и эволюция внешних геосфер:
газоводной атмосферы, кислого океана, свободного
атмосферного кислорода и возникновение жизни
На пiдставi термодинамiчного та кiнетичного аналiзу даних про PT -умови у зовнiшнiх
геосферах обгрунтовано новi геохiмiчнi iдеї щодо генезису та еволюцiї високотемпера-
турної газоводної атмосфери (800–375 ◦C) в археї (3,8–2,8 млрд рокiв тому), кислого
океану та вiльного атмосферного кисню у ранньому протерозої за реакцiєю: Cl2 (г) +
+H2O (ж) = 2Cl− (в)+ 2H+ (в)+ 0,5O2 (г). У рифеї пiд впливом осадкоутворення нейт-
ралiзується кисла океанiчна вода та створюються сприятливi умови для виникнення
життя на Землi. При активiзацiї тектонiки лiтосферних плит у фанерозої спосте-
рiгаються зростання гiр, збiльшення швидкостi лiтогенезу, пiдсилення вулканiзму та
мiцностi землетрусiв, еволюцiя життя, падiння PO2
в атмосферi, загальне похолодан-
ня, що особливо проявляється у неогенi та четвертинному перiодi. На планетi Марс
повинна проявитися подiбна до земної еволюцiя зовнiшнiх сфер у ранньому докембрiї
(4,2–3,0 млрд рокiв тому).
Проблемы, гипотезы, идеи. Удивительно сильно стремление большинства геологов и гео-
химиков переносить современные физико-химические условия на Земле в глубину геологи-
ческой истории, вплоть до возникновения планеты. Они считают, что уже в раннем архее
с 3,8 млрд лет тому назад отлагались морские железисто-кремнистые осадки с участием
анаэробных бактерий [1]. По этим нептунистическим представлениям физические условия
на земной поверхности в то время были близки к современным с нормальной температурой
и с жизнью в архейских морях, а возникшая Земля была твердой и холодной, посколь-
ку произошла путем аккреции холодного вещества газовопылевой туманности (T = 40 К,
P = 10−3 Па = 10−8 бар, V = 3 · 105 м3/моль) [2–4]. Космическая пыль (нано и микронные
твердые частицы) и космический газ (преимущественно водород) самопроизвольно стремят-
ся к рассеиванию и охлаждению вещества в пространстве по уравнению диффузии и тер-
модиффузии с большой энтропией (230 Дж/(моль · град)) и устойчивостью. Для аккреции
вещества газопылевой туманности нужна огромная энергия (30 кДж/моль). Источник та-
кой энергии неизвестен, а аккреции также препятствует “солнечный ветер” [4].
Таким представлениям противоречит широкое распространение высокотемпературных
процессов в архее — активного плутонического магматизма и гранулитового метаморфизма,
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №12 83
связанных с большой теплогенерацией из недр Земли, которая на порядок превышала совре-
менную. Надо отметить также коренные геолого-петрологические отличия предполагаемых
осадочных раннедокембрийских пород от настоящих фанерозойских осадков. Кроме того,
по данным вулканологов и литологов, первичный океан должен быть кислым, поскольку
выщелочить натрий из пород в морскую воду можно только в сильнокислой среде [5, 6].
В начальный догеологический катархейский этап (4,5–3,8 млрд лет тому назад, далее
т. н.) Земля не содержала твердых пород и была в расплавленном состоянии [2, 4–6], о чем
свидетельствует отсутствие датировок этого этапа. На быстро остывшей Луне имеются маг-
матические анортозиты с возрастом 4,4–4,0 млрд лет т. н. [2, 3, 6]. О магматическом состоя-
нии недр Луны и Земли в катархее также свидетельствует сжатие тел этих планет с полюсов
и смещение центра тяжести Луны к Земле из-за притяжения к последней [3, 4, 6], что было
возможно лишь при расплавленном состоянии недр Луны и благодаря чему к Земле всегда
обращена только одна сторона Луны.
