История планетарной воды

В.В. Орленок

Новое в схемах круговорота земной воды. В схемах общего круговорота воды объем испарившейся над океаном влаги обычно считается равным объему воды, поступившей с континентов в форме речного стока, дождевых осадков, таяния ледников, подземного стока. Однако эта схема верна лишь в первом приближении и реализуется при условии постоянства общей массы воды на поверхности Земли и неизменной емкости океанических и морских впадин. На самом деле картина баланса воды на планете оказывается более сложной (Орлёнок, 1985). Дело в том, что планета не является закрытой изолированной системой. Тысячами глубинных разломов, хорошо видимых на космических снимках, и сотнями корней действующих вулканов каменная оболочка планеты связана с глубокими недрами. По ним выносится тепло, газообразные продукты, магма и вода. Сто тысяч ежегодных землетрясений и десятки вулканических извержений свидетельствуют, что Земля – геологически активная живая планета. Поверхность ее и газообразная атмосфера открыты космосу и солнечному излучению. Здесь в высоких слоях атмосферы под действием солнечных частиц высоких энергий происходит разложение молекул воды на составляющие – молекулы водорода и кислорода. Этот процесс называется фотолизом. При фотолизе тяжелая молекула кислорода под действием поля тяготения Земли будет пополнять атмосферу, а более легкая молекула водорода, получив вторую космическую скорость, будет улетучиваться в космос – диссипировать.

Таким образом, рассматривая нашу планету как открытую термодинамическую систему, мы должны учитывать глубинные внутрипланетарные поступления воды и ее потери при фотолизе. При этом нельзя забывать, что вода теряется также на увлажнение морских осадков, биосферы. Но вода поступает к нам из космоса вместе с метеоритами и тектитами, другими космическими пришельцами при их сгорании в атмосфере. Возможно также образование воды в высоких слоях атмосферы путем присоединения солнечных протонов с электронами атмосферы с последующим превращением их в атомы водорода и кислорода и далее в молекулу воды. Однако эта реакция идет значительно выше озонового экрана. Поэтому из-за ультрафиолетового излучения время жизни этой молекулы будет ничтожно – она неизбежно подвергнется фотолизу. Таким образом, в балансе глобального круговорота воды на Земле должны присутствовать, кроме традиционных (испарение, осадки, сток), по меньшей мере, еще две статьи (Орлёнок, 1985):

Неучет этих факторов, особенно при переходе на геологический масштаб времени (тысячи и миллионы лет), приводит, как мы увидим, к неверным представлениям о всей направленности эволюции лика Земли. Достаточно сказать, что при традиционно “безводном” подходе к проблеме эволюции Земли естествознание “просмотрело” важнейший этап ее геологической истории – эпоху океанизации. Не был замечен и рубеж, отделяющий доокеаническую стадию развития Земли от эпохи океанизации. Правда, предпосылки для установления этой неизвестной ранее особенности развития нашей планеты появилось лишь в последнее время. Они связаны с программой глубоководного бурения, начатого в 1969 г. с американского судна “Гломар Челленджер”. В ходе выполнения этой беспримерной программы были установлены два важнейших, на наш взгляд, факта – отсутствие на дне осадков древнее 165 млн. лет и обнаружение древних мелководных отложений на глубинах 1000 – 6000 м под уровнем моря. Из этого следовало, что океаны – необычайно молодые геологические образования и что они возникли на месте погрузившейся суши или мелководных морских бассейнов, подобных Баренцеву или Балтийскому морям. Но самое главное состоит в том, что данные по мелководным осадкам позволили решить проблему определения упомянутых выше статей водного баланса эндогенных поступлений и фотолитических потерь земной гидросферы (Орлёнок, 1985, 1987).

