Галактики эллиптические и спиральные

А.А. Баренбаум

Кратко излагаются основные положения галактоцентрической парадигмы [1], связывающей цикличность геологических процессов на Земле с космическими явлениями в Галактике и в Солнечной системе. Обосновано новое видение природы и строения спиральных галактик. На единой методологической основе предложены согласованные решения ряда фундаментальных проблем астрономии и наук о Земле. Создана необходимая база для тесного сближения геологической и космической областей знаний.

1. Введение

В последнее время все большее число исследователей объясняет глобальные геологические события в истории Земли воздействиями Галактики [2-14]. Впервые на эту связь обращено внимание в середине 1950-ых годов [15] после того, как астроном П.П. Паренаго [16] вычислил период орбитального движения Солнца в Галактике. И этот период оказался близким к продолжительности известного геологического цикла ~200 -300 млн. лет. Позднее были выдвинуты идеи, объяснявшие галактическим движением Солнца также геологические циклы меньшей продолжительности ~20¸80 млн. лет.

В качестве причин геологической цикличности обычно называют изменение гравитационного потенциала Галактики на разном удалении от ее центра, вариации скорости движения Солнца по орбите, пересечение Солнцем спиральных галактических рукавов, а также его колебания перпендикулярно галактической плоскости. Однако физические механизмы влияния Галактики на конкретные природные процессы нашей планеты в этих гипотезах остаются сугубо гипотетическими и проблематичными.

Автором показано [1], что сложившееся положение вызвано слабой разработанностью ряда принципиальных вопросов астрономического характера. В частности, отсутствием адекватной физической модели Галактики, а также удовлетворительной модели ее спирального строения. В последние годы к этим трудностям добавились нерешенные проблемы темной материи и темной энергии, что еще более осложнило ситуацию.

Более 25 лет автор занимается данным кругом вопросов в связи с изучением влияния физических процессов в Галактике на геологическое развитие Земли. Результаты этих исследований положены в основу новой естественнонаучной концепции – «галактоцентрической парадигмы» [1]. Новая парадигма призвана согласовать астрономическую и геологическую области знаний в рамках более общей системы представлений. Ее отличительной особенностью является учет влияния на Землю и другие планеты Солнечной системы важного астрофизического явления – струйного истечения газопылевого вещества из центра спиральных звездных систем.

Данное явление, долго ускользавшее от внимания исследователей, позволяет однозначно связать основные геологические события в истории Земли с воздействиями Галактики в моменты попадания Солнечной системы в струйные потоки и спиральные галактические рукава. Тем самым появляется возможность изучения вопросов строения и физики Галактики методами геологии, как и решения назревших геологических проблем по данным астрономии и космических исследований в Солнечной системе.

Настоящий обзор знакомит с основными положениями галактоцентрической парадигмы и некоторыми результатами ее применения в «космическом естествознании». В виду большого объема материала, многие вопросы излагаются конспективно и часто без ссылок на публикации, примыкающие к тематике обзора. Ограниченность объема обзора также не позволяет остановиться на решении проблем космогонии [1], являющихся неотъемлемой частью развиваемых представлений.

Модель изотермической сферы

Из звездной динамики известно, что если дать возможность большой совокупности звезд под действием взаимного гравитационного притяжения принять устойчивую конфигурацию, они образуют сферу, состоящую из внутреннего изотермического ядра и внешнего более протяженного гало [37]. В границах изотермического ядра (кроме его центральной зоны) гравитационный потенциал системы U(R) постоянен и движение звезд по скоростям и направлениям носит максвелловский характер.

Далеко за пределами изотермического ядра системы – во внешнем гало, у звезд начинает преобладать радиальная компонента скорости, и наиболее быстрые из них покидают систему. Во внутренней области системы, где численность звезд достигает максимума, они могут испытывать частые взаимные сближения и разрушаться [38].

В самом центре изотермического ядра – в точке сингулярности, U(R) ¹ const, что может способствовать накоплению здесь газопылевого вещества распавшихся звезд и формированию из него молодых звезд или даже черной дыры.

