Теории образования Земли, глубинное строение ее внутренних оболочек и другие вопросы мироздания > О волновой природе напряжений и деформаций и механизме концентрации пи в земной коре
О волновой природе напряжений и деформаций и механизме концентрации пи
Устьянцев Валерий Николаевич:
Несмотря на то, что нефть залегает в различных геологических условиях, элементный состав её колеблется в узких пределах, что указывает на едины мантийный источник ее образования.
Этот факт указывает на единый источник энергии, - стационарный энергетический центр первого рода (СЭЦ), который ответстсвенен за синтез минерального сырья.
Из области ядра, исходит волна энергии, под воздействием которой вещество и его структура, подвергается преобразованию на атомарном уровне.
Закономерно-стабильное соотношение углерода и водорода (С/Н) на всех месторождениях нефти и газа мира, есть надежный показатель мантийного происхождения нефти и газа.
Состав вещества мантии, - углистые хондриты.
Нефть (пары нефти), - синтез происходил в условиях мантии системы Земли, имеет стабильное среднее соотношение: C/Н = 6.47, n = более 50.
В земной коре пары нефти переходят в жидкую фазу, при низких значениях (ПТ).
Закономерно-стабильное отношение углерода и водорода (С/Н) на всех месторождениях нефти и газа мира, есть надежный показатель мантийного происхождения нефти и газа.
Состав вещества мантии, - углистые хондриты.
Волновой механизм концентрации минерального сырья в блоках земной коры:
1. Автоколебательная система Земли и генетически с ней связанная иерархия автоколебательных систем второго рода (структурные элементы), определяют существование единого механизма, под воздействием которого происходит концентрация всех типов минерального сырья (фактор - благоприятные РТ условия).
2. Минеральное сырье (любого типа), приурочено к интенсивно дислоцированным толщам — зонам сжатия (рассланцевания), а в их пределах — к локальным областям растяжения (трещинно-брекчиевым структурам). При этом многократная смена условий сжатия условиями растяжения, способна приводить к высокой концентрации минерального сырья.
Механизм работает под воздействием автоколебательной системы Земли.
Временной разрыв между магматизмом и постмагматическим рудообразованием, указывает на то, что система Земли, изначально была структурирована волной энергии.
С.П. Максимов, 1977, показал связь тектонических циклов и процессом накопления нефти и газа - тектоническая цикличность оказывает влияние на миграцию УВ. Тектоническая обстановка является фактором контролирующим пути направления и скорость миграции УВ.
«Синергетика объясняет процесс самоорганизации в сложных системах следующим образом: Закрытая система в соответствии с законами термодинамики должна в конечном итоге прийти к состоянию с максимальной энтропией и прекратить любые эволюции. Самоорганизация неразрывно связана с волновыми процессами. В любых открытых, диссипативных и нелинейных системах неизбежно возникают автоколебательные процессы, поддерживаемые внешними источниками энергии, в результате которых протекает самоорганизация» (И.Р. Пригожин).
Процесс формирования месторождений минерального сырья, - антиэнтропийный. Система формирования минерального сырья— открытая, благодаря наличию тектонических нарушений в земной коре. Таким образом, главным фактором формирования месторождений являются, - тектонические нарушения. То-есть, тектонические нарушения контролируют месторождения минерального сырья.
Вывод.
1. Процессы синтеза минерального сырья, не могут протекать самопроизвольно, без дополнительного притока энергии извне. Такие системы являются типичными открытыми диссипативными системами.
2. Процесс синтеза минерального сырья, - антиэнтропийный, так-как он происходит в более крупной диссипативной системе, дающей ему необходимую энергию.
3. Поступление дополнительных энергетических ресурсов, необходимых для развития таких систем, может осуществляться за счет волновой передачи энергии от внешних, по отношению к данной системе источников энергии.
4. Все ведущие энергетические центры находятся в мантии.
Пределы мантии, - область синтеза минерального сырья, область земной коры является,
6. Благородные газы генетически связаны с торием и ураном. «В 1977 г. установлено, что изотопные аномалии по Нe и Ne коррелируют с изотопными аномалиями по Аг, Кг и Хе» (Ю.Э. Шуколюков, РАН).
7. Минеральное сырье генетически связано с волной энергии распада тория, урана, кинетической энергией благородных газов и с тепловой энергией зоны: ядро-мантия. Волна энергии способствует дифференциации вещества.
8. Несмотря на то, что нефть залегает в различных геологических условиях, элементный состав её колеблется в узких пределах, что указывает на едины мантийный источник ее образования.
Этот факт указывает на единый источник энергии, - стационарный энергетический центр первого рода (СЭЦ), под воздействием которого происходит синтез минерального сырья и структурно-вещественное преобразование системы Земли.
Процессы происходящие в системе Земли, связаны генетически волной энергии.
9. Энергия преобразования системы Земли волной энергии и синтез минерального сырья, происходит, под воздействием тепловой энергии более 22 Твт. Гелий-3 обладает большим энергетическим потенциалом.
«Корреляция гелия с угллями - обратная» (Лебедев), а нефти — прямая.
Эмпирические законы:
- «Зако́н Архимеда — один из законов статики жидкостей (гидостатики) и газов (аэростатики): на тело, погружённое в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, равная весу объёма жидкости или газа, вытесненного частью тела, погружённой в жидкость или газ. Закон открыт Архимедом в III веке до н. э.
Выталкивающая сила также называется архимедовой или гидростатической подъёмной силой.
Так как сила Архимеда обусловлена силой тяжести, то в невесомости она не действует.
В соответствии с законом Архимеда для выталкивающей силы выполняется.
FA = ρgV
где:
ρ — плотность жидкости или газа, кг/м3;
g — ускорение свободного падения м/сек2 ;
V — объему части тела, погружённой в жидкость или газ, м3;
FA — сила Архимеда, Н.
- Закон Всемирного тяготения И. Ньютона:
F=G (m M/ R2 );
F-сила взаимодействия тел, М и m-массы взаимодействующих тел. Здесь G-гравитационная постоянная, равная примерно 6,6725×10-11 м³/(кг·с²).
при m1=m2=m имеем
G=Fr2/m2.