Классическое уравнение водного баланса М.И. Львовича

Е = Р + R, (III.2)

верное для Мирового океана как закрытой термодинамической системы, с учетом полученных нами новых внешних статей отныне приобретает более полное выражение:

Р + R + Т – Е – F = N, (N>0), (III.3)

где Е – испарение; Р – атмосферные осадки; R – речной; подземный и другие виды стока, контролируемые атмосферными осадками; Т – эндогенные (внутрипланетарные) поступления воды; F – потери на фотолиз.

Уравнение (III.3) показывает, что в реальном мире равновесия (III.2) не существует, так как происходят безвозвратные потери воды при фотолизе и последующей диссипации в космос водорода, а также за счет непрерывного поступления внутрипланетарной воды на поверхность Земли. Малые в годовом исчислении эти статьи баланса, как мы увидим, играют решающую роль в эволюции лика планеты в геологическом масштабе времени.

Современные представления о происхождении воды. Длительное время в естествознании существуют представления о большой древности современного объема земной гидросферы и чрезвычайно медленных ее изменениях в настоящем, прошлом и будущем. Наиболее популярны две точки зрения. Согласно первой – вода на Земле образовалась конденсационным путем из атмосферы сразу после образования планеты, т.е. около 4,5 млрд. лет тому назад. По другой – вода равномерно накапливалась на поверхности в процессе дегазации и вулканизма мантии Земли. Отсюда делается заключение о древности Мирового океана современных размеров и глубин, которые он якобы приобрел еще 600 – 1000 млн. лет назад. Так, академик В.И. Вернадский в 30-х годах писал: “По видимому, количество соленой морской воды остается более или менее неизменным в течение сотен миллионов лет” (с. 109). В другом месте он уточняет свою мысль: “...Распределение суши и океана в основном не менялось в течение не менее миллиарда лет, по крайней мере с начала палеозоя, и это распределение не есть поверхностное географическое явление...” (с. 691). Отсюда следует вывод о древнем и очень устойчивом распределении континентов и океанов, суши и моря, т.е. наблюдаемая асимметрия лика Земли представляется как одна из ее планетарных особенностей. Заметим, что к этому выводу В.И. Вернадский пришел, опираясь на знаменитый синтез австрийского геолога Э. Зюсса в книге “Лик Земли”. Еще более радикальное мнение, основанное на данных изучения изотопного состава воды, высказывает профессор В. Ферронский, полагая, что гидросфера, будучи конденсационного происхождения, образовалась в период остывания верхней оболочки Земли за сравнительно короткий срок в объеме, близком к современному. Во многих работах современных исследователей считается чуть ли не само собой разумеющимся, что Мировой океан с объемом воды, близким к современному, существовал уже в палеозое (Леонтьев, 1982; Хаин, 1971 и др.).

В приведенных и других аналогичных суждениях о природе воды, как правило, отсутствуют надежные количественные оценки изменений объема гидросферы в течение геологической истории Земли, а сами они построены на целом ряде допущений и гипотез.

Представление чуть ли не об изначальном образовании земной гидросферы, по существу, не оставляет места для эволюции. Лик Земли оказывается сформированным со всей своей асимметрией уже изначально. Уязвимы также представления о слабой изменчивости природных условий Земли, медленном и равномерном накоплении гидросферы. Это не согласуется с данными исторической геологии о ярко выраженном эволюционном, поступательном ходе развития природной среды и органического мира Земли, противоречит современным наблюдаемым темпам изменения уровня океана, климата, скорости разрушения горных пород и т.д.

Следует также признать, что у исследователей до недавнего времени не было еще надежного метода решения проблемы эволюции свободной воды. Для этого, прежде всего, нужно было определить эндогенные и фотолитические статьи баланса земной гидросферы. Впервые эти статьи баланса были установлены автором в 1980 г., для чего использовались данные о находках мелководных отложений различного возраста на дне Атлантического, Индийского и Тихого океанов, полученные в ходе выполнения программы глубоководного бурения “Гломар Челленджер”. В результате противоречия во многом интуитивная и гипотетическая картина эволюции земной гидросферы получила надежное количественное обоснование и оказалась не похожей на ту, что рисовалась исследователями (Орлёнок, 1985).