В переходной области между изотермическим ядром и гало распределение гравитационного потенциала звездной системы может быть представлено разложением в асимптотический ряд

, где с_k – постоянные коэффициенты. (1)

Вследствие разрушения звезд в центре системы и утечки звезд из гало, изотермическая сфера галактик физически неустойчива. Со временем общее количество звезд в системе уменьшается, а ее изотермическое ядро сжимается, приводя к коллапсу системы. В ходе эволюции звездных скоплений квазиравновесное состояние их изотермической сферы сохраняется, а темп утечки звезд не меняется [39].

Такая модель, получившая название модели звездной изотермической сферы, широко используется в астрономии при описании строения и свойств шаровых звездных скоплений [37, 39]. Однако для объяснения природы галактик эта модель, до открытия явления струйного истечения, не находила применения. Смущало три обстоятельства.

Во-первых, наблюдаемое распределение ярких звезд в эллиптических и особенно в спиральных галактиках не сферично. Во-вторых, вследствие интенсивного разрушения звезд в ядре, здесь может возникнуть «черная дыра», которая резко сократит время коллапса. И, наконец, третья причина связана с тем, что системы с массой галактик достигают равновесия за время, превышающее общепринятый возраст Вселенной.

Явление струйного истечения позволяет выйти из этого трудного положения.

Спиральная модель Галактики

Из-за неполноты наблюдательной астрономической информации и низкой ее точности вопрос о спиральном строении нашей звездной системы у астрономов пока еще очень далек от своего разрешения [43, 44, 45].

Построенная нами с привлечением данных геологии спиральная модель Галактики [46], отвечающая изложенным представлениям, приведена на рис. 8. В отличие от М31 наша Галактика имеет четыре логарифмические ветви и лишь два струйных потока.

Потоки выходят из диаметральных точек ядерного газопылевого диска Галактики, который наклонен на угол»22° [43] к плоскости логарифмических рукавов и испытывает прецессию с периодом 40-50 млн. лет, близким вращению диска [1]. Логарифмические рукава, как и в М 31 (см. рис. 3), начинаются из кольцевой зоны на удалении 4-х кпк от центра, определяющей радиус изотермического ядра системы.

Рис. 8. Спиральная конструкция Галактики. Римские цифры – номера логарифмических рукавов (сплошные линии), арабские цифры – номера струйных потоков (пунктирные линии). Г.ц. – галактический центр. Стрелки указывают направление движения.

В силу современного положения Солнца в Галактике, из двух ее струйных потоков реально наблюдается только один, отождествляемый с ветвью Ориона-Лебедя (рис. 9).

Рис. 9. Местная система звезд Галактики [36] с нанесенными на нее с рис. 8 положениями логарифмических ветвей (сплошные линии) и струйного потока (пунктир). Звездочка в кружке – положение Солнца.

Эту ветвь, на внутренний край которой проецируется Солнце, сегодня ошибочно считают ответвлением рукава Киля-Стрельца [22, 43, 45]. По составу звезд, углу закрученности спирали и наклону к галактической плоскости она заметно отличается [22, 43] от рукавов Киля-Стрельца и Персея.

Солнце не принадлежит струйному потоку Ориона-Лебедя, а движется в Галактике по самостоятельной, медленно эволюционирующей орбите [46].

Одним из центральных вопросов, решавшихся автором при построении данной модели, явился выбор расстояния Солнца от центра Галактики. На протяжении последних 50 лет это расстояние в астрономии неоднократно пересматривалось. Так, если в 1950-ых годах наиболее достоверным считалось значение R₀ = 7.2 кпк, то к 1980-ым оно возросло до 10.0±1.0 кпк [22]. Но затем наступил период снижения этой величины, и сегодня оно вернулось к значению 7.1 кпк [45] пятидесятилетней давности.

Полагая на основании работы [26] (см. табл. 1), что степень закрученности архимедовых ветвей у спиральных галактик одинакова, параметр r струйных потоков Галактики был принят таким же, как в М 31. Это приводит к величине R₀ = 10 кпк [46].

Орбита Солнца в Галактике

Первое исследование движения Солнца в Галактике принадлежит П.П. Паренаго [16]. В результате своих расчетов Паренаго нашел, что орбита Солнца близка круговой, а его сидерический, аномалистический и драконический периоды движения составляют 212, 176 и 85 млн. лет, соответственно. Более поздние исследования [8, 12, 47] привели к иным значениям параметров солнечной орбиты. Расчеты показали, что решение данной задачи сильно зависит от использованной модели гравитационного потенциала Галактики и принятого значения R₀ солнечной орбиты.

