Расчет объема и массы вулканического материала и воды, образованных во время начального вулканизма

Найденные в § 3 настоящей главы параметры ранней Земли позволяют впервые реально оценить объемы начального вулканизма, а вместе с ним и массу вынесенной на земную поверхность воды. Вслед за геологами [56; 61; 71] примем среднюю мощность консолидированной толщи гранитнометаморфического фундамента алдания равной 11,5 км. Площадь (S) ранней Земли была 5,21 ? 108 км2. Определим объем вулканогенного материала, переброшенного на земную поверхность в течение 400 млн лет начального вулканизма:

VMK=S H=5,21 ? 108 км2 -11,5 км ~ 6,0-109 км3. (VI.32)

Вследствие метаморфизма и гранитизации алдания его среднюю плотность будем принимать равной 3,0 г/см3, отсюда масса алдания будет:

6,0 • 109 км3 • 3,0 г/см3 = 1,8 • 1025 г. (VI.33)

Таким образом, мы получили две базовые величины, характеризующие объем и массу вулканогенного материала, вынесенного на поверхность во время начального вулканизма на Земле. Из-за отсутствия на этом раннем этапе сколько-нибудь развитой астеносферы расчет содержания воды в первичном планетном веществе следует проводить, исходя из его содержания в метеоритах (0,5% от массы). Найдем массу и объем вынесенной в катархее с вулканизмом воды:

Мн?о=0,5%от 1,8-1025г =0,9-1023 г Н2О; (VI.34)

VH 0 =0,9-1023г 10‘15 см3=0,9-108 км3. (VI.35)

Найденные значения массы и объема воды позволяют рассчитать площадь S0K и глубину h океанического бассейна, которые соответствуют этим значениям. Для начала примем площадь океана (S0K) равной площади земной поверхности в катархее, т.е. 5,21 • 108 км2. Найдем глубину такого «всемирного» океана:

h= VHi0/SH?0 =0,9-108 км3/5,21 • 108 км2=0,17 км. (VI.36)

Таким образом, первичный катархейский океан, возникший в конце начального этапа вулканизма, мог бы занимать всю поверхность Земли, но иметь глубину только 170 м. Но поскольку такого не могло быть вследствие существовавшего рельефа, представлявшего собой чередование обширных возвышенностей архейских пологих куполов и депрессий между ними, этот океан мог занимать примерно только половину поверхности Земли; при этом средняя глубина его возрастает до 340 м. Так как в катархее была мощная реликтово-вулканическая атмосфера, а Солнце находилось в стадии несветящейся массы, то потери воды на фотолиз не происходили. Однако расход ее все-таки имел место: на испарение, увлажнение осадочных пород, расходы на химические реакции в атмосфере и при метаморфизме в горных породах и др. Кроме того, на протяжении всего катархея могло происходить формирование осадочных пород, подводный вулканизм и образование мощных толщ кварцитов.

Важным информационным параметром интенсивности вулканизма является объем его ежегодных поступлений:

6,0-109 км3/4,0-108 лет= 15 км3/год, (VI.37)

т.е. интенсивность начального вулканизма в пересчете на консолидированные породы была примерно такой же, как и кайнозойского глобального вулканизма, — ~16 км3 (табл. 17). Главным различием двух этапов вулканизма является меньшая масса воды, образованная при начальном вулканизме (9-1022 г), в сравнении с кайнозойским (3,0-1023 г). Вода в катархее поступала медленно и в небольших количествах — меньше 1 км3 в год (0,23 км3/год) (табл. 17).