Прежде всего, уточним для себя немаловажный вопрос. Сколько свободной воды на Земле? Формы состояния воды различны. Это обыкновенная жидкая вода океанов, морей, рек и озер, вода в твердой фазе – это льды Гренландии, Антарктиды и высокогорные ледники, вода в газообразном состоянии – это пары воды атмосферы и, наконец, связная вода, увлажняющая твердые породы и живое вещество.

Вся вода, которая отделилась от твердого вещества земных пород, представляет собой так называемую “свободную”, или гравитационную, воду. Эта свободная вода участвует в круговороте живого и неживого вещества на поверхности Земли. Испаряясь над океанами и другими водными бассейнами, она с осадками, речным, подземным и ледниковым стоком возвращается в Мировой океан. Его площадь составляет 361 млн. км2, средняя глубина – 3800 м, и здесь сосредоточена основная масса свободной воды – 1,42×1024 г, т.е. 94% всей гидросферы. В реках и озерах суши имеется всего 0,0005×1024 г воды, в ледниках значительно больше – 0,035×1024 г и в атмосфере – 0,00013×1024 г. Кроме того, в свободном круговороте участвует и почвенная вода. Масса ее сравнима с ледниковой и равна 0,0085×1024 г. Следует также учитывать воду, увлажняющую верхние 200 – 300 м морских осадков, которая в процессе их уплотнения и диагенеза (преобразования в породу) поднимается к поверхности дна в виде минерализованных растворов. При средней влажности осадков (60%) ее массу можно приблизительно оценить 0,1×1024 г.

Таким образом, общая масса свободной воды, обращающейся в круговороте на поверхности Земли, в настоящее время равна примерно 1,564×1024 г, или, округляя, 1,6×1024 г.

Мы не упомянули другие статьи круговорота, масса участвующей воды в которых много меньше полученного порядка 1024 г.

Ничтожный вклад дает космогенное вещество. По данным Э.В. Соботовича, его ежегодно выпадает на земную поверхность и в океан от 1 до 10 млн. тонн. Следует также учесть, что количество воды, идущей на увлажнение морских осадков, примерно равно количеству воды, вытесняемой из верхней (100 – 200 м) осадочной толщи в ходе ее уплотнения и диагенеза. Так что эта часть баланса является постоянной.

Свидетельства грандиозных опусканий океанского дна. Важнейшим достижением международной программы океанского бурения, начатой в 1968 г. с американского судна “Гломар Челленджер”, как уже упоминалось, явилось установление двух фактов: первый – на дне океанов не было обнаружено осадков древнее 165 млн. лет, что само по себе явилось неожиданным свидетельством их геологической молодости. В самом деле, если представить летопись Земли в виде книги, на каждой странице которой будет запечатлена история в миллион лет, то такая книга будет насчитывать 4600 страниц. Основное содержание книги – это жизнь Земли без океана, и лишь на последних 165 страницах появляется повествование о нем.

Вторым фактором явилось установление на дне глубоководных котловин всех трех океанов мелководных осадков и пород со следами субаэрального выветривания, т.е. былого нахождения их выше уровня моря. Из материалов 600 изученных нами скважин (более чем 200) были установлены (причем самими участниками программы бурения) неоспоримые свидетельства мелководности или даже наземных условий в областях, которые ныне опущены на глубину от 1 до 6 км и более.

