ГЛОБАЛЬНЫЕ "ВРЕМЕНА ГОДА"

Периодичность становления кислородной атмосферы и углерод-водородной оболочки Земли как индикатор геологических "времен года".

Владимир Молчанов
доктор геололого-минералогических наук,

Владилен Параев
кандидат геолого-минералогических наук
старшие научные сотрудники ОИГГМ СО РАН

Природа воздушного кислорода и время его появления в атмосфере Земли — проблема общенаучного масштаба, привлекающая внимание естествоиспытателей самого различного профиля, образно говоря, от астрофизиков до микробиологов. Однако реальное ее решение найдено в рамках наук о Земле с привлечением геологических данных.

Отправные положения концепции базируются на идеях трех выдающихся ученых нашей страны — академиков В.Вернадского, А.Виноградова и А.Трофимука. В.Вернадский определил генезис воздушного кислорода в зависимости от захоронения органического вещества. А.Виноградов установил, что кислород атмосферы (как результат фотосинтеза) есть кислород воды, а не углекислоты. А.Трофимук высказал гипотезу об углерод-водородной оболочке стратисферы в смысле материнской основы нефтегазопроизводства.

Устойчивое развитие Земли как единой системы обеспечивается разномасштабными геобиологическими процессами во внешних геосферах (атмосфера, биосфера, гидросфера, литосфера). В них происходят все экзогенные преобразования, где доминирует солнечная энергия. Принципиальная схема взаимодействия атмо-, гидро- и литосферы основывается на материальном обмене, который осуществляется через биосферу при фотосинтезе в процессе усвоения солнечной энергии. Аккумуляция и расходование солнечной энергии протекает при непосредственном и постоянном участии водорода, кислорода и углерода.

Фотосинтез в биосфере идет с потреблением воды гидросферы и углекислоты атмосферы. Органические остатки захороняются в литосфере, а биогенный кислород выделяется в атмосферу. Эти процессы синхронны и замыкаются в единую цепь взаимообусловленных событий как материальный обмен между названными геосферами. Их тесная взаимосвязь и взаимообусловленность позволили В.Вернадскому высказать предположение: "Если бы углерод не выпадал из жизненного цикла в виде углеводородов, углей, битумов... свободного кислорода не существовало бы вовсе...". Смысл его идеи состоит в том, что биосфера по кислороду замкнута на себя — сколько кислорода производится при фотосинтезе, столько же его потребляется при дыхании, горении, гниении.

Свободный кислород может оказаться невостребованным в том случае, если какое-то количество органического вещества, синтезированного в процессе фотосинтеза, выпадает из круговорота в виде органических остатков и захороняется в недрах. Следовательно, масса воздушного кислорода пропорциональна массе органических остатков, которые содержатся в осадочных породах.

Предположение, высказанное В.Вернадским, нашло свое отражение в творческом наследии академика А.Трофимука. Принцип В.Вернадского гласит, что обогащение атмосферы свободным кислородом обусловлено захоронением органических остатков. По мнению А.Трофимука, захоронение продуктов биосферы в недрах происходит в столь значительных масштабах, что вполне уместно говорить о формировании самостоятельной углерод-водородной оболочки в стратисфере. Таким образом идеи В.Вернадского (о природе воздушного кислорода) и А.Трофимука (о формировании углерод-водородной оболочки) слились в одно русло. Была высказана мысль об эквивалентной связи генерации кислорода при фотосинтезе и формировании углерод-водородной оболочки стратисферы. Она изложена в последней прижизненной статье А.Трофимука "Биогенный кислород атмосферы — эквивалент углеводородной оболочки во взаимодействии внешних геосфер".

Основной смысл статьи сводится к тому, что кислород атмосферы эквивалентен водороду, захороненному в недрах в составе органического вещества. Потому массу кислорода, выделившегося при фотосинтезе, следует считать не по органическому углероду, а по массе водорода вошедшего в состав фоссилизированных (захороненных) остатков.

Предпринимавшиеся ранее попытки рассчитать динамику становления кислородной атмосферы (используя упрощенную реакцию фотосинтеза) опирались на соотношение: один атом органического углерода в составе осадочных пород обеспечивал выход в атмосферу двух атомов кислорода, то есть в отношении 12:32 или 3:8.

Расчет по массе захороненного водорода строится иначе. Каждый атом углерода, захороняясь в недрах, захватил с собой два атома водорода и обеспечил выход в атмосферу только одного атома кислорода (12:16 или 3:4).