Наиболее обоснованной является космогеническая гипотеза В.А. Амбарцумяна,
С.К. Всехсвятского и др. [4, 5] об образовании Солнечной системы в результате взрыва
звездных скоплений в центре галактики 4,5 млрд лет т. н., первоначально все тела Солнеч-
ной системы состояли из звездной материи. Тяжелые элементы образуются только в звездах
при реакциях ядерного синтеза в условиях весьма высоких PT -параметров с выделением
огромной энергии и, поэтому они имеют большую внутриядерную энергию связи и весьма
устойчивы, причем минимальной энергией связи обладает водород как исходный материал
ядерного синтеза, а максимальная энергия связи — у кислорода, силиция, магния и особен-
но железа [2, 4, 7, 8]. Эти тяжелые элементы могли также образоваться из звездной материи
планет при ядерном синтезе в начальные этапы их эволюции как реакция на охлаждение
первичной звездной плазмы указанных планет с выделением дополнительной энергии [4].
Эволюция каждого космического тела прежде всего определятся его исходной массой из
звездной материи [4, 5].
Поднятая на поверхность Земли в результате магматической дифференциации в архее
плагиогранитовая (тоналит-трондьемитовая) магма начала кристаллизоваться 3,8 млрд лет
т. н. с образованием плагиогранитовой земной коры мощностью 10–15 км [2, 5, 6, 9, 10].
Плагиогранитовая магма содержала до 10% воды, а также около 1% других газов — хло-
ра, серы и СО2, подобно вулканогенным газам [9–14]. В раннем архее породы земной коры
были изменены региональным гранулитовым метаморфизмом [2, 5, 6, 9]. Высокотемпера-
турные термодинамические условия на земной поверхности в архее (3,8–2,8 млрд лет т. н.)
резко отличались от современных [5, 9]. На этом основании намечаются новые идеи о про-
исхождении и эволюции атмосферы и гидросферы Земли с архея и поныне, в том числе
о происхождении Земли, PT -условиях в докембрийских геосферах, магматогенном генезисе
железистых кварцитов, инфильтрационном генезисе урановых месторождений и о нижне-
рифейском кислом океане, обсуждаемые ранее [5, 12]. В настоящее время актуальны идеи
и разработки о термических условиях при геохимической эволюции архейской высокотем-
пературной газоводной атмосферы, протерозойского кислого океана, о генезисе и режиме
свободного атмосферного кислорода, а также о зарождении жизни.
Теплогенерация и состав внешних геосфер. По гипотезе В.А. Амбарцумяна
и С.К. Всехсвятского [4], при формировании Солнечной системы Праземля в начале имела
звездный состав, массу, примерно в 20 раз большую современной (120·1024 кг), внутреннюю
энергию около 1035−36 Дж и высокую температуру плазменных недр (до 106 К). От 4,5 до
3,8 млрд лет т. н. Праземля потеряла большую часть своей массы (преимущественно га-
84 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №12
Рис. 1. Зависимость высоты (H), PH2O, и температуры (T ) докембрийской газововодной атмосферы (а);
а также глубины протерозойского океана (H , м) (б ) от возраста (t)
зы — водород, гелий и другие газообразные продукты ядерных реакций), остыла, большей
частью лишившись внутренней энергии, и превратилась в магматическое тело, стратифи-
цированное по плотности, составу и температуре. Состав магматических геосфер был бли-
зок к современному, кроме растворенных в магме газов, главным из которых была вода.
В раннем архее коровые плагиограниты были интрудированы высокотемпературными (по-
рядка 2000 ◦C) железисто-кремнистыми магмами с глубины 50–100 км [5]. Теплогенерация
при формировании коры связана с распадом радионуклидов, остыванием коры, выделени-
ем тепла при кристаллизации магмы, уплотнением земной коры и мантии при кристал-
лизации магмосфер и газовыделении, что привело к уменьшению объема и радиуса Зем-
ли, а также с выделением гравитационной энергии. Оценка этой гравитационной энергии
(Eгр = 3/5GM2|R Дж = (3–4)1030 Дж в архее, где G — гравитационная постоянная; M и
R — масса и радиус Земли cоответственно [6]) исходит из того, что при кристаллизации
магмосфер их объем уменьшался в среднем на 2% и радиус Земли уменьшился примерно
на 60–100 км. Суммарная выделенная Землей энергия в архее составила около 1031 Дж
или 1022 Дж/год. Это примерно на порядок больше, нежели современный тепловой поток
c поверхности Земли — 1021 Дж/год [2–6, 8, 9, 15].
Режим температуры в геосферах. Температура земной поверхности при кристал-
лизации коровой плагиогранитовой магмы 3,8 млрд лет т. н. была 750–800 ◦C и постепенно
опустилась до нормальной температуры при литогенезе рифейских овручских кварцитов
в кислом океане 1,3–1,0 млрд лет т. н. [5, 9, 12]. Важно определить, когда температура
земной поверхности стала ниже критической температуры воды (375 ◦C), поскольку это
вызвало целый ряд важнейших процессов в атмосфере и появление гидросферы.
