 | ДЕГАЗАЦИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА |
В отличие от воды теплота образования углекислого газа 94,05 ккал/моль значительно выше, чем у окиси железа 63,05 ккал/моль, поэтому показатель подвижности углекислого газа, как и у азота, не зависит от механизмов дифференциации земного вещества (зонной сепарации железа или бародиффузионного механизма выделения вещества земного ядра) и это облегчает задачу определения закона дегазации СО2 из мантии, так как предопределяет постоянство показателя подвижности углекислого газа и пропорциональность скорости его дегазации тектонической активности Земли.
Согласно А.Б. Ронову и А.А.Ярошевскому (1978), в карбонатах земной коры связано около 3,91•1023 г СО2, а в коре содержится еще около 1,95•1022 г органического углерода (Сорг). С этим
количеством Сорг до его восстановления биологическими процессами было связано 5,2•1022 г кислорода. Следовательно, общая масса дегазированного из мантии СО2 составляет (3,91 + 0,72)•1023 = 4,63•1023 г.
Сложнее определить содержание углерода (или СО2) в мантии Земли. По экспериментальным данным, в высокотемпературных фракциях отгонки летучих компонентов в кислородной атмосфере из закалочных стекол толеитовых базальтов океанических рифтовых зон обычно содержится от 20 до 170 г/т углерода мантийного происхождения с изотопными сдвигами около –5‰ (Watanabe et а1., 1983; Sakal et al., 1984; Exiey et а1., 1986), но разброс эмпирических определений не позволяет уверенно оценить среднее содержание углерода и СО2 в мантии. Однако следует учитывать, что часть мантийного углерода находится в атомарном состоянии и рассеяна по кристаллическим решеткам силикатов (Watanabe et а1.,1983) и поэтому не является летучим компонентом базальтовых расплавов. Следовательно, содержание углерода в газовой фазе СО2 базальтовых выплавок меньше значений суммарных концентраций углерода. Для определенности примем содержание подвижного углерода в мантии около 30 г/т, или в пересчете на углекислый газ 110 г/т (1,1•10–4). В этом случае в мантии содержится около 4,48•1023 г СО2.
Теперь можно оценить суммарную массу СО2 в Земле (с пересчетом Сорг в CO2), что составит 9,11•1023 г.
Обращает на себя внимание резкое отличие кривой дегазации углекислого газа от дегазации воды, что связано с меньшей теплотой образования воды и ее диссоциацией на металлическом железе в процессе зонной дифференциации земного вещества в архее. Пик скорости дегазации СО2 приходится на время максимальной тектонической активности Земли около 2,7 млрд лет назад, тогда как с максимальной скоростью дегазация воды происходила около 2,5 млрд лет назад, т.е. после образования у Земли плотного ядра и перехода процесса дифференциации земного вещества от механизма зонной плавки к более спокойному бародиффузионному механизму дифференциации мантийного вещества.
Если бы весь дегазированный углекислый газ сохранялся в атмосфере, то его парциальное давление сейчас достигало бы 90–100 атм, т.е. было бы таким же, как и на Венере. К счастью для жизни на Земле, одновременно с поступлением СО2 в атмосферу происходило его связывание в карбонатах. Но для протекания этой реакции необходима вода в жидкой фазе, так как только в этом случае гидратация силикатов сопровождается поглощением СО2 с образованием карбонатов:
2CaAl2Si2O8 + 4H2O + 2CO2--- Al4(Si4O10)(OH)8 + 2CaCO3 + 110,54 ккал/моль, анортит каолин кальцит
4Mg2SiO4 + 4H2O + 2CO2 ---Mg6(Si4O10)(OH)8 +2MgCO3 + 72,34 ккал/моль, оливин серпентин магнезит
По этой причине существенное влияние на эволюцию парциального давления углекислого газа в атмосфере оказала история развития океанов на Земле.
Как видно из типовых реакций, на каждые две молекулы СО2, связываемые в карбонатах, расходуются четыре молекулы воды на гидратацию породообразующих минералов океанической или континентальной коры. Отсюда следует, что при избытке углекислого газа в атмосфере и гидросфере практически все реакции гидратации горных пород будут сопровождаться связыванием СО2 в карбонатах, причем на единицу массы связанной в породах воды будет приходиться приблизительно 1,22 массы углекислого газа. При недостатке СО2 гидратация части силикатов будет протекать без связывания углекислого газа.
Зная суммарную массу воды, связанную в породах земной коры, можно рассчитать и массу углекислого газа, который мог быть связан в карбонатах. Поскольку жизнь в океане лимитируется содержанием фосфора в океанической воде, а растворимость фосфора сравнительно невелика (Шопф, 1982), то можно предполагать, что абсолютная масса органических веществ в океане пропорциональна его массе. Поэтому массу органического углерода в пересчете на СО2 в архее и протерозое можно оценить, считая, что она в первом приближении пропорциональна массе воды в Мировом океане.
В протерозое и фанерозое почти весь дегазированный из мантии углекислый газ оказался связанным в карбонатном или биогенном (в форме Сорг) резервуарах.Иная ситуация была в архее. Из-за малого количества воды в архейских океанах масса связанного СО2 в то время была существенно меньшей, чем масса дегазированного из мантии углекислого газа. Отсюда следует, что в архее заметная часть углекислого газа находилась в атмосфере и в водах океана.
Помимо связанного в породах СО2 часть углекислого газа (в форме анионов НСО3 -) всегда оказывается растворенной в водах океана. Растворимость углекислого газа в воде прямо пропорциональна его парциальному давлению в атмосфере. Учитывая, что в современном океане растворено приблизительно 1,4•1020 г СО2, а парциальное давление этого газа в атмосфере составляет 0,46 мбар, оценивается эффективное значение коэффициента Генри для океана= 0,213. Учитывая, что средняя температура современной Земли равна 288 К (14,8 °С), находится нормировочный коэффициент = 0,803.
Отсюда в позднем архее около 2,7 млрд лет назад масса растворенного в океане углекислого газа достигала 1023 г при массе воды в океане того времени около 1,32•1023 г. Концентрация растворенного углекислого газа в океанических водах была 40%. Это означает, что при средней температуре океанов около 55 °С, океанические воды в позднем архее были горячими и кислыми агрессивными растворителями многих веществ.
Условия для возникновения углекислотной атмосферы существовали только в архее. В протерозое и фанерозое подавляющая часть углекислого газа оказалась связанной в карбонатах и органическом веществе, а в атмосфере и гидросфере сохранилась лишь его малая часть, определяемая законом действующих масс реакций связывания СО2 в горных породах и биосфере