Геохимический круговорот углерода



Мы поможем в написании ваших работ!


Мы поможем в написании ваших работ!



Мы поможем в написании ваших работ!


ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Геохимический круговорот углерода



В отличие от фосфора и солей, поступавших на Землю в больших количествах сравнительно редко, наиболее распространенные компоненты кометного вещества: вода и углерод поставлялись кометами струйных потоков Галактики в среднем через каждые 25 млн. лет. Причем если фосфор утилизировался еще в эпохи падений комет, а соли спустя миллионы – десятки млн. лет (см. рис. 20). То углерод активно участвовал в круговороте вещества на планете и между эпохами кометных бомбардировок [69].

Теоретически исследованная нами схема геохимического круговорота углерода на Земле с учетом его периодического поступления с кометами показана на рис. 23.

На схеме выделены три взаимодействующих круга циркуляции углерода. Первый длительностью 108-109 лет связан с погружением углеродсодержащих пород в мантию Земли при субдукции литосферных плит. Второй ~106-107 лет вызван преобразованием захороненного органического вещества при накоплении осадков. И третий – биосферный, самый короткий цикл, обусловлен переносом углерода биосферы вглубь земной коры метеогенными водами в ходе их климатического круговорота.

 
 

Рис. 23. Схема круговорота углерода. Объяснения в тексте.

Поверхность Земли в круговороте играет роль геохимического барьера. Над земной поверхностью подвижный углерод циркулирует в окисленной форме (СО2), а под поверхностью преимущественно находится в восстановленном состоянии (СН4). Из-за низкой растворимости в воде углеводороды в земной коре обособляются, формируя в благоприятных геологических условиях собственные скопления в виде нефти и газа.

Разной длиной стрелок подчеркнут известный дисбаланс «восходящего» и «нисходящего» потоков углерода за счет естественных процессов. Если в осадках континентов и океанов ежегодно захоранивается (2¸6)×1014 г углерода, то в атмосферу из недр его выводится (1¸5)×1015 г/год [119]. Причем под поверхность поступает окисленный углерод, состоящий на ~2/3 из карбонатов и на ~1/3 из отмершей органики. Из недр же в атмосферу поступает углерод восстановленный (метан и его гомологи).

Учет ежегодно добываемых количеств нефти, газа и угля, составляющих 7.6 млрд. т. нефтяного эквивалента (7.6×1015 г углерода), еще более усугубляет данный дисбаланс. При сжигании этих топлив в атмосферу поступает почти втрое большее количество СО2. Это увеличивает общее количество углекислого газа в атмосфере, что, по мнению климатологов, может вызвать происходящее на Земле потепление климата.

К настоящему времени выполнен большой объем расчетов с целью изучения влияния потребления топлив на климат Земли. Исследован биосферный круговорот углерода, включавший атмосферу, Мировой океан и почвы-илы. Оказалось, что в такой постановке вопроса современная эмиссия СО2 для системы круговорота углерода на планете является избыточной. При самых оптимистичных предположениях ~30% СО2 невозможно удалить из атмосферы за счет известных механизмов его растворения в водах Мирового океана или поглощения растительностью и животными [120].

Нами показано [121], что эти трудности вызваны отсутствием корректного учета круговорота углерода биосферы через земную поверхность с участием вод гидросферы.

В соответствии со схемой рис. 23, круговорот углерода на Земле может быть описан системой уравнений:

(3)

где n1, n2, n3 и t1, t2, t3 - соответственно количество углерода и его время жизни в каждом из трех циклов круговорота; Q(t) - функция поступления на Землю космического углерода; aij - параметры обмена углеродом между циклами.

Первое уравнение определяет геохимический круговорот углерода в биосфере (над земной поверхностью), второе – в подземной литосфере, а третье – учитывает связывание углерода породами, т.е. вывод его на долгое время из активного обмена.

Решение уравнений (3) при импульсном поступлении на Землю кометного вещества приводит к заключению, что в фанерозое общая масса углерода, а также скорость его захоронения в биосферном цикле круговорота экспоненциально возрастали. Этот вывод хорошо подтверждается фактическими данными (рис. 24). Измерения, однако, показывают, что такой рост неоднократно нарушался сильными возмущениями, снижавшими темп отложения углерода в несколько раз. Наиболее сильными они были на границах триаса и ордовика, когда происходили самые мощные кометные бомбардировки.

Фактические данные, на наш взгляд, удается понять и разумно интерпретировать, если признать, что количество поступающего на Землю космического вещества сильно меняется, подчиняясь галактической периодичности. Следует согласиться с мнением [122], что в начале мезозоя на поверхность Земли поступило особенно большое количество воды (комет). Дальнейшее перераспределение этой воды между Мировым океаном и подземной гидросферой, по-видимому, заняло несколько десятков миллионов лет и в итоге привело к сильнейшей трансгрессии в юре [123].

