Тепловая энергия на дне океана, гидротермальные источники

Планета Земля освобождается от первоначального газа лишь после того, как магмы ювенильного базальтового происхождения изливаются на ее поверхность. Сами магмы поступают на поверхность посредством океанических хребтов, которые расположены на срединной глубине, а именно через их рифтовые зоны. Давно известно, в этих зонах существуют участки, где происходит нагрев воды, и образуются так называемые гидротермальные источники. Вода в них океаническая, т.е. зоны не образуются сами по себе. Гидротермы – источники тепловой энергии.

Конец семидесятых годов прошлого века стал прорывом в науке, касающейся исследования океанов. На океанском дне ученые выявили вулканическую деятельность, причем достаточно активную. Она, как выяснилось, происходит именно в рифтовых зонах. Это открытие стало переворотом в науке. Многим геологам и вулканологам пришлось заново изучать вопрос происхождения полезных ископаемых, например, сульфидов, которые были найдены в зонах нагрева воды, а также некоторых минералов. Исследователи также выяснили то, что гидротермальные руды формируются не без участия экзогенного вещества. Выяснилось, что сульфатная сера имеет особенное влияние на образование сульфидов. Кроме того, ученые открыли механизм возникновения метана абиогенного происхождения, которые появляется именно в гидротермальных источниках за счет тепловой энергии.

Правда, тогда, в семидесятых существование источников с нагретой водой в океане было лишь предположением. Еще не были открыты эти источники на океанском дне. А мощность процессов, происходящих в горячих источниках, была террой инкогнито. Как же удалось теоретически вычислить наличие этих процессов? Ученые провели ряд расчетов и сопоставили их друг с другом. Во–первых, они вычислили зависимость возраста литосферных плит океана и потерь тепла этих же плит. Во–вторых, они рассчитали эмпирическим способом мощность и уровень потоков тепла на склонах хребтов, которые находились на дне Мирового океана. В-третьих, сопоставили все расчеты. Ученые понимали, что эмпирические исследования дают возможность получить информацию о кондуктивном элементе потоков тепла в рифтовых зонах. А теоретические расчеты давали полную картину об объеме тепловой энергии в этих же зонах. Разность между расчетами - это и был тот объем тепла, которые производили воды Мирового океана. Причем эти воды существовали, либо в рифтовых зонах, либо на склонах хребтов на дне, либо в трещинах коры земли.

Причемтепловая энергия, объем тепла, которое выносится на поверхность Земли, огромен. Благодаря этим гидротермальным участкам планета теряет почти треть энергии эндогенного происхождения. А нагретые воды выносят энергии на уровне 3,07*109 кВт.

Океанские воды нагреваются очень сильно. Так существуют источники, которые получили название «черные курильщики». В них вода достигает критической температуры в триста семьдесят четыре градуса. Выше температура быть не может, иначе вода превратится в газ. Благодаря газообразованию в этих источниках перегретая вода уходит из хребтовых океанических трещин. Газ имеет небольшую плотность и легко испаряется. Кроме того, если температура океанской воды превысит триста семьдесят четыре градуса, она лишается своих так называемых капиллярных свойств, которые важны при пропитке пород. Поэтому вода даже не достигает тех уровней в источниках, где температура превышает триста семьдесят четыре градуса. Именно поэтому на дне «черных курильщиков» воды нет, а существуют океанские камни. Ученые называют их зеленокаменным метаморфизмом.

