Продолжение доклада ведущего научного сотрудника Лаборатории газонефтеконденсатоотдачи пластов Института проблем нефти и газа РАН, кандидата физико-математических наук Азария Александровича Баренбаума «Решение междисциплинарных проблем на примере Биосферной концепции нефтегазообразования» на заседании секции «Дегазация Земли» Московского общества испытателей природы 20 февраля 2018 года в ИА REGNUM.

Микалоюс Константинас Чурлёнис. Фрагмент картины «Гимн»

* * *

Проблема источника

Решение данной проблемы опирается на учение В.И. Вернадского о биосфере. Это учение было впервые изложено им в двух статьях, опубликованных в 1926 году. Вот некоторые его положения:

«Часть вещества биосферы, может, большая, имеет внеземное происхождение, и попадает на планету из космических пространств».

Второе важное утверждение В.И. Вернадского относится к Галактике:

«Солнце по своему значению на нашей планете, по данным геологии, отнюдь не играет той исключительной роли, которую рисуют планетные астрономы. Влияние Млечного пути, по-видимому, доминирует».

В.И. Вернадский понимал, что процессы в Галактике влияют на Землю гораздо сильнее, чем Солнце.

И третье его высказывание касается самого механизма космического влияния:

«Земная кора есть область нашей планеты, чрезвычайно сложная по своему строению. По-видимому, в своей основе она сильно переработана постоянно в неё проникающими космическими излучениями Она представляет не случайное, а совершенно закономерное явление в истории планеты. Своеобразный планетный механизм».

«Планетный механизм» В.И. Вернадского в настоящее время установлен.

Этот механизм является следствием фундаментального физического явления струйного истечения газопылевого вещества из центра спиральных галактик. Это явление в астрономии долгое время не признавалось. Оно было известно людям в глубокой древности, потом на тысячелетия оказалось забытым и вновь привлекло к себе внимание лишь в начале прошлого века. В 1904 году его обнаружил в нашей Галактике голландский астроном Якобус Каптейн (1851−1922). А газодинамическую теорию струйного истечения предложил в 1928 году английский физик-теоретик Джеймс Джинс (1877−1946).

Сегодня с учетом этого явления построены модели Галактики и её спирального строения, а также движения Солнца в Галактике, которые позволили вскрыть тесную причинно-следственную связь основных геологических событий на Земле и в Солнечной системе с процессами в Галактике.

На Рис. 3 показано современное положение Солнца (Sun) в проекции на галактическую плоскость относительно четырех спиральных логарифмических рукавов (сплошные линии, римские цифры) и двух струйных потоков Галактики, закрученных в спирали Архимеда (пунктирные линии, арабские цифры). Струйные потоки берут начало из быстро вращающегося ядерного диска системы (малый пунктирный круг). Радиус круга, где начинаются галактические рукава, соответствует радиусу изотермического ядра Галактики. Пунктирный эллипс — орбита Солнца для его последнего оборота вокруг галактического центра (G.c.). Стрелка указывает направление движения Солнца и вращения линии апсид (прямая линия) солнечной орбиты. Большой штрихпунктирный круг — радиус коротации Галактики.

Рис. 3. Спиральное строение Галактики и орбита Солнца

Вследствие автономного вращения Галактики и её ядерного диска, а также движения Солнца по орбите и поворота самой орбиты, положение Солнца относительно спиральных ветвей Галактики закономерно меняется. При этом Солнце время от времени пересекает струйные потоки и спиральные рукава Галактики, и в такие времена длительностью от 1 до 5 млн лет Земля и другие планеты подвергаются интенсивным бомбардировкам галактическими кометами.

В геологической истории Земли эти времена совпадают с эпохами глобальных природных катастроф (тектонических, климатических и биотических), которые в стратиграфии являются естественными границами систем (периодов) и отделов (эпох) современной шкалы фанерозоя (Рис. 4).

Рис. 4. Теоретическое обоснование современной геохронологической шкалы фанерозоя

На Рис. 4 показано расчётное удаление Солнца от центра Галактики и её четырёх спиральных рукавов для последних 600 млн лет. Кружками на орбите отмечены времена попадания Солнца в струйные потоки, а квадратиками — в зоны пересечения струйных потоков и галактических рукавов, являющихся в Галактике областями интенсивной газоконденсации. Первые служат границами периодов, а вторые — эпох шкалы фанерозоя. Общепринятое подразделение этой шкалы на периоды приведено внизу. Пунктирная линия — радиус коротации Галактики.