Можно ориентировочно установить уменьшение температуры земной поверхности по
кинетическому уравнению остывания поверхности нагретого тела [4, 6–8, 15]: T = T0 · e
−kt
или lnT0 − lnT = kt, где T0 — начальная температура (750–800 ◦C или 1023–1073 К); T —
конечная температура (25 ◦C или 298 К); t — продолжительность остывания от 3,8 до
1,3 млрд лет т. н.; k — константа скорости (0,50). Критическая температура воды (375 ◦C)
была достигнута примерно 2,8 млрд лет т. н. (рис. 1).
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №12 85
Газоводная атмосфера в архее. Теплогенерация (E) из недр Земли в архее составила
около 1031 Дж/год, в среднем 1022 Дж/год, уменьшаясь от 12 · 1021 Дж/год 3,8 млрд лет
т. н. до 6 · 1021 Дж/год 2,8 млрд лет т. н. Теплогенерация в протерозое составила в сред-
нем 4 · 1021 Дж/год, уменьшаясь от 6 · 1021 Дж/год 2,8 млрд лет т. н. до 2 · 1021 Дж/год
1,8 млрд лет т. н. lgE связан линейной зависимостью с обратной температурой. Эволю-
ционные изменения температуры, давления водяного пара и высоты атмосферы показаны
на рис. 1, а. Таким образом, в архее поверхность земной коры была покрыта высокотемпера-
турной газоводной атмосферой (800–375 ◦C). Теплоперенос в архейской газоводной атмосфе-
ре слабее, чем через породы. Тепловыделение из земной коры, теплопроводность гранитов
земной коры (2,3 Вт/(м · град)) и кондуктивный теплопоток составляли 60 мВт/м2 с темпе-
ратурным градиентом 30 град/км (табл. 1), при отсутствии атмосферы равным 1021 Дж/год
(всей поверхности Земли) [3, 6, 8, 15]. Теплопроводность водного флюида заметно ниже, чем
пород, и составляет 0,1 Вт/(м · град), тепловой поток по аналогии с атмосферой Венеры
с температурным градиентом 7 град/км [14] равен 0,65 мВт/м2, а кондуктивная темпера-
туропроводность aфл = 4 · 10−7 м2/с (см. табл. 1).
Для того чтобы охладить поверхность Земли за 1 млрд лет до критической температуры
воды 375 ◦C, нужен тепловой поток через архейскую газоводную атмосферу 0,56 Вт/м2,
что в 800 раз превышает кондуктивный массоперенос (0,65 мВт/м2) (см. табл. 1). Можно
предположить, что перенос тепла через газоводную атмосферу осуществлялся посредством
теплопередачи (W ) на границе двух сред: твердой гранитной земной коры с температурой
поверхности (T1) и газоводной атмосферы с конвективным отводом тепла (T2) по формуле:
W = am(T1 − T2), где am — коэффициент теплопередачи [8]. При снижении температуры
∆T = (T1 − T2) близ границы этих сред в пределах 50–100 ◦C: W = 0,56 Вт/м2, а am =
= 0,011–0,0056 Вт/(м2 · град) при скорости атмосферной конвекции 8–16 м/с (см. табл. 1).
Расчет термических свойств архейской газоводной атмосферы производился без учета влия-
ния парникового эффекта, который мог в заметной степени замедлить охлаждение этой
атмосферы [5, 14].
Формирование кислого океана и свободного кислорода в протерозое. При
температуре поверхности Земли ниже критической температуры воды 375 ◦C (и крити-
ческом PH2O = 220 бар) газоводная атмосфера Земли конденсировалась в жидкую воду
и в течение протерозоя превратилась в океан (см. рис. 1, б ). При достижении земной по-
верхности нормальной температуры (25 ◦C) средняя глубина океана 1,7–1,3 млрд лет т. н.
составила 2000 м. Параметры теплопереноса в протерозое от пород земной коры к океану
Таблица 1. Термические свойства внешних геосфер в докембрии
Геосфера
Теплопро-
водность, K,
Вт/(м · град)
Темпера-
туропровод-
ность, a,
м2/с
Темпера-
турный
градиент,
◦C/км
Кондукт.