Из этой формулы видно, что гравитационная постоянная численно равна силе взаимного тяготения двух материальных точек, имеющих массы, равные единице массы, и находящихся друг от друга на расстоянии, равном единице длины. Числовое значение гравитационной постоянной устанавливают экспериментально. Впервые это сделал английский ученый Кэвендиш с помощью крутильного динамометра (крутильных весов).
В системе СИ гравитационная постоянная имеет значение
G = 6,67·10-11 Нм2/кг2.
Следовательно, две материальные точки массой 1 кг каждая, находящиеся друг от друга на расстоянии 1 м, взаимно притягиваются гравитационной силой, равной 6,67·10-10 Н.
Изучая притяжение тел по закону всемирного тяготения, мы встречаемся с гравитационным взаимодействием между телами. Это взаимодействие является одним из видов фундаментальных взаимодействий, существующих в природе. Оно осуществляется на расстоянии без непосредственного контакта между взаимодействующими телами. Гравитационное взаимодействие между телами, описываемое законом всемирного тяготения, осуществляется посредством гравитационного поля (поля тяготения). В каждой точке поля тяготения на помещенное туда тело действует сила тяготения, пропорциональная массе этого тела. Сила тяготения не зависит от среды, в которой находятся тела.
Поле тяготения обладает специфическим свойством, состоящим в том, что при переносе тела массой m из одной точки поля тяготения в другую работа силы тяготения не зависит от траектории движения тела, а зависит только от положения в этом поле начальной и конечной точек перемещения тела. Силы, обладающие подобным свойством, называют консервативными, а поле таких сил - потенциальным. Следовательно, поле тяготения является потенциальным полем, а сила тяготения - консервативной силой.
Расчет показывает, что работа силы тяготения (А) в поле тяготения Земли определяется по формуле:
A=GMm(1/r1-1/r2),
где, m - масса тела; M - масса Земли; r1 и r2 -расстояния от центра Земли до начальной и конечной точек перемещения тела.
Первый закон И. Ньютона:
Существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий, сохраняет величину и направление своей скорости неограниченно долго.
Закон верен также в ситуации, когда внешние воздействия присутствуют, но взаимно компенсируются (это следует из 2-го закона Ньютона, так как скомпенсированные силы сообщают телу нулевое суммарное ускорение).
- Центробежые силы врщающесйя планеты.
Сила тяжести направлена к центру системы Земли, в язи с чем она приобрела форму шара, при этом, легко летучие и легко плавкие элементы мигрировали к поверхности планеты.
Осадочный слой является производным разложения алюмосиликатов, - изверженных пород, с которыми связывается синтез нефти и сопровождающих ее газов, т.е., нефть, - минерал абиогенного происхождения.
«Работы М.В. Петровского, А. Кайе, П. Трикара, показали, что «тектонические структурные формы, образующиеся в земной коре, отображаются в виде определенных форм рельефа. Эпейрогенические процессы выразились в периодической деформации, которые возникают при прохождении волны, генерируемой в недрах Земли. Колебания разных порядков, возникающие в Земле, установлены путём точных инструментальных измерений. Суммирование колебаний приводит к возникновению явления резонанса» [5].
По В.В. Богацкому, 1986: «Зоны повышенной деформации разделяют относительно спокойные области. Они же являются коллекторами магмы, флюидов, гидротермальных растворов. Размер зон повышенной деформации очень различен, а внутри каждой зоны повышенной деформации могут быть выделены зоны более низкого порядка, разделенные относительно спокойными участками. Учитывая такую многостепенность деформированных зон, можно сделать единой закономерностью все тектонические взаимоотношения - от планетарных до локальных. Геологическая закономерность, которая здесь сформулирована, есть отражение двух физических законов:
1. при любой деформации твердого и вязкого тела возникает разделение его на зоны, в которых сосредотачиваются преимущественно деформации, и на разделяющие эти зоны слабо деформированные блоки, причем в таких зонах и блоках могут быть отдельные зоны и блоки низшего порядка. Самым низшим порядком зон повышенной деформации являются некоторые из решеток кристаллов. Верхний порядок зависит от размеров деформируемого тела. В ходе деформации возникают новые зоны, а старые упрочняются, но с возрастанием деформаций они могут снова оживать.
2. Зоны повышенной деформации отличаются повышенной степенью проницаемости для магмы, флюидов, газов, гидротерм, волн напряжения».
Связующим звеном геопроцессов, является волна энергии.
Опираясь на выше изложенное, можно заключить, что синтез минерального сырья происходит под воздействием энергии распада в основном тяжелых элемнтов (уран, торий). Миграция минерального вещества, - разно направленная.
Е = mc2
где, E - энергия системы, m - её масса, c-скорость света.
Энергия: (Е), единицы измерения, система СИ-(Дж), система СГС — (эрг).
E=mc2 — формула А. Эйнштейна, указывает на эквивалентность массы вещество и энергии.
Теорема доказанная И. Р. Пригожиным (1947), термодинамики неравновесных процессов:
«при внешних условиях, препятствующих достижению системой равновесного состояния, стационарное состояние системы соответствует минимальному производству энтропии». «Между главными сейсмическими рубежами и рубежами минеральных преобразований, есть хорошее согласование (корреляция), на глубинах:
410, 520, 670, 840, 1700, 2000, 2200-2300 км) [10].
1. На рубеже 670 км, шпинелеподобный рингвудит трансформируется в ассоциацию:
железо - магниевого перовскита и магнезиовюстита.
2. На рубеже 850-900 км, пироп (магниево-алюминиевый силикат), преобразуется в ромбический перовскит (железо-магниевый силикат) и твердый раствор корунд-ильменита.
3. На рубеже 1700 км. происходит изменение свойств различных кристаллов.
4. На глубине 2000 км, фиксируется образование плотных модификаций кремнезема и начинаются структурные изменения вюстита.
5. На глубине 2200-2300 км, происходит структурная трансформация корунда» [Ю.М. Пущаровский]. «Одновременное проявление (по В.В. Белоусову, 1975), на поверхности материков различных эндогенных режимов, «указывает на гетерогенность теплового поля Земли: в одно и то же время тепловые потоки в разных местах разнятся по своей интенсивности, следовательно, тепловые потоки меняют свою интенсивность как в пространстве, так и во времени».
Системы глубинных разломов контролируют миграцию вещества в системе Земли, расположение источников энергии и формирование архитектуры тектоносферы.