В отличие от работ других авторов, наши расчеты выполнены для модели Галактики в виде звездной изотермической сферы. Функция распределения гравитационного потенциала задавалась формулой (1), коэффициенты которой определялись при оптимизации вычисленной орбиты Солнца по астрономическим и геологическим данным.

Астрономическим тестом служило соответствие [48] рассчитанных взаимных движений Солнца, звезд струйного потока Ориона-Лебедя и ветвей Персея и Киля-Стрель-ца (см. рис. 9) координатам 1 и 2 вертексов Я. Каптейна [49]. Геологическим тестом, на первом этапе, являлось согласие времен попадания Солнца в струйные потоки Галактики [50, 51] с границами стратонов геохронологических шкал фанерозоя [52] и венда [53], а на втором этапе – совпадение времен попадания Солнца также в спиральные галактические рукава [54] с эпохами массового вымирания на Земле живых существ [55].

Согласно построенной модели, Солнце возникло в одном из четырех рукавов Галактики на удалении ~8 кпк от галактического центра. После конденсации оно обрело почти круговую орбиту, лежащую в галактической плоскости, в которой движется и сегодня. В результате многократных взаимодействий Солнца с другими звездами Галактики его орбита к настоящему времени приобрела и заметный эксцентриситет.

В результате оптимизации найдено [1], что современная солнечная орбита имеет форму эллипса с большой полуосью 10.17 кпк и эксцентриситетом 0.36, медленно поворачивающимся в направлении движения Солнца с угловой скоростью 3.04´10^-9 лет^-1. Сидерический и аномалистический периоды Солнца составляют 223 млн. лет и 250 млн. лет. Одновременно Солнце совершает небольшие колебания поперек галактической плоскости. Эти колебания характеризуются драконическим периодом ~40-50 млн. лет, близким к периоду вращения ядерного диска, и имеют амплитуду ~50 пк.

В настоящий момент времени Солнце движется со скоростью 253.5 км/с и ускорением +3.2 км/с в млн. лет к перигалактической точке орбиты.

Вследствие эволюции Галактики период движения Солнца и средний радиус его орбиты со временем растут, а его средняя орбитальная скорость падает. Темп этих изменений составлял: = 3.03´10^-7 пк/год и = -7.47´10^-4 см/с в год [1]. Так что в прошлом радиус орбиты и период движения Солнца в Галактике были меньше, чем сегодня.

Таблица 3.

Падения астероидных тел

Рубежи геохронологической шкалы, начиная с веков и ниже, отвечающие циклам 0.1¸10 млн. лет, хорошо объяснимы случайными столкновениями Земли с крупными одиночными астероидами километровых размеров [54, 63]. Такие астероиды поступают в околоземное космическое пространство вследствие столкновений тел астероидного пояса с галактическими кометами в периоды кометных бомбардировок.

Любое падение крупного астероида, вне зависимости от того приходится ли оно в океан или на сушу, представляет для нашей планеты серьезную катастрофу [91]. Она на долгое время выводит природную систему Земли из равновесия. Во всех случаях такое падение сопровождается испарением и выбросом в атмосферу больших количеств газа и (или) пыли, что влечет за собой изменение климата, массовую гибель живых организмов и ряд других важных следствий, которые при современной геологической изученности пород фанерозоя не остаются незамеченными.

В фанерозое произошло ~200 событий, которые можно трактовать как столкновение Земли с крупными одиночными астероидами ³3.5±1.0 км в диаметре [54]. Эти столкновения носили во времени сугубо случайный характер и в среднем повторялись каждые 2.9 млн. лет. Вероятность отнесения таких событий к разряду веков составила 0.45. То есть более их половины в геохронологической таблице пропущено. Падения тел меньшего размера происходили чаще, однако они имели более локальные последствия. Подавляющее большинство таких событий в геохронологии не фиксируется.