теплопо-
ток,
мВт/м2
Теплопередача
от земной коры:
W, Вт/м2
;
∆T, ◦C
am, Вт/(м2
· град);
Vконв, м/с
Земная кора,
гранит
2,3 1,2 · 10
−6 30 60
Газоводная
атмосфера,
архей
0,1 4 · 10
−7 7 0,7
0,56;
50−100
0,0056−0,011;
8−16
Океан, про-
терозой
0,56 1,4 · 10
−7 2 1,1
0,27;
100
0,027;
2,5
86 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №12
Рис. 2. Образование свободного кислорода по реакции между хлором и водой (а), а также изменение массы
и парциального давления газов — хлора (Cl2) и кислорода (О2) при эволюции атмосферы Земли (б )
обуславливаются теплопередачей, подобно современным теплопотокам от пород дна океана
через воду [8, 15]. Кондуктивный теплопоток через воду равен 1,1 мВт/м2, а T1 − T2 =
= 100 ◦C [8]. Теплопередача от пород земной коры через океаническую воду составляет
0,27 Вт/м2, а am = 2,5 Вт/(м2 · град) (см. табл. 1), т. е. теплопередача на границе зем-
ной коры с океаном осуществляется при скорости придонной конвекции океанической воды
около 2,5 м/с.
Реакции между хлором и водой зависят от температуры. При высоких температурах,
выше 375 ◦C — критической температуры воды, когда она существует в виде газа (г), про-
текает реакция (∆G648 = +15,56 кДж/моль; lgKр = −1,25):
Cl2 (г) + H2O (г) = 2HCl (г) + 0,5O2 (г). (1)
Реакция (1) проходит при температуре выше критической и смещена влево (рис. 2, a),
но при температуре ниже критической при появления жидкой воды (ж) осуществляется
реакция, которая идет вправо с участием ионов (в):
Cl2 (г) + H2O (ж) = 2Cl− (в) + 2H+ (в) + 0,5O2 (г). (2)
При этом HCl (в) растворяется в воде, разделяясь на ионы Cl−(в) и Н+(в), т. е. обра-
зуется водный раствор НСl по данной реакции: ∆G298 = −25,5 кДж/моль, а ∆G648 =
= −1,8 кДж/моль; lgKp = 0,14. Отметим также, что по реакции (2) образуется кислый
океан с pH 0,15 и свободный атмосферный кислород [12]. Прохождению реакции (2) и выде-
лению свободного кислорода способствуют: уменьшение температуры, рост Pобщ, уменьше-
ние восстановленности и кислотности водных растворов, уменьшение PH2
. При этом PO2
в раннепротерозойской атмосфере достигает 1 бар. (рис. 2, б ).
Так, в раннем протерозое появился кислый океан и абиогенная богатая кислородом
атмосфера, которая определила Еh океанической воды около +0,8 В [12]. В Средне-Придне-
провских железисто-кремнистых формациях в раннем протерозое происходило образование
богатых железных руд и в позднем протерозое (1,8–1,85 млрд лет т. н.) инфильтрационных
урановых месторождений, что возможно лишь при окислительных условиях и подтверж-
дается наличием в породах и рудах гематита и 34S [13] (см. рис. 2). Первые осадки в виде
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №12 87
Рис. 3. Скорость изменения массы свободного кислорода в атмосфере Земли в кайнозое при захоронении
его в осадочных толщах и выделение О2 при вулканизме
кварцитопесчаников отложились в нижнем рифее 1,6–1,3 млрд лет т. н. при размыве первой
суши, сложенной гранитоидами, поскольку кислая вода океана выщелачивала из них все
катионы, а устойчивым остаточным продуктом этого литогенеза был кремнезем [12]. И толь-
ко в верхнем рифее 1,2–1,0 млрд лет т. н. в результате этого литогенеза вода океана была
нейтрализована и появилась возможность отложения известняков и возникновение жизни.
Эволюция геосфер в фанерозое и тектоника плит. До рифея океан представлял
собой сплошную геосферу, видимо, из-за низкой вязкости частично расплавленных ман-
тийных геосфер. В рифее появляется первая суша, однако вертикальные и горизонтальные
движения литосферных блоков имели еще незначительные скорости и в течение рифея
было накоплено лишь 250 · 1018 кг осадков, которые составляли около 15% всей осадочной
толщи неогея [13].