При этом оказалось, что чем древнее мелководные отложения, тем глубже относительно уровня моря они залегают (рис. 14). Отсюда возникает вопрос: какова закономерность в распределении древних и молодых отложений в распространении их на дне современного океана? Анализ показал, что такая закономерность имеется. В Атлантическом и Индийском океанах древнейшие осадки возраста 100 – 160 млн. лет приурочены к континентальным окраинам (рис. 15). По мере приближения к срединно-океаническим хребтам их возраст закономерно уменьшается. В Тихом океане, наоборот, возраст осадков уменьшается от центральных областей океана к его периферии, т.е. к континентальным окраинам. Исключение составляет Восточно-Тихоокеанский хребет, где картина сходна со срединной областью Индийского и Атлантического океанов. Замечательно, что в этих же направлениях изменяется возраст подстилающих осадки вулканических пород. Вывод, который следовал из этих данных, был закономерным: образование Атлантического и Индийского океанов началось с опусканий коры вдоль окраин будущих континентов, которые в последующем захватывали все новые области суши или мелкого моря, распространяясь в направлении к срединной области будущего океана (рис. 16). Области срединно-океанических хребтов здесь оказались вовлечены в опускание лишь в последние 25 – 30 млн. лет. В Тихом океане процесс опускания коры шел от центра океана к периферии. Повсеместно опусканиям предшествовали или сопровождали их мощные вулканические извержения. Это сочетание двух процессов, очевидно, не случайно. Оно проливает свет на причину процесса, который можно назвать процессом океанизации. По мере дегазации и вулканизма в недрах на глубинах порядка 40 – 50 км неизбежно должны возникать разуплотненные зоны. Вот в эти зоны нагруженная базальтовыми лавами кора будет пассивно проседать, занимая освободившееся пространство. В дальнейшем в ходе продолжающегося остывания и уплотнения земного вещества глубинных зон (бывших магматических резервуаров) опускание дна, хотя и с меньшей скоростью и амплитудой, будет продолжаться. Учитывая общую гравитационную организацию вещества, этот механизм в условиях Земли представляется единственно энергетически реальным. Он же в конечном счете обусловливает общую контракцию, сжатие Земли и уменьшение ее радиуса.

Рис. 14. Зависимость возраста мелководных отложений от глубины их залегания на дне Мирового океана (по Орлёнку, 1990) (а) и скорость опускания дна (б): 1 – хребты; 2 – внутриконтинентальные моря; 3 – континентальный склон; 4 – котловины; 5 – поднятия и подводные горы

Какова была скорость этих опусканий и что же происходило с водой?

В поисках ответа на эти и другие возникающие вопросы мы пошли следующим путем. Возраст и современная глубина залегания мелководных отложений по каждой скважине известны. Следовательно, можно определить среднюю скорость V опускания дна в районе каждой из более 200 скважин, вскрывших эти отложения:

V = (H+h)/t. (III.4)

Здесь Н – глубина океана; h – мощность покрывающих мелководные отложения осадков; t – их возраст.

Рис. 15. Мелководные отложения и направление океанизации (по Орлёнку, 1985):

а – карта древних мелководных отложений на дне океанов. Области преимущественного расположения отложений:

1 – неогеновых; 2 – палеогеновых; 3 – позднемеловых; 4 – раннемеловых; 5 – рифты; 6 – разломы;

б – схема, иллюстрирующая направление океанизации (по Орлёнку, 1985): 1 – в Атлантическом и Индийском сегментах; 2 – в Тихоокеанском сегменте

Рис. 16. График, характеризующий скорость опускания океанических сегментов Земли (правая часть) и поступления эндогенной воды в последние 160 млн. лет и в будущем, рассчитанный по данным о современной гипсометрии разновозрастных мелководных отложений “Гломар Челленджер” (по Орлёнку 1985) по скважинам 1 – Тихого, 2 – Атлантического, 3 – Индийского океанов; 4 – вода, 5 – глубоководные осадки, 6 – мелководные осадки, 7 – базальты. Левая часть графика характеризует скорость поступления воды в будущем, штриховкой показаны доверительные интервалы, вычисленные с вероятностью 0,95%

Расчеты были произведены с учетом уплотнения осадочной толщи после ее образования. Полученные таким образом более 200 значений средней скорости опускания дна различных районов трех океанов мы нанесли на график (рис. 16).

В пределах 95% доверительного интервала все расчетные точки легли, образовав четко выраженную экспоненциальную зависимость (Орлёнок, 1983):

, (III.5)

где a, b, c – коэффициенты, легко определяемые