С разделением геологического пространства зоной интенсивной степени проницаемости, обладающей высоким энергетическим потенциалом, связывается формирование системы: сводовое поднятие - зона Беньофа - океаническая впадина.
Разделенные области обладают не только различными энергетическими потенциалами, но и разной степенью проницаемости тектоносферы, что повлияло на формирование гранито-метаморфического слоя системы Земли. Волна энергии исходящая из области ядра, также способствует процессу расширения системы Земли. Системы глубинных разломов контролируют миграцию вещества в системе Земли, расположение источников энергии и формирование архитектуры тектоносферы.
На Земле существует более чем 40 000 нефтяных и газовых месторождений мира всех размеров. Из этих месторождений 94 процента сосредоточены менее чем в 1500 гигантских и крупных природных скоплениях происхождение которых практически одинаково.
Устьянцев Валерий Николаевич:
Геоги обнаружили в мантии источник углекислого газа и воды
Александр Дубов
В верхних слоях мантии содержатся водород и жидкие углеводороды, из которых в дальнейшем могут образовываться углекислый газ и вода. Ученые из США и Индии пришли к такому выводу, проанализировав состав метаморфических пород найденного в Гималаях офиолита. Работа опубликована в Geology.
Офиолиты — комплексы горных пород, которые были найдены на континенте, но изначально являлись частью океанической коры. Офиолиты образуются в результате тектонического сдвига, который приводит к столкновению литосферных плит. На таких горных породах удалось впервые изучить структуру океанической коры. Кроме того, изначально именно офиолиты были одним из главных аргументов тектоники плит. Сейчас же они позволяют получить информацию о мантийных процессах и восстановить историю движения литосферных плит.
Геологи из США и Индии проанализировали состав Нидарского офиолитового комплекса в Гималаях. Как и во многих других офиолитах, ученым удалось обнаружить алмазы, точное происхождение которых в таких породах неизвестно. Состав минералов проанализировали с помощью лазерной рамановской спектроскопии и обнаружили, что в образцах перидотита сверхвысокого давления есть включения алмазов, графита, а также следы жидкого водорода и первичных углеводородов. При этом кислородсодержащие минералы (гематит, силикатные минералы и шпинель) встречаются только в минерале-хозяине.
По словам ученых, обнаруженный состав офиолита, вероятнее всего, объясняется следующим механизмом. Изначально в переходном и верхнем слоях мантии (на глубине около 450—600 километров) под океанской земной горой на дне океана Тетис содержались только водород и первичные углеводороды. При столкновении Индостанской и Евразийской литосферных плит вещество мантии стало подниматься вверх. Изменение давления и окислительно-восстановительных условий при подъеме мантии привело к формированию алмазов. Образующаяся порода включила в себя при этом оксидные минералы. Дальнейший подъем привел к образованию из некоторых алмазов графитовых псевдоморфоз. При этом в минералах сверхвысоких давлений сохранились и следы жидких водорода и углеводородов.
Ученые отмечают, что анализ найденных в породе алмазов нужно проводить с особой аккуратностью, потому что такие же искусственные алмазы используются в инструментах для обработки и разрезания пород и частички могут попасть в образцы.
По словам ученых, обнаруженные в составе переходного и верхнего слоев мантии углеводороды мог при подъеме мантии стать источником большого количества углекислого газа, который был впоследствии включен в глобальный цикл углерода. Кроме того, углеводороды и водород в верхних слоях мантии могли окисляться при конвекционном подъеме более глубоких слоев мантии с образованием воды и углекислого газа.
Информация обо всех возможных источниках углерода в углеродном цикле важна для исследования эволюционных процессов и появления жизни на Земле. Именно углеродный цикл приводит к формированию изотопного состава углерода, с помощью которого производят не только датировку содержащих углерод минералов, но определяют источник их происхождения. А недавно по анализу изменения цикла углерода ученые предсказали начало массового вымирания морских животных в конце XXI века.
Александр Дубов
Устьянцев Валерий Николаевич:
Кадик А.А.
Восстановленные флюиды мантии: связь с химической дифференциацией планетарного вещества.
2003. Геохимия № 9.
Химическая дифференциация Земли тесным образом связана с перераспределением кислорода в недрах планеты в результате формирования металлического ядра, глубинной дегазации, плавления, субдукционных процессов и восходящих движений мантийного вещества в виде плюмов и астеносферных диапиров. Этот процесс находит свое прямое отражение в окислительно-восстановительном состоянии глубинного вещества, мерой которого может служить летучесть кислорода (fO2) в тех или иных минеральных реакциях.
С химической точки зрения знание летучести кислорода мантийных пород является фундаментальным для любой гипотезы, касающейся ранней истории Земли [1-5], состава примитивной атмосферы [6], состава газов, приносимых магмами к поверхности Земли [7-13]. В присутствии флюидов, обогащенных СН4 и Н2, плавление мантии и химическая дифферциация магм носит иной характер, чем в присутствии флюидов, обогащенных H2O и CO2 [14-17].
Применение методов фазового равновесия для измерения летучести кислорода свидетельствуют о том, что современные литосферные и астеносферные слои верхней мантии в основном умеренно окислены. Свойственные им значения fO2 находится выше условий равновесия с металлической фазой железа. Активность Fe3+ компонентов в минералах верхней мантии соответствует значениям fO2, которые определяют преобладание СО2 и Н2О в составе глубинных флюидов и устойчивость карбонатных фаз.
С другой стороны, есть основания для предположений о восстановленном характере мантии Земли на ранних этапах ее формирования, который определяется химическим равновесием с металлической фазой железа и металлическим ядром [1, 6, 12, 13, 16, 18]. Если принять средний состав оливина верхней мантии равным Fo91, то fO2 должно было быть, по крайней мере, на 5 логарифмических единиц ниже, чем fO2 литосферных и астеносферных слоев современной верхней мантии. При таком окислительно-восстановительном состоянии планетарного вещества преобладающими летучими компонентами должны быть СН4 и Н2 в равновесии со свободным углеродом (графит, алмаз). Когда и как верхняя мантия испытала существенное повышение потенциала кислорода остается в значительной мере неясным. Определенные значения fO2 перидотитов верхней мантии из различных тектоно-структурных зон Земли свидетельствуют о том, что процесс окисления был весьма медленным и восстановительные условия, по-видимому, превалировали, по крайней мере, половину истории Земли [2, 18, 19]. Однако эти представления во многом остаются дискуссионными. Caniel [20] на основании распределения ванадия между коматиитовой жидкостью и оливином архейских лавовых потоков высказал предположение о том, что верхняя мантия достигла современных значений fO2 в короткие геологические времена на ранних этапах формирования Земли.