В эпохи падений галактических комет резко повышается уровень смертности живых организмов. В результате осадочные породы этого возраста обогащаются большим количеством органического вещества (ОВ). Поэтому сторонниками биогенной гипотезы их принято называть «нефтематеринскими породами».

* * *

Галактические кометы

Галактические кометы, как отмечалось, бомбардируют Землю исключительно в периоды, когда Солнце пересекает струйные потоки и спиральные рукава Галактики. Последний раз это было 5÷1 млн лет назад. В настоящее время эти кометы совершенно недоступны визуальному обнаружению с Земли методами астрономии. Поэтому всё, что мы сегодня знаем о них, получено на основе анализа геологических следствий их выпадений на Землю и другие планеты.

Существуют две разновидности галактических комет: кометы струйных потоков и кометы галактических рукавов.

Рис. 5. Свойства галактических комет

Наиболее изучены кометы струйного потока Ориона-Лебедя, в котором Солнце находилось от 5 до 1 млн лет назад. Кометы двигались относительно Солнца со скоростью ~450 км/с, состояли в основном из водного льда, имели диаметр ядра 0.1÷3.5 км, массу 1012÷1017 г и энергию 1020÷1025 Дж. При этом они преимущественно бомбардировали южное полушарие всех планет.

Распределение комет по диаметрам носило экспоненциальный характер, а плотность падений составляла ~3−5 комет на площади 100´100 км2.

Состоят галактические кометы в основном изо льдов воды и других замерзших газов, а также органических соединений. О составе их вещества можно судить по наблюдаемым кометам, которые являются дочерними продуктами столкновений галактических комет струйного потока Ориона-Лебедя с телами астероидного пояса.

Рис. 6. Состав наблюдаемых комет

Красной рамкой выделена галактическая составляющая, тогда как пыль — это главным образом рассеянное и испарившееся вещество астероидов. В первом приближении галактические кометы на ~80% состоят из Н2О и на ~10% из углерода в его соединениях с водородом, кислородом и азотом.

Кометы галактических рукавов отличаются от комет струйных потоков более низкой скоростью падения на планеты и повышенным содержанием химических элементов со средними атомными весами: Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K и Ca.

Теперь о некоторых других важных для нас свойствах галактических комет.

Сначала о направлении прилета галактических комет в Солнечную систему. В силу того, что галактические кометы и Солнце движутся в плоскости Галактики, а плоскость эклиптики, в которой Земля и планеты вращаются вокруг Солнца, наклонена к этой плоскости под углом 62о (Рис. 7), то при движении Солнца по орбите кометы закономерно бомбардируют разные участки земной поверхности.

Рис. 7 Схема падений галактических комет

В последний раз галактические кометы падали на южное полушарие планет. Зная характер движения Солнца по галактической орбите, можно рассчитать плотность падений комет на Землю в прошлые геологические эпохи. Решение этой задачи иллюстрируется Рис. 8.

Рис. 8. Влияние движения Солнца в Галактике на распределение плотности падений ГК по широтам земного шара

Результаты расчета сопоставлены с фактическими данными на Рис. 9.

Рис. 9. Планетарные геодинамические и климатические процессы на Земле, вызванные падениями галактических комет

Слева приведено распределение плотности падений галактических комет по широтам земного шара в прошлом при условии I0 = const. Расчет относится лишь к периодам кометных бомбардировок, которые показаны горизонтальными линиями «толщиной» в 5 млн лет. В промежутках между бомбардировками расчет физического смысла не имеет. Эпохи кометных падений отмечены не только массовыми вымираниями биоты, но и хорошо известны геологам как кульминации орогенических фаз Штилле (Hans Wilhelm Stille, 1876−1966).

В центре Рис. 9 показаны выделенные Виктором Ефимовичем Хаиным (1914−2009) границы четырёх последних крупнейших геодинамических циклов, известных как циклы Вилсона (John Tuzo Wilson, 1908−1993) и Бертрана (Marcel Alexandre Bertrand, 1847−1907): Альпийского (А), Киммерийского (К), Герцинского (Н) и Байкальского (В). В истории Земли с этими циклами связывают образование и распад суперконтинентов. Период существования последних суперконтинентов Пангеи и Паннотии, по данным Николая Андреевича Божко (МГУ им. М.В. Ломоносова), также показан на слайде. Оба суперконтинента формировались в южном полушарии Земли.