Энергия выпавших комет и астероидов, усредненная по фанерозою, составляет ~10²¹ Дж/год. Эта величина намного превышает современное выделение энергии Земли [64] в результате сейсмических движений 1.05´10¹⁸ Дж/год, вулканической деятельности 2.4´10¹⁸ Дж/год и тектонической активности 7.2´10¹⁸ Дж/год и вполне сопоставима с теплоизлучением нашей планеты 9.8´10²⁰ Дж/год [65, 92]. Поэтому циклические падения на Землю астероидов и комет необходимо рассматривать как один из основных источников энергии современных вулканических и тектонических процессов.

Количество метеоритного вещества, выпавшего на нашу планету в фанерозое, оценено ~1.6´10²⁰ г, что равно ~3´10^-6 массы пород земной коры. Средний темп его поступления на Землю составил ~2.75´10¹¹ г/год, что в 4 раза выше оценок современных астрономических наблюдений [93]. Отсюда сделан вывод, что общее число астероидов в Солнечной системе, как в поясе, так и за его пределами, со временем убывает.

13. Кометы Солнечной системы

До открытия явления струйного истечения вопрос о происхождении комет Солнечной системы оставался в высшей степени дискуссионным. Их свойства трудно объяснить захватом комет галактического происхождения Солнцем, так и образованием этих тел в самой Солнечной системе. Ошибочно считать их и поступающими из кометного облака Оорта [94], возникшего при образовании Солнечной системы. При взаимодействиях Солнца с другими звездами или при его пролете через сгущения космической пыли и газа такое облако комет неизбежно прекратит свое существование [95, 96].

Галактоцентрическая парадигма решает проблему комет Солнечной системы иначе [1]. Все эти кометы, как долгопериодические, так и короткопериодические, рассматриваются как захваченные притяжением Солнца продукты столкновений комет струйных потоков Галактики с телами астероидного пояса (рис. 18).

Рис. 18. Сечение кольца астероидов плоскостью, перпендикулярной эклиптике и проходящей через Солнце: заштрихованы области с разной пространственной плотностью тел. Показаны петли, которые делают в этой плоскости наиболее крупные астероиды Паллада, Церера и Веста [97].

Сечения разрушения галактических комет в столкновениях в астероидном поясе много больше вероятности их выпадения на Солнце, не говоря уже о планетах (рис. 19).

Рис. 19. Сечения разрушения галактической кометы в астероидном поясе в зависимости от диаметра кометного ядра. Пунктирная линия – площадь поперечного сечения Солнца.

Анализ показывает, что при столкновении комет и астероидов оба тела дробятся и испаряются, а их вещество физически и химически перемешивается. Поэтому кометы Солнечной системы представляют собой конгломерат [98] из кометного вещества галактического происхождения, смешанного с большим или меньшим количеством твердого (обломочного) и газообразного (испарившегося) материала астероидов.

Большинство комет Солнечной системы, как короткопериодических, так и долгопериодических, возникли 1¸5 млн. лет назад в период последнего пребывания Солнца в струйном потоке Ориона-Лебедя. Различия их орбит и состава вещества легко объясняются лишь разной начальной скоростью выброса обеих групп комет из пояса.

Короткопериодические кометы покинули пояс близко к плоскости эклиптики и с относительно малыми скоростями, что не позволило им далеко удалиться от Солнца. С момента рождения они совершили многие тысячи оборотов вокруг Солнца и теперь смогли сохраниться лишь в промежутках между орбитами планет-гигантов [99].

Долгопериодические кометы, наоборот, были выброшены из пояса во всех направлениях, причем со скоростью близкой критической»25 км/с. Вследствие движения Солнца по орбите с ускорением, при возвращении этих комет назад к Солнцу их первоначально эллиптические траектории трансформируются в слабопараболические и слабогиперболические, что приводит к потере данной кометы Солнечной системой. Сегодня преимущественно наблюдаются долгопериодические кометы, завершающие свой первый оборот вокруг Солнца. Радиус их орбит, по третьему закону Кеплера, составляет ~10⁴¸10⁵ а.е., а направление прилета в Солнечную систему близко к изотропному.

