Утилизация кометного вещества

14. Утилизация кометного вещества

Открытие галактических комет радикально меняет ситуацию. Выпадение на Землю в эпохи пребывания Солнца в струйных потоках и спиральных рукавах Галактики до 10⁶10⁷ таких комет равносильно поступлению на нашу планету до 10²⁰10²¹ г воды, на порядок меньшего количества углерода, а также всех других более тяжелых химических элементов в соответствии с их космическим обилием. Этого вещества вполне достаточно [69], чтобы объяснить им близость [102] среднего изотопного состава H, He, C, N, O и инертных газов на Земле веществу углистых хондритов.

Таблица 4.

Химический состав ядер наблюдаемых комет [103] с изменениями автора

Возврат системы в устойчивое состояние происходит за счет освобождения от «ненужных» веществ, в первую очередь, избытка воды и углерода, которые выводятся системой из активного круговорота. Основная масса воды при этом поступает в Мировой океан, что объясняет известный ступенчатый характер изменения его уровня [104]. Вместе с водой в океан сносятся углерод и остальной космический материал. Поэтому на границах периодов и отделов геохронологической шкалы содержание в воде P, Ca, Fe, Cu, U, Ir, Os и др. химических элементов увеличивается в десятки – сотни раз [60].

С прекращением падений комет состав морской воды возвращается в норму, а на шельфе и во внутренних морях отлагаются сравнительно маломощные, обогащенные углеродом и другим космическим веществом прослои пород, преобразующиеся в черные сланцы [105]. Формируются месторождения и многих других полезных ископаемых: урана, бокситов, железомарганцевых руд, фосфора и солей [5, 106].

15. Происхождение фосфатов и солей

Фосфаты и соли относятся к числу тех не многих полезных ископаемых, которые занимают огромные территории и отражают глобальные события, связанные с их возникновением [107]. Формирование крупных фосфатоносных провинций на Земле имело место лишь в отдельные сравнительно короткие (<10 млн. лет) периоды прошлого: венд - ранний кембрий, пермь и поздний мел - ранний палеоген. К этим трем эпохам относятся все главные фосфатоносные бассейны планеты. Вне указанных периодов месторождений фосфора мало либо они отсутствуют вообще.

Несмотря на то, что процесс соленакопления протекал практически непрерывно – «с кембрия и доныне», как и для фосфора, отчетливо выделяются периоды глобального галогенеза [108]. Времена образования основных масс солей и фосфоритов очень близки (рис. 20). На связь обоих процессов также указывает близкое расположение некоторых фосфатных и соленосных бассейнов.

Долгое время неразрешимой геологической проблемой являлось объяснение причин интенсивного фосфато- и соленакопления в определенные сравнительно короткие периоды фанерозоя, а также источник для этого фосфора и солей.

В работах [109-111] с позиций галактоцентрической парадигмы предложено объяснение этого феномена. Предполагается, что в эпохи кометных бомбардировок наряду с кометами струйных потоков на Землю падали также кометы спиральных галактических рукавов. Своей максимальной численности они достигали на расстоянии радиуса коротации R* = 13.01.0 кпк от центра Галактики. Состав комет галактических рукавов отличается от вещества комет струйных потоков повышенным содержанием (до 0.1-1 %) химических элементов со средними атомными весами. Поэтому эпохи поступления на З
емлю таких комет отмечаются отложением пород и руд соответствующего состава.

Рис. 20. а) Разведанные запасы фосфора (столбики) – правая шкала, и солей (пунктир) – левая шкала, в сопоставлении б) с положением Солнца на галактической орбите (периодическая кривая) и удалением от центра Галактики ее четырех (цифры I-IV) спиральных рукавов. Кружки – моменты кометных бомбардировок. Пунктир – радиус коротации Галактики.

В табл. 5 приведены химические элементы так называемого «кальциевого пика». Все эти элементы исключительно синтезируются в реакциях горения углерода, кислорода и кремния в недрах звезд-гигантов, а также при взрывах обычных звезд [112].

Таблица 5.

Распространенность некоторых элементов в космическом веществе

относительно кремния по А. Камерону [113]

Сопоставление нуклидов табл. 5 с химическим составом солей (табл. 6) показывает, что все они, за исключением фосфора и кремния, присутствуют в солях. Причем соотношение объемов некоторых классов солей, отложенных в палеозое, контролируется содержанием этих элементов в космическом веществе [110].

Таблица 6.

Классификация солей по Е.А.Баскову и др. [114]

Палеозойское время характеризуется еще одной важной закономерностью: объемы отложенных каменных солей и разведанных запасов фосфатов, просуммированные по всему земному шару, обнаруживают линейную зависимость (рис. 21). С позиций нашей гипотезы этот факт приводит к трем выводам [111]: 1) слабой изменчивости среднего состава вещества поступавших на Землю галактических комет; 2) пропорциональном захоронении его фосфатной и наиболее растворимой солевой компонентов в процессах седиментации. И 3) существенного размыва и переотложения уже возникших скоплений фосфоритов и солей в более поздние эпохи не происходило. При невыполнении х
отя бы одного из этих условий линейность графика была бы нарушена.

Рис. 21. Сопоставление разведанных запасов фосфоритов и объемов каменной соли в палеозое по литературным данным [111].

Представленные результаты, вполне хорошо объясняя времена и объемы отложения фосфоритов и солей в фанерозое, не дают, однако ответа на другой важный вопрос: почему интенсивное образование этих полезных ископаемых на Земле началось именно с рубежа венда и кембрия. С этого времени на планете также резко меняется характер накопления кальциевых и кальциево-магниевых карбонатов, и получают широкое распространение известняки [115]. Ответы на эти вопросы связаны с решением другой принципиальной проблемы, которую сейчас рассмотрим.

