Происхождение океанов

Земля - уникальная планета. Благодаря удачному расположению в Солнечной системе, на ней появилась жизнь. И это лишь благодаря основному отличительному от других планет свойству -  большому количеству воды в жидком состоянии. Особенность жидкой фазы воды заключается в том, что она может существовать лишь в диапазоне температур от 0 до 100 °С, и такие температурные условия сохраняются продолжительное время лишь на Земле. Мировой океан, который, как показывают данные палеогеографии, никогда полностью не замерзал и не испарялся.

Известный советский океанолог  и член-корреспондент АН СССР А.С. Монин определил Мировой океан как «непрерывно распределенную по поверхности Земли (на площади, охватывающей около 71%) и ограниченную снизу и с боков причудливой формой рельефа дна и береговой линией континентов толщу соленой воды с массой 1377·106 гигатонн, имеющую среднюю глубину около 3800 метров, с многочисленными разбросанными на ее поверхности островами, и разнообразной формой жизни в ее глубинах».

При изучении океана, у людей  естественно возник вопрос о его  эволюции, происхождении и формировании. И, прежде всего, надо было выяснить, когда на нашей планете появилась вода в жидком агрегатном состоянии.

В настоящее время принято  считать, что образование Земли  началось 4,6 млрд лет назад. Очевидно, в то время Земля не имела атмосферы и гидросферы, а ее поверхность непрерывно изменялась в результате интенсивной метеоритной бомбардировки.

Образование планеты сопровождалось сильным гравитационным сжатием  и выделением большого количества тепла. Первые сотни миллионов лет на поверхности Земли располагался магматический океан, или расплавленная первичная астеносфера. В расплаве (магме) находились разные по составу и плотности вещества, 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.

 По мере истощения источников внутреннего тепла Земли, магма, остывая,  кристаллизовывалась, что привело к образованию 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. Считается, что озера первичной гидросферы на поверхности молодой планеты неоднократно испарялись и появлялись вновь, пока не установился температурный режим.

Возраст самых древних (из известных на сегодняшний день) горных пород, найденных в Западной Австралии, оценивается в 4,2—4,0 млрд лет. Но самое важное, что из них удалось извлечь циркон, и, после проведения изотопного анализа, было выявлено повышенное содержание кислорода, характерного для жидкой воды. Такое открытие было косвенным доказательством теории, что данные минералы были образованы в жидкой воды.

Но, помимо этих косвенных доказательств, есть еще и прямые.  частности, при исследовании горных пород, найденных в Гренландии (установленный возраст - 3,9—3,8 млрд лет). Были обнаружены железистые кварциты, которые позволили ученым предполагать существование жидкой воды в этом районе на 200—300 млн лет ранее указанного времени.

Принято считать, что гидросфера начала формироваться не позднее 4 млрд лет тому назад. По мере того, как земная поверхность остывала, конденсировался водяной пар. Первые, еще весьма мелководные, моря будущего Мирового океана заполняли впадины застывшего рельефа, разрастались, сливались с соседними водными бассейнами.

К концу XVI века на глобус более или  менее правильно были нанесены материки (кроме Австралии и Антарктиды, которые к тому времени еще  не были открыты), и географы невольно обратили внимание на сходство очертаний  Западной Африки и восточного побережья  Южной Америки. Долгие годы это негативное сходство считалось случайным, его  рассматривали как величайший по масштабу природный курьез.

Впервые в таком совпадении увидел закономерность философ Ф,Бэкон, который в своём сочинении «Новый Органон» прямо указал на взаимную зависимость извивающихся береговых линий, но он не смог указать на причину.

Спустя 2 века итальянский ученый Антонио  Снидар-Пеллегрини в 1858 году высказал предположение, что Старый и Новый Свет некогда составляли единый праматерик, который в результате катастрофы раскололся надвое, и осколки разошлись в разные стороны, а постепенно увеличивавшаяся щель между ними заполнилась водой и стала Атлантическим океаном. Свою идею А. Снидар-Пеллегрини подкрепил несколькими доказательствами. Он первым обратил внимание на то, что положение месторождений угля в Европе и Америке совпадает по широте, что по обеим сторонам Атлантики обнаружены очень сходные между собой ископаемые растения. Фактическая сторона гипотезы была почти безупречной, но причина раскола праматерика и силы, которые должны были двигать континентами, оставались недоказанными.