Тем самым, никакого избытка комет на периферии Солнечной системы нет. А то, что называют «кометным облаком Оорта» является лишь геометрическим местом афелиев орбит вторичных комет, впервые после вылета 1¸5 млн. лет назад из астероидного пояса возвращающихся к Солнцу. Общее число долго- и короткопериодических комет существующих сейчас около Солнца оценено величиной ~10⁷ [1].

В отличие от короткопериодических комет, потерявших под действием солнечной радиации значительную часть льдистого газопылевого галактического вещества, долгопериодические кометы эти льды сохранили. Вещественный состав комет Солнечной системы (табл. 4) позволяет полагать, что доля воды в галактических кометах может достигать ~80¸90 %, углерода – 5¸10 %, а суммарное содержание более тяжелых химических элементов – первые проценты.

Образование и эволюция гидросферы

В современной постановке проблемы образования гидросферы необходимо предложить согласованное объяснение, как минимум, трех вопросов: 1) причин происхождения Мирового океана, 2) увеличения в нем со временем общей массы воды и 3) цикличности резких колебаний уровня океана в истории планеты.

Ответить на эти вопросы, исходя из идеи [127-129], что гидросфера появилась вследствие дегазации глубинного вещества планеты и подъема летучих элементов на земную поверхность, весьма затруднительно. Нет ясности даже, как этот процесс происходил и как он менялся со временем. Одни полагают [130], что основная масса воды поступила на поверхность в первый миллиард лет после образования Земли, другие [122] – что этот рост произошел резким скачком на рубеже палеозоя и мезозоя, а третьи [131, 132] – что вода накапливалась более или менее равномерно.

Согласно галактоцентрической парадигме, масса воды в Мировом океане и колебания его уровня являлись следствием падений на Землю комет и астероидов, происходивших на фоне остывания нашей планеты после мощных галактических воздействий. Количество свободной воды на земной поверхности при этом сильно менялось. В архее и протерозое эпохи существования океана сменялись периодами его обмеления и даже высыхания. Поэтому взаимоисключающие мнения о большом или малом объеме воды относятся лишь к разным отрезкам этого весьма продолжительного интервала времени.

В истории образования и эволюции гидросферы можно выделить 4 этапа [133].

Архей. Данный эон отмечен очень интенсивным падением на Землю крупных космических тел. Вызванные их ударами процессы кратонизации и вулканизма носили повсеместный и мощный характер [101]. В этот период были широко распространены процессы излияния магмы и гидратации пород земной коры, которые резко снижали время существования в литосфере свободной воды (t₁ < t₂ << t₃). Пока время t₁ оставалось меньше периода цикличности кометных бомбардировок (t₁ < Т), вода на поверхности Земли, вероятно, могла существовать лишь в эпохи падения комет.

Примерно 4¸3.8 млрд. лет назад приземные температуры падают, и время t₁ вырастает настолько, что возникают благоприятные условия для накопления воды на земной поверхности (t₁ ³ Т, t₁ > t₂). Имеющиеся данные свидетельствуют, что воды сначала было немного. И она главным образом скапливалась в сравнительно узких (~10 км) и протяженных (~n×100 км) бассейнах, которые обрамляли соседние кратоны и служили местом сноса осадков. Глубина водоемов могла достигать 1.5¸2.0 км. Температура воды в морских бассейнах составляла ~70^оС, а воздуха 70¸100^оС [134].

Основная масса воды в архее, как мы полагаем, должна была входить в состав магматических расплавов и в случае t₂ > t₃ участвовать в вулканических процессах, а в случае t₂ < t₃ связываться в минералах при гидратации пород.

Протерозой. О поведении гидросферы в протерозое можно высказаться с большей определенностью, несмотря на сильную изменчивость и сложность ее режимов. В протерозое выделим два основных режима: существенно «водный» и «безводный».

Для первого режима, которому на рис. 13 г отвечают периоды утяжеления карбонатного углерода, было свойственно присутствие на поверхности достаточно больших количеств воды (t₁ ³ t₂). Данный режим инициировался массовыми падениями на Землю крупных астероидов. Вследствие чего часть связанной до того в породах воды переходила в подвижное состояние и поступала в океан. Одновременно, из-за формирования облачного слоя, экранировавшего лучи Солнца, приземные температуры настолько снижались, и могли даже возникать покровные оледенения [135]. Судя по бурному расцвету в то время на Земле биоты [70, 71], эти условия были для нее достаточно комфортными.

