Тепловая энергия на дне океана. Гидротермальные источники. Часть 2

Октябрь 14, 2014 / Ольга Шейдина, Редактор

В нашей предыдущей статье мы рассказывали, какую роль в дегазации Земли играют гидротермы. Напомним, что их возможности по выделению .тепловой энергии были исследованы сначала теоретически в конце восьмидесятых годов прошлого века, затем эмпирически. Гидротермы в несколько тысяч раз мощнее при дегазации, чем вся гидросфера вместе взятая. Этот материал посвящен такому феномену как вторичная дегазация.

Тепловая энергия на дне океана. Гидротермальные источники. Часть 2

Химические процессы при вторичной дегазации

Вторичная дегазация протекает не так быстро, как первичная. Ее скорость превышает ювенильную дегазацию всего в десять раз, тогда как первичная в тысячи. Обычно вторичный вариант протекает на окраинах тех континентов, которые имеют Адийский тип. Однако объем освободившейся воды в результате планетной субдукции огромен - примерно четырнадцать миллиардов кубических километров. Это в десять раз больше водного объема всего мирового океана. Ученые пришли к выводу, что все горячие и минеральные источники на земной поверхности не имеют ювенильное происхождение, а высвобождаются из недр Земли.

Геологи исследовали гипербазиты на поднятиях восточного направления Тихого океана и пришли к следующим заключениям. В коре океана, точнее в мантийных его породах, существуют первичные минералы. Соотношение их следующее. Примерно семьдесят пять процентов составляет оливин, двадцать – энстатит, семь процентов – диопсид и два-хромшпинелид. Причем процесс серпентизации касается девяноста процентов пород. Он происходит по оливину и энстатиту. Причем гидратация базовых силикатов протекает только при зеленокаменном метаморфизме. Геологи выявили ряд традиционных реакций, которые протекают при этом. Так реакция гидратации при процессе серпентизации с присутствием магния образует форстерит брусит и дополнительно тридцать три килокалории на моль тепловой энергииЕсли же участвует углекислый газ, то возникает форстерит магнезит. Если же речь идет о выделении воды у железистых силикатов, то при этом выделяется водород. Если же при этом еще участвует и углекислый газ, то образуется метан абиогенного происхождения. При этом выделяемая тепловая энергия составляет двадцать одну килокалорию на моль. При этом появляются такие вещества как фаялит гематит.

На дне океана образуется множество сульфидов

Почти три процента всех океанических веществ занимает сульфат – ион. Воды, содержащие его, реагируют с гидротермами и образуют сероводород. Так появляется упомянутый выше фаялит форстерит и гематит диопсид. При второй реакции возникает тепловая энергия в размере тридцать трех килокалорий на моль.

Сера имеет большой потенциал восстановления. Поэтому после таких реакций она опять вступает в новые, компонентами которых являются переходные металлы. При этом образуются сульфиды. Один из самых распространенных из них - пирротин. При реакции выделяется энергия: почти двадцать семь килокалорий на моль.

Каким же образом геологи и океанологи обнаружили сульфиды из сульфидной серы и метан абиогенного происхождения? Подсказку дали изотопные сдвиги. Так смещения серных изотопов у сверхгорячих источников, называемых «черными курильщиками», составляет от +3 до +5 ‰. Смещения этих же изотопов на источниках, возникших на серпентинитах значительно шире в своем диапазоне. Они смещаются в пределах от +4 до +16‰. Химики объясняют это тем, что сульфидные изотопы в горячих источниках на серпентинитах имеют другие серосульфатные источники, нежели те, которые находятся в «черных курильщиках». Кроме того, серные изотопы имеют свою специфику при фракционировании в гидротермах. Так химики доказали, что благодаря тепловой энергии и температуре, серосульфидные изотопы при реакции разделяются на минеральные фазы.

