Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
8. Круговорот энергии и вещества в литосфере
Выделяют четыре геосферы: атмосферу, гидросферу, биосферу и литосферу, взаимосвязанные между собой, составляющие единую систему планеты Земля.Функционирование первых трех геосфер: атмосферы, гидросферы и биосферы обусловлено круговоротами энергии и вещества в них, вызванных поступлением на Землю солнечной (космической) энергии и наличием у нее гравитационного поля. Следовательно, и в четвертой геосфере: литосфере, также происходит круговорот энергии и вещества, вызванный теми же причинами: солнечной энергией и гравитационным полем.
Круговорот энергии и вещества в литосфере составляет систему геологических процессов. К геологическим процессам относятся гипергенез - разрушение горных пород на поверхности суши, седиментогенез (осадконакопление) - отложение слоев глин, песков на дне морей, вулканизм и другие.
Круговорот энергии состоит из трех звеньев: начального, промежуточного и заключительного. Сначала кинетическая энергия в виде потенциальной накапливается в веществе. Затем потенциальная энергия переходит в кинетическую тепловую, которая выделяется из вещества. Суть заключительного звена в удалении освобожденной тепловой энергии.
Круговорот вещества также состоит из трех звеньев. Вначале различные вещества перемешиваются с усреднением химического состава. Затем вещество разделяется на две части разного химического состава. После одна часть вещества, поглотившая выделенную тепловую энергию, удаляется.
Как называется процесс, суть которого в удалении на поверхность нагретой части вещества?
Начальное звено круговорота. Граниты, базальты, песчаники и другие горные породы на поверхности литосферы, поглощая солнечную радиацию, разрушаются до обломков или глины. Происходит это следующим образом.
Гранит, состоящий из белого кварца, серого и (или) красного полевого шпата и черной слюды, утром нагревается теплым воздухом или прямыми солнечными лучами. При нагреве минералы расширяются: больше черная слюда и меньше белый кварц, сдавливая, деформируя друг друга. Вечером процесс происходит противоположный. В результате многократных сжатий и растяжений в граните появляются трещинки. Гранит разрушится на обломки.
В обломках накопится много потенциальной свободной поверхностной энергии (преобразованная солнечная радиация).
Вода с содержащимися в ней газами, солями, кислотами, обычно органическими, разрушает крупные кристаллы гранита (минералы силикаты) до тонкодисперсной глины и аморфного минерала опала.
2Na[AISi3O8] + nH2O → Na2O + AI2O3•2SiO2•2H2O + 4SiO2•nH2O
плагиоклаз каолинит опал
Аморфные и тонкодисперсные вещества более энергонасыщенные, чем крупнокристаллические. В каолините (белой глине) и опале накопилась солнечная радиация в виде внутренней энергии (расстояния между атомами их увеличились), а в глине и геохимическая (координационное число алюминия в плагиоклазе с 4 увеличилось до 6 в глине).
Продукты гипергенеза, насыщенные аккумулированной солнечной энергией, под действием гравитационного поля сносятся в пониженные участки рельефа, в конечном счете попадая на дно морей и океанов. Там они накапливаются в виде слоев глин и песков, формируя слоистую оболочку. Такой процесс назван седиментогенезом - осадконакоплением.
Большую часть (около 80%) слоистой оболочки слагают глинистые породы. Поэтому в дальнейшем слоистую оболочку будем называть глиной. Химический состав глины = (гранит + базальт)/2, или средний (промежуточный) между гранитом и базальтом.
Суть начального звена круговорота энергии и вещества в литосфере в поглощении веществом солнечной энергии и усреднении химического состава его путем перемешивания при транспортировке продуктов гипергенеза разного химического состава.
Промежуточное звено круговорота. Накопившейся слой глины в результате прогибания дна моря перекрывается новыми слоями. Масса их сдавливает глину, удаляет из нее воду, уменьшает расстояние между атомами, что вызывает перекристаллизацию вещества. Сначала глинистые частицы цементируются мельчайшими кристалликами, и пластичная глина становится непластичным аргиллитом. С глубиной размеры возникающих кристаллов увеличиваются. Из мелких кристаллов формируются кристаллические сланцы, затем среднекристаллические гнейсы и крупнокристаллические граниты.
Перекристаллизация вещества сопровождается освобождением из него тепла (аккумулированной солнечной энергии). При перекристаллизации аргиллита в кристаллический сланец тепла выделится больше, чем при перекристаллизации сланца в гнейс, и еще меньше в гранит. Формируется геотермический градиент с регрессивным, замедляющимся приростом тепла.
Чтобы вещество глины, состав которого (гранит + базальт)/2, превратилось в гранитное, из глины должна удалиться базальтовая часть вещества. Она в виде нагретого водно-силикатного раствора базальтового состава находится в порах и трещинках между минералами гранита.
Суть промежуточного звена круговорота в перекристаллизации глины в кристаллический гранит с появлением нагретого водно-силикатного раствора базальтового состава.
Заключительное звено круговорота. Нагретый базальтовый раствор, как разуплотненный и легкий, поднимается, по пути контактируя с более холодными вмещающими горными породами. По второму началу термодинамики раствор нагревает окружающие породы, остывая сам. Начнется его кристаллизация, вязкость возрастет, и подъем прекратится.
Но, на более высоком уровне раствор получит из окружающих перекристаллизующихся пород тепла больше, чем ниже, что не позволит ему охладиться. Такие добавки тепловой энергии сбоку во все увеличивающемся количестве будут на всем пути подъема раствора. Достигнув поверхности литосферы, раствор, называемый людьми лавой, произведет извержение вулкана.
Лава действительно изливается на поверхность, но магма для этого не нужна. Поэтому на глубине нет эндогенной энергии. Освободившееся из вещества глины при ее перекристаллизации тепло сразу с базальтовым раствором удаляется к поверхности каменной оболочки.
Вулканизм - заключительное звено круговорота энергии и вещества в литосфере, суть которого в удалении нагретого базальтового раствора, возникшего при перекристаллизации глины в гранит, на поверхность литосферы.
Базальтовый раствор не назван расплавом потому, что расплав - это индивидуальное вещество в жидком состоянии, кристаллизующееся при температуре плавления. Индивидуальное, означает чистое. Например, чистое золото в жидком состоянии - расплав. Но стоит в него попасть атому серебра, как расплавленное вещество станет раствором серебра в золоте. В природе нет чистых веществ, а, стало быть, и расплавов.
Итак, в каменной оболочке земного шара, как в любой природной системе, происходит круговорот энергии и вещества, вызванный поступлением на Землю солнечной энергии и наличием у нее гравитационного поля. Вулканизм - заключительное звено этого круговорота, суть которого в удалении на поверхность нагретого базальтового раствора, возникшего при перекристаллизации глины в гранит. Излияние расплавленной лавы создает иллюзию подъема эндогенной глубинной тепловой энергии. На самом деле, удаляется в виде тепла солнечная энергия, накопившаяся в глине при ее образовании из кристаллических и других пород на поверхности литосферы.
В предыдущих частях говорилось о литосфере или каменной оболочке, но, ни разу не использовался термин «земная кора». Почему? Ответ можно найти в части 9.