Известно, то в период 570-545 млн. лет назад, в конце венда - начале кембрия, наша планета пережила бурное развитие животного мира [116]. Если раньше живые организмы на Земле были представлены весьма примитивными существами: археобактериями, цианобактериями (прокариотами) и одноклеточными планктонными организмами (эукариотами), то в конце венда появляется многоклеточная эдиакарская фауна. А в начале кембрия ей на смену приходят почти все основные типы организмов, уже обладавшие твердыми раковинами или скелетами, просуществовавшие до наших дней [117]. Несколько позже у морских животных возникает кровеносная система, и кожное дыхание заменяется более совершенным легочным [118].

Галактоцентрическая парадигма не испытывает затруднений и в этом случае. Дело в том, что в расчетах, приведенных на рис. 20, влиянием эволюции Галактики на параметры солнечной орбиты пренебрегалось. Оценки, однако, показывают, что за прошедшие с начала фанерозоя 600 млн. лет орбитальный период Солнца увеличился на 3.6%, а средний радиус солнечной орбиты возрос примерно на 2%. Хотя эти изменения невелики, но в нашем случае с ней необходимо считаться.

Учет данного обстоятельства приводит к тому [118], что на рубеже венда и кембрия Солнце достигло апогалактия орбиты на 20 млн. лет позже, чем в первоначальном расчете. Примерно на такую же величину следует уменьшить и вычисленные времена границ кембрийской системы. Это, кстати, лучше согласуется с пересмотренной в последние годы временной границей между вендским и кембрийским периодами [56].

О
дновременно уменьшался средний радиус орбиты Солнца и, вероятно, ее эксцентриситет. В результате апогалактий солнечной орбиты в докембрии находился ближе к центру Галактики, чем в настоящее время. Эволюция Галактики также влияет и на радиус коротации, который со временем должен уменьшаться (рис. 22).

Рис. 22. Изменение со временем удаления Солнца от галактического центра (периодическая кривая) и радиуса коротации Галактики (пунктирная линия) с учетом эволюции нашей звездной системы. Треугольники внизу – главные эпохи накопления на Земле фосфатов и солей на рубежах венда и кембрия (V/Є), карбона и перми (С/Р), мела и палеогена (К/Р). Внизу указаны положения палеозойской (Pz), мезозойской (Mz) и кайнозойской (Kz) эр, а также верхней части рифея (Rf).

Вследствие эволюции нашей звездной системы, солнечная орбита в апогалактии впервые достигла радиуса коротации Галактики лишь около 570 млн. лет назад. Ранее орбита Солнца располагалась внутри коротационного радиуса. Поэтому поставки галактическими кометами на Землю в необходимом количестве химических элементов кальциевого пика не происходило. Именно по данной причине крупные скопления этих элементов, образующие сегодня промышленные месторождения фосфоритов, солей, сульфатов и т.д., стали возникать на нашей планете лишь в фанерозое.

Той же причиной объясняется и возникновение на Земле высокоразвитых организмов. Наибольшие количества «химических элементов жизни» – фосфора и кальция поступали на Землю на границах: венд-кембрий, карбон-пермь и мел-палеоген, когда Солнце находилось на удалении радиуса коротации от центра Галактики. Поэтому эти три эпохи явились временами крупнейших перестроек органического мира нашей планеты. Первая из них знаменует начало палеозоя – эры «древней жизни». Вторая – мезозоя – эры «средней жизни». А последняя – кайнозоя – эры «новой жизни».

Таким образом, согласно галактоцентрической парадигме бурное развитие животного мира на нашей планете последние 570 млн. лет вызвано, прежде всего, космическим влиянием. Начиная с этого времени, орбита Солнца впервые достигла радиуса коротации Галактики, что явилось причиной выпадения на Землю галактических комет с высоким содержанием фосфора, кальция и других, необходимых для жизни химических элементов. Эти элементы с кометной водой поступали в Мировой океан, который и стал в палеозое главной ареной развития животного мира нашей планеты.

Заметим, что идея возникновения на Земле живых организмов вследствие нахождения Солнца вблизи радиуса коротации высказывалась ранее [43]. Однако авторами данной работы эта связь никак не была конкретизирована.

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.

Р
ис. 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 ₁, ₂, ₃  соответственно количество углерода и его время жизни в каждом из трех циклов круговорота; Q(t)  функция поступления на Землю космического углерода; _ij  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.

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 (₁ < ₂ << ₃). Пока время ₁ оставалось меньше периода цикличности кометных бомбардировок (₁ < 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 ₁ вырастает настолько, что возникают благоприятные условия для накопления воды на земной поверхности (₁  Т, ₁ > ₂). 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 ₂ > ₃ участвовать в вулканических процессах, а в случае ₂ < ₃ 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 (₁  ₂). 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.

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 (₁  ₂) сменялись на Земле длительными периодами высыхания водоемов и угнетения живых существ (₁  ₂), когда доля биогенного углерода в осадках снижалась почти до нуля (см. рис. 13).

Палеозой и мезозой. В отличие от архея (t₁ < ₂ << ₃ Т) и протерозоя (₁  ₂  Т), к началу фанерозоя литосфера планеты остывает настолько, что большая часть воды постоянно остается на земной поверхности (₁  ₂, ₃  ₁), 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  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.

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.