Химический состав морской воды впервые в мире был исследован во время экспедиции на судне «Челленджер» в 1877 г. До того времени систематических измерений не проводилось. Поэтому предположения об истории проис­хождения морской воды должны целиком исходить из летописи геологических событий и расчетов равновесий хими­ческих реакций. С позднедокембрийского времени (при­близительно 600 млн. лет назад) химический состав мор­ской воды, по крайней мере частично, отражался в хими­ческих и биохимических осадках стратиграфической ко­лонки, и можно установить границы возможных изменений ряда важных составляющих. Исторические данные об осадках морей более ранних геологических периодов труд­нее интерпретировать.

Постдокембрийская история.

Солевые отложения и известняки являются теми осадками, которые самым непо­средственным образом отражают химический состав мор­ской воды, из которой они выпали в осадок. Солевые отложения, как известно, встречаются в каждом периоде геологической колонки, начиная с кембрия. По-видимому, не существует систематической разницы в минералогиче­ском и химическом составе между осадками различных эпох, которая указывала бы на то, что относительное содер­жание катионов и анионов в морской воде оставалось весьма постоянным. Кроме того, с позднедокембрийского времени соотношение между известняками и другими мор­скими осадками, отложившимися в какой-то определенный отрезок времени, оставалось почти постоянным. Раби (1951) рассмотрел равновесие С02 в морской воде и эффекты изменений в р С02. Вследствие выпадения в осадок СаС03 р С02 морской воды имеет буфер в отношении больших присоединений С02. Эта способность к буферному действию, вероятно, уже существовала с тех пор, как отложились известняки. Потеря С02 из морской воды обычно приводит к повышению величины рН, а этого не может вынести боль­шинство форм жизни. По этим причинам, вероятно, р С02 системы атмосфера - океан не изменилось сильно с поздне­докембрийского времени.
Однако, если сравнить добавление С02 в океаны по­средством процессов выветривания с потерей, вызываемой биохимическим и химическим осаждением карбонатов, то получится дефицит, который, по подсчетам Раби, состав­ляет 1014 г СО2 в год. Этот дефицит может быть уравнове­шен, если допустить, что из недр Земли медленно и непре­рывно выделяются газы.
Для ряда летучих составляющих требуется существо­вание того же источника, чтобы уравновесить подобные дефициты. Все такие летучие вещества называются избы­точными. Некоторые, как, например, аргон, по-видимому, в ранний период истории Земли быстро выделились, в то время как другие, как, например, Н20, сохранились в рас­плавах и затвердениях и, возможно, появлялись на поверх­ности Земли постепенно.

Избыточные летучие вещества.

Количество избыточ­ных летучих веществ, присутствующих в гидросфере и атмо­сфере, было подсчитано целым рядом ученых, которые при­меняли предложенный Голдшмидтом метод геохимического равновесия. Голдшмидт предположил, что земная кора на ранних стадиях состояла из изверженных пород, сход­ных по составу с изверженными породами, встречающимися в настоящее время при обнажении горных пород. В резуль­тате выветривания некоторого количества этой коры в океаны поступали осадки и растворенные вещества.

Равновесия обычно устанавливаются на основе натрия и калия. Барт (1960) критикует этот метод, не принимающий во внимание повторный цикл элементов (выветривание более старых осадков) и запас в промежуточном рассоле. Тем не менее таким путем можно провести полезные сопо­ставления. Ведеполь (1963) сопоставил последние величины шести самых важных летучих веществ (табл. 1).

История раннего периода атмосферы и гидросферы.

Значительно меньше сведений имеется в отношении раннего периода истории морской воды (ранний докембрий). Возможно, что первоначальная гидросфера образовалась частично из первоначальной атмосферы, и поэтому предпо­ложения о ранней истории морской воды сосредоточи­ваются вокруг истории первоначальной атмосферы. Ури сравнил относительное содержание элементов на Земле и в космическом пространстве и пришел к выводу, что на Земле значительно большее количество Н, О, N,  С и S,  чем Ne, Аr, Кr и Хе, в сравнении со Вселенной. Он считает, что гравитационное поле Земли не могло бы удержать эти летучие вещества, если бы Земля образовалась при высо­кой температуре, и приходит к выводу, что Земля, должно быть, образовалась в результате скапливания космической пыли при низкой температуре.

Радиоактивное тепло впо­следствии повысило среднюю температуру и сделало возможным отделение земного ядра, мантии и коры. Перво­начальная атмосфера, вероятно, состояла либо преимущественно из СН4, Н2  и  NH3, либо из H2, H2O и СО.  Это предположение заманчиво из-за значительно большого относительного содержания водорода в космическом про­странстве, из-за СН4—NH3 атмосферы внешних планет и потому, что сокращающаяся среда более благоприятна для зарождения жизни. Относительное содержание отдель­ных видов газов в первоначальной атмосфере зависело прежде всего от температуры, при которой эта газовая смесь уравновешивалась с земной корой. Присутствие металлического железа в не разделенной на геосферы Земле делает вероятным, что некоторое количество углерода при­сутствовало в виде графита. Если газовая фаза системы Н—С—О уравновешивается с графитом, то его состав мо­жет быть определен для заданной температуры, при усло­вии, что р 02 известно.