Второй режим функционирования гидросферы, наоборот, отличали высокие температуры и почти полное высыхание водоемов (t₁ £ t₂). Судить об этом режиме позволяют данные, касающиеся условий формирования месторождений железистых кварцитов (джеспилитов). В развитие гипотезы [136] мы полагаем, что эти руды возникли из материала астероидов, выпадавших в очень большом количестве (~10²³ г) на Землю после очередных взаимодействий Солнца со звездами.

Поскольку ~90% астероидов имеют оливин-пироксеновый состав [137], т.е. в пропорции 1:3 состоят из окислов железа и кремния, эти окислы в том же соотношении поступали в морские акватории. Крупные месторождения джеспилитов формировались в мелководных бассейнах за счет сноса в них продуктов выветривания пород суши и перехода большого количества железа и кремнезема в коллоидном виде в раствор [138]. Рудообразование, как правило, происходило в спокойной тектонической обстановке за время ~10⁶ лет. Полосчатая структура руд возникала при взаимной коагуляции в самом растворе гелей окисленного железа и кремнезема [139]. В период интенсивной коагуляции температура вод составляла ~100°С [140]. Воды были пресными [74], парциальное давление кислорода в них низкое < 0.2 атм. Величина рН воды не превышала 2¸6 [141, 142]. На завершающем этапе состав воды менялся. На стадии диагенеза, нередко связанной с высыханием водоема, вещество нагревалось до 150°С и выше [138].

Тем самым, в протерозое режим гидросферы неоднократно менялся. Эпохи заполнения морских бассейнов водой и расцвета жизни (t₁ ³ t₂) сменялись на Земле длительными периодами высыхания водоемов и угнетения живых существ (t₁ £ t₂), когда доля биогенного углерода в осадках снижалась почти до нуля (см. рис. 13).

Палеозой и мезозой. В отличие от архея (₁ < t₂ << t₃ ~Т) и протерозоя (t₁ » t₂ > Т), к началу фанерозоя литосфера планеты остывает настолько, что большая часть воды постоянно остается на земной поверхности (t₁ > t₂, t₃ >> t₁), пополняя Мировой океан.

Решение системы уравнений (3) для этих условий при упрощенной постановке задачи следующее [133]. После каждой кометной бомбардировки большая часть кометной воды стекает в Мировой океан, откуда с характерным временем t ~2 млн. лет проникает в подземную гидросферу. Через ~10 млн. лет система приходит в равновесие. В этом состоянии большая часть (2/3Q₀) поступившей воды остается на поверхности Земли, а меньшая (1/3Q₀) оказывается под поверхностью.

Интенсивность кометных бомбардировок в истории Земли сильно варьировала. В частности, на границах ордовика и триаса на нашу планету падало значительно большее число комет, чем в другие эпохи. Поступавшая с кометами вода вызывала сильный размыв пород земной поверхности. Однако накапливалась она не в Мировом океане, а преимущественно в подземной гидросфере, где входила в состав магматических расплавов. С данным обстоятельством, вероятно, можно связать высокую тектономагматическую активность Земли в ордовике и триасе, а также малое количество биогенного углерода, сохранившегося в осадочных породах того времени (см. рис. 24).

Последующее перераспределение воды между подземной гидросферой и Мировым океаном в ордовике происходило, по-видимому, быстрее, чем в триасе. В последнем случае оно заняло десятки миллионов лет, вызвав сильнейшую трансгрессию в юре и мелу [123]. По некоторым оценкам уровень вод Мирового океана тогда увеличился вдвое. Столь большая прибавка воды и продолжительность ее поступления в океан, на наш взгляд, указывают на выделение этой воды при дегидратации пород земной коры.

Кайнозой. В отличие от более ранних эпох, режим круговорота вод гидросферы в кайнозое носил достаточно стабильный характер. Сопоставление наших расчетов с надежными эмпирическими данными по скорости роста средней глубины Мирового океана [143] приводит к выводу, что в кайнозое уровень океана возрастал, главным образом, не за счет поступления новой кометной воды, а вследствие процессов дегидратации, вызванных нагревом пород литосферы под действием падений комет. Данный вывод, в частности, подтверждается современной скоростью дегидратации пород земной коры [144], хорошо согласующейся с увеличением глубины Мирового океана.