 
 

Рис. 24. Изменение интенсивности (а) захоронения в фанерозое биогенного углерода [124] в сопоставлении с расчетным удалением Солнца от центра Галактики (б). Наклонные прямые соответствуют экспоненциальному росту скорости захоронения углерода.

Есть все основания считать [69], что на границах мезозоя и палеозоя произошли быстрые перестройки всей системы круговорота вещества на Земле, сопровождавшиеся изменением скоростей основных геохимических процессов. Под действием Галактики система скачком переходила в новое состояние равновесия. Отмеченная особенность очень напоминает характер поведения систем с так называемым неустойчивым равновесным состоянием [125, 126], когда открытая система под влиянием внешних воздействий скачками переходит от одного локального состояния равновесия к другому.

Некоторые другие важные следствия галактоцентрической парадигмы, основанные на решении системы уравнений (3), рассмотрим на примере двух проблем: образования гидросферы и происхождения нефти и газа.

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 ~70оС, а воздуха 70¸100оС [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 = ni/ti = const, (4)

где C – скорость геохимического круговорота, ni и ti – 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.

Другим прогнозируемым следствием этого процесса является тенденция смещения крупнейших промышленных скоплений нефти и газа в акватории Мирового океана. Вследствие того, что на краях континентов обычно отсутствуют необходимые геологические условия накопления углеводородов в недрах, а на поверхности проживает большая часть активно потребляющего нефть и газ населения Земли, избыточный углерод в ходе регионального круговорота выносится водами подземного стока в Мировой океан [155, 156] на глубоководном шельфе и континентальном склоне материков. Именно поэтому, как полагает автор, здесь сосредоточены очень большие запасы углеводородного сырья нашей планеты, представленные не только нефтью и газом, но и аквамаринными газогидратами [157].

Исходя из галактоцентрической парадигмы, можно утверждать, что запасы нефти и газа разрабатываемых месторождений постоянно, с тем или иным темпом, восстанавливаются. Поэтому при разумном пользовании недрами, когда темп извлечения нефти и газа из залежей не превышает темпа их естественного пополнения, существуют предпосылки для эксплуатации нефтегазовых месторождений как «восполняемых» источников углеводородного сырья.

Заключение

Временем рождения современной науки может считаться второй век нашей эры, когда К. Птолемеем (87-165) были заложены основы весьма общей мировоззренческой концепции, получившей позднее название геоцентрической парадигмы. Согласно данной системе взглядов всё происходящее на «небесной» и «земной» сферах связывалось с самой нашей планетой. И, следовательно, Земля являлась самодостаточной для объяснения всех наблюдаемых человеком явлений.

В средние века, в первую очередь благодаря Н. Копернику (1473-1543), Г. Галилею (1564-1642) и И. Кеплеру (1571-1630), исследования небесной сферы окончательно обособились в самостоятельную область науки – астрономию. Что касается сферы земной, которая осталась в ведении геологии, то еще недавно в этой области знания продолжало господствовать геоцентрическое мировоззрение. Считалось, что все геологические, климатические, биологические и другие планетарные явления вызываются причинами, обусловленными эндогенными процессами в глубоких недрах самой Земли.

В начале XX века В.И. Вернадский, А.Л. Чижевский, М. Миланкович и др. показали, что одних эндогенных факторов для объяснения происходящих на Земле процессов недостаточно. Наряду с ними следует также учитывать влияние на нашу планету процессов в Солнечной системе: колебаний солнечной активности, движение Земли и планет вокруг Солнца, вращение Луны, падение на Землю астероидных тел и др.

О влиянии на Землю физических процессов в Галактике, т.е. в космосе «дальнем», еще недавно было известно крайне мало. Поэтому при решении геологических проблем этот фактор во внимание серьезно не принимался. Открытие явления струйного истечения газопылевого вещества из центра спиральных галактик и разработка на его основе галактоцентрической парадигмы радикально изменили ситуацию.

Автором показано, что основные геологические события прошлого Земли, которые безуспешно пытались объяснить с геоцентрических позиций, являются на самом деле порождением мощных космических процессов галактического масштаба. Связь между явлениями на Земле и в Галактике оказывается столь тесной, что открывается возможность по геологическим данным изучать вопросы строения и физики галактик, так и на основании астрономических наблюдений решать назревшие геологические проблемы.

Таким образом, представляется очевидным, что галактоцентрическая парадигма после 2000 летнего перерыва снова позволяет методологически объединить имеющиеся знания о «небе» и «земле» в рамках единой мировоззренческой концепции, но, естественно, уже на ином научном уровне.

Список литературы



Последнее изменение этой страницы: 2016-04-26; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.204.48.64 (0.018 с.)