Кроме химической дифференциации вещества мантии и ядра Земли, на баланс кислорода в недрах планеты и, соответственно, режим летучести кислорода должно оказывать влияние изменение характера распределения Fe3+ и Fe2+ между минералами верхней мантии с глубиной, которое, как предполагается, должно привести к существенному понижению fO2 на глубинах более 300 км (9 ГПа) [21, 22]. Значение fO2 в этом случае должно удовлетворять условию существования в мантии металлической фазы железа и флюидов с высокой концентрацией CH4.
Таким образом, в рамках существующих гипотез, можно предполагать, что низкие значения fO2 и преобладание СН4 и Н2 во флюидах могли быть характерными как для ранних этапов формирования мантии, так и для глубинных слоев верхней мантии в настоящее время.
Геохимические свидетельства существования в верхней мантии областей с низкими значениями потенциала кислорода являются одним из главных вопросов, которые обсуждаются в данном исследовании. В статье приводятся аргументы в пользу представлений об эволюции окислительно-восстановительного состояния планетарного вещества в сторону повышения потенциала кислорода, сокращения поля стабильности свободного углерода и увеличения доли окисленных форм соединений углерода (Н2О, СО2) по отношению к восстановленным (СН4, СО, Н2).
Другой рассматриваемой проблемой является взаимодействие восстановленной части С О Н флюидов с продуктами плавления мантии. Наши знания в этой области весьма ограничены. Вместе с тем незначительное количество экспериментальных данных по взаимодействию СН4, Н2, а также элементарного углерода с силикатными расплавами вскрыло важную особенность окислительно-восстановительных реакций в силикатных жидкостях. Она определяется тем, что несмотря на низкие значения летучести кислорода, которые соответствуют равновесию минералов мантии с металлическим железом, устойчивыми компонентами расплавов оказались окисленные формы водорода и углерода (Н2О, ОН-, СО32-) [16, 23]. Такая особенность взаимодействия СН4, Н2 и С с силикатными расплавами может стать ключевой в выяснении механизмов образования СО2 и Н2О при формировании магм в восстановленной мантии. На основании экспериментальных данных по равновесию железосодержащий расплав (ферробазальт) + металлическая фаза (железо) + графит + водород [24] утверждается, что переход восстановленной мантии в расплавленное состояние может быть одним из механизмов формирования H2O и CO2 в прошлом Земли и их первичного поступления на поверхность планеты.
Устьянцев Валерий Николаевич:
Причины эволюции окислително-восстановительного состояния мантии
Причины, которые привели к окислению первоначального вещества мантии и смене соотношений CO2, H2O, CH4, H2 во флюиде, во многом остаются предметом дискуссии. Следует предполагать, что повышение fO2 в глубинах мантии является результатом комплекса химических и физических процессов в недрах планеты. Время, когда мантия начала испытывать повышение потенциала кислорода, зависит от того, каким образом осуществлялись процессы, контролирующие fO2 в недрах планеты. Возможно, что особенности эволюции мантии вскоре после планетарной аккреции создавали условия для первичного повышения fO2 от значений, соответствующих равновесию силикатного вещества с металлической фазой (log(FMQ) 78), до значений fO2, которые устанавливаются для наиболее восстановленных дериватов архейской литосферы возраста 3.53.0 Ga (log(FMQ) 35). Возможно, гетерогенная аккреция, эволюция металлического ядра и крупномасштабное плавление с формированием магматического океана были причиной первой стадии повышения fO2. По представлениям [3, 13, 18, 64 - 66] более поздняя эволюция окислительно-восстановительного состояния верхней мантии, которая заняла подавляющую часть геологического времени, определялась постепенным возрастанием fO2 под воздействием эволюции металлического ядра, дегазации, магмообразования и геодинамических процессов в недрах планеты (формирование плюмов, астеносферных диапиров, погружение литосферных плит). Иные представления о вековой эволюции fO2 высказываются [20, 67]. Высокие значения fO2 (log(FMQ) ~ 0) мантийных источников коматиитовых магм архейского возраста, определенных на основании распределения ванадия между ортопироксеном, шпинелью и расплавом, привели его к заключению об отсутствии изменений fO2 в верхней мантии в геологическом времени после первых стадий ее эволюции.
Считается, что повышение потенциала кислорода и появление летучих компонентов после образования металлического ядра связано с особенностями последних стадий аккреции Земли, а именно, поступлением окисленного хондритового материала, обогащенного летучими компонентами [68]. Эти представления во многом остаются спорными. Они в значительной степени основаны на определении содержаний сидерофильных элементов в породах верхней мантии, которые не соответствует ее равновесию с металлической фазой железа. В последнее годы рядом исследователей развивается представление о высвобождении кислорода при взаимодействии мантии с металлическим ядром, которое может привести к окислению мантии [69 - 71].
Физические теории эволюции планет полагают, что Земля и, возможно, другие планеты земной группы прошли через высокотемпературную стадию своего формирования [72], в результате чего около 4.5 Ga мантия Земли была частично или полностью расплавлена. Влияние этого крупномасштабного плавления (магматического океана) на состав летучих компонентов и fO2 первоначально восстановленной мантии весьма вероятно.
Предполагается, что плавление внешних углеродсодержащих слоев примитивной мантии приведет к повышению потенциала кислорода в магматическом океане и продуктах его кристаллизации в результате интенсивной диффузии и диссипации водорода в условиях конвективного течения расплавов [9]. Другой механизм эволюции состава летучих и fO2 может быть связан со спецификой растворения Н2 и С в магматических расплавах при низких значениях fO2, соответствующих равновесию верхней мантии с металлической фазой железа. Эксперименты по взаимодействию СН4, Н2, а также элементарного углерода с силикатными расплавами вскрыли важную особенность окислительно-восстановительных реакций в силикатных жидкостях, которая может объяснить образование летучих компонентов в процессах раннего плавления. Она определяется тем, что несмотря на значения летучести кислорода ниже fO2(IW) (log(FMQ) 58), устойчивыми компонентами расплавов являются окисленные формы водорода и углерода (Н2О, ОН-, СО32-) [16, 23]. Такая особенность взаимодействия СН4, Н2 и С с силикатными расплавами позволяет ожидать, что в результате плавления восстановленной углеродсодержащей планетарной мантии будут выплавляться магмы, содержащие более окисленные формы углерода и водорода, чем в самом мантийном источнике. С этой точки зрения переход восстановленной мантии в расплавленное состояние представляется одним из механизмов формирования H2O и CO2 в прошлом Земли и их первичного поступления на поверхность планеты.