Конечно, столь оригинальная идея о подвижности (мобильности) материков  не могла не привлечь внимания ученых того времени. Одни сразу же последовали  за А. Снидаром-Пеллегрини, другим же самая мысль о возможности перемещения континентов показалась настолько абсурдной и невежественной, что они образовали противоположный лагерь и твердо отстаивали неподвижность (фиксизм) материков в продолжение всей истории Земли. По мере получения новых фактов то мобилисты, то фиксисты одерживали верх. До сих пор в ученом мире нет единого мнения по этому вопросу, однако новейшие сведения о строении земной коры дали в руки первых ряд таких решительных аргументов, которые уже невозможно опровергнуть.

Теория мобилизма, выдвинутая в середине прошлого века, получила наиболее полное и серьезное обоснование в трудах выдающегося немецкого геофизика Альфреда Вегенера, опубликованных в 1912 и 1915 годах.

Опираясь на ряд новых данных, А. Вегенер впервые определил пути дрейфа материков и характер их развития в продолжение длительной истории нашей планеты. Он решительно отверг туманную идею о вмешательстве космических сил для объяснения причин движения континентов. Вместо этого им была предложена новая, вполне земная концепция. Как известно, наша шарообразная планета на самом деле вовсе не шар, а геоид. К тому же благодаря возвышающимся континентам она имеет неровную поверхность.

При вращении Земли вокруг своей  оси континенты под влиянием так называемой полюсобежной силы Этвеша стремятся занять равновесное положение поближе к экваториальному вздутию. Этим А. Вегенер и объяснял движение материков. Следует сказать, что причина движения была установлена им неверно. Как показали подсчеты, полюсобежная сила Этвеша не настолько значительна, чтобы сдвинуть с места материк, зато под ее влиянием происходит смещение земных полюсов, чем и достигается известное равновесие.

Здесь необходимо сказать, что еще  в середине XVIII века идея о раздвижении  материков была высказана М. Ломоносовым. В работе «О слоях земных» гениальный русский натуралист говорил о  перемещении «больших частей земного  шара», то есть материков. Причину этих перемещений он видел в процессах, происходящих в глубинах Земли. К  сожалению, труд М. Ломоносова, значительно опередивший современную ему научную мысль, не был тогда оценен по заслугам, а затем на долгие годы затерялся в архивах.

Согласно новейшим представлениям о древней истории Земли в  середине протерозоя, то есть около 1,7 миллиарда лет назад, океан уже  имел глубину и объем, равные примерно двум третям современного. Мнения большинства геологов сходятся на том, что в это время над поверхностью воды возвышался всего один континент, который получил название Пангея — «Единая Земля». Пангея, состоявшая из относительно легких пород, плавала на раскаленной полужидкой и более тяжелой верхней мантии. Внутри последней (как в то отдаленное время, так и теперь) постоянно происходит перемещение магматических масс. Вещество мантии, расплавившись в более горячих глубинах, в виде восходящих потоков устремляется вверх. Это несколько напоминает передвижение жидкости в кипящем котле. Всплыв к поверхности, горячий поток растекается в стороны и по мере остывания опускается нисходящими струями в глубину, где снова подвергается нагреванию.

Мощные восходящие потоки конвекционных  течений мантии, ударяя снизу в  Пангею, разорвали прама-терик, подобно тому как кипящая в котле вода разносит в стороны сгустки плавающей на поверхности пены. Осколки Пангеи, подгоняемые расходящимися горизонтальными потоками, поплыли в разные стороны. Конечно, этот процесс не носил характера всемирной катастрофы. Вязкость мантии настолько велика, что она движется не быстрее нагретого в котле асфальта. Скорость дрейфа частей разорванного первичного материка ничтожна. Потребовалось 250 миллионов лет, чтобы Новый Свет отплыл от Старого на расстояние ширины Атлантического океана.

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

Геологический прогноз движений литосферных плит на следующие 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. 

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  способствовало 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 современному.

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.