Для первоначальной коры можно предположить две минералогические формации, опреде­ляющие верхний и нижний пределы в отношении р 02: файялит (Fe2Si04) + магнетит (Fe304) + кварц (Si02) для верхнего предела р 02 и железо-магнетит (Fe304) ниже 560° С и железо + вюстит (FeO) выше 560° С для нижнего предела р 02. Давление газа, при котором произошло уравновешивание между твердыми веществами и газом, также влияет на состав (хотя в значительно меньшей степени, чем температура). По причинам кинетики реакции при вычис­лениях предполагалось, что давление равно 100 бар. Такое давление может существовать под поверхностью несколько сотен   лет.
На рис. 1 представлены две группы кривых, одна для низкого pО2, другая для высокого. Согласно этой схеме, первоначальная холодная атмосфера состояла главным образом из СН4 и NH3. По мере того как происходило нагре­вание Земли, в первую очередь в результате радиоактивного распада 40К в 40Ar, в составе газов, выделяющихся из более глубоких горизонтов Земли, а следовательно, и в составе атмосферы постепенно увеличивалось С02, СО и N2.

В схеме предусмотрено давление водяного пара при 25° С от 10-9 ат (низкое p02) до 10-4 (высокое р02). Следо­вательно, жидкая вода не могла конденсироваться в те­чение этого периода (рН20 при 25° С должно быть 3*10-2 ат).

Фотодиссоциация Н20 в Н2 и 02 в верхних слоях атмо­сферы положила начало второй стадии в развитии атмо­сферы. Потеря водорода при утечке его из гравитацион­ного поля Земли явилась причиной медленного, но устой­чивого повышения рО2   у поверхности Земли.

Первоначальные конденсаты, вероятно, скапливались в изолированных, замкнутых бассейнах. Из-за большого количества С02, присутствующего в атмосфере в то время, эти протоокеаны, вероятно, были совсем кислыми. Обна­женные породы быстро выветривались и большое количество растворенных веществ выносилось в бассейны за ко­роткий отрезок времени. Первичными анионами, по-види­мому, были преимущественно СО23  и НСО3, а не С1. СаС03 может выпадать в осадок из таких вод, но из-за высокого  рСО2    только   при   больших   величинах   Са2+.
Некоторые из самых древних известняков образова­лись раньше чем 2560 млн. лет назад и, возможно, выпали в осадок в испаряющихся бассейнах, изолированных от таких   океанов.
Интенсивное испарение было широко распространено, и солевые отложения, вероятно, образовывались очень ча­сто.

В случае продолжения испарения, возможно, полу­чился бы доломит, ангидрит, сульфаты магния и, наконец, нахколит (NaHC03), а не последовательности более моло­дых солевых отложений, в которых галит (NaCl) является важной составной частью. Из-за сложной последующей ис­тории нельзя рассчитывать на то, чтобы сохранилось хоть одно из этих первичных солевых отложений.
В течение только что рассмотренного периода pО2 было все еще слишком низким для устойчивости гематита.
Холланд (1962) по месторождению осадочных уранитовых отложений, абсолютный возраст которых 1800 млн. лет, сделал вывод, что pО2 атмосферы в то время было все еще очень низким.
Очень постепенное повышение pО2 частично связано с тем, что большое количество кислорода, получаемого в результате фотодиссоциации Н20, потреблялось при окислении СН4, NH3, графита и железа и ионов железа. Однако в промежуток времени между 2500 и 1000 млн. лет назад рО2 , должно быть, уже достаточно повысилось, чтобы зародилась   жизнь.

По мере усиления биологической активности С02 потреблялся, а 02 выделялся со значительно большей ско­ростью. Современная продукция кислорода в результате фотосинтеза значительно превышает образование его в  результате фотодиссоциации.

В течение всего этого времени Н20 продолжал конден­сироваться и протоокеаны слились в океаны. По мере уменьшения рСО2 величина рН морской воды повысилась почти до современного уровня. Насыщение в отношении СаС03 достигалось при значительно более низких концен­трациях Са2+ и началось осаждение известняков в боль­шом масштабе; этому, вероятно, очень способствовали био­логические процессы.

Начиная с этого времени (возможно, 1000 млн. лет назад) значительная часть докембрийских осадков состоит из карбонатных пород. Частично как следствие этого развития хлор стал преобладающим анио­ном и морская вода, вероятно, достигла такого состава, который очень близок к составу современной морской воды.

X.   П.  ЮГСТЕР

Источник:  Океанографическая энциклопедия, 1974 год, с. 282-284

(прим.  при работе с "не очень новой" литературой будьте  внимательны с единицами измерений)