Кроме процессов химической дифференциации мантийного вещества и ядра Земли на баланс кислорода в мантии и, соответственно, режим fO2 должно оказывать влияние на изменение характера распределения Fe3+ и Fe2+ между минералами мантии с глубиной. Wood [21] и Ballhaus [22] на основании изучения влияния давления на fO2 минеральных реакций пришли к заключению о существенном понижении fO2 при высоких давлениях. Предсказывается, что на глубинах около 300 км (9 ГПа) верхняя мантия может быть насыщена в отношении металлической фазы железа, а метан является доминирующим компонентом C-O-H флюидов [22].
Начиная с работы [2] процессы субдукции литосферы рассматриваются как один из главных механизмов повышения fO2 в верхней мантии [73, 74]. В рамках этих представлений возрастание fO2 мантийного вещества является следствием потоков Н2О, СО2 и Fe3+, которые сопровождают погружение окисленных литосферных плит. На основании содержаний Fe3+ и Fe2+ в базальтах срединно-океанических хребтов и океанических островов, габбро и офиолитовых комплексов и расчета баланса масс [75] пришли к заключению, что поток Fe3+ в мантию во время процесса рециклинга в течение 2 Ga составлял 4103 кг/сек. Глубинные потоки СО2 и Н2О оцениваются равными 10101011 кг/сек и 10111012 кг/сек, соответственно [6, 76]. Согласно этим оценкам вода является главным агентом окисления мантии вслед за Fe3+ в то время как роль СО2 менее значительна. Эти потоки могут объяснить современное Fe3+/Fe отношение в мантии.
Механизмы аккумуляции кислорода и Fe3+ в мантии, которые связаны с погружением литосферных плит, во многом остаются неясными. Согласно экспериментальным исследованиям Fe3+ может постепенно аккумулироваться в мантии в результате вхождения в структуру граната [65] и перовскита [77, 78]. McCommon [78] нашел, что перовскит, содержащий алюминий, может аккумулировать большое количество Fe3+ и быть в равновесии с металлическим железом. При отсутствии взаимодействия судбукционного материала с металлическим ядром должно происходить постепенное накопление Fe3+ в глубинных слоях мантии. Эта гипотеза длительного увеличения отношения Fe3+/Fe в мантии активно обсуждается. Например, Ballhaus [18], Caniel и др. [79] и Кадик [13] предположили, что мантия под кратонами возможно испытывала прогрессивное повышение fO2, начиная с раннего Архея. Однако недавно Caniel [20, 67] высказал гипотезу об относительном постоянстве fO2 верхней мантии в геологическом времени. Эти взгляды основаны на особенностях фракционирования ванадия между силикатной жидкостью, оливином, пироксеном и шпинелью, которые свидетельствуют об образовании архейских коматиитовых магм при значениях fO2, характерных для современных базальтовых магм срединно-океанических хребтов.
Представления о том, что окислительно-восстановительное состояние мантии Земли не менялось в геологическом времени, несмотря на субдукцию литосферных плит, предполагает буферирование кислорода, диффундирующего в глубины Земли. В работе [75] предполагается, что оно может быть обусловлено реакциями с металлическим ядром Земли. Если погружающиеся литосферные плиты или их дериваты достигают ядра Земли, то их взаимодействие может играть роль буфера для окислительно-восстановительного состояния мантии Земли согласно реакции:
Feo(ядро) + 2Fe3+ (материал литосферы) = 3Fe2+ (мантия) (8)
Согласно этой гипотезе реакция (8) сохраняет окислительно-восстановительное состояние мантии на постоянном уровне на протяжении большей части истории Земли.
Другим буферирующим процессом может быть взаимодействие Fe3+ с “металлическими каплями”, которые могут сохраниться в мантии как результат неполного отделения от силикатной матрицы во время дифференциации ядра [75]. Возможность подобного взаимодействия укладывается в представления [22] согласно которым, начиная с переходной зоны, глубинная мантия должна быть насыщена в отношении металлической фазы железа.
Геохимические данные устанавливают связь повышения fO2 в глубинах литосферы с метасоматических преобразованием ее пород [18, 27]. Большинство перидотитовых ксенолитов с высокими значениями logfO2(FMQ) от –2 до +1 несут признаки метасоматических изменений [18]. Геохимические данные также свидетельствуют о приуроченности возникновения метасоматических явлений в мантии к определенному моменту ее эволюции, связанному с развитием щелочного магматизма на Земле [66]. Одной из предполагаемых причин этого явления может быть изменение геодинамики планетарного вещества, поскольку ко времени возникновения метасоматизма относится начало тектоники плит (2.52.7 Ga).
Образование в верхних частях верхней мантии областей с более высоким химическим потенциалом кислорода ставит вопрос о взаимодействии с ними более восстановленного глубинного вещества при его подъеме [12, 16, 17]. Следует ожидать окисления СН4 в мантийных областях, где фронт восстановленных флюидов вступает во взаимодействие с породами литосферы c высокими значениями fO2. В самом общем виде оно может быть описано реакцией:
СН4 (глубинный флюид) + О2 (породы литосферы) 2Н2О (флюид) + С (графит, алмаз) (9)
Вероятно, взаимодействие (9) приведет к последовательному изменению составов флюидов вдоль поверхности насыщения углеродом с увеличением fO2, Н2О и СО2. Следствием окисления восстановленного флюида могут быть: 1) формирование водосодержащих флюидов, которые могут быть причиной метасоматических преобразований пород; 2) существенное понижение температуры плавления перидотитов верхней мантии как следствие резкого возрастания активности Н2О во флюидах. Предполагается, что отражением этих процессов является образование кимберлитовых магм, а также, возможно, и щелочных [15].