Распад суперконтинентов объясняют действием крупных (> 0.1 млн км2) магматических провинций — LIPs. Они возникают в экваториальном поясе широт, «живут» около 50 млн лет, а активность проявляют импульсами от 1 до 5 млн лет, за время которых извергается объем магмы ~105-106 км3.

Справа приведены широты распространения ледниковых покровов в периоды глобальных оледенений по данным Николая Михайловича Чумакова (ГИН РАН), а также теоретический расчет этих широт по нашей совместной работе с Николаем Александровичем Ясамановым (1938−2005). Наша модель объясняет чередование «длинных» и «коротких» глобальных оледенений и широты их развития, а также позволяет ответить на вопрос, почему в келловее (средняя юра) было похолодание, а не оледенение, подобное ордовикскому.

Подчеркну, что изложенные факты удается объяснить в предположении, что плоскость эклиптики испытывает прецессию с периодом ~500 млн лет. При этом ось вращения Земли не «кувыркается», а объем Земли не растет во времени.

Теперь о «планетарном механизме» В.И. Вернадского. Фактически — это механизм воздействия падений высокоскоростных галактических комет на верхние оболочки нашей планеты — её атмосферу, гидросферу и тектоносферу. Анализ этого механизма и его основных следствий (биотических, климатических и тектонических) далеко выходит за рамки биосферной концепции.

Рассмотрим лишь его некоторые тектонические следствия, причем для последней фазы Штилле, инициированной падениями на нашу планету галактических комет струйного потока Ориона-Лебедя.

Происходившие в этот период на Земле тектонические процессы получили даже собственное название — феномен «новейших поднятий» (Рис. 10).

Рис. 10. Феномен новейших поднятий

По данным Евгения Викторовича Артюшкова (ИФЗ РАН), в это плиоцен-четвертичное время на ~90% площади континентов почти синхронно происходило поднятие поверхности амплитудами от 100−200 м до нескольких километров. В результате сформировалось большинство современных горных сооружений, плато и других положительных форм рельефа. Особенно крупные поднятия имели место в Центральной и Южной Азии, на западе Северной и Южной Америки, на востоке и юге Африки и в Восточной Антарктиде. Под многими горами происходил подъем астеносферы, который сопровождался интенсивным излиянием магмы. Не менее мощные явления тектономагматизма происходят и на дне Мирового океана.

По нашим оценкам, последний цикл новейших поднятий потребовал затрат энергии ~1028 Дж. Эта величина на много порядков превосходит современное выделение энергии Землей в ходе основных процессов (Рис. 11).

Рис. 11. Энерговыделение Земли в современную эпоху

В первой строчке приведена оценка кинетической энергии падавших на Землю галактических комет, усредненная по фанерозою. Из данных таблицы следует, что этой энергии вполне достаточно для инициирования всех тектономагматических процессов, включая и последнюю эпоху новейших поднятий.

Очевидно, что тектоника играет важную роль и в процессах образования нефти и газа. Этот фактор учтен в биосферной концепции. Следуя её выводам, возраст существующих сегодня на нашей планете промышленных скоплений нефти и газа вряд ли превышает ~1 млн лет. Если такие скопления и возникали ранее, то в результате последней кометной бомбардировки и последовавшей за ней эпохой новейших поднятий они, скорее всего, к настоящему времени не сохранились.

Возвращаясь к проблеме источника углерода в круговороте и учению В.И. Вернадского о биосфере, обратим внимание на то, что циклически поступающее на Землю при бомбардировках галактическими кометами космическое вещество (Рис. 6) — это прежде всего вода, углеродсодержащие газы и соединения.

Какова дальнейшая судьба этого вещества? Согласно биосферной концепции, попадая на Землю, космическое вещество включается в происходящий на нашей планете геохимический круговорот по В.И. Вернадскому.

Рассмотрим специфику круговорота этого вещества на примере углерода, воспользовавшись модельной схемой его круговорота, показанной на Рис. 2.

* * *

Теоретическая модель круговорота углерода

В этой модели каждый из трех взаимосвязанных циклов круговорота углерода описывается своим дифференциальным уравнением. Общая система уравнений нами записана в виде:

Рис. 12. Теоретическая модель круговорота углерода

Первое уравнение определяет круговорот углерода в биосферном цикле. Второе в быстром литосферном цикле, а третье — в медленном литосферном цикле. Каждый из циклов характеризуется своим временем круговорота τi. А коэффициенты αij в уравнениях характеризуют обмен углеродом между циклами.