Геологи провели свои исследования ископаемых на дне океана. Выводы, к которым они пришли, подтвердили теоретические исследования семидесятых годов. Вот какие заключения они сделали. Существуют так называемые офилитовые комплексы. В их составе - долериты, габбро и базальты. На дне океана они изменяются до стадии (фации), носящей название метаморфизм зеленых сланцев. Образование данной фации подразумевает температуру не выше критической, т.е. примерно четыреста градусов по Цельсию. Получается, что метаморфизм происходит за счет воды, которая существует в воде при температуре, близкой к критической (но не выше ее). Таким образом, согласно заключениям геологов, более высокие фации, например, гранулитовая, которые возникают при сверхкритических температурах, возникают только в тех зонах коры, которые представляют закрытую систему, не позволяющую дегидратации. Обычно такие системы возникают в зонах, получивших название субдукции. По мнению геологов, существуют и исключения из правил. Высшие стадии метаморфизма возникают порой и в рифтовых зонах, но при особых условиях. Например, в океан произошел сброс. Затем образовались целые рифтовые долины, которые включают в себя медленноспрендинговые хребты и выделяют тепловую энергию. Дайковые породы, достигшие стадии заленокаменного метаморфизма, вновь опускаются под рифты, в магму. В таких породах вода взаимосвязана, произойдет их перерождение в амфиболитовую фацию. Геологи, однако, полагают, что породы, достигшие такой фации, играют минимальную роль при образовании и для существования коры океанского дня.

Океанская кора все меньше впитывает воды. И для этого существует ряд причин. В трещины коры попадают пелагические осадки, там же происходит их диагенез. Трещины тампонируются. Вода в коре мигрирует и остается виде хемогенных отложений. Последние образуются за счет процессов в горячих источниках. Так ученые при сравнении эмпирических расчетов количества тепловой энергиии теоретических выкладок выяснили, что воды перестают циркулировать почти окончательно спустя время в 50 Му после возникновения коры в рифтовой зоне. Тем самым, было доказано, что гидротермы обычно существуют там, где возраст дна не больше 50 Му. Обычная температура на этих участках не превышает сорока двух градусов по Цельсию. Напомним, что у «черных курильщиков» она значительно выше - триста семьдесят–четыреста.

Обычно ученые рассчитывают водную массу, которая ведет промывку коры океана, с помощью баланса потоков тепла. Они сделали вывод, что объем воды, которая проходит фильтрацию на хребтах и склонах - примерно 2300 кубических километра в год. Получается, что вся океанская вода пропускается через гидротермальные источники примерно за шестьсот тысяч лет. Причем в год сами рифтовые зоны промываются горячими источниками не так быстро, со скоростью примерно в двадцать два кубических километра в год. Тогда вся вода океана проходит фильтрацию через так называемые «черные курильщики» примерно за 60-70 Му. Если же учесть, что кора океана в рифтовых зонах возникает с небольшой скоростью примерно от одного грамма до килограмма в год. Поэтому воды в коре, расположенной в горячих источниках, в два раза больше, чем самой породы. При этом в расчет не берется вода, реагирующая с самой породой. Стоит, правда отметить, что кора и порода образуется не только в рифтовых зонах, но и вне их расположения. Поэтому, если суммировать общую скорость ее образования, она окажется несколько выше. Обычно ученые говорят о скорости, равной 4,7 – 1047 грамм в год. Получается, что соотношение порода\вода во всем Мировом океане - пятьдесят на пятьдесят. Получается, что кора океана и входящие в него породы имеют достаточную гидратацию.

Что же получается? Выходит, что общий водный обмен Мирового океана значительно больше по объему, чем дегазация воды из мантии. Причем первый процесс больше второго почти в восемь тысяч пятьсот раз. Ученые также сделали расчет скорости дегазации за четыре миллиарда лет, они учли всю гидросферную массу и даже воду в коре земли. Получилось, что гидротермальный дебет оказался выше объема дегазации в гидросфере почти в четыре тысячи раза. Вывод очевиден: океанская вода в горячих источниках делает гораздо больше для дегазации и дает большетепловой энергии, чем вся гидросфера.

Когда кора океана в субдукции нагревается при трении литосферных плит, происходит ее дегидратация. При этом происходит реакция: выделяется вода и углекислый газ, попавшие в кору из океанских вод. Образуется оливин, диопсид. Этот процесс называется вторичной дегазацией. О вторичной дегазации и химических при этом процессах мы поговорим в нашей второй части статьи.