В рамках представлений об особенностях взаимодействия пород литосферы с высокими значениями fO2 и восстановленных слоев мантии новая геодинамическая обстановка, которая возникла 2.52.7 Ga, в силу активизации движения глубинного вещества способствовала продвижению фронта флюидов с высокой долей СН4.
Заключение
Геохимические данные свидетельствуют о том, что современные литосферные и астеносферные слои верхней мантии в основном умеренно окислены и свойственные им значения log(FMQ) в интервале 1 и –1.5 определяют устойчивость карбонатных фаз и преобладание СО2 и Н2О в составе глубинных флюидов. Вместе с тем измерения fO2 шпинелевых и гранатовых перидотитов архейской литосферы подтверждают представления о существовании в верхней мантии областей с низкими значениями fO2, которым соответствует log(FMQ) от 3 до –5. При 67 ГПа fO2 некоторых алмазосодержащих перидотитов близка к fO2(IW).
Летучесть кислорода древних цирконов (23.5 Ga) из магматических комплексов архейской коры также характеризуется величинами fO2, которые существенно ниже fO2(FMQ). Значения log(FMQ) для них лежат между 2.5 и 5.
Низкие значения fO2 характерны для наименее истощенных "сухих" шпинелевых и гранатовых лерцолитов, вынесенных к поверхности Земли кайнозойскими щелочными базальтовыми магмами в рифтовых зонах Монголии и Байкала. Для этих перидотовых ксенолитов литосферы некратонных областей log(FMQ) составляет –24.
Восстановленный характер некоторых перидотитов литосферы архейского возраста и перидотитов астеносферных и литосферных слоев рифтовых зон свидетельствует о существовании в верхней мантии условий для формирования флюидов с высокой концентрацией CH4, а также углерод-насыщенных флюидов с широкими вариациями содержаний CH4, H2, CO2 и H2O. Устанавливаются ясные признаки преобразования углеродсодержащей верхней мантии с низкими значениями fO2 в области с высокими значениями, где углерод неустойчив, и преобладающими летучими компонентами являются H2O и CO2.
Перидотиты с наиболее низкими значениями fO2 рассматриваются как представители тех областей мантии, которые сохранили значения fO2, характерные для ранних этапов формирования Земли. Вместе с тем низкие значения fO2, в отдельных областях литосферы могут найти объяснение в особенностях массобмена с глубинными восстановленными областями верхней мантии, в существовании фронта флюидов, обогащенных CH4. В рамках представлений Ballhaus [22] о существенном понижении fO2 минеральных реакций с давлением на глубинах более 300 км (9 ГПа) верхняя мантия может быть насыщена в отношении металлической фазы железа, а CH4 и H2 являются доминирующими компонентами C-O-H флюидов [22].
Предполагается, что главной тенденцией эволюции окислительно-восстановительного состояния верхних слоев мантии является повышение fО2, сокращение поля стабильности свободного углерода и, соответственно, увеличение доли окисленных (Н2О, СО2) форм соединений углерода по отношению к восстановленным (СН4, СО, Н2). Менялась и роль свободного углерода в формировании газовых компонентов вблизи поверхности Земли. Особенности дегазации углеродсодержащего магматического слоя служат основанием для предположений о существовании у планеты на первых этапах эволюции магматического океана восстановленной атмосферы с высокой долей СО, СН4, Н2. Верхние слои мантии, прошедшие существенную эволюцию в отношении потенциала кислорода, и являются тем резервуаром, который служит главным источником СО2 и Н2О для последующего базальтового магматизма, вулканической активности и для вещества коры.
Возможно, гетерогенная аккреция, эволюция металлического ядра и крупномасштабное плавление с формированием магматического океана были причиной первой стадии повышения fO2. Представляется, что в первые сотни миллионов лет по крайней мере в верхней мантии произошло существенное повышение fO2 от значений, соответствующих равновесию силикатного вещества с металлической фазой железа, до значений fO2, которые фиксируются наиболее восстановленными перидотитами архейской литосферы.
Экспериментальные исследования взаимодействия углерода и водорода с магматическими расплавами, насыщенными в отношении металлической фазы железа, позволяют предполагать ключевую роль раннего плавления мантии в формировании Н2О и СО2 и повышении fO2 при диссипации H2 из расплавов. На основании экспериментальных данных по равновесию железосодержащий расплав + металлическая фаза (железо) + графит + водород [24, 80] утверждается, что переход восстановленной мантии в расплавленное состояние может быть одним из механизмов формирования H2O и CO2 в прошлом Земли и их первичного поступления на поверхность планеты.
Более длительные процессы химической дифференциации Земли, которые оказали влияние на перераспределение кислорода и значения fO2 в недрах планеты, по-видимому, связаны с эволюцией металлического ядра, глубинной дегазацией, магмообразованием, субдукционными процессами и восходящими движениями мантийного вещества в виде плюмов и астеносферных диапиров. Геохимические данные позволяют рассматривать субдукцию литосферы в качестве одного из главных механизмов повышения fO2 в мантии, начиная со времени возникновения этого процесса. В рамках этих представлений возрастание fO2 мантийного вещества является следствием потоков Н2О, СО2 и Fe3+, которые сопровождают погружение окисленных литосферных плит.
Устьянцев Валерий Николаевич:
Значительная доля земного метана образуется в толще океанической коры
2.09.2019 • Кирилл Власов
Американские геохимики предложили объяснение для механизма абиогенного синтеза метана в породах земной коры океанического типа. При охлаждении содержащих оливин габбро, базальтов и перидотитов происходит их растрескивание с последующим захватом флюидных включений. По мере остывания оливин реагирует с водой во включениях, что приводит к образованию новых минералов и водорода, который восстанавливает CO2 до метана. Этот метан затем может долго сохраняться во включениях, при случае выделяясь на поверхность. По оценкам ученых таким образом могла образоваться большая часть абиогенного метана на Земле.
Земная кора океанического типа образуется в зонах спрединга, в которых литосферные плиты раздвигаются, а базальтовые магмы поступают из верхней мантии на поверхность и при застывании формируют новую кору. Эта кора (в классическом случае медленно раздвигающегося срединно-океанического хребта) имеет простое слоистое строение (рис. 2). Сверху находится слой излившихся лав, под ним — дайки базальтов, еще ниже — габбро (интрузивный полностью раскристаллизованный аналог базальтов) магматической камеры с верлитами (оливин-клинопироксеновыми породами), на ее дне — слой «утонувших» кристаллов оливина (дуниты), а под ними — породы мантии из которых и выплавились базальты (перидотиты). От верхней мантии кору отделяет геофизическая граница Мохоровичича, характеризующаяся скачком скоростей продольных сейсмических волн.
