geohist-W5.doc

WYKŁAD V – 16.11.2010

1.      Skład atmosfery – wyróżnia się 3 rodzaje atmosfery:

1. 1. Pierwotna atmosfera: hel, wodór, argon, CO2, azot, metan, amoniak; dominacja gazów słonecznych, pierwotna atmosfera nie mogła się długo utrzymać, ponieważ gazy były lekkie i uciekały w przestrzeń kosmiczną;
      4,6 – 4,2 Ga
   2. Druga atmosfera: para wodna, CO2, azot, metan, amoniak; 4,2 – 2,2 Ga
   3. Trzecia atmosfera (obecna): azot, tlen, CO2 i gazy szlachetne

2.      Skład obecnej atmosfery:

1. 1. N2 – nie bierze udziału w żadnych istotnych reakcjach z minerałami, podobnie jak Ar, Ne, Kr i Xe
   2. Obieg O2, CO2, CH4, H2, C2O i CO zależny jest od czynników biologicznych
   3. Źródła H2S/SO2, NH3, NO/NO3 – mają charakter mikrobiologiczny
   4. Cykle H2O, O3, He i Rn – zależą głównie od procesów fizyko-chemicznych

3.      Atmosfera druga:

1. 1. Warunkiem istnienia atmosfery NH3-CH4 jest obecność stałego źródła H2, potrzebna do odnawiania NH3 i CH4
   2. Amoniak jest nietrwały w promieniowaniu UV
   3. Metan w wysokiej temperaturze ulega przemianie na wodę i CO2
   4. Dane o izotopach węgla wskazują, że w prymitywnej atmosferze istniała całkowita przewaga CO2
   5. Przy braku źródła H2 silnie redukcyjna atmosfera z dużą ilością CH4 i NH3 ulegałaby szybkiej degradacji, a dominującą rolę objęłyby CO2, N2 i CO
   6. Wskutek ubytku NH3 para wodna traci ochronę przed fotodysocjacją
   7. Rozkład H2O i uwalnianie O2 powoduje dalszą przemianę CH4 na CO2 i CO

4.      Dowody wskazujące na redukcyjny charakter drugiej atmosfery:

1. 1. Detrytyczny uraninit i piryt:

UO2 i FeS2 – zlepieńce starsze niż 2,1 – 2,3 Ga. UO2 powinien przeobrazić się w U3O8 i inne tlenki, gdyby w atmosferze występował He

2. 2. Wysoki stosunek FeO/Fe2O3:

Produkty wietrzenia i cementy wskazują na przewagę Fe2+ nad Fe3+; udział Fe2+ wzrasta w coraz starszych skałach osadowych

3. 3. Wysoki stosunek greenalit/glaukonit:

Glaukonit rzadki jest w skałach starszych niż 1,0 Ga, najczęściej wskazuje stosunek Fe2+/Fe3+ jak 1 do 7. Greenalit – skały przedfanerozoiczne, będące najczęstszym krzemianem żelaza w żelazistej formacji Gunfit – 2,0 Ga.

4. 4. Wysoki stosunek Mn/Fe – wysoka proporcja w prekambryjskich formacjach żelazistych
   5. Niski stopień utlenienia europu i ceru – Eu2+ - skały osadowe chemiczne archaiku i proterozoiku, w młodszych osadach znacznie uboższy
   6. Brak heterocyst u sinic – wiążą azot w warunkach beztlenowych, redukcja azotu do amoniaku przy pomocy nitrogenazy. Tlen hamuje działanie nitrogenazy. Heterocysty nie prowadzą równolegle procesu fotosyntezy (2 Ga temu – pojawienie się heterocyst – wobec czego wtedy musiała się rozpocząć atmosfera tlenowa).

5.      Atmosfera tlenowa – 2,0 Ga. Źródła tlenu:

1. 1. Fotodysocjacja wody – H2O pod wpływem promieni UV rozpada się na ½ H2
      i O2-; na każde 106 moli O2 z fotosyntezy przypada 1 mol z fotodysocjacji. Samoograniczane tempa fotodysocjacji – wzrost ilości O2 zwiększa absorpcję UV i zmniejsza fotodysocjację.
   2. Redukcja krzemianów – oddziaływanie silnie redukcyjnych gazów na krzemiany lub węglany pochodzenia magmowego.
   3. Fotosynteza: CO2 + H2O à O2 + H2O + CH2O; wytwarzanie tlenu tą drogą wymaga istnienia molekularnego O2 w środowisku. Stromatolity reprezentujące fotosyntezę glonową znane są od 2,8-2,7 Ga temu (kompleks Bulawayo). 3,0 Ga – Pongola. 3,5 Ga – Pilbara.