Таблица 17

Эпохи глобального вулканизма в геологической истории Земли

Эпоха

Объем вулканизма

Масса вулканитов

Объем воды

Масса воды

1. Катархейский глобальный вулканизм, (4,4—4,0)- 109лет

6,0-109 км3, 15 км3/год

1,8-1025 г, 4,5- 1016г/год

0,9- 108 км3, 0,23 км3/год

0,9-1023 г,* 2,3 • 1014 г/год

2. Мсгапауза в вулканизме, (4,0—0,07) • Ю9 лет

0,45-109 км3, 0,12 км3/год

1,22-1024 г, 0,32- 1015 г/год

1,22-108 км3, 0,032-км3/год

1,22-1023 г,** 3,2-1013 г/год

3. Кайнозойский гло

бальный вулканизм (последние 70-106 лет)

1,0-109 км3, ~ 16 км3/год

3,0-1024 г, 4,28- 1016 г/год

3,0 -108 км3, 4,28 км3/год

3,0 1023 г,** 4,28-1015 г/год

Итого за 4,4-109 лет

7,45 км3

2,22-1025 г

5,12-108 км3

5,12-1023 г

  • 0,5 % от массы вулканического материала.
  • 10 % от массы вулканического материала.

Учитывая, что количество короткоживущих изотопов, аккумулированных планетами в финале аккреции, пропорционально их объему и, следовательно, площади планет, имеется возможность получить очень важное соотношение объема планет к объему вулканических пород, произведенных во время начального вулканизма, и, найдя его для Земли, рассчитать объем вулканизма на других планетах:

V„„/VB„=N. (VI.38)

Используя эту формулу, рассчитаем соотношение (N) для Земли:

1,12-1012 км3/6,0-109 км3=186. (VI.39)

Отсюда объем начального вулканизма на любой планете определяется из простого выражения:

VnjI/186=VBJ]K. (VI.40)

Чтобы не задаваться никакими гипотезами, будем определять мощность вулканических образований на планетах, полагая, что площадь вулканических извержений равна площади планет:

H=VBJ1K/SUJI (км). (VI.41)

Полученные таким образом мощности вулканических образований на планетах Солнечной системы приведены в таблице 18. Кроме Земли использованы современные объемы планет, что позволяет определять нижний предел объема вулканитов.

Таблица 18

Количество вулканогенною материала, образованного на поверхности Земли и планет в эпоху начального глобальною вулканизма

Планета

Объем планеты У1|Л (км3)

Площадь поверхности планеты 8ПЛ (км2)

Объем вулканизма Увлк (КМ )

Масса вулканического материала Мвлк (г), р=3,0 г/см3

Мощность вулканогенного слоя Н (км)

Земля

1,12-1012

5,21-108

6,0-109

1,8 -1025

11,5

Венера

9,3-10“

4,6-108

5,0-109

1,5-1025

10,8

Луна

2,2-Ю10

3,8-107

1,2-108

3,6 -1023

3,2

Марс

1,63-10“

1,45-108

8,7-108

2,6-1024

6,0

Меркурий

6,1-ю10

7,48-107

3,3-108

9,9 -1023

4,4

Юпитер*

276-1012

2,0-1010

1,5-1012

4,5-1027

75

Сатурн *

97,2-1012

5,4-109

5,2-10“

1,56-1027

96

Уран*

15,7-1012

3,0-109

0,8-10“

2,4-1026

26

Нептун*

18,2-1012

3,3-109

9,7-Ю10

2,9-1026

29,0

Расчетные формулы

-я-Я3 = Упл 3

4л-Я2 = 8пл

V” =Упл/186

Упл -3,0 г/см3влк

V”/Snn=H

* Современный объем планет-гигантов по [24].

Например, на Венере мощность вулканических образований равна

10,8 км, на Луне — 3,2 км. Казалось бы, немного, но надо иметь в виду, что речь идет о начальном вулканизме, проходившем, как и на Земле, на всей поверхности планет. Процессы же метаморфизма и выветривания этих пород на планетах не происходили, в отличие от земных. Переброшенные вулканами лавы навечно оставались в застывшей форме, практически не погруженные под первичную поверхность планет, поэтому высота рельефа планет, по существу, отражает мощность переброшенного вулканического материала. Первичная гидросфера Земли и планет с определенными потерями на увлажнение и испарение существовала до позднего архея, т. е. до выхода Солнца на звездную стадию своей эволюции с температурой на фотосфере 3500 К. Поэтому уже в течение первых миллионов лет фотолиз уничтожил первичную гидросферу Земли и планет (табл. 19).