По этой причине сульфидная фаза значительно обедняется благодаря изотопу 34S, асульфатная обогащается этим же изотопом. Сульфаты восстанавливаются и в «черных курильщиках», которые возникли над горячей корой базальтового происхождения. Здесь сульфатная фаза восстанавливается на базальтовом железе. Океанологи не исключают, что на базальтовой коре присутствует и так называемая ювенильная сера. В других же термальных водах, возникших на серпентинитах, огромный объем серы поступает из океана. В таких гидротермах железистость выше. При этом в воде океана плотность серного изотопа подвергается расщеплению. Смещение изотоповH2S становится гораздо меньше и достигает примерно 3‰, а в металлических сульфидах - +14‰.
У углеродных изотопов тоже происходят сдвиги

Изотопы углерода в гидротермах «черных курильщиков» тоже подвергаются определенным сдвигам. Когда из углекислого газа в горячих источниках образуется метан, происходит распад изотопов на фракции. Поэтому изотопные сдвиги в черных курильщиках носят отрицательные значения – от 13 до -13 ‰ в метане. Для сравнения, сдвиг в обычной воде океана составляет 13 – (-5,5‰).

Все химические углеродные реакции, носящие экзотермический характер, в «черных курильщиках» протекают с мощным выплеском тепловой энергии. Причем большая ее часть приходится на продукты реакции. Что из этого следует? Химики полагают, что при смешении углекислого газа с углеродными изотопами, как легкими, так и тяжелыми, при образовании СН4 участвуют в основном атомы легких изотопов, например, 12 С. При этом выплеск тепловой энергии в результате эффекта является очень мощным. Когда метан «усваивает» 12 С, а не изотоп 13 С, происходит разделения углерода на фракции и выделяется энергия объемом в 0,412 килокалорий на грамм. Такой эффект очень заметен. Углерод становится более легким в образующемся метане. Поэтому соответствующая реакция изотопов протекает в основном в направлении слева направо.

Химики обычно интересуются, имеют ли комплементацию углеродные изотопные связи в метане у «черных курильщиков», которые возникли в процессе серпентизации, и такие же связи в водах океана. Для ответа на вопрос учитывают, что эталоном для изучения отношений внутри углеродного изотопа является раковина B. Americana. Это идеальное отношение составляет 12С\13 С, равное 88,9. Поэтому составу изотопов карбонатного изотопа в водах океана соответствует отношение 12С/13С, равное89,48, а составу изотоповметана, который образовался под термоисточниками серпентинитового происхождения 12 С на 13 С, равное 90,2.

Концентрация же СН4 гидротермах достигает 0,1 моль на литр. Отношение же изотопов после образования метана достигает почти девяноста. Химики полагают, что это соответствует сдвигу в изотопах, равному –4,35‰. Ученые выяснили, что такие сдвиги обычно наблюдаются в карбонатах, которые существуют в гидротермах «черных курильщиков». Причем на флюиде, который располагается на выходе сверхгорячего источника, почти нет свободной углекислоты. Она также отсутствует и в нормальных океанических условиях. Доказано, что метан, который образуется в гидротермальных источниках, имеет экзогенное происхождение. Кстати, метан является крайне неустойчивым, если располагается на значительных глубинах океанской коры, в мантии. После формирования так называемого «ядерного» вещества освобождается кислород. Он окисляет метан, который по этой причине становится неустойчивым.

В океанской коре есть мантийный цикл

Мантийный цикл в океанской коре затрагивает летучие соединения. Происходит это по следующей причине. В зоне субдукции дегидратация, как и декарбонитизация пород коры происходит не полностью. Остатки воды вместе с углекислым газом, летучими и подвижными элементами, плитами океана уходит в мантийные глубины. И вода, и газ, и элементы вновь участвуют в процессе массообмена в веществе мантии. Из этого следует, что мантийная дегазация планеты носит не только ювенильный характер. Дегазация включает также и элементы, которые повторно попадают на поверхность. Это и называется мантийным циклом.

Геологи, океанологи и химики не пришли к единому мнению о том, какая же часть летучих соединений носит действительно ювенильный характер, а какая является результатом мантийного цикла. Поэтому при расчетах используют так называемое эффективное значение. Ведь не случайно, объемы реально первичной мантийной дегазации выше эффективных показателей: часть веществ опять уходит в мантию. Хотя разница между реальной и эффективной мантийной дегазацией не столь значительна и не такаярешающая. Для океанской воды она составляет двадцать процентов, а для элементов - еще меньше.

Это интересно ...

Последние новости и статьи:



Оставить комментарий