Tlen dostał się do atmosfery dopiero po wysyceniu wody i środowiska wodnego tlenem, musiał zatem powstać już wcześniej.

6.      Atmosfera tlenowa:

1. 1. Powszechne występowanie BIF
   2. Ostatnie występowanie skał okruchowych z uraninitem
   3. Pierwsze heterocysty
   4. Występowanie czerwonych osadów lądowych
   5. Powszechne występowanie glaukonitu
   6. Przewaga Fe3+ nad Fe2+ à 2,0 Ga

7.      Geneza oceanów:

1. 1. Ocean wywodzi się z wnętrza Ziemi
   2. 3 sposoby wzbogacania w wodę – czyli jak powstało 1,37 x 109 km3 wody oceanicznej – KONCEPCJE:
   3. 1. A – woda pojawiła się w 1 Ga od powstania Ziemi w prawie tak dużej ilości, jak jest obecnie – UWAŻA SIĘ ZA SŁUSZNĄ
      2. B – woda tworzy się nieustannie – wciąż jej przybywa
      3. Woda pojawiła się później, na początku fanerozoiku
   4. obecnie powstaje nowa woda – juwenilna – charakterystyczny skład wskazuje na to, że nie jest to woda uczestnicząca w obiegu ogólnym

8.      Proces powstania wody à proces stopniowego odgazowania wnętrza Ziemi:

1. 1. wzbogacenie wody oceanicznej w 3He względem atmosferycznych proporcji 3He/4He. Nadmiar 3He jest spowodowany uchodzeniem do wody pozostałości pierwotnego 3He:

3He – strefy ryftowe

20Ne – wskaźnik neonu pierwotnego, wzbogacone nim wody w ekshalacjach wulkanicznych, grzbietach oceanicznych

129Xe – produkt rozpadu nieistniejącego na Ziemi 129I

9.      Przesłanki, c.d.

1. 1. Wzbogacenie bazaltów morskich, które uległy serpentynizacji i u. morskiej w bor – mimo, że jest odprowadzany przez minerały ilaste, w wodzie morskiej jest go 4 ppm, a w słodkiej 0,01 ppm
   2. Obecność tzw. słonecznych pierwiastków w wodach juwenilnych (Ne, Ar, Kr, He, H, Te) wskazują, że obecna atmosfera jest ...

10.  Woda wydobywająca się na powierzchnię Ziemi przez odgazowywanie jej wnętrza pochodzi ze źródeł:

1. 1. Bazaltów lądowych – 0,5% objętości

1 km3 – objętość tworzących się rocznie bazaltów – wulkanizm

0,005 x 109 km3 wody przez miliard lat

0,0175 x 109 km3 w ciągu 3,5 Ga

2. 2. bazaltów oceanicznych

200 Ma – najstarsze dna oceaniczne

287,3 x 106 km2 – powierzchnia den oceanicznych

10 km – grubość skorupy oceanicznej

Co 1 Ga zachodzi pięciokrotne odnowienie podłoża dając łącznie
14,365 x 109 km3 bazaltu à 0,5% tej objętości daje 0,071 x 109 km3 wody co miliard lat, a 0,25 x 109 km3 przez ostatnie 3,5 Ga

1,4 x 109 km3

0,25 x 109 + 0,0175 x 109 = 0,2675 x 109 km3

11.  Dowody na wczesne katastroficzne odgazowanie:

1. 1. Inkluzje w berylach – 40Ar i 3He w berylach młodszych od 1 Ga są o rząd wielkości niższe niż w starszych od 2,5 Ga
   2. Wartości 87Sr/86Sr w archaicznych węglanach są podobne do wartości w płaszczu (~ 0,703), w skałach młodszych proporcje te wynoszą ~ 0,720
   3. Większy udział 40Ar niż 36Ar lub 38Ar w obecnej atmosferze – nadmiar 40Ar w skałach prekambryjskich ultrazasadowych wynika z ich nagłego odgazowania

12.  Wielkie bombardowanie:

1. 1. Wczesny Układ Słoneczny ulegał częstym kolizjom z kometami, meteorytami
   2. Ostatnie takie wydarzenie miało miejsce 4,1 Ga

13.  Nagłe odgazowanie skutkowałoby raptownym osiągnięciem równowagi chemicznej na poziomie obserwowanym obecnie.

60% skorupy kontynentalnej powstało w archaiku.

Objętość oceanu znajdowała się w stanie równowagi przez ostatnie 2,5 Ga.

Objętość skorupy kontynentalnej i oceanicznej wzrosły gwałtownie w archaiku.

Gwałtowne odgazowanie mogło być spowodowane bombardowaniem à gdzie przetopiona została skorupa ziemska, która została odgazowana.