В фанерозое росли скорости горизонтальных надвиговых движений блоков коры с уве-
личением высоты материков и скорости их размыва, которые достигли максимума в кай-
нозое [13]. Эти движения увеличивали также площадь океанической коры с углублением
дна океанов и связаны с активизацией тектоники плит. С ростом высоты гор на матери-
ках увеличивается скорость и масса осадочных отложений [13]. Углубление дна океанов
до 5–6 км и более отражает тенденцию выделения гравитационой энергии Земли за счет
уменьшения ее радиуса. В продолжение фанерозоя радиус Земли уменьшился примерно на
2–3 км, что равносильно выделению гравитационной энергии около 1029 Дж, а скорость
тепловыделения составила 2 ·1020 Дж/год, что соответствует 20% теплового потока из недр
планеты. Если учесть, что активность тектоники плит возросла, начиная с кембрия в 5
раз [12], то можно предположить, что 50–70% энерговыделения из недр Земли дает текто-
ника плит и ее вклад в этот процесс все время увеличивается. Расширяющееся по зонам
спрединга дно океанов поддвигается под материковые и древние океанические блоки по те-
ктонически активным границам литосферных плит, что сопровождается нарастающим со
временем гравитационным энерговыделением из недр Земли в виде землетрясений, вулка-
низма, метаморфизма в подвижных зонах и теплопотока через геосферы.
В среднем атмосферный кислород захоранивается в осадочных породах в количестве
0,23% О2 от массы осадков [13]. Выделение хлора оценивается вулканологами 0,3% и со-
ответственно 0,03% О2 от массы вулканитов (рис. 3) [11]. Учитывая опережающую роль
и увеличение скорости захоронения кислорода в осадочных толщах, можно предположить
общее снижение содержания свободного кислорода в земной атмосфере. Правда, скорость
88 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №12
этого процесса невелика — для захоронения половины современной кислородной атмосфе-
ры понадобится около 70 млн лет.
Однако эти процессы на несколько порядков слабее, нежели выгорание атмосферно-
го кислорода при сжигании углеводородного топлива в техносфере. Сейчас добыча нефти
и газа составляет около 12 · 1012 кг/год, а при сжигании этого топлива используется око-
ло 30·1012 кг атмосферного кислорода [5]. Такие темпы развития углеводородной энергетики
приведут к тому, что половина кислорода земной атмосферы выгорит за 300–350 лет, а это
будет означать коллапс человечества и значительной части биосферы.
Красный цвет поверхности планеты Марс, вероятно, связан с гематитом, образованным
при окислении пород Марса в ранний постмагматический этап развития планеты, когда на
Марсе появился океан и кислородная атмосфера по земной схеме (см. рис. 1, 2). Ориен-
тировочный возраст этих процессов на Марсе — 4,2–3,0 млрд лет т. н., поскольку отноше-
ние масса/площадь поверхности у Марса в 2,6 раза меньше, чем у Земли, соответственно
и остывание Марса шло в несколько раз быстрее, чем Земли. Следует также обратить вни-
мание на горную систему “Олимп” на Марсе, высота которой достигает 25 км и, видимо,
ее происхождение связано с максимально активной стадией тектоники плит на Марсе, ко-
торую еще не достигла Земля.
Возникновение жизни. Как известно, белок живых организмов неустойчив при
температуре более 60 ◦C, а для бактерий граничные условия кислотности составляют
pH 2–3 [2, 7]. Считается, что жизнь зародилась в океане около 3,8 млрд лет т. н. в виде
анаэробных фотосинтезирующих простейших в условиях, близких к современным тропи-
ческим зонам. Однако, как показали проведенные исследования, в архее и раннем проте-
розое температура на поверхности Земли была намного выше 100 ◦C, что неблагоприятно
для возникновения жизни (рис. 1, 2). Более того, океан возник лишь в раннем протерозое
и до верхнего рифея имел сильно кислую реакцию (pH около 0,15), также неблагоприятную
для жизни [12]. Свободный атмосферный кислород образовался еще в раннем протерозое
абиогенным путем.
Таким образом, аэробная жизнь возникла в верхнем рифее 1200–1000 млн лет т. н., ког-
да в океане появились для нее благоприятные условия: нормальная температура, pH 7–8
и кислородная атмосфера [5, 12]. Совпали эти условия благодаря остыванию земной ко-
ры, образованию атмосферного кислорода, тектонике плит и осадконакоплению в нижнем
рифее.