Оливин (Mg, Fe)2SiO4 — один из основных минералов в базальтах, габбро и перидотитах. При взаимодействии с соленой морской водой, проникающей по трещинам, возникающим в остывающих породах, безводные оливины превращаются в другие — уже водосодержащие — минералы из группы серпентина. Самые распространенные из них — лизардит, антигорит и хризотил — имеют одну и ту же химическую формулу Mg3(Si2O5)(OH)4, но разные кристаллические структуры. Также образуются брусит Mg(OH)2, магнетит Fe3O4, причем реакция формирования последнего протекает с выделением водорода. Эти процессы, характерные для температур ниже 400°C, называют серпентинизацией. Попутно с минеральными реакциями происходит увеличение объема породы, так как кристаллы серпентина по объем больше чем кристаллы оливина. Это приводит к дальнейшему растрескиванию и способствует увеличению водного потока и интенсивности преобразования со временем. Трещины, образующиеся в кристаллах оливина, при температурах выше 400°C могут закрываться (как бы «залечиваться»), захватывая циркулировавший по ним раствор. Подобные растворы в геологии называют гидротермальными флюидами, а оставшиеся в кристаллах включения (то есть пузырьки жидкости и/или газа, застрявшие в кристаллах) — флюидными.
В земной коре много кислорода, поэтому наиболее распространенными соединениями во флюидных включениях являются вода и углекислый газ (рис. 3). Однако там, где кислорода меньше (то есть в восстановительных условиях), могут образовываться водород (H2) и метан (CH4). Такой метан называют абиогенным, чтобы подчеркнуть, что он сформировался без участия живых организмов. На ранних стадиях развития жизни он служил пищей метанотрофам и, возможно, повлиял на саму эволюцию живых существ. Сегодня почти весь земной CH4 имеет органическое (биогенное) происхождение: это обычный продукт жизнедеятельности живых существ. Метан считают косвенным признаком их присутствия и на других космических телах. Поэтому недавние сообщения о регистрации повышенной концентрации метана ровером «Кьюриосити» на Марсе (см., например, статьи Mars rover detects ‘excitingly huge’ methane spike и Curiosity's Mars Methane Mystery Continues) породили значительное количество споров о его источнике.
На Земле исследования метана, выделяющегося в ходе геологических процессов из трещин в породах земной коры, в районах подводных гидротермальных полей и щелочных источников, шли в основном в контексте его участия в биогеохимических циклах и влияния на климат. При этом детально механизмы абиогенной генерации метана до настоящего времени были исследованы довольно плохо.
Уже было известно, что метан может образовываться за счет реакции водорода, выделяющегося при серпентинизации пород океанического дна с CO2, но источник этого углерода был точно не известен. Недавнее исследование изотопных соотношений углерода, отобранных на подводном гидротермальном поле Фон Дамм (Von Damm vent field, см.: J. M. McDermott et al., 2015. Pathways for abiotic organic synthesis at submarine hydrothermal fields), установило, что водород, возникающий при химических реакциях во время циркуляции флюидов по трещинам пород, напрямую не приводит к образованию метана. Идея о том, что он может поступать из верхней мантии также является несостоятельной: она слишком окисленная для того, чтобы метан был стабилен, да и изотопные соотношения углерода показывают, что источником углерода для метана является морская вода (N. Grozeva, 2018. Carbon and mineral transformations in seafloor serpentinization systems). Требовался новый механизм, который, по некоторым предположениям, мог быть связан с возникающими в оливине флюидными включениями.
Этот механизм был обнаружен командой американских ученых во главе с Фридером Клейном (Frieder Klein) из Океанографического центра в Вудс Хоул (штат Массачусетс). Изучив включения в оливинах габбро и перидотитов, отобранных по всему миру (рис. 1), они нашли связь между метаном и водородом включений и другими минералами, также присутствующими в них. Детали процесса, примерные количества и влияние такого метана на глобальный планетарный баланс углерода были описаны ими в статье, вышедшей в недавнем выпуске журнала PNAS.
При анализе флюидных включений было замечено, что в гидротермальных системах основных пород (базальты, габбро) количество метана значительно меньше, чем в ультраосновных (перидотиты) — наблюдение, которое явно как-то было связано с самим неуловимым процессом. Для его установления была изучена коллекция микропрепаратов, состоящая из 43 образцов габбро и 117 образцов перидотитов. Флюидные включения были обнаружены во всех оливиновых габбро и в 77% перидотитов. В наиболее «богатых» образцах насчитывалось до 3×106 включений (размером от <100 нм до 30 мкм) на кубический сантиметр. В основном включения располагались цепочками и группами на месте залеченных трещин. Метан найден во включениях со всех точек отбора кроме трех, в которых был обнаружен только лишь водород
Чтобы оценить количество метана в одном включении и в целом по породе, ученые определяли давление газа во включениях и их средний размер. Давление измерялось с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния по сдвигу одного из пиков метана и в среднем составило 11,5 МПа. Это число позволяет рассчитать количество метана в одном модельном включении, которое принято за сферу диаметром 10 мкм: оно составляет от 8,4×10−5 до 1,2×10−2 нмоль. При плотности 105 включений на см3 это даст 2,5–363 нмоль CH4/см3, что сопоставимо с ранее опубликованными анализами содержания этого соединения в природных образцах перидотитов (2–37 нмоль/г) и габбро (72–310 нмоль/г) (N. Grozeva, 2018. Carbon and mineral transformations in seafloor serpentinization systems).