И, наконец, еще один полезный расчет. Полагая, что в истории Земли падения комет случались с той же регулярностью, как в фанерозое, масса кометной воды, поступившей с момента образования нашей планеты (4.6 млрд. лет), составит ~10²⁴ г. Данная величина сопоставима с массой вод современной гидросферы. Поэтому периодические бомбардировки Солнечной системы галактическими кометами необходимо рассматривать как основной поставщик свободной воды на Землю, Марс, Луну и другие планеты.

Проблема нефти и газа

Происхождение нефти и газа является одной из ключевых проблем геологии, имеющей к тому же важное практическое значение. Научная постановка этой проблемы относится к XVIII – началу XIX веков, когда было доказано, что нефть и газ могут получаться как биогенным (органический), так и абиогенным (минеральным) путями.

Согласно галактоцентрической парадигме, нефть и газ – это неотъемлемые продукты циркуляции через земную поверхность углерода и воды кометного происхождения. Эти углерод и вода накоплены в прошлые геологические эпохи и сегодня участвуют в происходящем на нашей планете геохимическом круговороте вещества [145].

Теоретический анализ показывает, что в условиях периодического поступления на Землю больших масс космического вещества устойчивое функционирование системы требует обязательного вывода из обмена излишков углерода и воды и их фиксацию на какое-то время в неких «резервуарах». Такими резервуарами – накопителями подвижного углерода на земной поверхности выступают Мировой океан, живое вещество, атмосфера и почвы, а под земной поверхностью – породы земной коры и верхней мантии.

Из решения уравнений (3) для биосферного цикла следует, что при динамическом равновесии системы углерод распределяется между резервуарами согласно правилу:

С = n_i/t_i = const, (4)

где C – скорость геохимического круговорота, n_i и t_i – масса подвижного углерода и время его пребывания в основных резервуарах системы.

Если соотношение (4) выполняется, то убыль углерода в одной части системы восполняется его поступлением из других, если – нет, то в системе возникают перетоки вещества, которые возвращают ее в равновесие.

Круговорот углерода в биосфере в настоящее время пребывает в состоянии, близком к равновесию (рис. 25). Величина константы С, найденная по графику рис.25 и пересчитанная на диоксид углерода, приведена в табл. 7. Там же представлены оценки скоростей круговорота кислорода атмосферы [5] и современной циркуляции вод Мирового океана через срединные океанические хребты [146].

Таблица 7.

Константы круговорота углекислоты, кислорода и воды в современную эпоху [69]

Тип круговорота	Геохимическая константа круговорота, С´10^-17 г/год
Биосферный круговорот СО2 Круговорот атмосферного кислорода Геологический круговорот вод Мирового океана	2.56±0.51 2.75±0.05 2.64±0.53

Рис. 25. Сопоставление содержания углерода и его времени жизни в атмосфере (1), Мировом океане (2), живом веществе (3) и почвенно-иловом слое (4); прямоугольники – разброс литературных данных [1].

Мы видим, что все три процесса образуют единую систему круговорота с величиной C = 2.7×10¹⁷ г/год. Этот результат подтверждает принципиальную правоту В.И. Вернадского, по крайней мере, в двух вопросах: 1) круговорот вещества на Земле – это глобальное геохимическое явление, охватывающее, главным образом, верхние оболочки планеты и обеспечивающее их водой, углеродом и кислородом. И 2) исключительная роль в данном явлении принадлежит живым организмам, которые, принимая активное участие в перераспределении вещества на планете, подстраивают скорость круговорота углерода и кислорода в биосфере к скорости круговорота подземных вод.

Современное распределение вод по водоемам гидросферы показано на рис. 26.

Рис. 26. Сопоставление количеств воды и времен водообмена для основных резервуаров воды: 1 – Мировой океан; 2 – подземные воды; 3 – ледники; 4 – озера, водохранилища и болота; 5 – озера; 6 – болота; 7 – морские льды; 8 – вода в атмосфере; 9 – влага в почве; 10- снежный покров; 11 – айсберги; 12 – атмосферные льды; 13 – реки. Римские цифры – данные по углероду (см. рис. 25). Пунктирная линия – средняя скорость круговорота вод на земной поверхности.