Относительно популярного вопроса: была ли жизнь на Марсе? Скорее всего, ответ “да”,
поскольку планета Марс должна была пройти все этапы земной эволюции и в том числе
образование океана и свободного кислорода. Однако это было давно (в раннем докембрии —
4,2–3,0 млрд лет т. н.) и проходило намного быстрее, чем на Земле. Продолжительность
эволюции жизни на Марсе, вероятно, составляла сотни миллионов лет, а посему должна
сохраниться замерзшая гидросфера с остатками простейших организмов.
1. Мельник Ю.П. Физико-химические условия образования докембрийских железистых кварцитов. –
Киев: Наук. думка, 1973. – 287 с.
2. Мейсон Б. Основы геохимии. – Москва: Недра, 1971. – 311 с.
3. Соботович Э.В., Бартницкий Е.Н., Цьонь О.В., Кононенко Л.В. Справочник по изотопной геохи-
мии. – Москва: Энергоиздат, 1982. – 220 с.
4. Всехсвятский С.К. Космогония Солнечной системы // Проблемы современной космогонии / Ред.
В.А. Амбарцумян. – Москва: Наука, 1972. – С. 316–413.
5. Белевцев Р.Я., Бойченко С. Г., Спивак С.Д. и др. Термодинамика газового обмена в окружающей
среде. – Киев: Наук. думка, 2007. – 247 с.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №12 89
6. Добрецов Н.Л. Введение в глобальную петрологию. – Новосибирск: Наука, 1980. – 200 с.
7. Полинг Л. Общая химия. – Москва: Мир, 1974. – 846 с.
8. Эберт Г. Краткий справочник по физике. – Москва: Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1963. – 552 с.
9. Белевцев Р.Я. Термодинамика и генетическая эволюция докембрийских гранитоидов Украинского
щита // Эволюция докембрийских гранитоидов. Сб. науч. тр. – Киев: УкрДГРI, 2008. – С. 35–46.
10. Carrol M.R., Wyllie P. J. Experimental phase relations in the system tonalite-peridotite-H2O at 15 kb;
implications for assimilation and differentiation processes near the crust-mantle boundary // J. Petrology. –
1989. – 30, No 6. – P. 1351–1382.
11. Мархинин Е.К. Вулканизм. – Москва: Недра, 1985. – 288 с.
12. Белевцев Р.Я., Шестопалов В.М., Спивак С.Д. и др. Геохимия литогенеза овручских кварцитопес-
чаников рифея // Пошук. та екол. геохiмiя. – 2010. – № 1. – (10), – С. 22–41.
13. Ронов А.Б., Ярошевский А.А., Мигдасов А.А. Химическое строение земной коры и геохимический
баланс главных элементов. – Москва: Наука, 1990. – 182 с.
14. Планета Венера (атмосфера, поверхность, внутреннее строение) / Под ред. В. Л. Барсукова, В.П.
Волкова. – Москва: Наука, 1989. – 482 с.
15. Фролов Н.М. Температурный режим гелиотермозоны. – Москва: Недра, 1966. – 156 с.
Поступило в редакцию 23.06.2011Институт геохимии окружающей среды
НАН и МЧС Украины, Киев
Corresponding Member of the NAS of Ukraine R.Ya. Belevtsev
Genesis and evolution of outer geospheres (gas-water atmosphere, sour
ocean, and free atmospheric oxygen) and the origination of life
On the basis of the thermodynamic and kinetic analyses of data on PT-conditions in outer geo-
spheres, new geochemical ideas of the genesis and evolution of the high-temperature gas-water
atmosphere (800–375 ◦C) in the Archean (3.8–2.8 bln yr ago), sour ocean, and free atmospheric
oxygen in the Early Proterozoic by the reaction Cl2 (g)+H2O (l) = 2Cl− (w)+2H+ (w)+0.5O2 (g)
are grounded. In the Riphean under the influence of lithogenesis, the acid oceanic water was
neutralized, and the favorable conditions for the origination of life appeared. In the Phanerozoic,
the activation of the tectonics of lithospheric plates was accompanied by the fast growth of mountai-
ns, fast lithogenesis, intensification of earthquakes and volcanism, faster evolution of life, and a
decrease of the O2 pressure in the atmosphere, especially in the Neogen and the Quarternary period.
On the Mars planet, a similar evolution of outer geospheres was displayed in the Early Proterozoic
(4.2–3.0 bln yr ago).
90 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №12
|