Подсчитав содержание метана в перидотитах и габбро, таким образом, можно подвести баланс для всей океанической литосферы Земли. Если допустить, что перидотиты слагают 5% океанического дна и что в 77% перидотитов оливин составляет 75 вес.%, то равномерный километровый слой перидотитов с концентрациями метана, эквивалентными анализам природных образцов, будет содержать 2,5–367 Тг (тераграмм, то есть 1012 грамм) метана. Аналогично, если положить, что габбро встречается на 50% площади океанической коры, содержит 72 нмоль/г метана и в среднем имеет толщину 4 км, то содержание метана во всех габбро океанического дна составит 4,8 Пг (петаграмм, то есть 1015 грамм). По подсчетам авторов статьи, суммарное количество CH4 в океанической литосфере значительно превышает доиндустриальное содержание метана в атмосфере Земли, которое оценивается в 2 Пг (C. MacFarling Meure et al., 2006. Law Dome CO2, CH4 and N2O ice core records extended to 2000 years BP).
Для образования такого количества метана требуется эффективный и распространенный механизм, следы которого и были обнаружены во включениях (рис. 4). Кроме метана и водорода в них были найдены минералы группы серпентина, брусит и магнетит. Наиболее часто встречающаяся ассоциация серпентин-брусит-магнетит-метан-водород является прямым указанием на произошедший процесс серпентинизации при условиях близких к полностью закрытой системе. Ни в одном из включений не была обнаружена вода в виде отдельной фазы, однако, судя по итоговому набору минералов, она однозначно присутствовала при захвате включений и была израсходована в ходе реакций серпентинизации.
Чтобы восстановить процесс серпентинизации во всех деталях, необходимо выяснить температуры, при которых происходили разные этапы жизни включения. Оценка температуры захвата включений производилась, исходя из геодинамических и термодинамических принципов. Верхняя граница температурного окна захвата — 600–800°C. При этой температуре, которая меняется в зависимости от давления, пластичные деформации в кристаллах оливина сменяются на хрупкие, что дает возможность водному флюиду проникать по трещинам внутрь кристалла. В срединно-океанических хребтах такие температуры встречаются на глубинах от 2 до 8 км, что, вместе с циркуляцией морской воды по трещинам и раздвижением плит (рис. 6), создает условия для непрерывной генерации включений в каждой новообразованной порции океанической коры. В морской воде содержится и растворенный CO2, который также попадает во включения, — это источник углерода для будущего метана.
Реконструкция процесса взаимодействия оливина с морской водой при давлении 100 МПа и температурах от 600 до 25 градусов Цельсия происходила с использованием компьютерного термодинамического пакета EQ 3/6. Массовое соотношение «оливин:флюид» в модели составляло 5:1, а содержание растворенного в нем CO2 брали разным: 0,1, 1 и 10 ммоль/кг. Предыдущие эксперименты показывают, что оливин стабилен в присутствии водного флюида до ~400 градусов Цельсия — нижней границы формирования включений. А то, что было захвачено в интервале температур 800–400°C, при дальнейшем охлаждении начинает серпентинизироваться. Первая реакция — взаимодействие оливина с водой с образованием минералов группы серпентина:
3Mg2SiO4 + 2H2O + SiO2(aq) = 2Mg3Si2O5(OH)4.
Для успешного протекания этой реакции требуется наличие растворенного во флюиде кремния, но он обычно присутствует в гидротермальных растворах из-за их взаимодействия с породами, через которые они циркулируют. При дальнейшем охлаждении до 340°C начинает образовываться брусит:
2Mg2SiO4 + 3H2O = Mg3SiO4(OH)2 + Mg(OH)2.
Кроме магния в оливине также содержится железо. Частично оно входит в состав серпентина, но частично образует и свою фазу — минерал магнетит (Fe2+Fe3+2O4), при этом часть двухвалентного железа окисляется и выделяется водород:
2Fe2+O + H2O = Fe3+2O3 + H2.
Все эти три реакции идут до полного исчерпания H2O. По данным моделирования максимальное количество водорода и, соответственно, магнетита достигается к 300°C. Чем больше выделяется водорода, тем сильнее следующая реакция смещается в правую сторону — образуется метан:
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O.
Выделяющаяся вода расходуется на дальнейшую серпентинизацию и процесс продолжается до исчерпания реагирующих компонентов.
Судя по всему, описываемый процесс начался в архее одновременно с возникновением субдукции и спрединга (см.: Сульфидные включения в алмазах свидетельствуют о том, что субдукция началась еще в архее, «Элементы», 06.05.2019). При дальнейших преобразованиях породы при землетрясениях или метаморфизме образовывались новые трещины, вскрывающие включения, что приводило к выделению накопленного метана. Важно отметить, что в спокойных условиях включения могут сохраняться достаточно долго, и CH4 будет присутствовать, даже если от гидротермальной системы не осталось и следа, как, например, в офиолитах — фрагментах древней океанической коры, выдавленных на земную поверхность в ходе тектонических процессов. Так, образец из офиолита Жозефин (Josephine Ophiolite), изученный в обсуждаемой работе, сохранил включения с момента абдукции (наползания океанической коры на континентальную) в юрском периоде (A. Coulton et al., 1995. Oceanic versus emplacement age serpentinization in the Josephine ophiolite: Implications for the nature of the Moho at intermediate and slow spreading ridges). Возможно, именно такой метан, выделяющийся из включений в оливине, объясняет повышенные концентрации, наблюдаемые на Марсе: если на Марсе в настоящее время продолжается сейсмическая активность, что весьма вероятно (A.-C. Plesa et al., 2018. Present-day Mars’ seismicity predicted from 3-D thermal evolution models of interior dynamics), то не требуется даже никаких дополнительных механизмов его высвобождения, а наблюдаемые пики концентраций являются маркерами марсотрясений.
Вообще, описанный процесс, который хорошо объясняет образование метана в океанической коре, возможно экстраполировать даже на ледяные тела, вроде Европы и Энцелада, где взаимодействие оливина их каменных ядер с водой, в ходе которого могут образовываться включения, возможна даже при 200 градусах Цельсия, если в оливине достаточно железа (F. Klein et al., 2013. Compositional controls on hydrogen generation during serpentinization of ultramafic rocks). Выделяющийся метан не только будет присутствовать в атмосферах космических тел, но и сможет поддерживать существование метанотрофных одноклеточных организмов, так что точку в споре о связи метана с наличием жизни на других планетах ставить еще рано.
Источник: Frieder Klein, Niya G. Grozeva, and Jeffrey S. Seewald. Abiotic methane synthesis and serpentinization in olivine-hosted fluid inclusions // PNAS. 2019. DOI: 10.1073/pnas.1907871116.
Кирилл Власов
Навигация
Перейти к полной версии