Воды основных водоемов планеты участвуют в двух разных циклах круговорота, причем в определенной пропорции. На ~90% они формируются водами наземного климатического цикла со скоростью 5.2×10²⁰ г/год [147] – верхняя наклонная прямая, и на ~10% водами литосферы, циркулирующими со скоростью 2.7×10¹⁷ г/год (см. табл. 7) – нижняя линия. Так что средняя скорость круговорота составляет (2.0±0.5)×10¹⁹ г/год [1].

Воды, участвующие в климатическом круговороте, называют «метеогенными», а воды литосферного цикла «морскими». Первые имеют местное происхождение, они формируются в атмосфере и в виде дождя и снега инфильтруются через земную поверхность, поступая в области питания водоемов. Вторые – это воды более глубокого залегания, относящиеся к общей системе циркуляции подземных вод. Название «морских» они получили из-за близости своего состава водам Мирового океана. Оба типа вод различаются изотопным составом водорода и кислорода, который в большинстве случаев позволяет их надежно идентифицировать[148].

Метеогенные воды по разломам и другим разуплотненным участкам земной коры могут быстро проникать до глубин нескольких километров, что повсеместно наблюдается на земном шаре [148]. При этом они в состоянии ежегодно поставить под поверхность Земли, прежде всего, в форме гидрокарбоната (НСО₃) ~10¹⁵ г углерода [121]. Учет данного обстоятельства устраняет первое балансовое противоречие круговорота углерода через земную поверхность, показанное на рис.23 стрелками разной длины.

Второй дисбаланс, состоящий в поступлении «вниз» окисленного, а «наверх» восстановленного углерода, также устраняется, если учесть возможность каталитического синтеза углеводородов из окислов углерода и водорода в земной коре [149, 150].

Таким образом, становится очевидным, что наиболее быстрый биосферный круговорот углерода не ограничивается только циркуляцией углерода над поверхностью планеты, как полагают климатологи, а охватывает всю биосферу в целом, включая осадочный чехол земной коры, где сосредоточены основные залежи нефти и газа.

Нефтегазовые скопления выступают естественными ловушками – «накопителями» циркулирующего через поверхность Земли подвижного углерода, избыточного для системы его регионального геохимического круговорота. Вследствие активного участия в этом процессе метеогенных вод, пополнение ловушек углеводородами происходит не за геологическое время, а гораздо быстрее. При этом сами ловушки, во-первых, размещаются в пределах крупных водосборных осадочных бассейнов, дренирующих огромные по площади территории, и, во-вторых, тяготеют к крупным разломам земной коры [151]. Наличие разломов, с одной стороны, облегчает поступление метеогенных вод в породы земной коры, а с другой, способствует разгрузке этих вод от транспортируемого ими углерода.

Наиболее принципиален вывод об участии биосферного круговорота углерода в процессах «современного» нефтегазообразования. Следствием чего является частичное восполнение запасов нефти и газа эксплуатируемых месторождений [152], а также обнаружение [153] в нефтях космогенного изотопа С¹⁴ с периодом полураспада 5730 лет.

Факты свидетельствуют, что на формирование залежей нефти и газа влияют как геологические условия генезиса и накопления углеводородов в недрах (наличие нефтематеринских пород, присутствие разломов и ловушек, термобарические условия и т.п.). Так и характер круговорота углерода над поверхностью планеты, который во многом определяется хозяйственной деятельностью людей. Существующие объемы добычи и потребления нефти и газа могут не только ощутимо влиять на климат планеты, но и оказывать заметное влияние на распределение подвижного углерода в ее недрах [154].

Транспортировка нефти и газа на многие тысячи километров от мест добычи ведет к перераспределению мировых ресурсов углеводородов, причем далеко не за геологическое время. Интенсивно потребляющие нефть и газ промышленно-развитые страны аккумулируют их на своей территории, тогда как страны, специализирующиеся на добыче и экспорте нефти и газа, могут сравнительно быстро свои ресурсы исчерпать.