Применявшаяся ранее расчетная формула фотосинтеза по захороненному углероду (упрощенная на одну молекулу воды) приводила к систематической ошибке, по которой масса выделяемого свободного кислорода удваивается, что исключает сведение баланса. Кроме того, при расчете по углероду вносится генетически-химическая ошибка: выделяемый при фотосинтезе кислород генерируется из воды, а не является продуктом восстановления углекислоты. Неизбежна и физико-химическая ошибка. Известно, что солнечный свет выбивает электроны, то есть является окислителем, а не восстановителем углекислоты. Наконец вносится и геохимическая ошибка. Кислород атмосферы, как известно, обогащен тяжелым изотопом по сравнению с кислородом гидросферы (хотя кислород воздуха есть кислород воды). Объяснение фракционирования изотопов содержится в расчетной формуле (с удвоенной молекулой воды). Биогенная вода в реакции фотосинтеза образуется при предпочтительном усвоении легкого изотопа кислорода, а тяжелые изотопы отбрасываются в атмосферу.

По перечисленным причинам упрощение расчетной формулы фотосинтеза (вполне законное по правилам арифметики) абсолютно недопустимо по естественнонаучным соображениям.

Поступивший в атмосферу кислород становится важнейшим агентом, определяющим условия седиментогенеза. В литогенезе он расходуется на окисление минеральных веществ, среди которых главными потребителями являются закисное железо и сульфидная сера (другими можно пока пренебречь). Зная массу осадочных, вулканогенных и сульфатных пород, слагающих осадочную оболочку Земли, можно посчитать общий расход кислорода, потребленного на окисление минеральных веществ в какой-либо геологический период.

Для количественной оценки баланса взаимодействия внешних геосфер необходимо подсчитать: 1. Массу произведенного при фотосинтезе кислорода (приход). 2. Массу кислорода, затраченного при окислении минеральных веществ в литогенезе (расход). 3. Разность "приход-расход" будет поступать в атмосферу.

Результаты расчетов показывают, что биогенный кислород по масштабам своего выделения при фотосинтезе способен обеспечить потребности на окисление минеральных веществ в литогенезе и его накопление в атмосфере до современного уровня.

Накопление кислорода в атмосфере не было равномерным. Графическая интерпретация расчетных данных показала, что в фанерозойской истории Земли (последние 570–600 млн лет) выделяются семь этапов становления кислородной атмосферы. Отчетливо обособляются повторяющиеся периоды падения и роста масштабов генерации кислорода, с которыми коррелируются глобальные изменения природной среды, климата, биоты, особенности седиментогенеза, осадочного породообразования, тектонической активности земной коры.

Периоды спада интенсивности генерации кислорода и угнетенного фотосинтеза совпадают с эпохами глобальных оледенений и другими признаками похолодания в кембрии, позднем ордовике-силуре, девоне, пермо-триасе и палеогене. Эпохи глобальных похолоданий в литературе стали именовать "зимами нашей планеты" или условно "глобальной геологической зимой".

Глобальные зимы со скудной растительностью сменялись эпохами буйного расцвета органической жизни и временем активной генерации кислорода (в ордовике, от верхнего девона до перми, в юре и мелу). Их (пользуясь предложенной терминологией) также условно можно называть "глобальным геологическим летом".

Продолжительность глобального летнего и зимнего сезонов примерно равны (по 50–70 млн лет). Они разделены кратковременными (10–20 млн лет) периодами с переходной интенсивностью генерации кислорода "глобального межсезонья" (осень, весна).

Заметим, что "глобальную зиму" не следует уподоблять сибирской зиме с ее устойчиво отрицательными температурами и снежным покровом. Например, в эпоху "кайнозойской зимы" наряду с резкими похолоданиями климата, когда ледниковые покровы повсеместно наползали на континенты, имели место и теплые (межледниковые) периоды.

Представление о "глобальном геологическом лете" можно получить из характеристики ближайшего к нам "мезозойского лета". Пик его расцвета связан с меловым периодом. Известно, что для этого периода глобального лета (в отличии от современного состояния планеты) характерны: пенепленизация (выравнивание) континентов, обширный, но мелководный океан, отсутствие полярных ледовых шапок, среднегодовая температура достигает плюс 18–25 градусов Цельсия, а разность температур поверхности океана между полюсом и экватором значительно меньше, чем сейчас.

Благоприятные условия обитания способствуют расцвету биосферы. В это время теплолюбивая флора продвигалась далеко в высокие широты (тропические леса шумели на берегах Финского залива), а динозавры обитали даже на Аляске.

По колебанию интенсивности генерации кислорода в истории развития Земли за последние 570–600 млн лет проявились циклы изменения активности фотосинтеза, по своим масштабам явно связанные с астрофизическими явлениями. Общая продолжительность одного такого цикла, складывающегося как последовательность зима-весна-лето-осень, оценивается до 170 млн лет. Выделенные циклы строго соответствуют расчленению фанерозоя: палеозой содержит два таких цикла, мезозой — один, а кайнозой — отвечает началу очередного цикла. Выделенная цикличность отражает ТУ закономерность, которой подчиняются ВСЕ геологические процессы, как экзогенные, так и эндогенные (о чем свидетельствует совпадение циклов с делением геологической истории на ЭРЫ).

Интересно отметить, что объединение идей В.Вернадского и А.Трофимука о выделении свободного кислорода в атмосферу в процессе формирования углерод-водородной оболочки является еще одним доказательством генетической связи нефтеобразования с биосферой и служит основанием для пересмотра теоретических приоритетов нефтяной геологии. Колебание интенсивности генерации кислорода и темпов накопления органических остатков позволяет выделить эпохи усиленного накопления углеводородов в недрах, названные А.Трофимуком (по эмпирическим данным) этажами нефтегазоносности, и указать стратиграфические горизонты вероятной локализации залежей с предварительной оценкой геологических запасов. А.Трофимук предполагал, что по массе углерод-водородной оболочки удастся определить мировые запасы углеводородного сырья в недрах. Смерть академика А.Трофимука оборвала работы в этом направлении.

Кроме того, объединение идей В.Вернадского и А.Трофимука имеет выход на решение проблем цикличности и периодичности в эволюции седиментогенеза и осадочного рудообразования. Сезонность осадконакопления в течение глобального геологического года определяет локализацию не только залежей нефти, но и многих других полезных ископаемых осадочного генезиса. Осень — период накопления фосфора, урана и сопутствующих им элементов, что обусловлено массовым отмиранием организмов в биосфере. Зима — время накопления солей, осаждение которых обусловлено вымораживанием водоемов. Весна — период накопления бокситов, генезис которых связан с выщелачиванием глинозема холодными углекислыми водами. Лето — время накопления каустобиолитов (уголь, нефть, газ).

Полученные расчеты баланса взаимодействия внешних геосфер позволяют определить и далекий прогноз развития климата на Земле и обсудить важнейший вопрос о саморегуляции земных процессов. Так, согласно схеме "глобальной годовой цикличности" в настоящее время заканчивается "кайнозойская зима" и наступает переход к "глобальной весне" (подробнее смотри здесь).

В средствах массовой информации широко обсуждается глобальное потепление на планете, которое связывают с "парниковым эффектом" ("Человечество сперва замерзнет, а потом сварится" — смотри "АиФ", № 6, февраль, 2000 г.).

На основании анализа геологических событий в фанерозое можно уверенно говорить, что механизмы саморегуляции, сформировавшиеся к настоящему времени, не допустят катострофических изменений, как о том еще можно прочитать в газетах. Не отрицая "парниковый эффект", следует признать, что глобальные климатические изменения долговременного масштаба определяются, прежде всего, астрофизическими факторами. Кроме того, Земля как единая термодинамическая система обладает защитными механизмами саморегуляции. Они способны компенсировать как недопустимую концентрацию углекислого газа в атмосфере, так и значительное повышение уровня моря при таянии льдов.

Повышение парциального давления углекислого газа в атмосфере немедленно компенсируется растворением углекислоты в холодных водах полярных областей. Следствие этого процесса — растворение карбонатов, наблюдается в виде современного разрушения Большого Барьерного Рифа, омываемого холодным течением из Берингова пролива.

Прирост массы воды и повышение уровня Мирового океана в связи с потеплением климата будет урегулирован приростом массы биосферы. Теплые условия расширяют ареал экспансии тропической растительности вплоть до Полярного круга.

Известно, что синтез глюкозы и целлюлозы протекает с активным потреблением воды и углекислоты. В планетарном масштабе массы современной биосферы (2х10²² г) и гидросферы (1,4х10²⁴ г) вполне сопоставимы. Их соотношение в целом должно сохраняться. Удвоение массы растительного мира (как показали расчеты) вполне достаточно, чтобы связать как "избыточную" воду, образованную при таянии льдов, так и избыточную углекислоту. Защитные механизмы саморегуляции в большинстве случаев действуют через биосферу (как наиболее чувствительный элемент системы), потому геобиологические факторы в значительной мере определяют эволюцию земного вещества в процессе становления и существования планеты.