Эта система уравнений решалась в предположении, что источником углерода в круговороте являются галактические кометы. С целью упрощения решения задачи принималось, что падения комет повторялись с периодом Т = 25 млн лет и при этом каждой раз на Землю поступало одинаковое количество углерода Q0.

На слайде приведены приближенные решения системы уравнений (1) для фанерозоя и для современной эпохи. Эти решения существенно отличаются.

Для иллюстрации, на Рис. 13 решение задачи для фанерозоя сопоставлено с измеренным Сергеем Германовичем Неручевым (1927−2012) темпом захоронения биогенного углерода в осадочных породах с начала фанерозоя (570 млн лет назад).

Рис. 13. Режим круговорота подвижного углерода в фанерозое. Захоронение биогенного углерода по С.Г. Неручеву

В фанерозое шло неуклонное накопление углерода в биосфере, однако темп его отложения в породах варьировал, подчиняясь галактической периодичности. При нахождении Солнца ближе к центру Галактики, когда падения комет были очень интенсивны, захоронение углерода снижалось, и он с некоторой задержкой отлагался позднее. Теоретическая модель (1) этого обстоятельства не учитывает. Нами учтен лишь скачок скорости круговорота углерода на границе юры и мела, вызванный резким увеличением массы воды в Мировом океане. По некоторым данным, объем воды в Мировом океане тогда возрос на 30%, а по другим — удвоился.

Теперь о решении системы уравнений (1) для современной эпохи. Это случай динамического равновесия системы (t ® ¥), когда количества углерода в двух первых циклах круговорота стремится к устойчивому соотношению ni/τi.

Учитывая несопоставимость времен τi в обоих циклах, практически весь подвижный углерод, циркулирующий сегодня в биосфере (~1023 г), находится под земной поверхностью, тогда как над поверхностью его в ~103-104 раз меньше, и он перераспределен между водами Мирового океана, воздухом атмосферы, живыми организмами и почвами (Рис. 14).

Рис. 14. Круговорот углерода в биосфере в современную эпоху

Распределение углерода между основными резервуарами надземной биосферы свидетельствует, что геохимический круговорот на нашей планете сегодня находится в состоянии, близком к динамическому равновесию. В этом состоянии для всех резервуаров системы должно выполняться условие:

Если условие выполняется, то система находится в динамическом равновесии и уход углерода из одного i-резервуара восполняется его поступлением из других. Если не выполняется, то между резервуарами возникают некомпенсированные перетоки вещества, которые стремятся вернуть систему в равновесие. Это приводит к смещению резервуаров вдоль линии устойчивого равновесия без изменения положения самой линии.

Из эмпирических данных (Рис. 14) также следует, что характерное время круговорота углерода в биосферном цикле на континентах составляет около 40 лет.

Наряду с углеродом биосферы могут быть найдены скорости круговорота вод Мирового океана через срединные океанические хребты, а также круговорота кислорода атмосферы. Эти данные совместно с константой равновесия для углерода, пересчитанной на СО2, приведены на слайде 15.

Рис. 15. Главная биогеохимическая функция живого вещества в биосфере В.И. Вернадского

Чтобы лучше понять, из чего складывается баланс кислорода при круговороте в биосфере, приводим литературные данные по балансу атмосферного кислорода.

Рис. 16. Баланс круговорота кислорода в атмосфере

В пределах точности эмпирических данных круговороты воды, кислорода и углекислоты характеризуются практически одной величиной константы С.

Это означает, что на нашей планете происходит совместный геохимический круговорот воды, кислорода и углерода со скоростью (2.7±0.1)x1017 г/год в рамках единой геохимической системы. Объединяющим началом этой системы выступает биосфера. Входя составным элементом в циклы воды, углерода и кислорода, живое вещество приводит их скорость круговорота в соответствие со скоростью геологического круговорота вод подземной гидросферы.

Я написал, что это главная биогеохимическая функция биосферы по В.И. Вернадскому, не случайно. В своих работах В.И. Вернадский настоятельно подчеркивал, что участие биосферы во всех процессах на Земле, прежде всего, геохимическое. Этот его вывод я постарался отразить на Рис. 15.

Продолжение следует…