Таблица 19

Расчетные параметры площади и глубины первичного океана и времени его существования на планетах земной группы и в атмосфере планет-гигантов (4,0 • 109 лет назад)

125

Планета

Объем планеты V1L., (kmj)

Площадь поверхности планеты

S = 4aR2 км2 (4,0- 1 O’лет назад)

Объем вулканизма

V (км3)

Масса вулканического материала (г) MmK=VMK-3,0 г/см3 х х 1015 см3

Объем вынесенной воды Vluo (км3) м„;015

Масса воды

Мц;0 (г) (0,5 % от М„к)

Площадь первичного океана Sok (км2) 0,5S,bl = Sok

Глубина океана h (км)

11 = 4l,0 /Sok

Константа фотолиза Fn (г ? км2/год)

Потери на фотолиз в год с площади ^Н,0’ F=Fn’SH2o

Время существования первичного океана t (лет) t = MHj0 /F после 4 ? 109лет

Земля

1,38 • 10'2

5,21 ? 108

6,0- 109

1,8- Ю25

0,9 • 108

0,9 • 1023

2,6- 10s

0,34

1,3 • 107

3,4 • 1015

2,6- 107

Меркурий

6,1 • 10й

7,48 ? IO7

3,3 • 108

9,9- 1023

5,0- IO6

5,0 • 1021

3,75 • 107

0,13

40 • 107

1,5 • 10'6

3,3 ? 105

Венера

9,3 10“

4,6 ? 108

5,0- 109

1,5 • 1025

0,75 • 10s

0,75 • IO23

2,3 • 10s

0,32

2,6 • 107

0,6- 1016

12,5 • 106

Луна

2,2 • 10"'

3,8- 107

1,2- 10s

3,6- 1023

1,8 • 106

1,8 • IO21

1,9- 107

0,09

1,3 ? 107

2,4- 10’4

7,5 • 106

Марс

1,63 • 10“

1,45 ? 108

8,7- 108

2,6 ? 1024

1,3 • 107

1,3 • 10“

0,7 • 10s

0,18

1,1 • 107

0,75 ? 10“

1,7 ? 107

Юпитер

276 • IO12

2,0 ? IO10

1,46 • 1012

4,4 ? 1027

2,2- IO10

2,2 • 1025

Нет океана — вся вода в атмосфере

Нет фотолиза — пары воды не обнаружены в спектрах МС «Вояджер»

Сатурн

97,2 • 1012

5,4 • 10’

5,2 • 10“

15,6- IO26

7,8 • 109

7,8 • 1024

Уран

15,7 • 1012

3,0 ? 109

0,8 • 10“

2,1 ? 1026

1,0 ? 109

1,0 • 1024

Нептун

18,2 • 1012

3,3 • 109

0,97 • 10“

2,9 ? 1026

1,4 ? 109

1,4 • 1024

Одновременно с этим реликтовая атмосфера малых планет и Луны была частично рассеяна вторжением многочисленных метеоритов и планетезималей, а также вследствие начавшейся диссипации водорода, гелия и диссоциации молекулы воды. С уничтожением атмосферы малые планеты подверглись ожесточенной бомбардировке, свидетельством чего являются многочисленные ударные кратеры на их поверхности. Кратеры деформируют вулканический рельеф. Это доказывает, что вулканизм происходил раньше бомбардировки. В формации Исуа (Гренландия) возраста 3,8-109 лет и в окружающих породах не было обнаружено следов воздействия планетезималей [75], т. е. реликтовая атмосфера Земли еще не была разрушена и сдерживала метеоритный поток. По этой же причине отсутствие обильных метеоритных кратеров на Венере и отчасти на Марсе свидетельствует о длительном существовании у этих планет мощной реликтовой и реликтово-вулканической атмосферы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >